MODERN BENTONITE BONDED MOLDS. C. GREFHORSTT S&B Industrial Minerals GmbH Schmielenfeldstr. 78, Marl, Germany

Transkrypt

1 6/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN MODERN BENTONITE BONDED MOLDS 1 C. GREFHORSTT S&B Industrial Minerals GmbH Schmielenfeldstr. 78, Marl, Germany 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 kg/t poured metal, bentonite kg/t and carbonaceous products kg/t. Most carbonaceous materials have volatiles of % (wt) and an ash content of 0 8 %. The European consumption of carbonaceous material in foundries is around 90,000 t/a. 1 c.grefhorst@ikominerals.com

2 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,SO 2, 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 % volatiles and produce % 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) enriched coal (POLYCARBON) addition of process carbon (ANTRAPUR) use of low volatile carbonaceous materials (PRIOCARBON) NEXT

3 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.

4 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 % C % Bentonite Montmorillonite % % 12* ** 5.4 * 70% Montmorillonite ** 90 % BTEX mg / kg PAH mg / kg Emissions BTEX mg / kg sand Ratio Iron : Sand 2 : 1 (sand 900 C) Volatiles DIN % Bentonite has 9 % vol. Volatiles GF tube fur. ml / g (db) 17 7 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.

5 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 kg/t zalewanego metalu, bentonit kg/t i dodatki nawęglające kg/t. Większość dodatków nawęglających zawiera 35 55% mas. substancji lotnych i 0 8% popiołu. Zużycie dodatków nawęglających w odlewniach europejskich wynosi rocznie około 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),

6 56 emisja CO, SO 2, 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 o C. 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 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

7 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.).

8 58