بررسی ضرورت جایگزینی روش قالبگیری سنتی با فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران از دیدگاه فنی و اقتصادی

بررسی ضرورت جایگزینی روش قالبگیری سنتی با فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران از دیدگاه فنی و اقتصادی

سعید کشاورز^*، امیر محرمی، رضا رزمی[1]

^*E-mail addresses: Saeed.keshavaz24@gmail.com

چکیده

در مطالعه حاضر، ضرورت جایگزینی روش قالبگیری سنتی (CO₂) با روش ماسه با رزین فوران با تشریح تفاوت­ها و رویکردهای فنی و اقتصادی ارائه می­گردد. با توجه به استفاده از فرآیند قالبگیری سنتی در اکثر کارخانجات ریخته­گری در کشور در طول سالیان اخیر، طرح جایگزینی این روش با قالبگیری ماسه با رزین فوران باید دارای توجیهات اقتصادی و فنی مورد نظر برای صاحبان این صنعت (ریخته­گری) در کشور باشد. لذا در مطالعه حاضر ابتدا سعی شده است یک مقایسه فنی بین دو فرآیند انجام گردیده و سپس از نظر اقتصادی، واقعیت کارخانجات کنونی کشور و نیاز آنها به تحول اساسی در این صنعت، به زبانی ساده و قابل فهم ارائه گردد. قابل ذکر است تنها در بعد اقتصادی با جایگزین کردن روش سنتی با فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران، کاهش حدود 50 درصدی در هزینه سالیانه قالب را خواهیم داشت. همچنین کاهش 50 درصدی در تعداد نیروی انسانی، افزایش 8 برابری سرعت قالبگیری و بازیافت حدود 90 درصدی ماسه مصرفی از جمله دلایل اصلی ضرورت جایگزینی روش سنتی با فناوری جدید است.

کلمات کلیدی: رزین فوران، ماسه CO₂، توجیه فنی و اقتصادی، بازیافت ماسه برگشتی

1- مقدمه

در کشور ما قالبگیری به روش ماسه با چسب سیلیکات سدیم و گاز کربن دی‌اکسید موسوم به روش CO₂ بسیار پرکاربرد است، چراکه عمده واحدهای ریخته­گری (بالای 99 درصد) که با قالب ماسه‌ای کار می‌کنند به روش سنتی و قالب‌گیری دستی هستند. بنابراین، به علت نبود خط قالبگیری اتوماتیک و سنتی بودن فرآیند قالبگیری، تلفات ماسه زیاد بوده و هزینه خرید و دفع ماسه بسیار بالا است. علاوه برآن به دلیل راندمان و سرعت پایین تولید، مزایای رقابتی بودن تولید قطعات صنعتی در کشور ایران (ارزان بودن نیروی کار، انرژی و مواد اولیه) از بین می­رود. در نتیجه قیمت تمام شده قالب در روش سنتی دو برابر فناوری قالبگیری اتوماتیک ماسه با رزین فوران می­باشد. امروزه نوآوری در فرآیند و محصول برای رقابت شرکت­های تولیدی امری اساسی است. با ورود تکنولوژی­های جدید در زمینه خطوط قالبگیری اتوماتیک و نیمه اتوماتیک، انتخاب مواد اولیه قالب سازگار با این خطوط بسیار ضروری می­باشد. بیان دلایل عمده برای جایگزینی روش قالبگیری ماسه با روش CO₂ با فناوری ماسه با رزین فوران نیازمند تشریح واقعیات صنعت ریخته­گری در ایران است. با تشریح تحلیل­های فنی و اقتصادی در مورد استفاده از فناوری ماسه با رزین فوران پی خواهیم برد که برای نیل به هدف فوق نیاز به یک انقلاب صنعتی در حوزه صنایع ریخته­گری داریم. بیان مشکلات قالبگیری با ماسه با روش CO₂ از قبیل مشکلات عدم احیاء ماسه و هزینه دفع یا مکان انبارش آن، کند بودن فرآیند قالبگیری و در نتیجه کاهش چشمگیر سرعت تولید قطعات، افزایش نیروی انسانی تولید و هزینه­های مرتبط با آن و به تبع آن افزایش خطای انسانی در تولید، فرآیند سخت و طاقت فرسای تخریب قالب و در نتیجه افزایش هزینه تولید تنها بخشی از مشکلات این فرآیند قالبگیری سنتی است که کم و بیش تمامی صاحبان این صنعت به آن اذعان دارند.  در این مقاله، جایگزینی قالبگیری سنتی با فناوری ماسه با رزین فوران و به دنبال آن اتوماتیک سازی خطوط قالبگیری، همان انقلاب صنعتی حوزه ریخته­گری معرفی گردیده که اثرات آن به طور چشمگیر در صنعت ریخته­گری ملاحظه خواهد شد. لذا این ضرورت جایگزینی در قالب دو بحث فنی و اقتصادی تشریح می­گردد.

2- توجیه فنی

برای تشریح مسائل فنی، ویژگی­های فناوری ماسه با رزین فوران به صورت مقایسه­ای با روش قالبگیری سنتی ماسه CO₂، ارائه گردیده است.

 

2-1- افزایش سرعت تولید

افزایش سرعت قالبگیری به طور مستقیم بر افزایش سرعت تولید محصول یک کارخانه ریخته­گری تاثیر می­گذارد. براساس مطالعات و بررسی­های میدانی از کارخانجات ریخته­گری، روش سنتی قالبگیری با فرآیند CO₂ یک روش بسیار کند و زمان بر می­باشد. به طوریکه کل زمان قالبگیری و سفت شدن یک قالب cm 100×100×30 در روش سنتی، حدود 22 دقیقه می­باشد. در حالیکه کل زمان لازم برای قالب مشابه در فناوری ماسه با رزین فوران، 5/4 دقیقه است. در نتیجه با استفاده از فناوری ماسه با رزین فوران، افزایش حدود 5 برابری را در سرعت قالبگیری و در نتیجه سرعت تولید تجربه خواهیم کرد.

2-2- قابلیت بازیافت ماسه

یکی از عمده مشکلات ریخته­گران در روش قالبگیری سنتی، عدم احیاء و بازیافت ماسه برگشتی از خط تولید می­باشد. براساس مطالعات میدانی تمامی صاحبان این صنعت در داخل کشور از این مشکل بزرگ به شدت رنج برده و گلایه­مند هستند. عامل اتصال و استحکام بخشی مخلوط ماسه قالبگیری در این روش، چسب سیلیکات سدیم به همراه گاز CO₂ می­باشد که چسب فوق یک چسب غیرآلی است که به دلیل ماهیت شیشه­ای و دیرگداز خود دارای نقطه ذوب بسیار بالایی می­باشد، در نتیجه  امکان از بین رفتن چسب و احیاء ماسه وجود ندارد. براساس مطالعات پژوهشگران مرکز پژوهشی مواد و انرژی آذربایجان، در اثر حرارت دهی ماسه حاوی چسب سیلیکات سدیم، با افزایش دما به بالای 600 درجه سانتی­گراد، چسب به حالت خمیری درآمده و روی ماسه را پوشش می­دهد و باعث سفتی بیشتر ماسه می­گردد. تصاویر SEM از سطح ماسه­های حاوی چسب سیلیکات سدیم، در شکل 1 نشان داده شده است. اما، در ماسه با رزین فوران به دلیل ماهیت آلی بودن رزین و نحوه ایجاد اتصال و چسبندگی در ماسه (شکل 2)، با اعمال فرآیندهای احیاء (مکانیکی و حرارتی)، بازیافت ماسه حدود 90 درصد انجام می­پذیرد. این در حالی  است که در روش احیاء حرارتی، رزین در دمای بالای 700 درجه سانتی­گراد به طور کامل سوخته و از ماسه جدا می­شود.

شکل 1. تصاویر SEM از مکانیزم اتصال ماسه با چسب سیلیکات سدیم

شکل 2. تصاویر SEM از مکانیزم اتصال ماسه با رزین فوران[1].

 

 

تشریح ویژگی بازیافت ماسه در فناوری ماسه با رزین فوران و مقایسه آن با روش سنتی ماسه CO₂ را می­توان از سه دیدگاه ارائه کرد:

• رفع نیاز خرید مداوم ماسه نو

در روش سنتی به دلیل عدم احیاء ماسه خروجی از خط تولید (ماسه برگشتی)، در خوشبینانه ترین حالت، تنها 50 درصد ماسه آن­هم به عنوان ماسه پشت­بند در قالبگیری استفاده می­گردد. بنابراین خرید ماسه نو در حدود 50 الی 60 درصد در کارخانه همواره مورد نیاز است. در مقایسه با این روش، فناوری ماسه با رزین فوران به دلیل احیاء حدود 90 درصدی ماسه برگشتی از خط تولید و استفاده از آن در بدنه اصلی قالب، نیاز مداوم به خرید ماسه نو را به طور چشمگیری کاهش می­دهد که مزایای اقتصادی آن نیز در بخش توجیه اقتصادی تشریح گردیده است.

• عدم انباشت ماسه

یکی از مهمترین مشکلات ریخته­گران در استفاده از روش سنتی، انباشت ماسه و هزینه­های دفع آن است. به طوریکه در کارخانجات ریخته­گری براساس مشاهدات میدانی همواره انباشتی از ماسه CO₂ که هیچ قابلیت استفاده­ای ندارد، دیده می­شود که منجر به نارضایتی صاحبان این صنعت گردیده است. به طوری­که علاوه بر هزینه دفع، مساحت حدود 1000متر مربع برای تخلیه این نوع ماسه مورد نیاز می­باشد(شکل 3). بنابراین، با استفاده از فناوری ماسه با رزین فوران، نیازی به هزینه دفع و تخصیص مکان برای تخلیه و انبارش ماسه برگشتی وجود ندارد.

شکل 3. دفع و انباشت ماسه برگشتی

• عدم آلودگی محیط زیست

به دلیل حضور چسب­های غیرآلی (سیلیکات سدیم) و عدم احیاء ماسه، انباشتی از ضایعات ماسه برگشتی ایجاد می­گردد. لذا به مرور زمان این ضایعات منجر به بیماری سیلیکوزیس می­گردد که یک بیماری بینابینی ریه است که در اثر تنفس تکه‌های ریز سیلیس ایجاد می‌شود (شکل 4). با گذشت زمان، قرار گرفتن در معرض ذرات سیلیس باعث ایجاد زخم دائمی ریه می­شود که به آن فیبروز ریوی می­گویند]2[. با استفاده از فناوری ماسه با رزین فوران، به دلیل آلی بودن رزین و احیاء بالای 90 درصدی ماسه قالبگیری، انباشت ماسه ایجاد نخواهد شد و در نتیجه آلودگی زیست محیطی ناشی از انباشت ماسه رفع خواهد گردید.

شکل 4. نمای شماتیک از بیماری سیلیکوزیس

2-3- دقت ابعادی، کیفیت سطحی قطعات تولیدی، استحکام و ماندگاری قالب

ریخته­گری با فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران، دقت ابعادی و تکرارپذیری بالایی را فراهم می­سازد. رزین فوران جریان پذیری خوبی داشته و به راحتی با ماسه مخلوط می­شود و در نتیجه قالب­ها و قطعات ریخته­گری­ شده دقیقی از لحاظ دقت ابعادی تولید می­شود[3]. همچنین در قالبگیری ماسه فوران، بعد از ریخته­ گری، قطعاتی با سطح صاف و کیفیت بالا تولید می­شود (شکل 5). در واقع صافی سطح و دقت ابعادی بالا، نیاز به فرآیندهای ماشینکاری و عملیات تکمیلی گسترده پس از ریخته ­گری را کاهش می­دهد. در نتیجه در مقایسه با روش سنتی، کاهش 70 درصدی در زمان شات و تمیزکاری به وجود می­آید. رزین فوران با به حداقل رسانیدن عیوبی مانند تخلخل گازی منجر به تولید یک قطعه ریختگی تمیز و عاری از عیوب ظاهری می­شود. این مزیت به ویژه برای کاربردهایی که در آن زیبایی و کیفیت سطح، قابل توجه است و به حداقل پرداخت سطی نیاز دارند، مهم است. علاوه برآن، قالب­های ماسه فوران استحکام و مقاومت بسیار خوبی در برابر تنش­های مکانیکی از خود نشان می­دهند. رزین فوران خاصیت چسبندگی خوبی دارد که باعث افزایش یکپارچگی قالب در هنگام جابجایی و ریختن می­شود. این استحکام امکان تولید قطعات پیچیده و با حداقل عیوبی مانند کندگی قالب و ماسه ریزی را فراهم می­کند که منجر به بهبود کیفیت قطعه و کاهش نرخ ضایعات می­شود. همچنین قابلیت ماندگاری قالب­های سنتی حداکثر یک روز می­باشد، این در حالی است که در فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران تا چند هفته نیز امکان ماندگاری قالب وجود دارد.

شکل 4. مقایسه سطح قطعات ریخته شده: الف) قالبگیری سنتی. ب) فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران

2-4- سازگاری با اتوماتیک سازی خط قالبگیری و افزایش بهره وری تولید

به دلایل عدم نیاز به کوبش، سیالیت بسیار بالای ماسه و عدم انبساط قالب پس از خودگیری چسب، این فناوری سازگاری بالایی با اتوماتیک سازی خط قالبگیری دارد. خطوط قالبگیری اتوماتیک به دلیل پیشرفت و نیاز صنعت ریخته­گری و سرعت بسیار بالای تولید، تقاضای رو به رشدی را در سالیان اخیر داشته است که نیاز به مواد اولیه قالبگیری سازگار با خطوط اتوماتیک را بیش از پیش آشکار می­سازد. لذا استفاده از مجموعه فناوری قالبگیری اتوماتیک ماسه فوران بهترین انتخاب برای تولید قطعات در کارخانجات ریخته­گری است که افزایش بهره­وری تولید با افزایش کیلوگرم بر نفر ساعت را ارائه می­دهد.

3- توجیه اقتصادی

تدوین طرح توجیه اقتصادی جایگزینی فرآیند قالبگیری ماسه CO₂ با فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران با در نظر گرفتن سه عامل اصلی انجام می­پذیرد:

• هزینه تمام شده یک کیلوگرم قالب (ماسه نو + هزینه حمل و دفع ماسه + هزینه مصرف رزین یا چسب و هاردنر) در دو روش سنتی و فناوری ماسه با رزین فوران با در نظر گرفتن درصد بازیافت ماسه برگشتی.
• حداکثر تعداد نفرات مورد نیاز برای قالبگیری، مونتاژ و تخلیه با توجه به ظرفیت موجود و برآورد هزینه پرسنلی.
• هزینه ابزار و وسایل مصرفی تخریب قالب

در محاسبات طرح توجیهی اقتصادی ابتدا باید میزان مصرف استاندارد رزین و هاردنر آن مشخص گردد. در روش سنتی ماسه CO₂ ، براساس استانداردها و بررسی­های میدانی از مصرف کارخانجات ریخته­گری، میزان مصرف چسب سیلیکات سدیم و گاز CO₂ برآورد گردیده است. در مورد میزان مصرف رزین فوران و هاردنر آن در فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران، استاندارد میزان مصرف، براساس مطالعات و منابع مختلف مقدار 85/0 درصد رزین فوران و 45 درصد وزنی آن هاردنر (سولفونیک اسید ) در ریخته­گری می­باشد که محاسبات طرح توجیهی برای فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران نیز بر این مبنا تدوین می­گردد]4[. البته این نکته مهم قابل ذکر است که در کارخانجات ریخته­گری داخل کشور، به دلایل فنی ازقبیل عدد ریزی ماسه مورد استفاده در قالبگیری، شکل ماسه قالبگیری و میزان استاندارد تجهیزات مورد استفاده در فرآیند قالبگیری (میکسر و …)، پیش بینی می­گردد که میزان مصرف رزین فوران در ابتدا به 9/0 الی 1/1 درصد افزایش یابد.

در مقاله حاضر، برای بررسی، محاسبه و مقایسه دیدگاه اقتصادی یا تدوین طرح توجیه اقتصادی ضرورت جایگزینی قالبگیری ماسه CO₂ با فناوری ماسه با رزین فوران، مثالی واقعی از یک واحد ریخته­گری با تولید سالیانه 2000 تن قطعه تشریح می­گردد. نتایج محاسبات توجیه اقتصادی در جدول 1 تشریح گردیده است.

جدول 1. طرح توجیهی و مقایسه اقتصادی دو روش قالبگیری ماسه CO₂ و فناوری قالبگیری با ماسه با رزین فوران

 

با اعمال فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران (با رعایت استانداردهای فنی موجود) از لحاظ اقتصادی، صرفه­جویی حدود 68,750 ریالی در قیمت تمام شده 1 کیلوگرم قطعه نسبت به روش قالبگیری سنتی CO₂، اتفاق می­افتد که این صرفه­جویی اقتصادی برای تولید سالیانه 2000 تن قطعه، مبلغی بالغ بر 136,000,000,000 ریال برآورد می­شود. اما همانطور که قبلا ذکر گردید، با توجه به عدم رعایت استانداردهای فنی در کارخانجات ریخته­گری سراسر کشور، پیش بینی می­گردد که میزان مصرف رزین فوران در ابتدا به 9/0 الی 1/1 درصد افزایش یابد. در این صورت با توجه به محاسبات انجام گرفته، هزینه 1 کیلوگرم قالب با ماسه فوران، حدودا به 14,000 ریال افزایش خواهد یافت که کماکان حدود 5,000 ریال پایین­تر از هزینه 1 کیلوگرم قالب سنتی با ماسه CO₂ می­باشد.

4- نتیجه ­گیری

تشریح ویژگی­های فنی و اقتصادی دو فرآیند قالبگیری ماسه CO₂ و فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران، ضرورت جایگزینی روش قالبگیری سنتی با فناوری جدید را بیش از پیش آشکار ساخت. وجود مشکلات قالبگیری، پایین بودن سرعت تولید، اتلاف بالای هزینه­ها نتیجه استفاده کنونی از روش قالبگیری سنتی CO₂ می­باشد که با ورود فناوری­های اتوماتیک سازی خطوط قالبگیری، کارخانجات ریخته­گری سراسر کشور در مسیر تغییر فرآیند قالبگیری از CO₂ به فناوری ماسه با رزین فوران قرار خواهند گرفت چون در صورت عدم پذیرش این تغییر، این واحدهای تولیدی در سایه تکنولوژی و پیشرفت، حضور بسیار کمرنگی در چرخه سفارشات و بازار تولید محصول خواهند داشت.

برای نتیجه­گیری بهتر برای صاحبان این صنعت، در ادامه ویژگی­های فنی و اقتصادی فرآیند قالبگیری CO₂ و فناوری قالبگیری ماسه با رزین فوران که در طول مقاله حاضر تشریح گردیده، به صورت مقایسه­ای در جدول زیر ارائه شده است.

جدول 2. نتیجه­ گیری

 

5- مراجع

 Bargaoui, H., Azzouz, F., Thibault, D., & Cailletaud, G. (2017). Thermomechanical behavior of resin bonded foundry sand cores during casting. Journal of materials processing technology, 246, 30-41.[1]

[2] St Vincent’s Public Hospital, ” Silicosis” https://www.svhlunghealth.com.au/conditions/silicosis.

[3] Zhy casting Co, “Exploring the Advantages of Furan Sand Casting in Modern Manufacturing” https://www.zhycasting.com/exploring-the-advantages-of-furan-sand-casting-in-modern-manufacturing.

[4] Vietnam Cast Iron Co, ” What is furan resin sand casting?” https://vietnamcastiron.com/furan-resin-sand-casting.