Wiederaufbereiteter Gießereisand ist Gießereisand, der zur Herstellung von Gussformen verwendet und anschließend gereinigt und aufbereitet wurde, um ihn wiederzuverwenden. Gießereien gewinnen bis zu 90 % ihres Formsandes durch Aufbereitungssysteme zurück und verwandeln so einen potenziellen Abfall in ein wertvolles Material, das nahezu die gleichen Eigenschaften wie Neuware aufweist.
Der Lebenszyklus von Gießereisand lässt sich in drei Phasen unterteilen. Zunächst wird der Sand in der Gießerei mit Bindemitteln wie Bentonit oder Harzen vermischt, um Gussformen für den Metallguss herzustellen. Nach dem Abkühlen des flüssigen Metalls und dem Entformen (Ausschütteln) gilt der Sand als „gebrauchter Sand“, der mit verbrannten Bindemittelresten, Metallpartikeln und Hitzeschäden verunreinigt ist.
Hier kommt die Aufbereitung ins Spiel. Der gebrauchte Sand wird gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen und die Sandkörner in einen nahezu ursprünglichen Zustand zurückzuversetzen. Dieser aufbereitete Sand kann mehrfach in der Produktion eingesetzt werden; manche Gießereien verwenden dieselbe Sandcharge dutzende Male, bevor sie zu stark abgenutzt ist.
Wenn Sand auch nach der Aufbereitung die Qualitätsstandards nicht mehr erfüllt, wird er zu „gebrauchtem Gießereisand“. In einer durchschnittlichen Gießerei ohne Aufbereitungssysteme landen jährlich etwa 8,000 Tonnen Sand auf Deponien. Gießereien mit Aufbereitungssystemen können diese Abfallmenge um 70 % oder mehr reduzieren und gleichzeitig ihre Rohstoffkosten senken.
Die wirtschaftlichen Vorteile sind überzeugend. Die mechanische Aufbereitung von recyceltem Sand kostet etwa 1 US-Dollar pro Tonne, verglichen mit dem Kauf und Transport von neuem Spezialsand. Für Gießereien, die hochwertigen Quarzsand oder spezielle Formmassen verwenden, summieren sich diese Einsparungen schnell.
Gießereien nutzen drei Hauptverfahren zur Aufbereitung von Altsand, die jeweils darauf ausgelegt sind, unterschiedliche Arten von Verunreinigungen und Bindemittelrückständen zu entfernen. Die Wahl des Verfahrens hängt von der Art des Bindemittels, der Gießereigröße und den Qualitätsanforderungen ab.
Bei der mechanischen Aufbereitung wird durch physikalische Kraft verbrannte Bindemittelreste von den einzelnen Sandkörnern abgerieben. Vibrationsmühlen und pneumatische Wäscher erzeugen eine hohe Reibung, die die Bindemittelbeschichtung aufbricht, ohne den Sand selbst zu beschädigen.
So funktioniert der Prozess Schritt für Schritt: Der gebrauchte Sand gelangt in eine Vibrationskammer, wo rotierende Paddel oder Hochgeschwindigkeitsluftströme die Sandkörner in Bewegung setzen. Dadurch werden Klumpen aufgebrochen und die Bindemittelschichten, die jedes Korn umhüllen, abgetragen. Anschließend trennt das System den gereinigten Sand mittels Windsichtung von Staub, Metallpartikeln und Bindemittelresten. Magnetabscheider entfernen verbleibende Metallverunreinigungen, bevor der Sand in die Lagersilos zurückgeführt wird.
Der gesamte mechanische Zyklus dauert 15 bis 30 Minuten pro Charge. Die meisten Systeme erreichen Glühverlustwerte (LOI) zwischen 0.5 % und 1.5 %, was der Leistung von ungebrauchtem Sand entspricht. Der Glühverlust (LOI) misst den organischen Rückstand, der nach einstündigem Erhitzen auf 1,000 °C auf dem Sand verbleibt.
Die Verarbeitungskosten liegen bei etwa 1 US-Dollar pro Tonne, wodurch die mechanische Rückgewinnung die wirtschaftlichste Option darstellt.
Bei der thermischen Aufbereitung werden organische Bindemittel mithilfe hoher Temperaturen zwischen 600 °C und 720 °C vollständig von den Sandkörnern abgebrannt. Der Sand durchläuft eine beheizte Wirbelschichtkammer, in der die direkte Flamme sämtliches organische Material verbrennt, wodurch die Sandkörner chemisch gereinigt werden.
Der Prozess beginnt mit mechanisch aufbereitetem Sand (große Brocken lassen sich nicht thermisch aufbereiten). Eine Förderschnecke befördert den Sand in die Thermokammer, wo er sich mit heißen Verbrennungsgasen vermischt. Die Hitze spaltet die chemischen Bindungen zwischen Bindemitteln und Sand und wandelt organische Verbindungen in Kohlendioxid und Wasserdampf um. Nach 10 bis 15 Minuten Erhitzung durchläuft der Sand ein Kühlsystem, das ihn vor der Lagerung auf 50 °C abkühlt.
Die thermische Aufbereitung liefert die reinsten Ergebnisse mit LOI-Werten unter 0.1 %. Das ist sogar niedriger als bei neuem, ungebrauchtem Sand, der typischerweise einen LOI-Wert von 0.29 % aufweist. Dieser ultrareine Sand reduziert Gussfehler und verbessert die Gussqualität. Oberflächenfinish Qualität.
Der Kompromiss liegt in den Kosten. Thermische Systeme kosten aufgrund des Energieverbrauchs 6 bis 8 Dollar pro Tonne.
Gießereien für Nichteisenmetalle bevorzugen die thermische Rückgewinnung, da sie organische Verbindungen, die Aluminium- oder Kupfergussteile verunreinigen könnten, vollständig entfernt. Im Vergleich zu mechanischen Verfahren ist das Verfahren zudem nahezu staubfrei und verbessert so die Luftqualität am Arbeitsplatz.
Bei der Nassaufbereitung werden Wasser und Chemikalien eingesetzt, um Bindemittelbeschichtungen aufzulösen oder zu suspendieren und so die Verunreinigungen vom sauberen Sand zu trennen. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend zur Entfernung anorganischer Bindemittel, die sich mechanisch abtragen lassen und in thermischen Anlagen nicht vollständig verbrennen.
Zunächst werden durch Hochgeschwindigkeitsmischung Sandklumpen aufgebrochen, während Wasser lösliche Bindemittel auflöst. Anschließend wird die Sandsuspension in Hydrozyklonabscheidern mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Die Zentrifugalkraft treibt die schwereren Sandkörner nach außen, während leichtere Tonpartikel und Kohlenstoff im Wasserkern suspendiert bleiben. Im Unterlauf werden mindestens 40 % des Sandes zurückgewonnen, während im Überlauf 60 % oder mehr des Bentonits zur Wiederverwendung aufgefangen werden.
Vibrationssiebe entfernen den restlichen Wassergehalt und liefern so Sand, der anschließend erneut vermischt werden kann. Das gesamte Nassverfahren entfernt 98 % der anhaftenden Rückstände und übertrifft damit die Leistung rein mechanischer oder thermischer Verfahren.
Viele Gießereien kombinieren verschiedene Verfahren. Der Sand wird zunächst nass aufbereitet, um die meisten Verunreinigungen zu entfernen, anschließend werden durch eine Wärmebehandlung verbleibende organische Stoffe abgebrannt. Dieses zweistufige Verfahren gewährleistet höchste Qualität bei gleichzeitiger Senkung der Energiekosten.
Nahezu alle Gießereisandarten lassen sich wiederverwerten, doch die Methoden und Erfolgsquoten variieren stark je nach verwendetem Bindemittelsystem. Die zwei Hauptkategorien sind Grünsand (tongebunden) und chemisch gebundener Sand.
Das Grünsandformverfahren dominiert die Gießereiindustrie; 85 % der Metallgießereien nutzen dieses wasseraktivierte Tonsystem. Die Mischung besteht aus Quarzsand, 3 % bis 10 % Bentonit als Bindemittel, 2 % bis 10 % Kohlenstaub zur Oberflächenveredelung und 3 % bis 4 % Wasser.
Die meisten Grünsandverfahren arbeiten als geschlossene Kreisläufe. Frischer Sand und Bindemittel werden zugeführt, um Materialverluste während des Gießprozesses auszugleichen, während die Aufbereitung durch das Entfernen abgenutzter Bestandteile eine gleichbleibende Qualität gewährleistet. Ein gut geführtes System kann mit nur 10 bis 30 % Frischmaterialzugabe unbegrenzt betrieben werden.
Chemisch gebundene Sande verwenden synthetische Harzbindemittel anstelle von Ton und bieten dadurch eine höhere Festigkeit und bessere Maßgenauigkeit für komplexe Gussteile. Jeder Harztyp weist unterschiedliche Rückgewinnungseigenschaften auf.
| Bindemitteltyp | Rückgewinnungsrate | Beste Methode | Spezielle Überlegungen |
|---|---|---|---|
| Furanharz | 95% + | Mechanisch/Thermisch | Die starre Polymerstruktur ermöglicht es, das Bindemittel allein durch mechanisches Schrubben leicht zu entfernen. |
| Alkalische Phenole | 70-80 % | Thermisch bevorzugt | Nach einer 90%igen Rekultivierung reichern sich Natrium- und Kaliumoxide an, weshalb zur Aufrechterhaltung der Formfestigkeit 10% neuer Sand hinzugefügt werden müssen. |
| Phenol-Urethan | 60-90 % | Thermische | Wirksamste Methode zur vollständigen Entfernung gefährlicher organischer Verbindungen aus Sand |
Die meisten Verfahren zur Aufbereitung chemisch gebundenen Sandes beginnen mit einer mechanischen Aufbereitung, um größere Kernreste aufzubrechen, gefolgt von einer thermischen Behandlung zur Endreinigung. Dieses mehrstufige Vorgehen optimiert das Verhältnis zwischen Aufbereitungskosten und Anforderungen an die Sandqualität.
Thermisch aufbereiteter Sand übertrifft oft die Qualität von Primärsand, mit Glühverlustwerten unter 0.1 % im Vergleich zu 0.29 % bei neuem Sand. Mechanisch aufbereiteter Sand erreicht die gleiche Leistung wie Primärsand, wenn der Glühverlust zwischen 0.5 % und 1.5 % liegt. Eine sachgemäße Aufbereitung führt zu weniger Gussfehlern und besseren Oberflächen als schlecht gewartete Primärsandsysteme.
Verbrauchter Gießereisand findet außerhalb der Gießerei sinnvolle Wiederverwendung. Quarzsand aus Eisen-, Stahl- und Aluminiumgießereien kann Primärmaterialien in Asphalt, Beton, Rohrbettungen und Baufüllungen sicher ersetzen. Die EPA stuft ordnungsgemäß entsorgten Gießereisand als unbedenklich für diese Bauanwendungen ein. Ohne entsprechende Wiederverwendungsprogramme landet der verbrauchte Sand auf Deponien.
Die Verarbeitungskosten reichen von 1 US-Dollar pro Tonne für mechanische Systeme bis zu 6 bis 8 US-Dollar pro Tonne für die thermische Rückgewinnung. Die Kosten für Investitionsgüter variieren stark je nach Kapazität und Technologie. Kleine mechanische Anlagen mit einer Kapazität von 5 bis 10 Tonnen pro Stunde kosten etwa 200,000 bis 500,000 US-Dollar, während große thermische Anlagen mit einer Verarbeitungskapazität von über 50 Tonnen pro Stunde mehr als 2 Millionen US-Dollar kosten können. Die meisten Gießereien erzielen durch geringere Kosten für Sandkäufe und -entsorgung eine Amortisationszeit von 2 bis 4 Jahren.
Gießereien, die weniger als 1,000 Tonnen pro Jahr verarbeiten, finden Aufbereitungssysteme möglicherweise zu teuer, während Betriebe mit einer Verarbeitungsmenge von über 5,000 Tonnen pro Jahr in der Regel mit mechanischen Systemen eine hohe Rentabilität erzielen und thermische Systeme ab einer jährlichen Verarbeitungsmenge von 15,000 Tonnen rechtfertigen können.
