Emissionsreduzierte Formstoffzusätze für bentonitgebundene Formstoffe zur Optimierung der Deponierbarkeit von Altsanden und Absenkung der BTX-Werte in der Abluft

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GP 05/2018

Formstoffzusatz verringert BTX-Werte Verschärfte Grenzwerte und knapper werdende  Deponieflächen stellen die Gießereien in Deutschland zunehmend vor Probleme bei der Entsorgung von Gießereialtsanden sowie der Einhaltung von Emissionsgrenzwerten in der Abluft und an den Arbeitsplätzen. Ein für die Gießereien wichtiger Wert im Zusammenhang mit der Zuordnung der Deponieklasse oder Einbauklasse ist der Gehalt an eluierbaren BTEX im Altsand sowie der Gehalt an BTX in der Abluft. Vielfach wird sich diesem Thema von der Kernbinder-Seite hergenähert, es gibt jedoch einen weiteren bedeutenden Ansatzpunkt: Die dem bentonitgebundenen Formstoff zugesetzten Glanzkohlenstoffbildner liefern ein hohes Potenzial zur Absenkung der BTEX/BTX Werte– sowohl in der Abluft als auch im zu deponierenden Altsand. HA Minerals GmbH hat einen Formstoffzusatz entwickelt, der die BTEX Werte im Altsand und die BTX-Werte in der Abluft erheblich reduziert ohne die Oberflächengüte bzw. die Qualität der Gussteile zu beeinträchtigen. Was sind BTEX und wo kommen sie her? BTEX ist ein Sammelbegriff für die Stoffe Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol. In der Gießerei werden dem Formstoffkreislauf permanent Stoffe zugesetzt, die in der Lage sind, BTEX zu generieren. Bei der Kernfertigung kommen organische Bindemittel und Additive zum Einsatz, in der (Maschinen-) Formerei werden dem Formsand Glanzkohlenstoffbildner, meist Kohlen und je nach Bedarf Additive, wie beispielsweise Graphit oder kohlenwasserstoffhaltige Harze, zugesetzt. Während des Gießprozesses, in einem Temperaturbereich von etwa 250–1 100 °C, werden diese Stoffe nun thermisch zersetzt. In der reduzierenden Formatmosphäre entstehen unter anderem BTEX [1]. Quantität und Qualität der Pyrolyseprodukte hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie beispielsweise der Gießtemperatur,der Gussteilgeometrie, dem Eisen-Sand-Verhältnis und der Dauer der thermischen Belastung des Formsandes.

Möglichkeiten zum Absenken der BTEX-Gehalte im Altsand

Voraussetzung für die erfolgreiche Reduzierung der Emissionen ist eine Systemanalyse des betroffenen Formstoffsystems nach folgendem Beispiel [2]:

Die Systemanalyse (Bild 1) zeigt deutlich auf, wo das größte Potential zur Reduzierung der Emissionen liegt. Die HA Gruppe als Komplettanbieter kann hier nun Synergieeffekte nutzen, sowohl über angepasste Kernbindersysteme, als auch über eine Modifikation der Glanzkohlenstoffbildner.

Entwicklung emissionsreduzierter Formstoffzusätze für bentonitgebundene Formstoffe

Durch eine schrittweise Substitution der emissionsträchtigen Kohlen und Kohlenwasserstoffe im Glanzkohlenstoffbildner durch emissionsfreie Additive werden die BTEX-Emissionen sowohl in der Abluft, als auch im Altsand deutlich reduziert. Gleichzeitig müssen die gewünschten Eigenschaften, wie verminderte Benetzbarkeit des Formstoffes, Vermeidung von Ausdehnungsfehlern wie z. B. Schülpen, sowie ein optimierter Wasserhaushalt bestehen bleiben. Mit dem Ziel, diese Anforderungen zu erfüllen, wurde Polycol® RE entwickelt.  

Vorversuche im Labor und Bestätigender Ergebnisse unter Gießereibedingungen. Zunächst im Labor und später in Zusammenarbeit mit einer Gießerei wurde eine Versuchsreihe entwickelt und abgearbeitet. Da als Hauptemittent für BTEX aus dem Glanzkohlenstoffbildner die Kohlequalität als entscheidend angesehen werden kann, wurden für die Versuchsreihe zwei unterschiedliche Kohlen verwendet. Des Weiteren wurden zwei zusätzliche Additive entwickelt und geprüft.

Betrachtet man die Entwicklung der Gesamtemissionsmenge (Bild 2), so zeigt sich ein kontinuierlicher Abfall der BTEX Werte. Setzt man die Emissionen der Mischung ohne Additiv als 100 %, so sinken die Werte bei Zugabe des Additivs auf bis zu 30 % der ursprünglichen BTEX Menge. Da die Erwartung an das Additiv war, dass sich die Schadstoffmenge 1:1 je eingesetzten % Material verringern würde, sind die Erwartungen deutlich übertroffen worden.

Die erhaltenen Gussteile wurden lediglich von Sand befreit, ein Strahlen erfolgte nicht. Das Gussergebnis stellte sich dann wie folgt dar (Bild 3).

Oben links im Bild wurde ein Polycol ® mit 100 % Kohle als Glanzkohlenstoffbildner eingesetzt. Rechts oben wurden 20 % der Kohle durch Additiv ersetzt, unten links wurden 30 % der Kohle ersetzt und unten rechts wurden 50 % der Kohle durch das Additiv ersetzt.

Rein optisch führt ein steigender Additivanteil zu mehr Sandanhaftungen, jedoch zu vergleichbaren Gussoberflächen,wobei ein Einsatz von 20 % Additiv keinen Unterschied erkennen lässt.

Ausblick

Inwieweit die in diesem Vortrag dargestellten ermittelten Reduktionspotenziale durch den Einsatz von Polycol ® RE auch in der Praxis zum Tragen kommen, wird demnächst in einer Gießerei bei prozesssicherer Gussteilfertigung aufgezeigt und analysiert.

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