Bestimmung relevanter Parameter zur quantitativen Beschreibung der Kernbegasung in Kernkästen mittels numerischer Simulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden vier Zielrichtungen verfolgt und die sich daraus ergebenden Problemstellungen gelöst. 1. Entwicklung, Konstruktion und Inbetriebnahme einer Versuchseinrichtung, mit deren Hilfe die Reaktionskinetik von gashärtenden Polyurethan-Coldbox-Systemen beschrieben werden kann. Der im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelte Experimentierstand besteht aus drei verschiedenen instrumentierten Kernkästen, peripherer Regelung und Sensorik, einem Messrechner zur Steuerung und Messung während der Versuche und einem Laborbegasungsgerät. Dieses wurde speziell für dieses Vorhaben entwickelt. Es ermöglicht, die Konzentration des auf die Härtung des Binders katalytisch wirkenden Amins exakt zu steuern. 2. Korrelation der Schallleitungseigenschaften eines aushärtenden Sandkernes zu den mechanischen Eigenschaften mit dem Ziel, die Validität der mit Hilfe der Ultraschallmesstechnik ermittelten Aushärtungskriterien nachzuweisen. Zur Bewertung des Reaktionsfortschrittes findet die Ultraschallmesstechnik Anwendung. Sie musste auf die Erfordernisse des hochdynamisch härtenden Bindersystemes adaptiert werden. Mit Hilfe einer Indentationseinheit wurde erfolgreich geprüft, ob das Schallsignal die Entwicklung der mechanischen Festigkeitseigenschaften beschreibt. Die in diesem Abschnitt aus der Entwicklung der Schallgeschwindigkeit wäahrend der Aushärtung bestimmten Reaktionskriterien t-start und t-Ende kommen in den folgenden Untersuchungen zur Anwendung. 3. Untersuchung der Härtungskinetik eines direkt katalysatorgasdurchströmten PUR-Cold-box Bindersystemes hinsichtlich unterschiedlicher Parameter. Dieser Arbeitspunkt ist der Umfangreichste dieses Forschungsvorhabens. Anhand eines marktgängigen Polyurethan-Coldbox Bindersystemes wurde der Einfluss der drei wichtigsten Parameter auf die Härtungseigenschaften untersucht. Es wurde der Einfluss der Katalysatorkonzentration auf die Reaktionskinetik bestimmt. Die Reaktionskriterien t-start und t-Ende hängen über eine hyperbolische Regressionsgleichung mit der Konzentration zusammen. Der Einfluss der Begasungsgeschwindigkeit auf die Kriterien wurde bestimmt. Der Start der Reaktion wird mit steigender Begasungsgeschwindigkeit herausgezögert, während das Ende der Aushärtung im Rahmen der untersuchten Geschwindigkeiten nicht beeinflusst wird. Der Einfluss der Geschwindigkeit ist deutlich kleiner als der der Konzentration. Die Begasungstemperatur besitzt in dem gewählten Temperaturbereich nahezu keinen Einfluss auf die Reaktionskinetik. Einzig bei geringer Aminkonzentration ist eine Änderung der Kinetik bei unterschiedlichen Begasungstemperaturen messbar. Für die numerische Simulation des Härtungsprozesses von PUR-Coldbox Bindern unter Einfluss eines tertiaren Amins ist die Information der Anlagerung und Ablösung (Ad- und Desorption) der Katalysatormoleküle entscheidend. Im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchungen wird gezeigt, dass es mit Hilfe des Versuchsstandes möglich ist, diese Fragestellung erfolgreich zu lösen. 4. Härtungseigenschaften des Binders abseits der direkten Katalysatorströmung in sogenannten Totzonen. In industriellen Kernkästen zur Produktion von Polyurethan-Coldbox gebundenen Kernen sind aufgrund der geometrischen Komplexität häufig nicht alle Bereiche dem direkten Begasungsstrom von Amin ausgesetzt. Diese sogenannten Totzonen werden mittels eines dritten Kernkastens nachgestellt und die Härtungskinetik des Binders in drei verschiedenen Abständen von der direkten Strömung bei unterschiedlichen Aminkonzentrationen bewertet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Beitrag zur quantitativen Bestimmung der Härtungscharakteristik von Polyurethan-Coldbox-Bindersystemen , Gießerei-Kolloquium 2011, Aachen
Freyberger, Stephan
