DE602004006111T2 - Verfahren zur verwendung von giessereiabfall in einem giessereierzeugnis - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Verwendung von thermisch zersetztem Chromitsand, welcher ein Nebenprodukt beim Gießereibetrieb und entbehrlicher Abfall ist, welcher im Allgemeinen als Müll entsorgt wird, zum Formen eines verschleißfesten Teilstücks von aus Stahl hergestellten Verschleißteilen.
• Hintergrund der Erfindung
• Verschiedene Gießereierzeugnisse, von denen beabsichtigt ist, dass diese intensivem Verschleiß widerstehen, werden häufig durch Gießen in eine harzgebundene Formsandform hergestellt.
• Der Formsand kann beispielsweise ein aus natürlichen Quellen erhaltener Sand sein, wie beispielsweise Quarz-, Chromit-, Olivin- oder Zirkoniumoxidsand, oder kann Sand sein, welcher daraus durch Zerkleinern und Aussieben zu einer korrekten Korngröße hergestellt worden ist. Der in einem Gießereiprozess eingesetzte Formsand weist typischerweise eine Korngröße in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,4 mm auf.
• Das Sandbindemittel ist im Allgemeinen aus der Gruppe der durch eine Polymerisationsreaktion härtbaren Harzen ausgewählt; oder es kann alternativ dazu ein anorganisches Bindemittel, wie beispielsweise Wasserglas, gewählt werden.
• Gießen in sogenannte Grünsandformen wird ebenfalls eingesetzt. Hier sind die Bindemittel unterschiedlich, wobei das Bindemittel herkömmlicherweise ein natürliches Tonmaterial, wie beispielsweise Bentonit, ist.
• Chromitsand ist eine typische Sandsorte in Harz verbundenen Gießsandformen in Eisen- und Stahlgießereien. Dieser Sand weist bei hohen Temperaturen eine gute Beständigkeit auf. Ein Nachteil von Chromitsand ist allerdings dessen hoher Preis verglichen mit gewissen anderen Sandsorten. Daher verwenden viele Gießereien in deren Gießformen zwei unterschiedliche Sandsorten. Insbesondere werden beispielsweise Hotspots, welche nahe der Oberfläche des Gießobjektes auftreten, unter Verwendung von Chromitsand geformt, wohingegen der Rest des Formsandvolumens der Form, der in einer größeren Entfernung von dem Heißgießen platziert ist und folglich näher an der Formkastenrahmenwand platziert ist, mit Quarzsand, welcher als Unterstützungssand dient, gefüllt wird.
• Natürlicher Chromit, welcher in Chromitsand auftritt, ist Oxide von Chrom und Eisen enthaltendes Mineral, wobei diese Komponenten in einem gewissen Gewichtsprozentverhältnis, beispielsweise 50 bis 80 % Chromoxid und 20 bis 50 % Eisenoxid, vorliegen. Hinsichtlich seiner kristallinen Struktur und seiner mineralogischen Art weist Chromit eine Spinelzusammensetzung, nämlich AB₂X₄, auf. Die Hauptkomponente des Chromitsandes ist Ferrochromit FeCr₂O₄, aber in der Natur können ebenfalls geringe Mengen anderer Oxide, wie beispielsweise Oxide von Magnesium und Aluminium, plus solchen Materialien, wie beispielsweise MgCr₂O₄, FeAl₂O₄ und MgAl₂O₄, vorliegen.
• Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Spinelstruktur der Chromitoberfläche unter gewissen thermischen Behandlungsbedingungen auflöst, wodurch eine Veränderung des Oxidverhältnisses beobachtet werden kann, so dass die Chromitkornoberfläche eine relativ größere Menge an Eisenoxid Fe₃O₄ als Chromoxid an Cr₂O₃ aufweist. Die Oberflächenzusammensetzung eines unberührten, unverwendeten Chromitsandkornes kann beispielsweise Cr₂O₃ 48 %, Fe₃O₄ 23 %, Al₂O₃ 17 %, SiO₂ 2 %, MgO 10 % sein. Im Unterschied dazu kann die Analyse der Oberfläche von Chromitsand, welcher ausreichend lange unter oxidierenden/reduzierenden Bedingungen, welche denen in einer Gießform entsprechen, thermisch behandelt worden ist, beispielsweise die folgenden Daten ergeben: Cr₂O₃ 3 %, Fe₃O₄ 95 %, Al₂O₃ 1 %, SiO₂ 1 %. Die modifizierte Zusammensetzung der dünnen Oberflächenschicht auf dem Korn, welche hauptsächlich Eisenoxid enthält, verringert die untere Oberflächenspannung des Chromitsandkorns, was folglich das Eindringen des geschmolzenen Metalls in die Zwischenräume zwischen den Körnern des geschmolzenen Sandes erhöht.
• Diese Art der thermischen Zersetzung in einem Chromitkorn findet unbeabsichtigt statt, wenn dieselbe Charge Chromitsand mehrere Male als Formsand wieder verwendet wird, wobei der Sand, welcher am nächsten an dem Gießstahl platziert ist, für mehrere Stunden bis zu einer Temperatur von über 1.000°C erhitzt wird. In einem Gießverfahren ist dies ein insofern unerwünschter Effekt, weil es nicht erwünscht ist, dass in einem Guss ein Verbund aus Sand und Stahl auftritt. Folglich verändert sich Chromitsand eventuell zu nutzlosem Abfall, welcher im Allgemeinen weggeworfen wird. Als ein Ergebnis hiervon bedeutet Abfall signifikante Kosten für Gießereien. In weniger gut ausgestatteten Gießereien kann die Menge an Chromitsandabfall, abhängig von der Art der eingesetzten Gießsande, Formverfahren und Bindemittel, nahezu gleich oder sogar größer als das tatsächliche Volumen des Gießens sein.
• Um allerdings die Haldenkosten und Förderkosten zu verringern, ist Gießsand traditionell vor dessen Wiederverwendung regeneriert worden. In Verbindung mit einer Mischung aus Quarz und Chromitsand bedeutet Regeneration beispielsweise, dass Quarzsand und Chromitsand voneinander getrennt werden, unverwertbare Korngrößenfraktionen von den verwertbaren Fraktionen abgetrennt werden und thermisch zersetzter Chromitsand aus der nicht degenerierten Fraktion von Chromitsand abgetrennt wird. Recyclefähige Sandsorten und Korngrößenfraktionen werden in den Gießprozess zur Wiederverwendung beim Packen der Formen zurückgeführt.
• Für eine Sandregeneration ist eine Vielzahl von Geräten kommerziell erhältlich. Unter Verwendung einer herkömmlichen Art von kommerziellem Chromitsandsieb gefolgt von geeignetem Sortiermaschinen, wie beispielsweise Wirbelschicht-Sortiermaschinen, wird die verbrauchte Mischung aus Quarz/Chromit-Sand typischerweise in vier Fraktionen unterteilt:
• 1) Staub und andere Feinstoffe,
• 2) hauptsächlich Quarzsand enthaltender wieder verwertbarer Sand,
• 3) Chromitsand, welcher eine Veränderung durchgemacht hat, d.h. welcher unter Aussetzung gegenüber hoher Temperatur zersetzt worden ist, sowie
• 4) nicht zersetzter Chromitsand.
• Von diesen sind die Fraktionen 2 und 4, d.h. Quarzsand und so genannter regenerierter Chromitsand, für die Wiederverwendung geeignet. Die Fraktionen 1 und 3 werden zur Zeit im Allgemeinen als Müll entsorgt.
• Unter Verwendung des vorbeschriebenen Sandregenerationssystems können Gießereien die Menge an Abfallsand, welcher in der Gießerei hergestellt wird, drastisch verringern. Durch Kombinieren der besten erhältlichen Formverfahren und Bindemittel für die Chromitsandregeneration können bis zu 90 % des Formsandes wiederverwertet werden, wohingegen lediglich ungefähr 10 % des Gießsandes als Müll entsorgt werden müssen.
• Folglich ist das einzig verbleibende Problem, welches zu lösen ist, was mit den verbleibenden 10 % Rest des zersetzten Chromitsandes anzufangen ist.
• Eine vorteilhafte Verwendung von Chromitsand zum Formen eines Verbundmaterials während des Gießens ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die Patentveröffentlichung US 3,239,319 beschreibt ein Verfahren zum Gießen von Bremsklötzen mit einer auf einer Gusseisenmatrix basierenden Verbundstruktur. In einem in der zitierten Druckschrift beschriebenen Beispiel wird auch vorerhitzter Chromitsand erwähnt. Gemäß der Beschreibung der Erfindung wird das Erhitzen angewendet, um eine übermäßig schnelle Verfestigung des Gusseisens zu vermeiden. Wie in dem Stand der Technik bekannt ist, fördert das Erhitzen der Bestandteile auch das Eindringen des Matrixmaterials in die Zwischenräume zwischen den unlöslichen Partikeln. Allerdings kann der Sandvorerhitzungsschritt, welcher in dieser Veröffentlichung beschrieben wird, diese Art der Veränderung in der Chromitsandmikrostruktur, wie in diesem Text zuvor beschrieben worden ist, nicht erreichen, weil die Diffusionsveränderung der Sandkornkristallstruktur mehrere Stunden dauert. Solch eine Veränderung der Partikelmikrostruktur ist für ein gutes Eindringen von geschmolzenem Stahl in die Zwischenräume zwischen den Chromitsandpartikeln zwingend, was aus dem niedrigeren Benetzungswinkel zwischen Chromitsandpartikeln und geschmolzenem Stahl resultiert.
• Ein weiterer Nachteil der in der zitierten Patentveröffentlichung US 3,239,319 offenbarten Erfindung ist es, dass das Verfahren gemäß der Veröffentlichung lediglich Gussgegenstände erzeugt, in welchen die Verstärkungspartikel über alle Seiten des fertigen Gussteiles einheitlich verteilt sind. Diese Beschränkung kompliziert oder schließt möglicherweise sogar eine spätere Verarbeitbarkeit des Gussteiles aus.
• In dem Verbundmaterial der zitierten Patentveröffentlichung US 3,239,319 als das Matrixmetall eingesetztes Gusseisen kann nicht als ein Rohmaterial für Gussteile eingesetzt werden, welche einem Verschleiß hohen Ausmaßes unterworfen werden.
• Für nunmehr nahezu ein Jahrhundert sing verschleißende Gussteile, von denen beabsichtigt ist, dass diese intensiver stoßartiger Erosion beispielsweise in Backenbrechern, Kreiselbrechern, Kegelbrechern, Prallbrechern und Hammerbrechern sowie Shreddern widerstehen, hauptsächlich aus austenitischem Mangangussstahl hergestellt worden, der unter Belastungen eine beträchtliche Bearbeitungsverstärkung unterläuft. Im Allgemeinen ist die Zusammensetzung dieser Art von Manganstahl C 0,9–1,5 %, Mn 6–25 %, Cr 0–3 %, Mo 0–1 % plus geringe Mengen an anderen Legierungselementen, wie beispielsweise Si und Al, möglicherweise auch Ti, Zr und gewisse andere Elemente. Andere Materialien, welche in den vorgenannten Brechertypen, insbesondere in Prallbrechern, zum Herstellen ihrer verschleißenden Gussteile eingesetzt werden, sind so genanntes weißes Gusseisen (C 2–3,5 %, Cr 10–30 %, Mo < 3 %, Ni < 2,5 %) sowie martensitischer getemperter Stahl (C 0,4–0,6 %, Cr 0,7–3,5 %, Ni < 2,0 %, Mo < 0,5 %).
• Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung macht es hier möglich, im Allgemeinen wenigstens 50 %, vielleicht sogar 100 %, der bei der Chromitsandregeneration abgetrennten restlichen Chromitsandfraktion, welche herkömmlicherweise als zum Recyceln ungeeignet betrachtet wird, vorteilhaft zu recyceln.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Nunmehr wird nachfolgend ein Verfahren im Detail beschrieben, von dem festgestellt worden ist, dass dieses zum Verringern der Menge von in einer Gießerei hergestelltem Formsandabfall geeignet ist und folglich zum Verringern seiner Abfallentfernungskosten als ein Nebenprodukt des Verfahrens zum Herstellen eines verschleißbeständigen Gussteils und zum Verwenden solch eines Gussteils. Ein charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von thermisch zersetztem Chromitsandabfall in Verbindung mit Manganstahl in solch einer Weise, dass in einem Manganstahlgussteil lokalisierte verstärkte Verbundmaterialbereiche ausgebildet werden.
• Insbesondere ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet durch das, was in dem kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 dargelegt ist.
• Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Wenn die zuvor beschriebene Art von Chromitsand, welcher eine Veränderung in seiner Kristallstruktur und seinen Eigenschaften durchlaufen hat, entweder alleine oder vermischt mit regeneriertem Chromitsand eingesetzt wird, wird eine Sandsorte erhalten, welche von der typischen, ein Eindringen von geschmolzenem Stahl in den Gießsand verhindernden bekannten Eigenschaft von Chromitsand frei ist. Als ein Ergebnis hiervon kann diese neue Sandart mit einem Harzbindemittel vermischt eingesetzt werden, um solch einen porösen Kern herzustellen, welcher in einer gewünschten Weise während des Gießens veranlasst werden kann, vollständig mit geschmolzenem Stahl imprägniert zu werden. Als ein Ergebnis hiervon wird eine aus in harter Stahlmatrix eingebetteten Chromeisenoxidkörnern gebildete Verbundstruktur erhalten. Dieses Ergebnis ist in mit geschmolzenem Manganstahl durchgeführten praktischen Tests verifiziert worden.
• Das Verhältnis von Stahl zu Chromeisenoxid in einer so erhaltenen Verbundstruktur kann beispielsweise 50/50 oder 30/70 betragen. Das optimale Zusammensetzungsverhältnis kann im Hinblick auf die beabsichtigte Verwendung des Verbundmaterials eingestellt werden, wodurch ein hoher Stahlgehalt die Härte des Matrixmaterials in der Verbundstruktur betont und umgekehrt ein hoher Gehalt an Chromitsand die Härte der Verbundstruktur erhöht.
• Ein für die Bildung des Verbundmaterials benötigter poröser Gießkern wird aus Chromitsand und einem Bindemittel unter Einsatz derselben Formtechnik, wie diese bei der Herstellung eines festen Kernes aus Formsand eingesetzt wird, hergestellt. Zuerst werden Chromitsand und Bindemittel miteinander vermischt und in einen Formkasten geeigneter Größe und Form gepackt, wobei diesen erlaubt wird, zu härten, um einen Gießkern zu bilden. Allerdings wird die Oberfläche des geformten Gießkernes auf jeden Fall nicht festgestampft, um den geschmolzenen Stahl während des Gießens ein maximal leichtes Eindringen in die Poren des Gießkernes aus Chromitsand zu ermöglichen.
• In zu gießenden Produkten wird der gewünschte Verbundanteil in dem Material des verschleißenden Gussteils durch Platzieren eines Gießkernes aus bindemittelgehärtetem Ferrochromitoxidsands in der Gießform gebildet. Nachdem der geschmolzene Manganstahl in die Form gegossen worden ist, werden die Zwischenräume zwischen den Oxidsandkörnern des porösen Gießkernes mit dem geschmolzenen Stahl gefüllt, wodurch in dem Gussprodukt ein Teil der Verbundstruktur enthaltend eine Stahlmatrix, in der die Ferrochromitkörner eingebettet sind, erzeugt wird.
• Die Menge des Verbundmaterialteils in einem Gussprodukt kann ziemlich gering sein. Hier bezieht sich der Verbundmaterialanteil in einem Gussprodukt auf einen solchen spezifischen Teil des Gesamtvolumens eines fertigen Gussstückes, bei dem ein Verbundstoff aus Stahl und Chromitsand vorliegt. In einer großen Anzahl von mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Gussprodukten kann der benötigte Anteil des Verbundmaterials sehr klein sein. Beispielsweise können die Dimensionen des zum Bilden des Verbundmaterialanteils benötigten Gießkernes so klein wie 25 × 25 × 100 mm sein.
• In der Gussform des Verschleißteils ist der Gießkern an den Oberflächen des zu gießenden Verschleißteils lokalisiert, welche während des Verwendens des Teiles der größten Erosion unterworfen sind. Ein Gießkern kann direkt gegen die innere Oberfläche des Formhohlraums platziert werden, wodurch der Gießkern unmittelbar auf der Oberfläche des Verschleißteiles untergebracht wird, oder alternativ dazu kann der Gießkern mit Hilfe beispielsweise einer Kernstütze oder von Distanzblechen in einer geringen Entfernung von der Formoberfläche nach innen verlegt sein. Anstelle von einem herkömmlichen Kernfixierungsverfahren können hier alternativ andere Mittel, beispielsweise eine Schraube, ein Nagel oder ein Klebstoff, eingesetzt werden.
• Ferner kann der regenerierte Chromitsand so unterteilt werden, dass lediglich ausgewählte Fraktionen hiervon für die Wiederverwendung in dem Gießkern genommen werden. Feinstoffe können aus dem recycelten Chromitsand beispielsweise mit Hilfe einer Wirbelschichtsortiermaschine oder mit einem Sieb entfernt werden. Die Entfernung der feinsten Fraktion aus dem Chromitsand macht es möglich, einen poröseren Gießkern herzustellen, wodurch das Verhältnis Sand zu Stahl in dem Verbundmaterialteil des Gussteils zu einem höheren Stahlanteil eingestellt werden kann.
• Die aus dem Chromitformsand und dem Manganstahl auf den Flächen des Verschleißteils, welche dem höchsten erosiven Verschleiß ausgesetzt sind, gebildete Verbundstuktrur kann die Widerstandsfähigkeit dieser Flächen gegenüber abrasiver und kratzender Erosion so weit erhöhen, dass die Härte des Chromeisenoxids in einem Bereich zwischen 1.000 und 1.400 HV liegt. Abhängig von dem Grad der Bearbeitungshärte weist der entsprechende Manganstahl lediglich eine Härte zwischen 250 und 600 HV auf.
• Beständigkeitstests haben eine Verbesserung von 50 % bis 200 % der Lebensdauer eines Verschleißteils gezeigt, wenn in einer unter standardisierten Bedingungen betriebenen Testbrecheranlage die Lebensdauer von aus Manganstahl allein hergestellten Verschleißteilen mit der Lebensdauer, welche durch ein Verschleißteil aus einem Manganstahl, welches lokal von einer Verbundstruktur aus Chromitsand imprägniert mit Manganstahl verstärkt ist, geboten wird, verglichen worden ist.
• Bei der Herstellung des Gießkernes sind wenigstens 20 %, optimalerweise mehr als 50 %, des Chromitsandes, welcher hier eingesetzt wird, thermisch zersetzter Chromitsand, wenn dieser als Formsand recycelt worden ist.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Wiederverwendung von als Gießereiabfall erhältlichem, zersetztem Chromitsand allein beschränkt, während dieses Material eine kostengünstige Quelle für zersetzten Chromitsand ist. Eine thermische Zersetzung von spinelstrukturiertem Chromitsand kann nämlich auch künstlich durch Halten für eine längere Zeitspanne unter einer kontrollierten Atmosphäre und bei erhöhter Temperatur erreicht werden.
• Während die vorliegende Erfindung nicht auf die auf Manganstahl bezogenen Anwendungen alleine beschränkt ist, ist der in der vorliegenden Erfindung genutzte Effekt, soweit zur Zeit bekannt ist, in Verbindung mit dieser Stahlsorte optimal anwendbar. Nichtsdestotrotz kann der Effekt bis zu einem gewissen Grad das Eindringen der Schmelze in den Gießkern aus Chromitsand auch für andere Stahlsorten erhöhen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verwendung von Gießereiabfall in einem Gießereierzeugnis, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: – Abtrennen von thermisch zersetztem Chromitsand aus Formsand, welcher beim Formen wieder verwertet wird, – Formen wenigstens eines Gießkernes aus dem Chromitsand und Platzieren des Gießkerns/der Geißkerne an eine gewünschte Stelle innerhalb des Hohlraumes der Gießform, welche für das zu gießende Produkt hergestellt worden ist, sowie – nachfolgend Auffüllen der Gießform mit geschmolzenem Stahl in einer Weise, welche es ermöglicht, dass der geschmolzene Stahl in die Zwischenräume zwischen den Chromitsandkörnern des Gießkerns eindringt, wodurch ein Produktabschnitt aus einem Verbundmaterial gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkern aus dem thermisch zersetztem Chromitsand sowie einem Bindemittel geformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen des Gießkerns unter Einsatz von Chromitsandfraktionen einer gewünschten, aus dem thermisch zersetztem Chromitsand sortierten Korngröße durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Herstellung des Gießkerns eingesetzte Bindemittel ein Harz ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der geschmolzene Stahl Manganstahl ist.