Eigenschaften und Eigenschaftsänderungen der Tonmineralien in Formsanden

35 Pages·1961·1.595 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Patterson, Dr.-Ing. Dietmar Boenisch (auth.)

DK 621.742
FORSCH U NGSB ER ICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.961
Prof.Dr.-lng. Wilhelm Patterson
Dr.-Ing. Dietmar Boenisch
Gießerei-Institut der Technischen Hochschule Aachen
Eigenschaften und Eigenschaftsänderungen der
Tonmineralien in Formsanden
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1961
ISBN 978-3-663-03581-7 ISBN 978-3-663-04770-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04770-4
G 1 i e d e run g
1 • Darstellung der Einflußgrößen · · · · · · · · · · · s. 5
· s.
1 • 1 Ionenbelegung und Quellfähigkeit des Bindetones 6
1.2 Dispergierung, Orientierung und Aufrauhung
. . . . .
des Tones · · · · · · · · · · · · s. 7
s.
2. Die Formsandaufbereitung und ihre Gesetzmäßigkeiten 8
2. 1 Versuchs bedingungen · · · · · · · · s. 17
. .
2.2 Versuchsergebnisse · · · · · · · · · · · s. 18
2.21 Einfluß der Kollerzeit · s. 18
s.
2.22 Einfluß des Aufbereitungswassergehaltes 20
2.23 Einfluß des Einsatzgewichtes · · · · · · s. 22
2.24 Einfluß der Dispersität verschiedener
.
Tonminerale · · · · · · · · · · · · · · · · s. 24
s.
2.25 Glättung der aufgerauhten Binderhülle 26
. .
2.26 Zweistufenaufbereitung · · · · s. 28
s.
3. Praktische Folgerungen 29
. . .
4. Zusammenfassung · · · · · · s. 31
5· Literaturverzeichnis · · · · · · · · s. 32
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Für die vorliegende Arbeit standen Mittel des
Ministeriums für Wirtschaft und Verkehr des Lan
des Nordrhein-Westfalen und des Wirtschaftsver
bandes Gießereiindustrie (WGI) zur Verfügung, wo
für an dieser Stelle herzlich gedankt wird.
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Die Kenntnis der Einflußgrößen und ihre Einwirkung auf die technologi
schen Eigenschaften von Formsanden ist Voraussetzung für eine gute
Formsandwirtschaft und gesunden Guß. Ein synthetischer Sand kann in sei
nen Eigenschaften in weiteren Grenzen beeinflußt werden als ein natür
licher. Dieser ist durch seine vorgegebenen Komponenten und durch sei
nen natürlichen Aufbereitungszustand, der erfahrungsgemäß als gut anzu
sehen ist, charakterisiert. Die Eigenschaften synthetischer Sande da
gegen können durch willkürliche Auswahl von Art und Menge der Gattie
rungselemente und durch eine Behandlung unter unterschiedlichen Aufbe
reitungsbedingungen in weiten Grenzen variiert werden. Während der Ein
fluß von Art und Menge der Aufbauelemente in der Vergangenheit häufiger
untersucht worden ist, hat die Aufbereitungstechnik bis heute noch nicht
die verdiente Beachtung gefunden. Diese Lücke zu schließen ist der Sinn
dieser Arbeit.
1. Darstellung der Einflußgrößen
Von der Seite des Bindetones her sind zwei Einflußgruppen zu unter
scheiden. Zu der ersten Gruppe gehören alle Größen, durch deren Änderung
der Praktiker bewußt oder unbewußt, zweckgerichtet oder zufällig die
Einstellung bestimmter Sandeigenschaften vornimmt. Diese sind:
1. der Wassergehalt,
2. der Tonanteil im Formsand,
3. der Orientierungsgrad der Tonblättchen in der das Quarzkorn
einbindenden Tonhülle,
4. die Größe der Klebekraft des Bindetones als Funktion seiner freien
aktiven Oberfläche, d.h. seiner Dispersität,
5. die Aufrauhung (Texturänderung) der das Sandkorn umschließenden Ton
schicht.
Die zweite Gruppe umfaßt die vom Praktiker nicht zu beeinflussenden
Eigenschaften des Tones, die er von Hause aus mitbringt. Das sind Mine
ralbestand und Ionenbelegung. Letztere ist nur für den Bentonit tech
nisch von Interesse, da die anderen Tonminerale keine die mechanischen
Eigenschaften wesentlich beeinflussende Ionenumtauschkapazität besit
zen. Jedoch ist auch die Ionenbelegung willkürlich zu ändern. Von die
ser Möglichkeit machen hauptsächlich die Bentonitproduzenten Gebrauch,
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indem sie ihre Produkte "aktivieren", d.h. das Kalziumion durch eine
Sodabehandlung gegen das Natriumion austauschen.
1.1 Ionenbelegung und Quellfähigkeit des Bindetones
Die Bedeutung des am Ton sorptiv gebundenen Ions für den Formsand ist
bis heute nur sehr unbestimmt beschrieben worden. Natriumbentonite sind
allgemein als praxisgünstig bekannt. Sie vermindern die Gefahr des Auf
tretens von Sandausdehnungsfehlern, sind thermisch beständiger als Kal
ziumbentonite und verleihen dem Sand gute Bildsamkeit. Die Bedeutung
der hohen Quellfähigkeit des Na-Bentonits für bestimmte Formsandeigen
schaften wird oft überschätzt. Eine überzeugende Beziehung zur Wasser
empfindlichkeit konnte von D. BOENISCH, W. PATTERSON und H.E. SCHWIETE
[1J gefunden werden. Eine ausführliche Darstellung der Zusammenhänge
ist in der angegebenen Literatur zu finden.
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Schematische Darstellung der Wasserempfindlichkeit synthe
tischer Formsande als Funktion der Ionenbelegung des Ben
tonits. (Nach D. BOENISCH, W. PATTERSON und H.E. SCHWIETE)
Abbildung 1 zeigt schematisch diesen Zusammenhang. Dargestellt sind
zwei Gründruckfestigkeitskurven gleichartiger synthetischer Sande, die
mit dem gleichen Bentonit, aber von unterschiedlicher Ionenbelegung,
abgebunden sind. Unter Wasserempfindlichkeit ist die Abnahme der Grün
druckfestigkeit zwischen zwei höheren Wassergehalten zu verstehen, z.B.
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% % %
bei 5 Bentonit von 4 bis 6 Wasser. Mit steigender Na-Belegung
und damit zunehmender Quellfähigkeit des Bentonits nimmt die Wasser
empfindlichkeit des Formsandes ab, dieser bekommt dadurch ein größeres
Arbeitsgebiet, da er innerhalb eines größeren Feuchtigkeitsbereiches
hochplastisch und gut verarbeitbar bleibt. Allerdings ist oft beobach
tet worden, daß mit steigender Na-Belegung die maximale Gründruckfestig
keit sinkt. Dafür verschiebt sich wiederum in gleicher Richtung der
formgerechte Zustand zu etwas geringeren Feuchtigkeiten hin [2J. Dieser
formgerechte Wassergehalt ist bis heute nicht mit exakten Methoden zu
erfassen, sondern wird subjektiv durch die Handprobe ermittelt.
Eine Einteilungsmöglichkeit der Bentonite ist auf Grund ihrer Ionen
belegung und Quellfähigkeit gegeben [1J. Letztere kann durch Viskosi
tätsmessung an Bentonitschlickern einfach und hinreichend genau bestimmt
werden. Die höchste Quellfähigkeit besitzen natürliche Na-Bentonite,
die niedrigste reine Ca-Bentonite. Künstliche, d.h. aktivierte Na-Ben
tonite, nehmen stets, je nach Aktivierungsgrad, Zwischenstellungen ein.
Es ist nicht beobachtet worden, daß sie die hohen Quellfähigkeiten und
damit geringen Wasserempfindlichkeiten von natürlichem Na-Bentoniten
erreichen. Ein künstlicher Aktivierungsprozeß bleibt einem natürlichen
somit unterlegen.
1.2 Dispergierung, Orientierung und Aufrauhung des Tones
Drei weitere Einflußmöglichkeiten werden aus den Versuchsergebnissen
dieser Arbeit abgeleitet. Es sind:
1. Die Dispergierung des Bindetones
2. die Orientierung der Tonteilchen
3. die Aufrauhung der das Sandkorn einbindenden Tonhülle.
Alle drei Größen werden durch die Aufbereitung beeinflußt und wirken
sich gemeinsam auf die Eigenschaften des Formsandes aus. Die Aufberei
tung wurde unter unterschiedlichen Bedingungen systematisch untersucht.
Die gefundenen grundsätzlichen Zusammenhänge lassen sich wieder mit
Hilfe neuer Begriffe, wie sie sich aus dem unterschiedlichen Aufberei
tungsverhalten des Formsandes zwangsläufig ableiten, zueinander in Be
ziehung bringen.
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2. Die Formsandaufbereitung und ihre Gesetzmäßigkeiten
Unter der Formsandaufbereitung ist jede Behandlung des Formstoffes zu
verstehen, die diesem zweckentsprechende Eigenschaften verleiht. Sie
beginnt für den synthetischen Sand mit dem Einbinden des Quarzkornes
mittels eines tonigen Binders. Natursande sind bereits von Hause aus
eingebunden. Die technologischen Eigenschaften erreichen nach diesem
Prozeß jedoch keineswegs konstante Werte, sondern sind in weiten Gren
zen veränderlich. Die Formsandaufbereitung ist mehreren Einflüssen un
terworfen,und man kann mit keinem definierten Endzustand des Sandes
rechnen. Da es mit heutigen Mitteln nicht möglich ist, einen Normal
zustand zu erhalten, ist die Schlüssigkeit wissenschaftlicher Erkennt
nisse nicht in allen Fällen gegeben. Für die Praxis ist die Kenntnis
des Aufbereitungsverhaltens deshalb wichtig, weil jeder Gebrauchssand
im Turnus seines Umlaufes einer Vielzahl von Aufbereitungen unterworfen
wird. Jeder Augenblickszustand des Sandes setzt sich je nach Gegeben
heiten während den einzelnen Aufbereitungen als Summenwert der Einzel
prozesse und aus seinem Verschleißverhalten zusammen. Natur- und syn
thetische Sande unterliegen den gleichen Gesetzmäßigkeiten, deren Ein
flußnahme jedoch sehr unterschiedlich sein kann. Hierbei spielen das
Sandkorn nach Größe, Verteilung und Beschaffenheit, die Art und Menge
des Tones, Formstoffzusätze, die thermische Beanspruchung des Sandes
und die konstruktiven Merkmale des Aufbereitungsaggregates eine wesent
liche Rolle.
Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurden die grundlegenden Gesetzmäßig
keiten in umfangreichen Untersuchungen an dem reinen System Quarzsand
Bindeton-Wasser erarbeitet. Der konstruktiven Gestaltung des Aufberei
tungsaggregates wurde keine besondere Beachtung geschenkt. Zu diesem
Thema wird auf eine andere Veröffentlichung verwiesen [3J. Die Verfas
ser waren lediglich an dem Verhalten des Formsandes bei knetender und
mischender Aufbereitung interessiert. Hierzu wurden ein Laborkollergang
der Firma Georg Fischer, Schaffhausen, und ein Labormischer der Firma
Vogel und Schemmann, Hagen, eingesetzt. Untersucht wurden Festigkeit,
Durchlässigkeit und Raumgewicht von grünen Sanden.
Jeder Formsand bekommt durch eine bestimmte Aufbereitung charakteri
stische Eigenschaften aufgezwungen, die er bis zu einer weiteren Auf
bereitung beibehält. Die Untersuchung dieses Aufbereitungszustandes an
Hand der technologischen Eigenschaften des Sandes kann daher nur er
folgen, wenn dieser im Verlaufe der Sandaustrocknung nicht mehr gestört
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wird. Es hat sich gezeigt, daß schon eine Verdichtung des Formstoffes
zu einer Veränderung des Aufbereitungszustandes führt, so daß ein ein
mal verdichteter und geprüfter Sand nicht mehr für weitere Untersuchun
gen verwendet werden sollte. Jede Änderung des Wassergehaltes nach der
Aufbereitung ändert zwar die technologischen Eigenschaften in weiten
Grenzen, doch sind diese Änderungen systematisch und übersichtlich.
Festigkeit, Durchlässigkeit und Raumgewicht sind vom Wassergehalt direkt
abhängig, so daß jede Änderung des letzteren eine gleichzeitige syste
matische Änderung aller drei Eigenschaften zur Folge hat. Man kann daher
den Wassergehalt für derartige Untersuchungen unberücksichtigt lassen
und die Eigenschaften jedes beliebigen Sandzustandes direkt gegenein
ander diskutieren. Erst die Beobachtung einer gleichzeitigen Änderung
mehrerer Eigenschaften als Funktion der Aufbereitungsbedingungen führt
zu den Überlegungen, die nachfolgend dargestellt werden. Um das Ver
ständnis zu erleichtern, werden die Gesamtauswertung der Untersuchungen
und die Schlußfolgerungen der Verfasser vorgezogen und erst dann die
Versuchsergebnisse unter Bezugnahme auf diese Grundgedanken diskutiert.
Wesentlich für die Eigenschaftsänderung von Formsanden, wie sie als
Funktion der Aufbereitungsbedingungen auftreten, ist die "Härte" der
Aufbereitung. Sie wurde als wichtigste Größe erkannt.
Es sind zwei Grundtypen einer Aufbereitung zu unterscheiden, die mischen
de und die knetende Behandlung des Formsandes. Beide Arten sind nicht
streng voneinander zu trennen, da auch eine mischende Aufbereitung im
Schaufelmischer unter dem Eigengewicht des Sandes bereits eine Knet
wirkung ergibt, die im Vergleich zu der einer knetenden Aufbereitung
allerdings geringer ist. Letztere wird bewußt durch den Einsatz von
Knetwalzen vorgenommen. Während man bei einer mischenden Behandlung des
Sandes also nicht von einer Härte der Aufbereitung spricht, kann sich
diese bei der knetenden Aufbereitung in sehr weiten Grenzen ändern und
entsprechend Einfluß nehmen.
Die Härte einer knetenden Aufbereitung hängt ab
1. von den konstruktiven Gegebenheiten des Aufbereitungsaggregates,
hier in erster Linie von der Knetwirkung der Walzen und dem Einsatz
gewicht des Formsandes im Kollergang. Mit abnehmender Menge Sand im
gleichen Aggregat wird der spezifische Walzendruck pro Sandeinheit
größer und die Aufbereitung härter.
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2. von den Eigenarten des Formsandes selbst. Hier sind von Bedeutung:
a) das Quarzkorn nach Form, Größe, Verteilung und Oberflächen
beschaffenheit,
b) die Plastizität der Mischung als Funktion von Art und Menge des
Bindetones und des Aufbereitungswassergehaltes. Hierunter ist
der Feuchtigkeitsanteil im Sand w&hrend der Aufbereitung zu ver
stehen. Die Härte der Aufbereitung steigt mit abnehmender Plasti
zität des Sandes, also mit sinkendem Aufbereitungswassergehalt.
Neben der Härte ist die Dauer der Aufbereitung, im folgenden als Koller
zeit bezeichnet, eine wichtige Einflußgröße. Verständlicherweise ist
die Kollerzeit ein relativer Begriff, da es schnell- und langsamlaufen
de Aggregate gibt. Alle Untersuchungen zu dieser Arbeit wurden aber mit
den gleichen Maschinen durchgeführt und sind somit vergleichbar. Mit
entsprechender zeitlicher Verschiebung dürften die Ergebnisse auf ande
re Verhältnisse übertragbar sein.
Die Arbeit befaßt sich also mit den Änderungen der Grüneigenschaften
von Formsanden als Folge einer Änderung der Härte der Aufbereitung und
als Funktion der Aufbereitungszeit.
Abbildung 2 zeigt schematisch den grundlegenden Verlauf von Festig
keit, Durchlässigkeit und Raumgewicht in Abhängigkeit von diesen beiden
Größen. Die Eigenschaftskurven verbinden die Maximalwerte von Festig
keit und Durchlässigkeit und die Minimalwerte des Raumgewichtes von
vielen gleichartigen Sandmischungen, die unter den auf der Abszisse an
gegebenen Bedingungen aufbereitet wurden. Nahe dem Minimum des Raumge
wichtes besitzt die Durchlässigkeit eines Sandes ihren Höchstwert. Zur
Aufstellung jeder Eigenschaftskurve ist also eine Vielzahl von soge
nannten Austrocknungskurven erforderlich, denen jeweils der Maximal
bzw. Minimalwert entnommen wird. Eine derartige Austrocknungskurve
stellt die Änderung zweier Sandeigenschaften dar, wenn sich der Feuch
tigkeitsanteil, ausgehend von dem Aufbereitungswassergehalt, durch vor
sichtiges Austrocknen des Sandes an ruhender Raumluft unter ständiger
leichter Durchmischung vermindert. Jede dieser Sandmischungen, an denen
die Eigenschaften bestimmt wurden, ist ihrer Zusammensetzung nach gleich
und unter genau definierten Bedingungen aufbereitet worden. Der da
durch erreichte Aufbereitungszustand wurde im Verlaufe der Austrock
nung nicht mehr gestört.
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