La funzione dei gasatori nel processo di produzione di anime da fonderia

Nel processo Cold-Box per la reazione tra la sabbia e le resine si utilizza un catalizzatore diverso a seconda del tipo di processo adottato.
Un’attrezzatura fondamentale per tutti i processi Cold-Box è il gasatore o generatore, che varia nei componenti a seconda del catalizzatore utilizzato.
Questo impianto è dotato di apparecchiature per trasformare il catalizzatore in vapore, e in alcuni casi, quando necessario, riscaldare l’aria di lavaggio.
Inoltre, dispone di strumenti per monitorare i quantitativi di catalizzatore e aria di lavaggio necessari.

I gasatori sono disponibili in vari tipi, tra cui:

• A gorgogliamento con l’uso di gas inerte
• Ad iniezione meccanica o sotto pressione di gas inerte
• Ad iniezione a tempo

I gasatori con pressioni differenziabili sono i preferibili.

Pressioni di gasaggio

Le condizioni ideali sono raggiunte quando la cassa anima viene progettata in modo corretto:

• La pressione massima durante l’introduzione dell’ammina dovrebbe essere di 0,15-1 bar
• La pressione massima durante il lavaggio dovrebbe essere di 1-2 bar, evitando la fuga di ammina dalla cassa anima

La scelta della pressione del gas è importante perché

• La miscela catalizzatore/gas di trasporto sarà più ricca di ammina se la pressione iniziale del gas è bassa
• La velocità con cui la miscela catalizzatore/aria attraversa l’anima aumenterà se la pressione di lavaggio è alta

L’uso di aria secca è essenziale poiché l’umidità

• Riduce la resistenza meccanica della resina parte B
• Riduce la scorrevolezza dalla miscela e compromette la compattezza dell’anima

Si consiglia di fare attenzione all’umidità, che può provenire da diverse fonti come l’aria di sparo, l’aria di gasaggio/lavaggio e l’aria di trasporto della sabbia.

Gasatore per ammine

Il gasatore, ovvero il generatore di vapore per ammine nel processo ISOCURE, deve essere adeguato al tipo di ammina utilizzata.
Più alto è il punto di ebollizione dell’ammina, maggiore dovrà essere la potenza del gasatore per raggiungere e mantenere costantemente la temperatura necessaria.

• Nel caso di casse d’anima verticali dotate di filtri ben posizionati, la percentuale di ammine da utilizzare, calcolata in base al peso della resina isocianica (parte 2), è del 22-26% per la TEA, del 17-20% per la DMEA e del 20-24% per la DMIPA. Invece, con le casse anima orizzontali, la percentuale aumenta a causa della distribuzione dei filtri, che spesso causa uscite preferenziali
• Il riscaldatore all’interno del gasatore deve mantenere la temperatura dell’aria costante per l’intero ciclo di lavorazione, poiché questa è determinante per la distribuzione dell’ammina nella cassa anima e per ridurre l’emissione di odori sgradevoli
• Una temperatura dell’aria troppo alta può far aderire la resina alla cassa anima e ai filtri, causando interruzioni continue della produzione per la pulizia. Al contrario, se la temperatura è troppo bassa, i tempi di erogazione dell’ammina devono essere aumentati, il che comporta un maggiore quantitativo di ammina richiesto. Per le casse anima in metallo, la temperatura consigliata è di 40/100°C, con un eventuale aumentato se la temperatura della sabbia è inferiore a 15/18°C. Tuttavia, per una giusta impostazione della temperatura, è importante considerare la conformazione e la dimensione delle anime, oltre al tipo di catalizzatore utilizzato, come già detto
• L’impiego eccessivo di ammina può avere un effetto negativo sulla resina, poiché può causare una facile disgregazione della sabbia nelle aree di maggiore concentrazione, che si manifesta sotto forma di macchie bianche sull’anima. Queste macchie bianche possono causare un difetto nella fusione noto come “taccone”
• Durante il processo di gasaggio e lavaggio, è importante che venga mantenuta una pressione minima di 0,2-0,3 bar all’interno della cassa anima per garantire una distribuzione uniforme dell’ammina
• Una pressione di gasaggio e lavaggio troppo elevata potrebbe invece causare la separazione della miscela eccessivamente appiccicosa nella cassa anima
• I tubi utilizzati per il gasaggio e il lavaggio dovrebbero essere il più corti possibile e protetti dal freddo, senza aumentare il loro diametro verso la testa di gasaggio
• Si suggerisce una leggera aspirazione dove le anime appena prodotte sostano
• I materiali compatibili con le ammine includono il nylon, il teflon TFE e FEP, la gomma Viton e l’acciaio inossidabile

Il processo fenolico-iscianico utilizza diverse ammine come catalizzatori, tra cui:

• Trietilammina (TEA): ha un punto di ebollizione molto elevato di 80/90°C e richiede un tempo di reazione lungo, ma ha un basso costo e bassa emissione di odori
• Dimetiletilammina (DMEA): ha un punto di ebollizione di 34/36°C, il che la rende adatta per l’evaporazione a temperature più basse, permettendo una distribuzione più rapida nella miscela sabbia-resina utilizzando solo aria calda, ed ha un costo medio
• Dimetilisopropilammina (DMIPA): ha un punto di ebollizione medio di 64/65°C e ha caratteristiche intermedie tra TEA e DMEA, ma ha un costo elevato
• Dimetilpropilamina (DMPA): ha un punto di ebollizione di 65°C ed è un’alternativa alla DMIPA, con un tempo di reazione adeguato, bassi odori, ma anche un costo elevato.

Gasatore per procedimenti che utilizzano CO2 come catalizzatore

Il sistema fenolico-alcalino utilizza anidride carbonica (CO2) riscaldata come catalizzatore.
Per utilizzare CO2 in una bombola, è necessario dotarsi di un riscaldatore all’uscita del rubinetto della bombola per prevenire il congelamento.
La pressione in uscita deve essere regolata tramite un regolatore di pressione a 4/5 Bar che alimenta un serbatoio mantenuto a una temperatura di 40-50 gradi.
La dimensione del serbatoio dipende dal consumo di CO2 e la pressione all’interno del serbatoio deve essere sempre superiore a quella in uscita.
Un riduttore di pressione di grandi dimensioni (1 pollice) deve essere collegato all’uscita del serbatoio d’accumulo tramite un tubo corto, possibilmente dello stesso diametro, fino alla piastra di gasaggio. Tuttavia, il tubo potrebbe accumulare condensa, quindi è consigliabile posizionarlo in modo inclinato verso la testa di gasaggio o il serbatoio di provenienza per prevenire problemi durante la fase di gasaggio.
E’ importante tenere in considerazione che:

• Per gasare il composto, è consigliabile utilizzare una pressione di 0,8-1 bar e mantenere la stessa pressione durante il gasaggio
• Per ottenere l’indurimento migliore, si possono praticare fori di piccolo diametro (1-2 mm) sulla piastra di gasaggio, posizionati a distanze massime di 8-10 cm
• Durante il gasaggio, non sono necessari molti filtri di scarico; si può tappare solo il filtro corrispondente al foro di gasaggio
• Il tempo di indurimento è veloce, circa 10 secondi per ogni 10 cm di profondità. Per anime e motte di grande spessore, si consiglia di porre dei tubetti alla testa di gasaggio per permettere il passaggio del gas all’interno della forma. In questo caso, non è necessario che la piastra di gasaggio copra l’intera superficie della motta; è sufficiente un dischetto di qualsiasi materiale infilato nel tubetto che entri in contatto con la superficie della sabbia

Caratteristiche e funzionamento del gasatore per anidride solforosa (SO2)

L’anidride solforosa viene fornita in forma liquida tramite bombole o cisterne, riscaldate a 40°C per creare una pressione di 4 bar che convoglierà il liquido nel generatore di vapore attraverso tubazioni apposite.
Il gasatore deve essere equipaggiato con dispositivi in grado di controllare l’emissione dell’anidride solforosa, trasformandola in vapore e mantenendo costante la pressione impostata.
Dopo l’immissione dell’anidride solforosa, è necessario attendere alcuni secondi prima di introdurre l’aria di lavaggio, che deve essere mantenuta a una temperatura costante durante l’intero processo (55/60°C).
La durata dell’operazione dipende dalle esigenze dell’operatore poiché l’indurimento dell’anima avviene nel tempo, grazie alla sola immissione dell’anidride solforosa.

Per evitare la formazione di condensa nelle tubazioni, il tubo di collegamento dalla testa di gasaggio al generatore di vapore deve essere il più corto possibile e senza aumenti di diametro o avvallamenti.
Per ottenere una buona formatura dell’anima durante il gasaggio, i filtri applicati alla cassa anima sono sufficienti anche per questo scopo.
La quantità richiesta di SO2 per 1000 Kg di sabbia varia da 3 a 7 Kg; se il consumo supera questa quantità, è necessario effettuare un’attenta verifica a tutto il sistema.
L’impianto che supporta l’uso del SO2 deve essere costruito con la massima attenzione, utilizzando raccordi che assicurino la massima tenuta; anche se una minima fuoriuscita di gas non è pericolosa per le persone circostanti, potrebbe essere necessario temporaneamente allontanarsi dal luogo.
L’utilizzo del SO2 sarebbe impossibile con un’aspirazione e un abbattitore inadeguati.

Prima dell’emissione in atmosfera, i vapori prodotti da questi sistemi devono essere trattati a seguito dell’aspirazione.
Di solito, gli impianti di abbattimento sono costituiti da una o più torri, attraverso le quali l’aria ricca di vapori di ammina proveniente dalle spara anime è costretta ad attraversare un flusso di soluzione acida che, tenuta in circolazione da una pompa, neutralizza l’ammina e l’aria così depurata viene scaricata in atmosfera.
Solitamente, si utilizzano soluzioni acquose di acido fosforico.
Quando l’impianto è costruito in materiale sintetico adeguato, come polipropilene e/o polietilene, risulta più conveniente l’utilizzo di soluzioni acquose di acido solforico.

• Durante il funzionamento dell’impianto, l’acqua perduta della soluzione neutralizzante subisce un’evaporazione continua e deve essere reintegrata regolarmente con l’aggiunta di acqua pulita
• La sua efficienza viene verificata rilevando continuamente il pH della soluzione neutralizzante: quando il pH supera il valore prescritto dal fornitore dell’impianto, la soluzione deve essere sostituita e conferita per lo smaltimento

Per ottenere un funzionamento ottimale dell’impianto, è necessario seguire alcune indicazioni:

• Inserire una sezione almeno tripla rispetto a quella della linea d’entrata
• Limitare il numero di curve e raccordi il più possibile
• Mantenere la linea di sfiato in una leggerissima pressione o depressione durante le operazioni di sparo e gasaggio
• Installare una trappola per polveri prima dell’impianto di abbattimento dei vapori di ammina

Inoltre, è importante tenere presente che:

• Una pressione troppo elevata all’interno della linea di sfiato può rallentare l’indurimento
• Una depressione eccessiva durante l’indurimento può squilibrare i flussi di ammina all’interno della cassa anima e favorire il deposito di resina sui filtri.

Per migliorare ulteriormente il funzionamento dell’impianto, è consigliabile utilizzare una cappa d’aspirazione accanto alla piastra di sparo, collegata alla linea di sfiato che va all’abbattitore.
Una ulteriore accortezza è quella di sistemare le macchine spara anime in una cabina chiusa.
Durante la formatura possono presentarsi alcuni problemi:

• Lunghi tempi di indurimento
• Anime non completamente indurite dopo il gasaggio
• Pulizia troppo frequente della cassa anima
• Consumo elevato di catalizzatore
• Eccessivo odore di ammina
• Elevato scarto di anime

Dopo aver ultimato il montaggio della cassa anima, l’operatore deve eseguire le verifiche elencate di seguito:

• Controllare la buona pulizia della cassa anima installata sulla macchina e che i filtri passaggio aria non siano ostruiti da residui di sabbia, eventualmente utilizzando prodotti per facilitarne la rimozione
• Verificare che tutti i fori presenti sulla piastra di gasaggio siano aperti, in modo che il gas prodotto dal generatore possa entrare nella cassa anima attraverso il foro di sparata
• Regolare i tempi di ciclo del generatore di gas in base al tipo di anime da produrre
• Assicurarsi che la tramoggia di alimentazione sabbia agglomerata sia carica e effettuare un primo ciclo di caricamento manuale per riempire il serbatoio di sparo
• Verificare il corretto funzionamento dell’impianto di aspirazione o abbattimento
• Attivare il riscaldamento del generatore di gas e attendere che la temperatura raggiunga il punto di taratura. Prima di iniziare la produzione, è consigliabile effettuare alcuni cicli di gasaggio manuale a vuoto per riscaldare parzialmente la tubazione di gasaggio
• Avviare il ciclo di produzione automatica della macchina rispettando la posizione di base

Tempi di indurimento lunghi

La somma delle fasi di entrata del catalizzatore, reazione d’indurimento e lavaggio definisce il tempo d’indurimento.
Tuttavia, nel caso di anime di peso medio e grande, il tempo totale di indurimento non dovrebbe superare il 25% del tempo totale di ciclo di una sparaanime.
A volte si riscontra un tempo d’indurimento troppo lungo con anime di peso elevato, che può essere causato da un gasatore di capacità inadeguata o da un insufficiente dimensionamento della linea di trasporto dell’ammina.
Le anime con spessore fino a 35 cm devono indurire con la stessa velocità delle anime medie se si dispone di un sufficiente volume di ammina.
Aumentare la quantità di ammina e regolare le pressioni a volte è sufficiente per ridurre il tempo d’indurimento.
È consigliabile installare un manometro sulla piastra di gasaggio per impostare le pressioni più adatte per l’indurimento, tra 0,15 e 0,35 bar per la bassa pressione e tra 1 e 2 bar per quella alta.
A volte è necessario modificare i flussi dell’ammina all’interno della cassa anima, agendo sulla posizione e sulla sezione dei filtri.
La sezione totale dei filtri della cassa anima riporta i seguenti valori tipici da considerare:

• 3,5 cm2/kg di miscela per i filtri d’entrata
• 2,8 cm2/kg di miscela per i filtri di sfiato

Anime che dopo il gasaggio risultano non completamente indurite

Dopo il gasaggio, potrebbero verificarsi problemi di indurimento incompleto delle anime.
In questi casi, l’operatore deve prolungare i tempi di indurimento per compensare le zone non indurite.
Il mancato indurimento di alcune parti dell’anima può indicare che il catalizzatore non ha raggiunto le zone interessate durante il ciclo.
La sabbia non indurita tende a rimanere all’interno della cassa anima.
In tali situazioni, si risolve il problema aumentando i tempi di indurimento e intervenendo poi con le modifiche indicate nel punto precedente.

Pulizia della cassa anima troppo frequente

Una corretta progettazione dell’attrezzatura e un adeguato dimensionamento dell’impianto di gasaggio sono necessari per far sì che una cassa anima ben progettata e ben utilizzata lavori per almeno due turni senza richiedere importanti operazioni di pulizia.
Alcune casse anima per elevate produzioni lavorano ininterrottamente per tre mesi con una veloca pulizia durante le pause mensa.

“Appiccicosità alla cassa d’anima”
Questo termine è improprio: si tratta di zone superficiali non ben aderenti all’anima al momento dell’estrazione dalla cassa anima.
Quando il problema si presenta nella parte alta dell’anima, in realtà si tratta di fessurazioni, mentre nella parte bassa dell’anima si verificano depositi di resina.
Questo tipo di appiccicosità non è eliminabile aumentando il distaccante.

• Il difetto di appiccicosità localizzata è più accentuato nelle zone non ben costipate dell’anima, come ad esempio la parte alta di un’anima spugnosa. Un eccesso/tipo di resina nella miscela riduce la scorrevolezza e dà origine a depositi di resina, aggravando questo difetto
• L’appiccicosità dovuta all’intervento dell’alta pressione è molto simile alla precedente e può verificarsi in corrispondenza dei filtri d’entrata. In questo caso, il primo strato indurito di sabbia, non ancora abbastanza spesso, cede sotto l’impatto prematuro dell’alta pressione. Il cedimento si verifica proprio in corrispondenza dei filtri e la crosta superficiale si stacca dal resto dell’anima. Il fenomeno può avvenire sia con casse d’anima a divisione orizzontale che verticale

Eccessivo consumo di catalizzatore

Le casse anima, usate con un’attrezzatura ben progettata e regolata, con filtri ben posizionati, possono lavorare con un consumo medio di DMPA (8/10% sul totale delle resine Cold-Box A+B)
Buona = 1 cc/kg
Tipica = 2 cc/kg
Eccessiva = 3 cc/kg

Un consumo eccessivo di catalizzatore può essere causato da:

• Errata disposizione dei filtri della cassa anima, che permette all’ammina di sfuggire attraverso le sezioni sottili dell’anima
• Filtri sporchi, spesso trascurati, che richiedono una maggiore attenzione sulla pulizia anche con pulitori adeguati che ammorbidiscono il grano indurito e facilitano la sua rimozione
• Bassa pressione di gasaggio, che impedisce all’ammina di distribuirsi uniformemente all’interno della testa di gasaggio
• Sezione complessiva dei filtri di sfiato più grande di quella dei filtri d’ingresso: i vapori di ammina preferiscono le zone dell’anima che presentano minore resistenza. Questo difetto è particolarmente riscontrato nelle casse anima a divisione orizzontale. Il problema è meno frequente nel caso di casse d’anima in cui il flusso di ammina deve attraversare uno spessore di sabbia più elevato: quest’ultimo esercita una contro-pressione sufficiente a favorire la diffusione del flusso di ammina verso i lati
• Eccessiva depressione nella linea di sfiato a valle della cassa d’anima, che riduce la resistenza opposta dalla sabbia al flusso di ammina e impedisce la sua diffusione verso i lati. Durante il gasaggio ad alta pressione, il manometro sulla piastra di gasaggio dovrebbe indicare valori compresi tra +/- 0,07 bar
• Perdite lungo la linea di divisione della cassa anima, o tra la piastra di gasaggio e la cassa anima; l’ammina che fuoriesce non contribuisce all’indurimento della sabbia

Eccessivo odore di ammina

Le seguenti cause sono principalmente responsabili del fastidioso odore ammoniacale intorno agli impianti che utilizzano il processo Cold-Box uretanico:

• Fuoriuscite di ammina liquida dal gasatore: la perfetta tenuta del gasatore e di tutte le sue parti accessorie (tubazioni, guarnizioni, valvole) deve essere verificata per eliminare l’odore dovuto a perdite di ammina liquida; è preferibile mantenere il tutto in leggera depressione
• Fuoriuscite di vapori di ammina in tutto l’impianto: le perdite di ammina nell’impianto, oltre a causare tempi lunghi d’indurimento e un elevato consumo di ammina, sono fastidiose per l’operatore; si deve evitare le contropressioni nelle linee e verificare accuratamente la tenuta dell’impianto
• Residuo di ammina all’uscita dell’anima dalla cassa anima: un odore di ammina appena avvertibile al momento della sformatura è caratteristico di un’anima indurita e lavata adeguatamente. Il non corretto posizionamento dei filtri nella cassa anima o un lavaggio insufficiente sono di solito causa di un eccessivo odore; si può temporaneamente risolvere prolungando i tempi di lavaggio in attesa di poter apportare modifiche all’attrezzatura

Elevato scarto di anime

Il procedimento uretanico Cold-Box consente di ottenere anime con resistenza immediata superiore a quella raggiungibile con altri metodi.
Perciò, un’elevata quantità di anime scartati non è dovuta alla natura del processo Cold-Box uretanico, ma a diverse cause che possono manifestarsi durante la produzione.
Le principali sono:

• Movimentazione sbagliata del dispositivo di estrazione dell’anima dalla cassa anima
• Anima scarsamente compatta, che si rompe in corrispondenza di una zona non adeguatamente pressata: in questo caso, è possibile risolvere il problema regolando la pressione di colata e/o spostando i filtri; anche se la miscela cold-box ha una buona fluidità, l’impianto deve essere progettato con cura
• Miscela invecchiata: appena le resine parte A e parte B vengono mescolate alla sabbia, inizia un processo di indurimento spontaneo lento. La miscela deve essere utilizzata prima che l’indurimento proceda oltre un certo limite per evitare di produrre anime difettosi; tale limite dipende soprattutto dalle caratteristiche della sabbia e dalla temperatura di essa
• Utilizzo di sabbia o aria compressa umida
• Miscelazione scarsa, dovuta a una temperatura troppo bassa dei componenti
• Quantità insufficiente, per il tipo di sabbia utilizzata, di uno o entrambi i componenti
• Squilibrio tra le quantità dei due componenti
• Eccesso di ammina residua all’interno dell’anima