Projekt 11593/01

Steuerung des Regenerierungsprozesses von Gießereirestsanden mittels einer On-Line-Bewertung der Sandregenerate

Projektdurchführung

GUT Gießerei Umwelt Technik GmbH
Obere Hommeswiese 2-4
57258 Freudenberg
Telefon: 02734/2809-30

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Bauteilung durch Gießen in verlorenen Formen fallen deutschlandweit 2.680.000 t Restsande an, die verwertet oder entsorgt werden müssen. Die Problematik, die sich bei der heutigen Gießereisandregenerierung zeigt, besteht in der Ermittlung des optimalen Arbeitspunktes der Regenerierungsanlage unter Berücksichtigung maximaler Regeneratqualität verschiedener Ausgangssande bei gleichzeitiger Reduzierung der Reststoff- und Abfallmengen. Eine technologiegerechte und individuelle Regenerierung ist verfahrensspezifisch derzeit noch nicht möglich. Die Folge ist eine schlechtere Regeneratqualität, die durch erhöhten Bindereinsatz kompensiert werden muss oder eine bessere Regeneratqualität bei hohem Reststoffanteil mit allen damit verbundenen, bekannten Nachteilen in Bezug auf die Umwelt. Die Flexibilität der Regenerierungsanlagen wird durch die fehlende Möglichkeit einer Online-Qualitätsmessung wesentlich eingeschränkt. Ziel dieses Projekts war die Entwicklung und Optimierung eines Verfahrens zur Online-Bewertung der Regeneratqualität mit Hilfe einer (N)PAK-Analytik.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung des Verfahrens wird durch die Vorgabe des Messprinzips festgelegt. Die Regengeratbewertung sollte anhand der (N)PAK-Bildung des Sandes, verursacht durch eine thermische Beaufschlagung, vorgenommen werden. Dabei pyrolisieren die restlichen noch vorhandenen organischen Binderrückstände bzw. Additive auf dem Sandkorn, und die entstehenden (N)PAKs geben Aufschluss über die Restbindermenge im Sand. Auf diese Weise kann über die Menge der (N)PAKs eine Aussage über die Regeneratqualität erreicht werden. Für die quantitative Messung der (N)PAKs steht der Photoelektrische-Aerosol-Sensor (PAS) zur Verfügung. Im Rahmen des Projekts fanden zwei verschiedene Verfahren zur Temperaturbeaufschlagung und somit zur On-Line-Bewertung von Regeneraten Anwendung: ein Vibrationsrohrofen sowie eine fokussierte Strahlungslampe. Darüber hinaus wurde das Anlagenkonzept eines kontinuierlichen Strahlungsofens entwickelt und zunächst im Laborbetrieb erprobt. Parallel dazu erfolgte eine Bewertung der Sandqualität mittels Formstoffprüfverfahren gemäß VDG-Merkblättern. Nach einer Anpassung der Anlage an die vorhandenen Produktionsbedingungen sowie einer Optimierung der Anlage sollte die Vor-Ort-Erprobung in einer Gießerei einschließlich Steuerung des Regenerierungsprozesses mittels On-Line Bewertungsverfahren den Abschluss dieses Projektes bilden.


Ergebnisse und Diskussion

In der ersten Projektphase wurde ein Anlagenkonzept entwickelt, das es im Laborbetrieb zulässt, über die Mengenbestimmung von polyzyklischen Aromaten, die durch die thermische Zersetzung von Binderrückständen entstehen, eine Aussage über den Regenerierungsgrad des Sandsystems zu treffen.
Hierbei konnten Bewertungszeiten im Bereich von 120 Sekunden erzielt werden. Das Messsignal kann zudem als Regelgröße Eingang in die elektronische Prozesssteuerung der Regenerierung finden.
Von der Messgeschwindigkeit und Reproduzierbarkeit her konnte das Messprinzip des kontinuierlichen Strahlungsofens in Kombination mit der elektronischen PAS-Analytik als bester Ansatz für eine On-Line Steuerung des Regenerierungsprozesses ermittelt werden.
Die Tauglichkeit wurde anhand ausgedehnter Tests verschiedenster Bindersysteme und Kombinationen dieser im Labormaßstab erfolgreich erprobt. Dabei konnten Korrelationen mit den konventionellen Methoden Gesamtglühverlust und Schlämmstoffanalyse gefunden werden.
Schon im Labormaßstab stellte sich heraus, dass die Bewertung von Mischsandsystemen, bestehend aus bentonit- und chemisch gebundenen Sanden, problematisch sein würde; noch aktive Bentonitkomponenten beeinflussen das Analyseergebnis.

Aufgrund der positiven Laborergebnisse wurde der Schritt zur Kopplung der Regeneratbewertung an eine bei der Firma Silbitz Guss GmbH arbeitenden Schleifregenerierungsanlage getätigt. Die Anlage ist für die Regenerierung eines Mischsandsystems (Cold-Box/Bentonitsand) und Furansand ausgelegt. Die Bestimmung eines Prozessfensters für die On-Line-Bewertung gestaltete sich dabei als ausgesprochen schwierig. Die Prämisse, mit gleichen Einstellungen für das Misch- und Monosandsystem zu arbeiten, konnte nicht realisiert werden. Die Sande wurden sowohl in Silbitz als auch am Gießerei-Institut der RWTH-Aachen analysiert. Nur für das Monosystem konnte eine ausreichende Korrelation zwischen den Analysemethoden und der Sand- bzw. Kernqualität gefunden werden. Die Implementierung der On-Line-Analyse-Meßeinrichtung in die Anlagensteuerung gestaltete sich dann im weiteren Verlauf als größeres Problem. Aufgrund der im Vergleich zum Labor sehr rauen Umgebungsbedingungen für die sensible Messtechnik konnte ein stabiler Betrieb in der Gießerei nicht erreicht werden. Nach der Stillegung der Regenerierungslinie, die nicht ursächlich mit diesem Forschungsprojekt im Zusammenhang stand, konnten keine weiteren Mess- und Optimierungsarbeiten mehr vorgenommen werden. Die Praxiserprobung bleibt damit unvollständig.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· E. Westhoff: On-Line-Analyse von Formsandsystemen, veröffentlichte Dissertation, Shaker Verlag, 1998.
· L. Meiser, M. Pelzer, S. Cristescu: Formstoffe und Umwelt in der Gießerei, Gießereiforschung 51 (1999) Nr. 2, S. 91-98 (Veröffentlichung)
· L. Meiser, J. Müller-Späth: Vorstellung des Projektes im Rahmen verschiedener Gießereifachtagungen:
- Aachener Umwelttage, 1999
- Duisburger Formstofftage, GH Duisburg, 1999
- AGIFA-Symposium, Gießerei-Institut der RWTH-Aachen,1999


Fazit

Die PAS-Methode eignet sich grundsätzlich für Anwendungen im Laborbetrieb zur schnellen Bestimmung der Regeneratsandqualität der meisten organisch gebundenen Sande. Messungen unter Laborbedingungen haben eine gute Korrelation mit dem sehr bedeutenden Qualitätsmerkmal Glühverlust ergeben.
Jedoch konnten trotz intensiver Bemühungen aufgrund der oben beschriebenen breitgefächerten Schwierigkeiten beim Betrieb der On-Line-Analyse in einer industriellen Regenerierungsanlage, nicht die im Antrag spezifizierten Endziele des Projektes realisiert werden. Der Mangel an Ergebnissen aus der industriellen Anwendung verhindert vor allem eine Bewertung nach ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten. Dieser Umstand ist besonders bedauerlich, da die Ergebniserwartung auf eine besonders günstig zu bewertende positive Verknüpfung von ökonomischen Vorteilen aus einem ökologiebewussten Verfahrensablauf zielte.
Aus dem eher negativen Verlauf der zweiten Projektphase sollte nicht die Schlussfolgerung eines Fehlschlags gezogen werden. Vielmehr sollte weiter an der Verbesserung der bestehenden beziehungsweise an alternativen Analyseverfahren gearbeitet werden, die letztendlich zu einem ökologisch und ökonomisch nachhaltigerem Umgang mit den in der Gießerei-Industrie verbrauchten Ressourcen führen.

Übersicht

Fördersumme

143.161,73 €

Förderzeitraum

01.02.1999 - 30.09.2002

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik