DE102011075631A1

DE102011075631A1 - Verfahren zur Prüfung der Qualität von Regeneratsand

Info

Publication number: DE102011075631A1
Application number: DE102011075631A
Authority: DE
Inventors: Heinz Eichstetter; Harald Schwickal
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: DE102011075631B4

Abstract

Zur Prüfung der Qualität des Regeneratsandes, der durch Regenerierung des Sandes von in einer Metallgießerei eingesetzten Sandkernen oder Sandformen gewonnen wird, die mit Wasserglas als Bindemittel hergestellt werden, wird der lösliche Anteil des Wasserglasbindemittels in dem Regeneratsand unter den Bedingungen der Sandkernherstellung ermittelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prüfung der Qualität des Regeneratsandes, der durch Regenerierung des Sandes von in einer Metallgießerei eingesetzten Sandformen und -kernen gewonnen wird, welche mit Wasserglas als Bindemittel hergestellt werden.
In der Metallgießerei werden beispielsweise zur Bildung von Hohlräumen mit einem Wasserglas-Bindemittel verfestigte Sandkerne verwendet. Dabei werden beispielsweise zur Serienherstellung von Automobilteilen für die Sandkernfertigung große Mengen an Sand benötigt. Statt Neusand wird insbesondere aus Kosten- und Umweltschutzgründen aber auch aus Gründen der Reproduzierbarkeit Regeneratsand zur Sandkernherstellung verwendet, d. h. ein aus den Sandkernen gewonnener Sand, von dem das Bindemittel, also das Wasserglas entfernt worden ist.
Die Regenerierung kann z. B. mechanisch und thermisch durchgeführt werden. Mechanisch beispielsweise durch pneumatisches Reiben des Sandes, wobei des Bindemittel durch die Reibung der Sandkörner aneinander entfernt wird und thermisch z. B. mit einer Flamme um Wasserglasreste an den Sandkernen so zu deaktivieren, dass ihre Bindemitteleigenschaft verloren geht.
Der Regeneratsand wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt und dadurch mehrmals für die Sandkernfertigung eingesetzt.
Ein im Regeneratsand unter Umständen vorhandener Bindemittelrest wirkt sich auf die Sandkern- bzw. Sandformherstellung aus. So können sich dadurch die Verarbeitungseigenschaften des Formstoffs, also des Gemischs aus Sand und Wasserglas-Bindemittel, ändern, beispielsweise die Fließfähigkeit des Formstoffs und die Aushärtegeschwindigkeit. Zudem kann die Festigkeit des Sandkerns bzw. der Sandform durch Bindemittelreste in dem Regeneratsand beeinträchtigt werden.
Um die Qualität des Regeneratsandes zu bewerten, ist versucht worden, den Gehalt des Wasserglases des Regeneratsandes zu ermitteln. Dazu sind die Wasserglasreste von dem Regeneratsand nasschemisch gelöst und mittels Titration mit einer Säure bestimmt worden. Die Ergebnisse weisen jedoch eine schlechte Reproduzierbarkeit auf, sodass dieses Verfahren keine zuverlässige Qualitätsbewertung des Regeneratsandes erlaubt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein zuverlässiges Verfahren zur Bewertung der Qualität von Regeneratsand bereitzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben.
Nach der Regeneration des Sandes, der aus mit Wasserglas verfestigten Sandkernen oder Sandformen gewonnen wird, können im Formgrundstoff, also dem Regeneratsand, noch Reste des Bindemittels verbleiben.
Untersuchungen haben ergeben, dass der Restbinder Anteil aus einem aktiven Anteil besteht, der sich unter den Bedingungen der Sandkern- oder Sandformherstellung löst und einem inaktiven Bestandteil, der unter den Bedingungen der Sandkern- oder Sandformherstellung nicht in Lösung geht.
Während der nicht lösliche Bestandteil im Wesentlichen aus Siliziumoxid (SiO₂) gegebenenfalls mit einem geringen Na₂-O-Anteil bestehen dürfte und sich auf die Verarbeitung des Regeneratsandes bei der Sandkern- oder Sandformherstellung praktisch nicht auswirkt, kann der aktive, lösliche Anteil des Wasserglasbindemittels einen erheblichen Einfluss auf die Verarbeitungseigenschaft des Formstoffs aufweisen.
Erfindungsgemäß wird daher der lösliche Anteil des Wasserglas-Bindemittels in dem Regeneratsand unter den Bedingungen der Sandkern- oder Sandformherstellung ermittelt.
Das heißt, eine Probe des Regeneratsandes wird im gleichen Verhältnis mit Wasserglas gemischt, wie bei der Herstellung des Sandkerns oder der Sandform und es wird das gleiche Wasserglas wie bei der Sandkern- oder Sandformherstellung verwendet. Erfindungsgemäß werden also die Produktionsbedingungen der Sandkern- bzw. Sandformherstellung simuliert.
Dazu wird vorzugsweise das Gemisch aus der Regeneratsandprobe und dem Wasserglas-Bindemittel z. B. bei Raumtemperatur für beispielsweise mindestens zehn Minuten, vorzugsweise genauso lange wie unter Produktionsbedingungen stehen gelassen, um den Regeneratsand zu binden.
Anschließend kann das Gemisch mit Wasser eluiert werden. Dazu kann das Gemisch mit Wasser überschichtet und z. B. mit einem Rüttler, beispielsweise mindestens eine halbe Stunde bewegt werden.
Das Eluat kann anschließend von dem Sand getrennt werden, beispielsweise durch Dekantieren oder Filtration.
Zur Bestimmung des Anteils des löslichen Wasserglasbindemittels in dem Regeneratsand wird der Gesamtgehalt des Wasserglases in dem Eluat bestimmt und von dem Gesamtgehalt die Menge des Wasserglases abgezogen, mit der der Regeneratsand versetzt worden ist, um die Bedingungen der Sandkernherstellung zu simulieren.
Da ein geringer Anteil des löslichen Wasserglases bei dem erfindungsgemäßen Verfahren z. B. durch Absorption an dem Sand nicht eluiert und damit nicht erfasst wird, wird vorzugsweise ein Probenblindwert ermittelt. Dazu wird das vorstehend beschriebene Verfahren zur Ermittlung des löslichen Anteils des Wasserglases wiederholt, jedoch anstelle mit einer Probe des Regeneratsandes mit einer Probe aus Neusand durchgeführt.
Das heißt, eine Neusand-Probe wird im gleichen Verhältnis und mit dem gleichen Wasserglas wie die Regeneratsandprobe vermischt, vorzugsweise bei gleicher Temperatur und gleich lange wie die mit dem Wasserglas gemischte Regeneratsandprobe stehen gelassen und anschließend mit Wasser eluiert, vorzugsweise mit der gleichen Menge Wasser überschichtet und gleich lange mit dem gleichen Rüttler bewegt, wie die Regeneratsandprobe und dann das Eluat in gleicher Weise von dem Neusand getrennt. Damit wird ein Blindwert erhalten, der bei der Ermittlung des löslichen Anteiles des Wasserglas-Bindemittels des Regeneratsandes zu berücksichtigen ist. Dieser Blindwert ist nur einmal zu ermitteln, solange das Bindemittel und/oder der Neusand nicht geändert wird.
Die Bestimmung des Gesamtgehaltes des Wasserglases in dem Eluat, also des löslichen Wasserglas-Bindemittels in der Regeneratsandprobe und des Wasserglases, mit dem die Regeneratsandprobe bzw. Neusandprobe versetzt worden ist, kann durch Titration, induktiv gekoppelte Plasmaspektroskopie, Messung mit ionenselektiven Elektroden und/oder durch Atomabsorptionsspektroskopie erfolgen.
Bei der Bestimmung des Wasserglasgehaltes in dem Eluat durch Titration kann der Natriumgehalt durch Titration gegen eine Säure, beispielsweise Salzsäure, nach der Reaktionsgleichung (1) bestimmt und als Na₂O-Gehalt angegeben werden NaOH + HCl → NaCl + H₂O (1).
Zur Bestimmung des Kieselsäure- oder SiO₂-Gehalts wird das nach der Reaktionsgleichung (1) neutralisierte Filtrat verwendet und mit einer Säure, beispielsweise Salzsäure versetzt. Danach wird eine Kaliumfluoridlösung mit pH 7,0 unter Rühren hinzugegeben und anschließend die Titration nach der Reaktionsgleichung (2) durchgeführt SiO₂ + 6KF → K₂SiF₆ + 2K₂O (2).
In einem zweiten Titrationsschritt z. B. mit Natronlauge wird die nicht umgesetzte Säure bzw. Salzsäure zurücktitriert. Alternativ kann dazu ein automatischer Titrierapparat eingesetzt werden.
Bei der induktiv gekoppelten Plasmaspektroskopie kann eine Probe des Eluats direkt in die Plasmaflamme des ionisierten Argongases des Spektrometers gesprüht werden.
Dabei können die Anteile aller Elemente des Wasserglasbindemittels ermittelt werden, also auch beispielsweise Kalium, Bor, Phosphor und Lithium.
Gleiches gilt für die Atomabsorptionsspektroskopie und die Messung mit ionenselektiven Elektroden, sofern dazu neben den Elektroden für die in Na₂O- und SiO₂-Bestimmung auch Elektroden für die weiteren in dem Wasserglasbindemittel enthaltenen Elemente verwendet werden.
Außer den einzelnen Anteilen des löslichen Wasserglas-Bindemittels in dem Regeneratsand kann auch der Modul des Wasserglases, also das mittlere Verhältnis von SiO₂:Na₂O in dem Eluat ermittelt werden. Durch den Modul wird das eingesetzte Wasserglas-Bindemittel charakterisiert. Modulverschiebung durch das Ablösen der Restbinderanteile im Formstoff können damit beispielweise ermittelt werden.
Wird ein Formstoff, also ein Gemisch aus Formgrundstoff und Wasserglasbindemittel, der mit Regeneratsand hergestellt worden ist, erfindungsgemäß geprüft, können drei Fälle auftreten:

1) Der ermittelte lösliche Anteil an Silizium, Natrium und gegebenenfalls Kalium, Phosphor, Bor und/oder Lithium entspricht dem Messwert der Referenzprobe mit Neusand. In diesem Fall enthält der regenerierte Formgrundstoff, also Regeneratsanz, keinen löslichen Restbindemittelanteil. Die Regenerationsbehandlung entspricht den Vorgaben und der Regeneratsand kann in der Produktion eingesetzt werden.
2) In einem zweiten Fall (Regelfall) kann ein erhöhter löslicher Anteil an Silizium, Natrium und gegebenenfalls Kalium, Bor, Phosphor und/oder Lithium im Vergleich zur Referenzprobe auftreten, der aber einen festgelegten Grenzwert nicht überschreitet. Hier enthält der Regeneratsand eine höhere Menge an löslichem Restbindemittelanteil, der aber noch keinen Einfluss auf die Verarbeitungseigenschaften hat. Die Regenerationsbehandlung entspricht den Vorgaben und der Regeneratsand kann in der Produktion eingesetzt werden.
3) Im dritten Fall übersteigt der gemessene Wert den Grenzwert. Der geprüfte Regeneratsand enthält eine zu hohe Menge an löslichem Restbindemittelanteil. Die Verarbeitungseigenschaften werden so stark verändert, dass dieser Regeneratsand nicht in der Produktion eingesetzt werden kann. Eine fehlerfreie Sandkern- bzw. Sandformfertigung ist nicht möglich. Die Regenerationsbehandlung entspricht nicht den Vorgaben. Es liegt eine Prozessstörung vor, die ermittelt und beseitigt werden muss.

Des erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bewertung der Verarbeitungseigenschaften von Regeneratsand. Der Einsatz dieses Prüfverfahrens ist Voraussetzung für einen kontrollierten Betrieb einer Regenerationsanlage zur Aufbereitung von anorganischem Gießereialtsand.
Wie erwähnt, kann das Wasserglasbindemittel, das für die Sandkern- oder Sandformherstellung verwendet wird, und dessen löslicher Anteil in dem Regeneratsand erfindungsgemäß ermittelt wird, auch Additive enthalten. Als Sand (Neusand) wird wie für die Sandkern- bzw. Sandformfertigung üblich, vorzugsweise Quarzsand verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Prüfung der Qualität von Regeneratsand bestimmt, der für Sandkerne verwendet wird, die bei der Serienherstellung von Automobilteilen, beispielsweise dem Motorblock, durch Formguss aus Leichtmetall, also Aluminium- oder Magnesiumlegierungen eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Prüfung der Qualität des Regeneratsandes, der durch Regenerierung des Sandes von in einer Metallgießerei eingesetzten Sandkernen oder Sandformen gewonnen wird, die mit Wasserglas als Bindemittel hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der lösliche Anteil des Wasserglasbindemittels in dem Regeneratsand unter den Bedingungen der Sandkern- oder Sandformherstellung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des löslichen Anteils des Wasserglasbindemittels in dem Regeneratsand eine Probe des Regeneratsandes im gleichen Verhältnis mit dem gleichen Wasserglas wie unter den Bedingungen der Sandkern- oder Sandformherstellung versetzt wird, das Wasserglas aus dem Gemisch eluiert, der Gesamtgehalt des Wasserglas in dem Eluat bestimmt und der Anteil des Wasserglases, mit dem die Probe versetzt worden ist, von dem Gesamtgehalt des Wasserglases in dem Eluat abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines Probenblindwertes des ermittelten löslichen Anteils des Wasserglasbindemittels in dem Regeneratsand das Verfahren anstelle mit einer Probe des Regeneratsandes mit einer Probe aus Neusand durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtgehalt des Wasserglasbindemittels in dem Eluat der Silizium- und Natriumgehalt und gegebenenfalls der Gehalt weiterer Elemente des Wasserglasbindemittels durch Titration, induktiv gekoppelte Plasmaspektroskopie, Atomabsorptionsspektroskopie und/oder durch Messung mit ionenselektiven Elektroden bestimmt wird.