Zukunftsweisend: Altsand-Regenerierung ist Standortsicherung

Die Heinrich Wagner Sinto Maschinenfabrik GmbH (HWS) ist einer der international führenden Anbieter von Maschinen und Anlagen für die Gießerei-Industrie und Teil der Sintokogio Unternehmensgruppe mit Stammsitz in Japan. Das Unternehmen beschäftigt am Standort Bad Laasphe mehr als 300 Fachkräfte. Der Schwerpunkt liegt in der Herstellung und dem Vertrieb von Formmaschinen und -anlagen sowie Vergießeinrichtungen für Sand- und Kokillenguss. Ergänzt wird das Portfolio durch Maschinen und Anlagen zur mechanischen Regenerierung von Altsanden in Grünsandgießereien.

Die Entsorgung und Deponierung von Gießereialtsand verursachen stetig steigende Kosten. Eine Reduzierung der Altsandmengen und der Wiedereinsatz im Materialkreislauf sind heute wichtiger denn je. Die Wiederverwendung der Einsatzstoffe ist immer eine Kernkompetenz der Gießereibranche gewesen. Dabei ist die Nutzung von Altsand als Wertstoff die folgerichtige Erweiterung des innerbetrieblichen Kreislaufmanagements. Sie bietet Möglichkeiten zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Schonung der natürlichen Ressourcen. Die Altsandregenerierung leistet so einen Beitrag zur langfristigen Standortsicherung, sorgt für mehr Nachhaltigkeit durch Steigerung der Recyclingquote, Reduzierung des Transportaufkommens und damit verbundener Senkung des CO2Ausstoßes. Die Frage ist nicht, ob wir regenerieren können und wollen, sondern wann wir beginnen. Einigkeit besteht darin die Entsorgung einer der weltweit meistgenutzten und wertvollen Ressource Sand ist kein zukunftsfähiges Modell.

Einleitung Sandregenerierung

Die Formstoffregenerierung dient dem Abbau und der Entfernung der Binderhüllen und sonstigen Nichtsandbestandteilen zur Gewinnung eines wiederverwendbaren Formgrundstoffes [1]. Ziel ist es, diesen Formgrundstoff (Regenerat) als Neusandersatz, zumeist in der Kernherstellung, zu verwenden. Dabei ist in einer Grünsandgießerei anzunehmen, dass es sich bei dem zu regenerierenden Altsand in den meisten Fällen um Mischsande aus bentonitgebundenem Formsand und organisch gebundenem Kernsand (Cold-Box) handelt. Zu deren Regenerierung existieren verschiedene Verfahren, die sich vornehmlich in Hauptgruppen einteilen lassen (Varianten/Kombinationen nicht berücksichtigt).

Vielfältiger als die Anzahl der Verfahren sind die Eigenschaften des spezifischen Altsandes, der regeneriert werden soll und zumeist von Gießerei zu Gießerei variiert. Die passende Lösung ist dabei idealerweise in enger Abstimmung mit den Maschinen- und Binderlieferanten zu suchen. Eine optimale Auslegung des Gesamtprozesses kann nur nach Feststellung der Ausgangslage und der geplanten Wiederverwendung des Regenerats getroffen werden. Die weitere Betrachtung soll sich hier auf die mechanische Regenerierung konzentrieren. Sofern nicht explizit anders benannt, steht der Begriff „Regenerierung“ im Folgenden immer für die mechanische Regenerierung.

Mechanische Sandregenerierung

Die mechanischen Regenerierverfahren können in verschiedene Untergruppen unterteilt werden. Die Regenerierung von Altsand ist außerdem immer als verketteter Gesamtprozess zu betrachten. Dieser besteht aus mehreren Stationen zur Sandvor- und Sandnachbehandlung sowie des Abreinigungsvorgangs an den Sandkörnern selbst. Abhängig von der Wahl des Regenerierverfahrens und des vorliegenden Ausgangsmaterials (Altsand) sind immer entsprechende Voraussetzungen für eine effiziente Abreinigung, wie z.B. Restfeuchte oder Kornvereinzelung zu gewährleisten. Diese Voraussetzungen werden über eine Sandvorbehandlung eingestellt und sichern das Erreichen der benötigten Regenerateigenschaften. Sie werden außerdem maßgeblich von der gewählten Regeneriereinheit für den Abreinigungsprozess und den eingestellten Prozessparametern bestimmt. Dabei sollte das richtige Verhältnis von Regenerierungsgrad (Verringern der Signalkomponenten im Vergleich zum Altsand) und der Regeneratausbringung (Verhältnis Regenerat zu Altsand-Eingangsmenge) beachtet werden (vgl. [2]). Für den wirtschaftlichen Betrieb einer Sandregenerieranlage gilt vereinfacht: „Regenerat so sauber wie nötig und Ausbringung so hoch wie möglich!“. In Abhängigkeit des Wiedereinsatzfalles sichert eine angeschlossene Regenerat-Nachbehandlung die Einhaltung der weiteren Zielparameter, wie z.B. der Zieltemperatur, die nicht direkt von der Regeneriereinheit eingestellt werden.

Mechanisches Regenerieren durch Reibung – USR-II

Die HWS Sandregenerierungseinheit vom Typ USR-II (Ultra Sand Reclaimer) mit einer Verarbeitungsleistung von bis zu 5t Altsand pro Stunde, bildet das Herzstück einer HWS Regenerieranlage für Grünsandgießereien. Sie sorgt für eine effiziente Abreinigung auf Basis eines Reibprozesses mit hoher Flexibilität hinsichtlich der Altsandkomposition und -menge. Sowohl für einfach als auch für anspruchsvoll zu regenerierende Altsande kann der Prozess mit Blick auf eine hohe Regeneratausbeute (Verhältnis Eingangsmenge zu Ausgangsmenge) individuell eingestellt werden. Ein wichtiges Merkmal ist die schonende Reibung von Korn zu Korn, ohne zusätzliche Reibwerkzeuge (vgl. Abb. 1). So wird Kornbruch weitgehend vermieden und der Verschleiß am Sandkorn geringgehalten.

Zur Kornabreinigung wird eine mit Keramik ausgekleidete Rotationstrommel über einen Elektromotor mittels Keilriemen in Rotation versetzt. Der Gießereialtsand wird der Trommel mittels einer Vibrations-Förderrinne kontinuierlich zugeführt (vgl. Abb. 2). Pneumatische Presszylinder üben über die Presswalzen Druck auf die Sandschicht zwischen Walzen und Trommel aus. Die resultierende Relativbewegung der Sandkörner untereinander sorgt für ein Abreiben der Binderhüllen, die dann als Staub im Regenerat vorliegen. Der Einsatz von Keramikbauteilen gewährleistet eine hohe Standzeit der Bauteile, die mit dem reibenden Sand in Berührung kommen. Gleichmäßig nachströmendes Material verdrängt den bereits regenerierten Sand und die Binderreste aus der Rotationstrommel.

Das erzeugte Sand-Staub-Gemisch fällt auf das Fluidbett im unteren Teil der Maschine und wird von diesem zur integrierten Sichtung transportiert (vgl. Abb. 2). Die angeschlossene Entstaubungsanlage trennt den Sand von den Feinanteilen des durch das Fluidbett aufgewirbelten Sand-Staub-Gemisches. Die Sandkörner werden über das Fluidbett als Regenerat zum Auslauf der Maschine transportiert.

Dieser Vorgang, respektive Durchlauf wird bei einer Grünsandregenerierung in Abhängigkeit der Zieleigenschaften typischerweise zwei- bis viermal wiederholt, um die benötigte Regeneratqualität zu erzielen. Mit der richtigen Prozesskette kann in diesem kontinuierlichem Durchlaufverfahren Grünsand-Kernsand-Gemisch in Verteilungen bis jeweils 100% Mengenanteil erfolgreich wieder nutzbar gemacht werden.

HWS Technikum zur Sandregenerierung

Im hauseigenen Technikum bietet HWS interessierten Gießereien die Möglichkeit sich von der Leistungsfähigkeit einer Altsandregenerierung zu überzeugen. Mit der USR-II-Maschine in seriennaher Ausführung, können Regenerierversuche unter produktionsähnlichen Bedingungen durchgeführt werden. Dabei stehen die Feststellung der Regeneriereignung sowie die Ermittlung von Prozessparametern für die Konzeptionierung einer Gesamtanlage im Fokus.

Gemeinschaftliche Regenerierversuche

Die nachfolgenden Ausführungen zeigen repräsentative Auszüge aus bereits durchgeführten Regenerierversuchen mit Europäischen Gießereien und unterschiedlichen Zielsetzungen zur Regeneratverwendung. Neben dem Einsatz in der Kernmacherei, in der große Neusandmengen verarbeitet werden, kann das Regenerat auch als Neusandersatz im Grünsandsystem der Sandaufbereitung dienen. Es folgen drei Beispiele mit unterschiedlichen Altsandzusammensetzungen hinsichtlich des Kernsand- und Grünsandanteils sowie eine kurze Einordnung der Versuchsergebnisse.

Beispiel 1 - Aluminium-Grünsandgießerei mit >95% Cold-Box-Kernsand:

Regeneratverwendung: Einsatz in der Kernmacherei als anteiliger Ersatz des Neusandes. Ziel-Regeneratanteil 50% bis 75% (optional, temporär bis 100%) im Cold-Box-Verfahren.

Die Abb. 3 zeigt als Bildfolge die Aufnahmen der Sandkörner (Lichtmikroskop 200-fache Vergrößerung) der verschiedenen Durchläufe (Umläufe). Es konnte eine signifikante Abreinigung der Oberfläche erreicht werden, bei der eine nur sehr leichte Kantenrundung einsetzt, ohne nennenswerten Kornbruch herbeizuführen.

Ergänzend dazu zeigt die Abb. 4, dass sich die Siebkurve über die einzelnen Durchläufe zum Referenzwert des Neusandes nur geringfügig verändert hat.

In Abb. 5 werden der Glühverlustes (LOI) zu den jeweiligen Durchläufen und die Effizienz, als kumulierte Gesamteffizient und Effizienz pro Regenerierumlauf dargestellt.

Der Glühverlust nimmt prozentual mit zunehmender Anzahl an Umläufen und steigendem Abreinigungsgrad ab. Da immer weniger Fremdmaterial auf der Oberfläche des Sandkorns vorhanden ist nimmt die Menge an entferntem Fremdmaterial auf den Sandkörnern ab und damit die Effizienz zu. Neben dem Abreinigungsgrad ist der Feinanteil im Regenerat ein signifikanter Wert für die Feststellung der Einsatzfähigkeit des Regenerats, womit der Entstaubung beziehungsweise Sichtung des erzeugten Materials eine entscheidende Rolle zukommt. Weitere wichtige Kriterien (Sandeigenschaften) und deren Auswirkungen auf den Einsatz im Cold-Box-Verfahren können der Abb. 6 entnommen werden, sodass hier nicht weiter auf diese eingegangen wird.

In Abb. 7 zeigt die Auswertung der Biegefestigkeiten von Testkernen mit dem gewonnenen Regenerat bei unterschiedlichem Neusandanteil. Die Werte der Biegefestigkeiten konnten gehalten bzw. übertroffen werden. Die Versuchsserie wurde in einem Cold-Box-System bei gleichem Harz- und Aktivatorgehalt in allen fünf Serien durchgeführt. Zu begründen sind die höheren Festigkeiten bei steigendem Regenerateinsatz mit der anteiligen Füllung von tieferen Strukturen auf der Sandkornoberfläche, wie auch der leichten Kantenrundung. Bei gleichem Bindergehalt steht mehr Binder für die Verbindungen der Sandkörner zur Verfügung als bei einer vollständigen Neuumhüllung von Neusand.

Auf Basis der erreichten Werte, zeigten weitergehende Untersuchungen unter Einbindung des Binderlieferanten, weitere Optimierungsmöglichkeiten für die Reduzierung des Bindergehalts bei Erhaltung der benötigten Kernfestigkeiten.

Beispiel 2 - Grünsandgießerei mit <10-20% Cold-Box-Kernsand:

Regeneratverwendung: Einsatz in der Kernmacherei als anteiliger Ersatz des Neusandes (Cold-Box-Verfahren)
Abbildung 8 zeigt als Bildfolge die Aufnahmen der Sandkörner (Lichtmikroskop 200-fache Vergrößerung) der verschiedenen Durchläufe (Umläufe). Hier ist die zunehmende Abreinigung zu erkennen. Bereits nach drei Regenerierdurchläufen konnten die Zielvorgaben für den Einsatzfall des Regenerats erreicht werden.

Ein Entfallen des vierten Umlaufs, mit einem nur noch leicht verbesserten Abreinigungsgrad, resultiert in einer höheren Effizienz (vgl. Abb. 9) sowie in einem vereinfachten Anlagenkonzept, reduzierter Staubmenge zur Entsorgung und Betriebskosten der Gesamtanlage. Es gilt, nur so weit wie nötig, nicht so weit wie möglich zu regenerieren. So wird ein wirtschaftlicher Betrieb der Regenerieranlage erreicht.

Empirische Werte zeigen einen Trend zur Wiedereinsatzfähigkeit bei einem ermittelten Glühverlust im Bereich von kleiner gleich 0,5%. Dieser Wert allein ist jedoch nur ein erster Indikator. Er muss durch entsprechende Laboruntersuchungen zu weiteren Kriterien aus Abb. 6 gestützt werden. Die endgültige Wiedereinsatzfähigkeit muss um individuellen Fall anhand der Zielvorgaben verifiziert werden.

Beispiel 3 - Grünsandgießerei mit <10% Cold-Box-Kernsand:

Regeneratverwendung: Einsatz in der Kernmacherei als anteiliger Ersatz des Neusandes (Cold-Box-Verfahren)

Abbildung 10 zeigt als Bildfolge die Aufnahmen der Sandkörner (Lichtmikroskop 200-fache Vergrößerung) der verschiedenen Durchläufe (Umläufe). Wie in Beispiel 2 konnte der notwendige Abreinigungsgrad nach drei Umläufen erreicht werden.

Im vorliegenden Anwendungsfall erfolgte eine nachgelagerte, zusätzliche Sichtung des Regenerats um den Feinanteil (Material <0,090mm) weiter zu reduzieren. Der Anspruch an die Regeneratqualität war ein Erreichen von gleichen Festigkeitswerten der Sandkerne, bei möglichst gleichem Bindergehalt.
Die Abb. 11 zeigt entsprechende Siebkurven der Durchläufe. Die zusätzliche Sichtung (Ergebnis benannt als Entstaubt) konnte eine deutliche Abnahme im Bereich der Feinanteile nach dem dritten Durchlauf bewirken.

Die Auswertung in Abb. 12 zeigt das Verhältnis von Glühverlust und Effizienz der einzelnen Durchläufe und dem Sichtungsvorgang (Entstaubt).

Tabelle 1 zeigt die Festigkeiten von Testkernen aus der Serienanwendung mit Neusand und einem geringen Anteil kornvereinzeltem, nicht abgegossenem Kernbruch sowie der Testkerne aus einem Regenerat-Neusand-Gemisch im dargestellten Verhältnis.
Die Versuchsserie wurde im Cold-Box-Verfahren durgeführt und abschließend konnte die notwendige Festigkeit durch eine geringfügige Erhöhung des Bindergehalts um 0,05% erreicht werden.

Die aufgeführten Beispiele mit ihren Auszügen aus Versuchsserien zeigen deutlich, dass die Formstoffe der jeweiligen Gießereien individuell zu betrachten sind. Insbesondere ist die Regeneriereignung des Materials in Abhängigkeit der definierten Zielvorgaben zu prüfen. Die Auswertung und gemeinsame Interpretation aller Daten zwischen Prozesslieferenten und Gießerei bildet die Basis für ein bedarfsgerechtes Gesamtkonzepts.

Altsandregenerierung statt Deponierung

Ist die Regenerierung von Altsand eine echte Alternative zur Deponierung? Dieser Frage müssen sich viele Gießereien stellen. Bei festgestellter Regeneriereignung, individueller Konzeptplanung in Zusammenarbeit mit dem Prozesslieferanten und einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die Gesamtinvestition, kann die Regenerierung eine echte Alternative sein. Dazu muss eine nachhaltige Kostenreduzierung gewährleistet sein. Weitere Effekte, wie zum Beispiel die Schonung von natürlichen Ressourcen und der verbesserten CO2-Bilanz des Betriebes, tragen zusätzlich zu einer gesteigerten Zukunftsfähigkeit bei und sollten für eine Entscheidungsfindung zur Investitionsfreigabe mitberücksichtigt werden. Bereits heute muss die Regenerierung in die Strategie zur langfristigen Standortsicherung unserer Gießereien in Europa einbezogen werden. HWS bietet mit dem eigenen Regenerierverfahren und Technikum einen vollumfänglichen Service, um sich diesem Thema erfolgreich zu stellen.

Literatur

[1] Oberschelp, P.: Formstoffregenerierung. In: Grundlagen und Praxis der Sandaufbereitung und Steuerung von tongebundenen Formstoffen. VDG Qualifizierungslehrgang, Düsseldorf, 28./29.02.2008

[2] Polzin, H.: Zustand der Sandkornoberflächen vor und nach der Regenerierung. 1. BDG Fachtagung Altsand – 03./04.04.2017, Hannover, April 2017

[3] Verein Deutscher Giessereifachleute e.V. – MERKBLATT R 093, REGENERIERTE SANDE ALS FORMGRUNDSTOFF Anforderungen, Beurteilungskriterien, Februar 1992