ITMI20091945A1 - Processo di produzione di sabbie per fonderia - Google Patents
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Description
“PROCESSO DI PRODUZIONE DI SABBIE PER FONDERIAâ€
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un processo di produzione di sabbia per fonderia e all’uso di sostanze per la produzione di tali sabbie.
Nelle tecniche di fonderia, il metallo fuso nei forni viene iniettato o colato in una forma cava, all’interno della quale, solidificando, assume la configurazione e la dimensione della forma stessa.
Con il nome di †sabbia di fonderia†si intende una sabbia impastata con opportune sostanze indurenti e compattanti, adatta ad essere successivamente lavorata per ottenere forme di fonderia desiderate. Attualmente le principali sostanze addizionate alla sabbia per conferire alla stessa resistenza e compattezza sono resine poliuretaniche, furaniche o fenoliche, come descritto nel brevetto EP1531018, oppure poliestere-policarbonato, come descritto nella domanda di brevetto europea EP0472394 e nel brevetto statunitense US5336315. Quest’ultimo in particolare descrive una sabbia per fonderia ottenuta per miscelazione di sabbia con poliestere-policarbonato e silicato di sodio.
Le formulazioni ottenute tramite i procedimenti descritti nei documenti sopra citati rendono però molto difficile o impossibile il riutilizzo della sabbia per procedimenti successivi, in quanto i materiali utilizzati come sostanze indurenti e compattanti non si possono fisicamente separare dalla sabbia. Questo comporta un notevole spreco di materiali e un conseguente aumento dei costi di produzione.
Il brevetto US4416694 descrive la composizione di una sabbia per fonderia composta da sabbia silicea in miscela con silicato di sodio, che ha funzione di legante, e alchilen carbonati in miscela, che fungono da indurenti; la miscela così ottenuta presenta però delle caratteristiche di compattezza e resistenza non sufficientemente elevate.
Sarebbe pertanto desiderabile ottenere una miscela di sabbia e di sostanze leganti ed indurenti avente caratteristiche di compattezza e resistenza elevate, tale per cui la sabbia possa essere successivamente riciclata e impiegata per ulteriori cicli di formatura.
Lo scopo di questa invenzione à ̈ pertanto quello di ottenere una miscela di sabbia per fonderia che presenti elevate capacità di resistenza e di compattezza, di facile preparazione e che permetta di riutilizzare la sabbia per ulteriori processi riducendo in tal modo anche i costi di produzione.
Gli scopi sopra menzionati vengono raggiunti mediante un processo per la produzione di sabbia per fonderia atta alla produzione di stampi, comprendente il mettere in contatto una sabbia con
i. una miscela di PC/EC ≥ 1
ii. una soluzione di silicato di sodio
caratterizzato del fatto che detta soluzione di silicato di sodio ha una viscosità compresa tra 250-300 cps a 20°C, un pH compreso tra 12-13, una densità compresa tra 48-50 ° Bé ed un modulo compreso tra 1,9-2,1.
La soluzione di alchilen carbonati viene utilizzata per permettere l’indurimento della miscela sabbia-silicato, funge da sistema catalitico ed à ̈ composta di etilen carbonato (EC) e propilen carbonato (PC) in miscela. L’andamento e la velocità della reazione catalitica, sono direttamente proporzionali alla quantità e alla composizione della miscela dei due alchilen carbonati, l’EC a temperatura ambiente à ̈ un solido mentre il PC à ̈ un liquido, pertanto l’EC viene utilizzato in soluzione con il PC. L’EC à ̈ il componente che conferisce resistenza e indurimento al sistema, quindi il PC da solo non darebbe i risultati necessari e adatti all’applicazione. Il sistema catalitico comprende quindi PC ed EC, opportunamente combinati nel rapporto desiderato in fase liquida. L’azione catalitica della miscela EC/PC dipende direttamente dal pH dei due componenti, che deve essere stabile e controllato in quanto una diminuzione dello stesso, comporterebbe una riduzione della “vita di banco†.
Con il termine “vita da banco†si intende il tempo che intercorre dal momento dell’impasto alla perdita di lavorabilità della sabbia.
La soluzione acquosa di silicato di sodio viene opportunamente trattata per ottenere quelle specifiche caratteristiche chimico fisiche che ne determinano le successive fasi di reazione quando viene miscelata alla soluzione catalitica indurente composta di EC/PC. Tra queste caratteristiche le più importanti sono:
- Viscosità (cPs): tale parametro deve garantire una fluidità adeguata del composto tale per cui questo possa disperdersi in maniera omogenea nel sistema di formatura. In particolar modo una caratteristica dell’invenzione à ̈ rappresentata dall’aggiunta di una soluzione debolmente acida che permette di ottenere una diminuzione della viscosità senza alterare le altre caratteristiche chimico fisiche del silicato, come al contrario accadrebbe se si operasse con una diluizione con sola acqua oppure somministrando calore.
La viscosità del silicato di sodio puro normalmente utilizzato à ̈ compresa tra 400-600 cPs. Operando l’aggiunta della soluzione debolmente acida, la viscosità diminuisce fino ad arrivare a valori compresi tra 250-275 cPs. (metodo secondo la norma UNI EN ISO 2555:2002)
- Densità (°Bé): questo parametro determina la porzione di silicato, intesa come materiale secco, calcolata attraverso apposite tabelle standard.
Una percentuale elevata di materiale secco à ̈ caratteristica di una soluzione di silicato troppo reattiva, con conseguente perdita di vita di banco durante la fase di formatura. Al contrario una percentuale bassa di materiale secco à ̈ caratteristica di una soluzione di silicato troppo poco reattiva che non à ̈ in grado di garantire l’indurimento necessario alla forma.
Il valore ottimale per ottenere una forma con le caratteristiche desiderate à ̈ compreso tra 48-50 °Bé. (misurata ad una temperatura di 20°C con un densimetro del tipo aerometro della RIDSDALE & CO.LTd.)
- pH: tale parametro ricopre un’elevata importanza. Se il pH non viene controllato il tempo di reazione può essere troppo breve con conseguente diminuzione della vita di banco. Il pH à ̈ inversamente proporzionale al modulo: ad un aumento del modulo corrisponde una diminuzione del pH. Il pH della soluzione acquosa di silicato di sodio à ̈ 12-13.
- Modulo: il modulo esprime il valore del rapporto tra SiO2e Na2O nel silicato di sodio.
L’analisi del modulo permette quindi di calcolare la quantità di soda (Na2O) e di silice (SiO2) all’interno del silicato.
Il valore ottimale del modulo à ̈ compreso tra 1,9-2,1.
La reazione cui à ̈ soggetto il silicato di sodio quando viene a contatto con la miscela di EC/PC, à ̈ denominata reazione di “precipitazione-gelificazione†. In questo tipo di reazione il pH del sistema risultante dal contatto della soluzione di silicato di sodio con la soluzione di EC/PC ha un valore compreso tra 9-11. Ciò à ̈ ottenuto per effetto della soluzione di EC/PC, che presenta un pH di 8, e pertanto abbassa il pH della soluzione di silicato fino a raggiungere i valori desiderati. Al valore di pH desiderato si ritiene che i monomeri di silice si uniscano a formare lunghe catene nelle quali viene ripetuta l’unità SiO2, ottenendosi quindi una fase denominata “Waterglass†. Tale fase presenta proprietà di tenuta ed elevate resistenze coesive adatte a resistere alla forza esercitata dal metallo in colata.
Alla soluzione di silicato di sodio, prima della messa in contatto con la sabbia, si aggiunge preferibilmente una soluzione acida in grado di abbassare ed in seguito stabilizzare il pH contenente un acido forte, quale acido fosforico 75% (H3PO4) o acido cloridrico (HCl), un ritardante di reazione, in grado di controllare la reazione del silicato, quale TEGDA (Triethylene glycol diacetate 2,2-Ethylene Dioxydiethanol Diacetate) o derivati del glicole etilenico, ed un sale derivato da un acido forte e da una base debole, come i Sali d’ammonio (ammonio cloruro NH4Cl). Tale soluzione viene addizionata alla soluzione di silicato di sodio in una percentuale compresa tra il 2-6% calcolata sul totale della soluzione di silicato. Detta soluzione presenta preferenzialmente una composizione secondo la tabella 1.
Tabella 1
SOSTANZA QUANTITÀ %
Acido forte 0,2-1%
Ritardante di reazione 0,5-2%
Sale di acido forte e base debole 0,1-0,2%
Acqua 96,8-98,2%
Per mantenere il modulo della soluzione di silicato compreso tra 1,9-2,1, detta soluzione viene preferibilmente addizionata con una dispersione acquosa di soli di silice amorfa di carbonato di sodio in percentuale rispettivamente comprese tra il 2-6% e dall’1-3% calcolate sul totale della soluzione di silicato.
Anche la temperatura a cui viene effettuata la miscelazione della sabbia con la soluzione legante di silicato di sodio e la soluzione indurente, di alchilen carbonati, ricopre un ruolo importante ai fini della corretto svolgimento della reazione. Tale temperatura dipende principalmente dalla zona climatica nella quale il processo viene realizzato. La difficoltà di mantenere una temperatura costante durante la fase di impastamento della sabbia impone l’utilizzo di soluzioni indurenti contenenti concentrazioni differenti de PC/EC, come riportato in TABELLA 2.
Tabella 2
TEMPERATURA °C % PC/EC
< 5-9 °C 50%PC 50%EC
9-19 °C 75%PC 25%EC
TEMPERATURA °C % PC/EC
19-30 °C 87,5%PC 12,5%EC
> 30 fino ad un massimo di 35 °C 92,5%PC 7,5%EC
Il sistema catalitico descritto in relazione alla presente invenzione à ̈ adatto ad essere utilizzato con numerosi tipi di sabbia comunemente adoperati nella preparazione di forme per fonderia. In particolare si possono utilizzare sabbia di olivina, sabbia silicea e sabbia di cromite sia nuove, ovvero mai utilizzate per processi di fonderia, sia rigenerate, ovvero sabbie già utilizzate in processi di formatura precedenti e riciclate eliminando le componenti leganti dalla sabbia stessa. L’impasto della sabbia con i componenti della miscela catalitica à ̈ di facile realizzazione, in quanto à ̈ sufficiente mescolarli per mezzo di un miscelatore per impasti industriali.
Vengono di seguito illustrati a titolo esplicativo e non limitativo alcuni esempi realizzativi della miscela di sabbia per fonderia secondo l’invenzione descritta.
ESEMPI
La miscela viene preparata utilizzando come miscelatore una molazza tipo MIXMULLER SIMPSON in cui viene caricata la quantità di sabbia desiderata, si procede quindi con l’aggiunta della soluzione di PC/EC, assicurando il tempo di miscelazione necessario al fine di evitare la formazione di zone a concentrazione elevata di catalizzatore, che porterebbero alla formazione di forme con caratteristiche di coesione non uniforme. Il secondo passaggio prevede l’aggiunta della soluzione legante contenente silicato di sodio tamponato, assicurando in questo caso un tempo di miscelazione ridotto per evitare che la reazione di polimerizzazione del silicato abbia inizio nella molazza. L’indurimento dell’impasto ottenuto avviene in un tempo definito vita di banco, à ̈ necessario quindi procedere alla formatura dello stampo all’interno della vita di banco dell’impasto, ovvero prima che l’impasto perda la sua lavorabilità .
ESEMPIO 1
1) 1,5 Kg di miscela di sabbia di olivina 80%rigenerata/20%nuova
2) 0,3% (calcolato sul peso della sabbia) di miscela di alchilen carbonati composta da 87,5% di PC e da12,5% diEC
3) 3% (calcolato sul peso della sabbia) di una soluzione a base di silicato di sodio avente la seguente composizione:
® 90% di Na2Si3O7rapp.2
® 4% di dispersione acquosa di soli di silice amorfa
® 2% di Na2CO3
® 4% di soluzione acida di correzione del pH contenente H2O 98,35%, H3PO475% 0,5%. NH4Cl 0,15%, TEGDA 1%
Tempo di molazza sabbia PC/EC = 1 minuto.
Tempo di molazza (sabbia PC/EC) soluzione a base di silicato di sodio = 40 secondi Peso provino152 g
Grado di compattazione = 3 colpi maglietto GF
Temperatura ambiente = 34 °C
Temperatura sabbia = 34 °C
Temperatura miscela = 33 °C
Umidità ambiente = 70%
Nella tabella seguente vengono riportati i dati di resistenza (metodo secondo la norma UNI 4628:1976 ritirata senza sostituzione il 28.01.2009) del provino realizzato secondo l’esempio descritto entro una vita di banco di 10-11 minuti
Tabella 3
TEMPO Kg/cm<2>
45 minuti dopo la formatura dello stampo 16
2 ore dopo la formatura dello stampo 28
24 ore dopo la formatura dello stampo 68
Il grafico seguente mostra l’andamento delle resistenze dell’esempio sopra illustrato.
Grafico 1
80 Kg/cm2
70
60
50
40 resistenze (kg/cm2) 30
20
10
0
45 min 2 ore 24 ore t
La tabella ed il grafico seguente mostrano l’andamento della vita di banco della sabbia di
fonderia con la composizione dell’esempio 1. I risultati ottenuti indicano una vita di banco di
10-11 minuti Valori di vita di banco ottimali mostrano una resistenza alla compressione del
provino realizzato non inferiore al 20 – 25 % del valore di resistenza ottenuto dalla lettura
delle 2 ore del provino realizzato per valutare la resistenza massima.
Tabella 4
TEMPO VITA DI BANCO TEMPO LETTURA Kg/cm<2>
8 minuti 2 ore e 8 minuti 33
10 minuti 2 ore 8 minuti 24
12 minuti 2 ore 8 minuti 18
Il grafico seguente mostra l’andamento delle resistenze dell’esempio sopra illustrato.
Grafico 2
Kg/cm2
35
30
25
20
resistenze (kg/cm2) 15
10
5
0
8 min 10 min 12 min t
ESEMPIO 2
1) 3 Kg di sabbia di cromite nuova
2) 0,25% (calcolato sul peso della sabbia) di miscela di alchilen carbonati composta da 87,5% di PC e da12,5% diEC
3) 2,5% (calcolato sul peso della sabbia) di una soluzione a base di silicato di sodio avente la seguente composizione:
® 90% di Na2Si3O7rapp.2
® 4% di dispersione acquosa di soli di silice amorfa
® 2% di Na2CO3
® 4% di soluzione tampone contenente H2O 98,35%, H3PO475% 0,5%. NH4Cl 0,15%, TEGDA 1%
Tempo di molazza sabbia PC/EC = 1 minuto.
Tempo di molazza (sabbia PC/EC) soluzione a base di silicato di sodio = 40 secondi Peso provino 275 g
Grado di compattazione = 3 colpi maglietto GF
Temperatura ambiente = 34 °C
Temperatura sabbia = 34 °C
Temperatura miscela = 33 °C
Umidità ambiente = 70%
Nella tabella seguente vengono riportati i dati di resistenza (metodo secondo la norma UNI 4628:1976 ritirata senza sostituzione il 28.01.2009) del provino realizzato secondo l’esempio descritto entro una vita di banco di 10-11 minuti
Tabella 5
TEMPO Kg/cm<2>
45 minuti dopo la formatura dello stampo 14
2 ore dopo la formatura dello stampo 24
24 ore dopo la formatura dello stampo 62
Il grafico seguente mostra l’andamento della resistenze dell’esempio sopra illustrato.
Grafico 3
Kg/cm2
70
60
50
40
resistenze (kg/cm2) 30
20
10
0
45 min 2 ore 24 ore t
La tabella ed il grafico seguente mostrano l’andamento della vita di banco della sabbia di fonderia con la composizione dell’esempio 2.
Tabella 6
TEMPO VITA DI BANCO TEMPO LETTURA Kg/cm<2>
8 minuti 2 ore 8 minuti 24
10 minuti 2 ore 8 minuti 20
12 minuti 2 ore 8 minuti 16
Grafico 4
Kg/cm2
30
25
20
15 resistenze (kg/cm2) 10
5
0
8 min 10 min 12 min t
ESEMPIO 3
4) 1,5 Kg di sabbia silicea nuova
5) 0,3% (calcolato sul peso della sabbia) di miscela di alchilen carbonati composta da 87,5% di PC e da12,5% diEC
6) 3% (calcolato sul peso della sabbia) di una soluzione a base di silicato di sodio avente la seguente composizione:
® 90% di Na2Si3O7rapp.2
® 4% di dispersione acquosa di soli di silice amorfa
® 2% di Na2CO3
® 4% di soluzione tampone contenente H2O 98,35%, H3PO475% 0,5%. NH4Cl 0,15%, TEGDA 1%
Tempo di molazza sabbia PC/EC = 1 minuto.
Tempo di molazza (sabbia PC/EC) soluzione a base di silicato di sodio = 40 secondi Peso provino152 g
Grado di compattazione = 3 colpi maglietto GF
Temperatura ambiente = 34 °C
Temperatura sabbia = 34 °C
Temperatura miscela = 33 °C
Umidità ambiente = 70%
Nella tabella seguente vengono riportati i dati di resistenza (metodo secondo la norma UNI 4628:1976 ritirata senza sostituzione il 28.01.2009) del provino realizzato secondo l’esempio descritto entro una vita di banco di 10-11 minuti
Tabella 7
TEMPO Kg/cm<2>
45 minuti dopo la formatura dello stampo 21
2 ore dopo la formatura dello stampo 24
24 ore dopo la formatura dello stampo 60
Il grafico seguente mostra l’andamento delle resistenze dell’esempio sopra illustrato.
Grafico 5
Kg/cm2
70
60
50
40
resistenze (kg/cm2) 30
20
10
0
45 min 2 ore 24 ore t
La tabella ed il grafico seguente mostrano l’andamento della vita di banco della sabbia di fonderia con la composizione dell’esempio 3.
Tabella 8
TEMPO VITA DI BANCO TEMPO LETTURA Kg/cm<2>
8 minuti 2 ore 8 minuti 23
10 minuti 2 ore 8 minuti 18
12 minuti 2 ore 8 minuti 12
Grafico 6
Kg/cm2
30
25
20
15 resistenze (kg/cm2) 10
5
0
8 min 10 min 12 min t
I valori di resistenza ottenuti negli esempi sopra indicati confrontati con i valori di resistenza ottenuti operando come indicato nell’esempio 7 del brevetto US 4416694 (colonna 11 riga 39) indicano che la sabbia preparata con il processo dell’invenzione permette di ottenere forme aventi resistenze alla compressione superiori. In particolare dal confronto della sabbia secondo l’esempio 1 dell’invenzione con l’esempio 7 del brevetto US 4416694 si possono assumere i valori riportati nella tabella seguente:
Tabella 9
RESISTENZE ALLA COMPRESSIONE (Kg/cm<2>)
ESEMPIO 1
TEMPO ESEMPIO 7 US 4416694
INVENZIONE
45
16 7,5 (40 minuti) – 8,1 (50 minuti) minuti
30,8 (con disidratazione della sabbia) – 13.8 (senza 24 ore 68
disidratazione della sabbia)
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1. Processo per la produzione di sabbia per fonderia, comprendente il mettere in contatto una sabbia con: i. una miscela di propilen carbonato (PC) / etilen carbonato (EC) ≥ 1 ii. una soluzione di silicato di sodio caratterizzato del fatto che detta soluzione di silicato di sodio ha una viscosità compresa tra 250-300 cps a 20°C, un pH compreso tra 12-13, una densità compresa tra 48-50 °Bé ed un modulo compreso tra 1,9-2,1.
- 2. Processo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato del fatto che detta soluzione di silicato di sodio comprende una dispersione acquosa di soli di silice amorfa e carbonato di sodio in quantità rispettivamente comprese tra il 2-6% e dall’1-3% in peso.
- 3. Processo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato del fatto che a detta soluzione di silicato di sodio viene aggiunta, prima della messa in contatto con detta sabbia, una soluzione acida di correzione del pH in quantità compresa tra il 2% e il 6% in peso rispetto al peso di della soluzione di silicato di sodio, detta soluzione acida di correzione del pH comprendendo: - Un acido scelto tra acido cloridrico e acido fosforico in quantità compresa tra lo 0,2% e l’1% in peso. - Un agente ritardante di reazione scelto tra i derivati del glicole etilenico in quantità compresa tra lo 0,5% e il 2% in peso. - Un sale derivato da un acido forte e una base debole scelto tra i sali d’ammonio in quantità compresa tra lo 0,1% e lo 0,2% in peso. - Acqua in quantità compresa tra il 96,8% e il 98,2% in peso.
- 4. Processo la rivendicazione 1, caratterizzato del fatto che detta miscela di PC/EC Ã ̈ in un rapporto compreso tra 1 e 15.
- 5. Processo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la sabbia usata per la produzione di sabbia di fonderia comprende una sabbia riciclata da una sabbia di fonderia usata.
- 6. Uso di una soluzione di silicato di sodio con viscosità compresa tra 250-300 cps a 20°C, pH compreso tra 12-13, densità compresa tra 48-50 ° Bé ed modulo compreso tra 1,9-2,1 per la produzione di sabbia di fonderia.
- 7. Uso secondo la rivendicazione 6, in cui detta soluzione di silicato di sodio à ̈ caratterizzata dal fatto di comprendere una dispersione acquosa di soli di silice amorfa in quantità compresa tra il 2-6% in peso, carbonato di sodio in quantità compresa tra e l’1-3% in peso e di essere ottenuta per aggiunta di una soluzione acida di correzione del pH comprendente: - Un acido scelto tra acido cloridrico e acido fosforico in quantità compresa tra lo 0,2% e l’1% in peso. - Un agente ritardante di reazione scelto tra i derivati del glicole etilenico in quantità compresa tra lo 0,5% e il 2% in peso. - Un sale derivato da un acido forte e una base debole scelto tra i sali d’ammonio in quantità compresa tra lo 0,1% e lo 0,2% in peso. - Acqua in quantità compresa tra il 96,8% e il 98,2% in peso.
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| ITMI2009A001945A IT1396601B1 (it) | 2009-11-06 | 2009-11-06 | Processo di produzione di sabbie per fonderia |
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|---|---|
| IT (1) | IT1396601B1 (it) |
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- 2009-11-06 IT ITMI2009A001945A patent/IT1396601B1/it active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| IT1396601B1 (it) | 2012-12-14 |
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