DE2301488C3

DE2301488C3 - Vorrichtung zum Trocknen keramischer Gießformen für den Metallguß

Info

Publication number: DE2301488C3
Application number: DE2301488A
Authority: DE
Inventors: Park Aurora French; Thomas Squire North Canton Piwonka
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1972-01-14
Filing date: 1973-01-12
Publication date: 1978-10-12
Also published as: GB1412219A; JPS5227861B2; IT976873B; US3771233A; FR2168067A1; JPS4882450A; FR2168067B1; DE2301488A1; DE2301488B2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Trocknen keramischer Gießformen für den Metallguß mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Luftstroms an der Oberflächt· der Gießform. «

Es ist bereits eine Vorrichtung bekannt, mit deren Hilfe keramische Körper getrockne, werden können. Diese Vorrichtung enthält einen abgeschlossenen Raum, durch den die zu trocknenden Körper auf einem Förderband hindurchtransportiert werden. Die Körper ⁴" durchlaufen dabei verschiedene Trocknungszonen, in denen jeweils unterschiedliche Temperaturen herrschen. Die Trocknung wird mit Hilfe eines über die Oberfläche der Körper streichenden Luftstroms und mit Hilfe der erhöhten Temperatur erzielt. *">

Es hat sich gezeigt, daß empfindliche keramische Gießformen für den Metallguß mit der bekannten Vorrichtung nicht mit hoher Durchlaufgeschwindigkeit getrocknet werden können, ohne daß sich in den Gießformen Risse bilden. Diese Gießformen werden bekanntlich durch Aufbringen mehrerer übereinander· liegender Keramikschichten hergestellt. Die einzelnen Schichten müssen dabei getrocknet werden, was ohne die Gefahr eines Springens der Form wegen der entstehenden Spannungen zwischen den bereits trocke- « nen und den noch feuchten Keramikschichten nur bei sehr langsamen Trocknungsgeschwindigkeiten erreicht werden kann. Da bei keramischen Gießformen die einzelnen Schichten nacheinander aufgebracht und getrocknet werden müssen, wurden sich bei Anwendung «» der bekanntun Vorrichtung übcmäßige Gesamitrock nungszeiten bis zur Fertigstellung der Form ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß die Trocknungszeit beträchtlich herabge- ¹^ setzt werden kann, ohne daß die Gefahr von Rißbildungen in der Gießform besteht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

daß um die Oberfläche der Gießform in Abstand voneinanderliegende nadelartige Elektroden angeordnet sind, daß eine eine Gleichspannung abgebende Hochspannungsquelle mit einem Pol an dem zu trocknenden Körper und mit dem anderen Pol an die Elektroden angeschlossen ist, daß der Abstand der Elektroden voneinander so eingestellt ist, daß keine elektrische Entladung zwischen benachbarten Nadeln auftritt, und daß der Abstand der Elektroden von der Oberfläche der Gießform so eingestellt ist, daß keine Funkenbildung auftritt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zusätzlich zu dem zum Trocknen verwendeten Luftstrom an der Oberfläche der Gießform ein elektrisches Gleichspannungsfeld erzeugt. Dieses elektrische Feld erzeugt an der Oberfläche der Gießform turbulente Luftströmungen, die ein rasches Abführen der aus der Oberfläche austretenden Feuchtigkeit zur Folge haben. Durch die nadeiförmige Ausgestaltung der Elektroden wird die Trocknungswirkung gefördert, da arf diese Weise auch bei unregelmäßig geformten Gießformen ein möglichst gleichmäßiges elektrisches Feld an der gesamten Oberfläche, also auch an Vertiefungen und Kanten erzielt werden kann, was wiederum die gleichmäßige Bildung von Luftturbulenzen und somit ein gleichmäßiges Trocknen nach sich zieht. Die sonst beim Trocknen von keramischen Gießformen gefürchtete Rißbildung tritt nicht mehr auf, auch wenn der Trocknungsvorgang & -hnell durchgeführt wird.

Es ist zwar bereits bekannt, bei einem Trocknungsvorgang auch ein elektrisches Gleichspannungsfeld anzuwenden, doch wurde dies lediglich bei der Trocknung von Papierbahnen oder ähnlichen Materialien mit ebenen Oberflächen, nicht aber beim Trocknen keramischer Gießformen angewendet. Die dabei zur Erzeugung des elektrischen Feldes angewendeten Elektroden waren Stäbe, die sich parallel zur ebenen Oberfläche des zu trocknenden Materials erstrecken. Für das Trocknen von Körpern mit unregelmäßigen Oberflächen ist diese bekannte Vorrichtung nicht geeignet.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Trocknungsvorrichtung nach der Erfindung,

F j g. 2 das Schaltbild einer Schaltung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts in einer keramischen Gießform während des Trocknungsvorgangs.

F i g. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Vergleichs zwischen den Trocknungsgeschwindigkeiten bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich zur herkömmlichen Trocknung in einem Ofen und der Trocknung in einem herkömmlichen Ofen allein.

F i g. 4 ein Diagramm /ur Veranschaulichung der unterschiedlichen Trocknungsgcschwindigkeitcn an verschiedenen Abschnitten einer keramischen Gießform bei Anwendung der herkömmlichen Ofentrocknung und

F i g. 5 ein Diagramm zur Erläuterung eines Ver gleichs /wischen den Trocknungsgeschwindigkeiten an verschiedenen Abschnitten einer keramischen Gieß form bei Anwendung der erfindungsgcmiißen Vorrichtung zusätzlich zur Öfentrocknung.

In Fig. 1 ist eine eine Gleichspannung liefernde Hochspannungsquelle l0 dargestellt, die beispielsweise Spannungen von 0 bis 40 000V liefern kann. Eine variable Spannungsversorgung ermöglicht eine gewisse Kontrolle über den Vorgang. Die Spannung kann auch

größer oder kleiner als 40 000V sein; sie kann beispielsweise 20 000 oder 60 000V betragen. Die negative Klemme der Spannungsquelle ist an einen Widerstand 12 angeschlossen. Der Widerstand ist zum Schutz der Hochspannungsquelle gegen Stromstöße für den Fall der Funkenbildung in die Schaltung eingefügt. Der Widerstand 12 kann aus 60 Kohlewiderständen mit einem Widerstandswert von jeweils 220 ΚΩ und einer Belastbarkeit von 2 Watt bestehen, die in Serie geschaltet sind. Durch Anbringen der Widerstände in einem Stück ai's. einem doppelwandigen isolierenden Plastikschlauch kann die Widerstandskette als Verbindungskabel zwischen der Spannungsquelle und den zu beschreibenden Elektroden verwendet werden.

Das Bezugszeichen 14 bezeichnet ein Feld aus nadelartigen Elektroden. Die Nadeln können von einem isolierenden Kunststoffblock getragen werden, und sie können im Abstand voneinander so angebracht sein, daß sie die Fläche des zu trocknenden Objekts überdecken. Die Zahl der Nadeln hängt von der Größe der zu trocknenden Fläche ab, doch ist es wichtig, daß die Nadeln nicht weniger als etwa 5 cm voneinander entfernt sind, damit eine Entladung quer zu den Nadeln verhindert wird. Obgleich der Durchmesser d^r Nadeln nicht kritisch ist, werden bevorzugt Nadeln verwendet, die sich beginnend mit einem Durchmesser von 0,5 mm an dem in den Kunststoffblock eingeschobenen Ende zu einer Spitze mit einem Durchmesser von etwa 0,25 mm verjüngen. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind zur Befestigung eines Nadelfeldes auf jeder Seite der to Gießform 19 zwei Blöcke 16 und 18 vorgesehen. Es sei bemerkt, daß die Zahl der Nadelfelder von der Größe und der Gestalt der Gießform abhängt, die dem Trocknungsvorgang unterzogen wird. Die Nadelspitzen können 5 bis 15 cm von der zu trocknenden Gießform η entfernt sein; dies hängt von der verwendeten Spannung ab, doch sollte der Abstand genügend groß sein, damit eine Funkenbildung verhindert wird.

Der positive Pol der Hochspannungsquelle ist über eine Leitung 20 an die Gießform 19 angeschlossen. Die 4i> Gießform 19 kann mit Hilfe eines Hakens 22 zwischen den von d-n Nadelfeldern gebildeten Elektroden aufgehängt sein. Die besten Ergebnisse wurden zwar im oben angegebenen Beispiel bei Verwendung der in Fig. I dargestellten Polarität erzielt,doch können gute *=> Ergebnisse auch bei Verwendung der umgekehrten Polarität erhalten werden. In manchen Anwendungsfällen kann die entgegengesetzte Polarität bevorzugt verwerdet werden.

Gleichzeitig wird mittels einer Gebläse- oder w Saugvorrichtung ein Luftstrom an der Oberfläche der tu trocknenden Gießform erzeugt.

Es wird angenommen, daß der Trocknungsvorgang unter Einwirkung des von der hohen Gleichspannung erzeugten elektrostatischen Feldes folgendermaßen ^rr> abläuft: Die Entladung verursacht hydrodynamische Instabilitäten in der gasförmigen Atmosphäre an der Oberfläche der /11 trocknenden Gießform. Diese Instabilitäten führen /u einer beträchtlichen turbulenten Verwirbelung in der Nähe der Oberfläche, der die m> Vermischung des mit der Oberfläche in Kontakt stehenden Gases mit dem in einem gewissen Abstand von der Oberfläche vorhandenen Gas bewirkt. Dieser Vorgang reduziert die Konzentration des verdampften Materials an der Oberfläche, so daß als Folge davon ι>ί eine Vergrößerung der Verdampfungsgeschwindigkeit auftritt. Das verdampfte Material wird über eine gewisse Strecke von der Oberfläche wegtransportiert, und es vermischt sich mit der Gasumgebung, so daß es durch den durch erzeugten Luftstrom abgeführt werden kann.

Damit das elektrostatische Trocknungsverfahrvn wirksam sein kann, muß die Leitfähigkeit der Gießform, die dem Trocknungsvorgang unterzogen wird, so groß sein, daß der (typischerweise 10 bis 50 Mikroampere pro Elektrode in Luft bei atmosphärischem Druck betragende) Entladungstrom fließen kann, ohne daß ohmsche Spannungsabfälle entstehen, die erfaßbare Bruchteile der angelegten Hochspannung sind. Die Entladung würde andernfalls unterdrückt. Wenn Körper mit sehr niedriger Leitungsfähigkeit verdampft oder getrocknet werden sollen, können in dem Körper innere Leiter angebracht werden, damit die Stromwege durch das Material verkürzt werden.

Das elektrische Oberflächenfeld tritt zum großen Teil als Folge der Raumladung in dem umgebenden Gas auf, und es erstreckt sich somit gleichmäßig sowohl in Vertiefungen als auch um Ecken. Somit ist das hier beschriebene Trocknungsverfahren bei der Förderung der Gleichmäßigkeit der Verdampfte,,' von unregelmäßigen Oberflächen von Nutzen. Es ist vor. Vorteil, dafür zu sorgen, daß die Luft oder die andere gasförmige Atmosphäre aus der Nähe der zu trocknenden Oberfläche entfernt wird, damit die verdampfte Flüssigkeit hinwegbefördert und hohe Konzentrationen der verdampften Flüssigkeit in der Nähe des Körpers vermieden werden. Eine gegebene Geschwindigkeit der Luftströme hält eine entsprechende Gleichgewichts grenzschichtdicke an der trocknenden Oberfläche aufrecht. Eine Zunahme der Geschwindigkeit verringert die Schichtdicke und erhöht die Trocknungsgeschwindigkeit. Eine geeignete Luftgeschwindigkeit liegt bei 38 m pro Minute an der zu trocknenden Oberfläche. Offensichtlich können aber auch höhere oder niedrige Luftgeschwindigkeiten verwendet werden.

Wie oben bereits ausgeführt wurde, erhöht ein elektrostatisches Feld den Massentransport an der Oberfläche der Gießform, die getrockne· wire¹ Eine niedrigere Feuchtigkeit der Atmosphäre an der Oberfläche zwingt Feuchtigkeit durch Kapillarwirkung au? der Form zu deren Oberfläche. Hier vermischt sich die Feuchtigkeit mit der umgebenden Luft, so daß die Sättigung an der Formoberfläche herabgesetzt wird. Die bei der Oberfläche befindliche Luft entlädt sich durch Ionenwanderung zur Oberfläche unter Schaffung einer Luftschicht mit niedriger Ladungsdichtc zwischen der Oberfläche und der Luft mit höherer Ladungsdichtc Die Luft mit hoher Ladungsdichte wird elektrostatisch zu der Oberfläche gezogen, wo sie in zahlreichen Bereichen die Luft mit niedriger Ladungsdichte verdrängt und /u einer beträchtlichen Turbulenz führt. Trockene Luft aus der Umgebung vermischt sich nun turbulent mit der feuchten Luft an der Oberfläche der Gießform. Die Verdampfungsgeschwindigkeit wird so erhöht, und die For-n trocknet schneller.

Die in der Gießform verbleibende Feuchtigkeitsmen ge. die der Dehydrierung unterliegt, kann in zweifacher Weise überwacht werden. Erstens kann sie durch direkte Gewichtsmessung bestimmt werden, und zwei tens kann sie durch Widerslands- oder l.eitfähigkcits messungen in verschiedenen Zeitabschnitten vährend des Trocknungsvorgangs bestimmt werde». Zur Bestimmung der Trocknungsgeschwindigkeit von Keramikformen wurde das Widerstands- oder Leitfähigkeitsmeßverfahren angewendet. Trockenes Keramikmaterial ist gewöhnlich ein sehr schlechter Elektrizitätsleiter. Die

Leitfähigkeit von SIOj liegt beispielsweise unter 10-^M S/cm. F.ine Keramikform hat jedoch eine Porosität von 30%. Wenn sie feucht ist, kann sie bis zu 20% ihres Gewichts in einer Lösung festhallen, die sowohl bindende als auch stabilisierende Salze enthält F.ine feuchte Form ist daher ein relativ guter Leiter. Die Leitfähigkeit hängt von der Menge und von der Zusammensetzung der vorliegenden Lösung ab. Bei einer gegebenen Zusammensetzung nimmt die Leitfähigkeit beim Trocknen der Form und bei der Abnahme des Feuchtigkeitsgehalls ab. Der Trocknungsgrad kann folglich durch Beobachten des entsprechenden l.citfähigkeiiswerts überwacht werden. Der Widersland weist /war keinen linearen Zusammenhang mit der Menge der vorhandenen Feuchtigkeit und damit mit dem Gewichtsverlust auf. doch kann sehr leicht ausgesagt werden, wann die Form trocken ist. da an diesem Punkl der Widerstand in Abhängigkeit von der Zeit sehr schnell auf einen konstanten W ert ansteigt.

Versuche wurden mit einer keramischen Gießform für den Prä/isionsgul) ausgeführt, die in Schichten auf einem Wachsmodell aufgebaut war. Nichromstreifen mn einer Breite von 0.3 cm und einer Dicke von 0.25 mm wurden in das Wachsmodell in einem Abstand von 1.25 cm eingebettet. Durch Messen der Leitfähigkeit quer zu den Streifen an verschiedenen Stellen konnte die Trocknungsgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen der Oberfläche der Form unter Verwendung der Schaltung von F '■■ g. 2 beobachtet werden. Die das Wachsmodell mn den eingebetteten Nichromstreifen 42 enthaltende Form 40 ist an eine eine Gleichspannung von H)OV liefernde Quelle 44 in Serie mit einem Milliamperemeter 46 mit einem Gleichstrommeßbercich von 0 bis 10 Milliampere und einem Kohlewiderstand 48 mit einem Widerstandswert von 10 ΚΩ angeschlossen

F ι g 3 zeigt ein Diagramm von Widerstandsmessungen, die für Messungen der Trocknungsgeschwindigkeil nach der Aufbringung der Schichten 2, 3 und 6 auf einer Keramik-Gießform aufgezeichnet sind. Die Messungen wurden während der Trocknung der Schichten nach der /weiten, der dritten und der sechsten Tauchung aufgenommen. Aus dem Diagramm ist offensichtlich. daß der Widerstandsanstieg bei der Ergänzung der Ofentrocknung durch elektrostatische Trocknung in jedem Fall schneller anstieg, als bei Verwendung der Ofentrocknung allein. In jedem Fall trocknete die elektrostatisch getrocknete Form zweimal so schnell wie die ofengetrocknete Form. Beispielsweise trocknete die Form nach der zweiten Tauchung innerhalb von 18 Minuten im elektrostatischen Feld, während die Ofentrocknungszeit J3 Minuten betrug. Nach der dritten Tauchung trocknete die Form elektrostatisch innerhalb von 25 Minuten, während die extrapolierte Ofentrocknungszeit bei 72 Minuten lag. Die Trocknungsofen bestanden aus mehreren Tunnelofen, in denen die Temperatur schrittweise von etwa 31" im ersten Ofen auf etwa 4Γ im letzten Ofen anstieg, und in denen die Luftströmungsgeschwindigkeit und die Feuchtigkeit überwacht wurden.

F i g. 4 ist ein Meßdiagramm, das einen Vergleich der Trocknungsgeschwindigkeiten an verschiedenen Stellen einer Gießform für die zweite, dritte und siebte Eintauchung unter Verwendung des Trocknungsofens ohne elektrostatisches Feld zeigt. Es ist zu erkennen, daß in jedem Fall die Vorderseite der Form langsamer trocknete als die Seitenbereiche. Der Grund dafür ist die Luftströmungsverteilung im Ofen. Die der bewegten Luft direkt ausgesetzten Flächen trocknen schneller als die Flächen, die der bewegten Luftströmung nicht direkt ausgeselzl sind.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm der gleichen Messung

·'> während der Trocknung einer keramischen Plattenform entsprechend der im Zusammenhang mit der Messung von F i g. 4 getesteten Form nach der zweiten, dritten und fünften Tauchung, wobei das elektrostatische Trocknungsverfahren zusätzlich zur Ofentrocknung

κ· angewendet wurde. In jedem Fall waren die Trocknungsgeschwindigkeiten an der Seite und an der Vorderfläche der Form im wesentlichen gleich. Damit ist gezeigt, daß die Trocknungsgeschwindigkeil an der ganzen Form gleichmäßig ist.

ι '· Ein Vergleich der Diagramme der F i g. 4 und 5 zeigt, daß die Anwendung des elektrostatischen Trockniings· Verfahrens nicht nur die Trocknungsgeschwindigkeit erhöht, sondern auch zu einer gleichmäßigeren Trocknung der Form führt, so daß unzulässige Spannungen

y< und ein Springen der Form vermieden werden.

Es wurde oben bereits darauf hingewiesen, daß der Widerstand einer einem Trocknungsvorgang unterzogenen Form in nichtlincarer Weise mit der Menge der vorhandenen Feuchtigkeit und daher mit der Geschwin-

-"> digkeit des Gewichtsverlustes in Beziehung steht. Messungen des Gewichtsverlustes zeigen zwar die Trocknungsgeschwindigkeit an, doch werden sie für ungenauer als Leitfähigkeitsmessungen gehalten, da bei der Handhabung und beim Trocknungsvorgang der

i" Form sowohl Sand als auch Wasser verlorengehen und die Sandverluste die Genauigkeit des Ergebnisses beeinflussen. Ein weiterer Vorteil aer Widerstandsoder Leitfähigkeitsmessung besteht darin, daß sie ohne Unterbrechung des Trocknungsvorgangs und ohne die

r> Notwendigkeit, die Form aus der Trocknungsumgebung herauszunehmen, ausgeführt werden kann. Somit kann der Fortschritt der Trocknung in kurzen Intervallen überwacht werden, und unnötige Zeitverzögerungen während der Trocknung werden vermieden.

·*" Während die elektrostatische Trocknung unabhängig von der herkömmlichen Ofen- oder Tunneltrocknung ausgeführt werden kann, wird sie jedoch äußerst vorteilhaft zusätzlich zur herkömmlichen Trocknung ausgeführt, wobei sie zu einer beträchtlichen Verkür-

■» > zung der Trocknungszeit führt. So wurde beispielsweise bei Untersuchungen, die an Keramik-Gießformen bei der Trocknung in einem herkömmlichen Ofen durchgeführt wurden, eine Reduzierung der Trocknungszeit um 50% beobachtet, wenn das Trocknen in Anwesenheit

->·' eines elektrostatischen Feldes ausgeführt wurde.

Die Trocknungsgeschwindigkeit kann bei herkömmlichen Trocknungseinrichtungen, beispielsweise bei Öfen und Tunneln, zwar durch Erhöhen der Temperatur, Absenken der Feuchtigkeit und Erhöhen der Luftge-

Vi schwindigkeit erhöht werden, doch führen Versuche zur Erhöhung der Trocknungsgeschwindigkeit von Keramikformen bei Anwendung dieser Möglichkeiten zu inneren Spannungen, die die Festigkeit der Form schwächen und infolge einer ungleichmäßigen Trock-

■■" nung zur Bildung von Sprüngen führen.

Wie zu erkennen ist, ist eine neuartige Möglichkeit zum Fördern der Verdampfung von Feuchtigkeit aus festen oder flüssigen Körpern durch Anlegen eines von einer hohen Gleichspannung erzeugten elektrostati-

>■'· sehen Feldes an den Körper und an die ihn berührende gasförmige Atmosphäre geschaffen worden. Es wird nicht nur der Verdampfungsvorgang beschleunigt, sondern er erfolgt auch gleichmäßig über die Oberflä-

ehe. ohne Rücksicht darauf, ob sie regelmäßig oder unregelmäßig geformt ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Trocknung von Keramikformen, bei denen ein gleichmäßiges Trocknen notwendig ist, damit die Erzeugung schadhafter Formen verhindert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Trocknen keramischer Gießformen für den Metallguß mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Luftstroms an der Oberfläche der Gießform, dadurch gekennzeichnet, daß um die Oberfläche der Gießform (19) im Abstand voneinander liegende nadelartige Elektroden (14) angeordnet sind, daß eine eine Gleichspannung abgebende Hochspannungsquelle (10) mit einem Pol (20) an die zu trocknende Gießform (19) und mit dem anderen Pol an die Elektroden (14) angeschlossen ist, daß der Abstand der Elektroden (14) voneinander so eingestellt ist, daß keine elektrische Entladung zwischen benachbarten Nadeln auftritt, und daß der Abstand der Elektroden (14) von der Oberfläche der Gießform (19) so eingestellt ist, daß keine Funkenbildung auftritt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsquelle derart eingestellt is.' daß sie eine Gleichspannung im Bereich zwischen 20 und 60 kV abgibt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Elektroden (14) von der Oberfläche der Gießform abhängig vom Wert der von der Hochspannungsquelle abgegebenen Gleichspannung zwischen 5 und 15 cm liegt.