Projekt 20785/01

Energie sparende und emissionsarme Gießerei – Entwicklung einer umweltverträglichen innovativen Verfahrenstechnik

Projektdurchführung

FAT Förder- und Anlagentechnik GmbH
Industriestr. 12
57572 Niederfischbach

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die in der Sandgusstechnik verwendeten Form- und Kernsande werden heute in hohem Maße mit Bindern auf organischer Basis hergestellt, um die im hohen Anforderungen an Maßhaltigkeit und Oberflächengüte zu erfüllen. Problematisch an diesen Systemen sind bei der Verarbeitung, nach dem Abguss und bei der Ausformung auftretende Umwelt belastende und gesundheitsschädliche Emissionen.
Dagegen sind anorganische Binder in der Verarbeitung und im Abguss weitgehend schadstofffrei; die entsprechenden Altsande sind leicht wieder aufzubereiten. Die technologischen Eigenschaften liegen jedoch in der Regel unterhalb denen organischer Bindersysteme.
Projektziel war, den Anteil organisch gebundener Formstoffe zur Minimierung der Umweltbelastungen beim Leichtmetallguss zu reduzieren und organisch gebundene Formstoffe nur noch in den Bereichen einzusetzen, wo dieses technologisch unbedingt erforderlich ist. In anderen Bereichen der Formen sollen anorganisch mit Ton gebundene Formstoffe zum Einsatz kommen.
Dieses Konzept ist aus technischer Sicht für den Gussprozess bereits einsetzbar. Probleme eines gemischten Einsatzes anorganischer und organischer Binder entstehen bei den nach dem Abguss anfallenden Altsanden, die sich beim Wiedereinsatz nach der Aufbereitung nicht ohne weiteres vertragen.
Wenn eine getrennte Wiederaufarbeitung erfolgt, lassen sich mit einer Kombination organisch und anorganisch gebundener Formsande aus ökologischer Sicht folgende Reduzierungen erzielen :
a. Energieeinsatz bis zu - 44%
b. Materialverbrauch bis zu - 27%
c. Staubanfall bis zu - 10%
d. Emissionen bis zu - 30%


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenVoraussetzung für die produktionstechnische Etablierung des gemischten Einsatzes anorganischer und organischer Binder ist die Entwicklung eines angepassten Sandaufbereitungsverfahrens.
Um eine Trennung zu ermöglichen, werden die organisch gebundenen Formsande aus deutlich groberen Körnungen hergestellt. Bei der Ausformung werden die noch in ihrer jeweiligen reinen Form vorliegenden organisch gebundenen Sande und die anorganisch gebundenen Formteile soweit möglich sortenrein vom Guss-Stück abgetrennt. Die weiter entstehenden Mischsande werden in einem mechanischen Verfahren aufbereitet und getrennt. Dieses Verfahren war im Projekt zu entwickeln und zu erproben. Die Fraktion des organisch gebundenen Altsandes wird anschließend noch durch ein kombiniertes mechanisch-thermisches Verfahren für den Wiedereinsatz aufbereitet.


Ergebnisse und Diskussion

Altsande aus einem Aluminiumguss mit Kombination tongebundener Formsande und organisch gebundener Cold-Box-Formkerne wurden erfolgreich mechanisch und thermisch aufbereitet. In einem Vibrationsknollenbrecher konnte der Formsand bis zum einzelnen Sandkorn zerkleinert werden, ohne das Einzelkorn zu zerbrechen. Fremdstoffe und Feinkorn können abgetrennt werden. Für die Entfernung auf der Kornoberfläche verbleibender Binderanteile erfolgte eine weitergehende Aufbereitung mit verschiedenen Verfahrensvarianten. Eine thermische Behandlung der Cold-Box-Sande erwies sich für einen originären Wiedereinsatz als notwendig. Eine mechanische Regenerierung allein ermöglicht keine ausreichende Regeneratqualität.
Als einfach bestimmbare Kennwerte für eine Qualitätssicherung wurden der Säurebedarfswert und die elektrische Leitfähigkeit ermittelt. Sie erlauben Aussagen über den Anteil bentonitgebundener Formstoffe. Säurebedarfswert und elektrische Leitfähigkeit werden durch die thermische Behandlung stark reduziert. Eine anschließende mechanische Reibbehandlung führte zu einer Erhöhung. Dies lässt sich nur dadurch erklären, dass von den Quarzkörnern säureadsorbierende Anhaftungen aus dem Bentonit abgerieben werden, die durch eine Entstaubung nicht entfernt werden, da sie noch fest an den Körnern haften.
Ebenso bedeutend für eine hohe Recyclat-Qualität ist die Feinkornabtrennung zum Ausschleusen störender Verunreinigungen, die in der zur thermischen Behandlung eingesetzten Fluidbrennkammer oder in Nachbehandlungsschritten erfolgen muss.
Um Altsande aus dem gemischten Einsatz bentonitgebundener Formstoffe und PUR-gebundener Cold-Box-Sande erneut als Formstoff nutzen zu können, ist bei der Entformung eine weitgehende Separation sicherzustellen, da die Körnungsunterschiede für eine mechanische Trennung z. B. mit Vibro-Fluid-Trennrinnen nicht ausreichen. Die Versuchsergebnisse lassen den Schluss zu, dass 10% tongebundener Sandanteil die Grenze für ein thermisch zu erzeugendes brauchbares Regenerat darstellen. Außerdem müssen Verunreinigungen ausgeschlossen bzw. entfernt werden.
Die Separation des Cold-Box-Kernsandes vom bentonitgebundenen Altsand beim Trennen Gussteil/ Form wurde erfolgreich nachgewiesen. Die angestrebte Zusammensetzung des Mischaltsandes mit maximal 10 % bentonitgebundenem Restsand wurde in der abschließenden Versuchsserie erreicht.
Im Vergleich zur ursprünglichen Zielstellung des Projektes wurden folgende Ergebnisse erreicht:
a. Energieeinsatz: Reduziermenge geplant ca. 44%, erreichbare Reduzierung 17-19%.
Die geringere erreichte Reduzierung ergibt sich aus der Notwendigkeit der thermischen Regenerierung des Mischaltsands.
b. Materialverbrauch: Reduzierung geplant ca. 27%, erreichte Reduzierung ca. 35%.
Durch die annähernd vollständige Wiedereinsetzbarkeit des Regenerats ergibt sich ein geringerer Materialverbrauch als zu Projektbeginn erwartet.
c. Staubanfall: Reduzierung geplant ca. 10%, erreichte Reduzierung ca. 20%.
Die thermische Regenerierung verbrennt die organischen Binderreste mit geringerem Staubanfall, wobei der anfallende Staub inertisiert und damit günstiger deponierbar wird.
d. Emissionen: Reduzierung geplant ca. 30%, erreichbare Reduzierung 16%.
Durch die notwendige thermische Regenerierung entstehen im Vergleich zu einer ausschließlich mechanischen Regenerierung zusätzliche Emissionen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Untersuchungen werden in Zukunft auf Fachmessen z. B. Gießereifachmesse 2007 in Düsseldorf und Fachvorträgen bei potentiellen Anwendern und Anlagenkunden verbreitet.


Fazit

Die Projektergebnisse zeigen am Beispiel der Fertigung eines Aluminiumguss-Motorblocks, dass das bisher eingesetzte Kernblockverfahren unter alleiniger Verwendung von Cold-Box-Formsanden mit organischen Binderkomponenten durch eine Kombination von Cold-Box-Kernen für Feinstrukturen und bentonitgebundenem Formstoff für die Außenkontur abgelöst werden kann. Der Anteil organischen Formstoffs konnte in diesem Einsatzfall um ca. 30 - 35% verringert werden.
Die thermische Regenerierung der anfallenden Mischaltsande war erfolgreich, die Regeneratqualität erreicht annähernd die Qualität von Neusand, so dass mit einer Ausbringung von ca. 95% ein vollständiger Wiedereinsatz zur Kernfertigung möglich ist.
Die Ergebnisse der praxisnahen Erprobung des Verfahrens zur Altsandaufbereitung beim gemischten Einsatz anorganischer und organischer Binder sind in der Gießereibranche nutzbar, um mit verstärktem Einsatz tongebundener Formsande Umweltentlastungen und Kosteneinsparungen zu erzielen.