Entwicklung von Glasschäumen unter Einsatz von Abgas- und Mineralstäuben sowie Faserabfällen aus der Glasindustrie zur Verbesserung der Schmelztechnologie von Aluminium- und Kupferschmelzen vor dem Gießprozess
Projektdurchführung
Sächsisches Metallwerk Freiberg GmbH
Zuger Str. 13
09599 Freiberg
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Beim Projektpartner Lauscha Fiber International GmbH fallen am Standort Lauscha jährlich ca. 500 Tonnen Filterstaub und ca. 500 Tonnen Glasfaserabfälle an. Beide Abfallprodukte sind derzeit nicht zum Wiederverwenden im Glasschmelzprozess geeignet. Die Entsorgung kostet das Unternehmen aktuell in Summe 560.000 € pro Jahr. Im Rahmen des Vorhabens sollen Glasschäume mit unterschiedlichen Temperaturanwendungen unter Verwendung der Filterstäube und Glasfaserabfälle entwickelt werden. Durch verschiedene Rohstoffkombinationen können bei optimalen Mischungsverhältnissen neue Glasschäume mit neuen chemischen und physikalischen Eigenschaften hergestellt werden.
Im Projekt soll das Aufbringen der neu entwickelten Schaumgläser auf verschiedene Schmelzen im Kupfer- und Aluminiumguss – als Granulat und Grünkorn – getestet und Wirkungen miteinander verglichen werden. Das Ziel besteht in der technologischen und qualitativen Verbesserung des Schmelzbetriebes bzw. der Werkstoffqualität. Glasfaserabfälle ersetzen im Gemenge anteilig den teuren Rohstoff Glasmehl. Durch den Einsatz von Abgas- und Mineralstäuben in der Rezeptur werden unterschiedliche Temperaturanwendungen möglich. Die zu entwickelnden Glasschäume sollen die verschiedenen Metalllegierungen durch die Bildung einer geschlossenen Oberfläche vor der Aufnahme von Gasen aus der Umgebungsluft im Warmhaltebetrieb vor dem Vergießen oder beim Transport schützen und die Bildung einer Oxidhaut an der Oberfläche der Schmelze (Krätze) durch Wechselwirkung mit Luftsauerstoff und damit Materialverlust verhindern. Die z.B. durch Metallschrottverunreinigungen gelösten Gase sollen mit der Blähreaktion des Glasschaumes durch oxidierende oder reduzierende Blähmittel aus der Schmelze resorbiert werden. Somit können Spülgas und andere übliche Behandlungsmethoden der Schmelzen zur Entfernung dieser eingespart oder ersetzt werden.
Das Projekt untersucht die technologische Machbarkeit. Bei erfolgreichen Erkenntnissen wäre künftig eine breite Industrieanwendung in der Aluminium- und Kupferguss-Produktion anzustreben.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Das Projekt beginnt mit der Definition von Anforderungsprofilen für die zu entwickelnden Glasschäume als Schmelzeabdeckung mit unterschiedlichen Temperaturanwendungsbereichen im Aluminium- und Kupferguss durch die Projektpartner.
In Zusammenarbeit der TU BA Freiberg und Lauscha Fiber International GmbH werden die zur Verfügung gestellten Rohstoffe (Filterstaub & Glasfaserabfälle) des Projektpartners im Labor auf ihre chemische Zusammensetzung und weitere relevante Eigenschaften wie Korngröße, Feuchtigkeit, Erweichungs-temperatur u.a. untersucht.
Um die Glasfaserabfälle in der Rezeptur für die Herstellung von Grünkorn im Granulierprozess einsetzen zu können, soll eine Technologie zur Zerkleinerung auf < 0,5 mm entwickelt werden.
Nach Vorgabe der Temperaturbereiche bei Aluminium- und Kupferschmelzen durch SM FG und AC Tech FG werden von der TU BAF mögliche Rezepturvarianten für Glasschäume vorgeschlagen und nach Gemenge- und Grünkornherstellung (Granulieren-Labor) auf ihre Blähfähigkeit getestet. Die Bewertung der Glasschäume erfolgt nach Kriterien wie Korngröße, Porenstruktur, Dichte, Korndruckfestigkeit u.a.
Nachdem labortechnisch durch z. B. Spektralanalyse & Korrosionstest der Nachweis erbracht wurde, dass keine negativen Wechselwirkungen der Glasschäume mit den Schmelzen der Projektpartner & dem jeweiligen Feuerfestmaterial auftreten, werden diese bei den Projektpartnern auf Eignung im Metallgussverfahren geprüft. Die Qualität der Schmelze wird unter der Einwirkung der Glasschaumabdeckung untersucht und ausgewertet (Dichteindex & Spektralanalyse). Es findet ein Vergleich der Einsatzmengen von Spülgas bzw. fossilen Rohstoffen bei Versuchen mit und ohne Glasschaumabdeckung statt.
Nach positiven Ergebnissen der Industrieversuche wird eine Recyclingtechnologie zur Aufarbeitung des verwendeten Glasschaumes erarbeitet.
Durch die Projektpartner erfolgt eine abschließende Bewertung nach gestellten und erreichten Zielen des Projektes.
Ergebnisse und Diskussion
Die Glasfaserabfälle des Projektpartners Lauscha Fiber International GmbH konnten durch die Firma Grüning & Loske GmbH mittels Scheibenmühle auf < 0,5 mm zerkleinert werden. Je nach Anforderungsprofil sind variable Korngrößen möglich. Durch das Zerkleinern der Fasern sind diese zur Herstellung von Granulat im Granulierteller geeignet.
Im Labor wurden mit Fasern und Filterstaub Glasschaumvarianten für die Temperaturbereiche 750 bis 800 °C (Aluminiumguss) und 1150 bis 1200 °C (Kupferguss) entwickelt. Damit wurde der Nachweis erbracht, dass diese Rohstoffe zur Schaumglasherstellung verwendet werden können.
Für eine Anwendung im Kupferguss ist ein Anteil von > 60 % Filterstaub notwendig, welcher die Erweichungstemperatur des Glasgemenges erhöht. Der hohe Anteil Filterstaub führt bei Temperaturen um 1200 °C zu einer erhöhten Korrosionsrate der Tiegelmaterialien SiC und Stampfmasse auf Mullitbasis, was in Laborversuchen nachgewiesen wurde. Filterstaub zur Beeinflussung des Viskositätsverhaltens kann in Anpassung an das Tiegelmaterial in geringen Mengen verwendet werden. Für die Anwendung der Schaumglasabdeckung auf Kupferschmelzen wurde der Filterstaub im Laufe des Projektes anteilig durch Quarzglasmehl (amorph) bzw. Mullitmehl aus dem Recyclingprozess ersetzt, welche keine Korrosionserscheinungen verursachten.
In Anbetracht der unterschiedlichen Ergebnisse der Industrieversuche mit Schaumglasabdeckung auf Aluminiumschmelzen beim Projektpartner AC Tech und am Gießereiinstitut der TU BAF lässt sich kein eindeutiger Trend in Bezug auf die Entfernung von Wasserstoff aus der Schmelze erkennen. Infolge undefinierter Probenahme könnte es zum Wiedereintrag von Wasserstoff aus der Schaumglasschüttung (kondensierter Wasserdampf in der oberen Schicht durch Temperaturgradienten) in die Schmelze kommen. Zur Untersuchung der aufgestellten These müssen weitere Untersuchungen mit definierten Bedingungen zur Probenahme gemacht werden.
Die Abdeckung der Kupferschmelze durch Grünkorn mit einer reduzierenden Komponente im Gemenge führte zu einem niedrigeren Energieeintrag im Prozess. Der Abbrand von Zink konnte reduziert werden.
Durch das Abdecken der Schmelze mit verschiedenen Schaumglasvarianten wurden keine negativen Einflüsse auf die Zusammensetzung der Aluminium- bzw. Kupferschmelzen festgestellt. Die Untersuchung erfolgte mittels Spektralanalyse und Röntgenspektroskopie (EDX).
Die Recyclingfähigkeit der Schaumglasabdeckung wurde einbezogen.
Die Glasfaserabfälle des Projektpartners Lauscha Fiber International GmbH konnten durch die Firma Grüning & Loske GmbH mittels Scheibenmühle auf < 0,5 mm zerkleinert werden. Je nach Anforderungsprofil sind variable Korngrößen möglich. Durch das Zerkleinern der Fasern sind diese zur Herstellung von Granulat im Granulierteller geeignet.
Im Labor wurden mit Fasern und Filterstaub Glasschaumvarianten für die Temperaturbereiche 750 bis 800 °C (Aluminiumguss) und 1150 bis 1200 °C (Kupferguss) entwickelt. Damit wurde der Nachweis erbracht, dass diese Rohstoffe zur Schaumglasherstellung verwendet werden können.
Für eine Anwendung im Kupferguss ist ein Anteil von > 60 % Filterstaub notwendig, welcher die Erweichungstemperatur des Glasgemenges erhöht. Der hohe Anteil Filterstaub führt bei Temperaturen um 1200 °C zu einer erhöhten Korrosionsrate der Tiegelmaterialien SiC und Stampfmasse auf Mullitbasis, was in Laborversuchen nachgewiesen wurde. Filterstaub zur Beeinflussung des Viskositätsverhaltens kann in Anpassung an das Tiegelmaterial in geringen Mengen verwendet werden. Für die Anwendung der Schaumglasabdeckung auf Kupferschmelzen wurde der Filterstaub im Laufe des Projektes anteilig durch Quarzglasmehl (amorph) bzw. Mullitmehl aus dem Recyclingprozess ersetzt, welche keine Korrosionserscheinungen verursachten.
In Anbetracht der unterschiedlichen Ergebnisse der Industrieversuche mit Schaumglasabdeckung auf Aluminiumschmelzen beim Projektpartner AC Tech und am Gießereiinstitut der TU BAF lässt sich kein eindeutiger Trend in Bezug auf die Entfernung von Wasserstoff aus der Schmelze erkennen. Infolge undefinierter Probenahme könnte es zum Wiedereintrag von Wasserstoff aus der Schaumglasschüttung (kondensierter Wasserdampf in der oberen Schicht durch Temperaturgradienten) in die Schmelze kommen. Zur Untersuchung der aufgestellten These müssen weitere Untersuchungen mit definierten Bedingungen zur Probenahme gemacht werden.
Die Abdeckung der Kupferschmelze durch Grünkorn mit einer reduzierenden Komponente im Gemenge führte zu einem niedrigeren Energieeintrag im Prozess. Der Abbrand von Zink konnte reduziert werden.
Durch das Abdecken der Schmelze mit verschiedenen Schaumglasvarianten wurden keine negativen Einflüsse auf die Zusammensetzung der Aluminium- bzw. Kupferschmelzen festgestellt. Die Untersuchung erfolgte mittels Spektralanalyse und Röntgenspektroskopie (EDX).
Die Recyclingfähigkeit der Schaumglasabdeckung wurde einbezogen.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Das Projekt wurde im Rahmen der 98. HVG-DGG-Tagung im Mai 2025 in Goslar vorgestellt.
Der Abschlussbericht wird durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt veröffentlicht.
Fazit
Im Rahmen des Projektes konnten Schaumglasvarianten für verschiedene Temperaturanwendungen mit Glasfaserabfällen und Abgas- und Mineralstäuben aus der Glasindustrie entwickelt werden. Diese wurden als Grünkorn bzw. Schaumglasgranulat in ihrer Beständigkeit und als Oxidations- bzw. Oberflächenschutz erfolgreich als Abdeckung auf Aluminium- und Kupferschmelzen getestet. Die widersprüchlichen Ergebnisse in Bezug auf die Resorption von Wasserstoff aus Aluminiumschmelzen erfordert weitere Untersuchungen.
Das Recycling der Glasschaumabdeckung ist prinzipiell möglich.
Das Ziel der Anwendung zur Verbesserung der Technologie zum Schmelzen und Warmhalten von Aluminium- und Kupferschmelzen wurde überwiegend erreicht.