Bentonitgebundene Formstoffe

SPEKTRUMBentonitgebundene FormstoffeUmlaufverhalten von Bentoniten unter besonderer Betrachtung des Kreislaufsystems undder NasszugfestigkeitVON CORNELIS GREFHORST, OLEG PODO-BED, SANDRA BÖHNKE, MARLBei bentonitgebundenen Formstoff-Systemen sind mehr als 90 % desAltformstoffes nach der mechanischenReinigung und einer anschließendenBefeuchtung direkt wieder einsetzbar.Die erneute Verwendbarkeit des Bentonitesberuht auf seiner reversiblenBindung, sie führt zu einer optimalen Nutzungdes Bentonites. Als Folge dessen werdenbentonitgebundene Formstoffe imKreislauf gefahren. Das Verhalten desFormstoffes im Umlauf ist dabei von größterBedeutung. So wird der bei jedem Abgussaustrocknende Formstoff bis zu seinemGleichgewichtszustand mit Abbrandresten,Kondensaten und Salzen aus demKühl- und Befeuchtungswasser belastet.Ein erfahrener Gießer mit Einsicht indas Kreislaufsystem und Kenntnissenüber dessen Abläufe kann den Prozessbesser steuern und Folgen von Änderungenim System quantitativ und zeitlichbesser einschätzen. Wie sich ein Formstoffim Kreislauf verhält, hängt hierbei im Wesentlichenvon der Qualität des eingesetztenBentonites ab.Wichtige Hinweise zur Bewertung verschiedenerBentonitqualitäten und Formstoffeigenschaftensind in der P-Serie derVDG-Prüfvorschriften zusammengefasst.Sie bieten zudem einen ersten Einblick indie Prüfmethoden.In Bezug auf Umlaufsysteme ist hierbesonders das VDG-Merkblatt R 95 „Formstoffkreislauf“[1] für den Gießer von Bedeutung.Diese Vorschrift ermöglicht komplexeAnalysen und bietet praktische Hinweisezur Überwachung des vorhandenenFormstoffkreislaufsystems. In verschiedenenFachbeiträgen wurde bereits überKreislaufsysteme berichtet [2, 3, 4, 5].Für Umlaufsysteme gilt allgemein:> Die Zusammensetzung des Systems ist,über einen langen Zeitraum betrachtet, einegenaue Wiedergabe der einströmendenStoffe, solange diese im System nicht geändertwerden.> Der Inhalt des Systems ist konstant,damit ist die Einlaufmenge gleich der Auslaufmenge.> Die Geschwindigkeit von Konzentrationsänderungenim System ist eine Funktionder Größe des Systems und der Menge,die diese Änderungen verursacht.Bild 1: Aufbau eines neuen Stoffes (x) im Umlaufsystem H mit der Geschwindigkeit QBeispiele für Umlaufsysteme sind zirkulierendeKühlwasser, der Blutkreislauf imKörper, die Regenerierung von Furansandsystemenund bentonitgebunder Umlaufformsand.Über das Aufbereitungsverhaltenvon Bentoniten und die Möglichkeitenzur Optimierung, u. a. mitProzesskohlenstoff, wurde oft publiziert[6, 7, 8]. Eine generell anwendbare mathematischeDarstellung zeigt Bild 1.Beispiel 1:Das System umfasst 100 m 3 , Stoff x strömtmit 1 m 3 /h und 5 m 3 /h in das System ein.Nach Formel 2 (Bild 1) ergibt sich in Bild 2der Aufbau des Stoffes als Funktion der Zeit.Es kann eine Stoffbilanz erstellt werden,um eventuell auftretende Änderungenwie Verbrauch und Bedarf mit Zahlenzu belegen. Massen- oder Stoffbilanzenkönnen zudem verwendet werden, um dieAnreicherung von Spurenelementen wiez. B. Schwermetallen zu berechnen. Auchdie Versalzung des Formsandsystemskann über eine Formsandbilanz berechnetwerden.Bild 2: Aufbau von neuem Material in einem UmlaufsystemBeispiel 2:Eine Gießerei gießt pro Tag 30 t Schmelzein 280 t bentonitgebundenen Formsand,der im Kreislauf gefahren wird. Es wer-GIESSEREI 92 03/2005 63

SPEKTRUMden pro Tag 2000 kg Neusand, 3600 kgKernsand, 1500 kg Bentonit und 600 kgGlanzkohlenstoffbildner verwendet. DieMenge an Kühl- und Befeuchtungswasserfür den Formsand beträgt 7800 l und dasWasser hat einen Chloridgehalt von130 mg/l. Nach Regel 1 ist die Zusammensetzungdieses Systems eine genaueWiedergabe der einströmenden Stoffe,wenn diese im System nicht geändertwerden. Tabelle 1 zeigt den Verbrauch.Nach einem sehr langen Zeitraum würdeder Bentonitgehalt auf 19,4 % ansteigen(1350/6950 x 100 %). Die Menge an Aktivbentonitbeträgt gleichzeitig aber nur8,5 %. Dies bedeutet, dass der Rest des Bentonitestotgebrannt ist und als Schamottestauboder Schamottehülle auf demQuarzsand vorliegt. Ebenfalls kann einTeil des Bentonites über die Absaugungverloren gehen.Das Chlorid bleibt aber im Formsandund verändert sich kaum. Der Gehalt anChlorid im Formsand wird 0,0145 % oder145 mg/kg sein. (1,01/6950 x 100 %).Für den Bentonit ergibt sich demzufolgeein Chloridgehalt von 0,0748 % oder748 mg/kg. Da die Menge an Aktivbentonitaber ungefähr 43 % der Dosiermengebeträgt, so ist der eigentliche Chloridgehalt,auf den Aktivbentonit bezogen, ca.1740 mg/kg. Es tritt also eine erheblicheVersalzung des Bentonites durch KühlundBefeuchtungswasser auf. Bekannt istzudem die Tatsache, dass es zwischen denElektrolyten im Wasser und dem Bentonitzu Interaktionen kommt.Tabelle 1: VerbrauchStoff Menge (kg) Feuchtigkeit (%) Trocken (kg) Zugabe(kg)Formsand 280 000 3 272 000Neusand 2000 0 2000 2000Kernsand 3600 0 3600 3060**Bentonit 1500 10 1350 1350GK-Bildner 600 5 570 570Wasser 7800 100 --Chlorid 1,01* 0 1,01* 7800 kg Wasser x 130 mg Cl/kg, ** 15 % des Kernsandes verbleiben im Gussteil6950Bild 3: Darstellung der KondensationszoneDie NasszugfestigkeitDurch die Wärmeeinwirkung (Strahlungund Kontakt) entsteht ein Temperaturgradientin der Formwand, der sich mitzunehmender Einwirkdauer, Gieß- undteilweise Erstarrungszeit verändert. Esfolgt die Verdampfung und Zersetzung vonWasser und anderen flüchtigen Formstoffbestandteilenund anschließend derenKondensation in den kälteren Zonender Form – es entsteht die so genannteKondensationszone. Sie ist durch einendeutlich höheren Wassergehalt als im ursprünglichenFormsand (im Normalfallein- bis zweifacher formgerechter Wassergehalt)sowie durch Temperaturen naheder Siedetemperatur des Wassers (ca.100 °C) gekennzeichnet. Die Festigkeit dieserZone ist somit erheblich geringer alsdie Grünfestigkeit und wird in erster Liniedurch die strukturellen und chemischphysikalischenMerkmale des verwendetenBentonites bestimmt (Bild 3).Nach Untersuchungen von Pattersonund Boenisch und den darauf basierendenArbeitshypothesen [9, 10] unterscheidetman zwischen der „Oberflächenbindung“und der „Brückenbindung“ durch Wassermoleküle.Die erste Größe wird durchdie Güte des Bentonites (Größe der Oberflächenseiner Teilchen) gesteuert und istfür den Komplex der Grünfestigkeitseigenschaftenbei Raumtemperatur verantwortlich.Die „Oberflächenbindung“ vollziehtsich direkt zwischen benachbartenTeilchenoberflächen über stark undschwach geordnete Netze aus Wasserdipolen.Die „Brückenbindung“ ist dagegenvor allem eine Funktion der Ionenbelegungdes Bindetons und macht sich erst bei höherenWassergehalten und Temperaturenbemerkbar. Die Brückenbindung tritt ein,wenn benachbarte Tonteilchen durch dazwischenliegendesWasser bereits voneinandergetrennt sind. Diese Annahmeerklärt die stark unterschiedlichen Wassergehaltefür beide Bindungsarten unddie Tatsache, dass bentonitgebundeneFormstoffe auch in sehr nassem Zustandnoch Bindekraft aufweisen.In Gießereien werden zwar die Formstoffeim Bereich des formgerechten Zustandesverwendet und deren Festigkeitist somit allein durch die Oberflächenbindungbestimmt, die Festigkeit durchBrückenbindungen hat jedoch eine besondereBedeutung. Sie ist für das Verhaltendes Formstoffes beim Gießen undfür das Auftreten bestimmter Gussfehler,so genannter „Schülpen“ [11], maßgebend.Die Festigkeit eines nassen Formsandessteigt als Folge eines Ionenaustausches– allgemein als Aktivierung bekannt– an. Dabei nimmt in der Regel als64GIESSEREI 92 03/2005

Bild 4: Prinzip der Nasszugfestigkeitsmessungerstes die Formfestigkeit in der Kondensationszone,die Nasszugfestigkeit zu. ImAllgemeinen zeigen gut aufbereitete Formsande(Quarzsande mit 7 % Bentonit;unter Laborbedingungen) Nasszugfestigkeitenvon 0,40 bis 0,50 N/cm 2 . Betriebsformsandezeigen Nasszugfestigkeitswertevon 0,20 bis 0,35 N/cm 2 , wobei vor allemWerte von ca. 0,20 N/cm 2 auffällig sind.Bild 4 zeigt das Prinzip der Messung.Die Nasszugfestigkeitswerte eines Betriebsformsandeswerden stark durch denBentonittyp, seine Aktivierung [12], dieAufbereitung und die „Verschmutzung“des Formsandes, wie z. B. durch Salze undden Anstieg von Kondensaten, beeinflusst.Auch größere Mengen von Feinanteilenverringern die Nasszugfestigkeit (Bild 5).Bild 6 zeigt die Untersuchungsergebnisseeines Laborversuches (Aufbereitungnach VDG-Merkblatt P 69 [13]); Quarzsandwurde mit 7 % Bentonit in einem Kollergang5 min normal aufbereitet. Nachdemdie Mischung 24 h der Umgebungsluftausgesetzt war und es zu einer Austrocknunggekommen ist, wurde erneut aufbereitet.Bei dieser Aufbereitung verwendeteman mit Natriumchlorid versetztesWasser. Die Wasserzugabe für den zweitenZyklus betrug 80 ml mit 1600 mg NaCl,bezogen auf 6 kg Formstoff (420 g Bentonit).Somit entsprach die Chloridzugabe965 mg auf 420 g Bentonit oder umgerechnet2300 mg/kg Bentonit. Diese Zugabevon Natriumchlorid entspricht ungefähreiner möglichen Versalzung durchKühl- und Befeuchtungswasser in einemKreislauf-System.Ein Bentonit-Lieferant hat die MöglichkeitBentonite zu empfehlen, die wenigeranfällig für den Abfall der Nasszugfestigkeitensind. Ob ein Bentonit, oderbesser gesagt, sein HauptbestandteilMontmorillonit, heftig auf die Anwesenheitvon Elektrolyten reagiert, wird mitlabortechnischen Sandaufbereitungen geprüft.Auch eine starke Reaktion auf Über-Bild 5: Faktoren, die einen Einfluss auf die Nasszugfestigkeit in einem Betriebsformsandausüben.Bild 6: Bentonite reagieren unterschiedlich auf Versalzung, jenseits einer bestimmtenSchwelle fällt scheinbar die Nasszugfestigkeit drastisch ab.GIESSEREI 92 03/2005 65

JAHRESÜBERSICHTaktivierung mit Soda deutet auf einen geringenWiderstand gegen Versalzung hin.Die Ergebnisse in Bild 6 zeigen großeUnterschiede in der Nasszugfestigkeitnach Zugabe von Elektrolyten. Scheinbarwird eine bestimmte Schwelle überschritten,jenseits davon fällt die Nasszugfestigkeitstark ab (Niveau von 0,30bis 0,36 auf 0,17 N/cm 2 ).Schülpen, SchülpentestSchalenbildung in der feuchten Gießformtritt als Folge hoher Druckspannungen undzu geringer Nasszugfestigkeiten entlang einerfestigkeitsschwachen Schicht in derKondensationszone auf. Die Fehler, die ander Gussoberfläche entstehen, nennt manSchülpen. Weitere mögliche Fehlerbildungenwerden in der Fachsprache als Riefen,Blattrippen, Hohlkehlen, Rattenschwänzeund Formbruch bezeichnet.Eine qualitative Erfassung und ein Vergleichder Fehlerneigung von Formstoffenmit verschiedenen Bentoniten kann mitHilfe von Schülpentests erfolgen. DieDurchführung dieses Tests wurde mehrfachin der Literatur ausführlich erläutertund bedarf keiner weiteren Erklärung. EinigeErgebnisse von Schülpentests sind inBild 7 und die Tabelle 2 zu sehen.Die gemessenen Werte zeigen eine hervorragendeÜbereinstimmung mit dem bekanntestenSchülpendiagramm [12] –Bild 8 – und „bestätigen“ bzw. begrenzendie Anwendung einzelner Bentonite in Bezugauf:> steigenden Wassergehalt; steigendeVerdichtung,> steigenden Bindergehalt,> Aktivierung,> steigende Olithisierung,> Desaktivierung.Mit der Schülpzeit wird die höchstzulässigeGießzeit angegeben, in der die Formgefüllt sein muss, bevor es zur Schülpenbildungkommt. Sie sollte unter Umständen(„schülpenschwache“ Bentonite) auchin die Berechnung des Gieß- und Speisesystemshineinfließen.Durch Formstoffzusätze, zulaufendeKernaltsande, Betriebswasser und wiederholtenSandumlauf wird die Lage des Betriebspunkteseines Nassgusssandes verändert.Auch hier soll dem Gießer ermöglichtwerden, Änderungen mit hoherGenauigkeit abzuschätzen und bei derKreislaufberechnung zu berücksichtigen.Eine Verkürzung der Schülpenzeit findetdemzufolge aufgrund der Des- oder Überaktivierungdes Bentonites statt und ist vonder thermischen Beständigkeit, dem Versalzungswiderstandund dem Umlaufzustandeines Formstoffes abhängig (Bild 8b).Die goldene Regel lautet: „Eine hoheNasszugfestigkeit und eine daraus folgendegeringe Fehlerneigung lassen sichnur durch gute, vollaktivierte Bentoniteerreichen und einhalten“.Bild 7: Schematische Darstellung des Schülpentests: a) Prinzip der Schülpenproben,b) geringe und c) mittlere bis starke FehlerneigungTabelle 2: Schülpenbildungszeit verschiedener aktivierter Bentonite(frische Labormischungen).Bentonit B G H ISchülpenbildungszeit 21 40 22 23Kennzeichnend für vollaktivierte Bentoniteist der nach geringem Sodazusatz unveränderteoder nur schwach verminderteNasszugfestigkeitswert, der erst bei weiteremZusatz von Soda stark abfällt. DieNasszugfestigkeitwerte überaktivierterSande sinken dagegen sofort nach demZusatz kleinerer Sodamengen.Unteraktivierte Ca-Bentonite bzw. unbehandelte(natürliche) Mischbentonitezeigen immer geringere Werte. In der Literaturwird oftmals darauf hingewiesen,dass sich beim Einsatz solcher Bentoniteein gewünschtes Niveau der Nasszugfestigkeitnur durch eine direkte Sodazugabein das Kreislaufsystem einstellen lässt.Diese Arbeitsweise wird sogar als wirtschaftlichempfohlen, da dabei auf denAktivierungsvorgang beim Lieferantenverzichtet werden kann (Beispiel: Mischbentonite).Das Soda muss dabei in einemKollergang intensiv in den Formsand eingeknetetwerden, damit es mit allen Tonteilchenin direkte Berührung kommt.Nach unseren Erfahrungen ist ein solchesVerfahren sowohl weniger wirtschaftlich(Beschaffung von Soda, Dosierenetc.), als auch mit einem hohen Risikoverbunden. Moderne Sandaufbereitungssystemearbeiten zwar immer schneller,können jedoch im besten Fall gerade dennotwendigen Aufbereitungsgrad des Form-66GIESSEREI 92 03/2005

abBild 8: a) Schülpendiagramm; b) Einfluss auf die Schülpenneigungstoffes erreichen und sind von den Taktzeitender Formanlage stark abhängig. DieMischzeiten sind für eine gleichmäßige Sodaaufnahmeund Aktivierung nicht ausreichendund somit liegt die Soda frei imKreislaufsystem vor, was unter Umständenzu schlechteren Werten bei der Bestimmungder Nasszugfestigkeit führt.ZusammenfassungEs wurde erläutert, dass die Zusammensetzungeines bentonitgebundenen Formstoffesin einem Kreislaufsystem, bezogenauf einen großen Zeitraum, eine genaueWiedergabe der einströmenden Stoffe ist,wenn diese im System nicht geändert werden.Basierend darauf ist es möglich, Berechnungendurchzuführen und die Folgenvon Änderungen bei der Zugabe vonRohstoffen oder Wasser ins Kreislaufsystemabzuschätzen.Anhand von Beispielen wurde gezeigt,dass der Formstoff mit Elektrolyten ausdem Kühl- und Befeuchtungswasserschwer belastet wird und dass verschiedeneBentonit-Typen unterschiedlich hinsichtlichder Festigkeiten im Bereich derKondensationszone (Nasszugfestigkeit) reagieren.Abschließend wurde die Beziehungzwischen der Nasszugfestigkeit und demEntstehen von „Schülpen“ besprochen.Dipl.-Ing. Cornelis Grefhorst, Dr. Oleg Podobed,Dipl.-Geologin Sandra Böhnke, MarlLiteratur:[1] VDG-Merkblatt R 95 „Formstoffkreislauf“(1989).[2] Giesserei 71 (1984) Nr. 8, S. 319-325.[3] Giesserei 71 (1984) Nr. 9, S. 358-361.[4] Gietwerk Perspectief Jrg. 9 (1989)Nr. 1, S. 8-11.[5] Trans. Amer. Foundrym. Soc. 82 (1974),S. 593-598.[6] Giesserei-Praxis (2003) Nr. 2, S. 61-69[7] Giesserei-Praxis (2000) Nr. 6,S. 241-244.[8] Giesserei 86 (1999) Nr. 6, S. 145-149.[9] Boenisch, D.: TIZ-Zbl. 86 (1962) H. 10,S. 237-250.[10] Giesserei Tech.-Wiss. Beihefte 13(1961) Nr. 3, S. 157-193.[11] Baier, J. & Köppen, M.: Handbuch derGussfehler, IKO-Erbslöh (1994).[12] Giesserei 45 (1958) Nr. 19, S. 565-567.[13] VDG-Merkblatt P 69 „Bindemittelprüfung- Prüfung von Bindetonen“ (1999).[14] Giesserei 51 (1964) Nr. 21, S. 634-641.GIESSEREI 92 03/2005 67