Pobierz - Archives of Foundry Engineering

Archives of Foundry,
Year 2006, Volume 6, № 20
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
6/20
MODERN BENTONITE BONDED MOLDS
C. GREFHORST 1
S&B Industrial Minerals GmbH
Schmielenfeldstr. 78, 45772 Marl, Germany
T
SUMMARY
In scope of global competition, foundries must optimise their production to get
higher efficiency and less casting defects. At the same time, legislation and community
demand reduction of emissions, healthier working conditions and less foundry waste,
less burdened with organic pollutions.
To achieve this, an optimisation of bentonite-bonded moulding sand is required.
Through the use of high standard bentonites and carbonaceous additives moulding
performance can be increased and consumption can be decreased. In consequence, this
reduces emissions and waste volume.
Key words: bentonite, ENVIBOND, coal, Grefhorst, IKO, S&B, greensand
PRESENTATION
Target of the presentation is to help foundries installing an optimised moulding
sand process at lower emissions and consumption rates.
Overview
The majority of the iron casting, produced in the EU, is made in clay-bonded
greensand moulds containing fine coal dust or organic replacements. Normal additions
to moulding sand cycle systems are: new sands 100 – 200 kg/t poured metal, bentonite
40 – 60 kg/t and carbonaceous products 15 – 25 kg/t. Most carbonaceous materials have
volatiles of 35 – 55 % (wt) and an ash content of 0 – 8 %.
The European consumption of carbonaceous material in foundries is around
90,000 t/a.
1
[email protected]
52
Main reasons to use carbonaceous materials are:
− Improve casting surface.
− Clean casting - less sand adhesion on casting.
− Better shake out (less big sand lumps).
− Reduce some casting defects (N-adsorption).
− Easy dosage and low value.
Disadvantages are:
− Reduction of mould strength.
− Damage of bentonites (higher consumption).
− Emissions (CO,SO2, benzene, etc).
− Pollution of the moulding sand (benzene, condensates, etc.)
− Increased moisture level (more moisture related casting defects).
Developments in the past
After sands containing natural clay the foundries discovered the bentonite, surely
after the invention of the sodium activation process ( Erbslöh patent 1938). To reduce
sand adhesion on castings, the addition of coal powder became common practice. Coal
was available, cheap and easy to mix in. IKO started to produce coal for foundries.
If the coal addition is high, there will be a build-up of coke residues. These
porous residues increase the moisture demand of moulding sand and contribute to some
casting defects, e.g. explosion penetration.
Coal demonstrates in general 40 % volatiles (60 % C-Fix) and from gas
10 % lustrous carbon precipitation.
To reduce the amount of coke residue, several types of hydrocarbon resins were
introduced. They have 60 – 90 % volatiles and produce 40 – 60 % lustrous carbon.
Especially in foundries that have low input of new silica sand coke residues and
moisture level decreased.
New was the technology of squeesing macro crystalline graphite into the
bentonite plates (IKO/S&B patent), also called use of process carbon.. Through this,
bentonite performed his strength properties faster and the moulding sand had higher
flowability at lower moisture level. In blend carbonaceous materials with bentonite (e.g.
50 %) process carbon is added at demanded various levels.
All applied carbonaceous materials emit hazardous component after casting. By
selecting and using components with less volatiles the emissions can be reduced.
Coal (IKO N) Æ enriched coal (POLYCARBON) Æ addition of process carbon
(ANTRAPUR) Æ use of low volatile carbonaceous materials (PRIOCARBON) Æ
NEXT
53
Current status
Foundries wish to reduce cost, optimise the casting quality and create good work
conditions for employees at minimum emissions. To reduce costs and increase casting
quality the bentonite is most important. High level bentonite reduces consumption and
through this less fines, less moisture and less necessarily use of carbonaceous materials.
Bentonite level in foundries lies between 6 and 11 % , for each per cent of bentonite the
moisture remand is ca. 0.3 %, in consequence moisture for bentonite in the moulding
sand will be 1.8 % to 3.3 %.
Main quality factor for bentonites are montmorillonite content, binding strength
and durability. Because 85 % – 95 % of the bentonite is used again in the moulding
sand cycle system the durability and re–preparing is most important.
Modern bentonites have 85 % montmorillonite. The properties can be measured
according to VDG (German Foundry Association), but for full characterisation of
bentonites more examinations are required, e.g. x-ray, thermal analyses (DTA) and
preparing bentonite after heating up to 500° C, 550° C.
If a foundry has a high bentonite percentage in their moulding sand and a high
consumption, the moisture requirement for a demanded compactability is high. More
(explosion) penetration defects and less good compacted moulds. The reason for this
can be risk reduction, more bentonite gives a buffer to variation in the process and ad–
hoc reactions to solve moulding problems. Working with a lot of bentonite also causes
bad mould breakdown/shake out of sand after casting. To compensate the disadvantages
of high bentonite level, the addition of carbonaceous materials must be increased.
Emissions get higher and working conditions in the foundry go down. Today loss on
ignition of moulding sand is ca. 3.5 % to 5.5 %.
Running developments
With PRIOCARBON, with low volatile components, emissions can be reduced.
Foundries like to eliminate emissions from greensand completely. There are two main
factors: one is not using organic components in greensand and the other is increased
adsorption of organic gasses in greensand. S&B participated in the GO-APIC project
(2000 to 2004), a european project to develop and establish greensand systems without
organic components. The result of the project was a new binder, based on bentonite,
graphite and a type of zeolite, called ENVIBOND. All components were prepared in
a special way to bring graphite and zeolite into the plate structure of bentonite that it is
not a blend. This product produces in mould no emissions and provides better moulding
performance. The graphite reduces mould penetration by changing the wetting angle
and increases compaction. The zeolite replaces the carbon residues and increases the
mould adsorption capability. Foundries trials demonstrate VOC (volatile organic
components) emissions are reduced over 50 %. It is desired to augment the
ENVIBOND mould shake out properties and to use more specific adsorption media.
54
S&B is putting a lot of R&D effort in developing and designing customised greensand
systems.
Table 1 gives a short overview of a foundry which runs with 50 % ENVIBOND and 50 % classic
materials, compared to an average foundry.
Moulding sand
Foundry L
Foundry K
composition
Average
ENVIBOND
Comment
LOI
%
5.6
2.5
C
%
3.6
1.5
Bentonite
%
12*
6.0**
* 70%
Montmorillonite
Montmorillonite
%
8.4
5.4
** 90 %
BTEX
PAH
Emissions
BTEX
Volatiles DIN
Volatiles GF tube
fur.
mg / kg
mg / kg
0.7
17
0.3
0.4
mg / kg
sand
%
132
33
3.2
1.5
ml / g (db)
17
7
Ratio Iron : Sand 2 :
1 (sand 900° C)
Bentonite has 9 %
vol.
Table 1: introduction of 50 % ENVIBOND in a foundry after 3 months.
Table 1 demonstrates possible potential for foundries, but there a big variety in foundries.
One reason for the low organic component is the low bentonite level (6 %). This causes a lower
compressive strength (20 N/cm², instead of 30 N/cm²).
How to achieve emission reduction in foundries
Table 1 gives the foundry an impression of their status. First step in emission
reduction is to minimise the dosage of bentonite and carbonaceous additive. In the
added products volatiles must be decreased. To tackle bad casting surface and augment
adsorption, ENVIBOND can be implemented.
The introduction of ENVIBOND is a revolution in casting practice. To avoid
problems and have time to be adopted to the new system, S&B introduces ENVIBOND
parallel to common classic moulding sand additives. This can be done by using an extra
silo with ENVIBOND and exchanging the normal carbonaceous material step by step
with ENVIBOND or changing the carbonaceous material to a blend with ENVIBOND
and in further steps/deliveries increasing the percentage of ENVIBOND.
55
Measurements to quantify the improvement
The introduction of the new ENVIBOND technology has consequences for the
casting process and the environment. Foundries wish to quantify the influence on
casting process, casting quality and environment.
Before starting to change, S&B analyses the casting process. An assessment that
includes collecting as much parameters and information as possible. Reference casings
and reference moulding sand is placed beside for comparing with the “final
ENVIBOND achievements”, e.g. the moulding sand before and after the change can be
tested parallel on emission behaviour at a pilot plant.
Main criteria to be judged are:
− Casing quality in general.
− Casting surface.
− Moulding sand properties.
− Moulding sand breakdown and sand adhesions on castings.
− Emission values (and working conditions).
− Contamination of moulding sand with organic components (BTEX, etc.)
Recenzent: prof. dr hab. Mariusz Holzer.
WSPÓŁCZESNE MASY Z BENTONITEM
Większość odlewów żeliwnych produkowanych w UE jest wykonywana
w formach z mas z bentonitem zawierających pył węglowy lub dodatki organiczne.
Zazwyczaj do masy obiegowej stosuje się dodatek: świeży piasek 100–200 kg/t
zalewanego metalu, bentonit 40 – 60 kg/t i dodatki nawęglające 15–25 kg/t. Większość
dodatków nawęglających zawiera 35–55% mas. substancji lotnych i 0–8% popiołu.
Zużycie dodatków nawęglających w odlewniach europejskich wynosi rocznie około
90.000 t.
Główne powody stosowania dodatków zawierających węgiel to:
− poprawa jakości powierzchni odlewów,
− mniejszy nakład pracy na oczyszczanie odlewów – mniejsza adhezja
masy do odlewu,
− lepsza wybijalność,
− ograniczenie niektórych wad w odlewach (zmniejszenie adsorpcji N).
Wadami natomiast jest:
− zmniejszenie wytrzymałości formy,
− większy stopień dezaktywacji bentonitu (większe zużycie),
56
−
−
−
emisja CO, SO2, benzenu itp.
zanieczyszczenie masy formierskiej (benzen, kondensaty itp.),
wzrost wilgotności masy (większa wilgotność sprzyja powstawaniu
wad).
Wszystkie stosowane aktualnie materiały zawierające węgiel emitują po zalaniu
niebezpieczne substancje. Odpowiednia selekcja i stosowanie dodatków zawierających
mniej substancji lotnych może znacznie ograniczyć tą emisje.
Dotychczasowe badania w tym zakresie obejmowały następujące etapy:
węgiel (IKO N) → wzbogacony węgiel (POLYCARBON) → dodatek przetworzonego węgla (ANTRAPUR) → stosowanie materiałów o malej zawartości substancji
lotnych (PRIOCARBON) → NASTĘPNE
Stan obecny
Odlewnie dążą do redukcji kosztów, optymalizacji jakości odlewów i stworzenia
dobrych warunków pracy przy minimalnej emisji. Dodatek bentonitu do masy wynosi
od 6 do 11%. Na każdy procent bentonitu w masie przypada 0,3% wilgoci, czyli
zawartość wilgoci w masie będzie od 1,8% do 3,3%. Współczesne bentonity zawierają
85% montmorillonitu. Dla pełnej oceny właściwości bentonitu konieczne są badania
m.in. analiza rentgenowska, analiza termiczna (DTA) i zachowanie sie po wstępnym
nagrzewaniu do 500 – 550oC. Jeżeli w masie stosowanej w danej odlewni jest duża
zawartość bentonitu, to wymagana jest odpowiednio wysoka wilgotność dla zapewnienia właściwej zagęszczalności. Może to być przyczyną występowania pewnych
defektów w odlewach. Aby zniewelować te niedogodności spowodowane dużą
zawartością bentonitu w masie stosuje się zwiększony dodatek substancji zawierających
węgiel. Powoduje to wzrost emisji i pogorszenie warunków pracy w odlewni. Obecnie
straty prażenia mas z bentonitem wynoszą 3,5% do 5,5%.
Kierunki rozwoju
Stosując dodatek PRIOCARBON o małej zawartości substancji lotnych można
znacznie zredukować emisję. Jednak odlewnie chciałyby całkowicie wyeliminować
emisję z mas z bentonitem. Decydują o tym dwa zasadnicze czynniki: nie stosować
dodatku substancji organicznych w tych masach lub zwiększyć adsorpcję gazów
organicznych w masach. Firma S&B uczestniczyła w latach 2000 – 2004 w europejskim
projekcie GO-APIC dotyczącym rozwoju mas z bentonitem bez składników organicznych. Wynikiem tego projektu było opracowanie nowego spoiwa, opartego na
bentonicie, graficie i zeolicie, nazwanym ENVIBOND. Spoiwo to nie powoduje emisji
i daje lepsze właściwości mas. Grafit zmniejsza penetrację metalu poprzez zmianę kąta
zwilżania i zwiększenie zagęszczenia. Zeolit natomiast zastępuje węgiel resztkowy
i zwiększa pojemność adsorpcyjną formy. Próby przeprowadzone w odlewniach
wykazały ponad 50% redukcję emisji LZO. W tabeli 1 podano wyniki prób
57
przeprowadzonych w odlewniach stosujących 50% dodatek spoiwa ENVIBOND i 50%
dodatek tradycyjnych składników.
Jak uzyskać redukcję emisji w odlewni
Pierwszym krokiem w tym kierunku jest minimalizacja dodatku bentonitu
i substancji zawierających węgiel. W dodawanych materiałach zawartość substancji
lotnych powinna być ograniczona. Zadanie to może spełnić spoiwo ENVIBOND.
W prowadzonych próbach przemysłowych oceniania się następujące parametry:
− jakość odlewów ogólną,
− jakość powierzchni odlewu,
− właściwości masy formierskiej,
− wybijalność formy i adhezja masy do powierzchni,
− wielkość emisji (warunki pracy),
− zanieczyszczenie masy składnikami organicznymi (BETX itp.).
58