Formstoffaufbereitung

Allgemein

Herstellung eines formgerechten, verwendungsfähigen Formstoffs für die Sand- oder Maskenformerei und für die Kernmacherei. Die einzusetzenden Verfahren und Anlagen werden vom Bindersystem des Formstoffs bestimmt.

Aufbereitung des bentonitgebundenen Formstoffs

Die Reversibilität der Bindefähigkeit des Bindetones ist die Ursache für die Möglichkeit der Wiederverwendung des tongebundenen Formstoffs. Bindeton, der unterhalb der Dehydratationstemperatur (Temperatur der Kristallwasserabgabe) belastet wurde, kann vollständig wieder aufbereitet werden, was einem Anteil von etwa 90  % des im Formstoff verbliebenen Binders entspricht.Die Veränderungen im Formstoff werden durch folgende Beanspruchungen bewirkt:

  1. Die thermischen Belastungen beim Gießen und Erstarren führen zur Austrocknung des Formstoffs verbunden mit der Bildung irreversibler Verschleißprodukte aus den Formstoffbestandteilen (zum Beispiel totgebrannte Feinanteile, Asche, Koksrückstände, Quarzkornsplitter, Kernbinderrest und andere). Die Bildung von oolithischen Hüllen um das Quarzkorn und die Pelletisierung von Formstoffanteilen setzen ein.
  2. Die mechanischen Beanspruchungen beim Aufbereiten, der Formherstellung und besonders bei der Guss-Sand-Trennung führen zur Abnahme der Korngröße, Veränderungen der Kornform und zur Erhöhung der Feinanteile.
  3. Die chemischen Belastungen durch Pyrolyseprodukte aus den Formstoffbestandteilen und Kernbindern führen zur Bentonitumkrustung. Veränderungen des Anionengehaltes führen zu Versäuerungen und Versalzungen (Desaktivierung) des Umlaufformstoffs.

Für die Aufbereitung des Altformstoffs für einen neuen Formstoffumlauf sind nicht mehr verwertbare Formstoffanteile zu entfernen und der Verschleißanteil auszugleichen, damit die gewünschten Formstoffeigenschaften erreicht werden. Qualitative und quantitative Bewertungen des Formstoffs verbunden mit der Kenntnis aus den Auswirkungen des vorangegangenen Prozessablaufs führen zur Festlegung der Teilschritte der Aufbereitungstechnologie (Bild 1).

Das Ziel der Formstoffkonditionierung ist es, möglichst konstante oder auf die Fertigungsaufgabe orientierte Formstoffeigenschaften reproduzierbar einzustellen. Die Einflussgrößen sind in der Tabelle systematisiert.

Besondere Aufmerksamkeit ist auf die Prozessstufen Homogenisieren, Kühlen und Aufbereiten im Mischer zu lenken. Sie bilden die Grundlage für eine hohe und gleichmäßige Formstoffqualität. Die Altformstoffhomogenisierung erfolgt bereits durch die Mischwirkung von Bändern, Übergabestellen und durch spezielle Anlagen im Formstoffkreislauf (Altsandsiebe, Schleudern, Becherwerke). Ebenso kann mit einer geeigneten Bunkerstrategie hinsichtlich Füllung und Entleerung die Gleichmäßigkeit des Altformstoffes verbessert werden, (Altsandmanagement).

Ausrüstungen zur Formstoffkühlung können gleichzeitig auch zur Homogenisierung der Formstoffmischungen beitragen. Für Altsandtemperaturen über 40 °C ist einen aktive Formstoffkühlung empfehlenswert. Diese hohen Temperaturen werden durch eine höhere Formauslastung bei modernen Formanlagen, eine steigende Umlaufzahl je Zeiteinheit und die Verminderung der Formstoffmenge im Kreislauf erzeugt. Zu hohe Temperaturen des Formstoffes haben beispielsweise folgende Auswirkungen:

Heiße Formstoffe neigen zum Kleben am Modell, der erreichbare Aufbereitungsgrad ist niedrig, die Eigenschaften wie Festigkeit, Fließbarkeit und Gasdurchlässigkeit werden beträchtlich verschlechtert. Der Formstoff ist weniger plastisch und besitzt daher schlechtere Ausformeigenschaften. Der größere Wasserbedarf führt zur Gefahr von Gasblasen und Explosionspenetration, beides auch als Ursache von Kondensationserscheinungen in geschlossenen Formen. Zusammen mit einer Verringerung der Nasszugfestigkeit nimmt die Schülpenneigung zu. Heiße Formstoffe mit Temperaturen >50 °C entsprechen in ihren Eigenschaften in etwa einer Zusammensetzung mit einem um 40 % geringeren Bentonitgehalt. Durch schnelles Austrocknen der Formen aus heißem Formstoff steigt die Erosionsneigung beim Gießen, Sandeinschlüsse sind die Folge.

    Der Kernprozess der Formstoffaufbereitung ist das Mischen des Altsandes mit den Zugabemengen an Bentonit, Glanzkohlenstoff, Neusand, Wasser und weiteren Zusätzen (Bild 2). Für eine hohe und gleichmäßige Formstoffqualität ist die Messung von Temperatur und Feuchtigkeit der aufzubereitenden Altsandcharge zur Bewertung des Ausgangszustandes besonders wichtig. Aus diesen Messewerten ist die Wasserdosierung zu berechnen und zu steuern. Während oder auch nach dem Mischprozess durchzuführende Prüfungen der Verdichtbarkeit, der Druck- und gegebenenfalls auch Scherfestigkeit zeigen sofort das Aufbereitungsergebnis und liefern Korrekturmöglichkeiten für die aufbereitete und auch nächste Charge. Für die Auswahl des geeigneten Formstoffmischers ist neben der Leistung der Anlage auch die Aufbereitungsintensität zu berücksichtigen.

    Die vielfältigen Anlagenkombinationen zur Formstoffaufbereitung erfordern eine gut vernetzte Formstoffsteuerung der Abläufe, dabei sind Prozessvisualisierungen und Überwachungssysteme Stand der Technik.

    Aufbereitung von chemisch gebundenen Form- und Kernformstoffen

    Kernformstoffaufbereitung

    Formstoffe für die Kernmacherei werden überwiegend aus Neusand (Quarzsand) durch Mischen mit anorganischen oder organischen Bindern hergestellt. Der thermisch hoch belastete Kernaltsand fällt beim Ausleeren der Gussstücke gemeinsam mit dem Formaltsand an und gelangt damit in den Formstoffumlauf. Thermisch wenig oder gänzlich unbelastete Kernreste (Kernknollen oder Kernmarkenreste) werden beim Ausleeren vom Formstoffkreislauf getrennt.

    Zur Herstellung der Kernformstoffmischungen für die gebräuchlichsten Kernherstellungsverfahren werden Schaufelmischer (Formstoffmischer) verwendet, die satzweise betrieben und mit Binder und Quarzsand beschickt werden.

    Formstoffaufbereitung für chemisch gebundene Formstoffe

    Die Aufbereitung von  kaltselbst­härtenden Formstoffen auf der Basis Quarzsand mit organischen und anorganischen Bindersystemen, erfolgt kontinuierlich nach dem jeweiligen Formstoffbedarf der Formherstellung. Hierzu sind  Durchlaufmischer beziehungsweise Schaufelmi­scher (Formstoffmischer) im Einsatz. Auch für kaltharzgebundene Altformstoffe erfolgt die   Formstoffregenerierung unmittelbar im betriebli­chen Umlaufprozess. Bis zu 95  % der kaltharzgebundenen Altformstoffe werden mit spezieller Anlagentechnik innerbetrieblich regeneriert und dem Prozess wieder zugeführt.

    Kalt-, warm- und heißumhüllte Formstoffe

    Zur Herstellung von Maskenformen und Maskenkernen sowie für besondere Vollkerne und massive Formteile werden Formstoffe mit Phenol-Formaldehyd-Harzbinder (Novolak) verwendet, wobei drei Verfahrensweisen unterschieden werden:

    1. Kaltumhüllen: Der Binder wird unter Zusatz eines Lösungsmittels oder im bereits gelösten Zustand dem kalten Sand zugemischt. Außerdem wird eine Mischung von pulverförmigem Hexamethylentetramin als Härtungsmittel und Calciumstearat als Gleitmittel zugesetzt. Während des Mischprozesses (6 bis 10 min) verflüchtig sich das Lösungsmittel. Die nun trockene Formstoffmischung wird gesiebt und ist gebrauchsfertig.
    2. Warmumhüllen: Der Rohsand wird zunächst auf 60 bis 80 °C erwärmt. Danach erfolgt das Vermischen mit den einzelnen Komponenten, wobei das Harz mit einem Lösemittel verarbeitet wird. Durch Einblasen von Warmluft verdunstet das Lösungsmittel, es erfolgt eine Vorabbindung des Formstoffes. Nach dem Abkühlen wird der so umhüllte Sand noch gesiebt.
    3. Heißumhüllen: Bei dem heute wichtigsten Verfahren wird in einer speziellen Aufheizeinrichtung (Trockentrommel) der Quarzsand auf Temperaturen von 120 bis 150 °C erwärmt. Der heiße Sand wird zusammen mit dem festen, schuppenförmigen Phenolharz in einem Mischer vermengt, das Harz schmilzt auf und umhüllt die Quarzkörner. Dieser Verfahrensschritt wird als Vormischen (Vormischzeit 40 bis 60 s) bezeichnet. Anschließend erfolgt die Zugabe des in Wasser gelösten Hexamethylentetramins und des Stearatanteils. Die Mischzeit beträgt in dieser zweiten Stufe 60 bis 120 s. Temperatur und Nachmischzeit üben einen bedeutenden Einfluss auf die Formteileigenschaften nach der Härtung aus. Mit der anschließenden Kühlung des Formstoffes auf 70 bis 80 °C wird der Härteprozess gebremst. Nach Entleeren des Mischers wird der noch klumpige Formstoff auf einem Schwingsieb zerkleinert, es entsteht ein gut rieselfähiger Formstoff, der anschließend auf circa 40 °C abgekühlt wird. Die Heißumhüllung ist praktisch eine Schmelzumhüllung, die den Vorteil hat, dass der Harzzusatz zum Sand erheblich gesenkt werden kann. Hinzu kommt, dass durch die Verwendung von Zerfallsharzen der Formstoffzerfall, vor allem bei Leichtmetallguss, nach dem Gießen verbessert wird.

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