LU81946A1 - Verfahren zum verdichten von koernigen stoffen - Google Patents

Description

* GEORG FISCHER AKTIENGESELLSCHAFT!, 8201 Schaffhausen % 2136/GAD / 2.11.1979 / Li-bs /

Verfahren zum Verdichten von körnigen Stoffen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verdichten von körnigen Stoffen, insbesondere Giessereiformstoff, mittels einer exothermen Reaktion eines Gemisches aus Luft und Brennstoff in einem geschlossenen System, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des 14. Anspruches und der Verwendung des Verfahrens zur Steuerung der Verdichtung bzw. Formfestigkeit von körnigen Stoffen, vorzugsweise Giessereiformstoffen.

Die bisher in der Giessereiindustrie vorgeschlagenen Explosionsverdichtungsverfahren zur Herstellung von Formen und Kernen (US-PS 3 170 202) kamen über das Versuchsstadium nicht hinaus.

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Nachteilig wirkten sich insbesondere folgende Faktoren aus: - Sicherheitsrisiko der Lagerung und Handhabung von Explosivstoffen im Giessereibereich;

Fehlende Reproduzierbarkeit der erzielten Ergebnisse; - Die erforderlichen Verbrennungsdrücke konnten nur durch Vorkomprimierung des brennbaren Gemisches in der Brennkammer erreicht werden, was einen zusätzlichen Aufwand und Dichtprobleme hervorrief; - Ohne Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff konnten die für Giessereizwecke erforderlichen Festigkeitswerte nicht er- - 2 -

reicht werdenJ

- Die Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff verteuerte das Verfahren in unzulässigem Masse und erhöhte das Sicherheitsrisiko .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren vorzuschlagen, welches die erwähnten Nachteile nicht aufweist und die wirtschaftliche und ungefährliche Herstellung von Formen mit ‘ einer wählbaren, hohen, reproduzierbaren Festigkeit erlaubt, ohne Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff und ohne vorgängige, wesentliche Vorkomprimierung.

Diese Aufgabe ist durch die in den Ansprüchen 1, 14 und 20 angegebene Lehre gelöst. Weitere Merkmale tond besondere Ausführungsformen dieser Lehre sind in den davon abhängigen Ansprüchen angegeben.

Durch diese Merkmale wird ein gezielter reproduzierbarer Verbrennungsvorgang erreicht. Gleichzeitig kann damit auch eine Erhöhung der Intensität der exothermen Reaktion erreicht werden.

Von Bedeutung ist insbesondere die Erhöhung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des VerbrennungsVorgangs durch die erzwungene Bewegung des brennbaren Gemisches. Erst diese Massnahme ermöglicht es ohne Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff die Fortpflanzungsgeschwindigkeit so anzuheben, dass die erforderlichen Festigkeiten erzielt werden.

Vorzugsweise wird das brennbare Gemisch durch ein leistungsveränderliches Gebläse, welches entweder im Verbrennungsraum selbst, oder mit dem Verbrennungsraum in Verbindung steht, in eine in sich geschlossene, in ihrer Geschwindigkeit veränderbare Strömung gebracht. Doch ist auch eine andere Erzeugung der Bewegung möglich z.B. mit Mischventilen oder ähnlichem. Durch die Bewegung der Initialimpulsauslöser kann ebenfalls ein gezielter Verbrennungsvorgang erreicht werden.

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Die Leistungsveränderlichkeit des Gebläses ermöglicht über die veränderliche Strömung des brennbaren Gemisches eine gewünschte Festigkeit der Form zu erzielen, je nach den besonderen Umständen, Die Korrelation zwischen Bewegungsintensität und Formfestigkeit ist dabei eine positive. Typische Geschwindigkeiten für das brennbare Gemisch liegen im Bereich von 20 - 50 ms-^.

Der Brennstoff wird vorzugsweise in die unter Umgebungsdruck stehende Luft in der Brennkammer eingebracht. Bei Verwendung einer stöchiometrischen Menge z.B. von Erdgas steigt dabei der Druck in der Brennkammer um ca. 0,1 Bar. Bei einem derart geringen Ueberdruck ergeben sich keine wesentlichen Abdichtungsprobleme und damit auch keine Gasverluste und Sicherheitsprobleme.

Das stöchiometrische Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff muss jedoch nicht eingehalten werden, wesentlich ist nur, dass das resultierende Gemisch brennbar bleibt.

Als Brennstoffe kommen sowohl feste, als flüssige und gasförmige Stoffe in Frage. Als besonders geeignet haben sich die folgenden erwiesen: Erdgas, Methan, Propan, Butan, Azetylen, Benzin, Diesel-oel. Auch pyrofore Staube wie Kohlenstaub, Sagemehl u.s.w. könnten geeignet sein.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin begründet, dass der nach der Auslösung der Verbrennung er reichte Maximaldruck im geschlossenen System unter 8 bar liegt, was die Konstruktion der Verdichtungsvorrichtung erheblich vereinfacht und die Belastung der Vorrichtung erheblich herabsetzt.

Bei allen Explosionsverdichtungsverfahren wird die Formrückseite der verdichteten Form spröde und bröcklig und die Verbrennungswärme trocknet eine 5 - 10 mm dicke Sandschicht aus. Eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens erlaubt es diesen Nachteil zu eliminieren. Sie besteht darin die Oberfläche des - 4 - ft zu verdichtenden körnigen Stoffes vor Auslösung der Explosion mit einer gasundurchlässigen Abdeckung zu versehen. Wird die 4 Abdeckung durch einen unten offenen Behälter, dessen Seitenwände in den Sand eintauchen, nur stellenweise angebracht, so kann damit gleichzeitig die Formfestigkeit an der Formoberseite lokal gesteuert werden.

Eine weitere Möglichkeit die Formfestigkeit an der Formoberseite zu steuern liegt neben der bereits erwähnten Leistungsveränder-lichkeit des Gebläses in der Veränderung des Volumens des Brennraumes, wiederum mit positiver Korrelation.

Das erfindungsgemässe Verfahren findet nicht nur Anwendung in der Giessereiindustrie zur Herstellung von Giessformen und - Kernen sondern kann auch in der Bauindustrie zur Verdichtung von Baustoffen dienen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von in der Zeichnung dargestellten sich auf Formsandverdichtung beziehenden, aber nicht limitierten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen;

Fig. 1 eine Formanlage mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung, v

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform,

Fig. 4 eine vierte Ausführungsform, und Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Formanlage, wobei eine Modellplatte 5 mit Modell 6 nach der anderen in die Füll- und Formstation kommt.

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Hier wird die Platte 5 mittels eines hydraulischen Hebekolbens 7 über einen Formrahmen 11 und einen Füllrahmen 12, die mittels ' Rollen 13 bewegbar sind, gegen einen eine dosierte Formsandmenge enthaltenden Sandbehälter 17 angehoben. Nachdem der Sand in den Form- und Füllrahmen eingeschüttet worden ist, wird der Behälter 17 horizontal verschoben bzw. verschwenkt und eine Haube 18 kommt an die Stelle des Behälters 17. Die Haube 18, die etwa die Brennkammer 23 bildet und die aus einer oberen Abdeckplatte 24 und einer Seitenwandung 25 besteht, weist einen Initialimpuls-auslöser, z.B. einen Zünder 19, ein von einem Elektromotor 22 getriebenes Gebläse 20 mit Leitring 20a und eine Einlassöffnung 21 für einen Brennstoff auf. Durch eine Leitung 27 wird eine die Zündfähigkeit garantierende Menge Brennstoff in die mit Luft unter atmospärischem Druck gefüllte Brennkammer 23 geleitet, wobei der Druck minimal ansteigt ( bei Erdgas im stöchiometrischen Verhältnis z.B. steigt der Druck um ca. 0,1 Bar an). Das Gebläse 20 mischt Luft und Brennstoff zu einem explosiblen Gemisch. Um die Bewegung des explosiblen Gemisches steuern zu können ist das Gebläse 20 mit Vorteil durch Schaufelverstellung oder Drehzahländerung leistungsveränderlich. Der Zünder 19 zündet das Gemisch bei laufendem Gebläse 20, z.B. durch einen elektrischen Funken, und der Formsand wird verdichtet. Der maximale Druckanstieg liegt bei ca. 8 Bar.

Der Druckabfall hängt u.a. ab von der Temperatur der Wandung, die bei Dauerbetrieb (automatische Anlage) mit Kühlkanälen 70 ausgestattet werden kann (siehe Fig. 2). Des weiteren entweicht das verbrannte Gas z.B. durch angeordnete Enlüftungen und bzw. oder zwischen die Teile 5, 11, 12 und 25 hindurch. Der Ueber-druck reduziert sich auf Null beim Absenken des Kolbens 7. Der Behälter 17 kommt nunmehr in die Füllstellung oberhalb des Füllrahmens 12 und gleichzeitig kommt die Haube 18 in die gestrichelt gezeichnete Position 28, in der eine Absaugung 29 die Abgase abführt. Vorteilhafterweise kann das Gebläse 20 ständig in Betrieb bleiben um drei Funktionen zu erfüllen: Mischen der Verbrennungskomponenten, Erhöhung der Ausbreitungsgeschwindigkeit « - 6 - der Verbrennungsfront während der Verbrennung und Austreiben der Abgase.

Je kleiner der Verbrennungsraum, desto weniger Brennstoff bzw. Brenngas wird verbraucht und desto billiger kann die Vorrichtung hergestellt werden,

Pig. 2 zeigt eine Haube 18, die in einem Rahmen 33, der auf den Füllrahmen 12 passt,gleiten kann und die in bestimmten Lagen fixiert werden kann z.B,mittels Steckbolzen 34, welche durch Oeffnungen 35 im Rahmen 33 hindurchgehen und in die Seitenwandung 25 eingreifen. An der Aussenseite der Wandung 25 sind mit Vorteil Dichtungen 36 vorgesehen. Diese Ausführung erlaubt es, das optimale Verhältnis Verbrennungsraum/Sandeinfüllvolumen bei verschieden grossen Modellen jeweils einzustellen. Die Verstellung der Haube 18 kann auch mit anderen Mitteln - auf hydraulisch oder pneumatische Art oder elektrisch mit Hilfe eines Stellmotors - bewerkstelligt werden.

Fig. 3 zeigt zwei verschiedene, jedoch miteinander verbindbare Sachlagen. Erstens wird die bevorzugte Anordnung des Gebläses 20 gezeigt. Demgemäss liegt sein Saugstutzen 51 etwa mittig über dem Sand bzw. der Modellplatte 5, so dass die Strömung, der die Druckwelle folgt, gegen die Seitenwandung nach unten verläuft. Dadurch kann der Widerstand Sand/Wandung, wenigstens teilweise, 'kompensiert werden, mit dem Zweck, noch gleichmässigere Härtewerte in der Trennebene zu erhalten.

Zweitens wird eine andere Möglichkeit gezeigt, die Formfestigkeit über die Trennebene zu beeinflussen. Hierzu ist ein nach unten offener Behälter 54 mittels Stangen 52 lösbar mit der Wandung 25 der Haube 18 verbunden. Nach dem Füllvorgang taucht die aufstehende Wand 53 des Behälters 54 beim Aufeinanderdrücken der Haube 18 mit den Form- und Füllrahmen 11, 12 derart in den Sand, dass der Boden 55, die geschlossene Seite des Behälters 54, oberhalb der Sandeinfüllhöhe 56 liegt. Es hat sich über ♦ - 7 - raschend gezeigt, dass sich dadurch die Formfestigkeit im mittleren Bereich der Trennebene verringert und in den Wandungsbereichen etwas vergrössert.

Bei grösseren Form- und Füllrahmen 11, 12 können in der Brennkammer 23 auch mehrere Gebläse 20 angeordnet werden, wobei auch andere, eine Bewegung des Gemisches erzeugende Einrichtung wie z.B. Mischventile, eine Wellenbewegung des Gemisches erzeugende * Geräte usw. verwendbar sind.

Es ist auch möglich anstelle eines Gebläses 20 einen oder mehrere als Zünder 19 ausgebildete Initialimpulsauslöser in der Brennkammer 23 an einer rotierenden Welle 80 anzuordnen (siehe Fig. 2 rechte Seite), wobei Zündzeit und Rotationsgeschwindigkeit vorzugsweise einstellbar sind, wodurch ein gezielt ablaufender Verbrennungsvorgang erreicht wird.

Als weitere Variante ist die Anordnung von mehreren an der Haube 18 umfangs- und höhenmässig verteilt angeordneten Zündern 19 möglich, welche gleichzeitig oder in einem bestimmten Zeitablauf gezündet werden.

Mit Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher seitlich eines Formstoffbehälters 57 eine Brennkammer 23 angeordnet ist, die über eine Oeffnung 58 mit einem unteren Brennkammerteil 23a verbunden ist. In der Abdeckung der Brennkammer 23 ist ein Gebläse 20 eingesetzt, das von einem Motor 22 angetrieben ist. In einer Seitenwandung der Brennkammer 23 befindet sich die Zuleitung 27 für einen Brennstoff und der oder die Zünder 19.

Die Symmetrieachse des unteren Brennkammerteiles 23a ist gleich derjenigen des Formstoffbehälters 57, welcher mit der Auslassöffnung 59 in die Füllöffnung 60 des Brennkammerteiles 23a ein-tauchbar vorgesehen ist. Als Abschluss der Füllöffnung 60 ist ein Schieber 61 vorgesehen, der von einem Schubkolbenantrieb 62 - 8 - quer zur Füllöffnung 60 bewegbar ist. Mit gleicher Symmetrieachse zum Formstoffbehälter 67 bzw. Brennkammerteil 23a sind der Füllrahmen 12 und der Formrahmen 11 angeordnet die hierbei auf Rollen 13 absenkbar sind. Auf der Platte des Hebekolbens 7 sind wie vorgängig auch beschrieben die Modellplatte 5 mit Modell 6 aufgesetzt.

Für den Füllvorgang mit Formstoff, wird der Schieber 61 in die - Oeffnungstellung verschoben und damit die Füllöffnung 60 freigegeben. Anschliessend erfolgt durch Betätigen des Hebekolbens 7 ein Anheben des Füllrahmens 12 bis zur Anlage an den Brennkammerteil 23a. Nunmehr wird der Verschluss des Formstoffbe-hälters 57 geöffnet und eine dosierte Menge Formstoff eingefüllt. Nachfolgend wird die Füllöffnung 60 mittels des Schiebers 61 verschlossen und der Hebekolben 7 auf "Pressen" angehoben.

Bei diesem Vorgang wird der Brennkammerteil 23a gegen einen Rahmen 63 gedrückt und damit der Schieber 61 in seiner Lage dichtend mit dem Brennkammerteil 23a verbunden. Nunmehr kann der VerdichtungsVorgang wie bereits beschrieben erfolgen.

Mit Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt wobei auf einem Untersatz 64 ein Formrahmen 11, ein Füllrahmen 12 und eine mit diesen mittels Briden 65 dichtend verbundene Modellplatte 5 mit Modell 6 aufgesetzt sind. Den Formrahmen 11 den Füllrahmen 12 und die Modellplatte 5 überdeckend ist eine Haube 66 über eine Dichtung 67 auf den Untersatz 64 abgesetzt und mittels Briden 68 mit diesem verbunden. In einem Teil der Wandung der Haube 66 sind einmal das Gebläse 20 mit Motor 22 eingesetzt, zum andern Teil die Brennstoffleitung 27 und der Zünder 19. Für das Anheben bzw. Absetzen der Haube 66 ist ein Tragring 69 vorgesehen.

Durch die Verwendung von einem oder mehreren Katahysatoren kann der Verbrennungsvorgang bei bestimmten Brennstoffen beschleunigt werden, wodurch gleichzeitig durch Wahl der Katalysatoren ein gezielter reproduzierbarer Verbrennungsvorgang erreichbar ist.

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Diese Katalysatoren können aus Edelmetallen wie z.B. Platin,

Gold usw, bestehen und in der Brennkammer 23 angeordnet sein oder als Additive zusammen mit dem Brennstoff in die Brennkammer eingeführt werden.

Claims (23)

1. Verfahren zum Verdichten von körnigen Stoffen insbesondere Giessereiformstoff, mittels einer exothermen Reaktion eines Gemisches aus Luft und Brennstoff in einem geschlossenen System, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Relativbewegung zwischen dem Gemisch und einem oder mehreren Initialimpulsen die exotherme Reaktion des Gemisches ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung durch eine Bewegung des brennbaren Gemisches erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung durch eine Bewegung mindestens eines Initialimpulses erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Gemisches eine in sich geschlossene turbulente und/oder laminare Strömung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Gemisch mindestens teilweise mit einer « ' Geschwindigkeit von mindestens 1 ms x, vorzugsweise mindes tens 20 ms \ bewegt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- » zeichnet, dass das Gemisch im geschlossenen System gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Auslösung der exothermen Reaktion der Druck im geschlossenen System gleich demjenigen ausserhalb des Systems ist oder höchstens einen Ueberdruck auf- t - 11 - weist wie er sich durch das Einbringen der notwendigen Brennstoffmenge in die unter Umgebungsdruck stehenden Luft im geschlossenen System ergibt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein fester Brennstoff verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn- . zeichnet, dass ein flüssiger Brennstoff verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasförmiger Brennstoff, vorzugsweise ein gesättigter Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch davon verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der nach der Auslösung der Verbrennung erreichte Maximaldruck im geschlossenen System unter 8 bar liegt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zu verdichtenden körnigen Stoffes vor Auslösung der exothermen Reaktion ganz oder teilweise, gasundurchlässig abgedeckt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die exotherme Reaktion mittels katalytischer Wirkung beschleunigt wird.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einer den zu verdichtenden körnigen Stoff aufnehmende Platte (5), vorzugsweise eine Modellplatte, mit einem daran anliegenden Form- (11) und Füllrahmen (12) und mit einer damit in Verbindung stehenden haubenförmigen Brennkammer (23) , die mindestens eine Einlassöffnung (21) und mindestens einen Initialimpulsauslöser (19) hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (20, 80) zur Erzeugung einer • I - 12 - Relativbewegung zwischen dem brennbaren Gemisch und dem bzw. den Initialimpulsauslösern (19) in der Brennkammer (23) vor-5 handen sind oder mit der Brennkammer in Verbindung stehten.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Relativbewegung mindestens ein Gebläse (20) für das Gemisch ist.

. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Relativbewegung ein oder mehrere bewegliche Initialimpulsauslöser (19) sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Gebläse (20) leistungsveränderlich ist bzw, sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Brennkammer (23) veränderbar ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, gekennzeichnet durch einen mit der Wandung (25) der Brennkammer (23) verbindbaren, nach unten offenen Behälter (54), dessen offene Seite unterhalb der Sandeinfüllhöhe (56) und dessen geschlossene, der offenen Seite gegenüberliegende Seite (55) oberhalb der Sandeinfüllhöhe (56) liegt.

20. Verwendung des Verfahrens-nach einem der Ansprüche 1 bis 13, zur Steuerung der Verdichtung bzw. Formfestigkeit von körnigen Stoffen vorzugsweise Giessereiformstoffen,

21. Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung höherer Verdichtungs- bzw. Formfestigkeitswerten das brennbare Gemisch mit erhöhter der Geschwindigkeit bewegt wird und/oder das Volumen der Brennkammer vergrössert wird. % - 13 -

22. Verwendung nach Anspruch 20 oder 21, zur lokalen Verdichtungs-bzw. Formfestigkeitssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass * Formoberflächen mit stellenweise geringeren Verdichtungs- bzw. Formfestigkeitserfordernissen an diesen Stellen durch den unten offenen Behälter (54) abgedeckt werden.

23. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, zur Verstärkung der zu erzielenden Verdichtung der Formrückseite, dadurch gekennzeichnet, dass eine gasundurchlässige Abdeckung auf die Oberfläche des zu verdichtenden Stoffes gelegt wird.