DE2638042A1 - Verfahren zur behandlung poroeser, koerniger grundstoffe, insbesondere zur herstellung von giessereisanden - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE 1950/PZF ²⁴· A». 1976

DIETRICH LEWINSKY
HEINZ-3OACKIM HUBER -

REINER PRIETSCH **

MÖNCHEN 21
GOTTHARDSTR. 81

GEORG FISCHER AKTIENGESELLSCHAFT.. 8201 Schaffhausen

Verfahren zur Behandlung poröser, körniger Grundstoffe, insbesondere zur Herstellung von Giessereisanden

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung poröser, körniger Grundstoffe, insbesondere zur Herstellung von Giessereisanden. Aus der schweizerischen Patentschrift Nr. 372 482 ist es bekannt, dass zum Beispiel verschiedenartige Sande bei gleicher Körnung unterschiedliche Eigenschaften in bezug auf die Feuchtigkeitsaufnahme aufweisen. Insbesondere existieren sehr reine Sande, die nur aus monokristallinen, dichten Quarzkörnern bestehen und andere Sande, die variable Anteile an porösen Körnern enthalten können, zum Beispiel Feldspat, Quarz!tkörner, Gesteinstrümmer. Je höher der Anteil der porösen Körner ist, um so mehr Feuchtigkeit können die Sande infolge innerer Porosität der Körner in sich aufnehmen, bevor sie sich nass anfühlen.

Diese Tatsache spielt bei der Verwendung von Sanden zur Form- und Kernherstellung in der Giesserei eine wichtige Rolle. Bei der Verwendung von Sanden für die Kernherstellung benötigen Sande mit porösen Körnern um so mehr Kernöl oder andere flüssige Kernbinder, je grosser der Anteil der porösen Körner im Gesamten ist. Der Verbrauch an Bindern bei der Aufbereitung natürlicher oder künstlicher

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Giessereisande und ebenso deren Wasserbedarf bei Verwendung als tongebundene Pormsande sind entscheidend abhängig von der Kornporosität.

Bei porösen Körnern saugen sich zuerst die Poren der einzelnen Körner mit flüssigem Binder oder Wasser voll. Erst wenn die innere Porosität abgesättigt ist, kann sich auf der Aussenoberfläche des Korns ein Binderfilm entwickeln, der allein zur Bindung zwischen den Körnern beiträgt. Sande und andere körnige Stoffe mit porösen Körnern benötigen deshalb oft wesentlich mehr Binder, um im Vergleich mit reinen Sanden aus dichten Körnern, insbesondere bei reinen monokristallinen Quarzkörnern, eine bestimmte Festigkeit zu erreichen. Bei Sanden mit porösen Körnern kann der Binderbedarf im Vergleich zu monokristallinen reinen Quarzsanden ohne weiteres das Doppelte oder Dreifache betragen. ^:

Die Kornporosität ist meist wirtschaftlich und technologisch von wesentlich grösserer Tragweite, als der Preis des Sandes selbst, weil der Mehrverbrauch an heute sehr teuren synthetischen Bindern kostenmässig mehr ins Gewicht fällt. In vielen Fällen ist der Mehrverbrauch an Binder jedoch weniger aus wirtschaftlichen als aus technologischen Gründen nachteilig.

Dies ist der Grund, warum zahlreiche natürliche Sande trotz geeigneter Körnung und mineralischer Zusammensetzung für Giessereizwecke, insbesondere bei Anwendung moderner chemischer Sandbindersysteme, nicht verwendet werden können.

Die innere Kornporosität ist auch prohibitiv bei künstlich aus hochwertigen Feuerfeststoffen, wie zum Beispiel Schamotte oder Mullit hergestellten Sanden. Auch diese Stoffe haben eine mehr oder weniger poröse Struktur, die einen unzulässig hohen Binderverbrauch bewirkt. Trotz guter Klassierung in für Giessereizwecke an sich geeignete Körnungen haben deshalb viele Versuche, solche

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künstlichen Sande anstelle von natürlichen Spezialsanden, wie zum Beispiel Chromit oder Zirkon als Pormstoff zu verwenden, fehlgeschlagen.

Die innere Porosität von Sauden kann dadurch ermittelt werden, dass der zu untersuchende Sand mit steigenden Mengen an Wasser homogen vermischt wird. Erst bei demjenigen Wassergehalt, welcher die innere Porosität absättigt, wird der Sand äusserlich feucht und beginnt eine geringe Kohäsion zu entwickeln. Dies äussert sich darin, dass er nicht mehr durch ein Sieb (5 mm Maschenweite) fällt, während er im nicht gesättigten Zustand sich noch völlig rieselfähig wie ein trockener Sand verhält. Der Wassergehalt bei Sättigung der Innenporosität (Wasseraufnahmevermögen) ist das Mass für die Innenporosität der Körner.

Der Binderverbrauch kann dadurch ermittelt werden, dass der Sand mit steigenden Mengen an Leinöl gemischt wird. Mit dem Sand werden Normprüfkörper hergestellt, diese bei 230 C während zwei Stunden im Ofen ausgehärtet und nach Abkühlung auf Raumtemperatur auf Druckfestigkeit geprüft. Der Binderverbrauch wird durch denjenigen Leinölzusatz ausgedrückt, der nötig ist, eine Druckfestigkeit von 100 kg/cm (1400 PSl) zu erreichen.

Auf die beschriebene Arten geprüfte Sande unterschiedlicher Beschaffenheit ergaben folgende Ergebnisse:

Wasseraufnähme- Binderververmögen brauch

1 Reiner Giessereiquarzsand F 32 (Deutschland)

2 Reiner Giessereiquarzsand H 33" (Deutschland)

3 Standard Testsand American Foundrym. Soc. (Ottawa, Illinois)

4 Belgischer Giessereisand M 36

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0.15	1.1
0.25	1.3
0.15	1.3
0.3	1.4

5 Englischer Giessereisand 2 F 0.3 1·6

6 Oesterreichlscher Giessereisand FM 21 0.5 2.25

7 Schweizerischer Giessereisand 1.5 3· 6 (Benken)

8 Klassierte Schamotte 0.1 - 0.27 mm 0.7 2.3

9 USA-Mullit-Schamotte 1.5 4.0

Die Sande 1 bis 5 sind hochwertige Quarzsande mit dichten Körnern und eignen sich für moderne chemische Formverfahren mit flüssigen Bindern.

Sand 6 ist für die Verwendung mit teuren chemischen Bindern nicht mehr wirtschaftlich. Der schweizerische Sand 7 ist für flüssige Binder jeder Art völlig ungeeignet. Er kann nur stark mit reinem Quarzsand verdünnt oder für tongebundene Sande verwendet werden.

Die klassierte Schamotte (8) hat ebenfalls einen zu hohen Binderverbrauch, der trotz hoher Feuerfestigkeit die Verwendung als Formstoff ausschliesst, wenn teure chemische Binder, insbesondere Kunstharzbinder verwendet werden sollen.

Die USA-Mullit-Schamotte (9) hat einen extrem hohen Binderverbrauch wegen stark poröser Körner. Sie ist für flüssige Binder nicht zu verwenden.

Der Erfindung ist die Aufgabe gestellt, die geschilderten Nachteile mancher poröser, körniger Grundstoffe, d.h. insbesondere deren übermässigen Binderverbrauch, zu beseitigen, um solche Stoffe als Formstoffe in der Giesserei anwendbar zu machen oder besonders feuerfeste Spezialsande zum Beispiel für Stahlgiessereien zu erzeugen. Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass die Poren der Körner dieser Stoffe vor der Beimischung von Zuschlag- bzw. Bindemitteln mit trocknenden, chemisch abbindenden oder erstarrenden mineralischen oder organischen Imprägniermitteln durchtränkt und abgedichtet werden.

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Auf diese Weise lassen sieh natürliche oder künstliche Sande mit porösen Körnern veredeln und der Verwendung als Giessereiformstoffe bei tragbarem Binderbedarf zuführen.

Als Imprägniermittel kommen im Prinzip alle Stoffe in Frage, die geeignet sind, kapillar in die innere Kornporosität von natürlichen oder von künstlich erzeugten Körnern einzudringen und sie abzudichten. Allenfalls kann dabei zusätzlich eine rauhe Oberfläche mit einem glatten Film hermetisch abgedichtet und geglättet werden.

An das Imprägniermittel werden dabei folgende Anforderungen gestellt:

- Einarbeiten in den Sand in flüssigem Zustand (alternativ

in geschmolzenem Zustand), wobei das Imprägniermittel leicht in feinste Porositäten eindringen und diese ausfüllen muss.

- Das Imprägniermittel muss nach Einarbeitung in den Sand rasch trocknen, chemisch abbinden oder erstarren und im fertig aufbereiteten Sand in festem Zustand vorliegen.

- Es darf den zu verwendenden Sandbinder nicht stören.

- Es darf nicht wesentlich hygroskopisch sein.

- Es darf beim Giessen keine störenden Gase entwickeln.

Folgende Imprägniermittel kommen in Frage:

- Mineralische Stoffe wie zum Beispiel

Monoaluminiumphosphatlosung ohne und mit Reaktionsmitteln, wie Aluminiumhydroxyd, Aluminiumoxyd, Aluminiumpigmentpulver, Magnesiumoxyd oder'-hydroxyd etc. Trocknung des imprägnierten Sandes an der Luft oder im Ofen (zum Beispiel zur Bildung von Trialuminiumphosphat, allenfalls unter Reaktion mit dem Kornmaterial selbst · (Schamotte, Mullit, Korund etc.);

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Wasserglas ohne oder mit Reaktionsmitteln, wie zum Beispiel Di- und/oder Triacetin, Ca-Hydroxyd, oder mit COp-Begasung;

Phosphorsäure mit Reaktionsmitteln, die unlösliche Phosphate ergeben;
Aluminiumhydroxydsole;

Aethylsilikate (Silester) und verwandte Produkte; Kieselsole;
Kalkhydrat;
Salze;

- Organische Stoffe wie zum Beispiel

Bitumina, wie Asphalt, Teer, Weich- und Hartbitumen, Paraffin, Kombinationen hiervon;

Kohlehydrate, Ligninprodukte etc.: Leime aller Art, in Wasser gelöstes Dextrin, Gummiarabicum, Tragant, Zucker, Dextrose, Sulfitablauge, Melasse, Alginate, Pektin, Gerbstoffe, Cellulosederivate;

natürliche Fette und härtbare OeIe, Harze (natürlich oder synthetisch, thermoplastisch), Kolophonium, Wachse, Schellack, Stearin, Stearate, Leinöl, sikkativierte OeIe aller Art etc.;

Kunststoffe, flüssig oder .thermoplastisch, trocknend oder mit Aktivator härtend, zum Beispiel Polyvinylacetat, Polystyrol, Alkydharze, Phenolharze, Furfurylalkohol, Harnstoffharze etc.

Organische Stoffe eignen sich für zu imprägnierende Sande mit geringer Kornporosität, bei denen durch das Imprägniermittel die spätere Gasentwicklung beim Giessen nicht gravierend erhöht wird oder stört oder bei denen ein erhöhter Gehalt an organischen Stoffen, insbesondere solchen,die Glanzkohlenstoff bilden, sogar erwünscht ist, um Metall-Formstoff-Reaktionen zu verhindern. Dieser Zweck der Imprägnation kann auch als solcher allein angestrebt werden.

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Sande, die als Modellsande verwendet und mit Kunstharzbindern gebunden werden sollen, dürfen nicht mit wasserlöslichen Imprägniermitteln behandelt werden, wenn sie mit tongebundenen, feuchten Füllsanden hinterfüllt werden. Ein wasserlösliches Imprägniermittel würde dann Wasser aufnehmen und den Abbindeprozess stören.

Eine Auswahl der obengenannten Stoffe werden in flüssigem (gelöstem) Zustand in einem geeigneten Mischer in den Sand eingearbeitet und dieser anschliessend getrocknet. Der Sand kann auch vorgewärmt sein oder es kann Luft zum Trocknen eingeleitet werden. Schmelzende Stoffe werden in entsprechend erhitztem Sand eingemischt. Bei feuergetrockneten Sanden kann die Restwärme des Sandes ausgenützt werden.

Das erfindungsgemässe Imprägnierverfahren kann vor allem zur Aufwertung folgender Arten von körnigen Grundstoffen verwendet werden:

- Durch Mahlen und Klassieren aus keramischen Stoffen erzeugte Körnungen: klassierte Schamotte, Mullit, Molochit, Bauxit, Korund, Sintertonerde, Schmelztonerde, Magnesit, Spinell, etc., meist mit strukturell bedingter innerer Porosität und zusätzlichen Bruchstrukturen.

Zur Imprägnierbehandlung tonerdehaltiger keramischer Stoffe eignet sich vor allem Monoaluminiumphosphatlosung mit oder ohne Zusatz von Aluminiumhydroxyd. Monoaluminiumphosphatlosung reagiert mit tonerdehaltigen Stoffen schon bei niederen Temperaturen unter Bildung von Trialuminiumphosphat, das hochfeuerfest und wasserunlöslich ist. Auf diese Weise behandelte Stoffe können durch die Imprägnierbehandlung zu hochwertigen Sanden aufgewertet werden, mit denen derzeit verwendete, teure Spezialsande für Stahlgiessereien substituiert werden können.

- Geologisch-petrographisch unausgereifte Quarzsande mit hohem Anteil an porösen Körnern in Form polykristalliner Quarzkörner, an Feldspäten und Gesteirisbruchstücken.

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Solche natürlichen Sande können durch Imprägnierbehandlung mit den nach dem Verwendungszweck ausgewählten kostengünstigsten Mitteln für die Verwendung in modernen Giessereiformverfahren nutzbar gemacht werden. Damit können in Gegenden, in denen keine hochwertigen Sande vorkommen, die dort erhältlichen Sande aufgewertet werden. Ausserdem ist es bei künftiger RohstoffVerknappung möglich, auf bisher nicht nutzbare Sandvorkommen zurückzugreifen.

- Rückgewonnene, mechanisch oder chemisch regenerierte Giessereisande, insbesondere oolithisierte Formsande und Wasserglassande.

Solche Sande sind wegen der nicht entfernbaren Binderrückstände, deren Porosität einen erheblich erhöhten Binderverbrauch bewirkt, bisher in sehr vielen Fällen für eine Wiederverwendung nicht geeignet. Sie können durch Imprägnieren der porösen Restbinderhüllen wieder nutzbar gemacht werden, wodurch ein Recycling überhaupt erst möglich wird.

- Durch Mahlen und Klassieren aus natürlichen Gesteinen erzeugte künstliche Sande, zum Beispiel Olivinsand, gebrochene Quarzite, kalzinierter Serpentin als Olivinersatz: Deren Körner sind mit Bruchflächen durchsetzt und zeigen innere Porosität; diese kann auch primär strukturell bedingt sein.

Solche Sande können durch Imprägnierbehandlung auf einen vertretbaren Binderbedarf aufgewertet und damit verwendungsfähig gemacht werden.

Nachstehend wird das erfindungsgemässe Behandlungsverfahren anhand einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben:

Beispiel 1. Imprägnation klassierter Schamotte:

Klassierte Schamotte 0.1 - 0.27 mm 100 kg . mit 42-44# Al₂O

Monoaluminiumphosphatlösung 50# 2 kg

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Klassierte Schamotte und Monoaluminiumphosphatlösung werden in einem Mischer, wie er zur Aufbereitung von Giessereikern- oder Formsanden üblich ist, homogen vermischt. Dabei wird die Imprägnierlösung von den Poren der Schamottekörner durch Kapillarwirkung weitgehend aufgesogen. Anschliessend wird das Gemisch bei mindestens 200 C getrocknet, wobei das Monoaluminiumphosphat mit der Schamotte unter Bildung von Trialuminiumphosphat reagiert und die Poren der Körner mit dem chemisch abgebundenen Imprägniermittel abgedichtet werden. Es entsteht ein hochwertiger Spezialsand für Stahlguss-Formen, der anstelle von Chromerz- oder Zirkonsand verwendet werden kann.

Gemischt mit einem Binder aus 1.7 # Alkydharz und 0.3 # Isocyanathärter, einer für Stahlguss-Sande üblichen Rezeptur für kalthärtende Sande, ergaben sich bei nicht imprägnierter und wie obenstehend behandelter Schamotte folgende Ergebnisse:

Druckfestigkeit in kg/cm

Klassierte Schamotte unbehandelt do., behandelt wie oben beschrieben

In Alkydharz-^gebundenem Formsand aus behandelter klassierter Schamotte wurden mit Erfolg Stahlgussstücke abgegossen.

Beispiel 2. Imprägnation klassierter Schamotte:

Klassierte Schamotte 0.1 - 0.27 mm 100 kg Sulfitablauge 1,5 kg .

Diese Mischung wurde in einem Mischer für Kernsande aufbereitet und anschliessend lediglich bei Raumtemperatur an der Luft getrocknet. . '

kalt gehartet	Ofenhartung
nach 24 h	1 1/2 h 230
30	46
ho	80

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In Mischung mit dem für Stahlguss gebräuchlichen Binder aus 1.7 % Alkydharz und O.J>% Isocyanathärter verwendet, ergab sich folgende Wirkung der Behandlung:

Druckfestigkeit in kg/cm

kaltgehärtet Ofengehärtet nach 24 h 1 1/2 h 230°C

Klassierte Schamotte unbehandelt 30 .

Klassierte Schamotte behandelt mit 37

Sulfitlauge wie beschrieben

Beispiel 3· Imprägnation amerikanischer Mullitschamotte:

Mullitschamotte 0.1 -0.3 mm ("Mulgrain") 100 kg Monoaluminiumphosphatlösung 3,5 kg

Die Mischung wurde in einem für Kernsande üblichen Mischer homogen aufbereitet und nachher bei 200 C getrocknet.

In Mischung mit 1.7 % Alkydharz und 0.3 % Isocyanathärter ergab sich folgende Wirkung der Imprägnation:

Druckfestigkeit in kg/cm

kaltgehärtet Ofengehärtet nach 24 h 1 1/2 h 230 C

Mullitschamotte unbehandelt 0 "

(sämtlicher Binder aufgesogen, keine

-Festigkeit).

Mullitschamotte behandelt wie oben' 46 ■ beschrieben

Beispiel 4. Imprägnation von natürlichem, gewaschenem Sand mit hohem Gehalt an porösen Körnern:

Schweizerischer Sand (Benken) 100 kg

Monoaluminiumphosphatlösung 2 kg

Aluminiumhydroxyd 0,15 kg

709812/02 9 5

Der Sand wurde In einem für Kernsande üblichen Mischer homogen gemischt und anschliessend bei 150 C vollständig getrocknet.

In Mischung mit 1.7 % Alkydharz und 0.3 % Isocyanathärter ergab sich folgende Wirkung der Impragnation:

Sand unbehandelt

Sand behandelt wie oben beschrieben

Druckfestigkeit in kg/cm

kaltgehärtet Ofengehärtet nach 24 h 1 1/2 h 2JO C

23
39

50 78

Beispiel 5. Imprägnation von gewaschenem Giessereialtsand aus einem System mit tongebundenem Nassgusssand (Oolithisierungsgrad 22 % Kornporosität 1.9 %)

Altsand gewaschen Monoaluminiumphosphatlösung Aluminiumhydroxyd

100 kg

o,3

Der Sand wurde in einem für Kernsande üblichen Mischer gemischt und anschliessend bei 200 C völlig getrocknet.

In Mischung mit 1.7 % Alkydharz und 0.3 % Isocyanathärter ergab sich folgende Wirkung der Imprägnation:

Gewaschener Altsand unbehandelt

Gewaschener Altsand imprägniert wie oben beschrieben

Druckfestigkeit in kg/cm*

kaltgehärtet
24 h

23
46

Ofengehärtet 1 1/2 h 230 C

40 84

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Claims (1)

1. 2636042

   Patentansprüche

   1. Verfahren zur Behandlung poröser,körniger Grundstoffe, insbesondere zur Herstellung von Giessereisanden, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der Körner dieser Stoffe vor der Beimischung von Zuschlag- bzw. Bindemitteln mit trocknenden, chemisch abbindenden oder erstarrenden mineralischen oder organischen Imprägniermitteln durchtränkt und abgedichtet werden.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Imprägniermittel Monoaluminiumphosphatlösung verwendet wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Monoaluminiumphosphat chemisch reagierende Zusätze, wie Aluminiumhydroxyd, Aluminiumoxyd, Aluminiumpigmentpulver, Magnesiumhydroxyd oder Magnesiumoxyd verwendet werden.

   4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Imprägniermittel Sulfitablauge verwendet wird.

   5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Imprägniermittel in Wasser gelöstes Dextrin verwendet wird.

   6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Imprägniermittel glanzkohlenstoffbildende Stoffe, wie Teer, Asphalt, Wachse, Harze oder Kunststoffe verwendet werden.

   7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn— zeichnet, dass natürliche Sande mit porösen Kornanteilen imprägniert werden.

   8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus keramischen Stoffen durch Mahlen und Klassieren gewonnene körnige Stoffe imprägniert werden.

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   9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus natürlichen Gesteinen durch Mahlen und Klassieren erzeugte künstliche Sande imprägniert werden.

   10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass rückgewonnener, mechanisch oder chemisch regenerierter Giessereisand imprägniert wird.

   GEORG FISCHER AKTIENGESELLSCHAFT

   18.Aug.1976 3559kä-bg

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