| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Brancheindsats for jern- og metalstøberier

3 Referater fra artikler i internationale fagtidsskrifter

• 3.1 Indholdsoversigt
  • 3.1.1 Driftserfaringer med det nye cold-box bindersystem
  • 3.1.2 Ny cold-box-bindergeneration til letmetal-støbegods
  • 3.1.3 Nyudviklet cold-box bindersystem (NRS-system)
  • 3.1.4 Revolution i kernemageri
  • 3.1.5 Muligheder for produktivitetsforøgelse med polyurethan cold-box systemet
  • 3.1.6 Lugte i støberier
  • 3.1.7 Kontrol af lugte
  • 3.1.8 Innovativt uorganisk bindersystem
  • 3.1.9 Binder med reduceret emission
  • 3.1.10 Specialkerner med høj styrke til Al-trykstøbegods
  • 3.1.11 Koldhærdende kemiske binderes indflydelse på godsoverfladen og struktur af SG-jern
  • 3.1.12 Form- og kernefremstilling med vandglas-CO2 metoden gennem 50 år
  • 3.1.13 Mikrobølgehærdning af vandglasbundet sand
  • 3.1.14 Styring af andelen af det pyroliserbare kulstof i formsand
  • 3.1.15 Undersøgelse af forskellige formsandsadditiver (kulme-styper) med henblik på en reducering af miljøbelastning og vragpro-centen
  • 3.1.16 Termisk udvidelse af formmaterialer med henblik på forhindring af støbefejl
  • 3.1.17 Gavn af et udviklingspartnerskab fra eksemplet "Videreudvikling af Resol-CO2-metoden
  • 3.1.18 Reducering af harpiks- og hærderforbrug gennem et processtyringssystem for snegleblandere med syreforblanding
  • 3.1.19 Reducering af lugtemission i støberiet ved anvendelse af organiske bindere fra de nye generationer
  • 3.1.20 Et nyt binder/syre koncept til formfremstilling med reduceret svovludvikling under støbning og afkøling
• 3.2 Konklusion

Punkt 3 omfatter referaterne og en litteraturhenvisning af de refererede artikler. Referaterne fokuserer primært på de miljø- og driftsmæssige aspekter på følgende områder:

• Udvikling på binderområdet
• Driftsmæssige erfaringer omkring optimerede bindersystemer
• Nye bindersystemer
• Koldhærdende bindersystemers indflydelse på godskvaliteten
• Formsandtypernes termiske udvidelse med henblik på forhindring af støbefejl
• Mikrobølgehærdning af vandglasbundet sand
• Kontrol og begrænsning af lugtgener
• Miljøbelastning ved anvendelse af formsandsadditiver

3.1 Indholdsoversigt

• 3.1.1 Driftserfaringer med det nye cold-box bindersystem
• 3.1.2 Ny cold-box-bindergeneration til letmetal-støbegods
• 3.1.3 Nyudviklet cold-box bindersystem (NRS-system)
• 3.1.4 Revolution i kernemageri
• 3.1.5 Muligheder for produktivitetsforøgelse med polyurethan cold-box systemet
• 3.1.6 Lugte i støberier
• 3.1.7 Kontrol af lugte
• 3.1.8 Innovativt uorganisk bindersystem
• 3.1.9 Binder med reduceret emission
• 3.1.10 Specialkerner med høj styrke til Al-trykstøbegods
• 3.1.11 Koldhærdende kemiske binderes indflydelse på godsoverfladen og struktur af SG-jern
• 3.1.12 Form- og kernefremstilling med vandglas-CO2 metoden gennem 50 år
• 3.1.13 Mikrobølgehærdning af vandglasbundet sand
• 3.1.14 Styring af andelen af det pyroliserbare kulstof i formsand
• 3.1.15 Undersøgelse af forskellige formsandsadditiver (kulme-styper) med henblik på en reducering af miljøbelastning og vragpro-centen
• 3.1.16 Termisk udvidelse af formmaterialer med henblik på forhindring af støbefejl
• 3.1.17 Gavn af et udviklingspartnerskab fra eksemplet "Videreudvikling af Resol-CO2-metoden
• 3.1.18 Reducering af harpiks- og hærderforbrug gennem et processtyringssystem for snegleblandere med syreforblanding
• 3.1.19 Reducering af lugtemission i støberiet ved anvendelse af organiske bindere fra de nye generationer
• 3.1.20 Et nyt binder/syre koncept til formfremstilling med reduceret svovludvikling under støbning og afkøling

3.2 Konklusion

3.1.1 Driftserfaringer med det nye cold-box bindersystem

Marek, T.: Betriebserfahrung mit Cold-Box-Systemen der neuen Generation. CIATF Technical Forum 99.

I 1996 kom de første cold-box bindere på markedet, hvor harpiksen ikke var opløst i aromatiske kulbrinter som benzen, toluen og xylen, men i planteolieestere som fx rapsolie.

Den nye binder udmærkede sig med følgende:

• Lav klæbetendens
• Reducering af harpiks aflejring i kernekasser
• Reducering af katalysatorforbrug (op til 20%)
• Øget produktivitet
• Mindskning af godsfejl i form af rottehaler og erosion
• Øget målenøjagtighed

Ved den nye binder af 1. generation konstateredes dog en forøget røgudvikling efter støbning, afkøling og især ved udslagning. Røgudviklingen skyldtes fedtsyreestere af typen C16 og C18.

Gennem en yderligere udvikling er det lykkedes at reducere røgproblemet en del ved den nye binder af 2. generation. Et tilsvarende niveau som ved den gamle binder er dog ikke opnået. Målinger af gasudvikling i laboratorium samt af emission ved udslagning og i afkastkanalen i et Al-støberi viser en betydelig forskel i benzen-, toluen-, xylen-, phenol- og total C koncentration.

Skemaet ovenfor viser benzen-, toluen-, xylen-, phenol- og total C emission ved udslagning og i afkastkanalen.

Målinger af gasudvikling på laboratorietest i kvælstofatmosfære ved 300-500-700 og 900°C viser ligeledes en betydelig reduktion af de ovenfor nævnte stoffer. BTX-andelen reduceres med 30 % og phenol-andelen afhængig af testtemperaturen mellem 25 og 60 %.

3.1.2 Ny cold-box-bindergeneration til letmetal-støbegods

Weicker, G.: Neue Cold-Box-Generation für Leichtmetallguss. Giesserei-Erfahrungsaustausch 44 (2000), Nr. 11, S. 531-536

Undersøgelsen af en ny serie cold-box-binder ECOCURE®-SYSTEM fra Ashland til letmetalstøbegods viser følgende forbedringer i forhold til ISOCURE-SYSTEM:

• Forhøjelse af begyndelsesstyrke med 30 til 45%
• Mindre fugtfølsom, dvs. efter lagring ved høj luftfugtighed (98%), samt ved vandsværtning
• Reduceret klæbetendens, dvs. rensningsintervallet af kernekassen er fordoblet
• Og udvikling af BTX under støbning og afkøling er reduceret. Således er benzenudvikling reduceret med mellem 15 og 30%

3.1.3 Nyudviklet cold-box bindersystem (NRS-system)

Ashland Chemical Company

Hendershot, G., Werner, A.: Eine neue Cold-Box-Technologie. CIATF Technical

Forum 99

Rapporten beskriver et nyudviklet cold-box-system (NRS-system), som adskiller sig i forhold til den traditionelle cold-box-metode på følgende områder:

• Reduceret fordampning af opløsningsmidler ved blanding og lagring
• Mindre gas- og røgudvikling ved støbning, afkøling og udslagning
• Reduceret klæbetendens
• Sandet klumper (hærder) ikke i bænktiden, dette betyder mindre rengøring og ingen lukning af skudhullet
• Mindre tilbøjelighed til bladripper
• Forbedret termisk nedbrydelighed

Binder- og katalysatorforbruget ligger på samme niveau som ved det traditionelle cold-box-system. Dog kræver metoden en højere aminkoncentration ved noget kortere gasningstid. Metoden kræver en mindre modificering af produktionsudstyret.

3.1.4 Revolution i kernemageri

Stùtz, R., Genzler, C.: Revolution in der Kernmacherei. Giesserei-Praxis (1999),

Nr. 12, s. 536-568

Eshamine-Plus-Kernefremstillingsmetode

Metoden er baseret på cold-box bindersystemet og katalyseret med TMA (Tri-Methylamin). TMA er det mest reaktive af de teritære aminer og forefindes i gasfasen ved en temperatur over +3°C.

Som metodens fordele i forhold til den traditionelle cold-box metode nævnes følgende:

• Reduktion af begasningstid på 70-80 %
• Reduktion af skyllelufttid på 50-60 %
• Lavere aminforbrug
• Halveret amin-emission ved lagring af kerner
• Mindre fugtfølsomme kerner

Aminen leveres i trykflasker. Dette betragtes som en fordel i forhold til leverings-emballagen for fx TEA og DMEA. Ulempen ved TMA er bl.a. en kraftig aminlugt, og der kræves ændringer af begasningssystemet.

Ecolotec-CO₂ kernefremstillingsmetode

Ved Ecolotec metoden er der tale om en alkalisk phenol-resolharpiks i vandig opløsning. Binderen har en pH-værdi på 14, og afhærder ved begasning med CO₂, forårsaget gennem en forskydning af pH-værdien.

Da der er tale om en reaktion mellem en binder i flydende tilstand og en gas, afhænger reaktionshastigheden af temperaturen og trykforholdet i kernekassen.

For opnåelse af acceptable styrker anbefales, at der anvendes et 3-sigtet sand med en middelkornstørrelse på ca. 60 AFS (ca. 0,25 mm). For at opnå optimale styrker ved et minimum af CO₂, bør en lav gashastighed ved lavt tryk i kernekassen tilstræbes.

Hvad de tekniske egenskaber angår, bør det nævnes, at flydeevnen af Ecolotec sandet er noget lavere i forhold til cold-box sandet. Klæbetendensen er dog lavere. Ecoloec-kerner har betydeligt lavere bøjebrudstyrke end cold-box kerner. Således ligger bøjebrudstyrken efter 1 h afhængig af kornstørrelsen mellem ca. 120 til 240 N/cm². Til gengæld dannes ingen bladripper i Ecolotec-kerner. Ved tilgang af større mængder Ecolotec-kerner til bontonit-bundet sand opstår muligheden for overaktivering.

Da skyllelufttiden bortfalder ved Ecolotec-metoden i forhold til cold-box metoden, er produktionshastigheden på niveau med Eshamine-metoden.

Hvad de miljømæssige forhold angår, har Ecolotec-metoden en klar fordel i sammenligning med cold-box- og beta-set-metoden. I forhold til cold-box metoden bortfalder håndtering af et miljøbelastende bindersystem samt et kostbart filtreringssystem for amingassen. Og i forhold til beta-set bortfalder begasning med methylformiat.

3.1.5 Muligheder for produktivitetsforøgelse med polyurethan cold-box systemet

Shrey, A., Wolf, G.: Wege zur Produktivitätssteigerung im Polyurethan-Cold-Box-Verfahren durch eine verbesserte Begasung. Giesserei 88 2001, Nr. 6, s. 51-56.

Forfatterne nævner, at på trods af betydelige forbedringer af bindersystemet og katalyseringsteknikken, er katalysatorforbruget for stort. Det for store katalysatorforbrug medfører dels længere begasnings- og skyllelufttid, og dels et stort lugtproblem.

For at øge produktionstakten, anbefales at sætte ind over for begasnings- og skylletid. I 1969 var forbruget af amin på ca. 1 g/kg kerne; i dag er forbruget reduceret til 0,19-0,25 g amin pr. kg kerne.

Med faldende katalysatorforbrug reduceres begasnings- og skylletiden. Dette skyldes bl.a. udviklingen af mere reaktive bindere, bedre begasningsteknik og udstyr. For at opnå en effektiv afhærdning med et minimum af aminforbrug med den kortest mulige begasnings- og skylletid, må følgende betingelser være opfyldt:

• Tæt og isoleret rørsystem samt tætte ternekasser
• Høj temperatur af amingassen, forgasningstemperaturen bør ligge på ca. 90°C
• Optimering af gastrykket (lavt tryk reducerer aminforbruget men øger ikke begasningstid)

Tilstræbelse af en konstant sandtemperatur på 20°C. Ved denne temperatur har sandet den bedste flydeegenskab og reaktionsevne

3.1.6 Lugte i støberier

Helber, J.H., Wolf, G.: Giessereigerüche - eine Bestandsaufnahme. Teil 1. Geruchsemission aus Eisengiessereien. Giesserei 87 (2000), Nr. 9, S. 46-53. Teil 2. Geruchsemissionen aus organischen Formbestandteilen. Giesserei, 88 (2001), Nr. 6, S. 86-94

Del 1 (Nuværende forhold)

Del 1 indeholder indledningsvis det lovmæssige grundlag omkring emissioner samt beskrivelsen af eksisterende målemetoder, standarder og vejledninger.

Lugtemissionen målt fra støberier viser, at processer som smeltning, støbning/afkøling/udslagning samt sandopberedning bidrager med den største lugtemission. Deraf er støbning/afkøling/udslagning det mest belastende produktionsafsnit. Figuren nedenfor viser, hvilke spaltningsprodukter, der frigøres ved termisk belastning af organiske bindersystemer.

Målingerne af lugtemission udført ved forme med en sandvægt på 87 kg og en støbegodsvægt på 10 kg. Ved undersøgelsen blev der gjort følgende observationer, se figur nedenfor.

Et tilsvarende forløb kunne observeres ved et emne med 40 t godsvægt, dog er udviklingsforløbet tidsforskudt. Således nås den maksimale lugtemission først efter 8 timer, og efter 24 timer er emissionen til 80% afsluttet.

Del 2 (Lugtemission fra organiske formdele)

Del 2 koncentrerer sig dels om afprøvning af et forsøgsudstyr til frembringelse af emission med div. bindersystemer samt et udstyr til kontinuerlig måling af emissionsbelastende stoffer. Samtidig gennemføres en lugttest med testpersoner. Resultaterne fra udstyrsmålingerne sammenlignes med resultaterne fra persontesten. Sammenligningen af testresultaterne havde til formål at finde ud af, om det ved hjælp af et analyseudstyr er muligt at identificere de mest lugtbelastende stoffer, som udvikles under støbe- og afkøleprocessen.

De første resultater af forsøget er optimistiske, og det kan forventes, at analyseudstyret kan udvikles til at identificere en betydelig andel af lugtbelastende stoffer i pyrolysegassen og samtidig også oplyse om stoffets miljømæssige karakter.

De første tests er udført med følgende bindersystemer:

• Cold-box
• Hot-box
• Skalsand
• Furanbinder
• Resol-CO₂-binder

Den gaschromatografiske analyse viste, at hvert af de ovenfor nævnte binder-systemer nedbrydes til mellem 40 og 140 detekterbare pyrolysespaltnings-produkter. I alt identificeredes ved de analyserede bindersystemer 330 pyrolyse-produkter.

Undersøgelsen viste, at visse stoffer altid er til stede, når organisk materiale opvarmes under reducerende atmosfære, her er bl.a. tale om:

• Benzen
• Toluen
• Xylen
• CO

samt en del binderspecifikke stoffer.

Efterfølgende skema viser en sammenstilling af de vigtigste repræsentanter af de nævnte 330 pyrolyseprodukter, tilordnet til 4 forskellige bindersystemer.

Undersøgelsen viste, at lugtemissionen fra Resol-CO₂ binder er betydeligt større i sammenligning med fx skalsand-, cold-box-, hot-box- og bentonitbundet formsand.

3.1.7 Kontrol af lugte

McNerlin, C.J., Bushby, A.D. Foundry Odor Control. Trans.Amer.Foundrym.Soc. 105 (1997), Paper 97-130, S. 199-204

De fleste ubehagelige lugte i støberier stammer fra form- og kernebindemidler samt fra div. additiver. Lugtene opstår under fremstilling samt ved støbning, afkøling og udslagning.

Støberibranchens udvælgelseskriterier for bindere er følgende:

• Høj produktionshastighed
• Lav pris
• Opfyldelse af de tekniske krav, hvad angår styrker, overfladekvalitet, udslagnings- og regenereringsegenskaber
• Reducerede emissionsbelastninger

De ovenfor nævnte betingelser kan til en stor del opfyldes af de organiske bindere med undtagelse af lugt- og gasemissioner. Her har de uorganiske bindere en betydelig fordel.

For at reducere lugtgener har støberibranchen haft mulighed for at anvende følgende metoder:

• Forbrænding
• Skrubning
• Absorption
• Biologisk rensning

De nævnte metoder har alle et til fælles, og dette er omkostningerne. Det gælder især forbrændingsmetoden. Ud over de ovenfor nævnte metoder findes også neutralisationsmetoden.

Denne metode baserer på at bringe de lugtdannende forbindelser i kontakt med modificerede æteriske olier. I de senere år udvikledes æteriske olier, som er i stand til at binde et bredt område af lugtintensive kemikalier. Disse olieblandinger er:

• Vandopløselige med en pH-værdi på 6
• Olier skal ikke faremærkes, og er ugiftige for mennesker og dyr

Ved fremstillingsprocesserne stammer lugtemission hovedsagelig af følgende stoffer:

• Aminer (cold-box)
• Ammoniak (skalsand)
• SO₂ (SO₂-metoden)
• Methylformiat (beta-set)
• Formaldehyd (hot box/skalsand)

Og ved støbning, afkøling og udslagning er årsagen til lugtemissionen følgende stoffer:

• Phenoler
• Ammoniak
• Svovldioxid
• Aromatiske kulbrinter

Samt evt. en blanding af aromatiske og alifatiske kulbrinter

Undersøgelser har vist, at æteriske olier indeholder svage organiske syrer, som reagerer hurtigt med basiske stoffer som aminer under dannelse af organiske salte.

Æteriske olier indeholder ligeledes carbynoler, som reagerer med SO₂. Reaktionsproduktet er ikke beskrevet.

For at opnå den maximale neutraliseringseffekt skal de æteriske olier indblandes i afkastluften i en finforstøvet tilstand. Forbruget af æterisk olie er afhængigt af forureningens art og koncentration.

Skemaet ovenfor viser SO₂-koncentrationen før og efter tilblanding af 0,1 kg/h æterisk olie, i afkastluften.

Skema ovenfor viser Amin-koncentrationen i afkastluften afhængig af olieforbruget.

3.1.8 Innovativt uorganisk bindersystem

Hänsel, H.: Ein anorganisches Bindersystem der innovativen Art.

Teil 1. Das Verfahren und dessen Einsatz in der VW-Giesserei Hannover unter Seerienbedingungen

Del 1 (Metodens anvendelse hos VW i Hannover)

Pga. stigende krav fra miljølovgivning er støberiindustrien tvunget til at anvende miljøvenlige bindersystemer. Dette førte til, at 3 virksomheder i fællesskab udviklede et nyt uorganisk bindersystem med betegnelse ”Hydrobond”.

Bindersystemet består af et vandopløseligt uorganisk stof ”Polyphosphat”, og kerner fjernes fra godset ved hjælp af vand. Kernerne skydes i konventionelle kerneskydere og afhærdes ved hjælp af 80°C varm trykluft. Bindertilsætning er ca. 1,5 vægt %.

Rapporten nævner følgende fordele ved den aktuelle hydrobondmetode i fremstillings- og støbe/afkølingsfasen:

• Anvendelse af konventionelle kerneskydere
• Lave investeringsomkostninger
• Simpelt begasningsudstyr
• Anvendelse af trykluft til begasning
• Uorganisk bindersystem
• Gode flydeegenskaber
• Lavt binderforbrug
• Vand som opløsningsmiddel
• Lang bænktid
• Acceptabelt styrkeniveau
• Kræver ingen procesudsugning
• Kræver ingen aminvasker
• Meget lav emission ved fremstilling og støbning
• Forme med kerner kan afstøbes umiddelbart efter fremstilling
• Gode udslagningsegenskaber

Kerneegenskaber afhængig af bindertilsætning

3.1.9 Binder med reduceret emission

Estman, J.: Sand Binder Reduces Emission, Cuts

Energy Costs. Modern casting

Proteinbaseret miljøvenligt bindersystem

Proteinbindersystemet er udvundet fra naturlige materialer, som er ugiftige og miljøvenlige. Binderen består af en blanding af varierende polypeptide molekyler og lange kæder af aminosyrer. Binderen er tilsat en lille mængde Fe₂O₃ for at fremme den termiske nedbrydning af binderen, som begynder ved 450°C.

Binderen er i pulverformet tilstand, kan ikke antændes, er ikke reaktiv og ufarlig ved indtagelse. En lille andel konserveringsmiddel garanterer en acceptabel bænktid af kernesandet.

Afbinding af kernesandet foregår ved tørring. Der foregår ingen kemisk reaktion. De under hærdeprocessen dannede biopolymerer i kernen har en krystallinsk struktur. Binding nedbrydes igen ved tilsætning af vand, dvs. binderen (kernen) er fuldt opløselig i vand.

Blandeprocessen foregår ved at tilsætte en vandig binderopløsning til det opvarmede sand, og blandingen fortsættes, til alt vand er fordampet. Flydeevnen af det coatede sand er den samme som ved nysandet.

For kernefremstillingen homogeniseres det coatede kolde sand med vand. Derefter kan sandet skydes i kernekassen og afhærdes med varm luft. GM og Teksid fremstiller kerner til et knærør støbt i en Al-legering med en godstykkelse på 3-4 mm. Den lave termiske påvirkning kan give problemer ved udslagning (udkerning). I dette tilfælde kan udkerning fremskyndes med trykluft eller højtryksspuling med vand.

Varmluftforbrug er ca. 2% (vægt), takttiden er ca. 60 s, og bindertilsætning ved kvartssand er 1 vægt%.

Binderen reagerer ved kontakt med aldehydkomponenter og gasser. Derfor bør binderen og coatet sand ikke komme i kontakt med aldehydkomponenter. Ligeledes bør alt udstyr være fri for formaldehyd forureninger.

Hvis kerner under lagring kommer i kontakt med vand, falder styrken. Styrken kan dog genetableres gennem en fornyet tørring. Til sværtning kan anvendes vand- og alkoholsværter.

3.1.10 Specialkerner med høj styrke til Al-trykstøbegods

Hochfeste Spezialkerne für Al-Druckguss schonen die Umwelt und sind wirtschaftlich. Giesserei-Erfahrungsaustausch 44 (2000), Nr. 3, S. 150-151

Tidsskrifter refererer om udvikling af en ny kernefremstillingsmetode, som især egner sig til tryk- og kokillestøbning. Metoden er miljøvenlig, idet der anvendes alm. kogesalt som binder, og blandingen afhærdes ved hjælp af varme.

Fremstillingsmetoden (Maxicore) udmærker sig bl.a. med følgende:

• Ingen hærderforbrug
• Ingen gasemission (ved fremstilling, støbning af afkøling)
• Ingen behov for sværtning ved Al-støbegods
• Egner sig til alle støbemetoder
• Intet affald, formmaterialet kan genanvendes
• Særdeles god overflade og målenøjagtighed
• Kernerne kan udskylles med vand

Tidsskriftet nævner ikke, om metoden er egnet til alle sandtyper, og om der kræves et specielt produktionsudstyr.

3.1.11 Koldhærdende kemiske binderes indflydelse på godsoverfladen og struktur af SG-jern

Tinebra, J., Wilson, S.J.: No Bake Chemical Binder Systems. AFS Transactions 101 (1993), Paper 93-107

Overfladeanalysen af tynd- og tykvægget SG-jernstøbegods støbt i kemisk bundet sand viser følgende resultater, se skema nedenfor.

Årsagen til den kraftige penetration tilskrives den høje vandandel i binderen. Vandet spaltes til ilt og brint, og ilten virker stærkt oxiderende på jernoverfladen.

Hvad godsstrukturen angår, viser undersøgelsen, at emnerne støbt i alpha-set og furansand havde tilbøjelighed til grafitdannelse i randzonen. Analyseresultaterne fremgår af nedenstående skema.

Analysen viser, at kugleantallet i tyndvægget støbegods er betydeligt højere i forhold til tykvægget støbegods. Dette kan tilskrives den hurtigere afkøling. Ved de tykvæggede emner ses en misdannelse af grafitten i randzonen ved bindersystemerne med den største vandandel. Årsagen til misdannelsen skyldes sandsynligvis tilstedeværelsen af ilt. Derved kommer det til en oxidation af Mg til MgO. Når der ikke længere er et Mg-overskud i jernet til binding af svovlet, dannes flagegrafit.

3.1.12 Form- og kernefremstilling med vandglas-CO₂ metoden gennem 50 år

Über 50 Jahre Form- und Kernefertigung mit dem Wasserglas-CO₂-Verfahren. Giesserei-Erfahrungsaustausch 44 (2000), Nr. 2, S. 79-83

I artiklen beskrives vandglas-CO₂-metodens udvikling gennem de sidste 50 år. Samtidig beskrives andre kernefremstillingsmetoder, som afhærdes med CO₂. Det nævnes, at vandglas-CO₂ metoden samt de øvrige metoder, hvad produktions-hastigheden og produktionsomkostningerne angår, ikke kan konkurrere med cold-box-metoden. En relativ sammenligning af binderomkostninger til fremstilling af 100 kg kernesand ved de 4 mest anvendte gashærdende kernefremstillingsmetoder fremgår af skemaet nedenfor.

3.1.13 Mikrobølgehærdning af vandglasbundet sand

Polzin, H., Flemming, E.: Untersuchung zur Mikrowellenverfestigung von wasserglasgebundenen Giessereiformstoffen. Giesserei-Praxis (1999), Nr. 12, S. 569-580 und (2000), Nr. 2, S. 58-71

Del 1: Forsøgsresultater, opnåelige teknologiske egenskaber og praktiske støbeforsøg

Dårlig udslagningsegenskab, lav udgangsstyrke samt begrænset lagerholdbarhed er de væsentligste årsager til den ringe anvendelse af vandglasmetoden. Den aktuelle rapport beskæftiger sig primært med anvendelse af mikrobølgeteknik til afhærd-ning af vandglassand.

I rapporten undersøges styrkeudvikling i vandglasbundet sand i afhængighed af vandglastypen, afhærdningsmetoden og modulet. Det samme gælder for lagerhold-barheden og udslagningsegenskaber.

Sammenholdes bøjebrudstyrken efter en hærdning med mikrobølger, CO₂, samt ved en kombination af de to nævnte metoder og ovnhærdning, viser resultaterne, at ved mikrobølgehærdning af et vandglasbundet sand med 3% vandglas, opnås en bøjebrudstyrke på 450 N/cm². Til sammenligning er bøjebrudstyrken ved hærdning med CO₂ max. 150 N/mm², og ved en kombinationshærdning opnås værdier på ca. 250 N/mm².

Ved ovntørring i 2 h ved 100°C opnås det samme styrkeniveau som ved mikrobølgemetoden.

Hvad lagerholdbarheden angår, opnås de bedste resultater ved ovntørring. Måleresultaterne viser, at en lagring af kerner ved en relativ luftfugtighed på 70 %, i 6 dage, ingen indflydelse havde på bøjebrudstyrken. Ved en lagring ved en relativ luftfugtighed på 90% viser de CO₂ og ovnhærdede prøver ingen styrkereduktion af betydning. De mikrobølgehærdede prøvers bøjebrudstyrke faldt fra 450 til 150 N/cm². Styrken kunne dog genetableres ved en fornyet mikrobølgebehandling.

Hvad udslagningsegenskaber angår, målt som trykstyrke efter opvarmning af emnerne fra 0 til 1000°C, viser, at de mikrobølge- og ovnhærdede prøvers styrker reduceres fra ca. 1100 til ca. 10 N/cm². Ved opvarmning til 500°C er reststyrken ved de to nævnte afhærdningsmetoder ca. 50 N/cm². Reststyrken ved de CO₂-hærdede prøver er ved 500°C ca. 70 N/cm², og ved 1000°C ca. 50 N/cm².

Efter forsøgsstøbninger af luftkølede bremseskiver i GG-25, med mikrobølgehærdede kerner, kunne konkluderes, at udslagningsproblemet endnu ikke er helt ude af verden. Dog anses det for muligt ved en optimering af bindertilsætning og udvikling af en mikrobølgeegnet vandglastype at komme problemet til livs. Det anses for realistisk at reducere vandglastilsætning til 2%, og i visse tilfælde endnu lavere.

Del 2: Tiltag til forklaring af binderens struktur i forbindelse med mikrobølgehærdningsprocessen

Ved hjælp af følgende analysemetoder forsøgtes at undersøge ændringerne i strukturbilledet i kernesandet under mikrobølgehærdning:

• Scanning elektron mikroskop
• Differential termoanalyse (DTA) Termogravimetri (TG)
• Si-NMR spektroskopi
• Ultralyd

Optagelser med scanning elektronmikroskopet viser, at binderbroerne ved tørringsprocesserne er jævnt fordelt og homogene. Ved CO₂-hærdning viser binderbroerne karbonatindlejringer. Disse er ansvarlige for kernernes lave styrker.

DTA-analysen viser, at der ved tørringsprocessen (ovnhærdning) ikke dannes karbonater i binderbroerne.

Ved hjælp af Si-NMR-spektroskopi konstateredes, at umodificerede bindere (uden organiske additiver) havde en gunstigere forkondensationsgrad. Dette medførte højere styrker, hvis modulet var mindre end 3,0.

Ultralydsanalyser viste, at lydhastigheden gennem prøveemnerne er afhængig af hærdemetoden, og at lydhastigheden står i forbindelse med den målte styrke.

3.1.14 Styring af andelen af det pyroliserbare kulstof i formsand

Brümmer, G.: Nachweis und Steuerung des Gehalts an pyrolysierbaren Kohlenstoffverbindungen im bentonitgebundenen Formstoff. Giesserei-Praxis (2002), Nr. 5, S. 172-180

De seneste undersøgelser af de anvendte analysemetoder til bestemmelse af glanskulstofandelen i bentonitbundet sand er yderst upålidelige. Dette skyldes dels, at de enkelte analysemetoder påvirkes af faktorer, som ikke bidrager til glanskulstofdannelsen. Og dels påvirkes analysemetoderne (resultaterne) af sandvedligeholdelses-programmet, ny- og kernesandtilgang samt jern/sandforholdet.

Undersøgelserne har vist, at dødbrænding af bentonit og kulmel står i forhold 1:1,4. Derfor anbefales det at anvende et kombinationsprodukt, dvs. en blanding af bentonit og kulmel (org. additiver).

Anvendelsen af et kombinationsprodukt har bl.a. følgende miljø- og økonomiske fordele:

• Lav selvantændelsesrisiko
• Lav risiko for støveksplosion
• Mindre farefuld transport
• Enklere dosering
• Færre udgifter til lagring og doseringsudstyr
• Enklere sandstyring

3.1.15 Undersøgelse af forskellige formsandsadditiver (kulme-styper) med henblik på en reducering af miljøbelastning og vragpro-centen

Formstoffzusätze i Beurteilung, Betribs- und Emissionsverhalten. Ùsterreichisches Giesserei Institut, ÙGI - A Nr. 32.303/2, Dez. 1992.

Rapporten koncentrer sig på undersøgelse af 10 additivfabrikater fordelt på 3 materialegrupper så som:

• Naturlig stenkulstøv (gruppe I, 4 fabrikater)
• Modificeret stenkulstøv og (gruppe II, 4 fabrikater)
• Blandede additiver som fx Geko-Carsin (gruppe III, 2 fabrikater)

Til de miljømæssige undersøgelser og overfladebedømmelse anvendes en standardsandblanding med 8,5 % aktiv bentonit, 3 % additiv ved en fortætningsgrad på 38 %.

Jern/sandforhold 1:6, støbetemperatur 1.400°C, støbt materiale, GG. Testen gennemføres over 10 cyklusser.

Til bedømmelse af den miljømæssige belastning placeres de afstøbte forme under en hætte tilsluttet en konstant udsugning. Af udsugningsluften udtages kontinuerlig gasprøver, som analyseres for:

• Total organisk kulstof (TOC)
• CO
• PAH´er
• Benzen

Emission af TOC afhængig af additivtype, antal cykler og tiden efter afstøbning.

PAH-emission i ug/kg formsand afhængig af additivtype 60 min. efter afstøbning.

CO-emission, afhængig af additivtype, antal cykler og tiden efter       afstøbning.

Benzenkoncentration i mg/kg formsand 60 min. efter afstøbning afhængig af antal cykler.

Konklusion

Undersøgelsen viser bl.a., at emissionen af de 3 analyserede stofgrupper varierer en del. Således er emissionen af total TOC størst ved anvendelse af naturlig kulmel. Det samme gælder ved CO- og benzenemissionen. PAH-emissionen er størst ved det modificerede additiv.

Emissionen af total organisk kulstof aftager med stigende cyklustal ved samtlige addtiver. Den samme tendens kan observeres ved benzen og PAH´ere. Ved CO øges emissionen i takt med antallet af cyklusser.

3.1.16 Termisk udvidelse af formmaterialer med henblik på forhindring af støbefejl

Recknage, U., Tilch, W.: Untersuchung zum Ausdehnungsverhalten von Formstoffen mit Hinblick auf Vermeidung typischer Gussfehler, Teil 1 u. 2. Giesserei-Praxis (2000), Nr. 8 u. 9, S. 337-344 u. 378-384

Del 1

Årsagen til godsfejl som bladribber, klatter, rottehaler og varmerevner påvirkes bl.a. af de anvendte basismaterialer (sand) kvarts, zirkon, kromit m.m.

For at begrænse eller undgå de ovenfor nævnte fejl har støberibranchen i årevis hovedsagelig anvendt kromit og zirkon. Disse basismaterialer har dog en betydeligt større vægtfylde end kvarts. Dette betyder, at kernevægten øges til næsten det dobbelte.

Basismaterialer som Andalusit, Chamotte - en blanding af kvarts og feldspat - samt det keramiske materiale Cerabeads har en vægtfylde, som ligger tæt på kvartsens. Den lineare udvidelseskoefficient og udvidelsesforløbet ligger dog på niveauet af kromit- og zirkonsandet.

Af de efterfølgende skemaer fremgår de nævnte sandtypers udvidelseskoefficient, mineralogisk og kemisk sammensætning.

Længdeudvidelse

Mineralogisk sammensætning

Kemisk sammensætning

Fysikalske data

Del 2

Anvendelse af fx kvarts-feldspat, cerabead, andalusit og chamotte-sand til fremstilling af forme og kerner i skalsand kan være økonomisk, teknisk og miljømæssigt fordelagtigt, selvom prisen for basismaterialerne er højere. Anvendelsen begrundes med mindre vrag og mere målenøjagtigt støbegods i forhold til forme og kerner fremstillet i kvartssand. Samtidig holdes vægten af forme og kerner på en betydeligt lavere vægt end ved anvendelsen af rent kromit- og zirkonsand.

Ved fremstilling af kerner med cold-box binder kan det ligeledes være fordelagtigt at anvende kvarts-feldspat- eller andalusit, idet tilsætning af additiver som fx jernoxid eller træmel kan undgås.

Undersøgelsen viser ligeledes, at godsfejl forårsaget af formmaterialets termiske udvidelse kan minimeres ved anvendelse af mekanisk regenereret furanbundet sand. Især ved anvendelse til kernefremstilling med cold-box binder. Den termiske udvidelse bliver i mindre grad påvirket af bindertypen, og kun ved skalsand har bindermængden en reducerende effekt af bladribber.

3.1.17 Gavn af et udviklingspartnerskab fra eksemplet ”Videreudvikling af Resol-CO₂-metoden

Genzler, C., Helber, J., Schrey, A.: Nutzen von Entwicklungspartnerschaften am Beispiel der Weiterentwicklung des Resol-CO₂-Verfahrens. Deutscher Giessereitag 2002.

Et af målene i videreudviklingen var bl.a. en undersøgelse af Resol-CO₂ kerneresters indflydelse på bentonitbundet formsand. Undersøgelsen viste, at termisk ubelastet kernesand har en betydelig negativ indflydelse på formsandets vådtrækstyrke, når kernetilgang er større end 10%. Termisk belastet kernesand har en begrænset negativ indvirkning på vådtrækstyrken. Årsagen til den negative indflydelse skyldes vandopløselige kaliumrester fra kernebinderen. Kalium har en desaktiverende virkning på betonitten. Undersøgelsen viser ligeledes, at formsand desaktiveret med kalium, ikke kan reaktiveres med soda eller forlænget blandetid.

3.1.18 Reducering af harpiks- og hærderforbrug gennem et processtyringssystem for snegleblandere med syreforblanding

Durrans, N., Nielsen K.: Reduzierung des Harz- und Härterverbrauchs durch ein Proseßsteuersystem für Durchlaufmischer mit Säuerevormischung. Giesserei 89 (2002), Nr. 9, S. 104-106.

Et processtyringssystem til furanprocessen, som på basis af sand- og lufttemperaturen samt en forgivet afhærdningstid styrer binder- og hærderdoseringen. Styringssystemet optimerer binder/hærdertilsætningen efter de registrerede temperaturforhold og kan derfor spare op til 13% binder og 18% hærder.

Med det reducerede binder- og hærderforbrug opnås en tydelig forbedring af miljøet (gasudvikling og lugtgener) især SO₂ udvikling. Samtidig betyder et reduceret binder/hærderforbrug også en økonomisk fordel. Tilbagebetalingstiden for styringssystemet er på baggrund af de foreliggende forsøgsdata beregnet til et år.

3.1.19 Reducering af lugtemission i støberiet ved anvendelse af organiske bindere fra de nye generationer

Serghini, A.: Reduzierung der Geruchemission in der Giesserei durch Einsatz neuer Generationen von organischen Bindemitteln. Giesserei - Erfahrungsaustausch 2002, Nr. 6, S. 265-272.

Til dato har støberibranchens krav til bindemidlerne primært fokuseret på de tekniske egenskaber, produktionshastighed og prisen. Miljømæssige egenskaber havde kun en sekundær interesse. Dog er de stigende miljøkrav, og de miljømæssige egenskaber rykket mere i søgelyset.

Således har fx. cold-box bindersystemet gennemløbet et produktudviklingsprogram med det formål at tilbyde støberibranchen en mindre miljøbelastende binder uden forringelse af de tekniske egenskaber. Udviklingen har primært fokuseret på at anvende mindre miljøbelastende opløsningsmidler end de oprindelige anvendte aromatiske kulbrinter.

Udviklingen er nu nået til den 4. generation cold-box binder. Ved 1. generation udskiftedes de aromatiske kulbrinter med rapsoliemethylestere. Dermed reduceredes kulbrinteemission under kernefremstillingsprocessen samt ved støbning og under afkøling. Med rapsolieestere opnåedes dog ikke den forventede effekt omkring lugtemission og røgudviklingen forværredes (se figur 1).

Figur 1. Lugtemissionen målt i GE-enheder/m³ luft.

For at komme røgudviklingen fra 1. generationsbinderen til livs, fokuseredes ved udviklingen af 2. bindergeneration på anvendelsen af fedtstyremethylestere som opløsningsmiddel. Anvendelsen af fedtstyremethylestere resulterede dog i en forøget kondensatdannelse, og røgudviklingen var stadig et problem, især for kokillestøberier. Kondensataflejring kunne især konstateres i formværktøjernes køligere områder, og var forbundet med en forøget renseindsats.

Ved den 3. generation koncentreredes udviklingen på en reducering af det frie phenol i harpiksdelen (binderdelen). Målet med denne udvikling var en forbedring af affaldssandets deponeringsegenskaber samt en reducering af emissionen.

Målet ved udvikling af 4. generationsbinder var, at reducere lugtemission, røgudvikling og kondensatdannelsen under støbning og afkøling. For at opnå dette mål anvendtes ethylsilikat som opløsningsmiddel. Målingerne efter 6 måneders driftsmæssig anvendelse i et stort jernstøberi viser en reducering af lugtemissionen på 76 %, se figur 1.

Ved anvendelsen af 4. generationsbinderen i et alkokillestøberi viste målingerne en reducering af benzen-, toluen-, ethylbenzen og xylenudvikling på hhv. 75, 67, 67 og 75 % i forhold til cold-box binder med aromatiske kulbrinter som opløsningsmiddel.

Undersøgelsen viste ligeledes at evt. tilsatte additiver havde en betydelige indflydelsen på lugtemissionen. Således kunne et uheldigt valgt additiv reducere den positive virkning af 4. generationsbinderen.

3.1.20 Et nyt binder/syre koncept til formfremstilling med reduceret svovludvikling under støbning og afkøling

Gieniec, A., Weicker, G.: Neues Binder-Säure-Konzept für die Formherstellung zur Reduzierung der Schwefelabgabe während des Gießerei-Erfahrungsaustausch 2001, Nr. 11, S. 487-489.

Syrehærdede furanbindere er et af de mest anvendte bindersystemer til formfremstilling. Metodens miljømæssige og tekniske ulemper skyldes bl.a. svovlen i den anvendte PTS-syre. Svovlen er derfor ansvarlig for SO₂ udviklingen under støbe- og afkølingsprocessen. Ligeledes kan svovlen være årsag til grafitmisdannelse i godsets randzone ved SG-jern.

Udviklingen af en hurtig reagerende furanbinder ”Askuran RS” samt en svovlfattig hærder ”Härder RS” førte til en betydelig lavere svovlandel i det regenererede sand. Således reduceredes svovlandelen 0,13 % til 0,08 %. Dette betyder en reduktion af SO₂ udviklingen på ca. 40 %.

3.2 Konklusion

Artiklerne i de internationale fagtidsskrifter viser, at udviklingen på binderområdet i de seneste år hovedsageligt har koncentreret sig på to fronter:

• Forbedring af bindeevnen (styrkeegenskaber)
• Forøgelse af produktionshastigheden
• Forbedring af bænktiden
• Binder, som egner sig til vandsværtning
• Optimering af procesudstyr
• Forbedring af kernernes transport og lageregenskaber
• Udvikling af regenereringsegnede bindere

Denne udvikling havde udover den tekniske- og økonomiske-, også en miljømæssig effekt. Den kontinuerlige forbedring af binderkvaliteten (bindeevnen) resulterede i et reduceret binderforbrug, som udover den økonomiske fordel, også havde en betydelig indflydelse på arbejdsmiljøet samt det eksterne miljø. Udviklingen betyder en lavere gasudvikling og mindre lugtgener samt en større genanvendelsesgrad af det brugte form- og kernesand og følgelig mindre belastning af affaldsdepoterne. Udviklingen af vandsværtningensegnede bindere har yderligere forbedret arbejdsmiljøet, idet dampe og gasser fra spritsværten undgås.

På den anden front koncentrerede udviklingen sig hovedsagelig på nye miljøvenlige bindersystemer. Først og fremmest ved at fjerne de organiske opløsningsmidler i cold-box bindere og erstatte opløsningsmidler (kulbrinter) med mindre miljøbelastende stoffer. Som fx ethylsilikat. Samtidig udvikledes nogle helt nye bindertyper uden organiske opløsningsmidler. Dvs. opløsningsmidlerne erstattes med vand.

Med udskiftning af opløsningsmidlerne i cold-box bindersystemet opnåedes en mærkbart forbedring af arbejdsmiljøet. Dvs. fordampning af kulbrinter, især under fremstillingsprocessen. Samtidig er det også lykkedes at reducere dannelsen af kulbrintegasser under støbning, afkøling og udslagning.

Udviklingen af de nye bindere af resoltypen har betydet, at fremstillingsprocessen er uden lugtgener og kulbrintedampe findes ikke ved kernefremstilling. Også dannelsen af kulbrintegasser under støbning, afkøling og udslagning er betydelig reduceret. På to punkter har udviklingen endnu ikke nået målet. Dette gælder for styrken og lugtemissionen under støbe-, afkøle- og udslagningsprocessen. Dette kan muligvis hænge sammen med resolbindernes lave bindeevne. Derfor skal der tilsættes ca. 40 % mere binder i forhold til cold-box binderen.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 September 2006, © Miljøstyrelsen.