Swerea SWECAST AB Status
Öppen
Projekt nr Projekt namn
1222 COMPIS - Lättviktsflaskor i kompositmaterial
Författare Rapport nr
Utgåva
Datum
Åsa Lauenstein 2016-006 2016-09-30
Adress/Address Telefon/Telephone Telefax/Fax E-post/E-mail
Sammanfattning
Formflaskor för metallgjutning utsätts för hårda prövningar i form av höga temperaturer, direktkontakt med smält metall, fysisk påverkan och i viss mån kemiskt aggressiva ämnen. De tillverkas normalt i stål, något som gör dem tunga och svårhanterade. Syftet med detta projekt var att utvärdera hur en lättare gjutflaska, tillverkad i komposit, fungerar genom gjutprocessen, vilka krav som ställs på material och utformning, och vilka positiva effekter en kompositflaska skulle ha på gjutprocess, kostnadsbild och arbetsmiljö.
Projektet inleddes med att en kravspecifikation för applikationen togs fram. En gjutflaska av polymerkomposit tillverkades som demonstrator. Därefter utfördes praktiska försök och resultaten utvärderades. Redan vid kravställningen konstaterades att det aktuella materialet knappast skulle uppfylla kraven på värmetålighet. Trots detta genomfördes studien i syfte att ta fram och utvärdera en arbetsmetodik med det huvudsakliga målet att studera hur arbetsmiljön i gjuteriprocessen skulle påverkas genom användning av lättare gjutflaskor.
Vid gjutförsöket visade sig såväl värmeresistens som mekanisk hållfasthet otillräckliga för applikationen. Den slutliga viktminskningen för flaska, form och gjutgods tillsammans uppskattades dock till 10-30%. Det bedöms därför finnas en viss potential i konceptet, men ett nödvändigt nästa steg är att definiera ett alternativt kompositmaterial med de definierade egenskaperna.
Summary
Casting flasks for sand moulds are exposed to elevated temperature, sometimes direct contact with molten metal, physical damage, and chemical substances. They are normally made from steel, and are therefore heavy and hard to handle. The aim with this project has been to evaluate how a lighter flask, made from composite material, will work throughout the casting process, what demands that are put on material and design, and which positive effects a composite flask would have on the casting process, cost, and working environment.
First, a specification for the application was performed. A casting flask made of polymer composite served as demonstrator. Subsequently, trials were made and the results were evaluated. Already while making the specification, it was evident that the chosen material would not meet the requirements for heat resistance. Still, the study was performed, aiming to design and evaluate a methodology for studying how the working environment in the foundry process would be affected by using lighter casting flasks.
During casting trials, the heat resistance and mechanical stability were insufficient for the application. However, the final weight loss for flask, mould, and casting, was estimated to 10-30% of the total weight. Therefore, there is believed to be some potential in the concept, but a necessary next step is to define an alternative composite material with the defined properties.
1 Syfte och mål
Formflaskor för gjutning av järn och stål utsätts för hårda prövningar i form av höga temperaturer, direktkontakt med smält metall, fysisk påverkan och i viss mån kemiskt aggressiva ämnen. De tillverkas normalt i stål, något som gör dem tunga och svårhanterade. I och med att allt fler processer och produkter utvecklas mot att bli lättare, har tanken fötts att det kanske går att byta ut det tunga stålet i formflaskor mot lätta kompositer.
Syftet med detta projekt har varit att utvärdera hur en sådan lättare gjutflaska, tillverkad i komposit, fungerar genom gjutprocessen, vilka krav som ställs på material och utformning, och vilka positiva effekter en kompositflaska skulle ha på gjutprocess, kostnadsbild och arbetsmiljö.
I projektet deltog Swerea SWECAST, Blåtråden AB, Swerea SICOMP och Svenska Gjuteriföreningen. Arbetet har utförts med stöd från det strategiska innovationsprogrammet för Lättvikt, en gemensam satsning av VINNOVA, Formas och Energimyndigheten.
2 Genomförande
De planerade aktiviteterna i projektet var att ta fram en dimensioneringsmetodik för kompositflaskor baserat på kravställare inom gjuteriindustrin, att genomföra praktiska försök med minst 2 demonstratorer samt att sammanställa en affärsplan för fortsatt arbete.
Diskussioner fördes på plats på ett medelstort järngjuteri som främst använder maskinformning med råsand. Eftersom hanteringen av formflaskor i en sådan process ställer mycket höga krav på värmebeständighet och mekanisk hållfasthet bedömdes den inte vara lämplig för en första demonstrator i denna förstudie. Istället fokuserades på handformning och manuell hantering av flaskor och formar genom hela processen. En demonstrator togs fram, en gjutflaska tillverkad av polyesterbaserad polymerkomposit (se detaljerad redogörelse i bilaga 1). Den slutliga viktminskningen för flaska, form och gjutgods tillsammans uppskattades till 10-30%. Flaskan testades vid gjutning av en gråjärnssmälta i försöksgjuteriet på Swerea SWECAST [1].
3 Resultat och diskussion
Flaskan klarade sig genom formnings- och gjutprocessen och fullgott gjutgods kunde levereras. Den var enkel att hantera och lättare än en standardflaska. Även urslagningen fungerade bra, men det bör noteras att det enbart handlade om varsam manuell hantering. Däremot uppmättes temperaturer i formsanden nära flaskans insida upp till 450 °C, gott och väl 150 grader över nedbrytningstemperaturen för detta kompositmaterial. Vid temperaturer mellan 200 °C och 400 °C sker en pyrolys som omvandlar hartset till gasformiga förbränningsprodukter. Temperaturutvecklingen antände materialet som delvis bröts ned. Gjutförsöket och effekterna på kompositflaskan redovisas i detalj i referens [1] och Bilaga 1.
Den sammantagna bedömningen blir därför att denna typ av gjutflaska inte är lämplig att använda för järngjutning.
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2016-00
värmebeständighet än det som nu använts. Det är också viktigt att det tål ovarsam hantering.
En potentiell fördel med lättare gjutflaskor ansågs inledningsvis vara minskad energiåtgång vid maskinell hantering av gjutformar och flaskor i gjuteriet. Två energiexperter konsulterades och gavs förutsättningen att formen väger cirka 80% av ursprungsvikten och att allt i övrigt var lika (antal, tid, storlek etc). Båda hade uppfattningen att det är en mycket försumbar besparing som skulle göras, och den skulle antagligen inte märkas. ”Det skulle märkas mer om maskinskötaren såg till att alltid ha bra underhåll på maskin och växellåda”, var svaret.
Inledande tester gjordes av Blåtråden och SICOMP på nya brandhämmade kompositmaterial som bland annat visade sig klara en svetslåga på 1600 °C utan at bli varm på andra sidan. Ytterligare ett alternativt material är baserat på geopolymerer, som inte bara är värmetåliga utan också kan framställas till betydligt lägre kostnad (bilaga 1).
Ett viktigt resultat av detta projekt är att projektgruppen med sin unika sammansättning kunnat arbeta fram en tydligare bild av exakt vilka svårigheter och möjligheter som finns då kompositer skall användas i gjutmiljö. Projektet fokuserade enbart på gjutflaskor, men det finns en mängd andra potentiella användningsområden i gjuteriet. Exempelvis kunde träramar vid handformning av furan ersättas med flexibelt konstruerade kompositramar.
4 Slutsats
Ett viktigt resultat av detta projekt är att projektgruppen med sin unika sammansättning kunnat arbeta fram en tydligare bild av exakt vilka svårigheter och möjligheter som finns då kompositer skall användas i gjutmiljö.
Den slutliga viktminskningen för flaska, form och gjutgods tillsammans uppskattas till 10-30%. Det bedöms därför finnas en viss potential i konceptet, men ett nödvändigt nästa steg är att definiera ett alternativt kompositmaterial som inte antänds av smältan och som har högre värmebeständighet än det som nu använts. Det är också viktigt att det tål ovarsam hantering.
En affärsplan kan skisseras först när prisbilden för detta alternativa material är känd.
5 Fortsatt arbete
Inledande tester har gjorts med nyutvecklade brandresistenta material som kunde utgöra ett alternativ.
Det är också värt att fundera på alternativa användningsområden för polymerkompositer som konstruktionsmaterial i gjuterier.
6 Referenser
[1] Ulf Gotthardsson: Rapport från gjutförsök i kompositflaska, 2016-001, Swerea SWECAST (2016).
