Projekt 03991/01

Minimierung des Katalysatoreinsatzes bei der Kernherstellung für Gußstücke nach dem Cold-Box-Verfahren

Projektdurchführung

Dr. Sommer Technische Entwicklungen GmbH
Hasenrainweg 63
73730 Esslingen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Für die Gießereitechnik sollten verfahrenstechnische und gestalterische (konstruktive) Maßnahmen am Kernkasten, der Kernschießmaschine und am Begasungsgerät zur Senkung des Katalysator-, Druckluft- und Stromeinsatzes beim Cold-Box-Verfahren zur Schonung der Ressourcen durch Primärmaßnahmen untersucht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Ziele und Aufgabenstellungen wurden Lösungsansätze in Form verfahrenstechnischer und gestalterischer (konstruktiver) Maßnahmen ausgearbeitet. Die Umsetzung erforderte zunächst die Schaffung der technischen Voraussetzungen in Form eines geeigneten Kernkastens und Begasungsgerätes sowie der erforderlichen Meßmethoden einschließlich der Auswertetechnik.
Für die Untersuchungen wurde ein von der Serienproduktion unabhängiger Kernkasten nach Maßgabe der Lösungsansätze für die Gemischführung gebaut, der jederzeit modifiziert werden konnte. Zur Realisierung der neuartigen verfahrenstechnischen Überlegungen mußte eigens ein Begasungsgerät entwickelt, gebaut und erprobt werden. Zur Erkennung der physikalischen Zusammenhänge war es außerdem notwendig, eine spezielle Meßtechnik zu entwickeln und zu bauen.
Nach der Einzel- und Gesamterprobung der apparativen Einrichtungen erfolgten verschiedene Versuchsserien in der Kernmacherei der obengenannten Gießerei. Ausgehend vom Stand der Technik wurde die Prozeßführung hinsichtlich der Einsparungen an Katalysator und externer Druckluft zunehmend verschärft und die Katalysatordosierung (Beispiel Dimethylisopropylamin) für verschiedene Aushärtezeiten ermittelt. Dabei wurden der Gleichgewichtszustand abgewartet und mindestens drei Gutkerne hergestellt.
Die Eignung der Kerne, hergestellt mit den am stärksten reduzierten Stoffeinsatzmengen, wurde an Leichtmetall- und Sphärogußteilen erfolgreich nachgewiesen.


Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse lassen sich in folgende Punkte fassen:
1. Auf externe Druckluft kann vollständig verzichtet werden.
2. Auf einen (elektrisch beheizten) Verdampfer kann im Falle der Kreislaufführung ebenfalls verzichtet werden.
3. Toträume auf den Kernkastenrückseiten, in den Aufspanngehäusen der Kernschießmaschine und in den Schlauchleitungen müssen vermieden, wenigstens aber sehr klein gehalten werden.
4. Mit einer Ventilschaltung für Gruppen bestimmter Entlüftungsdüsen des Kernkastens und einem herkömmlichen Begasungsgerät (Einsatz externer Druckluft) läßt sich die Katalysatordosierung auf mindestens 83 % zurücknehmen.
5. Mit zusätzlicher Kreislaufführung (neu entwickeltes Begasungsgerät - ohne externe Druckluft) geht die erforderliche Katalysatordosierung bei Gruppenschaltung der Entlüftungsdüsen mindestens auf 23 % zurück.
6. Die erforderliche Katalysatordosierung geht bei Einzelschaltung von Entlüftungsdüsen mindestens auf 18 % zurück.
7. Bei Umkehr der Durchströmungsrichtung des Kernkastens während der Aushärtung entsprechend der Prozeßführung gemäß Pkt. 5 kann die erforderliche Katalysatordosierung auf mindestens 12 % gesenkt werden.
8. Das Einsparpotential für den Stoffeinsatz bei der Kernherstellung (Katalysator, Druckluft, elektrische Energie) und Abluftreinigung (Stromkosten Absaugung, Abgaswäscher incl. Stoffkosten) unter Berücksichtigung der Kapitalkosten für Abschreibung und Verzinsung beträgt etwa 13 % je eingesparte 10 % an Katalysator.

Die Vergleiche beziehen sich auf den vorgefundenen Ausgangszustand entsprechend dem Stand der Technik. Die Ergebnisse lassen sich auf andere katalysator- und härtergasbasierende Kernsandaushärteverfahren übertragen, weil die Effekte auf die Kreislauf- und Gasführung durch Kernkasten und -sand zurückzuführen sind.
Die Minimierung des Katalysatoreinsatzes läßt sich nur durch folgende technische Maßnahmen zur Reduzierung der Verlustmengen während der Kernherstellung sowie durch gleichmäßige Durchströmung des Sandkerns und Verteilung des Katalysatorgases erreichen:
- Wiedereinsatz der Kernkastenabluft beim Begasen durch Kreislaufführung;
- Gasdichtes Gesamtsystem;
- Kreislaufführung schließt den Einsatz fremderzeugter Druckluft aus (diese müßte aus dem System wieder abgeführt werden, verbunden mit Katalysatoraustrag);
- Keine gemeinsamen Strömungsräume außerhalb des Kernsands für Schießluft und Begasungsgemisch, um Spüleffekte für Katalysatorgas zu vermeiden;
- Erzwingen der Durchströmung benachteiligter Kernsandbereiche durch Abschalten solcher Entlüftungsdüsen, die einen frühzeitigen Gemischaustritt bewirken würden.
Der Entfall fremderzeugter Druckluft und Kreislaufführung haben zwingend ein eigenes Gasfördersystem zur Folge, das im Unterdruckbereich ansaugen und Drücke von mehreren Bar erzeugen können muß sowie ausreichende Förderleistung für die Gemischmasse aufweist. Die Erzwingung der Durchströmung benachteiligter Kernsandbereiche durch Ventilschaltung in Gruppen bei Einmaldurchströmung des Sandkerns bringt die geringste Einsparung an Katalysator. Die zusätzliche Kreislaufführung beinhaltet das eigentliche Einsparpotential, das mit der Einzelventilschaltung und Umkehr der Begasungsrichtung (Gemischeintritt im Bereich benachteiligter Kernsandbereiche) weiter gesteigert werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Geplante Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Gießerei;
- geplante Vortragspräsentation im VDG;
- Pilotprojekte mit mittelständischen Gießereibetrieben und Großbetrieben;
- persönliche Kontakte und Einzelgespräche;
auf der Gießereifachmesse Gifa wurde 1994 in Düsseldorf die Technologie vom Grundsatz her vorgestellt.


Fazit

Durch Primärmaßnahmen, wie Gestaltung der Strömungsvorgänge im Kernkasten und im Kernsand sowie Prozeßgestaltung durch Kreislaufführung und Ventilschaltung von Entlüftungsdüsen kann der Katalysatoreinsatz drastisch reduziert, externe Druckluft sowie eine elektrische Beheizung des Verdampfers vollständig vermieden werden. Die Folge sind geringe Aufwendungen für sekundären Abluftreinigungsmaßnahmen. Hierdurch werden insgesamt die Ressourcen geschont, weniger Umweltbelastungen erzeugt, der Gießereibetrieb partiell umweltfreundlicher gestaltet und Kosten eingespart.