EP4630184A1 - Verfahren zum führen eines formstoffs in einem zwei oder mehr zyklen umfassenden formstoffkreislauf - Google Patents

Verfahren zum führen eines formstoffs in einem zwei oder mehr zyklen umfassenden formstoffkreislauf

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EP4630184A1
EP4630184A1 EP23818451.9A EP23818451A EP4630184A1 EP 4630184 A1 EP4630184 A1 EP 4630184A1 EP 23818451 A EP23818451 A EP 23818451A EP 4630184 A1 EP4630184 A1 EP 4630184A1
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EP
European Patent Office
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molding material
cycle
mold
produced
cycles
Prior art date
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Pending
Application number
EP23818451.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Cornelis Grefhorst
Stefan ZINGREBE
You WU
Michael Arndt-Rosenau
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Huettenes Albertus Chemische Werke GmbH
Original Assignee
Huettenes Albertus Chemische Werke GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/94—Products characterised by their shape

Definitions

  • the present invention relates to a method for guiding a molding material in a molding material circuit comprising two or more cycles.
  • Clays used to bind molding materials typically contain smectite.
  • smectite-containing clays are bentonites, particularly sodium and calcium bentonites, which contain sodium and calcium respectively, as well as the elements magnesium, aluminum and silicon.
  • Other smectite-containing clays are hectorite, saponite, nontronite, beidellite or sauconite.
  • Clays such as kaolinite or illite can be used as clay-containing binding agents in a mixture with smectite-containing clays.
  • the smectite-containing clay preferably has a proportion of montmorillonite of 50% by weight or more, particularly preferably 60% by weight or more, particularly preferably 70% by weight or more. If the proportion of montmorillonite in a naturally occurring smectite-containing clay is too low, it can be increased by purification. This applies in particular to bentonite.
  • sodium bentonite can contain 70 to 95 wt.% montmorillonite, with the remaining components being quartz, opal, cristoballite, feldspar, biotite, clinoptilite, calcite, gypsum and others. Accordingly, in this document the terms “smectite-containing clays” and “bentonite” are used both for corresponding clays obtained from natural deposits and for those produced by purification of naturally occurring clays.
  • clay-bound mold is used for casting molds that are bound with a smectite-containing clay, where appropriate. This always refers to casting molds that are bound with a smectite-containing clay. Smectite-containing clays in the form of sodium or calcium bentonite and/or mixtures thereof are preferably used in the foundry industry, whereby these mixtures are sometimes produced in situ by adding salts and the resulting ion exchange.
  • sand that can form a foundry mold and can hold this shape at high temperatures and in contact with hot metal can be used as the mold base material.
  • Typical sands are silica sand, olivine sand, chrome ore sand, zircon sand, as well as artificially produced ceramic sands or mixtures of these sands.
  • a mold contains at least 40% sand, preferably over 50% sand, particularly preferably over 60% sand and most particularly preferably over 70% sand.
  • clay-bonded casting molds are usually made from a molding material that contains smectite-containing clay as a binding agent and the mold base material, as well as additives and water.
  • molding materials are also referred to as “green sand” or “wet casting sand”. The compaction of the molding material leads to solidification and thus ensures sufficient dimensional stability.
  • a molding material with smectite-containing clay as a binder is commonly used in a molding material cycle.
  • Molding material cycle in the sense of the present disclosure means that molding material from cast molds ("cast molding material”, also referred to as used sand) is processed and used to produce new molding material, from which molds are again produced that are cast.
  • the molding base material contained in the molding material is therefore at least partially present as a component of processed molding material from at least one clay-bound mold that has already been cast.
  • a molding material cycle in the sense of the present disclosure consists of at least two chronologically consecutive cycles. Two (not necessarily immediately consecutive) cycles of a molding material cycle can therefore be distinguished as an earlier Cycle and later cycle. If the molding material cycle consists of only two cycles, then the first cycle in the chronological sequence is the earlier cycle and the second cycle in the chronological sequence is the later cycle.
  • a cycle of this molding material cycle can be described by the following characteristic steps (see Figure 1 for the following designation of the steps):
  • Step 1 Production of the moulding material, i.e. production of a moulding material comprising reprocessed moulding material from a previous cycle and additives (see below)
  • Step 2 Making the mold, i.e. making a mold bound with smectic clay from the molding material produced in step (1),
  • Step 3 Casting, i.e. producing a casting by pouring the mold made in step (2)
  • Step 4 Separating, i.e. separating the casting produced in step (3) from the mold, resulting in a cast molding material comprising material from the cast mold
  • Step 5 Reprocessing the cast molding material, i.e. reprocessing the cast molding material from step (4) so that a first processed molding material is obtained for producing a new molding material in step (1) of a later cycle.
  • one, several or all cycles of the molding material cycle comprise further steps and/or that individual steps have further features. Details of this can be found in the following description and the appended claims and drawings.
  • step (3) a casting is produced in step (3) by pouring the mold produced in step (2).
  • the molding material is significantly changed by thermal and chemical stress during pouring (step (3) of the cycle).
  • step (3) of the cycle In order to enable the molding material to be recycled, the poured molding material must be processed.
  • step (3) a casting is produced by pouring the mold produced in step (2) with one or more cores inserted (see Figure 3).
  • Cores that are used in clay-bound molds are typically not clay-bound.
  • cores are produced with an organic binder, eg a polyurethane or a phenolic resin, or with an inorganic binder that does not contain clay, eg a binder that contains water glass. If the casting produced in step (3) is separated from the mold and the cores in step (4), the result is usually a cast molding material that contains material from the cast cores (old core sand).
  • the processing of the cast molding material in step (5) results in a processed molding material that remains in the molding material cycle.
  • a part of the molding base material used (usually quartz sand) remains in the molding material cycle as a component of the processed cast molding material.
  • the processing regularly includes crushing the cast molding material (grain separation) and extensive removal of metal residues and other contaminants, for example contaminants in the form of auxiliary products from the casting process (core marks, feeder residues, etc.).
  • the thermal, mechanical and possibly chemical stress during casting gives rise to wear products such as fine sand particles, inactive clay particles, decomposition products of the additives, in particular the lustrous carbon formers, reaction products of core binders, as well as oolite grains of the mold base material.
  • additives are added in a subsequent cycle in step (1) during the production of the molding material, i.e. the processed molding material is refreshed using the additives.
  • a corresponding amount of molding material is removed from the molding material cycle. This can be done before refreshing using the additives (i.e. in step (5)), or after refreshing using the additives.
  • the additives usually include smectite-containing clay, water, additives (see below) and one or more raw materials from the group consisting of fresh moulding material (new sand), second processed moulding material produced by processing uncast moulds and/or cores and/or parts thereof; third processed moulding material produced by processing moulds and/or cores and/or parts thereof that were produced and cast outside the moulding material cycle under consideration.
  • the additives especially the bentonite also contain water.
  • the molds and cores from which the second and third processed molding materials as defined above are obtained do not have to be clay-bound.
  • the cores are typically not clay-bound, but are produced with a conventional organic binder, e.g. polyurethane, in particular polyurethane formed in the cold box process, or with a phenolic resin in the form of a resole, in particular those resoles that are used in the hot box or warm box process, or a novolak, in particular novolaks that are used in the Croning process or shell molding process.
  • molding material conditioning In each cycle of an industrial molding material cycle, a substantially consistent quality of the castings should be achieved during casting.
  • the molding material cycle (molding material conditioning).
  • the molding material is conditioned, i.e. optimally adjusted, in each cycle by determining the required addition rates of smectite-containing clay (addition optional), additives, water and new sand or second and third processed molding material as defined above, as well as by determining the amount of used sand to be removed and by determining machine parameters such as mixing time or cooling intensity.
  • molding materials for the production of clay-bonded casting molds usually contain additives in the form of so-called lustrous carbon formers.
  • Lustrous carbon formers are molding material additives with the ability to form hydrocarbon-containing gases that are coked in the reducing atmosphere of the mold cavity during casting. This produces lustrous carbon.
  • Lustrous carbon formers commonly used include hard coal dust, pitch, bitumen, resins, oils, plastics and mixtures thereof.
  • Lustrous carbon formers are added in particular to clay-bound molding materials for iron casting.
  • the lustrous carbon prevents wetting by the liquid casting material at the metal/mold interface.
  • lustrous carbon formers in the molding material can buffer quartz expansion and prevent sand expansion defects.
  • lustrous carbon formers are thermally decomposed and coked during casting, the corresponding losses in the molding material cycle must be regularly replaced in industrial practice by adding fresh lustrous carbon formers. To this end, fresh lustrous carbon formers are added at least in some cycles, preferably in all cycles of the molding material cycle.
  • lustrous carbon formers A major disadvantage of using lustrous carbon formers is the release of emissions, for example in the form of CO, CO2, NOx and volatile organic compounds, in particular aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylenes ("BTX emissions"), but also polycyclic aromatics.
  • volatile sulphur-containing compounds are usually also emitted, since lustrous carbon formers often contain sulphur and/or sulphur-containing impurities.
  • Another problem is the considerable risk of dust explosions and spontaneous combustion when handling lustrous carbon formers. Therefore, in industrial foundries, lustrous carbon formers are typically used in the form of a mixture pre-made by the supplier with the smectite-containing clay, in particular bentonite.
  • US 5,372,636 A discloses a molding material comprising sand, a sodium smectite clay (in particular sodium bentonite) and at least one oxide, salt (in particular carbonate) or hydroxide of a metal, e.g. aluminum, calcium, iron, sodium, magnesium, boron or zinc.
  • a circulation of the molding material is not disclosed. This document therefore does not provide any information as to whether such molding materials are suitable for use in a molding material circulation.
  • WO 03/066253 A1 describes a method for producing a molding material for foundry purposes, in particular one that is recycled, according to which a material that does not swell in water is added to a mixture of a granular mass and additives, such as a binding agent, e.g.
  • Framework or tectosilicates such as zeolites, pumice or pumice stones, allophane, imogolite, diatomaceous earth, polygarskites, sepiolites, diatomaceous earth, or clays (treated with acid and/or heat) are used as non-swellable porous materials.
  • CN 108356214 discloses moulding material mixtures comprising sand, water, bentonite and an additive with the following composition
  • the additive is produced by mixing the individual oxides. It is intended to replace lustrous carbon formers. Molding materials containing this additive are said to be easily recyclable. Example molding materials were used for two to four months.
  • Carbon-based emissions include, for example, emissions in the form of CO, CO 2 , and volatile organic compounds, in particular aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylenes ("BTX emissions”), but also polycyclic aromatics.
  • a method for guiding a molding material in a molding material cycle comprising two or more cycles comprising the following steps: in an earlier cycle of said two or more cycles of the molding material cycle, pouring in a mold comprising molding material bound with smectite-containing clay,
  • Preparing the cast molding material so that a first prepared molding material results, in a later cycle of said two or more cycles of the molding material cycle, producing a molding material comprising:
  • additives comprising an additive containing at least one dehydratable inorganic compound which releases water at a temperature of 150 °C or more, one or more raw materials from the group consisting of
  • Mold base material a second processed mold material produced by processing mold material from uncast molds and/or cores and/or parts thereof, a third processed mold material produced by processing molds and/or cores and/or parts thereof cast outside the mold material cycle, and optionally smectite-containing clay, preferably bentonite, wherein in the mold material produced the total proportion of material from molds and cores formed from a mold material bound with a binder other than smectite-containing clay is less than 10 wt.%.
  • the additives also contain water.
  • the total proportion of material from molds and cores formed from a molding material bound with a binder other than smectite-containing clay is less than 5% by weight, particularly preferably less than 1% by weight.
  • At least 90% by weight, preferably at least 99% by weight and particularly preferably 100% by weight of the second and third processed molding materials originate from molds and/or cores bound with smectite-containing clay.
  • at most 10% by weight, preferably at most 1% by weight and particularly preferably 0% by weight of the second and third processed molding material comes from molds and/or cores that were produced with a binder other than smectite-containing clay.
  • pouring is done in a mold without a core.
  • the processed molding materials preferably contain no organic binders, preferably no organic material at all.
  • the processed molding materials preferably contain no carbon and no carbon carrier.
  • no carbon or carbon carriers are added during the production of the molding material (as described above).
  • the molding material cycle is preferably largely inorganic.
  • the carbon content of a molding material is determined by elemental analysis and includes carbon components from organic carbon carriers as well as inorganic carbon carriers.
  • Organic carbon carriers are in particular lustrous carbon formers, organic binders, organic additives as well as residues or decomposition products of lustrous carbon formers, organic binders and organic additives.
  • Inorganic carbon carriers are in particular carbonates, which can be contained in the molding material as an additive.
  • the carbon content can be reduced in particular by reducing or avoiding the use of lustrous carbon formers.
  • lustrous carbon formers By reducing or even avoiding the use of lustrous carbon formers, fossil resources are conserved.
  • a further object that is achieved by the present invention is to provide a resource-saving molding material cycle.
  • a further object achieved by the present invention is therefore to reduce the risk of dust explosions and spontaneous combustion during transport, storage and handling of the lustrous carbon formers.
  • a further object that is achieved by the present invention is to facilitate the further use or disposal of cast molding material.
  • a further object solved by the present invention is to reduce the odor nuisance released during pouring.
  • the molding material cycle to which the method according to the invention relates is preferably an industrial molding material cycle in a foundry, preferably a foundry with at least one production line which is integrated into the molding material cycle and optionally at least one further production line.
  • Dehydration means the removal of chemically (e.g. in the form of hydroxide ions) or physically (e.g. as water of crystallization in hydrates) bound water by heating.
  • the dehydratable inorganic compounds contained in the additive to be used according to the invention are preferably compounds from the group of hydroxides and hydrate salts of metals.
  • hydroxides as used here also includes oxide hydroxides. Hydroxides and hydrate salts of metals in the oxidation state +II or +III are preferred, hydroxides of metals in the oxidation state +II or +III are particularly preferred.
  • Magnesium hydroxide (in particular in the form of brucite) and aluminum hydroxide are particularly preferred, aluminum trihydroxide Al(OH)3 is most preferred.
  • the aluminum trioxide can be present in various modifications, in particular as gibbsite, bayerite or nordstrandite, as well as in minerals in combination with other hydroxides or oxides.
  • the additive preferably contains one or both compounds from the group consisting of aluminum hydroxide and magnesium hydroxide.
  • the proportion of magnesium hydroxide is 0 to 100%, based on the total mass of aluminum hydroxide and magnesium hydroxide in the additive.
  • the additive to be used according to the invention does not comprise any carbon or carbon carriers.
  • a mold comprising molding material bound with smectite-containing clay is cast, producing a cast part. Casting the mold results in a cast molding material.
  • the cast molding material is processed in the manner described above, so that a first processed molding material results. In order to keep the mass of the molding material circulated constant, part of the cast molding material is discharged during processing if necessary, so that discharged molding material results.
  • a molding material cycle according to the invention can comprise individual cycles in which no processed molding material is discharged.
  • a molding material comprising (i) first processed molding material as defined above, and (ii) additives.
  • additives comprise the additive as defined above and one or more raw materials from the group consisting of
  • Molding base material in particular quartz sand, a second processed molding material produced by processing molding material from uncast molds and/or cores and/or parts thereof, a third processed molding material produced by processing molding material from molds and/or cores and/or parts thereof cast outside the molding material cycle, and preferably smectite-containing clay, preferably bentonite.
  • a molding material cycle according to the invention can include individual cycles in which no molding material is discharged.
  • the molding material produced in a later cycle of the molding material cycle comprises one, several or all of the above-mentioned raw materials.
  • the molding material used as a raw material preferably comprises fresh molding material (new sand).
  • the second reprocessed molding material as defined above is produced by reprocessing molding material from uncast molds and/or cores and/or parts thereof.
  • the uncast molds and/or cores are molds and/or cores that were not cast for various reasons, e.g. due to processing errors or lack of dimensional accuracy.
  • the third recycled molding material as defined above is produced by recycling molding material from molds and/or cores and/or parts thereof cast outside the molding material cycle under consideration, i.e. molds and cores that were cast, for example, in another production line.
  • the molding material produced in the later cycle has one or more of the following parameters a concentration of less than 1.5%, preferably less than 0.8% carbon, based on the mass of the molding material, determined by elemental analysis a concentration of less than 0.1%, preferably less than 0.05% nitrogen, based on the mass of the molding material, determined by elemental analysis a concentration of less than 0.05%, preferably less than 0.03% sulfur, based on the mass of the molding material, determined by elemental analysis a loss on ignition of at most 5%, preferably at most 3.5%, determined in accordance with VDG Data Sheet P33 (April 1997).
  • the molding material produced in the later cycle particularly preferably has one or more of the following parameters: a concentration of less than 0.8%, preferably less than 0.4%, particularly preferably less than 0.2% carbon, based on the mass of the molding material, determined by means of elemental analysis a concentration of less than 0.05%, preferably less than 0.03%, very particularly preferably less than 0.01% nitrogen, based on the mass of the molding material, determined by means of elemental analysis a concentration of less than 0.03%, preferably less than 0.01%, very particularly preferably less than 0.005% sulfur, based on the mass of the molding material, determined by means of elemental analysis a loss on ignition of at most 3.5%, preferably at most 3%, particularly preferably at most 2.5%, determined in accordance with VDG Data Sheet P33 (April 1997).
  • all of the above-mentioned parameters of the molding material are in the above-mentioned preferred, in particular in the above-mentioned particularly preferred ranges.
  • casting takes place in the earlier cycle in a mold with at least one core inserted.
  • Cores that are inserted into clay-bonded molds are typically not clay-bonded.
  • cores are produced with an organic binder, e.g. a cold box binder, or with an inorganic binder other than smectite-containing clay, e.g. a binder containing water glass.
  • an organic binder e.g. a cold box binder
  • an inorganic binder other than smectite-containing clay e.g. a binder containing water glass.
  • casting takes place in the earlier cycle in a mold with at least one clay-bonded core inserted.
  • the cast molding material thus contains material from the cast clay-bonded mold and the cast clay-bonded core.
  • casting takes place in the earlier cycle in a mold without an inserted core, so that the first processed molding material does not contain any material from cast cores.
  • first processed molding material does not contain any material from cast cores.
  • second and third prepared molding material originate from clay-bound molds and/or cores.
  • the second and third prepared molding material preferably at most 10% by weight, preferably at most 1% by weight and particularly preferably 0% by weight of the second and third prepared molding material originate from molds and/or cores that were produced with a binding agent other than smectite-containing clay.
  • the circulated molding material is preferably used to produce molds for iron casting, i.e. the mold is cast using iron.
  • an earlier and a later, and preferably all cycles of the method according to the invention preferably comprise the following steps (cf. Figure 2, the further features of which are not intended to be limiting):
  • Step 1 Manufacturing the molding material, i.e. manufacturing a molding material comprising
  • Step 2 Making the mold, i.e. making a mold bound with smectite-containing clay from the molding material produced in step (1)
  • Step 3 Casting, i.e. producing a casting by casting the mold produced in step (2), whereby the casting takes place in a mold without an inserted core
  • Step 4 Separating, i.e. separating the casting produced in step (3) from the mold, resulting in a cast molding material
  • Step (5) processing the cast molding material, ie processing the cast molding material from step (4) so that a first processed molding material is obtained for producing a new molding material in step (1) of a later cycle, and optionally discharging a part of the cast molding material so that discharged molding material results.
  • step (5) If part of the cast molding material has not already been discharged during processing in step (5), in order to keep the mass of the molding material circulated constant, part of the molding material produced in step (1) of the next cycle is discharged, resulting in discharged molding material.
  • an earlier and a later, and preferably all cycles of the method according to the invention preferably comprise the following steps (cf. Figure 4, the further features of which are not intended to be limiting):
  • Step 1 Manufacturing the molding material, i.e. manufacturing a molding material comprising
  • Step 1 a Producing the core molding material, i.e. producing or providing a molding material for producing at least one core, preferably with smectite-containing clay as a binding agent
  • Step 2 Making the mold, i.e. making a mold bound with smectite-containing clay from the molding material produced in step (1)
  • Step 2a Producing the core, i.e. producing at least one core and inserting the at least one core into the mold produced in step (2)
  • Step 3 Casting, ie producing a casting by casting the mold produced in step (2) with the at least one core inserted in step (2a), (Step 4) Separating, i.e. separating the casting produced in step (3) from the mold and the at least one core, wherein the cast molding material is separated from the cast core molding material (old core sand) if the core is not clay-bound
  • Step 5 Processing the cast molding material, i.e. processing the cast molding material from step (4) so that a first processed molding material is obtained for producing a new molding material in step (1) of a later cycle, and if necessary, discharging a part of the cast molding material so that discharged molding material results.
  • step (5) If part of the cast molding material has not already been discharged during processing in step (5), in order to keep the mass of the molding material circulated constant, part of the molding material produced in step (1) of the next cycle is discharged, resulting in discharged molding material.
  • one, several or all cycles of the molding material cycle comprise further steps and/or that individual steps have further features. Details of this can be found in the following description and the appended claims and drawings.
  • the prepared molding material and the additives are preferably mixed.
  • the additives preferably also include water.
  • the mold with the casting and - if present - the at least one core is cooled before separation in step (4).
  • the cast molding material is cooled before processing.
  • the processing regularly includes the extensive removal of metal residues and other contaminants, for example contamination from auxiliary products from the casting process (core marks, feeder residues, etc.) and the crushing of the cast molding material (grain separation).
  • the thermal, mechanical and, if applicable, chemical stress results in the formation of wear products such as fine sand particles, inactive clay particles, decomposition products of the additives and/or the lustrous carbon formers or reaction products of core binders, as well as oolite grains of the mold base material.
  • additives are added to the molding material in a subsequent cycle, in particular in step (1), during the production of the molding material, i.e. the processed molding material is refreshed by the additives.
  • a corresponding amount of molding material is removed from the molding material cycle. This can take place before refreshing with the additives (in particular in step (5)), or after refreshing with the additives, i.e. after the molding material has been produced in a later cycle. In the latter case, the amount of additives added is kept as low as possible.
  • step (5) therefore includes the necessary discharge of cast molding material in the same amount as in step (1) of the next cycle by means of additives comprising the additive to be used according to the invention; in this way, it is possible to achieve a uniform property profile.
  • step (5) 0.5 wt.% to 20 wt.%, preferably 2 wt.% to 15 wt.%, particularly preferably 5 wt.% to 10 wt.% of the cast molding material is discharged (sand discharge) and in step (1) of the following cycle, a corresponding amount of additives is added in order to keep the mass of the molding material circulated in the circuit constant.
  • step (5) If part of the cast molding material has not already been discharged in step (5), in order to keep the mass of the molding material circulated constant, 0.5 wt% to 20 wt%, preferably 2 wt% to 15 wt%, particularly preferably 5 wt% to 10 wt% of the molding material produced in step (1) is discharged.
  • the moulding material discharged during processing in step (5) meets the requirements for landfill class DK I according to Annex 3 of the Ordinance on Landfills and Long-Term Storage (Deponiever elbow-DepV) of 27 April 2009.
  • the molding material cycle to which the method according to the invention relates comprises at least 10 cycles, preferably at least 15 cycles, particularly preferably at least 30 cycles.
  • the additive to be used according to the invention is preferably free-flowing and/or pourable.
  • the additive is preferably in the form of a powder or granules.
  • the additive is particularly preferably in the form of particles with a grain size of 20 pm to 200 pm, determined by means of laser granulometry.
  • the proportion of dehydratable inorganic compounds which release water at a temperature of 150 °C or more is preferably 1% to 100%, based on the total mass of the additive as defined above.
  • the proportion of dehydratable inorganic compounds which release water at a temperature of 150 °C or more is particularly preferably 20% to 100%, based on the total mass of the additive as defined above.
  • the proportion of dehydratable inorganic compounds which release water at a temperature of 150 °C or more is very particularly preferably 30% to 100%, based on the total mass of the additive as defined above.
  • the proportion of dehydratable inorganic compounds which release water at a temperature of 150 °C or more is particularly preferably 50% to 100%, based on the total mass of the additive as defined above.
  • the additive preferably contains aluminum hydroxide, whereby the aluminum hydroxide contained in the additive can have a water content in the range from 0.01% to 20%, preferably from 0.01% to 12%.
  • Particularly preferred are aluminum hydroxides with a water content of less than 1% (i.e. less than 1% water content), determined by thermogravimetric analysis in the temperature range up to 105 °C. No special effort is therefore required for drying the aluminum hydroxide.
  • aluminium hydroxide may be present in a mixture with iron oxide and/or iron hydroxide, whereby the proportion of aluminium hydroxide is greater than 40%, based on the total mass of aluminium hydroxide, iron oxide and/or iron hydroxide.
  • the additive to be used according to the invention preferably has a pH in the range of 7 to 14, determined according to DIN 19747:2009-07 (sample preparation), DIN EN 12457-1 DOOSOI (leaching) and DIN EN ISO 10523:2012-04 (determination of the pH value).
  • the additive to be used according to the invention preferably contains one or more dehydratable inorganic compounds which release water in a temperature range from 150 °C to 850 °C.
  • the total proportion of elements from the group consisting of Pb, Cd, Cr, Co, Cu, Mo, Ni, Hg, Se, Zn, P, As, F, Br and C1 is 1% by weight or less, preferably 0.5% by weight or less, particularly preferably 0.1% by weight, very particularly preferably 0.05% by weight, based on the total mass of the additive.
  • the order in which the individual components are put together is flexible.
  • the aggregates can be provided as a mixture.
  • the additive and smectite-containing clay can be provided as a mixture in the aggregates, and the other additives separately. This procedure corresponds to the current standard provision of lustrous carbon imagers in a pre-made mixture with smectite-containing clays. This means that existing equipment for storage and dosing in the foundry can continue to be used.
  • the additive can be provided separately from the other aggregates.
  • the additive and optionally the smectite-containing clay, or a premix of additive and smectite-containing clay can first be mixed with the first prepared molding material, and then further raw materials are added as described above.
  • the total mass of raw materials from the group consisting of
  • the mass of smectite-containing clay added as additive is preferably 0.1 to 1.5 wt.%, more preferably 0.3 to 1.2 wt.%, particularly preferably 0.5 to 1.0 wt.%, based on the total mass of the molding material to be produced.
  • the total mass of the dehydratable inorganic compounds introduced as an additive (as defined above) which release water at a temperature of 150 °C or more is 0.1 to 1 wt.%, preferably 0.3 to 0.8 wt.%, particularly preferably 0.4 to 0.7 wt.%, based on the total mass of the molding material to be produced.
  • the smectite-containing clay to be used in the process according to the invention is preferably bentonite, preferably selected from the group consisting of sodium bentonite, calcium bentonite and mixtures thereof.
  • the mold base material is preferably selected from the group consisting of quartz sand, olivine sand, chrome ore sand, zircon sand and ceramic sands that have been artificially produced, and mixtures of these sands.
  • a mold contains at least 40% sand, preferably over 50% sand, particularly preferably over 60% sand and most particularly preferably over 70% sand.
  • the process is designed such that at least 90% by weight of the molding material is exposed to a temperature of at most 1000 °C during casting.
  • a-aluminum hydroxide corundum (a-aluminum hydroxide), which cannot be converted back into aluminum hydroxide in a later cycle when water is added in step (1) and is therefore no longer able to act as an additive according to the invention as defined above.
  • less than 50 wt.%, preferably less than 25 wt.% and particularly preferably less than 10 wt.% of the AI2O3 contained in the molding material is in the form of corundum.
  • the molding material produced in the later cycle of the process according to the invention has the following parameters: a compressibility in the range of 25% to 55%, determined according to VDG data sheet P37 (April 1997) and/or a green compressive strength in the range of 8 N/cm 2 to 35 N/cm 2 , determined according to VDG data sheet P38 (May 1997) and/or a wet tensile strength of 0.10 N/cm 2 to 0.50 N/cm 2 , determined according to VDG data sheet P38 (May 1997) and/or a gas permeability of 70 to 200, determined according to BDG guideline P41 (October 2013) and/or an active clay content of 6 to 14%, determined by the methylene blue method according to VDG data sheet P035 (October 1999) and/or a flowability of 20% to 90%, determined according to Morek Multiserw, operational documentation for piling rig type LUA-2e with electric drive, page 7.
  • a compressibility in the range of 25% to 55% determined according to VDG data sheet P37
  • the molding material produced in the later cycle of the process according to the invention particularly preferably has the following parameters: a compressibility in the range of 30% to 50%, determined according to VDG data sheet P37 (April 1997) and/or a green compressive strength in the range of 10 N/cm 2 to 28 N/cm 2 , determined according to VDG data sheet P38 (May 1997) and/or a wet tensile strength of 0.20 N/cm 2 to 0.45 N/cm 2 , determined according to VDG data sheet P38 (May 1997) and/or a gas permeability of 90 to 160, determined according to BDG guideline P41 (October 2013) and/or an active clay content of 6 to 14%, determined by the methylene blue method according to VDG data sheet P035 (October 1999) and/or a flowability of 50% to 90%, determined according to Morek Multiserw, Technical documentation for pile driver type LUA-2e with electric drive, page 7.
  • all of the above-mentioned parameters of the molding material are in the above-mentioned preferred, in particular in the above-mentioned particularly preferred ranges.
  • a further aspect of the present disclosure relates to the use of the additive defined above in a process according to the invention as defined above.
  • the above statements apply to preferred additives and preferred process designs.
  • Fig. 1 a molding material cycle (casting in coreless form) according to the state of the art
  • Fig. 2 a molding material cycle (casting in coreless form) according to the method according to the invention
  • Fig. 3 a molding material cycle (casting in mold with core) according to the state of the art
  • Fig. 4 a molding material cycle (casting in mold with clay-bound core) according to the inventive method
  • a cycle of a molding material cycle, wherein the mold cast in step (3) does not contain an inserted core, comprises according to Fig. 1 and Fig. 2 at least the steps (1) to (5) as defined above.
  • step (1) a molding material is produced comprising
  • the additives comprise one or more raw materials from the group consisting of fresh moulding material (new sand), as well as at least one processed moulding material from the group consisting of second processed molding material produced by processing uncast molds and/or cores and/or parts thereof, third processed molding material produced by processing molds and/or cores and/or parts thereof that were produced and cast outside the molding material cycle shown in Fig. 1 or Fig. 2,
  • Smectite-containing clay preferably bentonite
  • At least 90% by weight, preferably at least 99% by weight and particularly preferably 100% by weight of the second and third prepared molding material comes from clay-bound molds and/or cores.
  • at most 10% by weight, preferably at most 1% by weight and particularly preferably 0% by weight of the second and third prepared molding material comes from molds and/or cores that were produced with a binding agent other than smectite-containing clay.
  • step (1) at least one lustrous carbon former is added as a further additive during the production of the molding material.
  • the additive defined above is added as a further additive in step (1) during the production of the molding material.
  • the additive preferably contains or consists of magnesium hydroxide and/or aluminum trihydroxide.
  • no carbon and no carbon carriers are added during the production of the molding material (as described above). This means that the process according to the invention (Fig. 2) preferably has a largely inorganic molding material cycle.
  • step (2) a mold bound with smectite-containing clay is made from the molding material produced in step (1).
  • step (3) a casting is produced by pouring the mold produced in step (2).
  • the mold does not contain any inserted cores.
  • step (4) the casting produced in step (3) is separated from the mold, resulting in a cast molding material which comprises material from a cast mold but no material from cast cores.
  • the mold with the casting is cooled before separation in step (4).
  • step (5) the cast molding material from step (4) is processed so that a first processed molding material is obtained for producing a new molding material in step (1) of a later cycle, in particular the next cycle.
  • the cast molding material is cooled before processing in step (5).
  • part of the cast molding material may be discharged so that a discharged molding material results.
  • step (5) If part of the cast molding material has not already been discharged during processing in step (5), in order to keep the mass of the molding material circulated constant, part of the molding material produced in step (1) of the next cycle is discharged, resulting in discharged molding material.
  • step (1) of a later, in particular the next cycle the first processed molding material resulting in step (5) of the earlier, in particular the previous cycle, is used to produce a new molding material as described above.
  • a cycle of a molding material cycle, wherein the mold cast in step (3) contains at least one core bound with smectite-containing clay, comprises according to Fig. 3 and Fig. 4 at least the steps (1), (1a), (2), (2a), (3), (4) and (5) as defined above.
  • step (1) a molding material is produced comprising
  • a first reconditioned molding material comprising material from cast cores produced by reprocessing the cast molding material resulting from a previous cycle of the molding material cycle
  • the additives comprise one or more raw materials from the group consisting of fresh moulding material (new sand), and at least one processed molding material from the group consisting of a second processed molding material produced by processing molds and/or cores and/or parts thereof which are outside the region shown in Fig.
  • Smectite-containing clay preferably bentonite
  • At least 90% by weight, preferably at least 99% by weight and particularly preferably 100% by weight of the second and third prepared molding material comes from clay-bound molds and/or cores.
  • at most 10% by weight, preferably at most 1% by weight and particularly preferably 0% by weight of the second and third prepared molding material comes from molds and/or cores that were produced with a binding agent other than smectite-containing clay.
  • step (1) at least one lustrous carbon former is added as a further additive during the production of the molding material.
  • the additive defined above is added as a further additive in step (1) during the production of the molding material.
  • the additive preferably contains or consists of aluminum trihydroxide and/or magnesium hydroxide.
  • no carbon and no carbon carriers are added during the production of the molding material (as described above). This means that the process according to the invention (Fig. 4) preferably has a largely inorganic molding material cycle.
  • a molding material for producing at least one core (core molding material) is produced or provided.
  • This molding material comprises a molding base material, smectite-containing clay as a binding agent and, if necessary, additives. Suitable additives for molding materials for producing cores are known from the prior art.
  • step (2) a mold bound with smectite-containing clay is made from the molding material produced in step (1).
  • step (2a) at least one core is produced from the molding material (core molding material) produced or provided in step (1a) and inserted into the mold produced in step (2).
  • step (3) a casting is produced by pouring the mold produced in step (2), which contains at least one inserted core.
  • step (4) the casting produced in step (3) is separated from the mold, resulting in a cast molding material comprising material from the cast clay-bonded mold and material from the cast clay-bonded core.
  • the mould with the casting is cooled before separation in step (4).
  • step (5) the cast molding material from step (4) is processed so that a first processed molding material is obtained for producing a new molding material in step (1) of a later cycle, in particular the next cycle.
  • the cast molding material is cooled before processing in step (5).
  • part of the cast molding material may be discharged so that a discharged molding material results.
  • step (5) If part of the cast molding material has not already been discharged during processing in step (5), in order to keep the mass of the molding material circulated constant, part of the molding material produced in step (1) of the next cycle is discharged, resulting in discharged molding material.
  • step (1) of a later, in particular the next cycle the first processed molding material resulting in step (5) of the earlier, in particular the previous cycle, is used to produce a new molding material as described above.
  • Sleeve and rib model devices are manufactured as described in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032) and used in the following experiments.
  • a molding material (hereinafter also referred to as the starting molding material) from the conditioned molding material circulation system of a brake disk foundry was used as the starting material for experiments on converting molding material circulation systems that contain lustrous carbon formers.
  • the molding material can be described by the following data (Table 2). Table 2: Parameters of the starting molding material
  • processed molding materials from core sands were used (second processed molding material as defined above).
  • cores were produced with an organic binder or an inorganic binder and then grated using a circular vibrating screen from Webac.
  • the starting material for a molding material made with an organic binder is cores produced using the cold box process, which are produced using the binder Biocure 8568P1 / Silcure 8431 P2 distributed by Wilsontenes-Albertus Chemische Werke GmbH on a core shooting machine LL20 from Laempe.
  • a sand type H32 from Quarzwerke was used and 0.7 parts by weight of the binder components were dosed to 100 parts by weight of sand.
  • the cores were Shooting pressure of 450 kPa (4.5 bar) and a shooting time of 1.5 seconds and then 10 g of dimethylpropylamine (N,N-dimethylpropylamine, catalyst GH6 from Wilsonten es- Albertus Chemische Werke GmbH) is flowed through for 45 s at a gassing pressure of 200 kPa (2 bar) to harden it.
  • the starting material for a molding material produced with an inorganic binder is cores which are produced using the binder system Cordis 9477 / Anorgit 9476 distributed by Wilsontenes-Albertus Chemische Werke GmbH on an LL20 core shooting machine from Laempe.
  • type H32 sand from Quarzwerke is used and 2.2 parts by weight of Cordis 9477 and 1.15 parts by weight of Anorgit 9476 of the binder components are dosed per 100 parts by weight of sand.
  • the cores are produced with a shooting pressure of 450 kPa (4.5 bar) and a shooting time of 1.5 seconds in a core box heated to 180 °C. To harden the cores, hot air at 120 °C was blown through them for 1 minute at a gassing pressure of 200 kPa (2 bar).
  • the cores are grated using a circular vibrating screen (circular vibrating screen - 175056 test facility, Webac).
  • the resulting molding material has the properties shown in Table 3.
  • the starting material for cores which do not disintegrate under the test conditions is quartz sand of the type HAP 0.20/0.315/0.40 from HA Polska and an inorganic binder consisting of water glass of the type Steinex 48/50 Wilsontenes-Albertus Chemische Werke GmbH in combination with Silica Fume Q1 -Plus from RW Silicium. 100 parts by weight of quartz sand were mixed with 1.1 parts by weight of Silica Fume Q1 -Plus and 3.4 parts by weight of Steinex48/50 and shaped into the core in a loose core box. The core was then gassed with 100°C hot CO2 for 60s in a laboratory core shooting machine from Morek at a gassing pressure of 150 kPa (1.5 bar) and thus hardened.
  • VDK is greater than 46.0%
  • the mixture is sieved again and the VDK measurement repeated. This process is repeated until the VDC is below 46.0%. If the VDC is less than 44.0%, 7-12 ml of water is added and mixed again for 1 min, then sieving and VDC measurement are repeated. The addition of water is repeated until the VDC is above 44.0%.
  • the casting quality is also a decisive criterion for selecting suitable additives.
  • casting is carried out using the sleeve model device described in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032), i.e.
  • AI(OH)3 of type SH500 (SH500 nuance-00, Alteo) and type SH950 (SH950 nuance-00, Alteo) are used.
  • Table 5 shows the molding material properties and the roughness of the casting when using various hydroxides and the lustrous carbon formers 1) to 3) used as reference. Dry compressive strengths (TDF) of ⁇ 35 N/cm 2 and water contents of ⁇ 2.8% are considered particularly positive, while dry compressive strengths of >50 N/cm 2 are rated as negative, as are water contents of >3.2%. Hydroxides, in particular aluminum hydroxide AI(OH)3 and magnesium hydroxide Mg(OH)2, enable the production of molds and show good molding material properties (see Table 5).
  • Table 5 Mould material properties and flatness of the casting when using different hydroxides or lustrous carbon formers as additives
  • the mold material properties can be improved by mixing the carbonates with hydroxides (Table 8).
  • MixMag is a 50%/50% mixture of brucite (93% Mg(OH)2) with raw magnesite (92% MgCO3 ), which was purchased from Possehl Erzochr GmbH & Co. KG, and Dolomag is a 50%/50% mixture of brucite (93% Mg(OH)2) and dolomite (95% CaMg(CO3)2), which was also purchased from Possehl Erzochrac.
  • Table 8 Mould material properties and flatness of the casting when using different carbonate-hydroxide mixtures
  • Table 9 Moulding material properties when using various carbonate-hydroxide mixtures with the addition of Carboluxon 100/P as a lustrous carbon former
  • Table 10 shows emission measurements of the bentonite and additives used. The emission measurements were carried out at the Foundry Institute of the University of Freiberg; the materials were placed in a tube furnace at 900°C and the resulting emissions were measured using online FT-IR; calibration was carried out using test gases.
  • the emissions of the additives to be used according to the invention are significantly lower than the emissions of conventional lustrous carbon formers such as the coke meal from LuxCarbon described above or the product Carboluxon 100/P.
  • Carbonates such as manganese carbonate reduce the emissions of hydrocarbons, in particular benzene, toluene, xylene, but as expected lead to significantly increased CO2 emissions compared to hydroxides such as Al(OH)3. According to the invention, carbonates are therefore preferably used in combination with hydroxides.
  • Table 10 Results of emission measurements when using different additives (all figures in mg/kg, i.e. mg of the relevant emission / kg of material)
  • the aim of these tests is to cast and reprocess a certain amount of molding material several times.
  • the molding material is circulated.
  • additives are added, which increase with each cycle.
  • the total amount of molding material in the cycle is constant and amounts to around 8 kg.
  • Two molds are produced and cast per cycle according to the sleeve model setup as described in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032).
  • the cycles of the molding material cycle include the following steps:
  • step (1) Production of the molding material (step (1), first cycle)
  • the first cycle uses 6 kg of H32 quartz sand from Quarzwerke.
  • the molding base is then mixed with 480 g of sodium bentonite (Natroben 25F, HA ITALIA SpA, which is a Na-bentonite produced by activating a natural Ca-bentonite) and 300 g of the respective additive as well as 120 ml of water on a Morek Multiserw pan mill mixer for 1 minute without water and then mixed again 7 minutes after the water has been added.
  • the molding base is first mixed with 120 ml of water on a Morek Multiserw pan mill mixer for 1 minute and then mixed again for 7 minutes after the water has been added.
  • Test series 2.4-2.6 as described below
  • the molding base material is then mixed with 322 g of Volclay (GEKOTM V foundry bentonite from Clariant Deutschland GmbH, which is a naturally occurring sodium bentonite) and 207 g of the respective additive as well as 130 ml of water on a Morek Multiserw pan mill mixer for 1 minute without water and then mixed again 7 minutes after the water has been added.
  • the molding base material is first mixed with 130 ml of water on a Morek Multiserw pan mill mixer for 1 minute and then mixed again for 7 minutes after adding 322 g of Volclay and 207 g of the respective additive on a Morek Multiserw pan mill mixer.
  • step (1) additives are added that increase with each cycle.
  • step (2) By discharging part of the cast molding material in step (5) or in step (1) of the next cycle (see Figure 2), the proportion of components that are present in the initial molding material but are no longer added is reduced.
  • the molding material is filled into the mold of the sleeve model device 3 minutes after mixing and compacted in 2 pressing processes (filling, pressing, refilling, pressing). The process is completed in a further 3 minutes. 2 molds are produced per test.
  • the molds are poured one after the other after a 30-minute waiting period.
  • the mold is poured with liquid metal of the alloy GJL 250 at 1450 °C using a pouring ladle.
  • the poured mold is left overnight until it is separated.
  • the casting cools down during this process and the molding material first heats up and then cools down overnight in the mold. Separation (step (4) in all cycles)
  • the casting and the cast molding material are separated.
  • the molding material is filled into a storage container and the molding material lumps are crushed. Metal residues are removed.
  • a new molding material is produced by refreshing the processed molding material from the previous cycle (first processed molding material) by adding bentonite, water, additive (as defined above) and fresh molding material (new sand) or a second processed molding material produced by processing cores (see below for details).
  • Fresh mold base material or a second processed mold material, produced by processing cores is added to the processed mold material from the previous cycle and mixed with 120 ml of water for 1 minute, and then after adding sodium bentonite (Natroben 25F, HA ITALIA S.p.A., test series 2.1, 2.2.1, 2.2.2, 2.3.1, 2.3.2) or Volclay (foundry bentonite GEKOTM V from Clariant Deutschland GmbH, test series 2.4, 2.5 and 2.6) and the respective additive (see below for quantities of bentonite and additive), the mixture is mixed for a further 7 minutes on a Morek Multiserw pan mill mixer.
  • sodium bentonite Naatroben 25F, HA ITALIA S.p.A., test series 2.1, 2.2.1, 2.2.2, 2.3.1, 2.3.2
  • Volclay foundry bentonite GEKOTM V from Clariant Germany GmbH, test series 2.4, 2.5 and 2.6
  • the mixture is mixed for a further 7 minutes on a Morek Multiser
  • the increase in the quantity of the moulding material due to additions in the mixer i.e. the increase in the quantity of the moulding material resulting from the addition defined above, is regulated by removing the same quantity of ready-mixed moulding material in each cycle.
  • step (1) additives are added that increase with each cycle.
  • step (2) additives are added that increase with each cycle.
  • step (3) additives are added that increase with each cycle.
  • Additive AI(OH)3 or MqfOHh when adding fresh molding material in the following cycles
  • Ten cycles (0-9) are carried out using the sleeve model device described in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032), whereby the first test is carried out with 100% fresh molding material of type H32 from Quarzwerke.
  • both additives show good molding properties and a comparable surface quality, which can be seen from the measured roughness of the castings.
  • AI(OH)3 as an additive results in a higher active clay content and a significantly lower loss on ignition.
  • the mold material properties and the castings are of good quality.
  • the surface roughness of the castings is correspondingly low.
  • Table 11 Characteristic values of samples taken in the respective cycles to determine the molding material properties with AljOHjs as additive, and surface roughness of the casting
  • Table 12 Characteristic values of samples taken in the respective cycles to determine the molding material properties with Mg(OH)2 as an additive and surface roughness of the casting
  • step (1) prepared by processing uncast kernels (Quantity share of the produced molding material see Tables 13 and 16) which had been produced with cold-box binder (“ColdBox core sand”).
  • Table 13 Composition and compactability of the moulding material mixture in the individual cycles
  • the abbreviation NG indicates that the measured values are below the detection limit 2.3 AI(OH)3 and MgfOHh when inorganically bound core sand is added to the
  • Table 19 Composition and compactability of the moulding material mixtures in the individual cycles
  • Table 20 Characteristic values of samples taken in the respective cycles
  • Table 22 Composition and compactability of the moulding material mixture in the individual cycles
  • Table 23 Characteristic values of samples taken in the respective cycles
  • the analysis of selected mold material samples shows a slight increase in the carbon content for high numbers of cycles, which is probably due to the addition of bentonite; Ca-bentonites are treated with carbonates during activation.
  • the surface roughness of the castings is always acceptable, ie good to very good.
  • Table 24 CNS analysis of selected cycles and surface roughness of the corresponding castings
  • Additive AI(OH)3 when adding fresh molding material in the subsequent cycles 11 cycles (0-10) are carried out using the sleeve model device described in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032), whereby in the first test 100% fresh molding material of type H32 from Quarzwerke is used.
  • step (1) When using fresh mold base material as an additive (see Figure 2, step (1)), good mold properties and a good to very good surface quality are achieved, which can be seen from the measured roughness of the castings. As expected, the CNS analysis after 11 cycles shows no significant carbon and nitrogen contents, since only inorganic materials were used (see Table 27).
  • Table 25 Composition and compactability of the moulding material mixture in the individual cycles
  • 11 cycles (0-10) are carried out using the sleeve model device described in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032).
  • the test is carried out and the molding material and casting properties are measured as described in Chapter 2.4, but in the subsequent cycles, instead of fresh molding material, a second prepared molding material (see Fig. 2, step (1)) is added, prepared by preparing uncast cores (for the proportion of the molding material produced, see Table 28), which had been produced with cold-box binder ("cold-box core sand"). Stable molding material properties were achieved (Table 29).
  • Table 28 Composition and compactability of the moulding material mixture in the individual cycles
  • 11 cycles (0-10) are carried out using the sleeve model device described in (https://www.research- disclosure.com/database/RD705032).
  • the test is carried out and the properties of the molding material and casting are measured as described in Chapter 2.4, but in the subsequent cycles, instead of fresh molding material, a second processed molding material (see Fig. 2, step (1)) is added, produced by processing uncast cores (for the proportion of the molding material produced, see Table 31), which had been produced with an inorganic binder (water glass) ("lOB core sand"). This is therefore an inorganic molding material cycle with regard to all binders used. Stable molding material properties were achieved (Table 32).
  • Table 31 Composition and compactability of the molding material mixtures in the individual cycles
  • the aim of these tests is to cast and reprocess a certain amount of processed molding material several times, in particular with a gradual reduction in the carbon content in the molding material.
  • the molding material is circulated.
  • additives are added, which increase with each cycle.
  • the total amount of molding material is constant and amounts to around 1,200 kg.
  • Four molds are produced and cast per cycle according to the rib pattern setup as described in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032).
  • the cycles of the molding material cycle include the following steps:
  • step (1) Production of the molding material (step (1), first cycle)
  • processed molding material starting molding material from the molding material cycle of a brake disc foundry is used (see point 0.2 above).
  • the prepared molding material is conveyed from a big bag into a bunker in front of the Eirich mixer (Eirich intensive mixer R09 with capacity: 150 liters, max. 240 kg, batch operation under normal atmosphere) using a big bag unloading station and two conveyor belts.
  • the previously weighed additives bentonite, mold base material or core molding material and the additive are added to the bunker discharge belt.
  • AI(OH)3 of type SH950 SH950 nuance -00, Alteo
  • step (1) Each time a molding material is produced (step (1), see Figure 4), additives are added that increase with each cycle. By removing part of the cast molding material in step (5) or in step (1) of the next cycle (see Figure 4), the proportion of components that are present in the initial molding material but are no longer added is reduced.
  • the molding material is drawn from the bunker and transported to the mixer together with the additives.
  • the mixing process starts, water is automatically dosed and the finished molding material is emptied from the mixer into a transport container after the mixing process has ended.
  • the transport container is transported to the molding system.
  • the mixer program is selected between a mixing process without an intermediate stop (Table 35) and a mixing process with an intermediate stop (Table 34) depending on the situation (depending on the water content of the mixture) and the desired compaction is set to 40% +/- 5% by checking the water content.
  • the desired compaction is set by checking the compactability.
  • the compactability changes with the water content of the molding material. The water content was determined for each mixture. Since the necessary water addition to achieve the target compactability is not known, the intermediate stop in the mixing process makes it easier to determine the amount of water required and the following mixtures can be produced without an intermediate stop.
  • a partial volume of the lower box of the mold is first filled with a layer of sieved molding material from the transport container; so much molding material is sieved that the contour of the rib model is no longer visible (this corresponds to 80 mm height in the lower box and 50 mm height in the upper box).
  • the remaining volume of the lower box is then filled with unsieved molding material.
  • the sieve has a clear mesh size of 2 mm.
  • the lower box i.e. the molding material in the lower box
  • the lower box is compacted in the HWS HSP-1 D molding system with the specified parameters (Table 36, molding box size of 700 x 500 x 200 / 200 mm, pattern plate size of 650 x 450 x 30 mm) using a Seiatsu airflow press molding process.
  • the time during which an airflow is passed through the molding material in the molding box to fluidize the molding material is called the Seiatsu time.
  • the Seiatsu time can be set independently for the upper and lower boxes.
  • the molding material is then pressed.
  • the lower box is pulled off by hand and transported to the loading station by crane.
  • the upper box is filled, compacted, pulled off and transported in the same way.
  • a previously manufactured core (step (1 a), see Fig. 4) is placed in the lower box (step (2a), see Fig. 4).
  • the mold is placed, clamped and transported to the casting station.
  • the mould is cast with liquid metal of the alloy GJL 250 at 1450 °C using a pouring ladle in a support iron with one-sided shears.
  • step (2) The next molds are made (step (2), (2a)) and cast.
  • the cast mold is left to stand for 4 hours before being separated.
  • the casting cools down and the molding material heats up.
  • the upper and lower boxes are opened.
  • the casting and the poured molding material are separated.
  • the core sand is handled differently:
  • test series A in which new sand is used as the added molding material, a core bonded with CO2-hardened water glass (see point 0.2 above) is used, which does not disintegrate during separation and is completely removed at this point in the cycle.
  • test series B in which ColdBox cores are used, the core completely disintegrates in the middle and can no longer be separated from the molding material. The core marks do not disintegrate and cannot be easily crushed. Therefore, the core marks are removed at this point in the cycle. 3.
  • test series C in which inorganically bound cores (binder Cordis 9477 / Anorgit 9476, see point 0.2) were used, these only disintegrate in the surface layer, but can be easily crushed by hand. Therefore, the IOB core sand is not removed.
  • the molding material is spread out on the floor and molding material lumps are crushed using a shovel.
  • the meta-urea residues are removed.
  • the molding material is left on the hall floor for at least 3 hours to cool. After cooling, the molding material is filled back into a big bag using shovels.
  • a new molding material is produced by refreshing the prepared molding material from the previous cycle (first prepared molding material) by adding bentonite, water, additive (as defined above) and fresh molding material (new sand, test series A) or a second prepared molding material produced by preparing cores (test series B and C, for details see below).
  • first prepared molding material a new molding material produced by refreshing the prepared molding material from the previous cycle
  • additive as defined above
  • fresh molding material new sand, test series A
  • test series B and C for details see below.
  • the increase in the quantity of the moulding material due to additions in the mixer i.e. the increase in the quantity of the moulding material resulting from the addition defined above, is regulated by removing the same quantity of ready-mixed moulding material in each cycle.
  • step (1) additives are added that increase with each cycle.
  • step (1) additives are added that increase with each cycle.
  • test series A Test series with addition of fresh moulding material (new sand) in step (1)
  • step (2) water glass-bonded cores are used, which do not disintegrate after casting (see point 0.2 above) and are removed in step (4) as described above.
  • step (3) water glass-bonded cores are used, which do not disintegrate after casting (see point 0.2 above) and are removed in step (4) as described above.
  • step (3) the prepared molding material from the previous cycle (first prepared molding material) is refreshed in each subsequent cycle with molding material of the type Grudzen Laz. 0.20/0.315/0.40 (coarse quartz sand of class 1 K) from Quarzwerke. Table 37: Composition and compactability of the molding material mixture in the individual cycles
  • First reprocessed moulding material refers to the amount of moulding material from the previous cycle that was reused after reprocessing
  • Test series B (test series B, not according to the invention)
  • ColdBox cores (see point 0.2 above) are inserted, which completely disintegrate in the middle and can no longer be separated from the molding material.
  • First reprocessed moulding material refers to the amount of moulding material from the previous cycle that was reused after reprocessing
  • the surface roughness of the castings is also determined in this series of tests (Table 44). It is observed that good surfaces are obtained despite the decreasing proportion of carbon in the molding material. No casting defects can be observed.
  • Table 44 Surface roughness of castings produced during test series B 3.3 Test series with addition of inorganically bound core sand
  • inorganically bound cores (binder Cordis 9477 / Anorgit 9476, see point 0.2 above) are used, which only disintegrate in the outer layer but can be very easily crushed by hand.
  • Table 45 Composition and compactability of the moulding material mixture in the individual cycles
  • First reprocessed moulding material refers to the amount of moulding material from the previous cycle that was reused after reprocessing
  • the processed starting molding material (starting sand) is to be assigned to landfill class II due to its loss on ignition, TOC value (Total Organic Carbon) and its phenol index.
  • the processed molding material from test series B only has a TOC value that is slightly too high for classification in landfill class I and is therefore to be assigned to landfill class II, although a further reduction in the TOC value is possible through continued replacement or use of a different ColdBox binder.
  • the processed molding materials from test series A and C fall into landfill class I.
  • the initial molding material from the conditioned molding material cycle of the brake disc foundry and the molding materials from cycles A-30, B-30 and C-30 were examined for their BTX emission potential.
  • the samples are dried at 105°C and then ground in a planetary ball mill (Retsch Planetary Ball Mill PM100CM) for 2 minutes at 300 rpm under cold conditions (vessel: 150 ml stainless steel cup with stainless steel balls). It is cooled for at least 12 hours at -20°C, ie the grinding cup of the planetary ball mill was stored for at least 12 hours at -20°C before use in order to to avoid excessive heating of the sample during the grinding process. Then 10 mg of sample is weighed into a pyrolysis tube. Each sample is determined in duplicate. The measurements are carried out using the following equipment: • GERSTEL MPS
  • Adsorbent Matrix CarbopackTM B, 60-80 mesh VWR Art. No. SUPL20273
  • MSD mass spectrometric detector
  • TDU Thermal Desorption Unit
  • Calibration was performed with standards based on benzene, toluene; m- and p-xylene; styrene; o-xylene, ethylbenzene, cumene.
  • Table 50 Pyrolysis (GC-MS) of the molding materials after 30 cycles compared to the initial molding material (all data as mg emission / kg sample material)
  • values “ ⁇ ” mean that the content of the corresponding BTEX compound is below its detection limit.
  • the lower limit corresponds to the sum of the contents of BTEX compounds that are above the respective detection limit so that a value could be determined (in the case of the starting molding material, these are benzene, toluene, ethylbenzene and m-, p-xylene).
  • the upper limit corresponds to the sum of the lower limit and the detection limits of each BTEX compound whose content is below the respective detection limit (in the case of the starting molding material, these are o-xylene, styrene and cumene).

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Führen eines Formstoffs in einem zwei oder mehr Zyklen umfassenden Formstoffkreislauf.

Description

Verfahren zum Führen eines Formstoffs in einem zwei oder mehr Zyklen umfassenden Formstoffkreislauf
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Führen eines Formstoffs in einem zwei oder mehr Zyklen umfassenden Formstoffkreislauf.
Tone, die für das Binden von Formstoffen eingesetzt werden, enthalten typischerweise Smektite. Beispiel für solche S me ktit- haltig en Tone sind Bentonite, insbesondere Natrium- und Calciumbentonite, die Natrium bzw. Calcium enthalten neben den Elementen Magnesium, Aluminium und Silizium. Andere Smektit-haltige Tone sind Hectorit, Saponit, Nontro- nit, Beidellite oder Sauconite. Tone wie Kaolinit oder lllit können im Gemisch mit Smektit- haltigen Tonen als tonhaltige Bindemittel eingesetzt werden.
Der Smektit-haltige Ton hat bevorzugt einen Anteil von Montmorillonit von 50 Gew% oder mehr, besonders bevorzugt 60 Gew% oder mehr, besonders bevorzugt 70 Gew% oder mehr. Sofern in einem natürlich vorkommenden Smektit-haltigen Ton der Anteil an Montmorillonit zu gering ist, kann er durch Aufreinigung erhöht werden. Dies gilt insbesondere für Bentonit.
Beispielsweise Natriumbentonit kann 70 bis 95 Gew.% Montmorillonit enthalten, wobei als restliche Komponenten Quarz, Opal, Christoballit, Feldspat, Biotit, Clinoptilit, Calcit, Gips und andere auftreten. Entsprechend werden in dieser Schrift die Begriffe “Smektit-haltige Tone” und “Bentonit” sowohl für entsprechende aus natürlichen Vorkommen gewonnene Tone verwendet, als auch für solche, die durch Aufreinigung natürlich vorkommender Tone hergestellt wurden.
In dieser Schrift wird für Gießformen, die mit einem Smektit-haltigen Ton gebunden sind, der Begriff “tongebundene Form“ benutzt, soweit dies angebracht ist. Gemeint sind dabei stets Gießformen, die mit einem Smektit-haltigen Ton gebunden sind. Bevorzugt werden in der Gießereiindustrie Smektit-haltige Tone in Form von Natrium- oder Calciumbentonit und/oder deren Mischungen eingesetzt, wobei diese Mischungen z.T. in situ durch Zusatz von Salzen und daraus resultierenden lonenaustausch erzeugt werden.
Als Formgrundstoff kommt jeder Sand in Frage, der eine Gießereiform darstellen kann und bei hohen Temperaturen und Kontakt mit heißem Metall diese Form halten kann. Typische Sande sind Silica-Sand, Olivin-Sand, Chromerz-Sand, Zirkon-Sand, sowie Keramische Sande, die künstlich hergestellt wurden, oder Mischungen dieser Sande. Typischerweise enthält eine Form mindestens 40% Sand, bevorzugt über 50% Sand, besonders bevorzugt über 60% Sand und ganz besonders bevorzugt über 70% Sand.
In der industriellen Praxis werden tongebundene Gussformen in der Regel aus einem Formstoff hergestellt, der neben dem Smektit-haltigen Ton als Bindemittel und dem Formgrundstoff noch Additive und Wasser enthält. Derartige Formstoffe werden auch als „Grünsand“ oder „Nassgusssand“ bezeichnet. Die Verdichtung des Formstoffes führt zur Verfestigung und sichert so eine ausreichende Formstabilität.
Ein Formstoff mit Smektit-haltigem Ton als Bindemittel wird in der industriellen Praxis üblicherweise in einem Formstoffkreislauf verwendet.
Formstoffkreislauf im Sinne der vorliegenden Offenbarung bedeutet, dass Formstoff aus abgegossenen Formen („abgegossener Formstoff“, auch als Altsand bezeichnet) aufbereitet und zur Herstellung von neuem Formstoff verwendet wird, aus dem erneut Formen hergestellt werden, die abgegossen werden. Der im Formstoff enthaltene Formgrundstoff liegt daher zumindest teilweise als Bestandteil von aufbereitetem Formstoff aus mindestens einer bereits abgegossenen tongebundenen Form vor.
Ein Formstoffkreislauf im Sinne der vorliegenden Offenbarung besteht aus mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Zyklen. Zwei (nicht zwingend unmittelbar aufeinanderfolgende) Zyklen eines Formstoffkreislaufs lassen sich daher unterscheiden als früherer Zyklus und späterer Zyklus. Wenn der Formstoffkreislauf aus nur zwei Zyklen besteht, dann ist der in der zeitlichen Abfolge erste Zyklus der frühere Zyklus, und der in der zeitlichen Abfolge zweite Zyklus der spätere Zyklus.
Ein Zyklus dieses Formstoffkreislaufs kann durch die folgenden charakteristischen Schritte beschrieben werden (vgl. zur nachfolgenden Bezeichnung der Schritte Figur 1):
(Schritt 1) Herstellen des Formstoffs, d.h. Herstellen eines Formstoffs umfassend aufbereiteten Formstoff aus einem früheren Zyklus und Zuschlagstoffe (siehe unten)
(Schritt 2) Herstellen der Form, d.h. Herstellen einer mit S me ktit- haltig em Ton gebundenen Form aus dem in Schritt (1) hergestellten Formstoff,
(Schritt 3) Abgießen, d.h. Herstellen eines Gussteils durch Abgießen der in Schritt (2) hergestellten Form
(Schritt 4) Trennen, d.h. Trennen des in Schritt (3) hergestellten Gussteils von der Form, wobei ein abgegossener Formstoff resultiert, der Material aus der abgegossenen Form umfasst
(Schritt 5) Aufbereiten des abgegossenen Formstoffs, d.h. Aufbereiten des abgegossenen Formstoffs aus Schritt (4), so dass ein erster aufbereiteter Formstoff erhalten wird zum Herstellen eines neuen Formstoffs in Schritt (1) eines späteren Zyklus.
Es ist in bestimmten Fällen bevorzugt, dass ein, mehrere oder alle Zyklen des Formstoffkreislaufs weitere Schritte umfassen, und/oder einzelne der genannten Schritte weitere Merkmale aufweisen. Einzelheiten dazu ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie den beigefügten Ansprüchen und Zeichnungen.
In jedem Zyklus des oben beschriebenen Formstoffkreislaufs erfolgt in Schritt (3) das Herstellen eines Gussteils durch Abgießen der in Schritt (2) hergestellten Form. Dabei wird der Formstoff durch thermische und chemische Beanspruchung beim Abgießen (Schritt (3) des Zyklus) stofflich signifikant verändert. Um einen Kreislauf des Formstoffs zu ermöglichen, muss der abgegossene Formstoff aufbereitet werden.
In manchen Fällen, insbesondere zur Herstellung von Gussteilen mit komplexer Geometrie, erfolgt in Schritt (3) das Herstellen eines Gussteils durch Abgießen der in Schritt (2) hergestellten Form mit einem oder mehreren eingesetzten Kernen (vgl. Figur 3). Kerne, die in tongebundene Formen eingesetzt werden, sind typischerweise nicht tongebunden. Typischerweise werden derartige Kerne mit einem organischen Bindemittel, z.B. einem Polyurethan oder einem Phenolharz, oder mit einem keinen Ton enthaltenden anorganischen Bindemittel, z.B. einem Wasserglasenthaltendem Bindemittel, hergestellt. Wird in Schritt (4) das in Schritt (3) hergestellte Gussteil von der Form und den Kernen getrennt, resultiert üblicherweise ein abgegossener Formstoff, der Material aus den abgegossenen Kernen (Kernaltsand) enthält.
Das Aufbereiten des abgegossenen Formstoffs in Schritt (5) führt zu einem aufbereiteten Formstoff, der im Formstoffkreislauf verbleibt. So verbleibt ein Teil des eingesetzten Formgrundstoffes (in der Regel Quarzsand) als Bestandteil des aufbereiteten abgegossenen Formstoffs im Formstoffkreislauf.
Das Aufbereiten umfasst regelmäßig ein Zerkleinern des abgegossenen Formstoffs (Kornvereinzelung) und eine weitgehende Entfernung von Metallresten und anderen Verunreinigungen, zum Beispiel Verunreinigungen in Form von Hilfsprodukten aus dem Gussprozess (Kernmarken, Speiserreste u.ä.).
Durch die thermische, mechanische und ggf. auch chemische Beanspruchung beim Abgießen entstehen Verschleißprodukte wie zum Beispiel Sandfeinanteile, inaktive Tonanteile, Zersetzungsprodukte der Additive, insbesondere der Glanzkohlenstoffbildner, Umsetzungsprodukte von Kernbindemitteln, sowie oolithisierte Körner des Formgrundstoffs.
Damit sich solche Verschleißprodukte nicht im Formstoffkreislauf anreichern, und/oder die Formstoffeigenschaften nicht negativ beeinflusst werden, oder die benötigten aktiven Anteile des Bindemittels (Smektit-haltiger Ton) und der Additive nicht zu stark absinken, werden in einem jeweiligen Folgezyklus in Schritt (1) bei der Herstellung des Formstoffs Zuschlagstoffe zugesetzt, d.h. der aufbereitete Formstoff wird durch die Zuschlagstoffe aufgefrischt. Um die Masse des im Kreislauf geführten Formstoffs konstant zu halten, wird eine entsprechende Menge an Formstoff aus dem Formstoffkreislauf ausgetragen. Dies kann vor dem Auffrischen durch die Zuschlagstoffe erfolgen (also in Schritt (5)), oder nach dem Auffrischen durch die Zuschlagstoffe.
Die Zuschlagstoffe umfassen üblicherweise Smektit-haltigen Ton, Wasser, Additive (siehe unten) sowie einen oder mehrere Rohstoffe aus der Gruppe bestehend aus frischem Formgrundstoff (Neusand), zweitem aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon drittem aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, die außerhalb des betrachteten Formstoffkreislaufs hergestellt und abgegossen wurden.
Bevorzugt umfassen die Zuschlagstoffe (insbesondere der Bentonit) auch Wasser.
Die Formen und Kerne, aus denen der zweite und der dritte aufbereitete Formstoff wie oben definiert erhalten wird, müssen nicht tongebunden sein. Insbesondere die Kerne sind typischerweise nicht tongebunden, sondern mit einem üblichen organischen Bindemittel hergestellt, z.B. Polyurethan, insbesondere im Cold-Box-Prozess gebildetes Polyurethan, oder mit einem Phenolharz in Form eines Resols, insbesondere solche Resole, die im Hot- Box oder Warmbox- Verfahren eingesetzt werden, oder eines Novolaks, insbesondere No- volake, die im Croning-Verfahren oder Maskenformverfahren eingesetzt werden.
In jedem Zyklus eines industriellen Formstoffkreislaufs soll beim Abgießen eine im Wesentlichen gleichbleibende Qualität der Gussteile erreicht werden. Durch eine geregelte Zu- und Abfuhr von Bestandteilen des Formstoffs können im Formstoffkreislauf im Wesentlichen konstante, optimale Formstoffeigenschaften erreicht werden (Formstoffkonditionierung). Dabei wird der Formstoff in jedem Zyklus durch Festlegung der erforderlichen Zugaberaten an Smektit-haltigen Ton (Zugabe optional), Additiven, Wasser und Neusand bzw. zweitem und dritten aufbereiteten Formstoff wie oben definiert, sowie durch Festlegung der abzuführenden Altsandmenge und durch Festlegung von Maschinenparametern wie Mischzeit oder Kühlintensität konditioniert, d.h. optimal eingestellt.
Formstoffe für die Herstellung tongebundener Gussformen enthalten in der industriellen Praxis üblicherweise Additive in Form von sogenannten Glanzkohlenstoffbildnern.
Glanzkohlenstoffbildner (auch als Glanzkohlenstoffträger bezeichnet, vgl. https://www.giesserei-praxis.de/giesserei-lexikon/glossar/glanzkohlenstoff) sind Formstoffzusätze mit der Fähigkeit zur Bildung kohlenwasserstoffhaltiger Gase, die beim Abgießen in der reduzierenden Atmosphäre des Formhohlraumes verkokt werden. Dabei entsteht Glanzkohlenstoff. Üblicherweise eingesetzte Glanzkohlenstoffbildner sind z.B. Steinkohlestäube, Peche, Bitumina, Harze, Öle, Kunststoffe sowie Mischungen hieraus. Glanzkohlenstoffbildner werden insbesondere tongebundenen Formstoffen für den Eisenguss zugesetzt. Der Glanzkohlenstoff verhindert an der Grenzfläche Metall/Form eine Benetzung durch den flüssigen Gießwerkstoff. Zusätzlich können Glanzkohlenstoffbildner im Formstoff die Quarzausdehnung abpuffern und Sandausdehnungsfehler verhindern. Steigende Anteile an Steinkohlenstaub oder anderen Glanzkohlenstoffbildnern und höhere Anteile der Zersetzungsprodukte (Koks) der Glanzkohlenstoffbildner im aufbereiteten Formstoff erhöhen jedoch den Wasserbedarf des Formstoffes. Eine erhöhte Wassermenge kann zu Gussfehlern wie z.B. Explosionspenetrationen führen.
Da Glanzkohlenstoffbildner beim Abgießen thermisch zersetzt und verkokt werden, müssen die entsprechenden Verluste im Formstoffkreislauf in der industriellen Praxis regelmäßig durch Zufuhr von frischen Glanzkohlenstoffbildnern ersetzt werden. Dazu werden zumindest in einigen Zyklen, bevorzugt in allen Zyklen des Formstoffkreislaufs Glanzkohlenstoffbildner frisch zugesetzt.
Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes von Glanzkohlenstoffbildnern besteht in der Freisetzung von Emissionen zum Beispiel in Form von CO, CO2, NOx und flüchtigen organischen Verbindungen, insbesondere von aromatischen Kohlenwasserstoffen wie Benzen, Toluen und Xylenen („BTX-Emissionen“), aber auch polycyclischen Aromaten. Zusätzlich werden meist auch flüchtige schwefelhaltige Verbindungen emittiert, da Glanzkohlenstoffbildner häufig Schwefel und/oder schwefelhaltige Verunreinigungen enthalten. Ein weiteres Problem besteht in dem beträchtlichen Risiko von Staubexplosionen und Selbstentzündungen beim Umgang mit Glanzkohlenstoffbildnern. Daher werden im industriellen Gießereibetrieb bei der Herstellung tongebundener Formen Glanzkohlenstoffbildnertypischerweise in Form einer vom Lieferanten vorgefertigten Mischung mit dem Smektit-haltigen Ton, insbesondere Bentonit, eingesetzt.
Aus den genannten Gründen ist es wünschenswert und erforderlich, die Verwendung von Glanzkohlenstoffbildnern einzuschränken bzw. Glanzkohlenkohlenstoffbildner zumindest in einem signifikanten Anteil durch geeignete Alternativen zu ersetzen.
US 5,372,636 A offenbart einen Formstoff umfassend Sand, einen Natrium-Smektit-Ton (insbesondere Natrium-Bentonit) und mindestens ein Oxid, Salz (insbesondere Carbonat) oder Hydroxid eines Metalls, z.B. Aluminium, Calcium, Eisen, Natrium, Magnesium, Bor oder Zink. Eine Führung des Formstoffs im Kreislauf wird nicht offenbart. Somit vermittelt dieses Dokument keinerlei Informationen, ob derartige Formstoffe für den Einsatz in einem Formstoffkreislauf geeignet sind. WO 03/066253 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines insbesondere im Kreislauf geführten Formstoffs für Gießereizwecke, wonach einem Gemisch aus einer granulären Masse und Zuschlagstoffen, wie beispielsweise einem Bindemittel, z.B. Bentonit, sowie Wasser, ein in Wasser nicht quellfähiges Material zugegeben wird. Als nicht quellfähiges poröses Material werden insbesondere Gerüst- oder Tektosilikate, wie beispielsweise Zeolithe, Bims oder Bimssteine, Allophan, Imogolit, Kieselgur, Polygarskite, Sepiolite, Diatom- enerde, oder (mit Säure und/oder Wärme behandelte) Tone verwendet.
CN 108356214 offenbart Formstoffmischungen umfassend Sand, Wasser, Bentonit und ein Additiv mit folgender Zusammensetzung
SiO2 50-85 wt%
AI2O3 9-45 wt%
MgO 0,2-3 wt%
Fe2O3 1 -8 wt%
CaO 1 -7 wt%
Fe3Ü4 0,4-8 wt%
Das Additiv wird hergestellt durch Mischen der einzelnen Oxide. Es soll Glanzkohlenstoffbildnerersetzen. Formstoffe enthaltend dieses Additiv sollen gut rezyklierbarsein. Beispielhafte Formstoffe wurden über zwei bis vier Monate lang benutzt.
Primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Verringern von kohlenstoffbasierten Emissionen und/oder kohlenstoffbasierten Gussfehlern. Kohlenstoffbasierte Emissionen umfassen dabei zum Beispiel Emissionen in Form von CO, CO2, und flüchtigen organischen Verbindungen, insbesondere von aromatischen Kohlenwasserstoffen wie Benzen, Toluen und Xylenen („BTX-Emissionen“), aber auch polycyclischen Aromaten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Führen eines Formstoffs in einem zwei oder mehr Zyklen umfassenden Formstoffkreislauf, mit folgenden Schritten: in einem früheren Zyklus der besagten zwei oder mehr Zyklen des Formstoffkreislaufs Abgießen in einer Form umfassend mit Smektit-haltigem Ton gebundenen Formstoff,
Aufbereiten des abgegossenen Formstoffs, so dass ein erster aufbereiteter Formstoff resultiert, in einem späteren Zyklus der besagten zwei oder mehr Zyklen des Formstoffkreislaufs Herstellen eines Formstoffs umfassend:
(i) ersten aufbereiteten Formstoff, und
(ii) Zuschlagstoffe umfassend ein Additiv, das mindestens eine dehydratisierbare anorganische Verbindung enthält, die bei einer Temperatur von 150 °C oder mehr Wasser abspaltet, einen oder mehrere Rohstoffe aus der Gruppe bestehend aus
Formgrundstoff, einem zweiten aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Formstoff aus nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, einem dritten aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von außerhalb des Formstoffkreislaufs abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, sowie optional Smektit-haltigen Ton, bevorzugt Bentonit, wobei im hergestellten Formstoff der Gesamtanteil von Material aus Formen und Kernen, die aus einem Formstoff gebildet sind, der mit einem anderen Bindemittel als Smektit-haltiger Ton gebunden ist, kleiner ist als 10 Gew%.
Bevorzugt umfassen die Zuschlagstoffe auch Wasser.
Bevorzugt ist im hergestellten Formstoff der Gesamtanteil von Material aus Formen und Kernen, die aus einem Formstoff gebildet sind, der mit einem anderen Bindemittel als Smektit-haltiger Ton gebunden ist, kleiner ist als 5 Gew%, besonders bevorzugt kleiner als 1 Gew.%.
Bevorzugt stammen mindestens 90 Gew%, vorzugsweise mindestens 99 Gew% und besonders bevorzugt 100 Gew% des zweiten und des dritten aufbereiteten Formstoffs aus mit Smektit-haltigem Ton gebundenen Formen und/oder Kernen. Bevorzugt stammen höchstens 10 Gew%, vorzugsweise höchstens 1 Gew% und besonders bevorzugt 0 Gew% des zweiten und des dritten aufbereiteten Formstoffs aus Formen und/oder Kernen, die mit einem anderen Bindemittel als Smektit-haltigem Ton hergestellt wurden.
Bevorzugt sind Verfahren, wobei beim Abgießen ein abgegossener Formstoff resultiert, der kein Material aus abgegossenen Kernen enthält. Dies wird erreicht, indem beim Trennen des hergestellten Gussteils von der Form und dem mindestens einen Kern der abgegossene Formstoff vom abgegossenen Kernformstoff (Kernaltsand) separiert wird, oder indem eine Form ohne Kern verwendet wird.
Bevorzugt erfolgt das Abgießen in einer Form ohne Kern.
Ebenfalls bevorzugt ist das Abgießen in einer Form mit Kern, wobei der Kern mit einem Smektit-haltigen Ton gebunden ist.
Bevorzugt enthalten die aufbereiteten Formstoffe keine organischen Bindemittel, bevorzugt gar kein organisches Material. Bevorzugt enthalten die aufbereiteten Formstoffe keinen Kohlenstoff und keinen Kohlenstoffträger.
Bevorzugt werden bei der Herstellung des Formstoffs (wie oben beschrieben) kein Kohlenstoff und keine Kohlenstoffträger zugesetzt.
D.h. vorzugsweise liegt ein weitgehend anorganischer Formstoffkreislauf vor.
Der Kohlenstoffgehalt eines Formstoffs wird bestimmt durch Elementaranalyse und umfasst Kohlenstoffanteile aus organischen Kohlenstoffträgern sowie aus anorganischen Kohlenstoffträgern. Organische Kohlenstoffträger sind insbesondere Glanzkohlenstoffbildner, organische Bindemittel, organische Additive sowie Rückstände bzw. Zersetzungsprodukte von Glanzkohlenstoffbildnern, organischen Bindemitteln und organischen Additiven. Anorganische Kohlenstoffträger sind insbesondere Carbonate, die als Additiv im Formstoff enthalten sein können.
In Formstoffen mit Smektit-haltigem Ton als Bindemittel lässt sich der Kohlenstoffgehalt insbesondere dadurch senken, dass der Einsatz von Glanzkohlenstoffbildnern vermindert oder vermieden wird. Durch eine Verminderung oder sogar Vermeidung des Einsatzes von Glanzkohlenstoffbildnern werden fossile Ressourcen geschont. Somit besteht eine weitere Aufgabe, die durch die vorliegende Erfindung gelöst wird, darin, einen ressourcenschonenden Formstoffkreislauf bereitzustellen.
Durch eine Verminderung oder sogar Vermeidung des Einsatzes von Glanzkohlenstoffbildnern wird das Risiko von Staubexplosionen und Selbstentzündungen beim Transport, der Lagerung und dem Umgang mit den Glanzkohlenstoffbildnern vermindert oder sogar ausgeschlossen. Somit besteht eine weitere Aufgabe, die durch die vorliegende Erfindung gelöstwird, darin, das Risiko von Staubexplosionen und Selbstentzündungen beim Transport, der Lagerung und dem Umgang mit den Glanzkohlenstoffbildnern zu vermindern.
Durch eine Verminderung oder sogar Vermeidung des Einsatzes von Glanzkohlenstoffbildnern entstehen beim Abgießen weniger Pyrolyse-Produkte, die den abgegossenen Formstoff bzw. den aus dem Formstoffkreislauf ausgetragenen Formstoff kontaminieren. Die mit einer Verringerung des Einsatzes an Glanzkohlenstoffbildnern einhergehenden geringeren Gehalte an Kohlenstoff und Schwefel im abgegossenen Formstoff sind ebenfalls für die Deponierung nicht wiederverwendbarer Formstoffanteile von Vorteil. Somit besteht eine weitere Aufgabe, die durch die vorliegende Erfindung gelöst wird, in einer Erleichterung der Weiterverwendung bzw. Deponierung von abgegossenem Formstoff.
Weitere Aufgaben, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden, bestehen im Verringern von schwefelbasierten Emissionen und NOx-Emissionen während eines zwei oder mehr Zyklen umfassenden Formstoffkreislaufs.
Eine weitere durch die vorliegende Erfindung gelöste Aufgabe besteht in der Verminderung der beim Abgießen freigesetzten Geruchsbelästigungen.
Die Verminderung des Anteils von Glanzkohlenstoff soll die Eigenschaften des Formstoffs, daraus hergestellter Gussformen und der damit hergestellten Gussteile nicht in unakzeptabler Weise beeinträchtigen.
Der Formstoffkreislauf, auf den sich das erfindungsgemäße Verfahren bezieht, ist vorzugsweise ein industrieller Formstoffkreislauf in einer Gießerei, vorzugsweise einer Gießerei mit mindestens einer Produktionslinie, die in den Formstoffkreislauf eingebunden ist, und optional mindestens einer weiteren Produktionslinie. Weitere Besonderheiten, Einzelheiten, Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie den beigefügten Ansprüchen und Zeichnungen.
Die Lösung der oben definierten Aufgaben stützt sich auf die Verwendung eines Additivs, das bei der Vermeidung von Formausdehnungsfehlern, bei der Trennung zwischen Metall und Formstoff und bei der Förderung des Formzerfalls ähnlich wirksam ist wie die im Stand der Technik eingesetzten Glanzkohlenstoffbildner. Überraschenderweise wurde gefunden, dass dehydratisierbare anorganische Verbindungen, die bei einer Temperatur von 150 °C oder mehr Wasser abspalten, bei der Vermeidung von Formausdehnungsfehlern und bei der Förderung des Formzerfalls ähnlich wirksam sein können wie die im Stand der Technik eingesetzten Glanzkohlenstoffbildner.
Dehydratisierung bedeutet die Abspaltung von chemisch (z.B. in Form von Hydroxidionen) oder physikalisch (z.B. als Kristallwasser in Hydraten) gebundenem Wasser durch Erhitzen.
Vorzugsweise handelt es sich bei den im erfindungsgemäß einzusetzenden Additiv enthaltenen dehydratisierbaren anorganischen Verbindungen um Verbindungen aus der Gruppe der Hydroxide und Hydratsalze von Metallen. Der Begriff Hydroxide wie hier verwendet umfasst auch Oxid hydroxide. Bevorzugt sind Hydroxide und Hydratsalze von Metallen in der Oxidationsstufe +II oder +III, besonders bevorzugt Hydroxide von Metallen in der Oxidationsstufe +II oder +III. Speziell bevorzugt sind Magnesiumhydroxid (insbesondere in Form von Brucit) und Aluminiumhydroxid, am stärksten bevorzugt ist Aluminiumtrihydroxid AI(OH)3. Hierbei kann das Aluminiumtrioxid in verschiedenen Modifikationen vorliegen, insbesondere als Gibbsit, Bayerit oder Nordstrandit, sowie in Mineralien in Verbindung mit anderen Hydroxiden oder Oxiden.
Bevorzugt enthält das Additiv eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumhydroxid und Magnesiumhydroxid. Der Anteil des Magnesiumhydroxids beträgt 0 bis 100 %, bezogen auf die Gesamtmasse von Aluminiumhydroxid und Magnesiumhydroxid im Additiv.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäß einzusetzende Additiv keinen Kohlenstoff und keine Kohlenstoffträger. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem früheren Zyklus der zwei oder mehr Zyklen des Formstoffkreislaufs eine Form umfassend mit Smektit-haltigem Ton gebundenen Formstoff abgegossen, wobei ein Gussteil erzeugt wird. Aus dem Abgießen der Form resultiert ein abgegossener Formstoff. Der abgegossene Formstoff wird in der oben beschriebenen Weise aufbereitet, so dass ein erster aufbereiteter Formstoff resultiert. Um die Masse des im Kreislauf geführten Formstoffs konstant zu halten, wird gegebenenfalls beim Aufbereiten ein Teil des abgegossenen Formstoffs ausgetragen, so dass ausgetragener Formstoff resultiert.
Es ist aber nicht zwingend erforderlich, dass in jedem Zyklus des Formstoffkreislaufs aufbereiteter Formstoff ausgetragen wird. Ein erfindungsgemäßer Formstoffkreislauf kann einzelne Zyklen umfassen, in denen kein Austrag von aufbereitetem Formstoff erfolgt.
In einem späteren Zyklus des Formstoffkreislaufs wird ein Formstoff hergestellt umfassend (i) ersten aufbereiteten Formstoff wie oben definiert, und (ii) Zuschlagstoffe. Diese Zuschlagstoffe umfassen das Additiv wie oben definiert und einen oder mehrere Rohstoffe aus der Gruppe bestehend aus
Formgrundstoff, insbesondere Quarzsand einem zweiten aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Formstoff aus nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, einem dritten aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Formstoff aus außerhalb des Formstoffkreislaufs abgegossene Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, sowie vorzugsweise Smektit-haltigen Ton, bevorzugt Bentonit.
Wurde nach dem Aufbereiten nicht bereits ein Teil des abgegossenen Formstoffs ausgetragen, so kann, um die Masse des im Kreislauf geführten Formstoffs konstant zu halten, nun ein Teil des hergestellten Formstoffs ausgetragen werden, so dass ausgetragener Formstoff resultiert. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Ein erfindungsgemäßer Formstoffkreislauf kann einzelne Zyklen umfassen, in denen kein Austrag von Formstoff erfolgt. Der in einem späteren Zyklus des Formstoffkreislaufs hergestellte Formstoff umfasst einen, mehrere oder alle der o.g. Rohstoffe. Der als Rohstoff eingesetzte Formgrundstoff umfasst vorzugsweise frischen Formgrundstoff (Neusand).
Der zweite aufbereitete Formstoff wie oben definiert wird hergestellt durch Aufbereiten von Formstoff aus nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon. Bei den nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen handelt es sich um Formen und/oder Kerne, die aus verschiedenen Gründen nicht abgegossen wurden, z.B. wegen Verarbeitungsfehlern oder fehlender Maßhaltigkeit.
Der dritte aufbereitete Formstoff wie oben definiert wird hergestellt durch Aufbereiten von Formstoff aus außerhalb des betrachteten Formstoffkreislaufs abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, d.h. Formen und Kernen, die beispielsweise in einer anderen Produktionslinie abgegossen wurden.
Aufbereiteter Formstoff, der Material aus abgegossenen oder nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon enthält, wobei die Formen und/oder Kerne mit einem organischen Bindemittel, oder einem keinen Ton enthaltenden anorganischen Bindemittel, z.B. einem Wasserglas enthaltenden Bindemittel, hergestellt sind, wird vorzugsweise nicht eingesetzt.
Bevorzugt weist der im späteren Zyklus hergestellte Formstoff einen oder mehrere der folgenden Parameter auf eine Konzentration von weniger als 1 ,5%, bevorzugt weniger als 0,8% Kohlenstoff, bezogen auf die Masse des Formstoffs, bestimmt mittels Elementaranalyse eine Konzentration von weniger als 0,1 %, bevorzugt weniger als 0,05% Stickstoff, bezogen auf die Masse des Formstoffs bestimmt mittels Elementaranalyse eine Konzentration von weniger als 0,05%, bevorzugt weniger als 0,03% Schwefel, bezogen auf die Masse des Formstoffs, bestimmt mittels Elementaranalyse einen Glühverlust von höchstens 5%, bevorzugt höchstens 3,5%, bestimmt gemäß VDG-Merkblatt P33 (April 1997). Besonders bevorzugt weist der im späteren Zyklus hergestellte Formstoff einen oder mehrere der folgenden Parameter auf: eine Konzentration von weniger als 0,8%, bevorzugt weniger als 0,4%, besonders bevorzugt weniger als 0,2% Kohlenstoff, bezogen auf die Masse des Formstoffs, bestimmt mittels Elementaranalyse eine Konzentration von weniger als 0,05%, bevorzugt weniger als 0,03%, ganz besonders bevorzugt weniger als 0,01 % Stickstoff, bezogen auf die Masse des Formstoffs, bestimmt mittels Elementaranalyse eine Konzentration von weniger als 0,03%, bevorzugt weniger als 0,01 %, ganz besonders bevorzugt weniger als 0,005% Schwefel, bezogen auf die Masse des Formstoffs, bestimmt mittels Elementaranalyse einen Glühverlust von höchstens 3,5%, bevorzugt höchstens 3%, besonders bevorzugt höchstens 2,5%, bestimmt gemäß VDG-Merkblatt P33 (April 1997).
Bevorzugt liegen alle genannten Parameter des Formstoffs in den o.g. bevorzugten, insbesondere in den o.g. besonders bevorzugten Bereichen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im früheren Zyklus ein Abgießen in einer Form mit mindestens einem eingesetzten Kern. Kerne, die in tongebundene Formen eingesetzt werden, sind typischerweise nicht tongebunden. Typischerweise werden derartige Kerne mit einem organischen Bindemittel, z.B. einem Cold-Box- Bindemittel, oder mit einem von Smektit-haltigen Ton verschiedenem anorganischen Bindemittel, z.B. einem Wasserglas enthaltenden Bindemittel, hergestellt. Beim Trennen des hergestellten Gussteils von der Form und dem mindestens einen Kern wird der abgegossene Formstoff vom abgegossenen Kernformstoff (Kernaltsand) separiert.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im früheren Zyklus ein Abgießen in einer Form mit mindestens einem eingesetzten tongebundenen Kern. Der abgegossene Formstoff enthält somit Material aus der abgegossenen tongebundenen Form und dem abgegossenen tongebundenen Kern.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im früheren Zyklus ein Abgießen in einer Form ohne eingesetzten Kern, so dass der erste aufbereitete Formstoff kein Material aus abgegossenen Kernen enthält. Bei allen genannten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens stammen bevorzugt mindestens 90 Gew%, vorzugsweise mindestens 99 Gew% und besonders bevorzugt 100 Gew% des zweiten und des dritten aufbereiteten Formstoffs (wie oben definiert) aus tongebundenen Formen und/oder Kernen. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens stammen bevorzugt höchstens 10 Gew%, vorzugsweise höchstens 1 Gew% und besonders bevorzugt 0 Gew% des zweiten und des dritten aufbereiteten Formstoffs aus Formen und/oder Kernen, die mit einem anderen Bindemittel als Smektit-haltigem Ton hergestellt wurden.
Aufbereiteter Formstoff, der Material aus abgegossenen oder nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon enthält, wobei die Formen und/oder Kerne mit einem organischen Bindemittel oder mit einem keinen Ton enthaltenden anorganischen Bindemittel, z.B. einem Wasserglas enthaltenden Bindemittel, hergestellt sind, wird ganz besonders bevorzugt nicht eingesetzt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der im Kreislauf geführte Formstoff vorzugsweise zum Herstellen von Formen für den Eisenguss verwendet, d.h. das Abgießen der Form erfolgt mit Eisen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren umfassen ein früherer und ein späterer, und vorzugsweise alle Zyklen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt die folgenden Schritte (vgl. Figur 2, deren weitere Merkmale nicht limitierend wirken sollen):
(Schritt 1) Herstellen des Formstoffs, d.h. Herstellen eines Formstoffs umfassend
(i) durch Aufbereiten des in einem früheren Zyklus des Formstoffkreislaufs resultierenden abgegossenen Formstoffs hergestellten ersten aufbereiteten Formstoff wie oben definiert und
(ii) Zuschlagstoffe wie oben definiert
(Schritt 2) Herstellen der Form, d.h. Herstellen einer mit Smektit-haltigem Ton gebundenen Form aus dem in Schritt (1) hergestellten Formstoff
(Schritt 3) Abgießen, d.h. Herstellen eines Gussteils durch Abgießen der in Schritt (2) hergestellten Form, wobei das Abgießen in einer Form ohne eingesetzten Kern erfolgt
(Schritt 4) Trennen, d.h. Trennen des in Schritt (3) hergestellten Gussteils von der Form, wobei ein abgegossener Formstoff resultiert Schritt (5) Aufbereiten des abgegossenen Formstoffs, d.h. Aufbereiten des abgegossenen Formstoffs aus Schritt (4), so dass ein erster aufbereiteter Formstoff erhalten wird zum Herstellen eines neuen Formstoffs in Schritt (1) eines späteren Zyklus, und ggf. Austragen eines Teils des abgegossenen Formstoffs, so dass ausgetragener Formstoff resultiert.
Wurde beim Aufbereiten in Schritt (5) nicht bereits ein Teil des abgegossenen Formstoffs ausgetragen, so wird, um die Masse des im Kreislauf geführten Formstoffs konstant zu halten, ein Teil des in Schritt (1) des nächsten Zyklus hergestellten Formstoffs ausgetragen, so dass ausgetragener Formstoff resultiert.
In einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen ein früherer und ein späterer, und vorzugsweise alle Zyklen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt die folgenden Schritte (vgl. Figur 4, deren weitere Merkmale nicht limitierend wirken sollen):
(Schritt 1) Herstellen des Formstoffs, d.h. Herstellen eines Formstoffs umfassend
(i) durch Aufbereiten des in einem früheren Zyklus des Formstoffkreislaufs resultierenden abgegossenen Formstoffs hergestellten aufbereiteten Formstoff wie oben definiert und
(ii) Zuschlagstoffe wie oben definiert
(Schritt 1 a) Herstellen des Kernformstoffs, d.h. Her- oder Bereitstellen eines Formstoffs zum Herstellen mindestens eines Kerns, vorzugsweise mit Smektit-haltigem Ton als Bindemittel
(Schritt 2) Herstellen der Form, d.h. Herstellen einer mit Smektit-haltigem Ton gebundenen Form aus dem in Schritt (1) hergestellten Formstoff
(Schritt 2a) Herstellen des Kerns, d.h. Herstellen mindestens eines Kerns und Einsetzen des mindestens einen Kerns in die in Schritt (2) hergestellte Form
(Schritt 3) Abgießen, d.h. Herstellen eines Gussteils durch Abgießen der in Schritt (2) hergestellten Form mit dem mindestens einen in Schritt (2a) eingesetzten Kern, (Schritt 4) Trennen, d.h. Trennen des in Schritt (3) hergestellten Gussteils von der Form und dem mindestens einen Kern, wobei der abgegossene Formstoff vom abgegossenen Kernformstoff (Kernaltsand) separiert wird, wenn der Kern nicht tongebunden ist
(Schritt 5) Aufbereiten des abgegossenen Formstoffs, d.h. Aufbereiten des abgegossenen Formstoffs aus Schritt (4), so dass ein erster aufbereiteter Formstoff erhalten wird zum Herstellen eines neuen Formstoffs in Schritt (1) eines späteren Zyklus, und ggf. Austragen eines Teils des abgegossenen Formstoffs, so dass ausgetragener Formstoff resultiert.
Wurde beim Aufbereiten in Schritt (5) nicht bereits ein Teil des abgegossenen Formstoffs ausgetragen, so wird, um die Masse des im Kreislauf geführten Formstoffs konstant zu halten, ein Teil des in Schritt (1) des nächsten Zyklus hergestellten Formstoffs ausgetragen, so dass ausgetragener Formstoff resultiert.
Es ist in bestimmten Fällen bevorzugt, dass ein, mehrere oder alle Zyklen des Formstoffkreislaufs weitere Schritte umfassen, und/oder einzelne der genannten Schritte weitere Merkmale aufweisen. Einzelheiten dazu ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie den beigefügten Ansprüchen und Zeichnungen.
Beim Herstellen des Formstoffs, insbesondere in Schritt (1) des Formstoffkreislaufs, erfolgt bevorzugt ein Mischen des aufbereiteten Formstoffs und der Zuschlagstoff. Bevorzugt umfassen die Zuschlagstoffe auch Wasser.
Vorzugsweise wird die Form mit dem Gussteil und - wenn vorhanden - dem mindestens einen Kern vor dem Trennen in Schritt (4) abgekühlt.
Vorzugsweise wird der abgegossene Formstoff vor dem Aufbereiten abgekühlt.
Das Aufbereiten umfasst regelmäßig eine weitgehende Entfernung von Metallresten und anderen Verunreinigungen, zum Beispiel Verunreinigungen durch Hilfsprodukte aus dem Gussprozess (Kernmarken, Speiserreste u.ä.) und ein Zerkleinern des abgegossenen Formstoffs (Kornvereinzelung). Durch die thermische, mechanische und ggfs. chemische Beanspruchung entstehen Verschleißprodukte wie zum Beispiel Sandfeinanteile, inaktive Tonanteile, Zersetzungsprodukte der Additive und/oder der Glanzkohlenstoffbildner bzw. Umsetzungsprodukte von Kernbindemitteln, sowie oolithisierte Körner des Formgrundstoffs.
Damit sich solche Verschleißprodukte nicht im Formstoffkreislauf anreichern, und/oder die Formstoffeigenschaften nicht negativ beeinflusst werden, und/oder die benötigten aktiven Anteile des Bindemittels (Smektit-haltiger Ton) und des erfindungsgemäß einzusetzenden Additivs nicht zu stark absinken, werden dem Formstoff in einem jeweiligen Folgezyklus, insbesondere in Schritt (1), bei der Herstellung des Formstoffs Zuschlagstoffe zugesetzt, d.h. der aufbereitete Formstoff wird durch die Zuschlagstoffe aufgefrischt. Um die Masse des im Kreislauf geführten Formstoffs konstant zu halten, wird eine entsprechende Menge an Formstoff aus dem Formstoffkreislauf ausgetragen. Dies kann vor dem Auffrischen durch die Zuschlagstoffe erfolgen (also insbesondere in Schritt (5)), oder nach dem Auffrischen durch die Zuschlagstoffe, d.h. nach dem Herstellen des Formstoffs im späteren Zyklus. In letzterem Fall wird die Zugabemenge der Zuschlagstoffe so gering wie möglich gehalten.
In manchen Fällen umfasst Schritt (5) daher den notwendigen Austrag von abgegossenem Formstoff in gleicher Menge wie im Schritt (1) des nächsten Zyklus durch Zuschlagstoffe umfassend das erfindungsgemäß zu verwendende Additiv aufgefrischt werden; so ist es möglich, ein gleichmäßiges Eigenschaftsprofil zu erreichen.
Bevorzugt wird in Schritt (5) 0,5 Gew% bis 20 Gew%, bevorzugt 2 Gew% bis 15 Gew%, besonders bevorzugt 5 Gew% bis 10 Gew% des abgegossenen Formstoffs ausgetragen (Sandaustrag) und in Schritt (1) des folgenden Zyklus wird eine entsprechende Menge an Zuschlagstoffen zugegeben, um die Masse des im Kreislauf geführten Formstoffs konstant zu halten.
Wenn in Schritt (5) nicht bereits ein Teil des abgegossenen Formstoffs ausgetragen wurde, so wird, um die Masse des im Kreislauf geführten Formstoffs konstant zu halten, 0,5 Gew% bis 20 Gew%, bevorzugt 2 Gew% bis 15 Gew%, besonders bevorzugt 5 Gew% bis 10 Gew% des in Schritt (1) hergestellten Formstoffs ausgetragen.
Bevorzugt erfüllt der beim Aufbereiten in Schritt (5) ausgetragene Formstoff die Anforderungen an die Deponieklasse DK I gemäß Anhang 3 der Verordnung über Deponien und Langzeitlager (Deponieverordnung-DepV) vom 27. April 2009. Bevorzugt umfasst der Formstoffkreislauf, auf den sich das erfindungsgemäße Verfahren bezieht, mindestens 10 Zyklen, bevorzugt mindestens 15 Zyklen, besonders bevorzugt mindestens 30 Zyklen.
Das erfindungsgemäß einzusetzende Additiv (wie oben definiert) ist vorzugsweise rieselfähig und/oder schüttfähig. Bevorzugt liegt das Additiv in Form eines Pulvers oder eines Granulats vor. Besonders bevorzugt liegt das Additiv in Form von Partikeln vor mit einer Korngröße von 20 pm bis 200 pm, bestimmt mittels Lasergranulometrie.
Bevorzugt beträgt der Anteil dehydratisierbarer anorganischer Verbindungen, die bei einer Temperatur von 150 °C oder mehr Wasser abspalten, 1 % bis 100 %, bezogen auf die Gesamtmasse des Additivs wie oben definiert. Besonders bevorzugt beträgt der Anteil dehydratisierbarer anorganischer Verbindungen, die bei einer Temperatur von 150 °C oder mehr Wasser abspalten, 20 % bis 100 %, bezogen auf die Gesamtmasse des Additivs wie oben definiert. Ganz besonders bevorzugt beträgt der Anteil dehydratisierbarer anorganischer Verbindungen, die bei einer Temperatur von 150 °C oder mehr Wasser abspalten, 30 % bis 100 %, bezogen auf die Gesamtmasse des Additivs wie oben definiert. Insbesondere bevorzugt beträgt der Anteil dehydratisierbarer anorganischer Verbindungen, die bei einer Temperatur von 150 °C oder mehr Wasser abspalten, 50 % bis 100 %, bezogen auf die Gesamtmasse des Additivs wie oben definiert.
Bevorzugt enthält das Additiv Aluminiumhydroxid, wobei das im Additiv enthaltene Aluminiumhydroxid einen Wassergehalt im Bereich von 0,01 % bis 20%, bevorzugt von 0,01 % bis 12% haben kann. Besonders bevorzugt sind Aluminiumhydroxide mit unter 1 % Wassergehalt (d.h. weniger als 1 % Wassergehalt), ermittelt durch thermogravimetrische Analyse im Temperaturbereich bis 105 °C. Es ist also kein besonderer Aufwand für die Trocknung des Aluminiumhydroxids erforderlich.
Im Additiv kann Aluminiumhydroxid im Gemisch mit Eisenoxid und/oder Eisenhydroxid vorliegen, wobei der Anteil von Aluminiumhydroxid größer als 40% beträgt, bezogen auf die Gesamtmasse von Aluminiumhydroxid, Eisenoxid und/oder Eisenhydroxid.
Bevorzugt hat das erfindungsgemäß einzusetzende Additiv einen pH hat im Bereich von 7 bis 14, ermittelt gemäß DIN 19747:2009-07 (Probenvorbereitung), DIN EN 12457-1 DOOSOI (Auslaugung) und DIN EN ISO 10523:2012-04 (Bestimmung des pH-Werts). Bevorzugt enthält das erfindungsgemäß einzusetzende Additiv eine oder mehrere dehydratisierbare anorganische Verbindungen, welche in einem Temperaturbereich von 150 °C bis 850 °C Wasser abspalten.
Bevorzugt beträgt der Gesamtanteil von Elementen aus der Gruppe bestehend aus Pb, Cd, Cr, Co, Cu, Mo, Ni, Hg, Se, Zn, P, As, F, Br und C1 1 % Gew.% oder weniger, bevorzugt 0,5 Gew.% oder weniger, besonders bevorzugt 0,1 Gew.%, ganz besonders bevorzugt 0,05 Gew.% bezogen auf die Gesamtmasse des Additivs.
Beim Herstellen des Formstoffs ist die Reihenfolge, in der die einzelnen Bestandteile zusammengegeben werden, flexibel.
Beispielsweise können die Zuschlagstoffe als Mischung bereitgestellt werden.
Alternativ können in die Zuschlagstoffe Additiv und Smektit-haltiger Ton als Mischung bereitgestellt werden, und getrennt davon die weiteren Zuschlagstoffe. Diese Vorgehensweise entspricht der derzeit üblichen Bereitstellung von Glanzkohlenstoffbildern in einer vorgefertigten Mischung mit Smektit-haltigen Tonen. Somit können in der Gießerei vorhandene Vorrichtungen für die Lagerung und Dosierung weiterbenutzt werden.
Alternativ kann das Additiv getrennt von den weiteren Zuschlagstoffen bereitgestellt werden.
Alternativ können das Additiv und optional der Smektit-haltige Ton, oder eine Vormischung aus Additiv und Smektit-haltigem Ton zuerst mit dem ersten aufbereiteten Formstoff gemischt werden, und danach werden weitere Rohstoffe wie oben beschrieben zugegeben.
Bevorzugt beträgt die Gesamtmasse Rohstoffe aus der Gruppe bestehend aus
Formgrundstoff, zweiter aufbereiteter Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Formstoff aus nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, dritter aufbereiteter Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von außerhalb des Formstoffkreislaufs abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon
0,5 bis 10 Gew%, bevorzugt 1 bis 8 Gew.%, besonders bevorzugt 1 ,5 bis 7Gew.%, bezogen auf die Gesamtmasse des herzustellenden Formstoffs. Die Masse als Zuschlagstoff eingetragenen Smektit-haltigen Tons beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1 ,5 Gew%, weiter bevorzugt 0,3 bis 1 ,2 Gew.%, besonders bevorzugt 0,5 bis 1 ,0 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmasse des herzustellenden Formstoffs.
Die Gesamtmasse der mit dem Additiv (wie oben definiert) als Zuschlagstoff eingetragenen dehydratisierbaren anorganischen Verbindungen, die bei einer Temperatur von 150 °C o- der mehr Wasser abspalten, beträgt 0,1 bis 1 Gew%, bevorzugt 0,3 bis 0,8 Gew.%, besonders bevorzugt 0,4 bis 0,7 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmasse des herzustellenden Formstoffs.
Der im erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzende Smektit-haltige Ton ist bevorzugt Bentonit, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Natriumbentonit, Calciumbentonit und deren Mischungen.
Der Formgrundstoff ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Quarz-Sand, Olivin-Sand, Chromerz-Sand, Zirkon-Sand und Keramischen Sande, die künstlich hergestellt wurden, und Mischungen dieser Sande. Typischerweise enthält eine Form mindestens 40% Sand, bevorzugt über 50% Sand, besonders bevorzugt über60% Sand und ganz besonders bevorzugt über 70% Sand.
Bevorzugt ist das Verfahren so gestaltet, dass mindestens 90 Gew% des Formstoffs beim Abgießen einer Temperatur von höchstens 1000 °C ausgesetzt ist. Bei Temperaturen über 1000 °C wird Aluminiumhydroxid irreversibel in Korund (a-Aluminiumhydroxid) umgewandelt, das in einem späteren Zyklus bei Wasserzugabe in Schritt (1) nicht wieder in Aluminiumhydroxid überführt werden kann und damit nicht mehr in der Lage ist, als erfindungsgemäßes Additiv wie oben definiert zu wirken.
Daher ist es bevorzugt, dass weniger als 50 Gew%, vorzugsweise weniger als 25 Gew% und besonders bevorzugt weniger als 10 Gew% des im Formstoff enthaltenen AI2O3 in Form von Korund vorliegt.
Bevorzugt weist der im späteren Zyklus des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Formstoff folgende Parameter auf: eine Verdichtbarkeit im Bereich von 25 % bis 55 %, bestimmt gemäß VDG-Merkblatt P37 (April 1997) und/oder eine Gründruckfestigkeit im Bereich von 8 N/cm2 bis 35 N/cm2, bestimmt gemäß VDG-Merkblatt P38 (Mai 1997) und/oder eine Nasszugfestigkeit von 0,10 N/cm2 bis 0,50 N/cm2, bestimmt gemäß VDG- Merkblatt P38 (Mai 1997) und/oder eine Gasdurchlässigkeit von 70 bis 200, bestimmt gemäß BDG-Richtlinie P41 (Oktober 2013) und/oder einen Aktivtongehalt von 6 bis 14%, bestimmt durch die Methylenblau-Methode gemäß VDG-Merkblatt P035 (Oktober 1999) und/oder eine Fließbarkeit von 20% bis 90 %, bestimmt gemäß Morek Multiserw, Betriebstechnische Dokumentation Rammgerät vom Typ LUA-2e mit elektrischem Antrieb, Seite 7.
Besonders bevorzugt weist der im späteren Zyklus des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Formstoff folgende Parameter auf: eine Verdichtbarkeit im Bereich von 30 % bis 50 %, bestimmt gemäß VDG-Merkblatt P37 (April 1997) und/oder eine Gründruckfestigkeit im Bereich von 10 N/cm2 bis 28 N/cm2, bestimmt gemäß VDG-Merkblatt P38 (Mai 1997) und/oder eine Nasszugfestigkeit von 0,20 N/cm2 bis 0,45 N/cm2, bestimmt gemäß VDG- Merkblatt P38 (Mai 1997) und/oder eine Gasdurchlässigkeit von 90 bis 160, bestimmt gemäß BDG-Richtlinie P41 (Oktober 2013) und/oder einen Aktivtongehalt von 6 bis 14%, bestimmt durch die Methylenblau-Methode gemäß VDG-Merkblatt P035 (Oktober 1999) und/oder eine Fließbarkeit von 50% bis 90 %, bestimmt gemäß Morek Multiserw, Betriebstechnische Dokumentation Rammgerät vom Typ LUA-2e mit elektrischem Antrieb, Seite 7.
Bevorzugt liegen alle genannten Parameter des Formstoffs in den o.g. bevorzugten, insbesondere in den o.g. besonders bevorzugten Bereichen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung des oben definierten Additivs in einem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben definiert. Hinsichtlich bevorzugt zu verwendender Additive und bevorzugter Verfahrensgestaltungen gelten die obigen Ausführungen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 einen Formstoffkreislauf (Abguss in kernloser Form) gemäß dem Stand der Technik
Fig. 2 einen Formstoffkreislauf (Abguss in kernloser Form) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
Fig. 3 einen Formstoffkreislauf (Abguss in Form mit Kern) gemäß dem Stand der Technik
Fig. 4 einen Formstoffkreislauf (Abguss in Form mit tongebundenem Kern) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
Ein Zyklus eines Formstoffkreislaufs, wobei die in Schritt (3) abgegossene Form keinen eingelegten Kern enthält, umfasst gemäß Fig. 1 und Fig. 2 zumindest die Schritte (1) bis (5) wie oben definiert.
In Schritt (1) wird ein Formstoff hergestellt umfassend
(i) durch Aufbereiten des in einem früheren Zyklus des Formstoffkreislaufs resultierenden abgegossenen Formstoffs hergestellten ersten aufbereiteten Formstoff, welcher kein Material aus abgegossenen Kernen umfasst und
(ii) Zuschlagstoffe.
Die Zuschlagstoffe umfassen einen oder mehrere Rohstoffe aus der Gruppe bestehend aus frischem Formgrundstoff (Neusand), sowie mindestens einen aufbereiteten Formstoff aus der Gruppe bestehend aus zweitem aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, drittem aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, die außerhalb des in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Formstoffkreislaufs hergestellt und abgegossen wurden,
Smektit-haltiger Ton, bevorzugt Bentonit
Wasser.
Dabei stammen bevorzugt mindestens 90 Gew%, vorzugsweise mindestens 99 Gew% und besonders bevorzugt 100 Gew% des zweiten und des dritten aufbereiteten Formstoffs aus ton-gebundenen Formen und/oder Kernen. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens stammen höchstens 10 Gew%, vorzugsweise höchstens 1 Gew% und besonders bevorzugt 0 Gew% des zweiten und des dritten aufbereiteten Formstoffs aus Formen und/ oder Kernen, die mit einem anderen Bindemittel als Smektit-haltiger Ton hergestellt wurden.
Im nicht erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 1) wird in Schritt (1) bei der Herstellung des Formstoffs als weiterer Zuschlagstoff mindestens ein Glanzkohlenstoffbildner zugesetzt.
Im erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 2) wird in Schritt (1) bei der Herstellung des Formstoffs als weiterer Zuschlagstoff das oben definierte Additiv zugesetzt. Vorzugsweise enthält das Additiv Magnesiumhydroxid und/oder Aluminiumtrihydroxid oder besteht daraus. Bevorzugt werden bei der Herstellung des Formstoffs (wie oben beschrieben) kein Kohlenstoff und keine Kohlenstoffträger zugesetzt. D.h. vorzugsweise liegt Im erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 2) ein weitgehend anorganischer Formstoffkreislauf vor.
In Schritt (2) wird aus dem in Schritt (1) hergestellten Formstoff eine mit Smektit-haltigem Ton gebundene Form hergestellt.
In Schritt (3) wird ein Gussteil hergestellt durch Abgießen der in Schritt (2) hergestellten Form. Die Form enthält keine eingesetzten Kerne. In Schritt (4) wird das in Schritt (3) hergestellte Gussteil von der Form getrennt, wobei ein abgegossener Formstoff resultiert, welcher Material aus einer abgegossenen Form umfasst, aber kein Material aus abgegossenen Kernen. Vorzugsweise wird vor dem Trennen in Schritt (4) die Form mit dem Gussteil abgekühlt.
In Schritt (5) wird der abgegossene Formstoff aus Schritt (4) aufbereitet, so dass ein erster aufbereiteter Formstoff erhalten wird zum Herstellen eines neuen Formstoffs in Schritt (1) eines späteren, insbesondere des nächsten Zyklus. Vorzugsweise wird vor dem Aufbereiten in Schritt (5) der abgegossene Formstoff abgekühlt. Beim Aufbereiten wird ggf. ein Teil des abgegossenen Formstoffs ausgetragen, so dass ein ausgetragener Formstoff resultiert.
Wurde beim Aufbereiten in Schritt (5) nicht bereits ein Teil des abgegossenen Formstoffs ausgetragen, so wird, um die Masse des im Kreislauf geführten Formstoffs konstant zu halten, ein Teil des in Schritt (1) des nächsten Zyklus hergestellten Formstoffs ausgetragen, so dass ausgetragener Formstoff resultiert.
In Schritt (1) eines späteren, insbesondere des nächsten Zyklus wird der in Schritt (5) des früheren, insbesondere des vorigen Zyklus, resultierende erste aufbereitete Formstoff zur Herstellung eines neuen Formstoffs verwendet wie oben beschrieben.
Ein Zyklus eines Formstoffkreislaufs, wobei die in Schritt (3) abgegossene Form mindestens einen mit Smektit-haltigem Ton gebundenen Kern enthält, umfasst gemäß Fig. 3 und Fig. 4 zumindest die Schritte (1), (1 a), (2), (2a), (3), (4) und (5) wie oben definiert.
In Schritt (1) wird ein Formstoff hergestellt umfassend
(i) durch Aufbereiten des in einem früheren Zyklus des Formstoffkreislaufs resultierenden abgegossenen Formstoffs hergestellten ersten aufbereiteten Formstoff, welcher Material aus abgegossenen Kernen umfasst und
(ii) Zuschlagstoffe.
Die Zuschlagstoffe umfassen einen oder mehrere Rohstoffe aus der Gruppe bestehend aus frischem Formgrundstoff (Neusand), sowie mindestens einen aufbereiteten Formstoff aus der Gruppe bestehend aus zweitem aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, die außerhalb des in Fig.
3 bzw. Fig. 4 dargestellten Formstoffkreislaufs hergestellt und abgegossen wurden, drittem aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon,
Smektit-haltiger Ton, vorzugsweise Bentonit
Wasser.
Dabei stammen bevorzugt mindestens 90 Gew%, vorzugsweise mindestens 99 Gew% und besonders bevorzugt 100 Gew% des zweiten und des dritten aufbereiteten Formstoffs aus tongebundenen Formen und/oder Kernen. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens stammen höchstens 10 Gew%, vorzugsweise höchstens 1 Gew% und besonders bevorzugt 0 Gew% des zweiten und des dritten aufbereiteten Formstoffs aus Formen und/oder Kernen, die mit einem anderen Bindemittel als Smektit- haltiger Ton hergestellt wurden.
Im nicht erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 3) wird in Schritt (1) bei der Herstellung des Formstoffs als weiterer Zuschlagstoff mindestens ein Glanzkohlenstoffbildner zugesetzt.
Im erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 4) wird in Schritt (1) bei der Herstellung des Formstoffs als weiterer Zuschlagstoff das oben definierte Additiv zugesetzt. Vorzugsweise enthält das Additiv Aluminiumtrihydroxid und/oder Magnesiumhydroxid oder besteht daraus. Bevorzugt werden bei der Herstellung des Formstoffs (wie oben beschrieben) kein Kohlenstoff und keine Kohlenstoffträger zugesetzt. D.h. vorzugsweise liegt Im erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 4) ein weitgehend anorganischer Formstoffkreislauf vor.
In Schritt (1 a) wird ein Formstoff zum Herstellen mindestens eines Kerns (Kernformstoff) her- oder bereitgestellt. Dieser Formstoff umfasst einen Formgrundstoff, Smektit-haltigen Ton als Bindemittel und ggf. Additive. Geeignete Additive für Formstoffe zur Herstellung von Kernen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
In Schritt (2) wird aus dem in Schritt (1) hergestellten Formstoff eine mit Smektit-haltigem Ton gebundene Form hergestellt. In Schritt (2a) wird aus dem in Schritt (1 a) her- oder bereitgestellten Formstoff (Kernformstoff) mindestens ein Kern hergestellt und in die in Schritt (2) hergestellte Form eingesetzt.
In Schritt (3) wird ein Gussteil hergestellt durch Abgießen der in Schritt (2) hergestellten Form, die mindestens einen eingesetzten Kern enthält.
In Schritt (4) wird das in Schritt (3) hergestellte Gussteil von der Form getrennt, wobei ein abgegossener Formstoff resultiert, welcher Material aus der abgegossenen tongebundenen Form umfasst, und Material aus dem abgegossenen tongebundenen Kern.
Vorzugsweise wird vor dem Trennen in Schritt (4) die Form mit dem Gussteil abgekühlt.
In Schritt (5) wird der abgegossene Formstoff aus Schritt (4) aufbereitet, so dass ein erster aufbereiteter Formstoff erhalten wird zum Herstellen eines neuen Formstoffs in Schritt (1) eines späteren, insbesondere des nächsten Zyklus. Vorzugsweise wird vor dem Aufbereiten in Schritt (5) der abgegossene Formstoff abgekühlt. Beim Aufbereiten wird ggf. ein Teil des abgegossenen Formstoffs ausgetragen, so dass ein ausgetragener Formstoff resultiert.
Wurde beim Aufbereiten in Schritt (5) nicht bereits ein Teil des abgegossenen Formstoffs ausgetragen, so wird, um die Masse des im Kreislauf geführten Formstoffs konstant zu halten, ein Teil des in Schritt (1) des nächsten Zyklus hergestellten Formstoffs ausgetragen, so dass ausgetragener Formstoff resultiert.
In Schritt (1) eines späteren, insbesondere des nächsten Zyklus wird der in Schritt (5) des früheren, insbesondere des vorigen Zyklus, resultierende erste aufbereitete Formstoff zur Herstellung eines neuen Formstoffs verwendet wie oben beschrieben.
Nachstehend wird die Erfindung durch nicht einschränkende Beispiele weiter beschrieben. 0. Prüfmethoden und Formstoffe
0.1 Prüfmethoden
Es wurden folgende Prüfmethoden (Messmethoden) verwendet (Tabelle 1)
Tabelle 1: Verwendete Messmethoden
Es werden Hülsen- und Rippenmodelleinrichtungen wie in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032) beschrieben hergestellt und in den folgenden Versuchen verwendet.
0.2 Verwendete Materialien Alle Angaben zu Rohstoffdosierungen beziehen sich jeweils auf den reinen Rohstoff, das heißt als trockene Materialien, also ohne ggf. enthaltene Feuchtigkeit oder Hydratwasser.
Im Rahmen der Untersuchungen wurde ein Formstoff (nachstehend auch als Ausgangsformstoff bezeichnet) aus dem konditionierten Formstoffkreislaufsystem einer Bremsscheibengießerei als Ausgangsmaterial verwendet für Versuche zur Umstellung von Formstoff- kreislaufsystemen, die Glanzkohlenstoffbildner enthalten. Der Formstoff kann durch folgende Daten beschrieben werden (Tabelle 2). Tabelle 2: Parameter des Ausgangsformstoffs
Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden aufbereitete Formstoffe aus Kernsanden verwendet (zweiter aufbereiteter Formstoff wie oben definiert). Hierzu wurden Kerne mit einem organischen Bindemittel bzw. einem anorganischen Bindemittel herge- stellt und anschließend über ein Kreisschwingsieb der Firma Webac geraspelt.
Ausgangsmaterial für einen mit einem organischen Bindemittel hergestellten Formstoff sind im Cold-Box- Verfahren hergestellte Kerne, die mit dem von der Firma Hüttenes-Alber- tus Chemische Werke GmbH vertriebenen Bindemittel Biocure 8568P1 / Silcure 8431 P2 auf einer Kernschießmaschine LL20 der Firma Laempe hergestellt werden. Hierzu wurde ein Sand des Typs H32 der Firma Quarzwerke verwendet und auf 100 Gew. -Teile Sand jeweils 0,7 Gew. -Teile der Binderkomponenten dosiert. Die Kerne wurden mit einem Schießdruck von 450 kPa (4,5 bar) und einer Schießzeit von 1 ,5 Sekunden hergestellt und dann zur Aushärtung bei einem Begasungsdruck von 200 kPa (2 bar) für 45 s mit 10 g Dimethylpropylamin (N,N-Dimethylpropylamin, Katalysator GH6 der Firma Hütten es- Albertus Chemische Werke GmbH) durchströmt. Ausgangsmaterial für einen mit einem anorganischen Bindemittel hergestellten Formstoff sind Kerne, die mit dem von der Firma Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH vertriebenen Bindemittelsystem Cordis 9477 / Anorgit 9476 auf einer LL20 Kernschießmaschine der Firma Laempe hergestellt werden. Hierzu wird ein Sand des Typs H32 der Firma Quarzwerke verwendet und auf 100 Gew. -Teile Sand jeweils 2,2 Gew.-Teile Cordis 9477 und 1 ,15 Gew.-Teile Anorgit 9476 der Binderkomponenten dosiert. Die Kerne werden mit einem Schießdruck von 450 kPa (4,5 bar) und einer Schießzeit von 1 ,5 Sekunden in einem auf 180 °C temperierten Kernkasten hergestellt. Zur Aushärtung wurden die Kerne mit bei 200 kPa (2 bar) Begasungsdruck für 1 Minute mit 120°C heißer Luft durchströmt.
Die Kerne werden mit einem Kreisschwingsieb (Kreisschwingsieb - 175056 Versuchsan- läge, Firma Webac) geraspelt. Der erhaltene Formstoff weist die in Tabelle 3 aufgezeigten Eigenschaften auf.
Tabelle 3: Parameter der aufbereiteten Formstoffe aus Kernsanden
Die Abkürzung NG zeigt an, dass die Messwerte unter der Nachweisgrenze liegen Ausgangsmaterial für unter den Versuchsbedingungen nicht zerfallende Kerne (d.h. Kerne, die beim Trennen (Schritt (4)) nicht zerfallen, siehe unten, Punkt 3, Versuchsreihe A) ist Quarzsand des Typs HAP 0.20/0.315/0,40 der Firma HA Polska sowie ein anorganisches Bindemittel bestehend aus Wasserglas des Typs Steinex 48/50 Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH in Verbindung mit Silica Fume Q1 -Plus der Firma RW Silicium. Es wurden 100 Gew. -Teile Quarzsand mit 1 ,1 Gew.-Teile Silica Fume Q1 -Plus und 3,4 Gew.- Teilen Steinex48/50 gemischt und in einem Schüttkernkasten in Form des Kernes gebracht. Anschließend wurde der Kern in einer Laborkernschießmaschine der Firma Morek mit 150 kPa (1 ,5 bar) Begasungsdruck mit 100°C heißem CO2 60s begast und so ausgehärtet.
1 . Screening-Versuche zur Identifizierung geeigneter Additive
Es werden 6 kg Quarzsand (H32, Firma Quarzwerke) in einem Mischer (Kollergang-Mischer LM-2e, Firma Morek MULTISERW) mit 120 ml Wasser für 2 min mit der Geschwindigkeit 40 U/min gemischt. Anschließend werden 0,48 Kg Bentonit (Trocken-Gewicht) (Nat- roben 25F, Clariant) und 0,30 Kg Additiv (Trocken-Gewicht) zugeben und für 7 min mit der Geschwindigkeit 40 U/min gemischt. Die so erhaltende Mischung wird per Hand durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 3 mm gesiebt, und anschließend wird an dem Material die Verdichtbarkeit (VDK) (Prüfgeräte Typ: PVG; ID Nr:1501 , Baujahr: 2000) bestimmt. Wenn die VDK größer 46,0 % beträgt, wird die Mischung nochmal gesiebt und die Messung der VDK wiederholt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die VDK unterhalb von 46,0 % liegt. Wenn die VDK weniger als 44,0 % beträgt, werden 7-12 ml Wasser hinzugegeben und noch einmal für 1 min gemischt, und anschließend werden Siebung und Messung der VDK wiederholt. Die Zugabe von Wasser wird so lange wiederholt, bis der VDK über 44,0 % beträgt.
Als Referenz für die Formstoffeigenschaften werden 3 verschiedene Mischungen mit Glanzkohlenstoffbildner gemäß dem Stand der Technik herangezogen:
1) ein kommerziell erhältlicher Premix aus 25% Glanzkohlenstoffbildner (“sea coal”) und 75% Natriumbentonit (NEMIR 2575) der Firma HA Italia S.p.A.
2) 5 Gewichtsteile Koksmehl (metallurgischer Koks) der Firma LuxCarbon GmbH als Glanzkohlenstoffbildner und 8 Gewichtsteile Bentonit (Natroben 25F, Clariant)
3) 5 Gewichtteile Carboluxon 100/P der Firma Hüttenes-Albertus France als kommerziell erhältlicher Glanzkohlenstoffbildner und 8 Gewichtsteile Bentonit (Natroben 25F, Clariant). Neben den Formstoffkennwerten ist auch die Gussqualität ein entscheidendes Kriterium, um geeignete Additive auszuwählen. Hierfür, d.h. zur Überprüfung der Gussqualität, wird mittels der in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032) beschriebenen Hülsenmodelleinrichtung abgegossen, d.h. es werden entsprechend der Hülsenmodelleinrichtung wie in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032) beschrieben hergestellte Formen abgegossen, die Gussteile werden anschließend gestrahlt und die Oberflächenrauigkeit wird in Anlehnung an die DIN EN ISO 4287 (R_ISO) vermessen. Es werden jeweils 2 Gussteile untersucht, hierbei werden die Oberflächen bei kleinem, mittlerem und großen Abstand der sternförmig angeordneten Rippen jeweils 3-fach mit einem Oberflächenmessgerät Mitutoyo SJ-500P auf einer Messstrecke von jeweils 8 mm vermessen. Es lässt sich kein einheitlicherTrend in Bezug auf den Abstand der Rippen zueinander und die Oberflächenrauheit ermitteln, daher wird zur Vereinfachung der Bewertung der Mittelwert über alle durchgeführten Messungen herangezogen. Hierbei zeigt sich, dass die Oberflächenrauheit bei allen erhaltenen Gussteilen in einem Bereich liegt, der die kommerzielle Verwendung erlaubt.
1 .1 Verschiedene Aluminiumhydroxid- und Maqnesiumhydroxid-Typen als Additive
Für die Untersuchung von Aluminiumhydroxiden werden AI(OH)3 des Typs SH500 (SH500 nuance-00, Alteo) und des Typs SH950 (SH950 nuance-00, Alteo) verwendet.
Für die Untersuchung von Magnesiumhydroxiden werden Brucit Typ 1 , Brucit Typ 2 und Brucit Typ 3 von der Ziegler & Co. GmbH verwendet (Tabelle 4, alle Werte gemäß Technischem Datenblatt der Firma Ziegler von 10/2020).
Tabelle 4: Parameter der als Additiv eingesetzten Brucit-Typen
Tabelle 5 zeigt die Formstoffeigenschaften und die Rauheit des Gussstücks bei Verwendung verschiedener Hydroxide sowie der als Referenz eingesetzten Glanzkohlenstoffbildner 1) bis 3). Als besonders positiv werden Trockendruckfestigkeiten (TDF) von <35 N/cm2 und Wassergehalte von <2,8% angesehen, während Trockendruckfestigkeiten von >50 N/cm2 als negativ bewertet werden, ebenso wie Wassergehalte von >3,2%. Hydroxide, insbesondere Aluminiumhydroxid AI(OH)3 und Magnesiumhydroxid Mg(OH)2 ermöglichen die Herstellung von Formen und zeigen gute Formstoffkennwerte (vgl. Tabelle 5).
Tabelle 5: Formstoffeigenschaften und Flauheit des Gussstücks bei Verwendung von verschiedenen Hydroxiden bzw. Glanzkohlenstoffbildnern als Additiv
1 .2 Untersuchung von Aluminiumhydroxid AKOHh als Additiv mit Zugabe von Glanzkohlenstoffbildnern
Die guten Werte für Hydroxide, insbesondere Aluminiumhydroxid AI(OH)3, können durch die Zugabe von Glanzkohlenstoffbildnern wie Carboluxon 100/P weiter verbessert werden, siehe Tabelle 6. Insbesondere die Oberflächenrauheit der Gussteile verringert sich durch den Einsatz von Carboluxon 100/P, wobei aber auch die bei Einsatz von reinem Aluminiumhydroxid gefundenen Werte ausreichend sind. Tabelle 6: Formstoffeigenschaften und Flauheit des Gussteils bei Verwendung von AI(OH)3
SH 950 als Additiv mit Zugabe von Glanzkohlenstoffbildner Carbo luxon 100/P 1 .3 Untersuchungen verschiedener Carbonate als Vergleichs-Additive
Während mit Huntit (Handelsname UltraCarb D98, bezogen von der Firma LKAB Minerals) keine ausreichend guten Formstoffwerte erzielt werden können, zeigen Dolomit und Mangancarbonat (bezogen von der TROPAG GmbH) durchaus akzeptable Formstoffwerte (Tabelle 7).
Als Dolomite wurden Bianco Zandobbio 0/50 micron der Firma Ziegler und PE-DOL 90 der Firma Possehl Erzkontor eingesetzt. Insgesamt sind die Formstoffkennwerte im Vergleich zu denen bei Verwendung der oben beschriebenen Hydroxide etwas schlechter. Die Werte lassen dennoch eine Verwendung der Materialien als Ersatz für klassische Glanzkohlen- Stoffbildner zu. Carbonate haben jedoch den Nachteil, dass sie Kohlenstoff enthalten.
Tabelle 7: Formstoffeigenschaften bei der Verwendung von verschiedenen Carbonaten bzw. Glanzkohlenstoffbildnern als Additiv
Die Formstoffeigenschaften lassen sich durch die Mischung der Carbonate mit Hydroxiden verbessern (Tabelle 8). Hierbei ist MixMag eine 50%/50% Mischung aus Brucit (93% Mg(OH)2) mit Rohmagnesit (92% MgCO3), die von der Firma Possehl Erzkontor GmbH & Co. KG bezogen wurden, und Dolomag ist eine 50%/50% Mischung aus Brucit (93% Mg(OH)2) und Dolomit (95% CaMg(CO3)2), die ebenfalls von der Firma Possehl Erzkontor bezogen wurde.
Tabelle 8: Formstoffeigenschaften und Flauheit des Gussteils bei der Verwendung von verschiedenen Carbonat-Hydroxid Mischungen
Wird einer Mischung aus Hydroxid und Carbonat zusätzlich ein Glanzkohlenstoffbildner gemäß dem Stand der Technik wie Carboluxon 100/P zugesetzt, so können die Formstoffwerte weiter verbessert werden (Tabelle 9).
Tabelle 9: Formstoffeigenschaften bei der Verwendung von verschiedenen Carbonat-Hyd- roxid Mischungen mit Zuschlag von Carboluxon 100/P als Glanzkohlenstoffbildner
1 .4 Emissionen des verwendeten Bentonits und der verwendeten Additive
Tabelle 10 zeigt Emissionsmessungen des verwendeten Bentonits und der verwendeten Additive. Die Emissionsmessungen wurden am Gießerei-Institut der Universität Freiberg durchgeführt; hierzu wurden die Materialien in einem Röhrenofen bei 900°C eingebracht und die entstehenden Emissionen mittels Online FT-IR gemessen; die Kalibrierung erfolgte über Prüfgase.
Die Emissionen der erfindungsgemäß zu verwendenden Additive sind deutlich niedriger als die Emissionen herkömmlicher Glanzkohlenstoffbildner wie das oben beschriebene Koksmehl der Firma LuxCarbon oder das Produkt Carboluxon 100/P. Carbonate (nicht er- findungsgemäß) wie Mangancarbonat verringern zwar die Emissionen von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Benzol, Toluol, Xylol, führen aber erwartungsgemäß zu deutlich erhöhten C02-Emission in Vergleich zu den Hydroxiden wie AI(OH)3. Erfindungsgemäß werden Carbonate daher vorzugsweise in Kombination mit Hydroxiden eingesetzt. Tabelle 10: Ergebnisse von Emissionsmessungen bei der Verwendung von unterschiedlichen Additiven (alle Angaben in mg/kg, d.h. mg der betreffenden Emission / kg Material)
2. Herstellung und Test von Formstoffen im Kreislauf
Diese Versuche haben das Ziel, eine bestimmte Menge Formstoff mehrmals abzugießen und wieder aufzubereiten. Wie in der industriellen Gießerei üblich wird der Formstoff dabei in einem Kreislauf geführt. Bei jeder Aufbereitung des Formstoffes werden Additive zugeführt, die sich mit jedem Zyklus anreichern. Komponenten, die im Ausgangsformstoff vorhanden sind, aber nicht mehr zugegeben werden, verringern sich, d.h. die Anteile der Komponenten, die in den Folgezyklen nicht mehr zugegeben werden, verringern sich. Die Gesamtmenge des Formstoffs im Kreislauf ist konstant und beträgt rund 8 kg. Pro Zyklus werden zwei Formen entsprechend der Hülsenmodelleinrichtung wie in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032) beschrieben hergestellt und abgegossen.
Zur Veranschaulichung der Versuchsdurchführung wird auf den Formstoffkreislauf in Fig. 2 verwiesen.
Die Zyklen des Formstoffkreislaufes umfassen folgende Schritte:
Herstellen des Formstoffes (Schritt (1), erster Zyklus)
Versuchsreihen 2.1 , 2.2.1 , 2.2.2, 2.3.1 , 2.3.2 wie unten beschrieben
Im ersten Zyklus werden 6 kg Quarzsand des Typs H32 der Firma Quarzwerke verwendet. Der Formgrundstoff wird dann mit 480 g Natriumbentonit (Natroben 25F, HA ITALIA S.p.A., das ist ein Na-Bentonit, der durch Aktivierung eines natürlichen Ca-Bentonites hergestellt wurde) und 300 g des jeweiligen Additivs sowie 120 ml Wasser auf einem Kollergang-Mischer der Firma Morek Multiserw 1 Minute ohne Wasser gemischt und dann noch einmal 7 Minuten nach der Wasserzugabe gemischt. Dazu wird zunächst der Formgrundstoff mit 120 ml Wasser auf einem Kollergang-Mischer der Firma Morek Multiserw 1 Minute gemischt, und dann nach Zugabe von 480 g Natriumbentonit (Natroben 25F, HA ITALIA S.p.A.) und 300 g des jeweiligen Additivs auf einem Kollergang-Mischer der Firma Morek Multiserw noch einmal 7 Minuten gemischt. Versuchsreihen 2.4-2.6 wie unten beschrieben
Im ersten Zyklus werden 3,7 kg Quarzsand des Typs H32 der Firma Quarzwerke verwendet. Der Formgrundstoff wird dann mit 322 g Volclay (Gießereibentonit GEKO™ V der Clariant Deutschland GmbH, das ist ein natürlich vorkommender Na-Bentonit) und 207 g des jeweiligen Additivs sowie 130 ml Wasser auf einem Kollergang-Mischer der Firma Morek Multiserw 1 Minute ohne Wasser gemischt und dann noch einmal 7 Minuten nach der Wasserzugabe gemischt. Dazu wird zunächst der Formgrundstoff mit 130 ml Wasser auf einem Kollergang-Mischer der Firma Morek Multiserw 1 Minute gemischt, und dann nach Zugabe von 322 g Volclay und 207 g des jeweiligen Additivs auf einem Kollergang-Mischer der Firma Morek Multiserw noch einmal 7 Minuten gemischt.
Die weiteren Ausführungen gelten für alle Versuchsreihen 2.1 bis 2.6 (sofern nicht anders angegeben).
Bei jedem Herstellen (Schritt (1)) des Formstoffes werden Additive zugeführt, die sich mit jedem Zyklus anreichern. Durch den Austrag eines Teils des abgegossenen Formstoffs in Schritt (5) bzw. in Schritt (1) des nächsten Zyklus (vgl. Figur 2) verringert sich der Anteil an Komponenten, die im Ausgangsformstoff vorhanden sind, aber nicht mehr zugegeben werden.
Herstellen der Form (Schritt (2) in allen Zyklen)
Hierzu wird der Formstoff 3 Minuten nach dem Mischen in die Form der Hülsenmodelleinrichtung gefüllt und in 2 Pressvorgängen verdichtet (Füllen, Pressen, Nachfüllen, Pressen) Der Vorgang wird in weiteren 3 Minuten abgeschlossen. Es werden jeweils pro Versuch 2 Formen hergestellt.
Abqießen (Schritt (3) in allen Zyklen)
Die Formen werden nach 30 Minuten Wartezeit hintereinander abgegossen. Die Form wird mit flüssigem Metall der Legierung GJL 250 bei 1450 °C mit Hilfe eines Gießlöffels abgegossen. Die abgegossene Form steht über Nacht bis zum Trennen. Das Gussteil kühlt hierbei ab und der Formstoff heizt sich erst auf und kühlt über Nacht in der Form ab. Trennen (Schritt (4) in allen Zyklen)
Gussteil und abgegossener Formstoff werden getrennt.
Aufbereiten (Schritt (5) in allen Zyklen)
Der Formstoff wird in ein Vorratsbehältnis gefüllt und die Formstoffknollen werden zerdrückt. Metallreste werden entfernt.
Herstellung des Formstoffs (Schritt (1) im 2. und jedem weiteren Zyklus)
Es wird ein neuer Formstoff hergestellt durch Auffrischen des aufbereiteten Formstoffs aus dem vorigen Zyklus (erster aufbereiteter Formstoff) mittels Zuschlag von Bentonit, Wasser, Additiv (wie oben definiert) und frischem Formgrundstoff (Neusand) oder einem zweiten aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Kernen (zu Details s. u.).
Dem aufbereiteten Formstoff aus dem vorigen Zyklus wird frischer Formgrundstoff oder ein zweiter aufbereiteter Formstoff, hergestellt durch Aufbereiten von Kernen (zu Details s. u.), zugegeben und mit 120 ml Wasser 1 Minute gemischt, und dann nach Zugabe von Natriumbentonit (Natroben 25F, HA ITALIA S.p.A., Versuchsreihen 2.1 , 2.2.1 , 2.2.2, 2.3.1 , 2.3.2) bzw. Volclay (Gießereibentonit GEKO™ V der Clariant Deutschland GmbH, Versuchsreihen 2.4, 2.5 und 2.6) und des jeweiligen Additivs (Mengenangaben zu Bentonit und Additiv siehe unten) auf einem Kollergang-Mischer der Firma Morek Multiserw noch einmal 7 Minuten gemischt.
Der Mengenzuwachs des Formstoffs durch Zugaben im Mischer, d.h. der aus dem oben definierten Zuschlag resultierende Mengenzuwachs des Formstoffs, wird reguliert, indem dieselbe Menge fertig gemischter Formstoff bei jedem Zyklus entnommen wird.
Bei jedem Herstellen (Schritt (1)) des Formstoffes werden Additive zugeführt, die sich mit jedem Zyklus anreichern. Durch den Austrag eines Teils des abgegossenen Formstoffs verringert sich der Anteil an Komponenten, die im Ausgangsformstoff vorhanden sind, aber in den Folgezyklen nicht mehr zugegeben werden. 2.1 Additiv AI(OH)3 bzw. MqfOHh bei Zuschlag von frischem Formqrundstoff in den Folqezyklen
Es werden jeweils 10 Zyklen (0-9) unter Verwendung der in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032) beschriebenen Hülsenmodelleinrichtung durchgeführt, wobei im ersten Versuch mit 100% frischem Formgrundstoff des Typs H32 der Firma Quarzwerke gearbeitet wird.
In allen folgenden Zyklen 1 bis 9 werden jeweils 4 kg des gebrauchten Formstoffes aus dem vorherigen Abguss verwendet, und mit 400 g Formgrundstoff (frischer Formgrundstoff), sowie 64 g Bentonit und 20 g des jeweiligen Additivs aufgefrischt.
Als Additiv Aluminiumhydroxid AI(OH)3 wird SH950 nuance-00 von Alteo verwendet. Die Ergebnisse der Versuche mit AI(OH)3 sind in Tabelle 1 1 dargestellt.
Als Additiv Magnesiumhydroxid Mg(OH)2 wird Brucit Typ 3 der Ziegler & Co. GmbH verwendet. Die Ergebnisse der Versuche mit Mg(OH)2 sind in Tabelle 12 dargestellt.
Beide Additive zeigen bei Verwendung von frischem Formgrundstoff als Zuschlagstoff (vgl. Figur 2, Schritt (1)) gute Formeigenschaften und eine vergleichbare Oberflächengüte, die sich an der gemessenen Rauheit der Gussteile erkennen lässt.
AI(OH)3 als Additiv ergibt einen höheren Aktivtongehalt und einen deutlich niedrigeren Glühverlust. Sowohl für AI(OH)3 als auch für Mg(OH)2 sind die Formstoffeigenschaften und die Gussteile von guter Qualität. Dementsprechend niedrig ist die Oberflächenrauheit der Gussteile.
Tabelle 11 : Kennwerte von Proben, die in den jeweiligen Zyklen entnommen wurden zur Bestimmung der Formstoffeigenschaften mit AljOHjs als Additiv, und Oberflächenrauheit des Gussteils
Tabelle 12: Kennwerte von Proben, die in den jeweiligen Zyklen entnommen wurden zur Bestimmung der Formstoffeigenschaften mit Mg(OH)2 als Additiv, und Oberflächenrauheit des Gussteils
2.2 AI(OH)3 und MqfOHh bei Zuschlag von ColdBox-Kernsand in den Folqezyklen (nicht erfindunqsqemäß)
Es werden jeweils 31 Zyklen (0-30) unter Verwendung der in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032) beschriebenen Hülsenmodelleinrichtung durchgeführt. Die Versuchsdurchführung und Messung der Formstoff- und Gussteileigenschaften geschieht wie in Kapitel 2.1 beschrieben, allerdings wird in den Folgezyklen anstelle von frischem Formgrundstoff ein zweiter aufbereiteter Formstoff (vgl. Fig.
2, Schritt (1)) hergestellt durch Aufbereiten von nicht abgegossenen Kernen zugegeben (Mengenanteil am hergestellten Formstoff siehe Tabelle 13 bzw. 16), die mit Cold-Box Bindemittel hergestellt worden waren („ColdBox-Kernsand“).
2.2.1 Aluminiumhydroxid AKOHh bei Zuschlag von ColdBox-Kernsand in den Folqezyklen
Bei Verwendung von Aluminiumhydroxid AI(OH)3 zeigen sich die Formstoffeigenschaften bei 5% Zuschlag von ColdBox-Kernsand so stabil, dass ab Zyklus 15 der Zuschlag auf 10% ColdBox-Kernsand erhöht wird (Tabellen 13 und 14). Weiterhin blieben die Formstoffeigenschaften stabil.
Tabelle 13: Zusammensetzung und Verdichtbarkeit der Formstoffmischung in den einzelnen Zyklen
Tabelle 14: Kennwerte von Proben, die in den jeweiligen Zyklen entnommen wurden
Die Daten der CNS-Analyse der Formstoffe aus den verschiedenen Zyklen zeigen die Zunahme der Kohlenstoff- und Stickstoff-Anteile, die aus dem Zuschlag von ColdBox- Kernsand stammen. Die Oberflächenrauigkeit der Gussteile ist im Vergleich zur Versuchsreihe mit Zuschlag von Neusand (siehe oben 2.1) statt Cold-Box-Kernsand verbessert, dies ist dem Eintrag des Kernsandes zuzuschreiben (Tabelle 15).
Tabelle 15: CNS-Analyse ausgewählter Zyklen und Oberflächenrauheit der zugehörigen Gussteile (1) Die Abkürzung NG zeigt an, dass die Messwerte unter der Nachweisgrenze liegen
2.2.2 Mq(OH)2 bei Zuschlag von ColdBox-Kernsand in den Folqezyklen
Mit Magnesiumhydroxid Mg(OH)2 in Form von Brucit Typ 3 als Additiv zeigt sich bereits nach wenigen Zyklen, dass die Eigenschaften des Formstoffs nicht stabil gehalten werden können. Daher wird in den Zyklen 8 und 14 der Bentonitgehalt des Formstoffs angehoben (Tabelle 16). Trotzdem ergibt sich keine Stabilisierung der Formstoffkennwerte (Tabelle 17). Insbesondere die Nasszugfestigkeit nimmt mit zunehmender Zahl an Zyklen ab und diesem Trend kann durch Zusatz von weiterem frischen Bentonit nur kurzfristig entgegengewirkt werden. Tabelle 16: Zusammensetzung und Verdichtbarkeit der Formstoffmischung in den einzelnen Zyklen
Tabelle 17: Kennwerte von Proben, die in den jeweiligen Zyklen entnommen wurden
Wie erwartet steigen beim Zuschlag von ColdBox-Kernsand der Kohlenstoffgehalt und in begrenztem Maß auch der Stickstoffgehalt des Formstoffs an (Tabelle 18). Die Oberflächenrauigkeit der Gussteile ist gut und wird nicht negativ beeinflusst. Im Gegensatz zu Aluminiumhydroxid AI(OH)3 (siehe Versuchsreihe 2.2.1 oben) ermöglicht Magnesiumhyd- roxid Mg(OH)2 bei organischem Kernsandzulauf (d.h. ColdBox-Kernsand, s.o.) jedoch keinen Formstoffkreislauf mit stabilen Formstoffeigenschaften (Tabelle 17).
Tabelle 18: CNS-Analyse ausgewählter Zyklen und Oberflächenrauheit der zugehörigen Gussteile
(1) Die Abkürzung NG zeigt an, dass die Messwerte unter der Nachweisgrenze liegen 2.3 AI(OH)3 und MgfOHh bei Zuschlag von anorganisch gebundenem Kernsand in den
Folgezyklen (nicht erfindungsgemäß)
Es werden jeweils 31 Zyklen (0-30) unter Verwendung der in (https://www. researchdisclosure. com/database/RD705032) beschriebenen Hülsenmodelleinrichtung durchgeführt. Die Versuchsdurchführung und Messung der Formstoff- und Gussteileigenschaften geschieht wie in Kapitel 2.1 beschrieben, allerdings wird in den Folgezyklen anstelle von frischem Formgrundstoff ein zweiter aufbereiteter Formstoff (vgl. Fig. 2, Schritt (1)) hergestellt durch Aufbereiten von nicht abgegossenen Kernen zugegeben (Mengenanteil am hergestellten Formstoff siehe Tabelle 19 bzw. 22), die mit anorganischem Bindemittel (Wasserglas) her- gestellt worden waren („lOB-Kernsand“). Es handelt sich daher um einen in Bezug auf alle eingesetzten Bindemittel anorganischen Formstoffkreislauf.
2.3.1 Aluminiumhydroxid AKOHh als Additiv bei Zuschlag von anorganisch gebundenem Kernsand in den Folgezyklen
Auch bei Zuschlag von lOB-Kernsand wird bei Verwendung von Aluminiumhydroxid AI(OH)3 ein Formstoffkreislauf mit stabilen Formstoffeigenschaften erhalten, so dass der Zuschlag an lOB-Kernsand ab Zyklus 15 auf 10% erhöht wird (Tabellen 19 und 20).
Tabelle 19: Zusammensetzung und Verdichtbarkeit der Formstoffmischungen in den einzelnen Zyklen Tabelle 20: Kennwerte von Proben, die in den jeweiligen Zyklen entnommen wurden
Die Formstoffanalysen (Tabelle 21) zeigen, dass es nicht zu einer signifikanten Anreicherung von Kohlenstoff, Stickstoff oder Schwefel im Formstoff kommt, C-haltige (kohlenstoffhaltige) Komponenten aus dem anorganischen Bindemittel (wie z.B. Tenside) sind von untergeordneter Bedeutung. Die geringe C-Belastung (Kohlenstoffbelastung) ist einer der großen Vorteile dieses anorganischen Formstoffkreislaufs, da nursehr geringe Emissionen zu erwarten sind (siehe unten). Die erhaltenen Oberflächenrauheiten (Tabelle 21) sind trotz des geringeren Kohlenstoffgehalts sehr nah an denen der Versuche mit Zuschlag von Coldbox-Kernsand (Versuchsreihe 2.2.1).
Tabelle 21: CNS-Analyse von ausgewählten Zyklen und Oberflächenrauheit der zugehöri- gen Gussteile
(1) Die Abkürzung NG zeigt an, dass die Messwerte unter der Nachweisgrenze liegen
2.3.2 Maqnesiumhydroxid MqfOHh bei Zuschlag von anorganisch gebundenem
Kernsand in den Folqezyklen
Mit Magnesiumhydroxid Mg(OH)2 in Form von Brucit Typ 3 als Additiv zeigt sich bereits nach wenigen Zyklen, dass die Eigenschaften des Formstoffs nicht stabil gehalten werden können. Daher wird in den Zyklen 8 und 15 der Bentonitgehalt des Formstoffs angehoben (Tabelle 22). Trotzdem ergibt sich keine Stabilisierung der Formstoffkennwerte. Insbesondere die Nasszugfestigkeit nimmt mit zunehmender Zahl an Zyklen ab und diesem Trend kann durch Zusatz von weiterem frischen Bentonit nur kurzfristig entgegengewirkt werden (Tabelle 23).
Ähnlich wie beim Zuschlag von ColdBox-Kernsand (Versuchsreihe 2.2.2) wird also auch hier mit Mg(OH)2 als Additiv kein Formstoffkreislauf mit stabilen Formstoffeigenschaften erhalten, der Wasserbedarf der Mischung nimmt signifikant zu und auch die weiteren Formstoffkennwerte zeigen Instabilität (Tabelle 23). Der Wasserbedarf eines Formstoffes ent- spricht dem Wassergehalt der Formstoffmischung im formgerechten Zustand (Zielverdichtbarkeit). Der Aktivtongehalt und die Nasszugfestigkeit zeigen eine deutliche Abnahme mit zunehmender Anzahl an Zyklen. Diese kann durch Zudosierung von Bentonit zwar kompensiert werden, insgesamt liegt aber kein Formstoffkreislauf mit stabilen Formstoffeigenschaften vor. Tabelle 22: Zusammensetzung und Verdichtbarkeit der Formstoffmischung in den einzelnen Zyklen Tabelle 23: Kennwerte von Proben, die in den jeweiligen Zyklen entnommen wurden Die Analyse von ausgewählten Formstoffproben (Tabelle 24) zeigt für hohe Zyklenzahlen ein leichtes Ansteigen des Kohlenstoff-Gehalts, was vermutlich aus der Zudosierung des Bentonits herrührt; Ca-Bentonite werden bei der Aktivierung mit Carbonaten behandelt. Die Oberflächenrauheiten der Gussstücke sind stets akzeptabel, d.h. gut bis sehr gut. Tabelle 24: CNS-Analyse von ausgewählten Zyklen und Oberflächenrauheit der zugehörigen Gussteile
(1) Die Abkürzung NG zeigt an, dass die Messwerte unter der Nachweisgrenze liegen
2.4 Additiv AI(OH)3 bei Zuschlag von frischem Formqrundstoff in den Folqezyklen Es werden 11 Zyklen (0-10) durchgeführt unter Verwendung der in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032) beschriebenen Hülsenmodelleinrichtung, wobei im ersten Versuch mit 100% frischem Formgrundstoff des Typs H32 der Firma Quarzwerke gearbeitet wird.
In allen folgenden Zyklen 1 bis 10 werden jeweils 3,7 kg des gebrauchten Formstoffes aus dem vorherigen Abguss verwendet, und mit 185 g Formgrundstoff (frischer Formgrundstoff), sowie 26 g Bentonit und 23 g des jeweiligen Additivs aufgefrischt (Tabelle 25). Als Additiv Aluminiumhydroxid AI(OH)3 wird SH950 nuance-00 von Alteo verwendet. Es wurden stabile Formstoffeigenschaften erreicht (Tabelle 26).
Bei Verwendung von frischem Formgrundstoff als Zuschlagstoff (vgl. Figur 2, Schritt (1)) werden gute Formeigenschaften und eine gute bis sehr gute Oberflächengüte erzielt, die sich an der gemessenen Rauheit der Gussteile erkennen lässt. Wie zu erwarten ergibt die CNS-Analyse nach 11 Umläufen keine signifikanten Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff, da nur anorganische Materialien eingesetzt wurden (vgl. Tabelle 27)
Tabelle 25: Zusammensetzung und Verdichtbarkeit der Formstoffmischung in den einzelnen Zyklen
(1) Die Abkürzung NG zeigt an, dass die Messwerte unter der Nachweisgrenze liegen
2.5 AI(OH)3 bei Zuschlag von Cold Box-Kernsand in den Folqezyklen (nicht erfindungsgemäß)
Es werden 11 Zyklen (0-10) durchgeführt unter Verwendung der in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032) beschriebenen Hülsenmodelleinrichtung. Die Versuchsdurchführung und Messung der Formstoff- und Gussteileigenschaften geschieht wie in Kapitel 2.4 beschrieben, allerdings wird in den Folgezyklen anstelle von frischem Formgrundstoff ein zweiter aufbereiteter Formstoff (vgl. Fig. 2, Schritt (1)) hergestellt durch Aufbereiten von nicht abgegossenen Kernen zugegeben (Mengen- anteil am hergestellten Formstoff siehe Tabelle 28), die mit Cold-Box Bindemittel hergestellt worden waren („ColdBox-Kernsand“). Es wurden stabile Formstoffeigenschaften erreicht (Tabelle 29).
Tabelle 28: Zusammensetzung und Verdichtbarkeit der Formstoffmischung in den einzelnen Zyklen
Tabelle 29: Kennwerte von Proben, die in den jeweiligen Zyklen entnommen wurden
Die Daten der CNS-Analyse des Formstoffes nach 11 Zyklen zeigt, insbesondere im Vergleich zu der Versuchsreihe mit Neusandzulauf, signifikante Kohlenstoff- und Stickstoff- Anteile, die aus dem Zuschlag von ColdBox-Kernsand stammen (Tabelle 30).
Tabelle 30: CNS-Analyse ausgewählter Zyklen und Oberflächenrauheit der zugehörigen Gussteile
(1) Die Abkürzung NG zeigt an, dass die Messwerte unter der Nachweisgrenze liegen
2.6 AI(OH)3 bei Zuschlag von anorganisch gebundenem Kernsand in den Folgezyklen
(nicht erfindungsgemäß)
Es werden 11 Zyklen (0-10) durchgeführt unter Verwendung der in (https://www.research- disclosure.com/database/RD705032) beschriebenen Hülsenmodelleinrichtung Die Versuchsdurchführung und Messung der Formstoff- und Gussteileigenschaften geschieht wie in Kapitel 2.4 beschrieben, allerdings wird in den Folgezyklen anstelle von frischem Formgrundstoff ein zweiter aufbereiteter Formstoff (vgl. Fig. 2, Schritt (1)) hergestellt durch Aufbereiten von nicht abgegossenen Kernen zugegeben (Mengenanteil am hergestellten Formstoff siehe Tabelle 31), die mit anorganischem Bindemittel (Wasserglas) hergestellt worden waren („lOB-Kernsand“). Es handelt sich daher um einen in Bezug auf alle eingesetzten Bindemittel anorganischen Formstoffkreislauf. Es wurden stabile Formstoffeigenschaften erreicht (Tabelle 32).
Tabelle 31: Zusammensetzung und Verdichtbarkeit der Formstoffmischungen in den ein- zelnen Zyklen
Die Formstoffanalysen (Tabelle 33) zeigen, dass es nicht zu einer signifikanten Anreicherung von Kohlenstoff, Stickstoff oder Schwefel im Formstoff kommt, C-haltige (kohlenstoffhaltige) Komponenten aus dem anorganischen Bindemittel (wie z.B. Tenside) sind von untergeordneter Bedeutung. Die geringe C-Belastung (Kohlenstoffbelastung) ist einer der großen Vorteile dieses anorganischen Formstoffkreislaufs, da nursehr geringe Emissionen zu erwarten sind (siehe unten). Die erhaltenen Oberflächenrauheiten (Tabelle 33) sind trotz des geringeren Kohlenstoffgehalts vergleichbar zu denen der Versuche mit Zuschlag von Coldbox-Kernsand (Versuchsreihe 2.5).
Tabelle 33: CNS-Analyse von ausgewählten Zyklen und Oberflächenrauheit der zugehöri- gen Gussteile
(1) Die Abkürzung NG zeigt an, dass die Messwerte unter der Nachweisgrenze liegen 3. Formstoffkreislauf mit sukzessiver Verringerung des Kohlenstoffqehalts im Formstoff
Diese Versuche haben das Ziel, eine bestimmte Menge aufbereiteten Formstoff mehrmals abzugießen und wieder aufzu bereiten, insbesondere mit sukzessiver Verringerung des Kohlenstoffgehalts im Formstoff. Wie in der industriellen Gießerei üblich wird der Formstoff dabei in einem Kreislauf geführt. Bei jeder Aufbereitung des Formstoffes werden Additive zugeführt, die sich mit jedem Zyklus anreichern. Komponenten, die im Ausgangsformstoff vorhanden sind, aber nicht mehr zugegeben werden, verringern sich, d.h. die Anteile der Komponenten, die in den Folgezyklen nicht mehr zugegeben werden, verringern sich. Die Gesamtmenge des Formstoffs ist konstant und beträgt rund 1.200 kg. Pro Zyklus werden vier Formen entsprechend der Rippenmodelleinrichtung wie in (https://www.researchdisclosure.com/database/RD705032) beschrieben hergestellt und abgegossen.
Zur Veranschaulichung der Versuchsdurchführung wird auf den Formstoffkreislauf in Fig. 4 verwiesen.
Die Zyklen des Formstoffkreislaufs umfassen folgende Schritte:
Herstellen des Formstoffs (Schritt (1), erster Zyklus)
Im ersten Zyklus wird aufbereiteter Formstoff (Ausgangsformstoff) aus dem Formstoffkreislauf einer Bremsscheiben-Gießerei eingesetzt, (s.o. Punkt 0.2)
Der aufbereitete Formstoff wird mit Hilfe einer BigBag-Entladestation und zwei Förderbändern aus einem BigBag in einen Bunker vor dem Eirich-Mischer (Eirich Intensivmischer R09 mit Fassungsvermögen: 150 Liter, max. 240 kg, Chargenbetrieb unter Normalatmosphäre) gefördert. Auf dem Bunkerabzugsband werden die zuvor abgewogenen Zusätze (Zuschlagstoffe) Bentonit, Formgrundstoff oder Kernformstoff sowie das Additiv aufgegeben. Als Additiv wird AI(OH)3des Typs SH950 (SH950 nuance -00, Alteo) eingesetzt.
Bei jedem Herstellen (Schritt (1), vgl. Figur 4) eines Formstoffes werden Additive zugeführt, die sich mit jedem Zyklus anreichern. Durch den Austrag eines Teils des abgegossenen Formstoffs in Schritt (5) bzw. in Schritt (1) des nächsten Zyklus (vgl. Figur 4) verringert sich der Anteil an Komponenten, die im Ausgangsformstoff vorhanden sind, aber nicht mehr zugegeben werden. Der Formstoff wird aus dem Bunker abgezogen und zusammen mit den Zuschlagstoffen in den Mischer transportiert. Der Mischvorgang startet, Wasser wird automatisch dosiert und der fertige Formstoff nach Beendigung des Mischvorganges aus dem Mischer in einen Transportbehälter entleert. Der Transportbehälter wird an die Formanlage transportiert. Das Mischerprogramm wird zwischen Mischablauf ohne Zwischenstopp (Tabelle 35) und Mischablauf mit Zwischenstopp (Tabelle 34) situationsbedingt (in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Mischung) ausgewählt und die gewünschte Verdichtung auf 40% +/- 5% durch Kontrolle des Wassergehaltes eingestellt. Die gewünschte Verdichtung wird durch Kontrolle der Verdichtbarkeit eingestellt. Die Verdichtbarkeit ändert sich mit dem Wasser- gehalt des Formstoffes. Der Wassergehalt wurde von jeder Mischung ermittelt. Da die notwendige Wasserzugabe zum Erreichen der Zielverdichtbarkeit nicht bekannt ist, kann durch den Zwischenstopp im Mischablauf die benötigte Wassermenge leichter bestimmt werden, und die folgenden Mischungen ohne Zwischenstopp hergestellt werden.
Tabelle 34: Mischablauf mit Zwischenstopp Tabelle 35: Mischablauf ohne Zwischenstopp
Herstellen der Form (Schritt (2) in allen Zyklen)
Hierzu wird zunächst ein Teilvolumen des Unterkastens der Form mit einer Schicht gesiebtem Formstoff aus dem Transportbehälter gefüllt; es wird so viel Formstoff aufgesiebt, dass die Kontur des Rippenmodells nicht mehr zu sehen ist (dies entspricht im Unterkasten 80 mm Höhe und im Oberkasten 50 mm Höhe). Anschließend wird das restliche Volumen des Unterkastens mit ungesiebtem Formstoff gefüllt. Das Sieb hat eine lichte Maschenweite von 2 mm.
Der Unterkasten (d.h. der Formstoff im Unterkasten) wird in der Formanlage der HWS HSP-1 D mit den angegebenen Parametern (Tabelle 36, Formkastengröße von 700 x 500 x 200 / 200 mm, Modellplattengröße von 650 x 450 x 30 mm) durch ein Seiatsu-Luftstrom- Pressformverfahren verdichtet. Die Zeit, während der ein Luftstrom durch den im Formkasten liegenden Formstoff geleitet wird, um den Formstoff zu fluidisieren, wird als Seiatsu- Zeit bezeichnet. Die Seiatsu-Zeit kann für Ober- und Unterkasten unabhängig eingestellt werden. Anschließend wird der Formstoff gepresst.
Tabelle 36: Verdichtungsparameter
Der Unterkasten wird von Hand eben abgezogen und mit einem Kran zur Zulegestation transportiert. Der Oberkasten wird auf die gleiche Weise befüllt, verdichtet, abgezogen und transportiert. In den Unterkasten wird ein vorher hergestellter (Schritt (1 a), vgl. Fig. 4) Kern eingelegt (Schritt (2a), vgl. Fig. 4). Die Form wird zugelegt, verklammert und zur Gießstation transportiert.
Abqießen (Schritt (3) in allen Zyklen)
Die Form wird mit flüssigem Metall der Legierung GJL 250 bei 1450 °C mit Hilfe einer Gießpfanne in einem Trageisen mit einseitiger Schere abgegossen.
Die nächsten Formen werden hergestellt (Schritt (2), (2a)) und abgegossen.
Die abgegossene Form steht 4 Stunden bis zum Trennen. Das Gussteil kühlt hierbei ab und der Formstoff heizt sich auf.
Trennen (Schritt (4) in allen Zyklen)
Ober- und Unterkasten werden geöffnet. Gussteil und abgegossener Formstoffwerden getrennt. In den drei Formstoffkreisläufen, die untersucht wurden, wird mit dem Kernsand unterschiedlich umgegangen:
1. In Versuchsreihe A, in der Neusand als zudosierter Formgrundstoff verwendet wird, kommt ein mit CO2-gehärtetem Wasserglas (siehe oben Punkt 0.2) gebundener Kern zum Einsatz, der beim Trennen nicht zerfällt und an dieser Stelle des Zyklus komplett ausgetragen wird.
2. In Versuchsreihe B, in der ColdBox-Kerne eingesetzt werden, zerfällt der Kern in der Mitte komplett und kann nicht mehr vom Formstoff getrennt werden. Die Kernmarken zerfallen nicht und können auch nicht einfach zerkleinert werden. Daher werden die Kernmarken an dieser Stelle des Zyklus ausgetragen. 3. In Versuchsreihe C, in der anorganisch gebundene (Bindemittel Cordis 9477 / Anorgit 9476, siehe Punkt 0.2) Kerne eingesetzt wurden, zerfallen diese nur in der Randschicht, können aber sehr leicht von Hand zerkleinert werden. Daher wird der IOB-Kernsand nicht ausgetragen.
Aufbereiten (Schritt (5) in allen Zyklen)
Der Formstoff wird auf dem Boden ausgebreitet und Formstoffknollen werden mit Hilfe einer Schaufel zerdrückt. Die Meta Ureste werden entfernt. Der Formstoff liegt mindestens 3 Stunden zur Kühlung auf dem Hallenboden. Nach dem Kühlen wird der Formstoff mit Schaufeln zurück in ein BigBag gefüllt.
Herstellung des Formstoffs (Schritt (1) im 2. und jedem weiteren Zyklus)
Es wird ein neuer Formstoff hergestellt durch Auffrischen des aufbereiteten Formstoffs aus dem vorigen Zyklus (erster aufbereiteter Formstoff) mittels Zuschlag von Bentonit, Wasser, Additiv (wie oben definiert) und frischem Formgrundstoff (Neusand, Versuchsreihe A) oder einem zweiten aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Kernen (Versuchsreihen B und C, zu Details s. u.). Zum Ablauf des Misch prozesses vgl. oben die Angaben zu Schritt (1) des ersten Zyklus.
Der Mengenzuwachs des Formstoffs durch Zugaben im Mischer, d.h. der aus dem oben definierten Zuschlag resultierende Mengenzuwachs des Formstoffs, wird reguliert, indem dieselbe Menge fertig gemischter Formstoff bei jedem Zyklus entnommen wird.
Bei jedem Herstellen (Schritt (1)) des Formstoffes werden Additive zugeführt, die sich mit jedem Zyklus anreichern. Durch den Austrag eines Teils des abgegossenen Formstoffs verringert sich der Anteil an Komponenten, die im Ausgangsformstoff vorhanden sind, aber in den Folgezyklen nicht mehr zugegeben werden.
3.1 Versuchsreihe mit Zuschlag von frischem Formqrundstoff (Neusand) in Schritt (1) (Versuchsreihe A)
Beim Herstellen der Form (s.o. Schritt (2)) werden Wasserglas-gebundene Kerne eingesetzt, die nach dem Abguss nicht zerfallen (s. o Punkt 0.2) und wie oben beschrieben in Schritt (4) entfernt werden. In einer Versuchsreihe mit 30 Zyklen (A1 -A30, vgl. Tabelle 37) wird der aufbereitete Formstoff aus dem vorigen Zyklus (erster aufbereiteter Formstoff) in jedem weiteren Zyklus mit Formgrundstoff des Typs Grudzen Laz. 0,20/0,315/0,40 (Grober Quarzsand der Klasse 1 K) der Firma Quarzwerke aufgefrischt. Tabelle 37: Zusammensetzung und Verdichtbarkeit der Formstoffmischung in den einzelnen Zyklen
(1) „Erster aufbereiteter Formstoff“ bezeichnet hier die Menge an Formstoff aus dem jeweils vorhergehenden Zyklus, die nach Aufbereitung wieder eingesetzt wurde
(2) Zudosierung von Wasser
(3) Gemessener Wassergehalt der Mischung Tabelle 38: Kennwerte von Proben, die in den jeweiligen Zyklen entnommen wurden zur Bestimmung der Formstoffeigenschaften
Tabelle 39: Analyse von Proben aus einzelnen Zyklen
Wie erwartet kann eine sukzessive Abnahme des Glühverlusts der Proben beobachtet werden, da mit zunehmender Zyklenzahl weniger organisches Material im Formstoff vorliegt. Dies zeigt auch die sukzessive Abnahme der Gehalte von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel (Tabelle 39). Die Formstoffeigenschaften bleiben hierbei wesentlich unverändert (Tabelle 38).
Trotz abnehmendem Anteil an Kohlenstoff werden keine Gussfehler beobachtet, und die Oberflächenrauheit der Gussteile verändert sich durch das Verringern des Kohlenstoffanteils nicht wesentlich (Tabelle 40). Tabelle 40: Oberflächenrauheiten von Gussteilen, die im Laufe der Versuchsreihe A hergestellt wurden
3.2 Versuchsreihe mit Zuschlag von organisch gebundenem Kernsand (Versuchsreihe B, nicht erfindungsgemäß) Beim Herstellen der Form (s.o. Schritt (2)) werden ColdBox-Kerne (siehe Punkt 0.2 oben) eingelegt, die in der Mitte komplett zerfallen und nicht mehrvom Formstoff getrennt werden können.
In dieser Versuchsreihe mit 30 Zyklen (B1-B30, vgl. Tabelle 41) wurde ausgehend vom oben beschriebenen aufbereiteten Ausgangsformstoff aus einer Bremsscheiben-Gießerei ein zweiter aufbereiteter Formstoff (vgl. Fig. 4) hergestellt durch Aufbereiten von Kernen zugegeben, die mit Cold-Box Bindemittel hergestellt worden waren; d.h. in jedem weiteren Zyklus wird der aufbereitete Formstoff aus dem vorigen Zyklus (erster aufbereiteter Formstoff) aufgefrischt mit zweitem aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Kernen, die mit Cold-Box Bindemittel hergestellt worden waren. Tabelle 41: Zusammensetzung und Verdichtbarkeit der Formstoffmischung in den einzelnen Zyklen
(1) „Erster aufbereiteter Formstoff“ bezeichnet hier die Menge an Formstoff aus dem jeweils vorhergehenden Zyklus, die nach Aufbereitung wieder eingesetzt wurde
(2) Zudosierung von Wasser
(3) Gemessener Wassergehalt der Mischung Tabelle 42: Kennwerte von Proben, die in den jeweiligen Zyklen entnommen wurden zur Bestimmung der Formstoffeigenschaften
Die Formstoffanalytik (Tabelle 43) zeigt, dass der Glühverlust des Formstoffs mit fortschreitender Zyklenzahl abnimmt. Gleichzeitig reduziert sich der Gehalt an Kohlenstoff (C), Schwefel und Stickstoff (N), wobei der C- und der N-Gehalt gegen Grenzwerte laufen, die durch den Zuschlag von Cold Box gebundenem Kernsand bestimmt werden. Die Formstof- feigenschaften bleiben hierbei wesentlich unverändert (Tabelle 42).
Auch in dieser Versuchsreihe wird die Oberflächenrauheit der Gussteile bestimmt (Tabelle 44). Es wird beobachtet, dass trotz abnehmendem Anteils an Kohlenstoff im Formstoff gute Oberflächen erhalten werden. Es können keine Gussfehler beobachtet werden.
Tabelle 44: Oberflächenrauheiten von Gussteilen, die im Laufe der Versuchsreihe B hergestellt wurden 3.3 Versuchsreihe mit Zuschlag von anorganisch gebundenem Kernsand
(Versuchsreihe C, nicht erfindungsgemäß)
Beim Herstellen der Form (s.o. Schritt (2)) werden anorganisch gebundene Kerne (Bindemittel Cordis 9477 / Anorgit 9476, siehe Punkt 0.2 oben) eingesetzt, die nur in der Rand- schicht zerfallen, aber sehr leicht von Hand zerkleinert werden können.
In dieser Versuchsreihe mit 30 Zyklen (C1-C30, vgl. Tabelle 45) wurde zum oben beschriebenen aufbereiteten Ausgangsformstoff aus einer Bremsscheiben-Gießerei (Punkt 0.2) ein zweiter aufbereiteter Formstoff (vgl. Fig. 4) hergestellt durch Aufbereiten von Kernen zugegeben, die mit Wasserglas-Bindemittel (Anorgit/Cordis-System) hergestellt worden wa- ren; d.h. in jedem weiteren Zyklus wird der aufbereitete Formstoff aus dem vorigen Zyklus (erster aufbereiteter Formstoff) aufgefrischt mit zweitem aufbereitetem Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Kernen, die mit Wasserglas-Bindemittel (Anorgit/Cordis-System hergestellt worden waren.
Tabelle 45: Zusammensetzung und Verdichtbarkeit der Formstoffmischung in den einzelnen Zyklen
(1) „Erster aufbereiteter Formstoff“ bezeichnet hier die Menge an Formstoff aus dem jeweils vorhergehenden Zyklus, die nach Aufbereitung wieder eingesetzt wurde
(2) Zudosierung von Wasser
(3) Gemessener Wassergehalt der Mischung Tabelle 46: Kennwerte von Proben, die in den jeweiligen Zyklen entnommen wurden zur Bestimmung der Formstoffeigenschaften
Die Versuche zeigen deutlich die sukzessive Abnahme des Glühverlusts und der Gehalte von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel mit zunehmendem Austausch des Formstoffs (Tabelle 47). Die Formstoffeigenschaften bleiben hierbei wesentlich unverändert (Tabelle 46).
Trotz abnehmendem Anteil an Kohlenstoff wurden keine Gussfehler beobachtet, und die Oberflächenrauheit der Gussteile verändert sich durch das Verringern des Kohlenstoffanteils nicht (Tabelle 48).
Tabelle 48: Oberflächenrauheiten von Gussteilen, die im Laufe der Versuchsreihe hergestellt wurden
3.4 Deponieklasse des aufbereiteten Formstoffs
Aus allen drei Versuchsreihen wird der aufbereitete Formstoff nach dem 30. Zyklus (A-30, B-30 bzw. C-30) untersucht und die erhaltenen Werte mit denen des Ausgangsformstoffs verglichen (Tabelle 49, die Abkürzung NG zeigt an, dass die Messwerte unter der Nachweisgrenze liegen). Hierbei wurde folgendes festgestellt:
Gemäß der deutschen Verordnung über Deponien und Langzeitlager (Deponieverordnung) vom 04.07.2020 ist der aufbereitete Ausgangsformstoff (Ausgangssand) aufgrund seines Glühverlustes, TOC-Wertes (Total Organic Carbon) und seines Phenolindex der Deponieklasse II zuzuordnen. Der aufbereitete Formstoff der Versuchsreihe B weist lediglich einen für die Einstufung in Deponieklasse I leicht zu hohen TOC-Wert auf, und ist daher Deponieklasse II zuzuordnen, wobei eine weitere Absenkung des TOC-Werts aber durch fortgesetzten Austausch oder Einsatz eines anderen ColdBox-Bindemittels möglich ist. Die aufbereiteten Formstoffe aus den Versuchsreihen A und C fallen in die Deponieklasse I.
Tabelle 49 (Die Abkürzung NG zeigt an, dass die Messwerte unter der Nachweisgrenze liegen)
1 . Bestimmt gemäß DIN EN 14346: 2007-03
2. Bestimmt gemäß DIN EN 15169: 2007-05
3. Bestimmt gemäß DIN EN 15936: 2012-11 (AN,L8: Ver.A; FG,F5:Ver.B)
4. Bestimmt gemäß Mitteilung der Länderarbeitsgemeinschaft Abfall Mitteilung 35 kurz: KW/04: 2019-09
5. Bestimmt gemäß DIN EN ISO 10523 (C5): 2012-04
6. Bestimmt gemäß DIN EN 15216: 2008-01
7. Bestimmt gemäß DIN EN ISO 10304-1 (D20): 2009-07
8. Bestimmt gemäß DIN EN ISO 14403-2: 2012-10
9. Bestimmt gemäß DIN EN ISO 17294-2 (E29): 2017-01
10. Bestimmt gemäß DIN EN ISO 12846 (E12): 2012-08
11 . Bestimmt gemäß DIN EN 1484: 2019-04
12. Bestimmt gemäß DIN EN ISO 14402 (H37): 1999-12
3.5 BTX-Emissionspotential des aufbereiteten Formstoffes
Der Ausgangsformstoff aus dem konditionierten Formstoffzyklus der Bremsscheibengießerei und die Formstoffe aus den Zyklen A-30, B-30 und C-30 wurden hinsichtlich ihres BTX-Emissionspotentials untersucht. Hierfür werden die Proben nach Trocknung bei 105°C in einer Planetenkugelmühle (Retsch Planetary Ball Mill PM100CM) 2 Minuten bei 300 U/min unter kalten Bedingungen zerkleinert (Gefäß: 150ml Edelstahlbecher mit Edelstahlkugeln). Es wird mindestens 12 Stunden bei -20°C gekühlt, d.h. der Mahlbecher der Planetenkugelmühle wurde vor Nutzung mindestens 12 Stunden bei -20°C gelagert, um eine übermäßige Erhitzung der Probe während des Mahlvorganges zu vermeiden. Anschließend werden 10 mg Probe in ein Pyrolyseröhrchen eingewogen. Von jeder Probe wird eine Doppelbestimmung durchgeführt. Die Messungen werden mit folgenden Equipment durchgeführt: • GERSTEL MPS
• GERSTEL TDU 2 mit Pyrolysemodul
• Gaschromatograph Agilent 8890B mit Massenspektrometer 5977 von Agilent
• Kapillarsäule RESTEK 13868 RXI-624SÜ MS, -60 °C-300 °C (320 °C): 30 m x 250 pm x 1 .4 0.25 mm • Edelstahlmahlbecher 150 mL und Edelstahlmahlkugeln
• Hamilton elektronischer Halter (VWR Art. Nr. HAMIDS86200)
• Hamilton 1 pL Spritze (VWR Art. Nr. 549-1224)
• Carbotrap B verpackt Glass Inlet Liners (450 °C obere Temperaturgrenze) (Gerstel Art. Nr. 013248-005-00) • Quarz Pyrolyse Röhrchen (Gerstel Art. Nr. 018437-020-00)
• Adsorbent Matrix Carbopack™ B, 60-80 Netz (VWR Art. Nr. SUPL20273)
• Glaswolle, silanisiert (VWR Art. Nr. SERA22367.01)
Es werden folgende Bedingungen eingehalten:
Gaschromatographie (GC) Parameter KAS Parameter
(KAS= Kaltaufgabesystem - , d.h. die Probe wird pyroyisiert, die Pyrolysegasewerdden kondensiert und dann für die GC-Messung verflüchtigt)
Kalibrationsmethode: MSD Parameter (MSD = Massenspektrometrischer Detektor)
TDU Parameter (TDU = Thermal Desorption Unit) Pyrolyse Parameter
Die Kalibrierung erfolgte mit Standards auf Basis von Benzol, Toluol; m- und p-Xylol; Styrol; o-Xylol, Ethylbenzol, Cumol.
Probenmethode: MSD Parameter
TDU Parameter Pyrolyse Parameter
Kennzahlen der Methode
Die Auswertung erfolgte mit der Software MassHunter.
Die in Tabelle 50 dargestellten Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Schadstoffemissionen durch Einsatz eines erfindungsgemäßen Additivs deutlich abgesenkt werden können. Insbesondere in Verbindung mit anorganischen Kernen oder bei Zulauf von frischem Form- grundstoff (Neusand) in den Formstoffkreislauf wird das Emissionspotential deutlich abgesenkt. Auch bei Zulauf von ColdBox-Kernsand wird ein deutlicher Effekt beobachtet. Das Emissionspotential verringert sich im Modellfall um über 45%.
Tabelle 50: Pyrolyse (GC-MS) der Formstoffe nach 30 Zyklen im Vergleich zum Ausgangsformstoff (alle Angaben als mg Emission / kg Probenmaterial) In Tabelle 50 bedeuten Angaben „< dass der Gehalt an der entsprechenden BTEX- Verbindung unterhalb ihrer Nachweisgrenze liegt.
Für die Wertebereiche in der Zeile „BTEX bei 900 °C“ gilt:
Der untere Grenzwert entspricht der Summe der Gehalte an BTEX-Verbindungen, die oberhalb der jeweiligen Nachweisgrenze liegen, so dass ein Wert bestimmt werden konnte (im Fall des Ausgangsformstoffs sind dies Benzol, Toluol, Ethylbenzol und m-, p-Xylol). Der obere Grenzwert entspricht der Summe aus dem unteren Grenzwert und den Nachweisgrenzen jeder BTEX-Verbindungen, deren Gehalt unter der jeweiligen Nachweisgrenze liegt (im Fall des Ausgangsformstoffs sind dies o-Xylol, Styrol und Cumol).

Claims

Verfahren zum Führen eines Formstoffs in einem zwei oder mehr Zyklen umfassenden Formstoffkreislauf, mit folgenden Schritten: in einem früheren Zyklus der besagten zwei oder mehr Zyklen des Formstoffkreislaufs Abgießen in einer Form umfassend mit S me ktit- haltig em Ton gebundenen Formstoff,
Aufbereiten des abgegossenen Formstoffs, so dass ein erster aufbereiteter Formstoff resultiert, in einem späteren Zyklus der besagten zwei oder mehr Zyklen des Formstoffkreislaufs Herstellen eines Formstoffs umfassend:
(i) ersten aufbereiteten Formstoff, und
(ii) Zuschlagstoffe umfassend ein Additiv, das mindestens eine dehydratisierbare anorganische Verbindung enthält, die bei einer Temperatur von 150 °C oder mehr Wasser abspaltet, einen oder mehrere Rohstoffe aus der Gruppe bestehend aus
Formgrundstoff, einem zweiten aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von Formstoff aus nicht abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, einem dritten aufbereiteten Formstoff hergestellt durch Aufbereiten von außerhalb des Formstoffkreislaufs abgegossenen Formen und/oder Kernen und/oder Teilen davon, sowie optional Smektit-haltigen Ton, bevorzugt Bentonit, wobei im hergestellten Formstoff der Gesamtanteil von Material aus Formen und Kernen, die aus einem Formstoff gebildet sind, der mit einem anderen Bindemittel als Smektit-haltigem Ton gebunden ist, kleiner ist als 10 Gew%.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei mindestens 90 Gew%, vorzugsweise mindestens 99 Gew% und besonders bevorzugt 100 Gew% des zweiten und des dritten aufbereiteten Formstoffs aus mit Smektit-haltigem Ton gebundenen Formen und/oder Kernen stammen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Smektit-haltige Ton Bentonit ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei höchstens 10 Gew%, vorzugsweise höchstens 1 Gew% und besonders bevorzugt 0 Gew% des zweiten und des dritten Formstoffs aus Formen und/oder Kernen stammen, die mit einem anderen Bindemittel als Smektit-haltigem Ton hergestellt wurden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Abgießen ein abgegossener Formstoff resultiert, der kein Material aus abgegossenen Kernen enthält.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgießen in einer Form ohne Kern erfolgt, oder in einer Form mit einem Kern, der mit Smektit-haltigem Ton gebunden ist.
7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Additiv eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumhydroxid und Magnesiumhydroxid enthält.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der im späteren Zyklus hergestellte Formstoff einen oder mehrere der folgenden Parameter aufweist eine Konzentration von weniger als 1 ,5%, bevorzugt weniger als 0,8% Kohlenstoff, bezogen auf die Masse des Formstoffs, bestimmt mittels Elementaranalyse eine Konzentration von weniger als 0,1 %, bevorzugt weniger als 0,05% Stickstoff, bezogen auf die Masse des Formstoffs bestimmt mittels Elementaranalyse eine Konzentration von weniger als 0,05%, bevorzugt weniger als 0,03% Schwefel, bezogen auf die Masse des Formstoffs, bestimmt mittels Elementaranalyse einen Glühverlust von höchstens 5%, bevorzugt höchstens 3,5%, bestimmt gemäß VDG-Merkblatt P33 (April 1997). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der beim Aufbereiten ausgetragene Formstoff die Anforderungen an die Deponieklasse DK I gemäß An- hang 3 der Verordnung über Deponien und Langzeitlager (Deponieverordnung-
DepV) vom 27. April 2009 erfüllt Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgießen der Form mit Eisen erfolgt. Verwendung des Additivs wie in Anspruch 1 definiert in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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