Verwendung von Zusätzen für umweltfreundliche Giessereiformsande

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Gießereiformsandmassen, die nicht nur gießereitechnisch verbesserte Ergebnisse bringen, sondern insbesondere den Forderungen aus Umweltschutzsicht am Arbeitsplatz wesentlich besser nachkommen. Die Erfindung betrifft auch die die verbesserten Eigenschaften der Formmassen bewirkenden Zusätze sowie deren Verwendung als Zusatz zu Gießereiformsanden.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Gießereiformsandmassen, die nicht nur gießereitechnisch verbesserte Ergebnisse bringen, sondern insbesondere den Forderungen aus Umweltschutzsicht am Arbeitsplatz wesentlich besser nachkommen. Die Erfindung betrifft auch die die verbesserten Eigenschaften der Formmassen bewirkenden Zusätze sowie deren Verwendung als Zusatz zu Gießereiformsanden.

[0002] Es ist bekannt, Formsanden, die zur Herstellung von Gußformen bestimmt sind, kohlenstoffhaltige Zusätze neben üblichen Bindemitteln, wie z.B. Bentonit, zuzugeben. Ein Beispiel hierfür ist Steinkohlestaub, der insbesondere zugesetzt wird, um die Oberflächengüte der erhaltenen Gußstücke zu verbessern (vgl. DE-OS 1 952 235). Die Zugabe von Steinkohlenstaub erfolgt dabei in der Annahme, daß beim Gießen durch seine Gasbildung und die Umhüllung der Quarzkörner mit Kohle ein Anbrennen des Sandes am Gießstück vermieden und somit eine glatte und saubere Oberfläche erzeugt wird. Auch wurde gefunden, daß die Verwendung von Steinkohlenstaub im Formsand zum Ausgleich der Sandausdehnung und zur Vermeidung von Sandfehlern beiträgt. Ein anderer Vorschlag geht dahin, daß der Zusatz aus einem thermoplastischen Kunststoff in ungeschäumter Form als nichtsubstituierter polymerisierter Kohlenwasserstoff, z.B. aus Polymeren des Styrols, Äthylens oder Propylens besteht (vgl. ebenso DE-OS 1 952 357). Hierdurch wollte man die bisher verwendeten Kohlenstäube ersetzen und die beschriebenen thermoplastischen Kunststoffe einsetzen, insbesondere in der Annahme, daß hierdurch in Gießformen Glanzkohlenstoff unter dem Einfluß der Gießtemperatur gebildet wird, der die Körner des Formsandes mit einer Haut umgibt und die Quarzkörner der Formmasse umhüllt. Ein anderer Vorschlag geht dahin, dem Gießereisand Harze zuzusetzen, die als Kohlenwasserstoffpolymere in Form sogenannter Petrolharze bei der Erdöldestillation gewonnen werden (vgl. DE-OS 2 064 700). Auch diese Lösung geht davon aus, daß unter den Bedingungen der Gießhitze eine teilweise Verflüchtigung der Zusätze stattfindet und anschließend Glanzkohlenstoff aus der Gasphase abgeschieden wird, der dann die Trennung zwischen Metall und Formstoff bewirkt. Jedoch sind die erreichten Ziele immer noch höchst unbefriedigend, insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes am Arbeitsplatz und im-Allgemeinen. Die nachfolgende Tabelle 1 führt die bisher verwendeten Produkte auf und die nach standardisierten, international akzeptierten Meßmethoden, d.h. DIN 5172 gemessenen, bei der Gießhitze flüchtigen Bestandteile. Die nachfolgende Tabelle 2 gibt die aus verschiedenen Produkten zwischen 400 und 700 C in oxidierender bzw. reduzierender Atmosphäre abgegebenen Gesamtmengen an flüchtigen Bestandteilen.



Nach allen bisherigen Verfahren soll die Wirkung der bisher verwendeten kohlenstoffhaltigen Zusätze auf der unter den Bedingungen der Gießhitze stattfindenden Verflüchtigung von Kohlenwasserstoffverbindungen beruhen, wonach sich nach Bildung einer reduzierenden Atmoshäre der sogenannte Glanzkohlenstoff oberhalb von 650° C abscheidet. Der gebildete Glanzkohlenstoff soll die Trennung zwischen flüssigem Metall und Gießformmasse bewirken, indem er die Körner des Gießformsandes umhüllt.

[0003] Nachfolgend werden die Zersetzungsprodukte und deren Zusammensetzung einer Gaskohle und eines Kohlenwasserstoffharzes aufgeführt, die während der thermischen Umsetzung in reduzierender Atmosphäre anfallen.

[0004] A) Ausbringen an Gas, Benzol und Teer aus einer Gaskohle mit 33 % flüchtigen Bestandteilen

[0005] 

Durchschnittliche Analyse des Gases?

[0006] B) Analysenangaben der flüchtigen Bestandteile von Teer: im Siedebereich von

[0007] 

Siedepunkt des Benzopyren-3,4 liegt bei 495,5° C Siedepunkt des Benzopyren-1,2 liegt bei 492,9° C

[0008] C) Thermische Zersetzung eines Kohlenwasserstoffharzes bei 1.000° C, Analyse der hierbei anfallenden flüchtigen Bestandteile

[0009] Wie ersichtlich werden bei Verwendung der vorbekannten Zusatzstoffe flüchtige Bestandteile abgegeben, die unter _Umweltschutzgesichtspunkten äußerst schädliche Bestandteile enthalten, wie die heute als krebserzeugende Mittel in anderen technischen Bereichen z.B. als Lösungsmittel nicht mehr zugelassenen Aromaten Benzol, Toluol und Xylol. (Vgl. R.W. Schimberg et al., Belastung von Eisengießereiarbeitern durch mutagene polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, Staub-Reinhalt. Luft Bd. 41 (1981) S. 421 - 424). Auch die beim Gießvorgang entstehenden Gase enthalten am Arbeitsplatz untragbar hohe Gehalte an Kohlenmonoxid.

[0010] Entgegen der bisherigen Annahme der Voraussetzung für die Wirksamkeit der bisher verwendeten kohlenstoffhaltigen Zusätze zu Gießereiformsanden stellen die erfindungsge- mä_ßen Zusätze Kohlenstoffprodukte dar, die einen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von 0,5 bis 20 %, vorzugsweise 0,5 bis 10 % aufweisen bezogen auf die Menge des von ^ge-gebenenfalls im Naturprodukt anwesenden mineralischen Bestandteilen befreiten Kohlenstoffprodukte. Vorteilhaft liegen sie in den Zusätzen mit einer Teilchengröße von kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,15 mm vor. Insbesondere sind als derartige Produkte die sogenannten kristallinen Kohlenstoffprodukte geeignet, die im allgemeinen unter 1 % flüchtige Bestandteile enthalten. Da es sich bei diesen Produkten im allgemeinen um relativ teure Produkte handelt, können organische Kohlenstoffprodukte zugemischt werden, die in der während des Gießvorganges gebildeten reduzierenden Atmosphäre oberhalb von 650° C selbst kristalline Kohlenstoffe bilden können und einen Anteil an flüchtigen Bestandteilen von 1 bis 20 %, vorzugsweise zwischen 5 und 10 % aufweisen, vorausgesetzt, daß das erfindungsgemäße Gesamtkohlenstoffprödukt flüchtige Bestandteile nur innerhalb der vorstehend angegebenen Grenzen aufweisen und der maximale Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von 20 %, vorzugsweise 10 %, nicht überschritten wird.

[0011] Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare kristalline Kohlenstoffprodukte und für zumischbare Kohlenstoffprodukte sind in Tabelle 3, bei den beim Vergießen von im Sand der Gießereiformen auftretenden Temperaturen ab^ge-gebenen flüchtigen Bestandteile in Tabelle 4 aufgeführt.

[0012] Der Ausdruck "Naturgraphit" ist hierbei so zu verstehen, daß die natürlich vorkommenden Graphitmineralien im allgemeinen beträchtliche Mengen an mineralischen Bestandteilen enthalten, welche vor ihrer Verwendbarkeit in bekannten Flotations-oder chemischen Behandlungsverfahren hiervon getrennt werden müssen, bevor sie als Zusätze zu Gießereiformsande brauchbar sind. Das so gereinigte, nicht in dieser reinen Form in der Natur vorkommende Produkt wird üblicherweise als "Natizrgranhit" bezeichnet.

[0013] Hieraus ist ersichtlich, daß bei der thermischen Belastung während des Gießprozesses bei den erfindungsgemäßen Formsanden, den erfindungsgemäßen Zusätzen (Kohlenstoffträgern) und deren Verwendung als Zusätze zu Gießereiformsanden die abgegebene Gasmenge deutlich geringer ist. Allgemein ist zu beobachten, daß die Stichflammen beim Eingießen des heißen flüssigen Metalls in die Gießformen, wie es bei Verwendung der vorbekannten Zusätze z.B, auf Basis von Gaskohle üblich ist und durch Entzünden der freiwerdenden flüchtigen Bestandteile im Formsand geschieht, bei Verwendung von Formsanden mit den erfindungsgemäßen Kohlenstoffträgern als Zusätze nicht mehr auftritt. Die Zugabemengen an Kohlenstoffträgern zur Regenerierung des Formsandes können dazu um 25 bis 50 % reduziert werden, mit dem Ergebnis, daß die Umweltbelastung in der Gießerei auf ein Minimum herabgesetzt wird. Zahlreiche Gasuntersuchungen haben bestätigt, daß beim Einsatz von Kohlenstoffträgern mit einem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von 8 bis 10 % waf, neben der Reduzierung der Kohlenwasserstoffverbindungen der Gehalt an Kohlenmonoxid in der Atmosphäre an der Gießstrecke und Auspackstation auf ca. 20 ppm herabgesetzt wird. Beim Einsatz von Kohlenstoffträgern mit einem Gehalt von flüchtigen Bestandteilen von 40 bis 45 % waf steigt der CO-Wert dort auf 80 bis 100 ppm, womit der MAK-Grenzwert von 50 ppm deutlich überschritten wird. Im Hinblick auf die bisherigen Lehren im Stand der Technik ist es überraschend, daß trotz der in den Zusätzen enthaltenen stark verringerten Mengen an flüchtigen Bestandteilen gerade die Oberfläche des Gießstücks frei von Fehlern ist, wie Bandrippen und dergl., die Trennung zwischen Formsand und Gießstück einwandfrei verläuft, und dues bei stark verringerter Menge an Zusatz zum Formsand.

[0014] Die Kombination der kristallinen Kohlenstoffprodukte mit Anthrazit- bzw. Magerkohlen als Zumischkohlenstoffprodukt hat sich-als besonders vorteilhaft erwiesen. Anthrazit-und Magerkohlen reagieren während des Gießprozesses bereits bei niedrigen Temperaturen (150 bis 400° C) mit dem im Formhohlraum vorliegenden Luftsauerstoff, und schaffen somit sehr schnell eine reduzierende Atmosphäre, die Voraussetzung dafür ist, daß die kristallinen Kohlenstoffprodukte nun auch sehr geringe Verluste während oder nach dem Gießprozeß erleiden.

[0015] Die erfindungsgemäßen Zusätze zu Gießereisandmassen bilden eine ideale Schutzschicht zwischen dem flüssigen Metall und der Formsandmasse, womit Reaktiobeb zwischen der Metallschmelze und dem Formsand verhindert werden.

[0016] Ein weiterer Vorteil bei Einsatz der erfindungsgemäß verwendeten Zusätze (Kohlenstoffträger) ist der geringe Wasserbedarf des so gebildeten erfindungsgemäßen Formsandes während des Aufbereitungsprozesses, da die erfindungsgemäß eingesetzten Zusätze (Kohlenstoffträger) gegenüber den herkömmlichen Kohlenstoffverbindungen eine wesentlich geringere Oberfläche aufweisen.

[0017] Das Fließ- und Verdichtungsverhalten des mit den erfindungsgemäßen Zusätzen versetzten Formsandes wird ebenfalls verbessert, da die erfindungsgemäß eingesetzten Zusätze (Kohlenstoffträger) den Reibungswiderstand der mit Ton umhüllten Quarzkörner erheblich herabsetzt.

[0018] Neben den aufgeführten gießereitechnischen Vorteilen, des erfindungsgemäßen Formsandes und der erfindungsgemäßen Zusätze wird die Umweltbelastung in der Gießerei erheblich verringert. Zur Zeit werden allein in der Bundesrepublik Deutschland ca, 70.000't/Jahr an Kohlenstoffträgern = Zusätzen zu Gießereisanden auf Kohlenstoffbasis mit einem Anteil an bei Vergießtemperaturen flüchtigen Bestandteilen um 38 bis 40.% eingesetzt, d.h, es werden ca. 20.000 t/Jahr Kohlenwasserstoffverbindungen in-die Atmosphäre abgegeben. 20.000 t/Jahr Kohlenwasserstöffverbindungen entsprechen, ausgehend vom Anteil an flüchtigen Bestandteilen von ca..40 %, 10.612.000 m³ Gas, 85.400 kg Teer und 272.000 kg Benzol.

Versuchsbericht

[0019] Für die Versuche wurden folgende Sandmischungen hergestellt:

[0020] Es wurden 8 Mischungen hergestellt:

Mischungen 1 - 5: Kohlenstoffträger = Naturgraphit - mit unterschiedlichen Oberflächen

Mischung 6 : Kohlenstoffträger = reines Bitumin

Mischung 7 : Kohlenstoffträger = Gemisch aus hochflüchtiger Kohle + Bitumen

Mischung 8 : Kohlenstoffträger = Gemisch aus niederflüchtiger Kohle + Bitumen

[0021] Die Sandmischungen weisen folgende Sandwerte auf:

Mischung H₂= Druckfestigkeit Verdichtbarkeit Prüfkörpergewicht

Für alle Versuche wurde ein spezielles Modell ausgesucht, damit Vergleiche möglich sind.

[0022] Die Sande wurden als Modellsand ohne Aufsiebung eingesetzt.

[0023] Beim Abgießen aller Kästen zeigte sich, daß bei den Proben 6, 7 und 8 eine stärkere Flammbildung auftrat.

Gasanalyse

[0024] Probennahme

1 Gießstrecke vor dem Abgießen

2 Gießstrecke während des Abgießens

3 Auspackstation während des Auspackens

Auspackverhalten

[0025] Die Gußstücke bzw. Proben wurden unter gleichen Bedingungen ausgepackt. Die Proben 1 - 8 konnten wie folgt beurteilt werden:

Gußstücke nach dem Strahlen

[0026] Zunächst wurden die allgemeinen Gußoberflächen beurteilt.

[0027] Proben 1 - 8 saubere Oberflächen

[0028] Das Gußstück neigt zur Blattrippenbildung und es konnte festgestellt werden, daß die Blattrippenbildung steigt, je höher die flüchtigen Bestandteile im Kohlenstoffträger sind.

[0029] Die Proben 1 - 5 zeigen keine Blattrippen, dagegen Proben 6 und 7 starke Blattrippenneigung und bei der Probe 8 waren nur schwache Ansätze von Blattrippen zu verzeichnen.

Ansprüche

1. Zusatz für Formmassen in Gießformen unter Verwendung natürlicher und/oder synthetischer Formsande mit üblichen Bindemitteln, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus einem Kohlenstoffprodukt oder aus einem Gemisch aus mehreren solcher Produkte besteht, wobei das Zusatzprodukt flüchtige Bestandteile insgesamt von 0,5 - 20 Gew.% enthält.

2. Zusatz gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzprodukt in einer Teilchengröße von kleiner als 1 mm vorliegt.

3. Zusatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffprodukt ein kristallines Kohlenstoffprodukt ist.

4. Zusatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Kohlenstoffprodukt aus kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen in reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 650 und 1000° C hergestellt wurde.

5. Zusatz nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Kohlenstoffprodukt ein von im Graphitmineral gegebenenfalls anwesenden mineralischen - Bestandteilen befreiter Naturgraphit ist.

6. Zusatz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Naturgraphit eine Oberfläche von 0,4 bis 15 m² hat.

7. Zusatz nach Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Kohlenstoffprodukt aus synthetischen Graphiten besteht.

8. Gießereiformsand, bestehend aus einem natürlichen und/oder synthetischen Formsand, einem üblichen Bindemittel und einem kohlenstoffhaltigen Zusatz, dadurch gekennzeichnet, daß der kohlenstoffhaltige Zusatz ein Zusatz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 ist.

9. Verwendung von Kohlenstoffprodukten oder Gemischen mehrerer Kohlenstoffprodukte gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 als Zusatz für Formmassen in unter Verwendung natürlicher oder synthetischer Formsande mit üblichen Bindemitteln hergestellter Gießformen.