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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
insbesondere im Kreislauf geführten Formsandes für
Gießereizwecke, wonach einem Gemisch aus einer granularen Masse
und Zuschlagstoffen wie beispielsweise einem Bindemittel
sowie Wasser ein in Wasser nicht quellfähiges Material
zugegeben wird.
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Bekanntermaßen werden in der Gießereitechnik synthetische
Formsande eingesetzt, die im Wesentlichen aus der
feuerfesten, körnigen Grundsubstanz bzw. granularen Masse und
Zuschlagstoffen bestehen. Den Zuschlagstoffen kommen
verschiedene Aufgaben zu. Sie sollen insbesondere zur
Verbesserung der Oberflächenqualität der mit dem beschriebenen
Formsand hergestellten Gussteile beitragen. Den Formsanden
werden Binder als Zuschlagstoffe zugegeben. Bei diesen
Bindern handelt es sich üblicherweise um natürliche
anorganische Bindemittel wie Tone, vor allem montmorillonithaltige
Tone, sogenannte Bentonite.
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Bentonite als Formsandbindemittel sind mit dem Vorteil
verbunden, dass der Formsand im Kreislauf geführt werden kann
und insofern eine Wiederaufbereitung des thermisch
belasteten Formsandes möglich ist. Das setzt natürlich voraus,
dass dessen Kristallstruktur nicht durch Hitze zerstört
worden ist, was für ca. 2 Gew.-% des Bentonits je Umlauf
gilt.
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Die Wiederaufbereitung des Formsandes geschieht in der
Regel durch erneutes Einmischen von Wasser in den Formsand,
wobei ca. 2% an Zusatzstoffen (u. a. Bentonit) hinzugefügt
werden muss, was sich auf den thermischen Abbrand an der
Kontaktfläche des Formsandes bzw. Formstoffes zum Gussteil
erklärt. Bei der Formstoff- bzw. Formsandaufbereitung
lagern sich die Moleküle des Wassers auf und in dem
Bindemittel (Bentonit) an, wodurch das Bindemittel die Fähigkeit
bildet, die ansonsten körnige Grundsubstanz bzw. granulare
Masse binden zu können. Ein Maß für diese Bindungsfähigkeit
und die daraus resultierenden Festigkeitseigenschaften
eines verdichteten Formsandes ist die sogenannte
Nasszugfestigkeit, welche in N/cm2 gemessen wird.
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Bei heutigen Gießereien ist die thermische Belastung des
Formsandes bzw. Formstoffes groß, sind im Übrigen die
Aufbereitungszeiten kurz und erfolgt ein erheblicher Zufluss
an Kernsand. Demzufolge stellt sich ein Formsand mit
niedrigem Schlämmstoffgehalt ein, welcher darüber hinaus
einen hohen Anteil an organischen Spalt- bzw.
Abfallprodukten aufweist. Der niedrige Schlämmstoffgehalt drückt
aus, dass der Anteil an Teilchen mit einem geringen
Durchmesser von zumeist weniger als 20 µm gering ist.
Dadurch wird der Formsand bzw. Formstoff wasserempfindlich,
reagiert also besonders stark auf Änderungen der Menge an
zugegebenem Wasser, so dass sich problematische
Gießereiergebnisse einstellen können. - Hier will die Erfindung
insgesamt Abhilfe schaffen.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein
Verfahren der eingangs beschriebenen Gestaltung so weiter
zu entwickeln, dass der auf diese Weise hergestellte
Formsand insbesondere für eine Kreislaufführung ertüchtigt wird
und mit langen Standzeiten zur Verfügung steht. Außerdem
soll die Nasszugfestigkeit erhöht und die
Wasserempfindlichkeit verringert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist ein gattungsgemäßes
Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das nicht
quellfähige poröse Material Hohlräume mit einer spezifischen
Oberfläche von mehr als 10 m2/g, insbesondere mehr als 50 m2/g,
vorzugsweise mehr als 100 m2/g zur Verbesserung der
Formsandeigenschaften und Adsorption von vorzugsweise
Schad- und/oder Geruchsstoffen aufweist. Das beschriebene
nicht quellfähige Material dient dabei nicht nur dazu,
Schad- und/oder Geruchsstoffe zu binden. Sondern
gleichzeitig werden die Stoffeigenschaften des Formsandes im
Ganzen verbessert. Das gilt insbesondere im Hinblick auf
eine Erhöhung der Nasszugfestigkeit und eine Reduzierung
der Wasserempfindlichkeit wie nachfolgend im Detail noch
näher erläutert wird.
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Üblicherweise verfügt das in Wasser nicht quellfähige
Material über kanalartige Hohlräume, die der Einlagerung
der betreffenden Schad- und/oder Geruchsstoffe ohne
wesentliche Veränderung der Kristallstruktur dienen.
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Dieser Umstand ist von besonderer Bedeutung, weil nach
Lehre der Erfindung das in Wasser nicht quellfähige
Material mit dem Formsand als Ganzes im Kreislauf geführt wird,
also aus diesem Grund auch seine Kristallstruktur nicht
ändern soll. Ansonsten könnte hiervon das Gießereiergebnis
negativ beeinflusst werden.
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In der Regel verfügt das nicht quellfähige Material über
eine geringe Dichte von unter 3 g/cm3, insbesondere von
unter 2,5 g/cm3. Dabei hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, als nicht quellfähiges Material bestimmte Silikate
einzusetzen, deren charakteristische Silizium-Sauerstoff-
Elementartetraeder zu einem dreidimensionalen Gerüst
allseitig miteinander verknüpft sind. Das heißt, als nicht
quellfähiges Material empfiehlt die Erfindung zumeist den
Einsatz von Gerüst- oder Tektosilikaten, die mit ganz
wenigen Ausnahmen Alkali- und Erdalkalialumosilikate bilden.
Daneben können als nicht quellfähige Materialien aber auch
Bims oder Bimsgestein, Allophan, Imogolit, Kieselgur,
Polygarskite, Sepiolite, Diatomenerde sowie mit Säure
und/oder wärmebehandelte Tone zum Einsatz kommen. In der
Regel finden jedoch Gerüst- oder Tektosilikate Verwendung.
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Solche Gerüst- oder Tektosilikate zeichnen sich dadurch
aus, dass ihr Strukturgerüst sehr locker und weitmaschig
gebaut ist, wodurch kanalartige Hohlräume entstehen. Diese
kanalartigen Hohlräume sind primär für die große
spezifische Oberfläche von mehr als 10 m2/g, insbesondere mehr als
50 m2/g, vorzugsweise mehr als 100 m2/g, verantwortlich und
eröffnen die Möglichkeit, in diesen Ionen oder Moleküle
aufzunehmen. Folglich stehen die Hohlräume zur Adsorption
der Schad- und/oder Geruchsstoffe zur Verfügung.
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Eine weitere Folge des beschriebenen lockeren Gitterbaus
der Tektosilikate ist ihr geringes spezifisches Gewicht von
deutlich unter 3 g/cm3, welches zumeist sogar unter
2,3 g/cm3 liegt. Zudem zeichnen sich Tektosilikate durch
eine mittlere Härte von 4 bis 6 aus, die diejenige von
Bentonit übersteigt (Härte 1 bis 2). Bei diesen Härteangaben
handelt es sich um die sogenannte Ritzhärte, welche der
Mohsschen Härteskala folgt. Damit liegen die Tektosilikate
härtemäßig im Bereich zwischen Quarz (Härte ca. 7) und dem
Bindemittel bzw. Bentonit mit einer Härte von 1 bis 2.
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Folglich verhält sich das nicht quellfähige Material bzw.
verhalten sich die Tektosilikate vergleichbar wie die
granulare Masse und lassen sich aufgrund ihrer
Kristallstabilität - auch nach der Adsorption von Schad- und/oder
Geruchsstoffen - problemlos in die granulare Masse einbauen,
ohne dass etwaige Negativeffekte auf den Formsand im Ganzen
zu befürchten sind. - Als bevorzugtes Tektosilikat kommt im
Rahmen der Erfindung Zeolith zum Einsatz und hier besonders
Chabasit. Grundsätzlich kann anstelle von Zeolith als nicht
quellfähiges poröses Material beispielsweise ebenso Bims
oder Bimsstein, Kieselgur aber auch Clinoptilolit sowie
verschiedene Alugane zugegeben werden.
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Insgesamt hat es sich als günstig erwiesen, das nicht
quellfähige Material bzw. Tektosilikat dem Formsand in
Mengen von ca. 0,1 Gew.-% bis. ca. 20 Gew.-%, bezogen auf das
Endprodukt, zuzuschlagen. Das kann in der Weise erfolgen,
dass das nicht quellfähige Material bzw. Tektosilikat
direkt der granularen Masse zugegeben wird oder die
granulare Masse ganz oder teilweise ersetzt. Daneben ist es
auch möglich, das betreffende Material den Zuschlagstoffen
beizumengen oder dieses in Wasser zu dispergieren und dann
mit dem granularen Material und den Zuschlagstoffen sowie
ggf. weiterem Wasser zu vermischen.
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Als granulare Masse wird üblicherweise Quarzsand,
Zirkonsand, Chromitsand, Olivinsand etc. eingesetzt. Es ist aber
auch möglich, an dieser Stelle auf keramische Kugeln
zurückzugreifen.
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Daneben mögen als Zuschlagstoffe nicht nur Bindemittel wie
Bentonit Verwendung finden, sondern zusätzlich auch
Kohlenstoffprodukte wie Glanzkohlenstoffbildner oder
Steinkohlenstaub. Diese Kohlenstoffprodukte als Zuschlagstoffe
sorgen beim Gießen durch ihre dabei erfolgende Gasbildung
dafür, dass die Körner der granularen Masse bzw. die
Quarzsandkörner durch Glanzkohlenstoff umhüllt werden, so dass
ein Anbrennen des Formsandes am Gießstück vermieden wird.
Hierdurch stellt sich eine glatte und saubere Oberfläche
des Gießereiformlings ein. Auch führt die Verwendung von
Steinkohlenstaub im Formsand zum Ausgleich der
Sandausdehnung und zur Vermeidung von Sandfehlern. Diese Aspekte
sind grundsätzlich bekannt (vgl. EP 0 111 616 B1).
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Die Zugabe von Graphit (vgl. EP 0 279 031 B1) bewirkt
erfindungsgemäß eine bessere und schnellere Aufnahme des
Wassers durch das nicht quellfähige Material bzw. den
Bentonit. Hierdurch lässt sich der Formsand bzw. Formstoff
leichter aufbereiten und erreicht schneller ausreichende
Festigkeiten für die weitere Verarbeitung. Gleichzeitig
wird durch die beschriebene Graphitzugabe die
Fließfähigkeit des Formsandes bzw. Formstoffes verbessert.
Infolgedessen erhöht sich die Gleichmäßigkeit bei der
Verdichtung des Formsandes. Das heißt, der an sich bekannte
Einsatz von Graphit als Zuschlagstoff für Formsande bewirkt
im Rahmen der Erfindung die im Zusammenhang mit der EP 0 279 031 B1
erläuterten Vorteile, wobei sich durch die
Kombination mit Bentonit Synergieeffekte ergeben, welche in
der leichteren Aufbereitung des Formstoffes, den höheren
Festigkeiten und der verbesserten Fließfähigkeit liegen.
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Im Ergebnis wird ein neuartiges Herstellungsverfahren für
insbesondere im Kreislauf geführte Formsande für
Gießereizwecke zur Verfügung gestellt, das sich dadurch
auszeichnet, dass der Formsand bzw. Formstoff im Vergleich zum
Stand der Technik mit einem höheren Schlämmstoffniveau
ausgerüstet ist, also mehr Feinanteile aufweist. Dadurch
wirken sich in Kombination mit dem zugeschlagenen, nicht
quellfähigen Material Änderungen des Wassergehaltes bei der
Aufbereitung des Formsandes erheblich weniger stark aus,
als dies bisher der Fall war. Das heißt, die
Wasserempfindlichkeit des Formstoffes wird geringer.
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Gleichzeitig lässt sich der Wasserverdampfungsprozess beim
anschließenden Gießen hierdurch positiv beeinflussen. Denn
in Folge der damit verbundenen thermischen Belastung bildet
sich eine Kondensationszone aus, die im Stand der Technik
als relativ scharfe Grenze vorliegt. Demgegenüber bewirkt
der erfindungsgemäße Zusatz des nicht quellfähigen porösen
Materials eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit im
Formstoff und damit einhergehend eine Verbreiterung der
Kondensationszone, die zu einem Kondensationsbereich wird.
Dadurch steigt nicht nur die Nasszugfestigkeit des
Formstoffes an, sondern es wird gleichzeitig die Neigung zur
Bildung von formstoffbedingten Gussfehlern wie Schulpen und
Erosionsfehlern unterdrückt.
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Das zugegebene poröse Material adsorbiert bei jedem Umlauf
zwangsläufig entstehende organische Spaltprodukte, die
infolgedessen keine Emissionen erzeugen und im Übrigen
nicht negativ zur Beeinflussung des Formstoffes und/oder
des Gießereiformlinges beitragen.
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Das von dem nicht quellfähigen Material zur Verfügung
gestellte Porenvolumen bzw. die Hohlräume lassen sich
(hinsichtlich ihrer Größe und/oder Anzahl) gezielt an
bestimmte (erwartete) Spaltprodukte anpassen. Das kann
durch Waschprozesse von natürlichem Bentonit erfolgen aber
auch dadurch, dass beispielsweise synthetisches Zeolith mit
vorgegebenen Eigenschaften zum Einsatz kommt. Hierdurch
lässt sich die Umweltverträglichkeit enorm steigern.
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Üblicherweise wird bei der Herstellung des Formsandes auf
ein Gemisch von 20 bis 95 Gew.-% an granularer Masse, 4 bis
25 Gew.-% an aktivem Bindeton, z. B. Montmorillonit, bis zu
15 Gew.-% Wasser, mindestens 0,1 Gew.-% an
kohlenstoffhaltigen Materialien - in der Regel ca. 0,5 Gew.-% Graphit
- und auf ca. 0,1 bis 20 Gew.-% an Tektosilikaten
zurückgegriffen. Als Obergrenze für die kohlenstoffhaltigen
Zuschlagstoffe empfiehlt die Erfindung 20 Gew.-%.
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Folgende Rezepturen konnten mit Erfolg eingesetzt werden
und zeichnen sich durch eine hohe Nasszugfestigkeit und
geringe Wasserempfindlichkeit des Endproduktes bzw.
Formsandes aus:
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Die Fig. 1 vergleicht den erfindungsgemäß hergestellten
Formsand "mit" dem Zusatz an nicht quellfähigem Material
mit einem Formsand, welcher "ohne" dieses quellfähige
poröse Material hergestellt worden ist. Dabei ist die
Verdichtung des Formstoffes bzw. Formsandes in % gegenüber
dem Wassergehalt (ebenfalls in %) dargestellt.
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Man erkennt, dass ohne den erfindungsgemäßen Zusatz des
nicht quellfähigen porösen Materials selbst geringe
Schwankungen des Wassergehaltes zu starken Variationen der
Verdichtung des Formstoffes führen. Dagegen ist die
größtenteils lineare Abhängigkeit dieser beiden Größen
voneinander beim Zusatz des nicht quellfähigen Materials nicht
(mehr) so stark ausgeprägt, weshalb sich die verringerte
Wasserempfindlichkeit erklärt.
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Im Rahmen der Fig. 2 wird schematisch ein teilweiser
Schnitt durch ein in einer Form 1 hergestelltes Gussteil 2
dargestellt. Entsprechend dem gezeigten Beispiel bildet
sich in der Form 1 - in bestimmtem Abstand von einer
Grenzfläche G zwischen Form 1 und Gussteil 2 - eine
Kondensationszone 3 beim Gießen, welche im Rahmen des
Standes der Technik (linker Teil von Fig. 2) eine scharfe
Grenze definiert. Und zwar eine Grenze zwischen einem
weitgehend wasserfreien Bereich der Form 1 zwischen der
Kondensationszone 3 und der Grenzfläche G und einem
unverändert feuchten Bereich formeinwärts.
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Dagegen ist bei einer Form 1 aus dem erfindungsgemäßen
Formstoff diese Kondensationszone 3 verbreitert und bildet
einen Kondensationsbereich 4 (rechter Teil von Fig. 2). Das
hat zur Folge, dass die Festigkeit der Form 1 (gegenüber
dem Stand der Technik) über den Schnitt gesehen ansteigt,
was zugleich für die Nasszugfestigkeit gilt.
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Dieser Umstand lässt sich dadurch erklären, dass das
infolge des Gießvorganges an der Grenzfläche G Gussteil 2
zu Form 1 verdampfende und formeinwärts fließende Wasser
bzw. der Wasserdampf durch den zugegebenen zuschlagsstoff
(nicht quellfähiges poröses Material) von seiner
Fließgeschwindigkeit bzw. Dampffließgeschwindigkeit her eine
Reduktion erfährt, die zur Ausbildung der Kondensationszone
4 führt.