Il processo Cold-Box nella produzione di anime da fonderia

La tecnologia Cold-Box è un processo di produzione di anime per fusioni in serie che si basa su una reazione tra sabbia e resine a temperatura ambiente, accelerata da un catalizzatore.
E’ stato utilizzato per oltre 50 anni e continua ad essere il principale metodo di produzione di anime grazie alla sua vasta gamma di applicazioni, efficienza e convenienza economica.
Le anime Cold-Box hanno eccezionali proprietà di resistenza e precisione dimensionale, soddisfacendo le esigenze dei getti moderni.
Inoltre, sono costantemente migliorate le caratteristiche tecniche speciali come l’elasticità, la stabilità termica e la ridotta generazione di gas.

I sistemi leganti Cold-Box consentono:

• La migliore qualità delle fusioni
• Spessori delle pareti ridotti al minimo
• Strutture di getti estremamente complessa
• La lavorazione di varie leghe
• Produzione altamente automatizzata

I vantaggi per le fonderie sono:

• Processo consolidato e robusto
• Non è richiesta una cassa anima riscaldata
• Tempi di ciclo rapidi
• Elevata flessibilità nella scelta dei materiali delle attrezzature (plastica, legno, metallo)
• Eccellente durata di conservazione delle anime
• Ottima sterrabilità
• Buona possibilità di rigenerazione della sabbia per le anime
• Minima necessità di aggiunta di legante

Il metodo prevede la trasformazione chimica a temperatura ambiente di una combinazione di sabbia silicea e un agente legante a due componenti. La miscela viene sparata dentro la forma di fusione e attraversata da un catalizzatore.
In particolare, per la tecnologia Cold-Box poliuretanica, si utilizza un legante composto da due resine: una fenolica benzileterica in solventi organici e un poliisocianato in solvente.
I componenti vengono miscelati con la sabbia in una macchina discontinua e poi sparati nella macchina per la produzione di anime. Dopo l’iniezione nella forma di fusione avviene l’aggiunta di un’ammina terziaria (DMEA, DMPA, TEA, DMIPA) e la rimozione del catalizzatore attraverso l’aria. Il catalizzatore è un acceleratore di reazione, ma non viene consumato.

Il procedimento consiste nella polimerizzazione a freddo di una miscela di sabbia quarzifera e legante organico bicomponente. Il catalizzatore estratto durante la fase di gasaggio e successivo lavaggio non può essere scaricato nell’ambiente in quanto l’impatto sarebbe troppo forte. Per ridurre le emissioni, l’aria utilizzata per il gasaggio e il lavaggio viene raccolta e inviata ad un depuratore o scrubber d’abbattimento, dove si utilizza una soluzione acquosa con acido. Il contenuto di legante varia tra lo 0,9 e il 2%, a seconda della finezza della sabbia utilizzata e del tipo di fusione. Utilizzare sabbie con granulometria fine può migliorare le caratteristiche superficiali del getto, ma comporterebbe l’utilizzo di una maggiore quantità di resina e una maggiore difficoltà nello sfogo dei gas.

Il processo di formatura di anime fredde presenta numerosi vantaggi come costi contenuti e un consumo energetico inferiore rispetto all’Hot-Box, buone resistenze meccaniche a temperatura ambiente produttività elevata a causa della rapida induribilità, sterratura ottimale e superfici lisce. Questo processo permette di creare anime di grandi dimensioni uniformemente senza la possibilità di rottura del nucleo; nei processi a caldo si potrebbero invece avere delle rotture a cuore. Tuttavia, le anime create a freddo sono meno stabili termicamente e emettono un odore di ammina durante la formatura.

L’impianto di formatura è composto da tre elementi essenziali:

• un mescolatore per la preparazione della miscela di sabbia e resina
• una macchina sparaanime
• un sistema di gasaggio (gasatore).

Il processo di produzione delle anime denominato Cold-Box è un sistema che non prevede la riscaldatura delle casse anima durante la produzione. Da più di cinquant’anni è una tecnologia molto diffusa grazie alla sua elevata produttività e alla capacità di creare anime di grandi dimensioni. Questo processo rappresenta la scelta privilegiata per la fonderia, in quanto detiene una quota di mercato superiore all’80%.

La preparazione del materiale per la formatura viene effettuata mediante mescolatori discontinui o continui. Si possono utilizzare diversi tipi di sabbie, come quella di quarzo, zirconio o cromite, a patto che non contengano componenti alcalini, in particolare ossidi metallici basici. La sabbia utilizzata non deve superare i 30°C e il tempo di elaborazione non deve superare le due ore. Dopo lo sparo, l’anima viene indurita nella cassa anima mediante una nebbia concentrata di ammina.

Il metodo di produzione di anime con una ridotta necessità di catalizzatore e tempi di gassificazione brevi è fondamentale per l’efficienza economica e l’impatto ambientale. I gasatori devono garantire una dosatura precisa del catalizzatore, generalmente liquidi a temperatura ambiente, che viene trasportato alle zone dell’anima tramite un veicolo come l’aria, in modo che si indurisca in modo uniforme e rapido. L’aria usata per il trasporto deve essere sostanzialmente secca.

Il materiale di legatura è composto da un sistema organico a due componenti, ovvero una resina fenolica (componente 1) e un poliisocianato (componente 2). Questo sistema si indurisce rapidamente a temperatura ambiente in presenza di un catalizzatore, per assicurare all’anima una sufficiente durata per ulteriori manipolazioni.
Il componente 1 è una soluzione catalizzante al 55% di una resina fenolo-formaldeide, dove il solvente serve per diluire la resina altamente viscosa e influenzare proprietà come reattività, resistenza all’umidità e durata della sabbia. Il componente 2 è costituito principalmente da difenilmetano diisocianato o MDI in breve (circa 80%) e viene diluito con solventi per ottenere specifiche proprietà del sistema.

I liquidi utilizzati come diluenti comprendono composti aromatici (nafta) e alifatici, esteri di acidi carbossilici polari, plastificanti, esteri di acidi grassi e silicati organici.

Recentemente si è cercato di limitare le emissioni come odore o sostanze BTX mediante la scelta di solventi specifici. Questi sono stati banditi da molte forme di Cold-Box a causa del loro potenziale di rilascio di BTX. Tuttavia, bisogna considerare che la maggior parte delle sostanze BTX proviene dalla resina fenolo-formaldeide e isocianato che costituiscono circa il 70% di una formula Cold-Box. Quindi, la produzione di BTX è inevitabile a causa della natura chimica di base di un sistema Cold-Box, indipendentemente dalla composizione del solvente. Inoltre, l’origine delle sostanze BTX è controversa. Le alte temperature e gli effetti di riduzione, come in ghisa, possono portare a sostanze organiche che si ricombinano in derivati del benzene tramite intermedi.
Per migliorare l’efficienza sostenibile e economica, una misura efficace è migliorare l’efficienza del legante aumentando la reattività e riducendo la quantità totale di legante utilizzato.

Attraverso innovativi processi di sintesi della resina e combinazioni di solventi mirate, è possibile creare leganti con prestazioni eccezionalmente elevate rispetto ai sistemi convenzionali. Le proprietà meccaniche delle anime di sabbia realizzate con questi sistemi sono comparabili a quelle dei prodotti standard, anche con una riduzione del 25% del legante. La maggiore reattività porta ad un aumento significativo della forza immediata. Questa forza iniziale è spesso un fattore limitante nella produzione di anime. Dopo la loro creazione, le anime devono essere abbastanza resistenti e completamente indurite in tutte le loro parti per poter essere trattate in ulteriori fasi di lavorazione come la manipolazione da parte di robot, la giunzione o il rivestimento.
Nel processo di produzione delle anime, una riduzione del legante ha anche un potenziale di risparmio di ammina significativo. Ciò comporta vantaggi non solo per l’odore, ma anche per i costi dei materiali. Inoltre, la riduzione di ammina nel nucleo migliora la resistenza all’umidità. Aumentare la reattività è quindi un modo efficiente per ottimizzare l’intero processo produttivo delle anime, ad esempio riducendo i tempi di gasaggio o la tendenza ad attaccarsi.
Tuttavia, è importante considerare che l’aumento dell’ammina nel nucleo può avere un impatto negativo sulla resistenza all’umidità.
In definitiva, una maggiore reattività consente di ottimizzare l’intera catena di processo.

Il materiale sabbioso utilizzato può essere nuovo o riciclato, con forme arrotondate o angolari e diverse granulometrie, ma è fondamentale che sia asciutto e privo di polvere.

• Una forma arrotondata delle particelle di sabbia garantisce una maggiore resistenza meccanica con la stessa quantità di resina
• Al contrario, la forma angolare richiede una quantità maggiore di resina a causa della maggiore superficie. Una maggiore finezza delle particelle di sabbia o la presenza di polveri comporta un aumento della quantità di resina necessaria
• L’umidità rappresenta un fattore critico e può essere presente nella sabbia, nell’aria durante lo sparo, nell’aria di lavaggio o durante lo stoccaggio delle anime. La presenza di umidità può causare difetti nella fusione e ridurre il tempo di stoccaggio. Al contrario, l’assenza di umidità è essenziale
  per ottenere anime con buona resistenza meccanica e un tempo ragionevole di stoccaggio
• La temperatura ottimale per l’utilizzo della sabbia è compresa tra 20 e 25°C, ma, può essere accettabile tra 10 e 30°C seguendo le giuste precauzioni durante il processo produttivo
• Con sabbia fredda, la reattività della miscela è più lenta e meno fluida
• D’altra parte, se la sabbia risulta essere troppo calda, durante la fase di miscelazione, possono verificarsi evaporazioni di solventi presenti nelle resine, compromettendo la resistenza meccanica dell’anima e causando l’adesività della resina alla cassa anima
• La miscela di sabbia e resine deve essere utilizzata il più presto possibile, a meno che non si tratti di un processo Cold-Box – epossi/acrilico
• Se il mescolatore serve più macchine, è importante che sia programmato per la quantità e il tipo di miscela richiesto da ciascuna di esse
• La miscela di sabbia non deve essere lasciata nel mescolatore o sui nastri di trasporto, poiché potrebbe indurire, accumulare umidità o essere contaminata da polveri, compromettendo così la durata della vita di banco
• Quando la miscela di sabbia e resine entra nella fase di perdita della vita di banco, non è più utilizzabile e le anime prodotte, anche se apparentemente accettabili, non avranno le proprietà richieste.

È fondamentale prestare attenzione alla conservazione dei materiali impiegati. La fonte di contaminazione più comune è l’acqua. L’acqua rappresenta una questione critica poiché interagisce con la resina componente B, generando CO2. Questa reazione causa la formazione di croste e l’indurimento del prodotto. Per prevenire la contaminazione, è necessario conservare i componenti al riparo dalle intemperie.

Negli anni ’70, le resine autoindurenti venivano modificate per dare il via alla produzione di anime formate a freddo in serie piccole e grandi.
La produzione rapida, la possibilità di utilizzare casse anima in legno o resina e i costi contenuti ne hanno favorito la diffusione.
In seguito, le continue ricerche delle aziende produttrici hanno apportato ulteriori modifiche, contribuendo così a una maggiore espansione del processo che implica l’utilizzo di una resina fenolica e isocianica.
Nell’ambito della produzione di anime adatte a tutti i tipi di metalli, questo metodo è largamente utilizzato ed è stato per lungo tempo il più popolare.
La miscela di sabbia e resine può essere preparata con qualsiasi tipo di mixer.
Una volta che la miscelazione è completata, essa viene trasportata in una tramoggia posizionata sulla macchina di formatura, pronta per essere immessa nella cartuccia o testa di sparo (questi sono fondamentali per un corretto riempimento della cassa anima e vengono generalmente brevettati dai costruttori di macchine).

Tuttavia, con l’evoluzione delle macchine, l’utilizzo della cartuccia è stato ridotto in quanto il tubo che la contiene viene trattato con apposite vernici che impediscono l’accumulo di sabbia sulle pareti e non influiscono sulla funzionalità dello sparo.

• Per quanto riguarda la fase di sparo, si intende l’applicazione di aria pressurizzata a un composto di sabbia tramite l’apertura repentina di una valvola calibrata per volume della cartuccia o della testa di sparo. La testa di sparo è la parte che viene posizionata prima dello sparo sulla cassa anima al fine di ottenere il suo riempimento
• La piastra di sparo, che sorregge il composto pronto per essere introdotto nella cassa anima, deve essere dotata di opportuni fori o alette di dimensioni e configurazioni specifiche per ogni cassa anima o motte da produrre
• Di solito, la piastra di sparo ha uno spessore di 10 mm. In tal caso, il foro o l’aletta devono avere una forma conica per 8/9 mm dalla parte a contatto con il composto, evitando così la presenza di quest’ultimo sulla cassa anima al momento di sollevare la testa di sparo dopo il suo riempimento
• Il posizionamento dei fori o delle asole sulla piastra per il passaggio della miscela dev’essere effettuato in corrispondenza delle zone meno soggette ad usura della cassa anima o motta, e senza essere diretti verso la figura del modello o verso eventuali filtri di evacuazione dell’aria, in quanto ciò potrebbe causare la rottura o la subito chiusura di questi ultimi
• Per il procedimento Cold-Box è importante mantenere pressioni di sparo moderate. Si consiglia di posizionare dei filtri nei punti dove la miscela non è ben pressata. Questi filtri saranno anche utili durante la fase di gasaggio
• Se la miscela non è ben compattata, può formarsi della polvere residua all’interno della cassa anima, che richiederà frequenti pulizie. Se la compattazione della miscela non è adeguata, potrebbe verificarsi l’inclusione di metallo durante la fase di colata.

Il processo fenolico-isocianico prevede l’utilizzo di diverse varietà di ammine come catalizzatori.

In termini tecnici, le ammine più utilizzate per il procedimento fenolico-isocianico hanno specifiche distinte in termini di punto di ebollizione, tempo di reazione e costo.

• Trietilammina (TEA) ha un elevato punto di ebollizione (80/90°C), un tempo di reazione lungo ma un costo contenuto e bassa emissione di odori
• Dimetiletilammina (DMEA) ha un punto di ebollizione più basso (34/36°C), il che la rende più veloce da utilizzare, ha un tempo di reazione rapido ma un costo medio
• Dimetilisopropilammina (DMIPA) ha un punto di ebollizione medio (64/65°C), bassa emissione di odori, ma un costo elevato
• Dimetilpropilamina (DMPA) ha un punto di ebollizione di 65°C, un tempo di reazione accettabile ma un costo elevato e bassa emissione di odori.

Questi leganti sono suggeriti per la creazione di anime e motte con basso livello di emissione di odori.
Sono adatti per tutti i tipi di metalli, ma sono particolarmente raccomandati per l’acciaio.
Questi leganti non sono consigliati per anime complesse, poiché sono resistenti durante la fusione ma fragili durante la manipolazione.
Si adattano alla formazione manuale di anime e massetti, ma non sono molto scorrevoli durante la formazione automatica.
Per la preparazione della miscela, si consiglia l’utilizzo di un miscelatore con pale radiali e dosatori volumetrici.
L’anidride carbonica riscaldata viene usata come catalizzatore.

Per quanto riguarda l’utilizzo con acciaio, questi leganti presentano i seguenti vantaggi:

• Odore ridotto durante la formatura
• Alta resistenza termica durante la colata
• Ottima sterratura

Tuttavia, se utilizzati con metalli diversi dall’acciaio, possono presentare alcune criticità come:

• Problemi nella pulizia della fusione
• Durata di vita limitata della miscela
• Tempo di produzione lungo

Uno dei primi leganti per sabbie, che tuttora viene utilizzato.
La miscelazione è difficile a causa della densità e percentuale di utilizzo elevati.
Questo processo è stato superato da tecnologie più avanzate nonostante sia semplice da attuare.
Tuttavia, viene ancora utilizzato in alcune fonderia di acciaio.
Utilizza CO2 come catalizzatore.

In questo legante sono presenti vantaggi come:

• Conservabilità a lungo termine della miscela
• Costo ridotto del sistema
• Resistenza termica elevata durante la colata
• Possibilità di riciclare la miscela
• Impatto ambientale nullo

D’altro canto, sono presenti anche svantaggi come:

• Scorrevolezza ridotta della miscela nella formatura delle anime
• Difficoltà nella pulizia del getto
• Ricupero della sabbia limitato
• Durata breve della miscela se esposta all’aria
• Sviluppo di gas durante la colata come con altre resine
• Assorbimento di umidità da parte delle anime, rendendone difficile l’utilizzo se non in tempi brevi

La miscela per la colata è composta da sabbia quarzifera legata da una soluzione di silicati di sodio (2-3%) e indurita da anidride carbonica. Gli additivi sotto forma di resine migliorano il processo di compattamento e disgregazione. Il processo di colata consiste nell’insufflare anidride carbonica nella miscela formata.

Le caratteristiche dei getti prodotti sono:

• Peso variabile: da piccole parti a 1000 kg
• Superficie finita in modo superiore rispetto alla fusione in terra

Adatto per produzioni in serie con tempi di realizzo brevi e automatizzabile. Rigenerabile al 40%.

Adatto per la produzione di anime di grandi serie e complesse, è un processo innovativo.
Composto da una miscela di resine epossidiche-acriliche con l’aggiunta di perossido e catalizzato da anidride solforosa.
La velocità di solidificazione dell’anima e la resistenza meccanica iniziale ne permettono un utilizzo immediato che, se automatizzato, consente di lavorare in parallelo con un impianto di formatura automatico anche grazie alla poca pulizia necessaria della cassa anima.
La durata della miscela sabbia-resina è illimitata se protetta dall’umidità e può essere utilizzata anche anni dopo, se accuratamente conservata in un contenitore.
Viene usata l’anidride solforosa (SO2) come catalizzatore.
Il procedimento è flessibile e permette la produzione di anime di piccola e media serie di qualsiasi dimensione.

Se la produzione delle anime viene effettuata con macchine semiautomatiche, il processo sarà rallentato a causa dell’emissione di odore di anidride solforosa (SO2) da parte dell’anima appena prodotta.
L’operatore dovrà quindi attendere il tempo necessario, in base alle dimensioni dell’anima, prima di poterla estrarre dalla cassa anima.
Tuttavia, se la produzione viene effettuata con macchine automatiche, il processo risulta molto efficiente.
È importante utilizzare un mescolatore con pale radenti e dosatori volumetrici per miscelare le resine, poiché queste sono sensibili alle variazioni di temperatura.

Inoltre, il perossido utilizzato nel procedimento non deve in alcun modo entrare in contatto con materiali di rame. Può essere miscelato con la resina o concentrato.

Questo processo presenta molti vantaggi, tra i quali:

• Tempi di produzione minimi
  Compatibilità con tutti i tipi di metalli
  Durata illimitata della vita della miscela
• Elevata scorrevolezza della miscela
• Assenza di pulizia degli impianti (la miscela non indurita può essere riutilizzata)
• Minima pulizia della cassa anima (se non inesistente)
• Nessun tempo di pulizia richiesto alla fine o all’inizio del turno
• Nessuna usura degli impianti di mescolazione e quasi nulla per la cassa anima
• Elevata riduzione dei costi per anime di serie medie e grandi, di piccole e medie dimensioni prodotte con macchine automatiche
• Possibilità di recupero termico o meccanico al 100% della sabbia
• Rispetto ad altri processi, riduzione del 90% delle anime di scarto

Svantaggi del processo:

• Quantità di anidride solforosa elevata (varia in base alle normative regionali), ed inoltre la movimentazione e le connessioni delle bombole richiede una formazione specifica del personale addetto
• Presenza di odore di anidride solforosa durante la manipolazione delle anime da parte dell’operatore
• Si raccomanda un’aspirazione continua vicino all’operatore durante lo stoccaggio
• Presenza di catalizzatori nocivi
• Problemi ambientali e di sicurezza per gli operatori

Il sistema aspirante deve essere installato frontalmente o dal basso rispetto all’operatore per evitare eventuali inconvenienti.

La miscela composta da sabbia quarzifera e un legante bicomponente viene sparata sul modello.
La polimerizzazione di diverse resine sintetiche, attivate da un catalizzatore gassoso a temperatura ambiente, consente la creazione di forme e anime a freddo.
Questo metodo permette la realizzazione di forme di grandi dimensioni senza la necessità di riscaldamento, ma l’aria soffiata può essere riscaldata per accelerare il processo di indurimento.

Peso del getto: da 1 a 100 Kg
Qualità della superficie finale: buona

Per migliorare le prestazioni ambientali del processo Cold-Box, si stanno adottando approcci che mirano a:

• Sostituire componenti dannosi con alternative più sostenibili
• Ridurre la quantità di additivi necessari ottimizzando la tecnologia attuale
• Integrare elementi inorganici nei leganti organici
• Utilizzare additivi che neutralizzino i contaminanti prodotti.

Negli ultimi 20 anni, sono stati introdotti sul mercato processi di produzione di anime alternativi al Cold-Box più attenti all’ambiente, che hanno permesso una diminuzione delle emissioni odorose durante la produzione e una significativa riduzione dei valori di BTX (benzene, toluene, xilene) dopo la colata. Sono stati utilizzati solventi a base di esteri metilici ottenuti da fonti rinnovabili e vegetali, sostituendo i solventi aromatici riducendo le emissioni di CO2.
Inoltre, sono presenti anche prodotti universali che sciolgono i due componenti, la resina fenolica e il poliisocianato, in solventi aromatici o sistemi Cold-Box con solventi a base di silicati, che contengono molecole con composti di silicio al posto di idrocarburi e quindi con un minore contenuto di carbonio, riducendo le emissioni di BTX, BTEX e CO2.

Nelle ultime fasi di evoluzione, molte aziende hanno adottato la più recente generazione di Cold-Box, che si è concentrata sul percorso della riduzione organica. Oltre alla componente di silicato nel solvente, anche la molecola della resina è stata modificata, sostituendo parzialmente i gruppi OH convenzionali con elementi silicatici.
L’utilizzo dei sistemi Cold-Box uretanici richiede una valutazione rigorosa di diversi fattori che influiscono sulla salute, sicurezza e ambiente di lavoro.
Le sostanze critiche, i relativi livelli di esposizione e le precauzioni da prendere sono indicati nei 16 punti della scheda di sicurezza dei tre componenti.

Gli agenti additivi sono fondamentali per ottenere le proprietà desiderate nei risultati di colata e per prevenire eventuali difetti.
Possono essere categorizzati come organici, inorganici o una combinazione dei due.

L’utilizzo di additivi inorganici può avere un impatto significativo sulla riduzione delle emissioni nella fonderia (come ad esempio CO2, inquinanti, odori e fumi).

Vantaggi dell’ultima generazione di additivi:

• L’utilizzo richiede quantità ridotte
• Minima formazione di gas
• Elevata resistenza
• Quasi nessuna tendenza all’erosione
• Eccellente effetto anti-crestine
• In molti casi consentono di evitare la verniciatura delle anime