Regenerierung von anorganisch gebundenen Sandsystemen

Auf dem Weg zu einem nachhaltigeren Kernherstellungsprozess

Thomas Linke
FOSECO

Dr. Enno Schulte
KLEIN Anlagenbau AG

Bis zum heutigen Tage wird eine große Anzahl von Gussteilen in tongebundenen Formstoffen hergestellt. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen wird der bentonit- oder tongebundene Sand in einem Kreislaufsystem aufbereitet, um Kosten und Umweltbelastung zu reduzieren. Der größte Teil des Materials wird nach einem spezifisch entwickelten Materialaufbereitungsprozess wiederverwendet.

Bei der Verwendung von organisch gebundenen Sanden entstehen Emissionen in Gießereien hauptsächlich durch das Abbrennen der organischen Binderbestandteile in den Sandformen oder Kernen während des Gießprozesses. In den Aluminiumgießereien der Automobilindustrie werden die organischen Bindemittel zunehmend durch anorganische ersetzt, um Emissionen zu reduzieren und einen nachhaltigeren Produktionsprozess zu gewährleisten. Durch den Einsatz eines effizienten Regenerierverfahrens für anorganisch gebundenen Sand bieten sich noch mehr Vorteile zur Reduktion von Emissionen und Energieverbrauch. Der Rückgewinnungsprozess für anorganisch gebundenen Sand (IOB) unterscheidet sich jedoch aus technischer Sicht von den Verfahren für organisch gebundenen Sand.

Die Aluminium-Automobilgießereien verwenden Kernpakete, die aus Basiskernen, Einlass-, Auslasskernen und Wassermantelkernen bestehen. Das System versteht sich als Monosystem, da nur ein Bindemittelsystem mit ggf. zwei verschiedenen Korngrößen für den Quarzsand verwendet wird. Während des Gießprozesses ist das Kernpaket nur in einigen Bereichen einer moderaten thermischen Belastung ausgesetzt, wie z.B. die Einlass-, Auslasskerne und die Wassermantelkerne. Aufgrund der geringen thermischen Belastung bleiben einige Bereiche im Kernpaket bei Raumtemperatur und andere Teile mit einer sehr kurzen thermischen Belastung bei 500 °C und mit einer schnellen Abkühlung auf 200 °C innerhalb von ca. 30 Minuten.

Bei der Verwendung anorganischer Bindemittelsysteme sind die Bindemittelbrücken im Allgemeinen mechanisch widerstandsfähiger als bei organischen Bindemitteln. Die Härte des ausgehärteten anorganischen Bindemittels liegt nahe an der Härte des verwendeten Quarzsandes. Die höhere Festigkeit des ausgehärteten Bindemittels veranschaulicht, dass reine kornreibende Verfahren für diese Sandregenerierung nicht zu empfehlen sind.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Sandregenerierverfahrens für SOLOSIL TX anorganisch gebundene Sandkerne aus einer Automobilgießerei. Nach der Vorstellung des Sandregenerierprozesses CLUSTREG® werden die Ergebnisse von zehn Regenerierzyklen anhand der Sandeigenschaften der hergestellten Kerne näher erläutert (Korngrößenverteilung, Glühverlust, pH-Wert, Leitfähigkeit, Fließfähigkeit des Sandgemisches, Biegefestigkeitswerte und Gasdurchlässigkeit).

Mit CLUSTREG® hat die KLEIN Anlagenbau AG (WO 2017/137113 A1 / EP 3202927 B1, METHOD AND DEVICE FOR REGENERATING FOUNDRY SAND) ein innovatives Verfahren zur Regenerierung von wasserglasgebundenem Gießereisand entwickelt, das als mechanisch adsorptiver Prozess beschrieben werden kann. Bei dem Verfahren sind drei Hauptprozessschritte hintereinandergeschaltet.

Im ersten Prozessschritt wird der Altsand in der mechanischen Vorreinigungsanlage ROTAREG aufbereitet. Dabei werden in einer ersten Entstaubungsstufe die Bindemittelreste, Zusatzstoffe und ggf. Quarzstaub von den Sandkörnern gelöst und entstaubt. Der Altsand fällt von oben mit einem definierten Massenstrom auf einen rotierenden Drehteller. Dieser beschleunigt den Sand nach außen und schießt ihn nahezu radial in ein Sandbett. Der Sand wird durch den Aufprall und durch das Aneinanderreiben der Sandkörner gereinigt. Je nach gewünschtem Reinigungsgrad kann der Sand mehrmals zirkulieren. In der Aufbereitungskammer ist eine erste Vorentstaubungsstufe integriert.

Nach diesem mechanischen Behandlungsschritt wird der Sand in einem nachgeschalteten Sichter nochmals intensiv entstaubt. Die wesentlichen Vorteile des ROTAREG sind die schonende Sandaufbereitung, die robuste und kostengünstige Anlagentechnik und die Einsetzbarkeit für viele verschiedene Bindemittelsysteme, insbesondere für wasserglasgebundene Gießereisande.

In einem innovativen nächsten Schritt wird der mechanisch vorbehandelte Sand im sogenannten Maturator mit einem Haftvermittler und einem Trägermaterial gezielt gerührt und durchmischt. Bindemittelreste und Staubpartikel werden im Altsand-Bindemittel-Trägermaterial-Gemisch an das Trägermaterial gebunden. Auch die Kornoberfläche wird von den feinen Staubpartikeln gereinigt. Nachdem das Gemisch den Maturator durchlaufen hat, gelangt es in die nächste innovative Aufbereitungsstufe (Splitter).

Im Splitter werden der Sand und das Trägermaterial mit Bindemittelresten und Staubbestandteilen voneinander getrennt. Dazu wird das Gemisch über ein Wirbelbett geleitet, das von unten mit erwärmter Luft (< 200°C) durchströmt wird. Durch die Fluidisierung und den spezifischen Sog sowie die geringe Dichte des Trägermaterials im Vergleich zum Sand werden Trägermaterial, Binderreste und Staubpartikel ausgetragen. Nachdem der Sand den Splitter durchlaufen hat, ist der Regenerationsprozess abgeschlossen.

Bei dem Entwicklungsprozess wurde großer Wert darauf gelegt, dass die Anlagentechnik einfach und robust ist und dass außer den üblichen gehärteten Verschleißteilen, die für die Sandaufbereitung benötigt werden, keine besonderen Materialien verwendet werden müssen. Wichtig zu erwähnen ist, dass der Energieverbrauch nur ca. 20 % des Energieverbrauchs von thermischen Aufbereitungsanlagen für die Aufbereitung von wasserglasgebundenen Gießereisanden beträgt. Darüber hinaus zeichnet sich das Verfahren durch niedrige Sandverluste aus.

Für die Regenerationsversuche wurden Sandkerne auf einer Kernschießmaschine vom Typ Laempe hergestellt. Um die Robustheit des Verfahrens zu testen, erfuhren die Sandkerne nur eine Heißaushärtung ohne jegliche Wärmenachbehandlung. Der Regenerierprozess wurde mit anorganisch gebundenen Sandkernen mit voll entwickelter mechanischer Festigkeit durchgeführt.

Nach mehreren Versuchsschritten, u. a. zur Ermittlung der optimierten Aufbereitungsparameter, wurde eine erste Versuchsreihe zur Regenerierung mit jeweils 20 kg anorganisch gebundenem Altsand gestartet. Während dieser Zyklen wurden die Maschinen- und Verarbeitungsparameter konstant gehalten.

Es werden Ergebnisse aus zehn Zyklen vorgestellt, anhand der Sandeigenschaften Korngröße und -verteilung, Glühverlust, pH-Wert, Leitfähigkeit, Fließfähigkeit der Sandmischung, Biegefestigkeitswerte und Gasdurchlässigkeit der hergestellten Kerne.

Die Korngrößenverteilung war während der Sandumläufe relativ stabil. Während des ersten Regenerierzyklus wurden Feinanteile während der Entstaubung abgeführt, die AFS-Zahl veränderte sich dadurch geringfügig gegenüber dem Ausgangswert.

Nach dem ersten Regenerierzyklus stieg der pH-Wert auf Werte über 10 an, während die Leitfähigkeit einen deutlichen Sprung in Richtung 200 µS/cm zeigte. Nach zwei Zyklen lag der pH-Wert bei etwa 11 und die Leitfähigkeit stieg auf Werte über 300 µS/cm. Diese hohen Werte können auf die Verwendung der alkalischen anorganischen Bindemittelsysteme, hauptsächlich auf der Basis von Natriumsilikat, zurückgeführt werden. Wahrscheinlich befindet sich noch eine geringe Menge des Bindemittels auf der Oberfläche der Sandkörner. Es war kein negativer Einfluss auf die Festigkeitsdaten erkennbar. Die Glühverluste waren immer relativ niedrig, unabhängig von der Anzahl der Regenerierzyklen. Dies ist auf die Verwendung des anorganischen Bindemittelsystems zurückzuführen.

 

Wie bereits beschrieben, war die Korngrößenverteilung recht stabil ohne signifikante Veränderungen. Es wurde festgestellt, dass die mechanische Festigkeit und die Fließfähigkeit der Sandmischung umso niedriger sind, je geringer der Glanz der Sandkörner ist, was sich nachteilig auf die Leistung des recycelten Sandes auswirkt. Interessant zu erwähnen ist, dass selbst nach zehn Zyklen die Sandkörner noch hell und glänzend sind, ein Hinweis auf die Effektivität des Sandregenerierprozesses.

 

Fließfähigkeit - Die Fließfähigkeit der Sandmischung wurde mit dem Brookfield Powder Flow Tester gemessen. Dieser Powder Flow Tester wurde ursprünglich entwickelt, um das Fließverhalten von festem Pulvermaterial mit Partikelgrößen bis maximal etwa 1 mm zu charakterisieren. Da aber auch der Bedarf bestand, die Fließfähigkeit von Sandgemischen mit einer relativ geringen Menge einer Flüssigkeit zu bestimmen und zu definieren, wurde erwogen, den PFT auch für diese Anwendungen einzusetzen.

Um verschiedene Arten von Sandgemischen zu vergleichen, werden die Ergebnisse in Form einer sogenannten Fließfähigkeitskurve dargestellt. Dieses Diagramm zeigt die Fließfähigkeit verschiedener Probentypen über sogenannte unterschiedliche "Konsolidierungsspannungen", wobei letztere als Druckspannung betrachtet werden. Das Diagramm zeigt verschiedene Bereiche beginnend von frei fließend, über leicht fließend, kohäsiv, sehr kohäsiv bis hin zu nicht fließend. Je niedriger die Kurve ist, desto höher ist die gemessene Fließfähigkeit. Die Ergebnisse der Sandmischungen unabhängig von der Anzahl der Regenerierzyklen zeigen deutlich, dass die Sandmischung unter der höchsten Druckspannung und in allen Fällen "leicht fließend" war. Die höchste Fließfähigkeit wurde mit der Sandmischung ohne Regenerierung erreicht.

Im Zusammenhang mit diesem Gerät kann auch das Gewicht des Sandgemisches, das in den Probenhalter gegeben wurde, ein indirekter Hinweis auf die Fließfähigkeit sein. In diesem Fall wird manchmal das Hausner-Verhältnis oder der Carr-Index C verwendet, mit denen ein quantitativerer Wert der Fließfähigkeit ermittelt werden kann. Das Gewicht der Ausgangsprobe (ohne Regenerierung) betrug in diesem Fall 315 g und für die anderen Sandmischungen weniger als 300 g, was auf eine etwas geringere Verdichtung entsprechend einer etwas geringeren Fließfähigkeit hinweist.

Kerneigenschaften - Die Messungen an den Kernen wurden nach 12 h Lagerung bei 25 °C und 30 % RH durchgeführt. Während der Messungen zeigte sich, dass sich das Gewicht der Proben mit der Anzahl der Sandumläufe nicht signifikant veränderte und immer zwischen 146 und 143 g lag, ein Hinweis auf die Verdichtung / gute Fließfähigkeit der Sandmischung. Die Biegefestigkeitswerte begannen mit 477 N/cm² (Zielwert war 475 N/cm²) und stiegen nach der Regenerierung leicht an. Unabhängig von der Anzahl der Regenerierzyklen lagen die Festigkeitswerte immer zwischen 500 und 540 N/cm².

Der Grund für den leichten Anstieg der Festigkeit war die Entfernung von Feinanteilen während des Prozesses. Der Biegemodul zeigte keinen Zusammenhang zur Anzahl der Regenerierzyklen und lag immer zwischen 4,1 und 5,4 MPa. Die Gasdurchlässigkeit nahm nach der Rekonditionierung zunächst zu, stabilisierte sich aber bei etwa 150 mD.

In diesem Beitrag wird ein innovatives Verfahren zur Regenerierung von anorganisch gebundenem Gießereisand vorgestellt, das auf einem mechanisch adsorptiven Prozess basiert, der auch als CLUSTREG®-Prozess bezeichnet wird. Die Ergebnisse von zehn Regenerierzyklen haben gezeigt, dass selbst nach zehn Prozessdurchläufen der Gießereisand aus Kernen mit SOLOSIL TX anorganischen Bindemittelsystemen wiederverwendet werden konnte, ohne die Fließfähigkeit der Sandmischung sowie die mechanischen Eigenschaften und die Gasdurchlässigkeit der hergestellten Kerne zu beeinträchtigen. Da es sich um Kernsand aus Kernen mit anorganischen Bindemittelsystemen handelte, waren sowohl der pH-Wert als auch die Leitfähigkeit bereits nach einem Regenerierzyklus deutlich erhöht. Dies hatte jedoch keinen negativen Einfluss auf die Kernqualität des Regeneratsandes.