Die Sandaufbereitung senkt die Betriebskosten Ihrer Gießerei um 60–90 % und gewährleistet gleichzeitig eine gleichbleibende Gussqualität. Durch dieses Verfahren werden Bindemittel und Verunreinigungen aus dem gebrauchten Formsand entfernt, sodass Sie ihn für nachfolgende Gussvorgänge wiederverwenden können.
Sie müssen Kosten senken und gleichzeitig die Produktionsanforderungen erfüllen. Die Sandaufbereitung löst beide Herausforderungen, indem über 90 % Ihres kontaminierten Sandes recycelt werden, anstatt ihn auf Deponien zu entsorgen und teures Neumaterial zu kaufen.
Drei Hauptverfahren dienen der Aufbereitung von Gießereisand: mechanische, thermische und Nassaufbereitung. Jedes Verfahren zielt auf unterschiedliche Verunreinigungen ab und liefert unterschiedlich hohe Reinheitsgrade des Sandes.
Bei der mechanischen Aufbereitung werden die Sandkörner durch Abrieb und Aufprall physikalisch gereinigt, um Oberflächenbeschichtungen zu entfernen. Dieses Verfahren eignet sich gut für Grünsandsysteme, bei denen Bentonit als primäres Bindemittel dient.
Bei der thermischen Aufbereitung werden alle organischen Materialien durch Erhitzen des Sandes auf 670–720 °C in einem Wirbelschichtreaktor entfernt. Die hohe Temperatur oxidiert Harze, Bindemittel und kohlenstoffhaltige Rückstände vollständig, die mit mechanischen Verfahren nicht vollständig entfernt werden können.
Bei der Nassaufbereitung werden Wasser und chemische Lösungen eingesetzt, um Bindemittelreste aufzulösen und auszuwaschen. Dieses Verfahren entfernt Beschichtungen und organische Stoffe teilweise, erfordert jedoch Abwasserbehandlungsanlagen.
Hier ein Vergleich dieser Methoden:
| Methodik | Betriebskosten | Sauberkeitsgrad | Beste Anwendung | Energiebedarf | Verarbeitungsgeschwindigkeit |
|---|---|---|---|---|---|
| Mechanisch | 1 USD / Tonne | 85-90 % sauber | Grünsand, Großvolumenbetrieb | Niedrig | Schnell (kontinuierlich) |
| Thermische | 6-8 USD/Tonne | 99-100 % sauber | Chemisch gebundener Sand, Harzsysteme | Hoch | Moderat |
| Nass | 3-5 USD/Tonne | 75-85 % sauber | Wasserlösliche Bindemittel, Spezialanwendungen | Moderat | Langsam (Chargen) |
Bei der mechanischen Aufbereitung werden Oberflächenverunreinigungen von den Sandkörnern durch fünf aufeinanderfolgende Prozesse entfernt, wodurch der Sand wieder in einen für Formgebungsvorgänge verwendbaren Zustand versetzt wird.
Der verbrauchte Sand kommt nach dem Aussieben in großen Klumpen an, die Sand, Bindemittel und Metallfragmente enthalten. Klumpenbrecher oder Brechräder zerkleinern diese Klumpen zu einzelnen Körnern und kleineren Zuschlagstoffen.
Vibrationsmühlen oder rotierende Wäscher üben Reibungskräfte auf jedes einzelne Sandkorn aus. Das VIBRA-MILL-System beispielsweise nutzt hochfrequente Vibrationen, um einen intensiven Korn-zu-Korn-Kontakt zu erzeugen, der Tonablagerungen und verbrannte organische Rückstände abwäscht.
Die Dauer des Reinigungsvorgangs beeinflusst den endgültigen Reinheitsgrad. Die meisten Systeme bearbeiten Sand 3–8 Minuten lang. Längere Behandlungszeiten entfernen zwar mehr Verunreinigungen, erzeugen aber auch zusätzliche Feinstaubpartikel, die später abgetrennt werden müssen.
Durch die mechanische Einwirkung werden die Bentonit-Tonpartikel aktiviert, indem sie in kleinere Teile zerkleinert werden. Dies verbessert die Bindungsfähigkeit des Tons, wenn er beim erneuten Vermahlen wieder dem Sandgemisch hinzugefügt wird.
Vibrationssiebe trennen Sand nach Korngröße. Dabei werden zwei problematische Fraktionen entfernt: zu große Klumpen, die nicht vollständig zerkleinert wurden, und zu kleine Feinanteile (Staubpartikel kleiner als 20 Mikrometer), die beim Schrubben entstanden sind.
Standard-Gießereisand für den Eisenguss hat eine Korngröße von 50–70 AFS. Ihr Siebsystem stellt sicher, dass das wiederverwertete Material innerhalb dieses Spezifikationsbereichs bleibt, indem es Partikel außerhalb der zulässigen Toleranzen aussortiert.
Zyklonabscheider oder Schlauchfilter entfernen Staubpartikel aus der Luft, die den Siebvorgang passiert haben. Dieser Schritt ist entscheidend für die Luftqualität und verhindert die Ausbreitung von Verunreinigungen in Ihrem Betrieb.
Magnetabscheider entfernen Metalleinschlüsse wie Fremdeisen, Strahlmittelreste und kleine Gussfragmente. Selbst kleinste Metallpartikel verursachen Defekte, indem sie harte Stellen in den Formen bilden, die dem Pressdruck widerstehen.
Viele Systeme verfügen über elektromagnetische Abscheider, die sowohl Eisen- als auch Nichteisenmetallverunreinigungen auffangen. Dies schützt Ihre Mahlscheiben vor vorzeitigem Verschleiß und verhindert Metalleinschlüsse in den fertigen Gussteilen.
Der aufbereitete Sand wird zu Teststationen transportiert, wo automatisierte oder manuelle Probenahmen wichtige Eigenschaften bestimmen: Korngrößenverteilung, Tongehalt und Kontaminationsgrad.
Sie prüfen, ob das recycelte Material Ihren Spezifikationen entspricht, bevor es zur Aufbereitung in die Mühle gelangt. Liegen die Testergebnisse außerhalb der zulässigen Bereiche, passen Sie die Verarbeitungsparameter an oder leiten das Material zur Entsorgung weiter.
Führende Gießereien prüfen den Feuchtigkeitsgehalt (sollte nach der mechanischen Aufbereitung 0.5–1 % betragen), den Gehalt an aktivem Ton (Restton, der die Reinigung überstanden hat) und den Glühverlust (organische Bestandteile, die auf den Kornoberflächen verbleiben). Diese drei Messwerte geben Aufschluss darüber, ob Ihr Aufbereitungssystem ordnungsgemäß funktioniert.
Bei der thermischen Aufbereitung werden alle organischen Bestandteile aus gebrauchtem Sand vollständig entfernt, indem dieser in einer kontrollierten Atmosphäre auf Verbrennungstemperatur erhitzt wird. Dieses vierstufige Verfahren liefert Sand mit Eigenschaften, die nahezu identisch mit denen von Neuware sind.
Der verbrauchte Sand muss zunächst mechanisch aufbereitet werden. Thermische Anlagen können weder große Klumpen verarbeiten noch die hohen Mengen an Staub und Metallfragmenten im Rohsand bewältigen.
Die mechanische Stufe zerkleinert Klumpen, entfernt den Großteil der Verunreinigungen und klassifiziert den Sand nach Korngröße. Dies reduziert die Belastung Ihres thermischen Rückgewinnungsgeräts und verbessert die Brennstoffeffizienz.
Im Wesentlichen nutzen Sie die mechanische Aufbereitung als Vorbehandlung, die die thermische Verarbeitung wirtschaftlich rentabel macht. Ohne diesen Schritt würden Sie erhebliche Mengen an Brennstoff verschwenden, indem Sie unnötige Verunreinigungen erhitzen.
Mechanisch aufbereiteter Sand gelangt in einen Wirbelschichtreaktor oder Drehrohrofen, wo er durch Brenner auf 670–720 °C erhitzt wird. Bei diesen Temperaturen verbrennen alle organischen Materialien und werden durch Oxidation in Kohlendioxid und Wasserdampf umgewandelt.
Durch die Fluidisierung werden die einzelnen Sandkörner in einem Strom heißer Gase suspendiert. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Erwärmung und verhindert das Sintern (Verschmelzen) des Sandes bei hohen Temperaturen.
Die Behandlungsdauer variiert je nach Bindemittelart und Verschmutzungsgrad zwischen 3 und 8 Minuten. Phenolharzbindemittel erfordern höhere Temperaturen und längere Verweilzeiten als Furan- oder Urethansysteme.
Der Verbrennungsprozess ist exotherm. Sobald organische Materialien zu brennen beginnen, setzen sie Wärme frei, die den Brennstoffverbrauch teilweise ausgleicht. Gut konzipierte Systeme fangen diese Wärmeenergie auf und führen sie dem Kreislauf wieder zu, um die Effizienz zu steigern.
Der Sand verlässt die Thermokammer mit einer Temperatur von 650–700 °C und muss auf 40–50 °C abkühlen, bevor er wieder in das Sandsystem eingefüllt werden kann. In den meisten Fällen werden Wirbelschichtkühler eingesetzt, die Umgebungsluft oder gekühlte Luft durch den heißen Sand leiten.
Verdunstungskühlsysteme versprühen feinen Wassernebel in die Kühlkammer. Das Wasser verdampft beim Kontakt mit den heißen Sandkörnern und führt dabei Wärmeenergie ab. Diese Methode kühlt schneller als reine Luftkühlsysteme, führt aber zu zusätzlicher Feuchtigkeit, die beim erneuten Vermahlen berücksichtigt werden muss.
Thermisch aufbereiteter Sand wird auf Korngrößenverteilung, Glühverlust (sollte unter 0.5 % liegen) und Säurebedarf (ein Maß für die Restalkalität aus verbranntem Bindemittel) geprüft.
Der pH-Wert ist wichtig, da manche Bindemittel auch nach der Wärmebehandlung alkalische Rückstände hinterlassen. Ihr Sand sollte einen pH-Wert zwischen 6.5 und 8.0 aufweisen. Werte außerhalb dieses Bereichs können neue Bindemittelsysteme beeinträchtigen oder zu Problemen mit der Festigkeit der Form führen.
Sie prüfen außerdem auf thermische Zersetzung. Übermäßige Hitze kann Sandkörner brechen oder scharfe Kanten abrunden, die in Grünsandformen für die mechanische Verzahnung sorgen. Die Kornformanalyse stellt sicher, dass der thermische Prozess die physikalischen Eigenschaften des Sandes nicht beeinträchtigt hat.
Bei der Grünsandaufbereitung wird Rücklaufsand aus Ausschliffvorgängen mit frischen Materialien und präziser Feuchtigkeitskontrolle kombiniert, um einen gleichmäßigen Formsand zu erzeugen.
Der Rücklaufsand aus Ihrem Rüttelsystem durchläuft Vibrationssiebe, die Metallfragmente, Kernreste und zu große Klumpen entfernen. So wird wiederverwendbarer Sand von Verunreinigungen getrennt, bevor er in das Aufbereitungssystem gelangt.
Die meisten Gießereien verwenden in dieser Phase ein 1/4-Zoll-Siebgewebe. Das durch das Sieb hindurchgehende Material wird weiter aufbereitet. Zu großes Material wird zerkleinert oder aussortiert.
Der aus dem Aussiebprozess zurückgeführte Sand weist aufgrund der Restwärme des Metalls typischerweise eine Temperatur von 140–180 °F auf. Mehrkühlersysteme reduzieren diese Temperatur durch Verdunstungskühlung auf 90–110 °F, bevor der Sand den Mulcher erreicht.
Diesen Schritt dürfen Sie nicht überspringen. Sandtemperaturen über 49 °C (120 °F) führen zu einer schnellen Verdunstung der Feuchtigkeit, wodurch die Tonaktivierung beeinträchtigt wird. Heißer Sand verursacht zudem ungleichmäßige Mischbedingungen, die zu Steuerungsproblemen im gesamten Formsystem führen.
Der Kühlvorgang dauert je nach Rücklaufsandtemperatur und Kühlleistung 5–15 Minuten. Viele Systeme führen während der Kühlung 60–75 % der Zielwassermenge zu, um die Verdunstungswärme optimal zu nutzen.
Befüllen Sie Ihren Mischer mit dem berechneten Mischungsverhältnis aus Rücklaufsand, Recyclingsand, Neusand und Bentonit. In einer typischen Eisengießerei werden 100 Teile Quarzsand und 8 Teile Bentonit verwendet.
Noch kein Wasser hinzufügen. Sand und Ton müssen sich zuerst vermischen, damit das Bentonit keine klebrigen Klumpen bildet, sondern die einzelnen Sandkörner umhüllt.
Die Zugabemenge von neuem Sand variiert je nach Gussvolumen und Kernverwendung. Traditionell gilt ein Richtwert von 300 Pfund neuem Sand pro Tonne gegossenem Metall, moderne Betriebe verwenden jedoch häufig 10–40 % neuen Sand, basierend auf den tatsächlichen Glühverlustmessungen und den Systemanforderungen.
Lassen Sie den Mulcher 2–5 Minuten laufen, um das Bentonit gleichmäßig im Sandgemisch zu verteilen. Die Mulcherräder verdichten den Sand an den Kammerwänden, während die Pflüge das Material kontinuierlich zerkleinern und vermischen.
Sie stellen eine homogene Trockenmischung her, bevor Sie Feuchtigkeit hinzufügen. Dies verhindert Klumpenbildung und stellt sicher, dass jedes Sandkorn eine gleichmäßige Tonschicht erhält.
Achten Sie auf eine gleichmäßige Farbe der gesamten Mischung. Sobald keine Streifen oder Stellen mit unterschiedlich gefärbtem Material mehr sichtbar sind, ist das Trockenmischen abgeschlossen.
Geben Sie bei laufendem Mulcher etwa 60–75 % der gewünschten Wassermenge hinzu. Führen Sie das Wasser langsam über die Sprühdüsen ein, anstatt es in großen Mengen einzufüllen.
Wasser aktiviert Bentonit, indem es ihn zum Quellen bringt und ihm Plastizität verleiht. Wird zu viel Wasser zu schnell hinzugegeben, entstehen lokal begrenzte Feuchtigkeitsstellen, die sich nicht gleichmäßig in der Mischung verteilen.
Der angestrebte Gesamtfeuchtegehalt liegt beim Eisenguss typischerweise zwischen 3.0 und 3.5 %. Beträgt Ihr Zielwert 3.2 %, fügen Sie in diesem ersten Schritt etwa 2.0 bis 2.4 % Feuchtigkeit hinzu.
Halten Sie den Müller an und führen Sie den Quetschballtest durch. Nehmen Sie eine Handvoll Sand und drücken Sie ihn fest zusammen. Der Sand sollte eine Kugel bilden, die ihre Form behält, ohne zu zerbröseln, aber sauber zerbricht, wenn man sie aus Hüfthöhe fallen lässt.
Zerfällt der Ball sofort, benötigen Sie mehr Wasser. Bleibt er nach dem Aufprall auf den Boden zusammen, haben Sie zu viel Wasser hinzugegeben.
Geben Sie die restlichen 25-40 % der Zielfeuchtigkeit in kleinen Schritten von 0.1-0.2 % hinzu. Mischen Sie nach jeder Zugabe 1-2 Minuten lang gründlich und prüfen Sie die Sandkonsistenz.
Sie können jederzeit Wasser hinzufügen, aber es lässt sich nicht so einfach wieder entfernen. Nehmen Sie sich in dieser Phase ausreichend Zeit, um die gewünschte Feuchtigkeit genau zu erreichen.
Nach Erreichen der Zielfeuchte weitere 5–10 Minuten rühren. Durch dieses verlängerte Mischen kann das Wasser die Bentonitpartikel vollständig durchdringen und sich gleichmäßig in der Sandmasse verteilen.
Die Scherwirkung der Töpferscheibe aktiviert den Ton, indem sie Tonklumpen aufbricht und neue Oberflächen freilegt. Aktivierter Ton sorgt für die nötige Bindungsfestigkeit, um hochwertige Gussformen herzustellen.
Schütten Sie den zerkleinerten Sand aus und lassen Sie ihn vor der Verwendung 10–30 Minuten ruhen. Durch diese Ruhezeit verteilt sich die Feuchtigkeit gleichmäßig im Sand und lokale nasse oder trockene Stellen werden vermieden.
Einige Gießereien mischen in dieser Zeit frisch gemahlenen Sand mit Sand aus vorherigen Chargen. Das Rückmischen verbessert die Konsistenz und gleicht kleinere Abweichungen zwischen den Chargen aus.
Bei Anlagen mit hohem Durchsatz und kontinuierlichen Sandaufbereitungsanlagen ist die Ausgleichsphase nicht immer möglich. Falls Sie diesen Schritt überspringen müssen, verlängern Sie die Verweilzeit um 3–5 Minuten, um dies auszugleichen.
Mischen Sie den Sand kurz (1–2 Minuten) durch, bevor Sie ihn zu Ihren Formmaschinen geben. Durch dieses abschließende Mischen wird die während der Lagerung abgesetzte Feuchtigkeit wieder verteilt und gleichmäßige Eigenschaften an der Formstation sichergestellt.
Prüfen Sie den Sand ein letztes Mal auf Feuchtigkeitsgehalt, Verdichtbarkeit und Frischdruckfestigkeit. Diese drei Eigenschaften sollten innerhalb Ihrer Kontrollbereiche liegen, bevor der Sand in die Produktion geht.
Richtig aufbereiteter Grünsand ist unbegrenzt haltbar, wenn durch regelmäßige Zugabe von neuem Sand und Bentonit der korrekte Tongehalt, Feuchtigkeitsgehalt und Glühverlust aufrechterhalten werden. Die meisten Gießereien tauschen ihr Sandsystem nur dann komplett aus, wenn sie die Legierungstypen wechseln oder wenn Geräteausfälle das gesamte System kontaminieren.
Sand kann zwar über viele Zyklen hinweg aufbereitet werden, jedoch müssen kontinuierlich 10–40 % durch neuen Sand ersetzt werden, um Verluste durch Ausschütteln, Metallpenetration und Feinstaubentfernung auszugleichen. Die Sandkörner selbst bleiben für 50–100+ Zyklen verwendbar, jedoch erfordern Tongehalt und Glühverlust eine ständige Anpassung.
Der Sand muss vollständig ausgetauscht werden, wenn der Glühverlust (LOI) 5 % übersteigt, der Säurebedarf die zulässigen Bereiche überschreitet (was auf eine Bindemittelansammlung hindeutet) oder physikalische Eigenschaften wie Wasserdurchlässigkeit und Grünfestigkeit durch normale Aufbereitung nicht wiederhergestellt werden können. Auch übermäßige Feinstaubbildung und anhaltende Gussfehler deuten darauf hin, dass der Sand seine Lebensdauer erreicht hat.
