DE69816612T2

DE69816612T2 - Einrichtung und Verfahren zum kontinuierlichen Regenerieren von Altsand

Info

Publication number: DE69816612T2
Application number: DE69816612T
Authority: DE
Inventors: Bartolomeo Frazione Milanere Tosco
Original assignee: FATA Aluminium SpA
Current assignee: FATA Aluminium SpA
Priority date: 1998-08-11
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: EP0979694A1; BR9903452A; DE69816612D1; US6399032B1; EP0979694B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zum kontinuierlichen Regenerieren von Sand, der zuvor in Gießereien zur Herstellung von Kernen verwendet wurde.
Gemäß Techniken, die im Allgemeinen zur Herstellung von komplizierten Metallkomponenten durch Schmelzen eingesetzt werden, wird die Schmelze in Formen gegossen, die Kerne enthalten, welche die Innenform der Komponenten wiedergeben.
Um ins Detail zu gehen, werden spezielle Harze, beispielsweise vom Phenoltyp, und geeignete Katalysatoren, die deren Aushärtung ermöglichen, mit dem Sand vermischt, um den Kernen Festigkeit zu verleihen.
In den letzten Jahren hat es sich als ökonomisch vorteilhaft erwiesen, den zur Herstellung solcher Kerne verwendeten Sand wiederzuverwenden, nachdem die in ihm enthaltenen Reste von Harzen, Katalysatoren und anderen Verunreinigungen entfernt wurden.
So wurden bereits Anlagen zum Regenerieren von Gießereisand hergestellt, wie beispielsweise in der EP-A – 0 055 230 veranschaulicht. Einige dieser Anlagen laufen ununterbrochen und können eine Verbrennungskammer, in welcher dem Sand ein entflammbares Gas zugeführt wird, um ein Verbrennen der obenstehend erwähnten Verunreinigungen zu ermöglichen, umfassen, sowie eine Kühlkammer, in welcher der aus der Verbrennungskammer kommende Sand auf Umgebungstemperatur oder auf etwas über Umgebungstemperatur abgekühlt wird.
Gemäß einer ersten bekannten Technik sind diese Kammern, in welchen der Sand in einem fluidisierten Zustand gehalten wird, innerhalb getrennter Behälter angeordnet, zurischen denen die Übertragung von Sand mittels Schwerkraft erfolgt, und zurar über geeignete Ventile und ohne Bereitstellung irgendeiner zusätzlichen Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung.
Diese Anordnung hat aufgrund des beträchtlichen Energieverbrauchs (in einer Größenordnung von 50 m³ entflammbares Gas pro Tonne behandelter Sand) den Nachteil hoher Betriebskosten. Zusätzlich bedeutet die Tatsache, dass die Kühlung in einer einzigen Stufe erfolgt, dass sie von langer Dauer ist, um zu ermöglichen, dass der Sand von einer Temperatur von ungefähr 700–800°C, was für die Verbrennungsstufe charakteristisch ist, auf die gewünschte Endtemperatur von ungefähr 30–35°C abgekühlt wird.
Überdies bedeutet die mittels Schwerkraft erfolgende Bewegung von einer Kammer zu anderen, dass die Anlage eine beträchtliche vertikale Masse (in einer Größenordnung von 7–10 m) haben muss, was nicht immer mit dem verfügbaren Platz vereinbar ist.
Gemäß einer weiteren bekannten Technik, welche in der EP-A – 0 089 927 veranschaulicht ist, werden Regenerierungsanlagen des obenstehend angeführten Typs durch Wärmerückgewinnungsvorrichtungen vervollständigt, welche die beträchtliche Hitze der die Verbrennungskammer verlassenden Materialströme zum Vorwärmen der hereinkommenden Materialströme verwenden.
Anlagen des zuletzt erwähnten Typs sind also in Hinblick auf die Energie viel effizienter als die früheren Anlagen, da sie einen Verbrauch von entflammbarem Gas in einer Größenordnung von 30 m³ pro Tonne behandelter Sand bieten, wobei sie allerdings auch viel kostspieliger und in funktioneller Hinsicht komplexer sind. Dies liegt an der Tatsache, dass die Wärmetauschvorrichtungen abgesehen davon, dass sie zusätzliche Komponenten darstellen, welche unter Verwendung wertvoller Materialien, wie z. B. Edelstahlen, hergestellt werden müssen, auch von der Beschaffenheit her empfindlich sind, wobei sie im sehr hohen Maße einer Abnutzung unterliegen und somit eine sorgfältige Wartung erfordern, welche keine unbeträchtlichen Maschinenstillstandszeiten mit sich bringt.
Überdies weisen Anlagen des zuletzt erwähnten Typs auch die Nachteile auf, dass sie eine beträchtliche Masse in vertikaler Richtung und eine geringe Vielseitigkeit besitzen.
Die DE-U – 297 20 478 offenbart eine Anlage zum Regenerieren von Gießereisand mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angeführten Merkmalen.
Um die obenstehend erwähnten Nachteile der bekannten Techniken zu überwinden, bezieht sich die vorliegenden Erfindung auf eine Anlage zum Regenerieren von Gießereisand und auf die damit zusammenhängende Verwendung, wie in den nachfolgenden Ansprüchen präzise definiert.
Die Vorteile und charakteristischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung klar hervor, und zurar unter Zuhilfenahme der angeschlossenen, anhand eines nicht einschränkend gedachten Beispiels dargelegten Zeichnungen, worin:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage ist,
2 eine schematische Darstellung eines Details der Anlage der 1 im vergrößerten Maßstab ist, und
3 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des Details der 2 ist.
Eine Anlage zum kontinuierlichen Regenerieren von Gießereisand umfasst (1) eine Verbrennungskammer 10, die im oberen Ende einer ersten Säule 12 angeordnet ist, sowie eine Kühlkammer 14, die in einer zureiten Säule 16 angeordnet ist, deren Basis durch ein Verbindungsrohr 18 mit der Basis der ersten Säule 12 verbunden ist.
Entsprechende Gebläse 20, 22 sind im Bereich der Basen der Säulen 12, 16 angeordnet und können solcherart Luft durch Zufuhrdüsen 24 blasen, dass der Sand in der Verbrennungskammer 10 und Kühlkammer 14 in einem fluidisierten Zustand gehalten wird. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung des Betriebs klar hervorgeht, bilden die zurei Säulen 12, 16 ein System kommunizierender Gefäße, in denen der fluidisierte Sand, der mit einer Flüssigkeit vergleichbar ist, dazu tendiert, dieselbe Höhe zu erreichen.
Eine Vorrichtung 26 zur Einführung des zu regenerierenden Sandes ist über der ersten Säule 12 angeordnet, während am oberen Ende der zureiten Säule 16 eine Öffnung 28 zum Auswerfen des regenerierten Sandes gebildet ist. Ein Rohr 30 zum Ausstoßen der Verbrennungsgase erstreckt sich vom oberen Ende der Säule 12. Ein Rohr 31 zum Ausstoßen der Fluidisierungsluft aus der Kammer 14 erstreckt sich vom oberen Ende der Säule 16.
Eine durchlöcherte querliegende Ablenkplatte 32 zur Trennung der Verbrennungskammer 10 vom darunterliegenden Abschnitt 34 der Säule 12 ist ebenfalls in der ersten Säule 12 angeordnet.
Die Ablenkplatte 32 weist Löcher mit einem solchen Durchmesser auf, dass eine Durchgangsgeschwindigkeit für Fluidisierungsluft von nicht mehr als 1 m/s erlaubt wird und somit das mittels Schwerkraft erfolgende Herunterfallen des Sandes in Korngrößen, die in Gießereien normalerweise zur Herstellung von Kernen eingesetzt werden, ermöglicht wird.
Ein Gaszufuhrrohr 36 führt durch eine Mehrzahl von Düsen 38, deren Öffnungen mit Einrichtungen zur Verhinderung des Eindringens von Sand in das Innere ausgestattet sind, in die Verbrennungskammer 10.
Diese Einrichtungen können aus Trennwänden 40 aus Keramikmaterial, welche für Gas, aber nicht für Sand durchlässig sind, gebildet sein (2 und 3), oder – in nicht dargestellten Varianten – aus Platten mit Löchern mit einem Durchmesser von vorzugsweise 0,1 bis 0,15 mm.
Wie in 2 dargestellt, weist jede Düse 38 einen U-förmigen Pfad 42 für den Fluss der Gase auf, auf welchem Pfad die Trennwand 40 solcherart angeordet ist, dass sie in zumindest zurei in Serie angeordnete Teile 44, 46 geteilt wird, um eine doppelte Barriere gegen das unerwünschte Eindringen von Sand in ihr Inneres zu bilden.
Eine Struktur dieses Typs bietet somit einen besseren Schutz vor einem solchen Eindringen als die in 3 dargestellte Struktur, welche zurei Trennwände 40 aufweist, die entlang des Pfads 42 der Strömung innerhalb der Düse 38 parallel angeordnet sind.
Die Funktion der soeben beschriebenen Anlage ist wie folgt. Der Sand, der in einer Gießerei verwendet wurde und mit Resten von Harzen, Katalysatoren und verschiedenen Verunreinigungen belastet ist, wird durch die Vorrichtung 26 in das obere Ende der ersten Säule 12 und in die Verbrennungskammer 10 gespeist, welche durch die Düsen 38 auch entflammbares Gas erhält, sowie Luft, die vom Gebläse 20 durch die an der Basis der Säule 12 angeordneten Düsen 24 geblasen wird.
Die thermodynamischen und fluiddynamischen Zustände, die zum Auslösen und Beibehalten von Verbrennungsreaktionen hinsichtlich der mit dem Sand vermischten Verunreinigungen notwendig sind, werden in der Verbrennungskammer 10 geschaffen. Insbesondere ist es möglich, dafür zu sorgen, dass das Einströmen von entflammbarem Gas in die Kammer 10 solcherart automatisch gesteuert wird, dass es nachlässt oder sogar aufhört, wenn die Temperatur dazu tendiert, über den gewünschten Wert von ungefähr 700°C anzusteigen, und im umgekehrten Fall zunimmt.
Die Tatsache, dass die Öffnungen der Düsen 38 mit Trennwänden 40 oder anderen ähnlichen Blockiereinrichtungen versehen sind, verhindert, dass der in der Verbrennungskammer 10 vorherrschende Druck Sandkörner in die Düsen zuringt, sogar wenn die Zufuhr von entflammbarem Gas aufhört.
Ein entscheidender Parameter des Regenerierungsverfahrens ist die Geschwindigkeit der Luftströmung im Inneren der Säule 12, die solcherart sein muss, dass die Sandkörner in einem Zustand der Fluidisierung gehalten werden.
Experimentelle Versuche haben gezeigt, dass Sandkorngrößen von beispielsweise 0,15 bis 0,5 mm eine Luftströmungsgeschwindigkeit von 0,2 bis 1 m/s erfordern, da bei Geschwindigkeiten über 1 m/s das Herunterfallen des Sandes verhindert wird, während die Sandkörnchen bei Werten unter 0,2 m/s nicht fluidisiert werden.
Das Durchgehen von Material (Sand und Luft) zurischen der Verbrennungskammer 10 und dem darunterliegenden Abschnitt 34 der Säule 12 wird durch die in der Ablenkplatte 32 gebildeten Löcher und durch den in der Säule geschaffenen Fluidisierungszustand geregelt.
Die Abmessungen dieser Löcher sind solcherart, dass das Herunterfallen der Sandkörner ermöglicht wird und gleichzeitig eine Geschwindigkeit der nach oben gerichteten Luftströmung im Bereich von 0,2 bis 1 m/s bewirkt wird, wodurch alle im Verlauf des Aufsteigens der Fluidisierungsluft erzeugten Luftblasen zum Platzen gebracht werden, welche ansonsten in unerwünschter Weise in der Verbrennungskammer 10 zerplatzen würden. Eine solches Zerplatzen würde die Sandkörner wahllos in alle Richtungen und insbesondere auch, über die Ablenkplatte 32 hinaus, zum Boden treiben, ohne dass die Körner für den Zeitraum, der zur Beendigung der Verbrennungsreaktionen notwendig ist, in der Kammer 10 verblieben.
Der Abschnitt 34 der Säule 12 fungiert als Wärmetauscher, welcher das Vorwärmen der vom Gebläse 20 nach oben geblasenen Luft auf Kosten der beträchtlichen Hitze des aus der Verbrennungskammer 10 kommenden Sandes ermöglicht.
Noch immer im fluidisierten Zustand fließt der Sand dann weiter durch das Rohr 18 und die zureite Säule 16, wo er von der vom Gebläse 22 geblasenen Luft nach oben zur Auslassöffnung 28 getrieben wird, wobei er allmählich weiter abkühlt.
Die beiden Säulen 12, 16 fungieren somit als System kommunizierender Gefäße, wobei die Zufuhr von Sand in das obere Ende der Säule 12 einen Kopf 48 und folglich einen Überdruck schafft, welcher bewirkt, dass Sand zur Säule 16 fließt, welche sich füllt, bis der Sand, der nunmehr kalt ist, durch die Öffnung 28 ausgestoßen wird. Unter normalen Betriebsbedingungen ist die Höhe der freien Oberfläche des Sandes in beiden Säulen 12, 16 gleich und wird durch die Höhe, in welcher die Öffnung 28 angeordnet ist, bestimmt.
Aufgrund des Vorhandenseins der beiden getrennten Gebläse 20, 22, welche in den beiden Kammern 10, 14 denselben Druck schaffen können, haben die fluiddynamischen Zustände beim Normalbetrieb der Anlage ein stabiles Gleichgewicht und tendieren dazu, sogar dann wiederhergestellt zu werden, wenn Störungen auftreten, wie z. B. irgendeine Fluidisierungsunterbrechung.
Immer wenn eine solche Störung in der Kühlkammer 14 auftritt, wird bewirkt, dass Sand zur Verbrennungskammer 10 fließt, wobei es zu einer Verringerung der in der Kammer 14 vorhandenen Sandmenge kommt, bis die Unterbrechung beseitigt ist und die Fluidisierungszustände wiederhergestellt sind.
Obwohl die erfindungsgemäße Anlage nicht das Vorhandensein kostspieliger zusätzlicher Vorrichtungen zur Wärmerückgewinnung, wie z. B. von Wärmetauschern oder anderen Wirbelbetten aus Edelstahl, vorsieht, erzielt sie im Großen und Ganzen dennoch erfolgreich eine derartige Rückgewinnung, so dass bei niedrigen Betriebs- und Wartungskosten eine mehr als zufriedenstellende Energieausnutzung erhalten wird.
Die erfindungsgemäße Anlage, welche auf Basis des Prinzips kommunizierender Gefäße funktioniert, muss auch nicht in die Höhe ausgedehnt werden, so dass ihre Masse in vertikaler Richtung im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen beträchtlich verringert ist.
Schließlich reduziert die Tatsache, dass die erfindungsgemäße Anlage keinerlei Wärmetauscher und Edelstahlventile benötigt, nicht nur ihre Kosten, sondern steigert auch ihre Vielseitigkeit, da diese Vorrichtungen für jede spezifische Anlagengröße präzise hergestellt werden müssen.

Claims

Anlage zum kontinuierlichen Regenerieren von Gießereisand, umfassend eine Verbrennungskammer (10), in welcher dem Sand ein entflammbares Gas zugeführt wird, und eine Kühlkammer (14), in welcher der von der Verbrennungskammer (10) kommende Sand gekühlt wird, wobei beide Kammern (10, 14) mit Einrichtungen zum Halten des Sandes in einem fluidisierten Zustand ausgestattet sind und die Kammern (10, 14) mittels eines Verbindungsrohres (18) miteinander in direkter Verbindung stehen, wobei die Verbrennungskammer (10) im oberen Ende einer ersten Säule (12) angeordnet ist und die Kühlkammer (14) in einer zureiten Säule (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsrohr (18) die Basen der Säulen (12, 16) verbindet und die erste Säule (12) ein Wirbelbett aus von der Verbrennungskammer (10) herabfallendem, erwärmtem Sand umfasst und das Wirbelbett der Kühlkammer (14) aus dem Verbindungsrohr (18) emporsteigenden Sand umfasst, wobei während eines normalen, sich im Gleichgewicht befindlichen Betriebs die freie Oberfläche des Sandes in beiden Kammern (10, 14) auf derselben Höhe liegt.
Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Basen der ersten und der zureiten Säule (12, 16) entsprechende Gebläse (20, 22) angeordnet sind, die in der Lage sind, in einer solchen Weise Luft in die Säulen (12, 16) zu blasen, dass der Sand in einem fluidisierten Zustand gehalten wird.
Anlage entweder gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass über der ersten Säule (12) eine Vorrichtung (26) zur Einführung des zu regenerierenden Sandes angeordnet ist, während am oberen Ende der zureiten Säule (16) eine Öffnung (28) zum Auswerfen des regenerierten Sandes gebildet ist.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Säule (12) eine durchlöcherte querliegende Ablenkplatte (32) zur Trennung der Verbrennungskammer (10) vom darunterliegenden Abschnitt (34) der Säule (12) angeordnet ist.
Anlage gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkplatte (32) Löcher mit einem solchen Durchmesser aufweist, dass eine Durchgangsgeschwindigkeit für Fluidisierungsluft von nicht mehr als 1 m/s erlaubt wird.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Düse (38) zur Zufuhr von entflammbarem Gas in die Verbrennungskammer (10) führt und ihre Öffnung mit Einrichtungen zur Verhinderung des Eindringens von Sand in ihr Inneres ausgestattet ist.
Anlage gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Verhinderung des Eindringens von Sand in die Düse aus einer Trennwand (40) aus Keramikmaterial gebildet sind, welche für Gas, aber nicht für Sand durchlässig ist.
Anlage gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (38) einen U-förmigen Pfad (42) für den Gasfluss aufweist, auf welchem Pfad die Trennwand (40) solcherart angeordet ist, dass sie in zumindest zurei in Serie angeordnete Teile (44, 46) geteilt wird.
Verwendung der Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Regenerieren von Gießereisand.