Projekt 23514/01

Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen in Leichtmetallgießereien durch den Einsatz keramischer Schwimmkörper auf Magnesiumschmelzen

Projektdurchführung

Leibniz Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Produktionstechnisches Zentrum
An der Universität 2
30823 Garbsen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In der Magnesiumgießtechnik stellen die derzeit industriell eingesetzten Schutzgase aufgrund ihrer hohen Toxizität (SO2) oder ihres hohen Treibhauspotentials (SF6) eine große Umweltbelastung dar. Mögliche alternative Schutzsysteme (CO2-Schneeabdeckung) sind aufgrund des hohen Gasverbrauchs wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig. Ziel dieses Projektes war die Verbrauchsreduzierung der benötigten Schutzstoffe bei der gießtechnischen Verarbeitung von Magnesium, um die wirtschaftliche Nutzung alternativer Schutzkonzepte zu ermöglichen. Der Schwerpunkt dieses Projektes liegt in der Reduzierung der zu schützenden Schmelzbadoberfläche durch den Einsatz keramischer Schwimmkörper.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAusgangspunkt des Forschungsprojektes war eine Voruntersuchung verschiedener keramischer Materialien hinsichtlich ihrer chemisch-physikalischen Beständigkeit in Kontakt mit flüssigem Magnesium bei ca. 600 - 800°C. Auf Basis der Untersuchungsergebnisse wurden unter Umwelt-, Wirtschaftlichkeits- und Technologieaspekten gleichermaßen optimale keramische Materialien ausgewählt. Im Anschluss wurden aus den ausgewählten Materialien keramische Hohlkugeln und poröse Kugeln geeigneter Größe und Dichte hergestellt und erprobt. Dazu wurden das Benetzungsverhalten und die Haftung der Mg-Schmelze auf der Keramik, das Infiltrationsverhalten der Schmelze in poröse Keramikkörper sowie deren Thermo-schockbeständigkeit untersucht. Die chemische Beständigkeit wurde analysiert und ausgewertet. Die Schmelzeabdeckung durch die entwickelten keramischen Materialien wurde in Zeitstandsversuchen in Laboröfen getestet und hinsichtlich der Reduktion der Oberfläche analysiert. Ebenfalls sind hier grundle-gende Untersuchungen zum Legierungseinfluss auf die Keramiken, zum Nachchargieren von Masselmaterial und zur Abdampfneigung von Schmelzematerial erfolgt. Die verbleibende reaktive Schmelzbad-oberfläche sollte mit gasförmigem oder festem CO2 gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgedeckt und der notwendige Schutzmittelverbrauch ermittelt wird.
Die Herstellung und Charakterisierung der keramischen Werkstoffe ist der Arbeitsbereich des FGK, während das IW in Garbsen für alle Magnesiumschmelze betreffenden Untersuchungen zuständig ist.
Um einen Einsatz des entwickelten Schmelzeschutzsystems in den KMU wirtschaftlich zu ermöglichen, wurden alle Forschungsschwerpunkte und Materialentwicklungen praxisorientiert und unter Berücksichti-gung von ökologischen und ökonomischen Aspekten durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Während der Untersuchungen zur chemisch-physikalischen Beständigkeit verschiedener keramischer Materialien am Institut für Werkstoffkunde haben sich nach den Kriterien der chemischen Verträglichkeit, der Temperaturwechselfestigkeit, der Verfügbarkeit und der geringen Benetzung und Anhaftung der Mg-Schmelze vor allem eine Oxidkeramik (Al2O3) und eine Mischkeramik (ATI) bewährt. Aus diesen ausge-wählten keramischen Werkstoffen wurden beim Forschungspartner FGK Forschungsinstitut für Anorganische Werkstoffe - Glas / Keramik - GmbH in Höhr-Grenzhausen auf Leichtmetallschmelzen schwimm-fähige Hohlkörper nach verschiedenen Fertigungsverfahren hergestellt. Die Entwicklung des Herstellver-fahrens erfolgte über die Schritte:
¢ Herstellung von Vollkugeln verschiedener Abmessung aus unterschiedlichen Keramiken;
¢ Herstellung poröser Vollkugeln mit einem Porösierungsmittel;
¢ Herstellung poröser Hohlkugeln als Deckschicht auf ausbrennbarem Trägermaterial.
Schwimmfähige stabile Hohlkugeln mit einem Durchmesser von 15 -20 mm und einer Wandstärke von ca. 1 mm wurden aus MgO, Al2O3 und der Mischkeramik ATI sowohl im Eintauchverfahren als auch in einem Pelletierverfahren mit anschließendem Sinterbrand hergestellt.
Die Untersuchungen der keramischen Hohlkugeln als Schwimmkörper auf einer Magnesiumschmelze im Hochtemperaturofen des Instituts für Werkstoffkunde haben gezeigt, dass durch eine Reduzierung der freien reaktiven Schmelzeoberfläche eine Einsparung von Schutzmedien ermöglicht werden kann. Im Falle eines Einsatzes des reaktiven Schutzgasgemisches 0,5 Vol. % SF6 in CO2 wurde im eingesetzten Versuchsofen eine Schutzgaseinsparung von ca. 30% durch den Einsatz der Hohlkugeln als Schwimmkörper erzielt. Bei der Verwendung von festem CO2-Schnee als Schutzmedium konnte für den Versuchsfall eine Einsparung von ca. 28 % nachgewiesen werden. Ein Thermographiebild aus dem mit Sichtfenstern ausgestatteten Ofen zeigt die isolierende Wirkung der Hohlkugeln, die den Wärmeeintrag in das Schutzmedium CO2-Schnee vermindert.
Die Handhabung der keramischen Hohlkugeln beim Nachchargieren und beim Abkrätzen gestaltet sich allerdings als Hindernis für einen effektiven Einsatz in gießtechnischen Betrieben. Bei der Verwendung von Kipptiegeln o. ä. müssen die keramischen Schwimmkörper vor dem Abgießen entfernt werden, damit sie nicht das Gussprodukt verunreinigen. Ferner ist ein Entfernen von Krätze und Oberflächenverunreinigungen von der Metallschmelze nur nach dem Entfernen der Hohlkugeln möglich. Aufgrund von Schmelzeanhaftungen an den entnommenen Hohlkugeln ist eine Wiederverwendung der abgeschöpften Kugeln ohne Reinigungsschritt nicht empfehlenswert. Die Kugeln aus Al2O3 zeigten sich nach der Entnahme als nicht wiederverwendungsfähig, da die Entfernung der Schmelzeanhaftungen zur Zerstörung der Hohlkugelstruktur führen kann. Untersuchungen mit Kugeln aus ATI zeigen eine deutliche Reduzierung der Haftneigung, was einen Reinigungsschritt ermöglichen könnte.
Eine weitere Variante ist die Verwendung von offenen Schwimmkörpern mit größeren geometrischen Abmessungen. Diese wurden in zwei Formen als Tiegel mit ca. 4 cm bzw. 10 cm Durchmesser gefertigt. Für beide Varianten konnte die Schwimmfähigkeit auf einer Magnesiumschmelze bei 710 °C gezeigt werden. Die Vorteile liegen im schnelleren und einfach zu handhabenden Entfernen dieser Körper von der Schmelzeoberfläche und einem vereinfachten Reinigungsschritt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Reduction and Avoidance of ecologically harmful cover gases for handling molten magnesium
Magnesium 2006, 7th International Conference, Tagungsband, Dresden, S. 215 - 220


Fazit

Es konnten keramische Formkörper gefertigt und erfolgreich erprobt werden, deren Einsatz als Abdeckung einer Magnesiumschmelze eine deutliche Einsparung von Schutzmedien ermöglicht.
Für einen Einsatz in einem gießtechnischen Betrieb oder in einer Versuchsgießerei mit Kipptiegeln o. ä. eignen sich aufgrund der Handhabung große, abnehmbare Schwimmkörper besser als Hohlkugeln. Eine Kombination mit den nach oben offenen Schwimmkörpergeometrien und dem CO2-Schnee-Verfahren ist allerdings nicht möglich, da das feste CO2 in der Öffnung verbleiben würde und keine Schutzwirkung auf die verbleibende reaktive Schmelzeoberfläche hätte. Für die Unterstützung des CO2-Schnee-Verfahrens müssen geschlossene Abdeck-Körper wie die hergestellten Hohlkugeln eingesetzt werden