Auf dem Weg zur nachhaltigeren Gießerei

In den vergangenen vier Jahrzehnten haben Gießereien ihre Recyclingbemühungen erheblich verstärkt. Die Entsorgung von Materialien wie Filterstaub, Sand, Schlacke und feuerfesten Materialien erfolgt jedoch weiterhin größtenteils auf Deponien, oft zu relativ geringen Kosten. In den vergangenen Jahren haben Umweltvorschriften und eine Verringerung der Deponiekapazitäten zu höheren Entsorgungskosten und größeren Haftungsrisiken geführt. Erschwerend kommt hinzu, dass einige Gießereiabfälle nun als gefährlich eingestuft werden, was den finanziellen und regulatorischen Druck auf die Branche weiter erhöht.

Gießereiabfälle

Die britische Regierung hat sich ehrgeizige Ziele gesetzt, um die kommunalen Deponieabfälle bis 2035 auf weniger als zehn Prozent und bis 2045 auf nahezu null zu reduzieren. Diese Ziele sollen die Kommunalverwaltungen dazu zwingen, Deponien zu schließen oder bei Nichteinhaltung mit Strafen zu rechnen. Infolgedessen wird die Entsorgung von Gießereiabfällen über allgemeine Deponien immer schwieriger und teurer.

Derzeit gilt für Gießereiabfälle eine ermäßigte Deponiesteuer von 4,05 Pfund (ca. 4,60 Euro) pro Tonne gegenüber dem Standardtarif von 126,15 Pfund (ca. 143,26 Euro), sofern ihr Glühverlust (LOI) unter 10 Prozent liegt. Die Regierung führt jedoch derzeit Konsultationen durch und könnte diesen ermäßigten Steuersatz abschaffen. Im Falle einer Umsetzung könnten die Entsorgungskosten um das Dreißigfache steigen, was den finanziellen Druck auf die Gießereiindustrie erheblich erhöhen würde.

Abfallannahmekriterien (WAC) und Klassifizierungsprobleme

Die Befreiung von der Deponieabgabe für Gießereisand bietet zwar eine gewisse Erleichterung, hat jedoch keinen Einfluss auf die WAC, die darüber entscheiden, ob Abfall als inert, nicht gefährlich oder gefährlich eingestuft wird. Gießereisand wird zunehmend als gefährlich eingestuft, da er einen hohen Gehalt an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) von über 800 mg/kg oder Phenole aufweist. Die Entsorgungskosten für solche gefährlichen Abfälle können je nach Schweregrad der Verunreinigung zwischen 45,00 und 600,00 Pfund (zwischen 51,12 und 681,60 Euro) pro Tonne liegen.

Gefährlicher Sandabfall kann ohne zusätzliche Behandlung nicht wiederverwendet werden. Viele chemisch gebundene Sandgießereien, die einfache Trockenabrieb-Rückgewinnungsmethoden verwenden, produzieren Sand, der diese Grenzwerte überschreitet. Obwohl diese Vorschriften bereits seit einiger Zeit in Kraft sind, wurde ihre Durchsetzung je nach Standort sehr unterschiedlich gehandhabt. Diese Uneinheitlichkeit ändert sich nun, und Gießereien sehen sich mit einem starken Anstieg der Entsorgungskosten konfrontiert – ein Trend, der sich wahrscheinlich fortsetzen wird, wenn keine proaktiven Maßnahmen ergriffen werden. Gießereien müssen ihre Prozesse überprüfen, um die Menge der anfallenden Abfälle zu reduzieren.

Grünsand-Rückgewinnung

Grünsand-Systeme sind komplex und erfordern ein präzises Gleichgewicht zwischen mehreren Ein- und Ausgängen (siehe Prozesskarte). Da Gussteile immer komplexer und kernlastiger werden, ist die Menge an neuem Sand und Kernsand gestiegen, was zu mehr Abfall und einem höheren Bedarf an Bentonit und kohlenstoffhaltigen Zusatzstoffen geführt hat. Diese Veränderung hat sowohl die Material- als auch die Entsorgungskosten in die Höhe getrieben.

Um dem entgegenzuwirken, wurden Rückgewinnungssysteme entwickelt, mit denen Abfallsand, Bentonit und kohlenstoffhaltige Materialien zurückgewonnen werden können. In den vergangenen Jahren wurden mehrere Technologien entwickelt, um Abfallsand zu reinigen und an die Kernwerkstatt zurückzugeben, wodurch der Verbrauch von neuem Sand und die Belastung der Deponien erheblich reduziert werden konnten.

Nicht-thermische Rückgewinnungsverfahren können jedoch erhebliche Mengen an Staub mit einem LOI von über zehn Prozent erzeugen, wodurch sie nach den geltenden Vorschriften für die Deponierung ungeeignet sind. Dank neuerer Innovationen zur Rehydrierung des hohen Anteils an Bentonit und kohlenstoffhaltigen Materialien im Staub können diese nun wieder in das Grünsand-System zurückgeführt werden, wodurch Abfall und Rohstoffkosten reduziert werden. Alternativ muss das Material in einem Verdünnungsprozess mit Abfallgrünsand gemischt werden, um den Gesamt-LOI unter zehn Prozent zu halten, was jedoch zu einer Verringerung der Gesamtrückgewinnungsmengen führt. Die Art des Rückgewinnungssystems – ob kalt oder mit thermischer Komponente – sollte sorgfältig auf der Grundlage der Art der anfallenden Abfälle bewertet werden.

Kooperative Lösungen und kosteneffiziente Strategien zur Abfallreduzierung

Angesichts der hohen Kapitalkosten, die mit Rückgewinnungstechnologien verbunden sind, können kleine und mittlere Grünsandgießereien von Partnerschaften oder Clustern mit ähnlichen Betrieben profitieren. Durch die Aufteilung der Kosten und durch gemeinsame Investitionen können diese Gruppen wirtschaftlichere Methoden zur Wiederverwertung von Abfallstoffen erforschen – z.B. die Einarbeitung von Grünsand in Asphalt und andere Bauprodukte. Tatsächlich wird Grünsandabfall bereits auf einigen Deponien als Abdeckmaterial verwendet. Für den Erfolg jeder Strategie zur vorteilhaften Wiederverwendung ist es unerlässlich, die Konsistenz zu gewährleisten und eine Kreuzkontamination im Abfallstrom zu verhindern. Die Ära der wahllosen Abfallentsorgung neigt sich rasch dem Ende zu.

Darüber hinaus gibt es mehrere kostengünstige, praktische Maßnahmen, mit denen sich das Gesamtabfallaufkommen reduzieren lässt:

• Verfeinern Sie die Kernkonstruktionen, indem Sie sperrige, überdimensionierte Kerne reduzieren, z.B. durch Aushöhlen schwerer Kerne.
• Überwachen und kontrollieren Sie den LOI- und Methylenblau-Ton-Gehalt, um unnötige Überdosierungen zu vermeiden.
• Recyceln Sie Abfallkernsand und Kernreste aus der Siebung mit einfachen Trockenabrieb-Rückgewinnungsmethoden.
• Verbessern Sie die Planung, um die Anzahl der Werkzeugwechsel zu reduzieren, damit weniger gemischter Kernsandabfall anfällt und weniger Kernabfälle entstehen.
• Testen Sie regelmäßig die Feinanteile des Staubabscheiders auf Methylenblau-Gehalt und LOI, um sicherzustellen, dass die Sandkühlungs- und Absaugsysteme optimal funktionieren.
• Überprüfen Sie regelmäßig Zyklone und Auffangbehälter, um sicherzustellen, dass keine übermäßigen Feinanteile in die Schlauchfilter gezogen werden.

Kernpaketguss und die Abwendung vom Grünsand

In den vergangenen Jahren haben einige Gießereien – insbesondere solche, die Gussteile wie Lkw-Motorblöcke und Zylinderköpfe herstellen – vollständig auf Grünsandverfahren verzichtet. Diese Entwicklung hat zu Anlagen geführt, die nur noch minimale oder gar keine Sandabfälle produzieren. Die meisten dieser Gießereien verwenden große Kernschießmaschinen, um Phenol-Urethan-Kerne zu blasen, wodurch integrierte Kernpakete entstehen, die dann in ein Stützsystem zum Gießen eingesetzt werden.

Durch den Einsatz thermischer Rückgewinnungstechnologien erreichen diese Gießereien einen hohen Grad an Sandwiederverwendung und reduzieren gleichzeitig den Abfall drastisch. Darüber hinaus eröffnet dieser Grad an Effizienz die Möglichkeit, herkömmlichen Quarzsand durch Keramiksande wie Cerabeads zu ersetzen, wodurch schwerwiegende Gesundheits- und Sicherheitsrisiken im Zusammenhang mit alveolengängigem kristallinem Quarzsand beseitigt werden.

Diese Umstellung ermöglicht auch eine bessere Kontrolle der Gusstoleranzen und mehr Flexibilität beim Gusskonstruktionsdesign, insbesondere angesichts der jüngsten Fortschritte im Bereich des schnellen 3D-Sanddrucks und der zellularen Fertigung. Insgesamt stellt der Kernpaketansatz einen bedeutenden Sprung in Richtung eines nachhaltigeren und anpassungsfähigeren Gießereimodells dar.

Herausforderungen für No-Bake-Gießereien

Die meisten Auftragsgießereien im Vereinigten Königreich setzen auf mechanische Abnutzung in Verbindung mit organischen Bindemitteln, vorwiegend alkalischen Phenol-Furan- oder Phenol-Urethan-Systemen. Die Rückgewinnungsraten für diese Systeme liegen in der Regel zwischen 60 und 90 Prozent, wobei ein Großteil des Abfallsandes aufgrund des Vorhandenseins auslaugbarer organischer Verbindungen wie Phenole als gefährlich eingestuft wird.

Der beim Klassifizierungsprozess entstehende Staub ist ebenfalls gefährlich, was die Entsorgung erschwert und Herausforderungen hinsichtlich der Einhaltung von Umweltvorschriften mit sich bringt. Darüber hinaus erschwert die hohe Konzentration organischer Verbindungen im Abfall die Wiederverwendung oder das Recycling durch sinnvolle Wiederverwendungswege, was für Gießereien, die auf diese organischen Bindemittelsysteme angewiesen sind, ein wachsendes Problem darstellt. Die Rückgewinnungsraten können durch die Einführung einer sekundären Zerkleinerung, die Einbeziehung der thermischen Rückgewinnung als Teil des Prozesses oder den vollständigen Ersatz der mechanischen Zerkleinerung auf über 90 Prozent gesteigert werden.

Überlegungen zur thermischen Rückgewinnung und zum Bindemittelprozess

Die thermische Rückgewinnung in Verbindung mit dem Phenol-Urethan-Verfahren bietet die effektivste Methode zur Beseitigung gefährlicher Sandabfälle, da sie organische Verbindungen vollständig aus dem Sand entfernt. Das Ergebnis ist ein sauberes, wiederverwendbares Material, das praktisch keine Einstufung als gefährlicher Abfall erfordert.

Jedes Bindemittelsystem hat jedoch seine eigenen Herausforderungen:

• Furan-Bindemittel: Der thermische Regenerierungsprozess für Furan-Systeme ist zwar effektiv, verursacht jedoch Schwefelemissionen, die Umweltbedenken aufwerfen und Maßnahmen zur Schadensbegrenzung erfordern können.
• Alkalische Phenolbindemittel: Bei Regenerierungsraten von über 90 Prozent kann es zu einer Anreicherung von Kalium- und Natriumoxiden im Sand kommen. Diese Anreicherung kann die Formfestigkeit beeinträchtigen und die Sintertemperatur des Sandes verringern, was sich möglicherweise auf die Gussqualität auswirkt. Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, ist in der Regel eine Zugabe von bis zu zehn Prozent Neusand erforderlich.

Trotz dieser Einschränkungen wird durch thermische Rückgewinnung aufbereiteter Sand – unabhängig von der Art des Bindemittels – nicht mehr als gefährlich eingestuft, was die Entsorgung erheblich erleichtert und die Möglichkeiten für eine sinnvolle Wiederverwendung verbessert.

No-Bake-Gießereien und Innovationen bei anorganischen Bindemitteln

Traditionell haben sich viele britische Auftragsgießereien auf organische Bindemittelsysteme in Kombination mit einer einfachen mechanischen Zerkleinerung zur Sandaufbereitung verlassen, wodurch gefährlicher Abfallsand entsteht, dessen Entsorgung zunehmend komplex und kostspielig wird und dessen Möglichkeiten für eine sinnvolle Wiederverwendung begrenzt sind.

Infolgedessen gewinnen solche anorganischen Bindemittelsysteme als nachhaltigere Alternative an Bedeutung. Obwohl sie bei Verwendung von Standard-Trockenabrieb oft geringere Rückgewinnungsraten erzielen, ist der resultierende Sand nicht gefährlich und deutlich einfacher wiederzuverwenden oder umzufunktionieren.

Dies bietet Gießereien die Möglichkeit, diese Belastungen ohne erhebliche Kapitalinvestitionen zu vermeiden. Darüber hinaus können mit einem doppelten mechanischen Abriebprozess in Verbindung mit Trocknung Rückgewinnungsraten von achtzig bis neunzig Prozent erreicht werden, wenn die anorganischen Bindemittel von John Winter & Co Ltd. verwendet werden.

Andere Gießereiabfälle und Wiedergewinnungs-Potenzial

Über den Sandabfall hinaus erzeugen Gießereien Nebenprodukte aus Schmelz-, Strahl- und Putzprozessen. Diese Ströme können ungenutzte Werte enthalten und erfordern ein intelligenteres Management:

• Staubabscheiderfeinstäube aus dem Elektroschmelzen können oft wiederverwendet werden. Beispielsweise enthalten Dämpfe aus verzinktem Stahlschrott Zinkoxid, das extrahiert und für industrielle Zwecke verkauft werden kann.
• Siliciumdioxidreiche Stäube können ein erhebliches Wiederverwendungspotenzial in der Glas- und Keramikindustrie haben.
• Um das Wiederverwendungspotenzial zu erhalten, ist es entscheidend, staubhaltige Schwermetalle zu trennen, um eine Kontamination anderer Abfallströme zu verhindern.
• Kleinere Gießereien können von einer Bündelung profitieren, um tragfähige Wege zur Wiederverwendung von Filterstaub aus Schmelzbetrieben zu schaffen.
• Aluminiumdross kann zur Metallrückgewinnung eingesetzt werden, wobei jedoch Skaleneffekte wiederum für gemeinschaftliche Anstrengungen sprechen.
• Der Einsatz der John Winter-Flussmittel hilft, den Aluminiumübertrag in die Schlacke zu reduzieren und Schmelzverluste zu minimieren.
• Einige Schlacken-Nebenprodukte sind für Bauanwendungen geeignet, aber die Trennung ist entscheidend – Ofenabfälle mit Schwermetallen müssen getrennt gehalten werden.
• Zusammenarbeit mit Kunden, um Schwermetall-Legierungen (z.B. bleihaltige Rotguss-Legierungen) auslaufen zu lassen. In den USA wird Bismut mittlerweile in Kupfer-Legierungen bevorzugt, wodurch Blei praktisch vollständig eliminiert wird.

Materialauswahl zur Förderung der Wiederverwendung

Um die Wiederverwendung von Abfällen zu fördern und Umweltgefahren zu reduzieren, sollten Gießereien folgende Ansätze prüfen:

• Nicht-kristalline Siliciumdioxid-Feuerfestmaterialien, die eine sichere Entsorgung und Wiederverwendung erleichtern.
• Keramiksande, die den Gehalt an kristallinem Siliciumdioxid in Strahl- und Putzstäuben reduzieren.
• Gute Betriebspraktiken, um Chemieabfälle und Altöle zu minimieren, idealerweise in Zusammenarbeit mit Lieferanten über Recycling- oder Rücknahmesysteme.
• Umstellung auf nicht gefährliche Materialien im gesamten Prozess, wo immer möglich.
• Regelmäßige Audits aller Abfallströme, um Potenziale für Wiederverwendung oder sichere Behandlungsmöglichkeiten zu identifizieren.

Luftemissionen und nachhaltige Alternativen

Gießereien in Europa stehen unter wachsendem Druck, flüchtige organische Verbindungen (VOC) und luftgetragene Schadstoffe wie Formaldehyd zu kontrollieren. Einige Standorte haben Nachverbrennungssysteme installiert, diese haben jedoch einen hohen CO₂-Fußabdruck.

Nachhaltigere Alternativen entstehen

• Anorganische Binder sind im Aluminiumsektor inzwischen weit verbreitet und werden in Eisen-Gussanwendungen getestet, um Emissionen zu reduzieren.
• Produkte wie JWs Winterbond- und Geopol-anorganischen Cold-Box-Systeme enthalten keine VOCs und erzeugen nicht gefährliche Formsande – ideal für die Wiederverwendung.
• JWs Zero-VOC-Trennmittel für Grünsand, darunter:

• PF880 (kohlenwasserstoffbasiert)
• PF990 (pflanzenbasiert), das den CO₂-Fußabdruck erheblich reduziert.

Durch die Implementierung dieser Materialien können Gießereien Luftemissionen und Gerüche nahezu vollständig eliminieren.

Fazit: Umgang mit Gießereisandabfällen

• Nutzung der Möglichkeiten zur vorteilhaften Wiederverwendung erhöhen.
• In fortschrittliche Rückgewinnungstechnologien investieren.
• Nicht gefährliche Prozesse übernehmen, um sichere Wiederverwendung zu ermöglichen.
• Sandabfallmanagement kontinuierlich prüfen und optimieren.

Fazit: Umgang mit Metallurgie- und Prozessabfällen

• Abfälle mit Schwermetallen trennen, um Kreuzkontamination zu vermeiden.
• Mit Kunden zusammenarbeiten, um gefährliche Legierungselemente zu eliminieren.
• Feuerfestmaterialien mit niedrigem Siliciumdioxid-Gehalt verwenden, um Luftbelastungen zu reduzieren.
• Aluminiumdross und Schlacke zurückgewinnen und wiederverwenden.
• Schmelzverluste durch geeignete Flussmittel minimieren.
• Chemieabfälle minimieren – mit Lieferanten an Rücknahmesystemen arbeiten.

Strategische Kernaussage