EP0521201B1 - Verfahren zum Regenerieren von Giesserei-Altsand - Google Patents

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EP0521201B1
EP0521201B1 EP19910250173 EP91250173A EP0521201B1 EP 0521201 B1 EP0521201 B1 EP 0521201B1 EP 19910250173 EP19910250173 EP 19910250173 EP 91250173 A EP91250173 A EP 91250173A EP 0521201 B1 EP0521201 B1 EP 0521201B1
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sand
water
used sand
fluidised bed
shells
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Hans-Klaus Dr.-Ing. Schott
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Kuettner GmbH and Co KG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C5/00—Machines or devices specially designed for dressing or handling the mould material so far as specially adapted for that purpose
    • B22C5/18—Plants for preparing mould materials
    • B22C5/185—Plants for preparing mould materials comprising a wet reclamation step
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C5/00—Machines or devices specially designed for dressing or handling the mould material so far as specially adapted for that purpose
    • B22C5/08—Machines or devices specially designed for dressing or handling the mould material so far as specially adapted for that purpose by sprinkling, cooling, or drying

Definitions

  • the binding agent is fixed in a shell-like manner on the surface of the quartz grains by fireclaying (oolithization), while it is in the case of molding sands with organic Binding agents in the course of the casting process lead to their thermal decomposition and thus to adherent residues of carbon-rich degradation products of the organic binders on the surface of the quartz grains.
  • further additives lead to contamination of the old sand, such as the formation of shiny carbon.
  • used sand which at least consists predominantly of used organic sand
  • the binder casings and other impurities of the old sand are usually so far removed that the used sand can be reused as molding sand.
  • this thermal treatment process does not lead to a satisfactory result for inorganic waste sands.
  • DE-PS 38 15 877 to subject the (for example according to DE-PS 31 03 030) thermally-mechanically (pre-) treated regenerate to an ultrasonic treatment in water (as a coupling layer). This is intended to cause the binder shells sintered onto the quartz grains to flake off and to reduce the degree of oolithization to normal values.
  • hydrocarbon compounds contain organic waste sand as well as clanz carbon and its formers cannot be removed sufficiently. These substances (like clayey components, for example) act as lubricants and hinder the desired abrasion, so that even with multi-stage attrition, a sufficiently satisfactory regeneration result cannot be achieved.
  • the present invention has for its object, while avoiding the aforementioned and other disadvantages to provide a both technically and economically satisfactory method for processing used foundry sand, in which (compared to the prior art) relatively low technical and economic outlay a largely generally usable regrind with relatively low pollutant components What can be achieved, which enables problem-free reuse instead of new sand for mold and core production in foundries.
  • the solution to this problem is, according to the invention, that the old sand to be treated is first soaked with water so that the pores of the grain shells i.w. are filled with water, and that the impregnated old sand is then placed in a heated fluidized bed, the water in the pores spontaneously evaporating due to the shock heating of the old sand to be treated and the grain shells being blown off or at least blown off due to the considerable increase in volume of the water that arises are loosened so much that they can be separated from the quartz grains directly in the fluidized bed. Due to the usual drying of wet regenerated used sand using hot air at approx. 150 - 300 ° C, such a blasting or loosening effect is not achieved, as the binding agent requirement mentioned above shows.
  • the heat dissipation by the water evaporation in the immediate vicinity of the quartz grain prevents a possible change in the crystal modification and a grain decay due to a shock-like heating of the quartz grains.
  • the used sand which can consist of any mixture of organically and inorganically bound used sands, has to pass through an attraction stage that is otherwise necessary for wet regeneration when it is wetted or soaked. This results in considerable economic advantages due to the simplified method of operation and the less expensive equipment.
  • the process according to the invention is highly satisfactory not only from a technical but also from an economic point of view, especially since the heated fluidized bed can itself consist of sand (possibly also of already processed used sand).
  • the ratio of the amount of fluidized bed sand to the amount of moist used sand supplied per minute can be selected in the range from approximately 50 to 100.
  • the fluidized bed is most preferably heated from above, preferably with high-speed burners, gaseous fuels having proven to be particularly useful as the additional fuel (in addition to the fuel components already contained in the used sand).
  • the fluidized bed can preferably be kept at a steady temperature of approximately 750 to 950 ° C.
  • the dwell time of the used sand to be processed in the fluidized bed can be adjusted depending on its nature. In this way, a complete burnout of organic substances is to be ensured.
  • the old sand to be humidified and to be treated is moistened in a vacuum.
  • the drawing shows a schematic representation of a bunker 1 in which the used sand, which is regularly a mixture of inorganic and organic used sand, is collected.
  • the used sand to be processed is fed from the bunker 1 to a used sand preparation 2 (consisting of a magnetic separator for separating Fe parts, a tuber shredder and a sieve) and from there it arrives in an intermediate bunker 3.
  • a used sand preparation 2 consisting of a magnetic separator for separating Fe parts, a tuber shredder and a sieve
  • the prepared used sand is fed by means of a metering device 4 to a mixer 5, into which water 6 and agents which reduce the surface tension are also added.
  • the water is heated to max. 95 ° C heated.
  • the moist sand is circulated in a conditioner 7 until the pores of the grain shells are completely moistened is reached and then metered into a fluidized bed furnace 8.
  • the wet old sand to be treated is suddenly heated to an operating temperature of 800 to 850 °, whereby the steam formation described above blows the fireclay shells off the quartz grains or at least considerably loosens them and organic Burn pollutants completely.
  • the furnace exhaust gas is cooled in a heat exchanger 11 while preheating the fluidized air.
  • the furnace discharge To cool the furnace discharge, it first passes through a fluidized bed cooler 12, in which the water required for the impregnation is preheated to 70 to 95 ° C. and the sensible heat of the sand is recovered in the form of steam or hot water.
  • a final treatment of the regenerate obtained takes place in a pneumatic cleaning device 13 and a fractionation into (at least) two grits ("coarse” and "fine”).
  • the processed used sand is universally reusable, whereby the granulation of the new sand to be formed from the processed used sand (if necessary with a certain addition of new sand) can be done by dosing from the individual fractions in order to obtain used sand with a predetermined average grain size or a certain grain size range .
  • the filter dust is free of pollutants and can be safely deposited or used, for example, as a building material or aggregate.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren von Gießerei-Altsand nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, also eines Altsandes, dessen Ursprungs-Formsand als Formstoff anorganische Bindemittel wie Bentonit (= "anorganischer Altsand") oder/und organische Bindemittel wie Phenol- oder/und Furanharze (= "organischer Altsand") enthielt.
  • Bei anorganisch gebundenen Formsanden wird das Bindemittel beim Gießvorgang auf der Oberfläche der Quarzkörner durch Schamottisierung (Oolithisierung) schalenförmig fixiert, während es bei Formsanden mit organischen Bindemitteln im Verlaufe des Gießvorganges zu deren thermischer Zersetzung und damit zu festhaftenden Rückständen kohlenstoffreicher Abbauprodukte der organischen Bindemittel auf der Oberfläche der Quarzkörner kommt. Darüber hinaus kommt es aufgrund weiterer Zusätze zu Verunreinigungen des Altsandes, wie z.B. zur Bildung von Glanzkohlenstoff.
  • Während man (Gießerei-)Altsand früher zumindest überwiegend auf Deponien verkippt hat, ist es heutzutage wegen akuter Verknappung von verfügbarem Deponieraum und nicht zuletzt auch aus Kostengründen geboten, Altsand zu regenerieren, also so aufzubereiten, daß er wiederverwendbar ist. Dieses setzt indes voraus, daß die vorstehend erwähnten Binderhüllen (Kornschalen) und sonstigen Verunreinigungen des Altsandes von den Quarzkörnern abgetrennt werden.
  • Für eine Regenerierung von Altsand, der zumindest ganz überwiegend aus organischem Altsand besteht, ist es bekannt, diesen thermisch durch Glühen bei einer Temperatur von ca. 800° C und/oder ggf. pneumatisch zu behandeln. Dabei werden die Binderhüllen und sonstigen Verunreinigungen des Altsandes i.d.R. so weitgehend entfernt, daß der Altsand als Formsand wiederverwendet werden kann. Dagegen führt dieses thermische Aufbereitungsverfahren bei anorganischen Altsanden nicht zu einem befriedigenden Ergebnis.
  • Das aus der DE-PS 31 03 030 bekannte thermisch-mechanische Verfahren führt allenfalls dann zu brauchbaren Ergebnissen, wenn der Anteil an anorganischem Altsand relativ klein ist. Dieses Verfahren löst die obige Problematik mithin nicht allgemein, da anfallender Altsand i.d.R. zu mehr als zwei Dritteln aus anorganischem Altsand besteht.
  • Unter Berücksichtigung dieser Verhältnisse wurde mit der DE-PS 38 15 877 vorgeschlagen, das (bspw. gemäß der DE-PS 31 03 030) thermisch-mechanisch (vor-)behandelte Regenerat nachfolgend einer Ultraschallbehandlung in Wasser (als Kopplungsschicht) zu unterziehen. Dadurch sollen die auf die Quarzkörner aufgesinterten Binderschalen zum Abplatzen gebracht und der Oolithisierungsgrad auf normale Werte gesenkt werden.
  • Ganz abgesehen von dem zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens erforderlichen großen und aufwendigen apparativen Aufwand sowie der hohen Betriebskosten ergeben sich weitere Kosten dadurch, daß der aufbereitete Altsand danach noch getrocknet werden muß, wodurch die Wirtschaftlichkeit dieses mehrstufigen Verfahrens nicht mehr gegeben ist, wobei i.ü. noch festzustellen ist, daß aufgrund eines relativ hohen Verschleißes der Sandkörner nur eine relativ geringe Regeneratausbeute hinreichender Qualität erzielbar ist.
  • Zum Regenerieren anorganischen Altsandes wurden Verfahren entwickelt, bei denen versucht wurde, die Binderhüllen auf nassem Wege von der Oberfläche der Sandkörner zu entfernen, und zwar dadurch, daß in einer wäßrigen Sandsuspension ein mechanischer Rührvorgang mit der Folge intensiver Reibung der Sandkörner aneinander durchgeführt wird, wobei dieser auch als Attrition bezeichnete Verfahrensschritt i.d.R. mehrfach wiederholt und ggf. durch Einstellen besonderer Sand-Wasser-Mischungsverhältnisse beeinflußt bzw. intensiviert werden kann (s. z.B. US-PS 27 83 511 oder DE-OS 30 19 096).
  • Nachteilig bei diesem Naßverfahren ist u.a. der Umstand, daß Kohlenwasserstoffverbindungen organischer Altsandanteile sowie Clanzkohlenstoff und seine Bildner nicht hinreichend entfernt werden können. Diese Stoffe wirken (wie z.B. auch tonige Bestandteile) gleichsam wie Schmiermittel und behindern den angestrebten Abrieb, so daß selbst bei mehrstufiger Attrition kein hinreichend befriedigendes Regenerationsergebnis zu erzielen ist.
  • Um diesbezüglich Abhilfe zu schaffen, wurde mit der AU-PS 387 921 vorgeschlagen, hinter jede Attritionsstufe eine Entschlämmung (mittels Klassierer) zu schalten, um auf diese Weise die "Schmiermittel" aus dem Umlaufwasser zu entfernen und somit den erstrebten Abrieb zu intensivieren. Aber selbst wenn bei drei-, vier- oder mehrfacher Attrition in technischer Hinsicht ein befriedigendes Ergebnis zu erzielen wäre, leidet dieses ersichtlich ganz erheblich aufgrund der hiermit verbundenen Kosten unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten. Es kommt hinzu, daß bei diesem Verfahren an der Kornoberfläche eine festhaftende Struktur aus fein verteilter, poröser Kieselsäure verbleibt, die bei Wiederverwendung des aufbereiteten Altsandes für (Gießerei-)Neusand einen erhöhten Binderbedarf zur Folge hat.
  • Aus der DE 36 39 634 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Regenerieren von Gießerei-Altsand bekannt, bei dem der aufzubereitende Altsand in einem Fließbett so an hochtemperierten, stabförmigen Heizelementen entlanggeführt wird, daß seine Körner an ihrer Oberfläche, also der Kornschale, wiederholt jeweils kurzzeitig mit einem Heizstab in Berührung kommen und einem Thermoschock ausgesetzt werden. Dadurch sollen die aus Binder bestehenden Kornschalen nach und nach verspröden oder verbrennen und von den Quarzkörnern abfallen. Dabei erfolgt eine Verwirbelung in einem Fließbett, um zu bewirken, daß die Oberfläche der Altsandkörner an mehreren Punkten auf einen Heizstab stößt und einem Thermoschock ausgesetzt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorstehend erwähnten und weiterer Nachteile ein sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht befriedigendes Verfahren zum Aufbereiten von Gießerei-Altsand zu schaffen, bei dem mit (im Vergleich zum Stand der Technik) relativ geringem technischen und wirtschaftlichen Aufwand ein weitgehend allgemein einsetzbares Regenerat mit relativ geringen Schadstoffbestandteilen zu erzielen ist, welches eine problemlose Wiederverwendung anstelle von Neusand für die Form- und Kernherstellung in Gießereien ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der aufzubereitende Altsand zunächst so stark mit Wasser getränkt wird, daß die Poren der Kornschalen i.w. mit Wasser gefüllt sind, und daß der getränkte Altsand anschließend in eine erhitzte Wirbelschicht verbracht wird, wobei durch die dabei auftretende Schockerhitzung des aufzubereitenden Altsandes das in den Poren befindliche Wasser spontan verdampft und die Kornschalen aufgrund der dabei entstehenden erheblichen Volumenvergrößerung des Wassers abgesprengt oder aber zumindest so stark gelockert werden, daß sie unmittelbar in der Wirbelschicht von den Quarzkörnern separierbar sind. Durch die bisher übliche Trocknung naßregenerierten Altsandes mittels Heißluft von ca. 150 - 300°C wird ein solcher Absprengungs- bzw. Lockerungseffekt nicht erzielt, wie der vorstehend erwähnte Bindemittelbedarf aufzeigt.
  • Die Wärmeabfuhr durch die Wasserverdampfung in unmittelbarer Nähe zum Quarzkorn verhindert eine durch eine schockartige Erwärmung der Quarzkörner mögliche Änderung der Kristallmodifikation und einen Kornzerfall.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht erforderlich, daß der Altsand, der aus beliebigen Gemischen von organisch und anorganisch gebundenen Altsanden bestehen kann, bei seiner Annäßung bzw. seiner Durchtränkung eine sonst für eine Naßregenerierung erforderliche Attritionsstufe durchlaufen muß. Hieraus ergeben sich infolge der vereinfachten Arbeitsweise und der weniger aufwendigen apparativen Ausstattung beachtliche wirtschaftliche Vorteile.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch nicht erforderlich (auch wenn dieses zumindest in bestimmten Fällen zweckmäßig sein mag) gleichsam in Vorfeld der Aufbereitung für eine grundsätzliche Trennung von organischen und anorganischen Altsanden zu sorgen, wobei es indes regelmäßig zweckmäßig ist, die organischen bzw. anorganischen Altsande im wesentlichen getrennt voneinander aufzubereiten, wenn sie ohnehin getrennt anfallen, wie dieses nicht selten der Fall ist.
  • Es hat sich in der Regel als höchst zweckmäßig erwiesen, wenn dem Wasser Mittel zur Senkung seiner Oberflächenspannung zugegeben werden, so daß die Poren zumindest im wesentlichen mit Wasser gefüllt sind, um den oben dargelegten Effekt und damit letztlich die gesamte Altsandaufbereitung und die Qualität des Regenerates zu optimieren.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber nicht allein unter technischen, sondern auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten höchst befriedigend, zumal die erhitzte Wirbeischicht auch ihrerseits aus Sand (ggf. also auch aus bereits aufbereitetem Altsand) bestehen kann.
  • Um für den erstrebten Effekt eine Wirbelschicht mit ausreichender Wärmekapazität zur Verfügung zu haben, kann das Verhältnis der Wirbelschicht-Sandmenge zur pro min zugeführten feuchten Altsandmenge im Bereich von ca. 50 bis 100 gewählt werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Wirbeischicht höchst bevorzugt von oben beheizt, und zwar vorzugsweise mit Hochgeschwindigkeitsbrennern, wobei sich als Zusatzbrennstoff (über die in dem Altsand bereits enthaltenen Brennstoffanteile hinaus) gasförmige Brennstoffe als besonders zweckmäßig erwiesen haben.
  • Um die vorstehend erläuterten Effekte zu erzielen, kann die Wirbelschicht bevorzugt auf einer Beharrungstemperatur von ca. 750 bis 950° C gehalten werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann die Verweilzeit des aufzubereitenden Altsandes in der Wirbelschicht abhängig von dessen Beschaffenheit eingestellt werden. Auf diese Weise ist ein vollständiger Ausbrand organischer Substanzen sicherzustellen.
  • Um die Befeuchtung des aufzubereitenden Altsandes zu intensivieren bzw. zu beschleunigen, kann es vorteilhaft sein, wenn der zu befeuchtende, aufzubereitende Altsand in einem Vakuum durchfeuchtet wird.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung weiter erläutert.
  • Die Zeichnung zeigt in einer schematischen Darstellung einen Bunker 1, in dem der Altsand, bei dem es sich regelmäßig um ein Gemisch aus anorganischen und organischem Altsand handelt, gesammelt wird. Der aufzubereitende Altsand wird aus dem Bunker 1 einer Altsandvorbereitung 2 (bestehend aus einem Magnetabscheider zum Abscheiden von Fe-Teilen, einem Knollenzerkleinerer und einer Absiebung) zugeführt und gelangt von dort in einen Zwischenbunker 3.
  • Aus dem Zwischenbunker 3 wird der vorbereitete Altsand mittels einer Dosiereinrichtung 4 einem Mischer 5 zugeführt, in den ebenfalls dosiert Wasser 6 und oberflächenspannungsmindernde Mittel zugegeben werden. Das Wasser wird mittels Abwärme auf max. 95°C aufgeheizt.
  • Der feuchte Sand wird in einem Konditionierer 7 umgewälzt bis die eine völlige Durchfeuchtung der Poren der Kornschalen erreicht ist und gelangt danach dosiert in einen Wirbelschichtofen 8.
  • Infolge des außerordentlich raschen Wärmeübergangs (und der guten Vermischung in der Wirbelschicht) wird der aufzubereitende nasse Altsand schlagartig auf eine Betriebstemperatur von 800 bis 850° erwärmt, wobei die oben bereits beschriebene Dampfbildung die Schamotteschalen von den Quarzkörnern abgesprengt bzw. zumindest ganz erheblich lockert und organische Schadstoffe vollständig verbrennen.
  • Das Ofenabgas wird in einem Wärmetauscher 11 unter Vorwärmung der Wirbelluft gekühlt.
  • Zur Kühlung des Ofenaustrags passiert dieser zunächst einen Wirbelschichtkühler 12, in dem das für die Tränkung erforderliche Wasser auf 70 bis 95° C vorgewärmt wird und die fühlbare Wärme des Sandes in Form von Dampf oder Heißwasser zurückgewonnen wird.
  • Eine abschließende Behandlung des erhaltenen Regenerats erfolgt in einer pneumatischen Reinigungseinrichtung 13 sowie einer Fraktionierung in (wenigstens) zwei Körnungen ("grob" und "fein"). Der aufbereitete Altsand ist universell wiederverwendbar, wobei die Körnung des aus dem aufbereiteten Altsand zu bildenden Neusandes (ggf. unter gewissem Zusatz von Neusand) durch Dosierung aus den einzelnen Fraktionen erfolgen kann, um einen Altsand mit vorgegebener mittlerer Körnung bzw. einem bestimmten Kornband zu erhalten.
  • Nach Kühlung und pneumatischer Reinigung des aufbereiteten Sandes fallen Regenerat und Filterstaub an. Der Filterstaub ist schadstoffrei und kann unbedenklich deponiert bzw. einer Verwendung bspw. als Bau- oder Zuschlagstoff zugeführt werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Regenerieren von Gießerei-Altsand, dessen Quarzkörner eine im wesentlichen aus anorganischen und/oder organischen Bindemitteln des Ursprungformsandes bestehende Kornschale aufweisen, bei dem die Kornschalen des sich dabei in einer Wirbelschicht befindlichen Altsandes durch eine Schockerhitzung von den Quarzkörnern entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der aufzubereitende Altsand zunächst so stark mit Wasser getränkt wird, daß die Poren der Kornschalen im wesentlichen mit Wasser gefüllt sind, und daß der getränkte Altsand anschließend in eine erhitzte Wirbelschicht verbracht wird, wobei durch die dabei auftretende Schockerhitzung des Altsandes das in den Poren der Kornschalen befindliche Wasser spontan verdampft und die Kornschalen aufgrund der dabei entstehenden Volumenvergrößerung des Wassers von den Quarzkörnern abgesprengt bzw. so stark gelockert werden, daß sie noch in der Wirbelschicht von den Quarzkörnern abfallen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erhitzte Wirbelschicht aus Sand gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wirbelschicht-Sandmenge zur pro min zugeführten feuchten Altsandmenge ca. 50-100 beträgt.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem getrennten Anfall von Altsanden mit aus anorganischen Bindemitteln gebildeten Kornschalen bzw. mit aus organischen Bindemitteln gebildeten Kornschalen das Einbringen in die Wirbelschicht getrennt erfolgt, wobei nur Altsand mit aus anorganischen Bindemitteln bestehenden Kornschalen zuvor mit Wasser getränkt wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser zum Tränken des Altsandes auf 70-95°C vorgeheizt wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wasser oberflächenspannungsmindernde Mittel zugegeben werden.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelschicht von oben beheizt wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelschicht auf eine Beharrungstemperatur von ca. 750-950°C gehalten wird.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit des aufzubereitenden Altsandes in der Wirbelschicht einstellbar ist.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aufzubereitende Altsand in einem Vakuum mit Wasser getränkt wird.
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