Projekt 12236/01

Entwicklung geruchs- und emissionsarmer Zusatzstoffe für die Gießerei-Industrie

Projektträger

IKO Minerals GmbH
Schmielenfeldstr. 78
45772 Marl
Telefon: 02365/804-275

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gießformen werden aus feinkörnigem Sand mit diversen chemischen Bindemitteln sowie weiteren Zusatzstoffen, z. B. Glanzkohlenstoffbildnern, hergestellt. Aufgrund der thermischen Belastung beim Gussprozess kommt es zur Freisetzung flüchtiger Bestandteile. Diese teilweise geruchsintensiven und gesundheitsgefährdenden Stoffe stellen eine erhebliche Arbeitsplatz- und Umweltbelastung dar. Die bisher eingesetzten Absaug- und Filteranlagen sind sehr kosten- und energieintensiv. Alternativ bestehen Potentiale zur Reduzierung der Umweltbelastungen durch Primärmaßnahmen. Dabei ist zunächst zu klären, welche Stoffe zu welchem Zeitpunkt die belastenden Emissionen verursachen. Hierzu wurde ein neuartiges Analytiksystem zur Geruchsmessung im Gießereiwesen benutzt. Die Ergebnisse flossen in die Entwicklung geruchsarmer bzw. geruchsfreier sowie ökologisch unbedenklicher Zuschlagstoffe als Binder und Glanzkohlenstoffbildner für Grünsandverfahren ein.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Bestimmung nicht umweltverträglicher Stoffe, die während des Abgießprozesses entstehen, wird ein neuartiges Analysensystem Smart-Nose (Elektronische Nase) mit massenspektroskopischer Bestimmung der Emissionen benutzt und auf die Belange der Gießereiindustrie abgestimmt. Nach Beschaffung und Inbetriebnahme der Smart-Nose wurden am Gießereiinstitut der RWTH Aachen Untersuchen an Rohstoffen der beteiligten Zulieferer durchgeführt. Weiterhin wurde die Messmethodik und das Pyrolyseverfahren zur Simulation der betrieblichen Emissionen im Labor weiterentwickelt.
Bei Geruchsminimierungsversuchen in der Gießerei Fischer, Mettmann wurden Parallelmessungen mit der Smart-Nose unter Produktionsbedingungen durchgeführt.
Das Institut für Gießereitechnik, Düsseldorf erprobte die Anwendung der Smart-Nose bei ölfaktormetrischen Messungen; diese Untersuchungen werden in Zusammenarbeit mit Firma IKO - Minerals GmbH nach Beendung des Projektes weitergeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand zur Untersuchung des Zersetzungsverhaltens gießereispezifischer Stoffe der Einsatz einer sogenannten Elektronischen Nase
Die Versuche im Einzelprobenstrahlungsofen haben gezeigt, dass mit dieser Messmethode aus der zeitlichen Änderung der Massenintensitäten bestimmter, ausgewählter Massenzahlen Grundlagenkenntnisse über das Zersetzungsverhalten der Glanzkohlenstoffbildner gewonnen werden können. Die einfache Probenvorbereitung und die hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse stellen die Basis für eine ge-zielte Rohstoffuntersuchung dar. Neben kinetischen Aussagen ist dabei besonders der qualitative und quantitative Vergleich der Pyrolyseprodukte für eine gezielte Rohstoffauswahl von Interesse. Weiterhin liefern die Ergebnisse einen hilfreichen Beitrag, um das Emissionsverhalten von Glanzkohlenstoffbildnern mittels Primärmaßnahmen reduzieren zu können. Bei der Mischung verschiedener Glanzkohlenstoffbildner machen sich Wechselwirkungen bemerkbar, die sowohl zu einer Erhöhung als auch zur Verringerung der auftretenden Emissionen führen können. Durch Variation der Mischungsverhältnisse sowie der eingesetzten Glanzkohlenstoffbildner gilt es diese Erkenntnis weiter zu vertiefen. In wieweit dadurch eine Veränderung des Glanzkohlenstoffbildungsvermögen einer solchen Mischung herbeigeführt wird, bleibt ebenfalls weiteren Arbeiten vorbehalten.
Durch den Einsatz eines Lasers zur Temperaturbeaufschlagung konnte ein Verfahren entwickelt werden, welches eine genaue Betrachtung der ablaufenden Vorgänge im Formstoff oberhalb 1000°C ermöglicht. Die spontane Bildung einer Emissionswolke ermöglichte Untersuchungen bei diesen hohen Temperaturen. Im Hinblick auf das Zersetzungsverhalten der verschiedenen Glanzkohlenstoffbildner war neben den unterschiedlichen maximalen Zersetzungstemperaturen besonders die zeitlich versetzte Bil-dung von Naphtalin durch Rekombination bedeutungsvoll. Durch eine weitere Anpassung des gewählten Versuchsaufbaus kann neben der Untersuchung des Zersetzungsverhaltens auch die Gasdruckproblematik mit einbezogen werden. Eine gasdichte Reaktionskammer sowie die Integration eines Ventilators zur Verwirbelung der Emissionswolke sind als Hauptmaßnahmen umzusetzen.
Die für die Formstoffuntersuchungen modifizierte Simulationszersetzungsmesszelle bietet ohne aufwendige Gießversuche eine Basis zur Ermittlung der Emissionen bei Zersetzungsprozessen auch im Labor. Für zukünftige Arbeiten ist besonders das Pyrolyseverhalten verschiedener Glanzkohlenstoffbildner-Mischungen von Interesse. Materialbedingt beschränken sich die Untersuchungen auf den Temperaturbereich bis 1000°C. Um diese Untersuchungen auch auf den oberen Temperaturbereich ab 1100°C auszudehnen zu können, ist es erforderlich, ein hochtemperaturbeständiges Suszeptormaterial einzusetzen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Stoff- und Geruchsmessungen , Gießerei- Erfahrungsaustausch, 11/ 2001 , Grefhorst - Kleimann
Projektvorstellung GIFA , 1998 , Posterpräsentierung auf dem Stand der IKO Minerals
Dissertation von L. Meiser , November 2000, Band 23 RWTH Aachen .


Fazit

Im Projektrahmen hat die Elektronische Nase ihre universelle Einsetzbarkeit zur Untersuchung des Zersetzungsverhaltens verschiedener gießereispezifischer Stoffe unter Beweis gestellt.
In dem Projekt gewonnene Kenntnisse über das Zersetzungsverhalten von Glanzkohlenstoffbildnern und Kernbindemittel können in den Bereichen Qualitätskontrolle und Produktentwicklung genutzt werden. Mit Hilfe der Elektronischen Nase können Gase und Abgase gemessen und charakterisiert werden. Neben der Verwendung der Elektronischen Nase als reine Analytikkomponente ist es weiterhin denkbar, dieses System zur Regelung von Stoffkreisläufen wie z. B. dem Glanzkohlenstoffhaushalt eines Formsandkreislaufes einzusetzen. Die Möglichkeit qualitative und quantitative Aussagen in ein und derselben Messung zu machen, sind als Basis anzusehen, eine oder mehrere Regelgrößen, die bis dato noch nicht näher spezifiziert sind, kontinuierlich zu erfassen und als Steuersignal für die Glanzkohlenstoff-Zugabemenge zu verwenden. Dies bleibt allerdings weiteren Arbeiten vorbehalten.