Formstoffkühlung

Allgemein

Werden im Gießereiprozess infolge hoher Formauslastung, schneller Formstoffumläufe und hoher Formenleistung Temperaturen > 40 °C im Altsandrücklauf erreicht, so sollten Formstoffkühler in den Prozess eingebunden werden. Die Kühlwirkung wird durch folgende Einflussgrößen bestimmt:

  • Wirkungsprinzip des Kühlers,
  • homogene Verteilung des Kühlwassers,
  • Intensität des Wärmeabzuges,
  • Verweilzeit im Kühler.

Die Entwicklungstendenzen für die Anlagen zur Kühlung des Formstoffs zielen auf eine Verbesserung der Kühlwirkung, Steigerung der Anlagenleistung, Reduzierung des Platzbedarfs der Anlagen und Verfahrenskombinationen der Aufbereitung mit folgender Zuordnung:

  • Spezialsandkühler für gestufte Durchsatzleistungen von 45–300 m³/h, wobei ab 150 m³/h getrennte Sandströme günstig sind,
  • Anlagen zum Trennen von Guss und Formstoff bei gleichzeitiger Kühlung,
  • Kühlen und Aufbereiten in einem Aggregat.
Kühlen unter Umgebungsbedingungen – Kühlerbauarten

Altsandkühler arbeiten nach dem Wirkungsprinzip der Verdunstungskühlung unter Umgebungsbedingungen. Sie unterscheiden sich in der Art der Luftzuführung, der Wasserzugabe und in der Fahrweise:

Durchlaufbetrieb:

  • Fließbettkühler
  • Mischkühler
  • Kühl- und Auspacktrommel

Chargenbetrieb:

  • Mischkühler

Für eine effektive Verdunstung des Wassers muss eine ausreichende Luftmenge angeboten werden, die den Wasserdampf aufnehmen und ableiten kann. Die Kühlwirkung wird erzielt, wenn die notwendige Kühlwassermenge jedes Sandkorn erreicht und das Wasser auf der Oberfläche verdunstet, so dass dem Sandkorn die Wärmeenergie entzogen wird. Eine ausreichende Luftmenge in einem genügenden Zeitrahmen muss vorbeiströmen können. Hierfür muss die Altsandmenge deutlich aufgelockert werden. Wenn das Wasser die Sandkörner nicht erreicht, sondern schon vorher verdunstet, weil die Luft bereits eine höhere Temperatur aufweist, so wird nur die Luft gekühlt und nicht der Altsand. Im Idealzustand hätte jedes Sandkorn seine notwendige Wassermenge zum Verdunsten. Ein typisches Sandkorn von 0,2 mm Durchmesser wiegt annähernd 14,6 µg und die zu verdunstende Wassermenge von 2 % nur noch knapp 0,3 µg. Eine feinste Wasserverteilung ist erforderlich.

Die abgesaugten, mit Staub beladenen Abluftmengen aus den Kühlern sind einer Abluftreinigung zuzuführen.

Fließbettkühler

Das Grundelement der Anlage ist ein Schwingförderer. Die kontinuierlich einlaufende Altsandmenge wird über mechanische Schwingungen, unterstützt von der über einen Anströmboden eingedrückten Luft, durch die Anlage getragen. Selbst bei geringen Luftgeschwindigkeiten bildet der Altsandstrom sich als Schwingfließbett mit Wirbelschichtcharakter aus. Der Wärmeentzug aus dem feuchten und warmen Altsand erfolgt über die Wasserverdunstung und Lufterwärmung.

Über dem circa 10 cm dicken Sandbett sind je nach Länge des Fließbettkühlers drei bis fünf Wasserstränge quer zur Bewegungsrichtung eingebaut, in denen in 20 cm Abstand Düsen eingebaut sind. Diese Düsenstöcke sind circa 30 cm über dem Sandbett installiert und versprühen das Wasser auf das Sandbett (Bild 1).

Eine gleichmäßige Verteilung des Formstoffstromes sollte erreicht werden, um den Luftwiderstand im zu kühlenden Sand, der die durchströmende Luftmenge beeinflusst, möglichst konstant zu halten.

Die Durchquerungszeit liegt bei circa 2–3 Minuten. Im Regelfall ist bei richtiger Projektierung eine Kühlwirkung von knapp unter 40 °C erreichbar, wenn die Umgebungstemperatur auch unter 40 °C ist.

Mischkühler

Der Mischkühler hat zwei gegenläufige langsam drehende Rührwerke, die die Sandmasse in gezielter Bewegung halten. Im unteren Teil der Kühlerwanne ist eine fast umlaufende Luftkammer. Vom Ventilator wird die Zuluft durch diese Luftkammer und über kleine kreisrunde Öffnungen in das Sandbett gedrückt.

Die Verweilzeit wird über die Austragsklappe gesteuert, wobei die Höhe des Motorstroms des Mischwerkzeugantriebes die zu regelnde Größe ist. Je höher der Motorstrom, umso höher der Füllstand und umso länger die Verweilzeit im Kühler. Das lässt sich nicht beliebig steigern, weil die notwendige Umwälzung des Altsandes und die Wasserverteilung behindert werden. Idealer Weise sollte jedes Sandkorn mit Wasser und Luft in Kontakt treten können, um eine Wärmeübergabe und -abführung zu erreichen (Bild 2).

Mit dem geführten Massestrom im Kühler wird eine gute Homogenisierung des Formstoffs erreicht.

Kühl- und Auspacktrommel

Kühl- und Auspacktrommeln werden häufig in der Kombination mit kastenlosen Formanlagen eingesetzt, um den kontinuierlichen Kühlprozess von Gussstück und Formstoff fortzusetzen. Das Gussstück und sein Formballen fallen noch in der kompakten Konstitution in die Trommel. Durch die Wälzbewegung werden Formballen zerkleinert sowie Formstoff und Guss gekühlt. Die Trommel mit einer Länge zwischen sechs und zehn Metern und einem Durchmesser zwischen zwei und vier Metern hat eine geringe Rotation von circa 10 Umdrehungen pro Minute. Über eine leichte Neigung der Trommel und Leitbleche wird ein gerichteter Massentransport bewirkt.

Über freihängende Düsen wird eine geringe zusätzliche Wassermenge auf die Gussstücke und das Sandbett gesprüht. Über die Verdunstung des Wassers wird dem System Wärme entzogen. Gleichzeitig wird gegen die Bewegungsrichtung Luft durch die Trommel gesogen, die den Wasserdampf aufnimmt und abtransportiert.

Auspacktrommeln sind empfindlich gegen Überfeuchtungen. Es besteht die Gefahr der Bildung von Formstoffkrusten um das Gussteil herum und der Knollenbildung im Formstoff. Diese Erscheinungen erschweren die Eisen-Sand-Trennung über das engmaschige Sieb am Auslauf. Der Sand soll am Trommelauslauf rieselfähig sein, so dass keine größeren Sandmengen in die Putzerei gelangen.

Chargenmischkühler

Im Chargenbetrieb können einstellbare Sandmengen abgewogen und gekühlt werden. Kombiniert mit einer Temperaturmessung kann die Kühlwassermenge vorgegeben werden. Nach dem Verwiegen der Komponenten wird sofort nach Befüllung des Kühlers mit dem zu kühlenden Altsand und der notwendigen Wassermenge das Kühlluftgebläse eingeschaltet. Nach einer drei- bis vierminütigen Kühlphase wird das Gebläse abgeschaltet. Eine Dosierung von Bentonit kann sich anschließen. Nach einer kurzen Mischzeit von circa 30 Sekunden wird der Chargenkühler entleert. Aktuelle Bauformen haben ein Fassungsvermögen von circa 7 t Chargengröße und sollen circa 100 t/h Durchsatz bewältigen. Die Kühlwirkung ist besser als beim Durchlaufkühler, da die Ablufttemperaturen besser ansteigen und eine höhere Menge verdunsteten Wassers aufnehmen. Die zu Beginn dosierte Wassermenge umfasst das Kühlwasser und das Prozesswasser zur Erreichung der Endfeuchte. Bei hohen Altsandtemperaturen können bis zu 6 % Wasser erforderlich sein. Der Mischkühler wird zwischen Auspackstelle und Altsandbunker installiert (Bild 3).

Mischen, Aufbereiten und Kühlen unter Vakuum

Die Aufbereitung und Kühlung des Formstoffs erfolgt in einem Aggregat. Die anlagentechnische Basis bildet ein Wirbelmischer. Der Mischer ist vakuumfest ausgeführt und erlaubt die Prozessschritte Mischen, Kühlen und Aufbereiten in einem Aggregat ( EVACTHERM®-Verfahren).

Die Physikalischen Grundlagen für die Formstoffkühlung im Mischer sind:

1. Die thermodynamische Abhängigkeit von Druck und Temperatur bei Flüssigkeiten, die es möglich macht, über die Druckeinstellung die Temperatur des Stoffes – hier im Einsatzfall den Formstoff – zu steuern,

2. Der Energiebedarf von Stoffen beim Phasenübergang flüssig zu gasförmig. Nutzung der Verdunstungswärme von Wasser [2257 KJ/(kg · K)] zum Wärmeentzug aus dem Formstoff.

Das dem Formstoff zuzugebende Wasser wird so berechnet, dass neben dem für die Aufbereitung erforderlichen Wasser – aus der Differenz zwischen Zielfeuchte und Ausgangsfeuchtigkeit und Zielfeuchte des Formstoffs – die Kühlwassermenge zugegeben wird, die eine Energiemenge über die Verdampfungswärme benötigt, die der Energiemenge aus der Temperaturdifferenz des zu kühlenden Formstoff (Ausgangstemperatur zur Zieltemperatur) entspricht.

Die Ergebnisse der Temperaturmessung und der Feuchtigkeitsbestimmung in der homogenisierten Charge sind die Grundlage zur Berechnung der zuzugebenden Wassermenge. Die Genauigkeit dieser Messungen ist entscheidend für die Einstellung von exakten Formstoffzielwerten im aufbereiteten Formstoff.

Für die erste Aufbereitungsstufe im Mischer steht der Formstoffcharge ein Überangebot an Wasser zur Verfügung. Die Konstruktion der Mischerwerkzeuge und das Zusammenspiel von drehenden und fest stehenden Elementen ermöglicht eine schnelle und gleichmäßige Verteilung der Zuschlagsstoffe einschließlich des Wassers im gesamten Mischgut.

In der folgenden Prozessstufe, dem Vakuummischen, wird der gesamte Mischbehälter kontinuierlich evakuiert. Der Misch- und Aufbereitungsvorgang wird dabei nicht unterbrochen. Die Druckveränderung vollzieht sich an allen Stellen im Mischer gleichzeitig. Mit der Druckreduzierung bildet sich ab dem Erreichen der Dampfdruckkurve kontinuierlich Wasserdampf, der aus dem Mischer abgezogen wird. Der Formstoffcharge werden Wärme und Feuchtigkeit entzogen. Eine leistungsfähige Vakuumpumpe erniedrigt den Druck im Mischer bis zum Erreichen von 73,9  mbar. Nach der Druck-Temperatur-Kurve wird so eine Temperatur von 40 °C im System erreicht.

Das geschlossene Vakuumsystem wird anschließend entspannt und der Mischer kann entleert werden.

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