Additivi in polvere per sabbie: alternative di additivi senza litio per le fonderie di ghisa, acciaio e alluminio

Produttività ed efficienza sono caratteristiche la cui richiesta è sempre costante e in continuo aumento nel settore delle fonderie. Contestualmente, si stanno verificando cambiamenti sociali e politici. La consapevolezza e la sensibilità nei confronti dei problemi ecologici e l’impegno costante rivolto alla protezione dell’ambiente e alla conservazione delle risorse sono temi all’ordine del giorno.

L’obiettivo della società e della politica è abbandonare i classici e collaudati motori a combustione per passare nel breve termine all’elettrificazione dei motopropulsori. Nell’ambito di questo cambiamento, una materia prima sta acquisendo enorme importanza: il litio.

Il litio è un componente chiave per le batterie ricaricabili, ma è anche un componente essenziale degli additivi per sabbie. La situazione delle forniture e soprattutto l’andamento dei prezzi sono difficili da prevedere. Inoltre, le condizioni di estrazione e gli sforzi necessari per la lavorazione in Sud America hanno conseguenze disastrose sia per l’ambiente che le popolazioni locali.

In questo contesto, ci si sta ponendo l’obiettivo di sviluppare nuovi additivi per sabbie privi di litio, in grado di soddisfare le richieste delle fonderie rivolte a ottenere una produzione sostenibile e conveniente in termini di costi. Collaborando da vicino con numerose fonderie, negli ultimi 4 anni sono stati raggiunti notevoli successi. Grazie a questi additivi per sabbie di nuova concezione, le fonderie saranno in grado di continuare a soddisfare i requisiti sia attuali che futuri.

La crescente importanza dell’elettromobilità sta portando a un drastico aumento della domanda di litio per la produzione di batterie. La conseguente carenza di questa materia prima sta costringendo l’industria delle fonderie e i relativi fornitori a perseguire un nuovo orientamento in maniera radicale.

Parallelamente, il tema della sostenibilità e quello della responsabilità sociale, rivestono una priorità elevatissima. Grazie allo sviluppo di una nuova generazione di additivi per sabbie innovativi e privi di litio, che non hanno nulla da invidiare a quelli convenzionali contenenti litio, la quantità totale di litio necessaria per la produzione degli additivi è stata ridotta del 100%.

Necessità di additivi per sabbie nelle fonderie

Gli additivi per sabbie sono essenzialmente divisi in 3 gruppi, in base alla loro composizione e modalità d’azione. Il compito del fornitore è quello di consigliare alla fonderia, in qualità di singolo utente, l’additivo corretto nella corretta percentuale di aggiunta (ricetta della sabbia) per il processo di produzione specifico. In sostanza, possiamo affermare che l’uso di additivi per sabbie non solo è decisivo per mantenere o aumentare la competitività, ma è essenziale per soddisfare i requisiti qualitativi della colata. Particolarmente degne di nota sono le buone proprietà anti-crestina con eccellenti prestazioni, anche laddove le proporzioni di aggiunta additivi sono basse. Alla luce di quanto esposto, non sorprende che l’importanza degli additivi per sabbie sia in costante aumento.

Nuovi tipi di additivi speciali per sabbie senza litio per le fonderie

A seconda dei requisiti tecnologici, si realizza una combinazione di diversi componenti organici e inorganici. Quale componente inorganico, il litio ha dimostrato di essere efficace contro le crestine. Per questa ragione, da oltre 30 anni il litio si è affermato come ingrediente “a tutto tondo” non solo negli additivi inorganici, ma anche in quelli ibridi più recenti.

Date le circostanze, si è reso necessario trovare un’alternativa tecnicamente paragonabile ma priva di litio, che offrisse sicurezza in termini di approvvigionamenti e stabilità in termini di prezzo, fattori che non sono più fruibili quando si utilizzano prodotti contenenti litio. Dopo un’ampia selezione di materie prime alternative, è stata trovata una soluzione, che è stata prima testata per verificarne le proprietà (ad esempio, qualità della superficie, resistenza alla flessione o alla distorsione a caldo, ecc.). Le prime prove eseguite nella fonderia hanno avuto risultati positivi, per cui il nuovo prodotto ha potuto essere ulteriormente testato con prove sul campo.

Gli additivi per sabbie di nuova concezione hanno dimostrato la loro validità sotto molti aspetti:

• riduzione significativa dei difetti di colata che portano a rilavorazioni o scarti,
• riduzione o addirittura eliminazione delle aggiunte di sabbie speciali,
• in determinate condizioni, è possibile realizzare una colata senza verniciatura,
• migliore lavorabilità del metallo con vita degli utensili più lunga,
• possibilità di riduzione dell’applicazione di distaccante,
• ottima scorrevolezza della miscela per stampaggio anime con una buona definizione delle geometrie,
• additivi per fonderie di alluminio che applicano il processo PUCB (Phenolic Urethane Cold Box), con l’obiettivo di migliorare la sterrabilità della sabbia,
• additivi che aumentano la resistenza alla flessione (per anime/forme) per i processi CB, Resol-CO2, Resol-metilformato (MF) consentendo riduzioni del legante.

Maggiore produttività grazie ad attrezzature più pulite (cold box uretano fenolico)

Nonostante l’applicazione di un agente distaccante di provata efficacia, in brevissimo tempo si può formare un accumulo di pece resinosa miscelata a sabbia, soprattutto in prossimità degli spari.

Fino a un certo punto, questo deposito in cassa d’anima è accettato o tollerato. Dopo un determinato numero di cicli, è comunque necessaria un’interruzione della produzione per la pulizia. L’aggiunta dell’additivo riduce significativamente sia i tempi persi rispetto alla produzione standard sia la formazione della pece in cassa anima. Dopo 117 cicli senza effettuare la pulizia della cassa anima e senza interruzione del funzionamento, l’applicazione del distaccante è stata drasticamente ridotta, non vi è stato accumulo di resina e non è stato necessario pulire gli sfiati.

Riduzione dei costi complessivi del processo

Nel campo della produzione col processo cold box, evitare la verniciatura offre probabilmente la più grande opportunità di aumentare la produttività e, con gli additivi, garantire fusioni di alta qualità. Negli ultimi anni, in collaborazione con le principali fonderie, si è lavorato per evitare, ove possibile, il processo di verniciatura. Questo obiettivo è stato raggiunto con successo grazie ai nuovi additivi su numerose colate. La valutazione economica di processo convenzionale tiene conto del costo complessivo della miscela per stampaggio anime, costo degli intonaci, eventuali additivi, eventuali sabbie speciali, i costi di gestione del processo di verniciatura e i costi energetici per i forni di essiccazione.

Di conseguenza, il processo senza verniciatura si è dimostrato significativamente più economico. In futuro, anche le tasse sulla CO₂ prodotta dovranno essere considerate nei calcoli di un potenziale risparmio. A seconda della struttura del forno e delle superfici delle anime/forme, questo elemento potrà comportare costi aggiuntivi a cinque cifre in euro per l’utilizzo di circa 100T. di intonaco a base d’acqua all’anno, a partire dal 2025.

Risparmio sui costi grazie alla sostituzione delle sabbie speciali

Le sabbie speciali sono sia sabbie minerali naturali, sia prodotti sinterizzati e fusi che vengono prodotti in forma granulare. Si distinguono dalle sabbie di silice in particolare per la loro ridotta espansione termica, che risulta significativamente inferiore nell’intervallo di temperatura da 20 a 800 °C.

Nel processo di fusione vengono utilizzate sabbie speciali come la sabbia di cromite, le sfere cave ceramiche, l’andalusite e le sabbie di feldspato. Le quantità aggiunte (di solito dal 30 al 100%) variano notevolmente a seconda delle esigenze specifiche.

Le sabbie speciali sono uno strumento efficace contro i difetti di colata con emissioni di gas e odori ridotte o nulle. Fatto salvo poche eccezioni, non sono recuperabili/separabili e generano elevati costi di smaltimento. Oltre un certo livello di accumulo, l’uso di sabbie speciali può avere un impatto negativo sul sistema a sabbia verde. Inoltre, il costo delle sabbie speciali può subire forti oscillazioni. Le prestazioni delle sabbie speciali restano indiscusse. Tuttavia, è necessario chiedersi se la scelta del materiale di formatura, così come le quantità utilizzate, siano funzionali agli scopi. I costi vengono troppo spesso accettati perché non si riesce a individuare alcuna alternativa per ottenere la qualità desiderata.

Aumento della resistenza nei processi con RESOL-CO2 / RESOL-metilformiato

In genere, l’aggiunta di additivi convenzionali richiede un aumento del legante. Lo sviluppo di un additivo nuovo e brevettato consente di aumentare in modo mirato la resistenza della miscela per la formatura anime. Risulta di particolare interesse per i sistemi leganti come RESOL-CO2 / RESOL-MF, che richiedono elevate percentuali di additivi al fine di ottenere le resistenze alla flessione desiderate, ma sono allo stesso tempo limitati dall’elevata viscosità dei sistemi leganti.

La tecnologia di additivazione di nuova concezione consente di aumentare le resistenze e al contempo di migliorare la fluidità. Anche la ridotta stabilità all’umidità tipica del sistema e la resistenza agli intonaci a base acqua possono essere migliorate con tali additivi.

L’effetto di aumento della resistenza è il risultato della maggiore fluidità della miscela per stampaggio anime (fisica) e della proprietà di formazione di reticolati (chimica) dell’additivo. Quanto sopra si traduce nei seguenti vantaggi per l’intero processo:

• prevenzione dei difetti di fusione, riducendo la quantità di legante,
• consentire o facilitare l’uso di vernici a base d’acqua,
• miglioramento della fluidità e della definizione geometrica (in fase formatura anime),
• miglioramento della sterrabilità dopo la colata e distaffatura,
• eliminazione dei rinforzi nelle anime (ad es. barre di ferro),
• aumento della durata di conservazione delle anime,
• processo produttivo più solido, ovvero un sistema meno sensibile in caso di fluttuazioni di processo.

A seconda dell’obiettivo generale che si desidera raggiungere, questo aspetto può essere controllato attraverso la quantità di legante e/o additivo. In questo modo, l’utente ha a disposizione possibilità senza precedenti per realizzare requisiti specifici utilizzando additivi privi di litio.

Additivi per processo cold-box per il miglioramento della sterrabilità nelle fusioni in alluminio Pur

Per migliorare la distaffatura e la sterrabilità, i fonditori tendono a ridurre i quantitativi di resina e/o a produrre utilizzando sabbie più grossolane. A prima vista, basse quantità di legante sono un approccio economicamente ed ecologicamente valido. La ridotta aggiunta di legante migliora sicuramente la sterrabilità, tuttavia, la movimentazione delle anime diventa critica. Il più delle volte, nonostante gli sforzi, l’intera anima o gran parte della stessa rimane nel getto dopo la colata e la solidificazione. Di conseguenza, i residui dell’anima stessa devono essere rimossi dopo la distaffatura, anche con grandi sforzi. Le scarse proprietà di sterrabilità dei materiali per la formatura di anime con legame CB riducono quindi notevolmente la produttività dei processi di fusione dell’alluminio.

In questo caso, il nuovo additivo che favorisce la distaffatura offre un vantaggio significativo: test pratici hanno dimostrato che il tempo di rimozione di residui d’anima (finitura) può essere ridotto di oltre il 30-50%.

Oltre a questo significativo miglioramento della produttività, la nuova generazione di additivi offre i vantaggi sottoelencati:

• aggiunta di additivi relativamente bassa (circa 0,5-1,5%),
• significativo miglioramento della sterratura,
• possibilità di ridurre, in alcuni casi, il legante,
• additivo inorganico.

Gli additivi in polvere per sabbie senza litio per fonderie

Lo sviluppo della tecnologia di propulsione nel settore automobilistico, che si è indirizzata verso la mobilità elettrica, rende evidente l’importanza della produzione di batterie, ma anche la conseguente dipendenza dal litio come materia prima. Le forniture sono state caratterizzate da enormi aumenti dei prezzi. Inoltre, è importante tenere presente gli effetti disastrosi sulle persone, sugli animali e sull’ambiente che vivono nelle aree di estrazione. Poiché da oltre 30 anni il litio è utilizzato come componente essenziale in molti additivi per sabbie, è stata sviluppata un’alternativa tecnica.

La nuova tecnologia che prevede l’utilizzo di additivi privi di litio offre alle fonderie importanti vantaggi:

• aumento della produttività grazie al miglioramento della sterrabilità nelle fusioni di alluminio,
• risparmio sui costi delle materie prime grazie alla sostituzione di costose sabbie speciali,
• risparmio sui costi di processo e aumento della produttività grazie a cicli di pulizia più brevi,
• risparmio sui costi di processo, risparmio energetico grazie a un ciclo di produttivo privo di verniciatura.

Fonte: In Fonderia – ll magazine dell’industria fusoria italiana