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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem
Verfahren, mittels dessen verunreinigte Sande unter Verwendung einer
Reinigungsflüssigkeit
gereinigt werden können,
und insbesondere damit, wie die Reinigungsflüssigkeit möglichst effizient verwendet
werden kann. Dabei ist ein wichtiges Anwendungsgebiet der vorliegenden
Erfindung die Reinigung von Kernsanden, wie sie zur Erzeugung von
Sandkernen für
Metallgießereien
verwendet werden. Aus Umweltgründen
werden bereits Kernsande, bzw. aus diesen hergestellten Sandkerne
verwendet, die mit anorganischen Bindern gebunden sind. Im Gegensatz
dazu verwenden herkömmliche
Verfahren organische Binder.
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Unabhängig von
der Art des verwendeten Binders wird bei der Kernherstellung ein
Formstoff, ein so genannter „Kernsand" in ein Formwerkzeug befüllt, das
einen Hohlraum besitzt, der die Form des zu erzeugenden Sandkerns
besitzt. Um eine ausreichende schnelle und gleichmäßige Befüllung dieses Hohlraums
zu erzielen, wird der Kernsand üblicherweise über eine
Mehrzahl von verteilt angeordneten Öffnungen, so genannten „Schussöffnungen", in das Formwerkzeug
eingebracht. Dabei wird beim Befüllen
in jede der Schussöffnungen
eine Düse
(„Schussdüse") eingeführt, über die
der Kernsand in den Hohlraum eingebracht wird. Dieses Einbringen
geschieht üblicherweise
unterstützt
von Druckluft oder Druckgas mit hoher Geschwindigkeit, so dass man
auch von Einschießen
des Kernsandes spricht.
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Der
Kernsand selbst wird normalerweise innerhalb eines abgeschlossenen
Volumens auf der dem Formwerkzeug abgewandten Seite der Schussdüse bevorratet,
der so genannten „Schuss-Haube". Zum Einbringen
des Kernsandes wird das Kernsandvo lumen plötzlich und für kurze
Zeit (innerhalb von etwa 500 ms bis 800 ms) mit einem unter Druck
stehenden Gas beaufschlagt, welches wiederum in einem Druckgasreservoir
bevorratet wird. Durch den Überdruck
wird der Kernsand in da Formwerkzeug eingebracht, wobei der Kernsand
vollständig
vom Gas durchsetzt wird, so dass auch der Großteil des eingebrachten Gases
durch den Kernsand hindurch und über
die Schussdüsen
in das Formwerkzeug strömt,
aus welchem das Schussgas über
Entlüftungsöffnungen
entweichen kann.
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Bei
Verfahren mit organischen Bindematerialien wird üblicherweise trockene Luft
als Schussgas verwendet, da diese Binder nach dem Einbringen des Kernsandes
in das Formwerkzeug durch Zufügen
eines aktivierenden Gases zum Aushärten gebracht werden. Die Verwendung
dieses aktivierenden Gases sowie die Verwendung von organischen
Bindern führt
jedoch zu einer nicht zu vernachlässigenden Belastung des Arbeitsplatzes
bzw. der Umwelt, so dass die Entwicklung von Kernsanden mit anorganischen
Bindern, wie beispielsweise Wasserglas, vorangetrieben wurden. Anorganische
Binder härten
unter dem Einfluss von zugeführter
Wärme aus,
so dass auf ein aktivierendes, die Umwelt belastendes Gas verzichtet
werden kann.
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Die
mit organischen Bindern gebundenen Sande werden, beispielsweise
nach dem Cold-Box-Verfahren, üblicherweise
durch thermische Nachbehandlung gereinigt, bei der der Sand auf Temperaturen
von über
400°C erhitzt
werden muss. Dies ist energetisch äußerst ungünstig und führt damit zu einer Erhöhung der
Gesamtkosten des Prozesses. Da die Prozessdurchsätze in der Regel relativ hoch
sind, muss der thermisch nachbehandelte Sand oftmals sogar gekühlt werden,
bevor er weiterverwendet werden kann. Ergänzend zur thermischen Behandlung
sind weitere mechanische Trennverfahren üblich, wie beispielsweise die
Siebung oder Windsichtung.
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Bei
den nunmehr favorisierten anorganischen Bindern kann eine thermische
Nachbehandlung prinzipiell auch zum Erfolg führen, jedoch wäre dann
ein chemischer Zusatz notwendig, um den Sand verarbeitbar zu halten.
Die chemischen Zusätze
erfordern jedoch eine extrem hohe Temperatur der thermischen Nachbehandlung,
die mindestens 900°C
betragen muss. Dies würde
die Kosten der Reinigung gegenüber
den Kosten für
organische Binder bis zur Unwirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöhen, da
organische Binder bereits bei Temperaturen um 400°C entfernt
werden können.
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Stattdessen
werden alternative Wasch- bzw. Reinigungsverfahren vorgeschlagen,
die verunreinigten Sand unter Verwendung einer Reinigungsflüssigkeit
säubern
bzw. waschen können.
Dabei sind wiederum Aspekte der Wirtschaftlichkeit und der Umweltverträglichkeit
zu berücksichtigen.
Das heißt
insbesondere, dass anfallendes Abwasser bzw. anfallende, aus dem
Prozess auszuschleusende Reinigungsflüssigkeit keine Umweltunverträglichkeit
aufweisen darf. Darüber
hinaus sollte die Menge des anfallenden Abwassers bzw. der anfallenden
Reinigungsflüssigkeit
möglichst
gering sein, um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu erhöhen. Insbesondere
Verfahren, die keinen Kreislauf bilden, bei denen also sämtliche
Reinigungsflüssigkeit
nach einmaliger Anwendung als Abwasser anfällt, sind sowohl im Hinblick
auf die Kosten als auch im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit
nachteilhaft.
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Bei
der Sandwäsche
unter Zuhilfenahme einer Flüssigkeit
wird typischerweise eine Suspension zwischen dem Sand und der Flüssigkeit
gebildet, d. h. die makroskopischen Sandteilchen befinden sich in
einer mit Flüssigkeit
gesättigten
Umgebung und können
so mit einem Flüssigkeitsstrom
oder durch mechanische Antriebe gefördert oder bewegt werden. In
diesem Aggregatszustand lassen sie sich darüber hinaus mit fluidischen
Verfahren reinigen, beispielsweise wenn die Suspension verdünnt wird,
um diese einem Hydro-Zyklon zuzuführen. Ein Hydro-Zyklon ähnelt vom
Funktionsprinzip her einer Zentrifuge, wobei der Hydro-Zyklon für kontinuierlichen
Betrieb konstruiert ist. Die in verdünnter Suspensionen vorliegenden
Teilchen werden im Hydro-Zyklon in einer Art künstlichen Wirbel getrennt,
wobei die leichteren Teilchen in einer um das Zentrum des Zyklons
rotierenden Flüssigkeit
nicht so stark nach außen
getrieben werden wie die schwereren Teilchen. Beim Zyklon wird das
Wasser sowohl am Rand eines den Zyklon begrenzenden Zylinders oder
Kegels als auch in der Mitte des Zyklons abgesaugt, so dass sich
eine Trennung der in der Suspension befindlichen leichten und schweren
Teilchen erreichen lässt.
Das System hat eine hohe Dynamik, d. h. die Flüssigkeit durchströmt den Zyklon
mit hohen Tangentialgeschwindigkeiten, die durch ein tangentiales
Einschießen
der verdünnten
Suspension in den Zyklon mit hohen Drücken erreicht werden. Dies
bedingt unweigerlich, dass pro Zeiteinheit eine große Menge
Flüssigkeit verwendet
werden muss. Ein Hydrozyklon verbraucht also eine große Menge
Flüssigkeit
pro Zeiteinheit.
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Verwendet
werden könnten
auch von der Suspension durchströmte
Siebe, diese sind jedoch zur Kernsandwaschung nur bedingt geeignet,
da die Verunreinigungen, die in den Kernsanden auftreten, wie beispielsweise
metallischer Abrieb oder mikroskopische Metallteilchen aus dem Gussprozess,
in etwa die Dimension der Sandkörner
haben, so dass eine zuverlässige
Trennung und Aufbreitung des Sandes allein durch Siebe nicht erreicht
werden kann.
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Ähnliches
gilt für
Filter, wie Planfilter oder Pfannenfilter, wenn diese als alleinige
Filterinstrumente verwendet werden sollen.
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Prinzipiell
können
beispielsweise auch mehrere identische Reinigungsvorrichtungen hintereinander
angebracht werden, beispielsweise mehrere Hydro-Zyklone. Dies kann
die Reinheit des Endprodukts, also den Grad der Säuberung,
erhöhen.
Jedoch wird dadurch das Problem des Reinigungsflüssigkeitsverbrauchs nicht gelöst.
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Generell
ist es vorteilhaft, um eine bessere Reinigungswirkung zu erhalten,
eine Mehrzahl von Reinigungsschritten durchzuführen, wobei jeder Reinigungsschritt
beispielsweise auf spezifische physikalische Unterschiede der zu
trennenden Teilchen sensitiv ist.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept durch Reinigung
von verunreinigten Sanden zur Verfügung zu stellen, mittels dessen Sande
unter Zuhilfenahme einer Reinigungsflüssigkeit bei geringem Reinigungsflüssigkeitsverbrauch gereinigt
werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Waschvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und durch
ein Verfahren gemäß Patentanspruch
14 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass
verunreinigte Sande mittels einer Reinigungsflüssigkeit ressourcenschonend gereinigt
werden können,
wenn zwei auf unterschiedlichen Reinigungsprinzipien basierende
Reinigungsstufen sequentiell verwendet werden, die unterschiedliche
Verunreinigungen entfernen können
und deren Reinigungsmittelbedarf pro Zeiteinheit ähnlich ist,
so dass zur Reinigung verwendete Reinigungsflüssigkeit der nachgelagerten
Reinigungsstufe als Reinigungsflüssigkeit
für die
vorgelagerte Reinigungsstufe verwendet werden kann.
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Es
wurde erkannt, dass unter der obigen Voraussetzung die bereits zur
Reinigung in der nachgelagerten Reinigungsstufe verwendete Reinigungsflüssigkeit
im Prinzip vollständig
zur Reinigung des Sandes in der vorgelagerten Reinigungsstufe verwendet
werden kann. Neben dem näherungsweise identischen
Verbrauch von Reinigungsmittel je Zeiteinheit der beiden sequentiell
betriebenen Reinigungsstufen ist darüber hinaus vorteilhaft, wenn
die weiter verwendete Reinigungsflüssigkeit Partikel, die von
der vorgelagerten Reinigungsstufe entfernt werden sollen in lediglich
geringer Konzentration enthält.
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Die
Anordnung der Reinigungsstufen ist daher bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
derart gewählt,
dass als vorgelagerte Reinigungsstufe eine Aufstromklassierer verwendet
wird, an dessen Klassiereingang eine Suspension des verunreinigten
Sandes und der Reinigungsflüssigkeit eingefüllt wird.
Der Aufstromklassierer trennt dabei Feinstpartikel aus der Sandsuspension,
deren Sinkgeschwindigkeit geringer ist als die Strömungsgeschwindigkeit
der in Gegenstrom fließenden
Reinigungsflüssigkeit.
Die durch den Klassierer von Feinstpartikeln gereinigte klassierte
Sandsuspension wird der zweiten Reinigungsstufe, einer Waschvorrichtung
zum Waschen der Suspension des Sandes zugeführt. Diese verwendet zum Waschen
ebenfalls Reinigungsflüssigkeit
und ein Waschprinzip, welches zu keiner Anreicherung feister Teilchen
in der Reinigungsflüssigkeit
führt.
Da die der Waschvorrichtung zugeführte Sandsuspension bereits
von feinsten Teilchen befreit ist, wird bei einigen Ausführungsbeispielen
der Erfindung eine Waschvorrichtung verwendet, deren Waschprinzip
verhindert, dass solche feinsten Teilchen zusätzlich erzeugt werden oder
sich in der Reinigungsflüssigkeit
der Waschvorrichtung anreichern können.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
der Erfindung wird als Waschvorrichtung ein Paddelwäscher verwendet,
bei dem die zu reinigende Sandsuspension im Gegenstromverfahren
entgegen eines Reinigungsflüssigkeitsstroms mechanisch
von Paddeln transportiert wird. Dabei wird bei einigen Ausführungsbeispielen
der Erfindung ein mehrstufiger Paddelwäscher verwendet, also ein Paddelwäscher, der mehrere
seriell angeordnete Paddel aufweist. Durch die mechanische Bewegung
der Suspension mit Paddeln wird eine hervorragende Durchmischung der
Sandsuspension bzw. des zu reinigenden Sandes mit dem Reinigungsmittel
erreicht, so dass die Reinigung auf einer großen effektiven Fläche stattfinden
kann. Dies hat den Vorteil, dass zu einer Reinigung ein vergleichsweise
geringer Volumenstrom von Reinigungsflüssigkeit erforderlich ist.
Darüber
hinaus verwendet ein Paddelwäscher
nur langsam drehende mechanische Komponenten, so dass es kaum zu
mechanischem Abrieb im Paddelwäscher
selbst kommt, wie dies beispielsweise bei einer mit hoher Drehzahl
drehenden Zentrifuge der Fall wäre.
Eine Anreicherung der Reinigungsflüssigkeit mit feinsten Materialteilchen
in Folge des Abriebs ist daher ausgeschlossen. Darüber hinaus
verhindert die geringe Geschwindigkeit der verwendeten Paddel ein
Zerkleinern bzw. Aufbrechen der Sandkristalle aufgrund mechanischer
Einwirkungen, so dass auch aus dem zu reinigenden Sand selbst keine
feinsten Teilchen abgeschieden werden, die eine vollständige Weiterverwendung
der Reinigungsflüssigkeit
des Paddelwäschers
verhindern könnten.
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Darüber hinaus
kann ein Paddelwäscher
mit geringen, jedoch variablen Reinigungsmittelmengen betrieben
werden, da eine Änderung
der Reinigungsmittelmenge pro Zeiteinheit durch die Neigung der Paddelwäscheranordnung
kompensiert werden kann, so dass sich die Reinigungseigenschaften nicht ändern, selbst
wenn der Volumenstrom der Reinigungsflüssigkeit erhöht oder
erniedrigt wird. Insbesondere kann auf diese Art und Weise der Paddelwäscher mit
Volumenströmen
betrieben werden, die auch für
den Betrieb des Aufstromklassierers günstig sind, bzw. dem Aufstromklassierer
ermöglichen, feine
Verunreinigungen aus der Sandsuspension zuverlässig zu entfernen.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird die Waschvorrichtung zur Reinigung
von mit anorganischen Bindern gebundenen Kernsanden einer Gießerei verwendet.
Die durch das Handling der Kernsande auftretenden feinsten Verunreinigungen
bestehen aus Materialien geringer Dichte, so dass diese vom Aufstromklassierer
aus der Sandsuspension entfernt werden können, selbst wenn dieser mit
einem geringen Volumenstrom, weil geringer Strömungsgeschwindigkeit im Gegenstrom
betrieben werden kann. Die sequentielle Verwendung eines Aufstromklassierers
und eines Paddelwäschers
wirken also hinsichtlich der für
ihren Betrieb erforderlichen Parameter zur Waschung von Sanden auf
vorteilhafte Art und Weise derart zusammen, dass zum einen eine
geringe Menge an Reinigungsflüssigkeit
je Zeiteinheit verwendet werden kann, wobei zum anderen die vom
Paddelwäscher verwendete
Reinigungsflüssigkeit
erneut zur Versorgung des Aufstromklassierers verwendet werden kann,
ohne dass es zur Anreicherung von Verunreinigungen durch die Weiterverwendung
der Reinigungsflüssigkeit
kommt.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird als Reinigungsflüssigkeit Wasser verwendet,
wobei die Anwendung des erfindungsgemäßen Konzeptes dazu beiträgt, eine ökologisch
vorteilhafte Reinigung von Sand zu ermöglichen, da nur eine geringe
Menge von Abwasser pro Zeiteinheit erzeugt wird, weil durch die
Anordnung des Aufstromklassierers und der nachgeordneten Waschvorrichtung
die Reinigungsflüssigkeit
im Prozess mehrfach verwendet werden kann.
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Einige
weitere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung enthalten einen Attritor, der zum erzeugen
der Suspension aus verunreinigtem Sand und Reinigungs flüssigkeit
dient. Dazu werden Reinigungsflüssigkeit
und verunreinigter Sand in frei bestimmbaren Volumenverhältnissen
einem mechanischen Rührwerk
zugeführt,
welches ein- oder mehrstufig sein kann, und welches die Suspension
erzeugt. Dabei wird zusätzlich
zum Erzeugen der Suspension durch die mechanische Reibung der Sandteilchen
untereinander bereits eine Vorreinigung erzielt, indem eventuelle
Verunreinigungen, die den Sandkörnern
anhaften, auf mechanischem Wege teilweise entfernt werden. Im Falle
von Kernsand ist dies beispielsweise das zur Bindung von Kernsanden
verwendete anorganische Wasserglas, wie einige wasserlösliche Alkalisilikate
bezeichnet werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung wird das Reinigungsmittel, das im Attritor zur Bildung
der Suspension verwendet wird, der Waschvorrichtung an anderer Stelle
im Prozess entnommen, es wird also kein frisches Reinigungsmittel
verwendet, was den Verbrauch von Reinigungsmittel im Gesamtsystem
weiter verringern kann.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann mit dem Reinigungsmittel der Waschvorrichtung
die Suspension nach dem Attritor oder vor dem Aufstromklassierer
verdünnt werden,
um den zuverlässigen
Betrieb des Aufstromklassierers zu ermöglichen, der eine gewisse Mindestverdünnung des
zu klassierenden Materials voraussetzt. Auch hier wird, durch die
Weiterverwendung der Reinigungsflüssigkeit der Waschvorrichtung
auf besondere Effizienz hinsichtlich des Reinigungsflüssigkeitsverbrauchs
geachtet.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die von der Waschvorrichtung gewaschene
Sandsuspension mittels einer Entfeuchtungseinrichtung getrocknet,
um im Ergebnis einen trockenen, gereinigten Sand zu erhalten. Dabei
wird bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung die von der Entfeuchtungseinrichtung
gewonnene Reinigungsflüssigkeit
der Waschvorrichtung zugeführt,
die diese zum Waschen des Sandes verwendet, so dass auch hier auf
eine konsequente Führung
der Reinigungsflüssigkeit
im Gegenstrom zum zu reinigenden Material geachtet wird.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Reinigungsmittelzuführung, also
die Einspeisung von frischem, noch nicht benutzten Reinigungsmittel
in die Waschvorrichtung, so dass diese durch die darauf folgende Weiterverwendung
im Gegenstrom mehrfach verwendet werden kann.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung erfolgt die Reinigungsmittelzuführung alternativ
oder zusätzlich
am Materialeingang einer Entfeuchtungseinrichtung, so dass innerhalb
der Entfeuchtungseinrichtung (beispielsweise einer Schubzentrifuge)
ein störungsfreier
Materialtransport gewährleistet
ist. Die aus der Entfeuchtung wiedergewonnene Reinigungsflüssigkeit
kann dann im Gegenstrom, beispielsweise zur Versorgung der Waschvorrichtung,
weiter verwendet werden.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird neu zugeführte Reinigungsflüssigkeit
vor dem Einbringen in die Waschvorrichtung auf Temperaturen oberhalb
der Umgebungstemperatur erwärmt,
was die Reinigungsleistung erhöht,
da wasserlösliche
Komponenten bzw. Verunreinigungen schneller in Lösung gehen. Dadurch kann, obwohl
zur Erwärmung
der Reinigungsflüssigkeit
Energie aufzuwenden ist, die Gesamtenergiebilanz dennoch positiv
sein, wenn die Strömungsgeschwindigkeit
der Reinigungsflüssigkeit
im Gegenstrom dadurch verringert werden kann, was zu einer weiteren Verringerung
des Bedarfs an Reinigungsflüssigkeit führt.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden, Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen, erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer Waschvorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Waschvorrichtung;
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3 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels
einer Waschvorrichtung zur Reinigung von verunreinigtem Sand;
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Waschvorrichtung
zur Reinigung von verunreinigtem Sand; und
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5 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zum Reinigen von verunreinigtem
Sand.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Waschvorrichtung zur Reinigung von verunreinigtem Sand 10,
welches einen Aufstromklassierer 12 und einen Paddelwäscher 14 umfasst.
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Der
Aufstromklassierer 12 wird durch ein mit Reinigungsflüssigkeit
gefülltes
Behältnis 16 gebildet, welches
einen Klassiereinbau 18 aufweist. Der Klassiereinbau wird
durch eine Trennwand 20 teilweise vom restlichen Volumen
des Behältnisses 16 getrennt
und besteht im Wesentlichen aus einem Überlauf 22 und einem
Einbau 24, der kontrolliertes Einbringen der Suspension
des verunreinigten Sandes in den Klassiereinbau 18 ermöglicht.
Der Aufstromklassierer 12 hat ferner einen Reinigungsmitteleingang 26 und
einen Klassierausgang 28, durch den die Sandsuspension
nach der Klassierung (Befreiung von Schwebeteilchen) entnommen werden
kann.
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Die
Zuführung
von Reinigungsflüssigkeit
geschieht dabei auf der dem Klassiereinbau 18 abgewandeten
Seite der Trennwand 20, so dass sich innerhalb des Gefäßes die
zur Klassierung erforderlichen Strömungsverhältnisse einstellen. Abhängig von
der zugegebenen Menge von Reinigungsflüssigkeit je Zeiteinheit über den
Reinigungsflüssigkeitseingang 26 bildet
sich im Klassiereinbau 18 eine nach oben gerichtete Strömung aus,
so dass durch den Ablauf 22 permanent Reinigungsflüssigkeit
abfließt. Die
Strömungsgeschwindigkeit
wird nun so eingestellt, dass diese höher ist als die Sinkgeschwindigkeit
der zu trennenden Teilchen in der Reinigungsflüssigkeit. Während der Sand, dessen Sinkgeschwindigkeit
höher ist
als die eingestellte Strömungsgeschwindigkeit,
an den Boden des Behältnisses 16 sinkt
und dort über
den Klassierausgang 28 entnommen werden kann, werden die
Feinstaubteilchen und sonstigen leichten Verunreinigungen über den
Ablauf 22 kontrolliert abgeführt. Werden von der Waschvorrichtung 10 Kernsande,
die mit anorganischen Binder gebunden sind, gereinigt, kann die über den
Ablauf 22 abfließende
Reinigungsflüssigkeit
wegen der ökologischen
Unbedenklichkeit des verwendeten Binder (beispielsweise Wasserglas)
auch in die öffentliche
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Die
Sandsuspension, die dem Klassierausgang 28 entnommen wird,
wird durch eine geeignete Fördereinrichtung
einer Materialzuführung 30 des Paddelwäschers 14 zugeführt, so
dass diese im Paddelwäscher
auf ein erstes Paddel 32a einer Mehrzahl von Paddeln 32a–32e gelangt,
die sequentiell angeordnet sind, um die Sandsuspension entgegen
der Schwerkraft und entgegen der Strömungsrichtung der Reinigungsflüssigkeit
zu transportieren. Die Sandsuspension wird sukzessive in unterschiedliche, den
jeweiligen Paddeln 32a–32e zugeordneten
Pfannen, deren Radius dem Radius der Paddel entspricht, befördert. Vom
letzten Förderpaddel 32e wird die
Sandsuspension in den Materialausgang 32 des Paddelwäschers 14 befördert. Die
Zugabe der Reinigungsflüssigkeit
erfolgt durch einen Reinigungsflüssigkeitseingang 34 des
Paddelwäschers 14,
so dass die Reinigungsflüssigkeit
unter dem Einfluss der Schwerkraft entgegen dem Strom der Sandsuspension
von dem Förderpaddel 32e zum
Förderpaddel 32a fließt, um an
einem Reinigungsflüssigkeitsausgang 36 den
Paddelwäscher 14 wieder
zu verlassen. Zu den frei einstellenden Parametern des Paddelwäschers 14 gehören dabei
zum einen die Menge zugeführten
Materials pro Zeiteinheit, die Menge zugeführter Reinigungsflüssigkeit
pro Zeiteinheit und die Steigung der Förderstrecke, also derjenige
Winkel, der von einer Verbindungslinie zwischen den Achsen der Paddel 32a–32e und
einer gedachten, in Richtung der Schwerkraft verlaufenden Linie,
eingeschlossen wird.
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Um
die Reinigung des Sandes möglichst
ressourcenschonend durchzuführen,
ist der Reinigungsflüssigkeitsausgang 36 des
Paddelwäschers 14 mit dem
Reinigungsmitteleingang 26 des Aufstromklassierers 12 derart
verbunden, dass die beim Waschen verwendete Reinigungsflüssigkeit
des Paddelwäschers 14 zumindest
teilweise in den Aufstromklassierer 12 gelangen kann. Dabei
kann prinzipiell die gesamte Menge der Reinigungsflüssigkeit,
die am Reinigungsflüssigkeitsausgang 36 des
Paddelwäschers 14 erhalten
wird, an den Reinigungsflüssigkeitseingang 26 des
Aufstromklassierers 12 weitergeleitet werden, da der Reinigungsmittelverbrauch des
Aufstromklassierers und des Paddelwäschers so angepasst werden
können,
dass dieser näherungsweise
identisch ist. Die Verwendung des Paddelwäschers als Waschvorrichtung
hat hierbei den Vorteil, dass diese mit vergleichsweise geringen
Mengen an Reinigungsflüssigkeit
betrieben werden kann, was in Synergie mit der Verwendung des Aufstromklassierers
dazu führt,
dass nur eine äußerst geringe
Menge neuer Reinigungsflüssigkeit
je zu reinigendem Kilogramm Sand hinzugegeben werden muss. Die Menge
frischer Reinigungsflüssigkeit
pro Kilogramm Sand, kann dabei beispielsweise so gering sein, dass diese
in einem Intervall zwischen 0,5 l/kg und 4 l/kg liegt. Dies ist
nur möglich,
wenn die hintereinander betriebenen Waschvorrichtungen so betrieben
werden können,
dass sie bei optimaler Reinigungswirkung mit einer ähnlichen
Menge von Flüssigkeit
betrieben werden können.
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Würde statt
des Paddelwäschers 14 ein
Hydrozyklon verwendet werden, ließe sich der synergetische Effekt
beispielsweise nicht erzielen, da der Hydrozyklon aufgrund der hohen
erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten
einen hohen Minimalbedarf an Reinigungsflüssigkeit aufweist, so dass
die für
Hydrozyklon verwendete Reinigungsflüssigkeit nicht vollständig als
Speisung für
den Aufstromklassierer verwendet werden kann, da dieser mit den
hohen vom Hydrozyklon zur Verfügung
gestellten Mengen an Reinigungsflüssigkeit nicht zur Trennung
von Sand und Feinstaub bzw. Feinstteilchen verwendet werden kann.
Ein Großteil
der Reinigungsflüssigkeit müsste also
als Abwasser abgeführt
werden, was die Gesamt-Öko-Bilanz
des Verfahrens wesentlich verschlechtern würde. Prinzipiell könnte zwar
ein Teil der vom Hydrozyklon verwendeten Reinigungsflüssigkeit an
dessen eigenen Eingang zurückgeführt werden, allerdings
ergäbe
sich dann zwangsläufig
eine Anreicherung der vom Hydrozyklon nicht entfernbaren Verunreinigungen
im Kreislauf bzw. in der Reinigungsflüssigkeit, die zu einer Verschlechterung
des Gesamtergebnisses bzw. der Reinheit des durch die Vorrichtung
gewaschenen Sandes führen
kann.
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Darüber hinaus
hat die in 1 gezeigte Kombination eines
Aufstromklassierers 12 und eines Paddelwäschers 14 den
Vorteil, dass die Sandwaschung bzw. die Regeneration des Sandes
mittels Verfahren erreicht wird, die nur eine äußerst geringe mechanische Beanspruchung
des zu reinigenden Sandes verursachen. Daher wird nur wenig Sand
als Ausschuss produziert, beispielsweise durch mechanisches Zerkleinern
der Sandkörner
unterhalb die minimal geforderte Korngrenze, so dass mit einigen Ausführungsbeispielen
der Erfindung Sand-Recycling-Quoten
von 90% oder sogar von 95% und darüber erzielt werden können.
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2 zeigt
anhand eines Blockdiagramms schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Waschvorrichtung 10 zur
Reinigung von verunreinigtem Sand bei, der einem Aufstromklassierer 12 an
einem Klassiereingang 25 in Form einer Suspension des verunreinigten
Sandes und einer Reinigungsflüssigkeit
zuführt
wird. Der Aufstromklassierer weist ferner einen Reinigungsmitteleingang 26 auf,
an dem das Reinigungsmittel in den Aufstromklassierer eingebracht
wird.
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Das
an einem Klassierausgang 28 erhaltene, vorgereinigte Material,
die klassierte Sandsuspension, wird einer Waschvorrichtung zum Waschen
der Sandsuspension 14 über
eine Materialzuführung 30 zugeführt. Die
Waschvorrichtung 14 weist ferner einen Reinigungsflüssigkeitseingang 34 auf, über den die
Waschvorrichtung 14 mit Reinigungsflüssigkeit versorgt wird. Ein
Reinigungsflüssigkeitsausgang 36 der
Waschvorrichtung ist mit dem Reinigungsflüssigkeitseingang 26 des
Aufstromklassierers 12 derart verbunden, dass die beim
Waschen verwendete Reinigungsflüssigkeit
der Waschvorrichtung 14 zumindest teilweise an den Reinigungsflüssigkeitseingang 26 des
Aufstromklassierers 12 gelangt, um die verbrauchte Reinigungsflüssigkeitsmenge
so gering wie möglich
zu halten.
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3 zeigt ein Blockschaltbild einer Waschvorrichtung
zur Reinigung von verunreinigtem Sand 10 im Kontext des
gesamten Prozess-Zyklus, wie er in einer Gießerei zur Aufbereitung von
Kernsanden durchlaufen wird. Dabei wird der Kernsand zunächst in
einem Sandbunker gelagert bzw. vorrätig gehalten, wie es dem Prozessschritt 50 zu
entnehmen ist. Bei der Kernsandmischung 52 wird der bereits
recycelte Kernsand mit eventuell erforderlichem neuen Sand, den
Bindern und eventuell erforderlichen, optionalen Aktivatoren vermischt,
um ein Kernsandgemisch zu erhalten, das sich zur Produktion von
Sandkernen eignet, die nach herkömmlichen
Verfahren in einem Produktionsschritt 54 hergestellt werden.
Nach einem Gießprozess 56 werden
die im Inneren der Gussteile befindlichen Sandkerne zerkleinert
und in einem Entkernschritt 58 aus dem Gussstück entfernt. Dazu
kann das Gussstück
beispielsweise in Vibration versetzt werden, so dass die im Inneren
befindlichen Sandkerne teilweise aufbrechen und aus den Gussteil
durch Schütteln
oder durch Auswaschen entfernt werden können. In einem Zerkleinerungsschritt 60 werden
diese Sandkernbruchstücke
einem Brecher zugeführt,
der diese auf näherungsweise
identische Größe verkleinert,
woraufhin die zerkleinerten Sandkernbruchstücke in einem Sandsilo in einem
Speicherschritt 62 zwischengespeichert werden, von wo aus
sie der eigentlichen Aufbereitung bzw. Waschung zugeführt werden.
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Dabei
kann optional vor der Waschvorrichtung 10 ein Attritor 64 angeordnet
sein, der dazu dient, eine Suspension des verunreinigten Kernsandes
und eine Reinigungsflüssigkeit,
beispielsweise Wasser, herzustellen. Dazu wird der Kernsand zusammen
mit der Reinigungsflüssigkeit
in einen, optional mehrstufigen, Rühereraufbau gegeben, in dem die
Reinigungsflüssigkeit
zusammen mit dem verunreinigten Kernsand vermengt wird, so dass
sich die Suspension aus verunreinigtem Kernsand und Reinigungsflüssigkeit
bildet. Dabei wird der Kernsand annähernd auf Korngröße zerkleinert
und es werden bereits erste Verunreinigungen, die mechanisch am Kernsand
haften, von diesem getrennt. Die Sandsuspension wird von dem Attritor 64 in
eine Waschvorrichtung 10 gegeben, wie sie beispielsweise
anhand von 2 erläutert wurde. Zur Vermeidung
von Redundanz wird daher auf eine erneute detaillierte Beschreibung
des Aufstromklassierers 12 und der Wascheinrichtung 14 verzichtet.
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Im Übrigen gilt
sowohl hier als auch im gesamten Zusammenhang der Erfindungsmeldung, dass
funktionsidentische oder funktionsähnliche Komponenten mit denselben
Bezugszeichen versehen sind und dass die Beschreibung der betreffenden Komponenten
in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
wechselseitig aufeinander anwendbar sein soll.
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Wesentlich
ist auch hier, dass die Waschvorrichtung 14 einen Reinigungsflüssigkeitsausgang 36 aufweist,
der mit einem Reinigungsmitteleingang 26 des Aufstromklassierers 12 derart
verbunden ist, dass die beim Waschen verwendete Reinigungsflüssigkeit
der Waschvorrichtung 14 zumindest teilweise in den Aufstromklassierer 12 gelangen
kann. Zusätzlich
kann optional Reinigungsflüssigkeit
von einem Reinigungsflüssigkeitsausgang 66 des
Aufstromklassierers in den Attritor 64 gegeben werden,
um zusammen mit dem Sand die Sandsuspension zu bilden. Ferner kann
der Attritor 64 einen Abwasserausgang 68 aufweisen, über den
beispielsweise Schlamm, der sich aus Feinteilchen in Verbindung mit
der Reinigungsflüssigkeit
im Attritor bildet, als Abwasser ausgegeben werden kann. Dies kann,
wie in 3 gezeigt, zusammen mit dem
Abwasser aus dem Überlauf 22 des
Aufstromklassierers 14 einer Abwasseraufbereitung 70 zugeführt werden,
die beispielsweise durch Sedimentbildung oder weitere Klassierung
Teile der Reinigungsflüssigkeit
abtrennen kann, um im Endergebnis zu deponierenden Schlamm und Reinigungsflüssigkeit
bzw. Abwasser zu erhalten. Im in 3 schematisch
dargestellten Prozess wird die Sandsuspension nach der Waschvorrichtung 14 vor
einer Trocknung einem PAN-Filter 72 zugeführt, der
unter Zugabe von frischer Reinigungsflüssigkeit aus einem Reinigungsflüssigkeitsreservoir 72 eine
Filtration der Sandsuspension aus der Waschvorrichtung 14 vornehmen
kann, um im Endergebnis als Filterkuchen einen gereinigten, vorgetrockneten
Sand zu erhalten, der einer Trocken-/Kühleinrichtung 76 zugeführt wird.
Das Filtrat des PAN-Filters, bzw. das Filtrat später Filterstufen des PAN-Filters 72 kann
wiederum im Gegenstrom einem Reinigungsflüssigkeitseingang 34 der
Waschvorrichtung 14 zugeführt werden, da dieses im PAN-Filter 72 nur
geringfügig
verunreinigt wird. Auch hierbei wird wieder dem Konzept Rechnung
getragen, auf konsequente Wasserführung im Gegenstrom Rücksicht
zu nehmen, um die Gesamtbilanz des Reinigungsflüssigkeitsverbrauchs positiv
zu gestalten.
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Der
Filterkuchen des PAN-Filters, also der noch feuchte gereinigte Sand,
wird einem Trocken-/Kühlaggregat 76 zugeführt, welches
den feuchten Sand für
die Weiterverwendung trocknet. Geschieht die Trocknung unter Wärmezufuhr,
wird der Sand anschließend
gekühlt,
um nicht eine vorzeitige Aushärtung
des Kernsandgemisches Herbeizuführen,
wenn diesem der anorganische, unter Wärmeeinwirkung aushärtende,
Binder zugeführt
wird (beispielsweise Wasserglas). Der gekühlte, gereinigte Sand kann
einer optionalen Feinstaubsiebung durch eine Siebanlange 78 zugeführt werden,
sollte dies erforderlich sein. Die Siebanlange könnte beispielsweise ein Windsichter
sein, wobei der mittels der Siebanlage 78 entfernte Staub
als Abfallprodukt entsorgt wird. Der erneut gesiebte Sand bzw. der Sand
nach der Aufbereitung durch das Kühl-/Trockenaggregat 76 wird
dem Sandbunker 50 zugeführt,
um im weiteren Prozessverlauf erneut zur Kernproduktion verwendet
zu werden.
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Wie
in dem in 3 dargestellten Konzept zu
entnehmen ist, wird auch hier auf konsequente Führung der Reinigungsflüssigkeit
im Gegenstrom zum zu reinigenden Sand geachtet. Das heißt, frische
Reinigungsflüssigkeit
wird nur im letzten Reinigungsschritt zugegeben. Von dort an wird
entgegen dem Sandfluss, also im Gegenstrom, die Reinigungsflüssigkeit,
die zur Reinigung verwendet wurde, größtenteils an den Reinigungsflüssigkeitseingang
der vorhergehenden Reinigungseinrichtung transferiert, so dass bis
zum ersten Reinigungsschritt des Sandes (der Attrition 64)
keine weitere frische Reinigungsflüssigkeit zugegeben werden muss.
Dies hat zur Folge, dass die Reinigungsflüssigkeit bzw. das Wasser, das
zur Reinigung verwendet wird, so effizient wie möglich eingesetzt wird, so dass
es möglich
ist, den Reinigungsmittelverbrauch je Kilogramm zu reinigenden Sands
auf Werte unterhalb von 4 Liter zu bringen.
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4 zeigt eine detailliertere Ansicht einer weiteren
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die auf den bereits anhand der 1 und 3 beschriebenen Komponenten Attritor 64,
Aufstromklassierer 12 und Paddelwäscher 14 basiert.
Wie es 4 zu entnehmen ist, ist der
Attritor 64 zweistufig ausgeführt. Der Attritor hält an seinem
Attritoreingang 80 sowohl den zu reinigenden Sand als auch zur
Reinigung (als Reinigungsflüssigkeit)
verwendetes Wasser aus einem Rückführbehälter 82.
Am Attritorausgang wird über
eine Verbindung 84 die Suspension des Sandes und der Reinigungsflüssigkeit
in den Klassiereingang 25 des Aufstromklassierers 12 gegeben.
Um gegebenenfalls den Materialfluss der Sandsuspension zu verbessern,
kann zusätzlich über ein
Ventil 86 Wasser aus dem Rückführbehälter 82 mit der von
dem zweistufigen Rührwerk
des Attritors 64 gelieferten Sandsuspension vermischt werden,
um eine kontinuierliche Zuführung
zum Aufstromklassierer 12 sicherzustellen bzw. eine Verdünnung einzustellen,
die für
eine einwandfreie Funktionsweise des Aufstromklassierers 12 erforderlich
ist. Der Reiniungsmitteleingang 26 des Aufstromklassierers 12 ist über ein
Ventil 88 mit dem Rückführbehälter 82 verbunden,
so dass die zum Betrieb des Aufstromklassierer 12 erforderlichen
Reini gungsflüssigkeit
bzw. das erforderliche Wasser vollständig dem Rückführbehälter 82 entnommen
werden kann.
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Der Überlauf 22 des
Aufstromklassierers 12 ist mit einem Sammelbehälter 90 verbunden.
Der Klassierausgang 28 des Aufstromklassierers 12 ist mit
einer Förderschnecke 92 verbunden,
um die Sandsuspension aus dem Aufstromklassierer bzw. aus dem Klassierausgang
des Aufstromklassierers zu der Materialzuführung 30 des Paddelwäschers 14 zu
befördern.
Dabei kann die Fördergeschwindigkeit durch
Variation der Drehzahl der Förderspindel
beliebig eingestellt und an die Gegebenheiten bzw. den erforderlichen
Durchsatz der Apparatur angepasst werden.
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Der
Reinigungsflüssigkeitsausgang 36 des Paddelwäschers 14 ist
mit dem Rückführbehälter 82 verbunden,
so dass sämtliches
vom Paddelwäscher 14 zur
Reinigung verwendetes Wasser im Rückführbehälter 82 gesammelt
wird. Sollte die Kapazität
des Rückführbehälters 82 überschritten
sein, wird Wasser von dem Rückführbehälter 82 über eine
Leitung 94 in den Sammelbehälter 90 transferiert.
Der Materialausgang 32 ist mit einem Sammelbehälter 96 verbunden,
der der Zuführung
der gewaschenen Sandsuspension zu einer weiteren Förderschnecke 98 dient.
Der Sammelbehälter 96 weist
ferner einen Überlauf
für überschüssiges Wasser 100 auf,
der mittels einer Leitung mit dem Rückführbehälter 82 verbunden
ist, um das saubere überschüssige Wasser der
gewaschenen Sandsuspension im Gegenstrom rückzuführen, d. h. dem Attritor oder
dem Aufstromklassierer zur Verfügung
zu stellen.
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Mittels
einer weiteren Förderschnecke 98 wird
die gewaschene Sandsuspension an eine Schubzentrifuge 102 transferiert,
wobei auch hier die Rotationsgeschwindigkeit der weiteren Förderschnecke 98 stufenlos
an die pro Zeiteinheit zu reinigende Sandmenge angepasst werden
kann. An einem Eingang 104 der Schubzentrifuge kann ferner
frisches Wasser aus einem Frischwasserreservoir 106 zugemischt
werden, um zu verhindern, dass die Schubzentrifuge 102 durch
eine zu dickflüssige
Sandsuspension an ihrer ordnungsgemäßen Funktionsweise gehindert
wird. Dabei kann die zuzugebende Menge Frischwasser über ein
Dosierventil 107 geregelt werden. Über einen Materialausgang 108 der
Schubzentrifuge 102 kann der gereinigte und vorgetrocknete Sand
einem Trockner zugeführt
werden.
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Das
Kondensat der Schubzentrifuge 102, also das durch das Zentrifugieren
gewonnene Wasser wird in einen Zwischenspeicher 110 geleitet.
Der Zwischenspeicher 110 enthält somit kaum verunreinigtes
Frischwasser. Diese wird dazu verwendet, um im Paddelwäscher 14 die
Wäsche
des Sandes durchzuführen.
Dazu ist der Reinigungsflüssigkeitseingang 34 des
Paddelwäschers 14 mit
dem Zwischenreservoir 110 über eine Ventilanordnung 112 verbunden. Ist
im Zwischenreservoir 110 nicht genügend Flüssigkeit vorhanden, um den
Paddelwäscher 14 zu
betreiben, kann über
die Ventilanordnung 112 zusätzliches Frischwasser aus dem
Frischwasserreservoir 106 zugemischt werden, um die zum
Betrieb des Paddelwäschers
erforderliche Flüssigkeitsmenge
bereitzustellen. Das Einbringen von Frischwasser in den Prozess
erfolgt im in 4 gezeigten Beispiel
lediglich an einer Position, nämlich
zu Beginn des Gegenstroms, also prozessflussmäßig am Ende des Waschvorgangs
des Sandes in das Frischwasserreservoir 106. Aus Sicherheitsgründen ist
das Frischwasserreservoir 106 mit einem Überlaufausgang 114 ausgestattet,
der bei Erreichen des maximalen Flüssigkeitsstands im Frischwasserreservoir 106 das Frischwasser über den Überlauf
in eine Abwasserleitung 116 überführt, um ein unkontrolliertes Überlaufen
des Frischwasserreservoirs 106 zu verhindern. Abgesehen
von dem ebenfalls für
das Zwischenreservoir 110 vorgesehenen Überlaufmechanismus wird die Abwasserleitung 116 ausschließlich vom Sammelbehälter 90 gespeist.
Das heißt,
das Abwasser wird im Regelbetrieb lediglich am Ende des Gegenstroms
entnommen, so dass möglichst
wenig Frischwasser zugegeben werden muss, da das einmal zugegebene
Frischwasser im Gegenstrom sukzessive für alle verwendeten Reinigungsstufen
verwendet werden kann. Dies ist insbesondere deshalb möglich, da
die wasserintensiven Reinigungsschritte, die Wäsche mittels des Paddelwäschers 14 und
das Aufstromklassieren derart aufeinander abgestimmt sind, dass
diese näherungsweise
dieselbe Flüssigkeitsmenge
pro Zeiteinheit benötigen.
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5 zeigt
schematisch in Form eine Blockdiagramms ein Beispiel für ein Verfahren
zum Reinigen von verunreinigten Sanden unter Verwendung einer Reinigungsflüssigkeit.
In einem Waschvorgang 200 wird eine klassiere Sandsuspension
mit einer Reinigungsflüssigkeit
gewaschen. In einem Klassierschritt wird eine Sandsuspension unter
Verwendung von zumindest Teilen der beim Waschen benutzen Reinigungsflüssigkeit
klassiert, um die klassierte Sandsuspension zu erzeugen.
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Obwohl
in den vorhergehenden Abschnitten und anhand der Figuren überwiegend
eine Waschvorrichtung beschrieben wurde, bei der ein Aufstromklassierer
mit einem Paddelwäscher
kombiniert wird, ist die Verwendung eines Paddelwäschers in
Kombination mit einem Aufstromklassierer keine Voraussetzung für eine erfolgreiche
Umsetzung des erfindungsgemäßen Konzeptes.
Vielmehr kann jedwede andere Waschvorrichtung verwendet werden,
die unter Verwendung der Reinigungsflüssigkeit eine Waschwirkung
erzielt, wobei die zur Erzielung des erwünschten Ergebnisses zu verwendende
Menge an Reinigungsflüssigkeit
an den Verbrauch des Aufstromklassierers angepasst werden kann,
um wie gewünscht
eine näherungsweise
vollständige
Weiterverwendung der zum Waschen verwende ten Reinigungsflüssigkeit
zum Betrieb des Aufstromklassierers zu erreichen.
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Ebenso
ist die in einigen Ausführungsbeispielen
optionale Attrition nicht zwingend erforderlich, um die ressourcenschonende
Reinigung von Sand zu ermöglichen.
Anstatt eines Attritors kann beispielsweise jedwede andere Suspensionseinrichtung
verwendet werden, die geeignet ist, aus dem zu reinigenden Sand
und einer Reinigungsflüssigkeit eine
Suspension bzw. eine Verdünnung
herzustellen, die mittels eines Aufstromklassierers weiterbehandelt
werden kann. Dies kann beispielsweise ein herkömmlicher Mischer sein oder
dadurch erzielt werden, dass Sand mit einem unter hohem Druck stehenden
Wasserstrahl vermischt wird, so dass sich eine nicht gesättigte Suspension
bildet, die durch eine anschließende
kurze Sedimentation auch zu einer gesättigten Suspension werden kann,
sollte dies erforderlich sein.
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Die
in einigen Ausführungsbeispielen
beschriebenen weiteren Filter- bzw. Reinigungsschritte nach der
Anwendung der Waschvorrichtung bzw. der Reinigungsvorrichtung sind
optional und können
aufgrund der hohen Reinigungswirkung der Kombination aus Aufstromklassierer
und nachgeschalteter Waschvorrichtung auch weggelassen werden, ohne das
Ergebnis signifikant zu verschlechtern.