Processo Hot-Box per la produzione di anime da fonderia

Il procedimento Hot-Box è un processo in cui le anime vengono indurite direttamente all’interno della cassa anima, ottenendo una resistenza immediata.
L’indurimento avviene tramite l’apporto di calore, che viene generato elettricamente o con gas.
Il processo è stato sviluppato da Renault intorno al 1960 e prevede l’utilizzo di resine sintetiche fluide come legante e di un catalizzatore che agisce a caldo.

Il processo comprende cinque fasi:

1. La preparazione della miscela (sabbia + legante organico e catalizzatore)
2. Il trasporto del materiale alla macchina sparaanime
3. L’iniezione del materiale nella cassa anima preriscaldata (180-250°C) grazie a riscaldatori elettrici o a gas; per il completo riempimento dello stampo, la pressione di sparo deve essere di 6atm ma ciò causa una rapida usura
4. L’indurimento del materiale a contatto con lo stampo caldo
5. La rimozione dell’anima e il post-indurimento della parte centrale. Dopo la formazione, le anime devono riposare per almeno 2-3 ore; questo per evitare la successiva formazione di bolle durante la colata.

Il processo di formatura Hot-Box prevede l’utilizzo di tre diverse tipologie di leganti: resine fenoliche, ureiche e furaniche.
Le resine fenoliche richiedono una temperatura più elevata per la polimerizzazione e un catalizzatore più potente, e sono adatte per anime che richiedono una elevata durezza o per anime molto sottili, ma presentano difficoltà di sterratura.
Al contrario, le resine ureiche hanno una cottura più rapida e possono essere utilizzate a temperature più basse e consentono l’uso di catalizzatori più blandi. La resistenza meccanica a freddo è però più debole ma a caldo permette una maggiore facilità di sterratura.
Questa resina ha il vantaggio di avere un costo prezzo moderato che permette di abbassare il costo del legante.
Le resine furaniche hanno caratteristiche intermedie e conferiscono buone resistenze meccaniche a freddo e velocità di polimerizzazione.

Per la formatura Hot-Box la sabbia utilizzata deve essere quarzifera, priva di alcali, lavata ed essiccata.
Per ottenere la miscela è necessario aggiungere 1,4-2,3 parti di resina e 0,25-0,45 parti di indurente per ogni 100 parti di sabbia.
L’utilizzo di additivi consente di controllare la fluidità e la stabilità del materiale.
Questo processo offre alta produttività e precisione nella formatura, ma richiede molta energia per il riscaldamento e può generare sostanze nocive.

Il processo implica l’utilizzo di sabbia combinata con resine fenoliche o furaniche e sali di ammonio (fenolureica-furanureica).
Le due opzioni differiscono nel fatto che la resina fenolica è soggetta allo sviluppo di gas ma buona per evitare la formazione di crepe, mentre la resina furanica sviluppa meno gas ed è più rigida, facilitando la formazione di crepe (se durante la fase di colata del metallo l’anima è rigida si possono creare delle crepe con relativa penetrazione del metallo, formando così delle “code di topo” ovvero delle crestine sulla fusione).
Il sistema varia a seconda dello spessore e della configurazione della fusione, ed è necessario preparare la sabbia appena prima dell’uso.
Questo metodo è più adatto per la produzione di anime con spessori e dimensioni ridotte.
Se l’anima fosse troppo grande, il tempo di cottura sarebbe eccessivo.

Per preparare la miscela, sarà necessario utilizzare un mescolatore insieme ad un impianto di formatura Cold-Box.
Il mescolatore più indicato per le soluzioni che contengono solventi è il mescolatore intensivo o a pala radente.
Dopo la mescolazione, la miscela viene convogliata in una cartuccia rimovibile per permettere la pulizia della miscela che si può accumulare al suo interno.
La cartuccia aiuta a convogliare l’aria sulla miscela e a riempire la cassa anima. Infine, la macchina formatrice di tipo Cold-Box, con modifiche adeguate, potrà essere dotata di un sistema di riscaldamento della cassa anima, che può lavorare da 180 a 240°C.

Nel metodo Hot-Box, non basta mescolare la resina con la sabbia e poi indurirla nella cassa anima riscaldata, perché la polimerizzazione del legante sarebbe troppo lenta.
E’ necessario aggiungere un catalizzatore appropriato al sistema, che di solito è un sale ammonico di un acido forte per accelerare il processo.
Anche nel catalizzatore vengono aggiunti degli additivi speciali per accelerare la catalisi, migliorare la lavorabilità della miscela, ridurre le emissioni fastidiose durante l’estrazione dell’anima dalla cassa anima e migliorare la sterratura dopo la colata.

Caratteristiche:

• Si utilizza una miscela di sabbia quarzifera e resine sintetiche fluide con un catalizzatore che agisce a caldo
• La miscela viene sparata a 180°C-250°C sul modello o nella cassa anima riscaldata e qui si indurisce per polimerizzazione
• L’indurimento finale avviene successivamente
• I getti hanno un peso che va da 1 a 100 Kg e una buona finitura superficiale

Svantaggi:

• L’uso di catalizzatori tossici e nocivi
• I costi elevati soprattutto per il riscaldamento della forma
• La possibilità di rigenerazione variabile a seconda del tipo di resina
• Varie problematiche per l’ambiente e la sicurezza degli operatori

Per realizzare la formatura in Hot-Box sono necessari alcuni componenti fondamentali:

• La sabbia, ad esempio, deve avere specifiche caratteristiche mineralogiche, come una struttura monocristallina di quarzo al 99,7%, non più dello 0,2% di argilla, non più dello 0,07% di carbonato di calcio e una granulometria compresa tra 40 e 60 A.F.S; la dimensione dei grani deve essere uniforme e non deve superare un valore medio, mentre la quantità di polveri non deve superare lo 0,02%
• Le resine utilizzate sono termoindurenti di tipo furanico, composte da prodotti di condensazione tra alcool furfurilico, urea e formaldeide
• Il catalizzatore è costituito da una miscela in soluzione acquosa di sali di ammonio e urea tecnica, che si combinano per formare l’acido necessario alle reazioni di indurimento della resina

Per i processi di formatura Hot-Box e Warm-Box, si possono utilizzare tre diverse categorie di leganti: fenolici, furanici e ureici.
I leganti fenolici sono ottenuti dalla condensazione del fenolo con la formaldeide; quelli furanici sono ottenuti dalla condensazione dell’alcol furfurilico con la formaldeide e quelli ureici sono rispettivamente ottenuti dalla condensazione dall’urea con la formaldeide.
Combinando queste resine tra di loro, è possibile creare diverse sotto-categorie di leganti, che sono le più utilizzate in fonderia, come ad esempio:

• Fenol ureici
• Fenol furanici
• Furan ureici
• Fenol furan ureici

Per fluidificare questi leganti, si utilizza una miscela di peci vegetali (resti della lavorazione della cellulosa) e solventi organici non pericolosi.

L’aggiunta del fluidificante alla miscela di sabbia, resina e catalizzatore nel processo Hot-Box consente diverse funzioni:

• L’aumento della scorrevolezza della miscela durante la sparata
• Facilita il distacco dell’anima dalla cassa anima
• Hanno funzione idrorepellente per migliorare la conservazione delle anime nel tempo
• Migliora la sterratura dell’anima dopo la colata
• Previene la rapida essiccazione dell’impasto in presenza di temperature elevate

Il fluidificante viene introdotto nell’impasto o prediluito nel catalizzatore.
Altri additivi vengono aggiunti per migliorare la vita dell’impasto e ridurre l’effetto di asciugatura della sabbia in estate.
In inverno, a volte vengono aggiunti alla fine della giornata di lavoro per mantenere l’impasto “sparabile” fino alla ripresa del turno successivo evitando quindi la pulizia della testa della spara anime, ma ciò comporta un leggero aumento dei tempi di cottura il giorno successivo.

Riassumendo, l’utilizzo della tecnologia Hot-Box offre alcuni vantaggi come:

• La ridotta formazione di gas durante la colata
• La buona resistenza meccanica
• Uno svuotamento soddisfacente del getto
• La produttività è buona quando si lavora con anime sottili

Tuttavia, ci sono anche degli svantaggi, come:

• L’elevato costo delle casse anima in metallo
• La breve durata della miscela in ambienti caldi

Tipi di mescolatori per per la preparazione delle miscele

Per la preparazione delle miscele di sabbia e resina, si utilizzano mescolatori che si possono classificare in tre gruppi. In linea di massima, questi mescolatori possono essere impiegati per tutti i processi che prevedono l’uso di resine liquide sia a caldo che a freddo. Tuttavia, è importante valutare con attenzione le caratteristiche dei mescolatori e scegliere quello più adatto alle proprie esigenze, evitando di acquistare un apparecchio sovradimensionato.
I modelli dei mescolatori sono:

• Intensivi: sono in grado di mescolare in pochi secondi una quantità prestabilita di sabbia (massimo 15/18 kg) con le resine liquide, che vengono dosate attraverso appositi dosatori volumetrici. Questo tipo di mescolatore è adatto per alimentare una sola macchina e la miscela ha una vita di banco limitata
• “A pale radenti” o “molazza”: mescola la sabbia, le resine e l’eventuale catalizzatore tramite delle pale che radono il fondo e le pareti del contenitore. In questo caso, la dosatura della resina può essere effettuata manualmente o in modo automatico.
  Il prodotto è adatto per miscelare resine e silicati ad alta densità. Quando si usa questo tipo di mescolatore, bisogna fare attenzione al tempo di miscelazione, specialmente con temperature ambiente elevate, perché la miscela potrebbe surriscaldarsi e causare la perdita delle proprietà del prodotto. In periodi più freddi, invece, si può allungare il tempo di miscelazione per portare la miscela alla giusta temperatura e migliorare la copertura della sabbia, facilitando la miscelazione per il riempimento della cassa d’anima
• Continui: per ottenere la quantità desiderata di sabbia e resina, grazie a una serranda calibrata e delle pompe dosatrici. Si consiglia di svuotare la coclea ogni volta che il mescolatore viene arrestato, in modo da avere sempre una miscela fresca a disposizione