GP20709_Special_S_B Industrial_IKO

Special
Tongebundene Formstoffe
S & B I n d u s t r i a l M i n e ra l s G m b H
Der neue Bentonit
MAKROBOND
O. Podobed,
C. Grefhorst,
S. Böhnke
Obwohl das Formverfahren auf Basis von bentonitgebundenem Formstoff oft als Herstellung „verlorener“ Formen bezeichnet wird, zählt diese Technologie aufgrund der relativ niedrigen Formstoffkosten
und der Wiederverwendbarkeit des Umlaufformstoffes zu den wirtschaftlichsten Gussherstellungstechnologien. Das eingesetzte Bindemittel – Bentonit – ist der am meisten verbreitete anorganische und
umweltfreundliche Binder. Durch seine hohe Wirtschaftlichkeit wird er diese führende Position auch in
kommenden Jahrzehnten behalten.
Gießereibentonite unterliegen beim Abbau strengen
Kriterien, die sich aus qualitativen, ökonomischen sowie
umwelttechnischen und gesundheitlichen Aspekten zusammensetzen:
• Hoher Montmorillonitgehalt, minimale Menge an
Begleitmineralien
• Hohe Belegung mit austauschbaren Kationen, zumeist Na- oder Ca-Ionen.
• Niedrig im Eisengehalt
• Langfristig verfügbar in
größeren Mengen von
guter Qualität
• Wirtschaftlich akzeptable
und zuverlässige Logistik
• Rekultivierung der Abbaugebiete
Diese werden durch gießereitechnische Anforderungen
ergänzt:
• Hohe spezifische Bindefähigkeit (pro %-Bentonit)
• Hohe thermische Stabilität,
niedrige Abbrandraten, geringe Reststoffmengen, geringe Deponiekosten
Dr.-Ing. Oleg Podobed
ist Leiter Anwendungstechnik
Formstoffe,
Dipl.-Ing. Cornelis Grefhorst
ist Leiter der Forschung und
Entwicklung,
Dipl. Geol. Sandra Boehnke
ist Mitarbeiterin der Abteilung Forschung und Entwicklung. Alle S&B Industrial
Minerals GmbH Geschäftsbereich Gießerei – IKO.
2
• Schnelles Aufschlussverhalten im Mischer (gute
Dispergierbarkeit)
• Formbarkeit/ gute Fließeigenschaften
• Gutes Erosionsverhalten/
Binden der Sandkörner
• Hohe Resistenz gegen die
beim Gießen entstehenden
Elektrolyte und Pyrolyserückstände [2]
• Beständigkeit gegen Ausdehnungsfehler
• Günstiges Auspackverhalten
Als natürliche Rohstoffe sind
Bentonite das Ergebnis zahlreicher geologischer Faktoren. In Millionen von Jahren
bewirken Druck und Temperatur sowie die Zirkulation
wässriger Lösungen die Umwandlung des vulkanischen
Ausgangsgesteins zu Bentonit. Abweichungen oben genannter Faktoren bewirken
qualitative Unterschiede zwischen verschiedenen Rohbentoniten und bestimmen
deren Struktur und Eigenschaften.
Sicherlich können die
thermische Beständigkeit
und die Festigkeiten (Nasszugfestigkeit) z.B. durch eine
Aktivierung (Na/Ca- IonenBelegung) verändert werden.
In den meisten Fällen existiert hier eine klare Übereinstimmung zwischen dem Aktivierungsgrad und der thermischen Beständigkeit eines
Bentonites. Die PlättchenStruktur des Bentonites (auf
Mikroniveau) ist aber in
einem sehr langen Umwandlungsprozess formiert worden und kann durch die Verarbeitungstechnologie nur
beschränkt verändert werden. Die Aufgabe eines Bentonitlieferanten ist es daher,
das Potenzial eines Bentonites richtig zu erkennen und
dieses möglichst vollständig
und effizient auszuschöpfen.
Das Erfolgsergebnis einer
derartigen intensiven Kooperationsarbeit zwischen Geologen, Forschern und Gießern, eine neue Bentonitgruppe mit herausragenden
Eigenschaften und einer
sehr hohen thermischen Beständigkeit, wurde bei der
GIFA 2007 unter dem
Namen MAKROBOND
präsentiert [1].
Bevor man mit der Darstellung dieser neuen Qualitäten, MAKROBOND ES und
MAKROBOND 95, beginnt,
lohnt sich ein kurzer Rückblick in die praktische
„Mineralogie der Gießereitechnik“.
Hochtemperaturverhalten der Bentonite
Das Hochtemperaturverhalten der Bentonite ist von entscheidender Bedeutung, da
eine umfassende Formstoffbewertung ohne den Aspekt
der thermischen Beanspruchung den praktischen Belangen nicht gerecht wird.
Eine Einschätzung darüber, ob ein Bentonit mehr
oder weniger thermisch sta-
bil ist, erhält man durch den
Vergleich der Festigkeiten
einer unbelasteten Probe mit
einer thermisch belasteten
Probe. Der Bentonit wird
hierbei zunächst auf 550 °C
erhitzt. Nach dem Abkühlen
auf Raumtemperatur werden
die Festigkeiten der Testmischungen (Quarzsand, Wasser, Bentonit), gemäß VDG-
Über S & B
S&B Industrial Minerals GmbH
ist einer der führenden Hersteller von Industriemineralien auf Basis von Bentoniten und Kohlenstoffträgern,
mit einer langen Tradition
im Abbau von Bentonit und
in der Produktion von geeigneten Formstoffbinder-Kohlenstoffträger-Gemischen für
die Gießereien.
S&B bietet der Gießereiindustrie (Eisen-, Stahl- und
NE-Gießereien) umfassende
Systemlösungen mit einem
kompletten Dienstleistungsangebot und einer beratenden
technischen Unterstützung
von höchstem Rang. Neben
den klassischen Formstoffen
gehören auch Kernsandadditive und Produktionshilfsmittel zur Produktpalette für
Giessereiapplikationen.
S&B Industrial Minerals GmbH
Schmielenfeldstr. 78
45772 Marl
Germany
Fon: +49 (0) 23 65/804-0
Fax: +49 (0) 23 65/804-211
E-Mail: [email protected]
www.ikominerals.com
GIESSEREI-PRAXIS · 9/2007
Special
Bild 1. DTA-Analyse MAKROBOND 95
Merkblatt P69 geprüft und
mit den Werten der Testmischungen mit unbelasteten
Bentoniten in Beziehung gesetzt. MAKROBOND Bentonite besitzen somit nach VDG
P69 eine thermische Beständigkeit von über 70 % im
Vergleich zu 40–60 % bei
derzeit üblichen Gießereibentoniten.
Eine weitere Methode zur
Prüfung der thermischen Beständigkeit bietet die Differential-Thermo-Analyse.
Hierbei wird der Bentonit
mit einer konstanten Aufheizrate von 10°K/min erhitzt. Kontinuierlich werden
Gewicht- und Temperaturunterschiede zu einer Referenzprobe (Al2O3) gemessen.
Bentonite verlieren hierbei
nicht nur das oberflächlich
gebundene Wasser (siehe
Bild 1: Gewichtsverlust
11,62 %), sondern auch OHGruppen aus der Struktur
des Montmorillonitminerals,
bei weniger thermisch stabilen Bentoniten sogar bereits
ab 400 °C. Die Strukturumwandlung ist irreversibel
und eine Funktion von Temperatur, Aufheizrate, Erhitzungszeit und Bindungsenergie der OH-Gruppen. Ein totgebrannter Bentonit zeigt in
Wasser keine Quellung mehr
und nimmt nur noch Adhäsions- und Kohäsionswasser
(Kapillarwasser) auf. Zwischenschichtwasser ist nicht
mehr vorhanden, der Bentonit zeigt keine Bindefähigkeit
mehr.
Beide Bentonite behalten
demnach ihre ursprüngliche
Bild 2. Steigende Formstoffbelastung mit der Erhöhung des Eisen-Sand Verhältnis
GIESSEREI-PRAXIS · 9/2007
Montmorillonitstruktur bis in
einen sehr hohen Temperaturbereich von nahezu
700 °C. Diese Entwässerungstemperaturen entsprechen
einer hohen thermischen Beständigkeit und erklären die
geringen Abbrandverluste
beim Gießen.
Wie wichtig diese Tatsache letztlich für die Praxis
ist, zeigen nachfolgende Ausführungen.
Tafel 1 zeigt die Ergebnisse der Formstoffbelastung in
einer Form mit 2100 kg
Formstoff, 250 kg Flüssigeisen, einem Wassergehalt von
4 % und einer Gießtemperatur von 1450 °C (Zeit bis
zum Auspacken 2 Stunden).
Mit rot sind die Formstoffanteile gekennzeichnet, wo
Bentonit irreversibel geschädigt wird.
Die thermische Belastung beim Gießen
und Erstarren führen
zur Austrocknung des
Formstoffes, die mit
der teilweisen Bildung
irreversibler Verschleißprodukte aus
den Bestandteilen des
Formstoffes verbunden ist, besonders in
den gusstücknahen
Partien (Verlust der
Bindefähigkeit des
Bentonites, Verkokung und Veraschung
des Glanzkohlenstoff-
trägers, Quarzkornzersplitterung). Es kommt zur Bildung
oolithischer Hüllen um das
Quarzkorn und zur Pelletisierung des Umlaufformstoffes.
Durch den Gehalt an Wasser, der beim bentonitgebundenen Formstoff in der Regel
zwischen 2,5 % und 4 % liegt
und dessen Großteil verdampft, wird ein relativ geringer Anteil des Formstoffes
auf Temperaturen von über
550 °C erhitzt (siehe Verlust
der OH-Gruppen). Der Formstoff zeichnet sich durch eine
hohe Wiederverwendbarkeit
aus, es ist jedoch die Auffrischung mit Bentonit, C-Träger und Neusand sowie der
Ausgleich des Wasseranteils
notwendig.
Die Werte in der Tafel
stimmen mit den normalen
praxisüblichen Werten für
Auffrischungsraten überein.
Also – „So far, so good“.
Die letzten Jahre zeigten
einen klaren Trend zur Steigerung des absoluten Ausbringens und der maximalen
Ausnutzung des Formkastenvolumens. Der Nutzungsgrad der Formanlagen und
der Peripherie wird kontinuierlich verbessert, die Produktivität sowie die Qualitätsanforderungen steigen.
Hinzu kommen die Weiterentwicklung spezieller Gusseisenlegierungen und die
Herstellung komplexer integrierter Gusstückkonstruktionen, was Gießtemperaturen bis zu 1600 °C erfordert.
Zusammenfassend heißt das
eine extrem enge KastenbeTafel 1. Formstoffbelastung beim
Gießen (vor dem Auspacken) [3]
3
Tongebundene Formstoffe
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Special
S & B I n d u s t r i a l M i n e ra l s G m b H
Tafel 2. IKO Bond D, QUICKBOND D, MAKROBOND ES und MAKROBOND 95
Tongebundene Formstoffe
damit verbundener erschwerter Wiederaufbereitbarkeit. Somit erhöhen sich
im Allgemeinen die Formstoffkosten.
Verwendung thermisch
hochbeständiger Bentonite
bedeutet jedoch nicht, dass
man dann auch zwangsläufig schlechtere Auspackeigenschaften hat, denn durch
wenig Wasser, Bentonit und
Schlämmstoff wird die Trennung von Gußteil und Formstoff erheblich erleichtert.
Fazit
ten Kombination von Eigenschaften (siehe auch Tafel 2),
wie:
• einem hohen Montmorillonitgehalt
• einem hohen Bindevermögen
• exzellenter spezifischer
Festigkeit
• einer sehr hohen thermischen Beständigkeit bei
gleichzeitig schnellem
Aufschlussverhalten und
entsprechend geringen
Abbrandverlusten im Umlaufprozess.
Bild 3. Vergleich der Bentoniteigenschaften
legung, sehr kurze Taktzeiten, eine steigende Zahl der
Formstoffumläufe und eine
sehr hohe Formstoffbelastung.
Betrachtet man das vorher erwähnte Beispiel unter
diesen neuen Bedingungen
(zum Beispiel bei dreifacher
Flüssigeisenmenge), dann
wird schnell klar, dass sich
eine deutliche Verschiebung
– bis zu einer Vervierfachung
– der belasteten Formstoffanteile (Tafel 1, Bild 2) zu
höheren Temperaturen ergibt, und dadurch werden
bessere „robustere“ Bentonite dringend benötigt.
„Mein Name ist
BOND…MAKROBOND“.
Die neuen MAKROBONDBentonite sind für höchste
4
Formstoff-Anforderungen
entwickelt worden. Gekennzeichnet durch einen sehr
hohen Montmorillonitgehalt
und extrem gute thermische
Stabilität ergeben sie Vorteile wie niedrigen Verbrauch,
geringen Wasserbedarf und
bessere Wiederaufbereitung.
Sie sind eine gelungene Ergänzung zu den bewährten
IKO BOND- und QUICKBOND-Produktreihen, die
seit vielen Jahren weltweit in
den Gießereien eingesetzt
werden [4,5].
Die in Bild 3 gewählte
Darstellungsform so genannter Netzdiagramme (Spinnendiagramme) ermöglicht
einen guten Vergleich der
wichtigsten Materialmerkmale.
MAKROBOND – Formstoffbinder mit einer perfek-
Praxisbeispiele belegen
die hohe Wirkung der MAKROBOND-Bentonite:
Die Auswertung der Verbrauchszahlen einer Gießerei, die 2007 von süddeutschem Bentonit auf MAKROBOND ES umgestellt wurde,
ergab eine Ersparnis von ca.
20 %. Mit MAKROBOND 95
wurden bei einer großen
Motorengießerei im Vergleich zu QUICKBOND D ca.
7 % Material eingespart.
Auspackverhalten
Schlechte Auspackeigenschaften des Formstoffes
führen zu Austragsverlusten,
die nur durch Neusandzugaben kompensiert werden
können, zu einem erhöhten
Putzaufwand durch anhaftenden Sand und zu verstärkter Knollenbildung und
Die Firma IKO hat neue Bentonite entwickelt, mit einen
Montmorillonitgehalt und
einer thermischen Stabilität,
die weit über den derzeit
verwendeten Bentoniten liegen. Vorteile sind geringe
Zugabemengen, sehr gutes
Kreislaufverhalten / Wiederaufbereitung, weniger Gußfehler durch optimale Formstoffbindung und minimale
Wassermenge. Literatur
[1] IKO- Broschüre zur GIFA
2007
[2] C. Grefhorst, O. Podobed,
S. Böhnke. Bentonitgebundene Formstoffe. Umlaufverhalten von Bentoniten unter besonderer
Betrachtung des Kreislaufsystems und der
Nasszugfestigkeit.
[3] S.S. Zhukowsky. Formstoffe und Formmaterialien. Moskau, Verlag „Maschinenbau“ 1993.
[4] W. Tilch, C. Grefhorst, W.
Kleimann: Bentonite als
Formstoffbinder – eine
praxisnahe Bewertung
der Eigenschaften. Teil 1.
Gießerei-Praxis 02/02,
S. 53–62
[5] W. Tilch, C. Grefhorst, W.
Kleimann: Bentonite als
Formstoffbinder – eine
praxisnahe Bewertung
der Eigenschaften. Teil 1.
Gießerei-Praxis 02/03,
S. 61–69
GIESSEREI-PRAXIS · 9/2007

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