Україна 23 червня 2022 р. отримала статус кандидата на вступ до Європейського Союзу і тому актуальною є екологічна безпека українського машинобудування загалом і ливарного виробництва зокрема, виходячи з законодавчого регулювання в форматі країн ЄС.

Відзначається [1], що негативний вплив ливарної промисловості на навколишнє середовище пов’язаний з процесами плавлення металів та використанням мінеральних домішок, що впродовж технологічного процесу  супроводжується виділенням вихлопних та відпрацьованих газів, пилу, а також утилізацією мінеральних залишків. Пил виділяється під час плавлення металу, формування піщано-глинястих сумішей, лиття і вибивання ливарних форм. При виготовленні ливарних форм і стрижнів для зв’язування піску використовуються різні добавки. В результаті під час зв’язування піску, заливання металу в ливарну форму та її охолодження утворюються неорганічні та органічні речовини (наприклад аміни, летючі органічні речовини (Volatile organic compounds, VOC) [1].

Вимоги щодо підвищення якості литва, забезпечення задовільних екологічних показників, доступності та вартості матеріалів були передумовами коливання обсягів використання різних зв’язувальних добавок у ХХ – ХХI століттях. В результаті вміст смоли у формувальних сумішах у цьому часовому інтервалі зменшився від 3–4 % до 0,8–1,0 %. Наразі проблема залишається, так як токсичні речовини, які виділяються з ливарних форм і стрижнів у вигляді газів і конденсату в атмосферу, а також потрапляють у верхній шар землі, за масою становлять 30–40 % всіх викидів ливарного цеху. Таким чином актуальною науковою проблемою світового масштабу є створення екологічних зв’язувальних добавок/компонентів із необхідним комплексом властивостей для ливарного виробництва [2].

Для зменшення використання органічного зв’язувального матеріалу при виготовленні стрижнів для лиття під тиском алюмінієвих впускних колекторів двигунів автомобіля розроблені різні склади неорганічних в'яжучих речовин [1]. При цьому в якості в`яжучого компонента використовується водний розчин сірчанокислого магнію і/або поліфосфату в кількості 3-8 % за масою. Для зменшення часу, необхідного для сушіння ливарних стрижнів, до 10-20 секунд, підігрітий пісок (60-80 ºC) вдувається в гарячу камеру (120-140 ºC) установки для приготування стрижнів. Оціночно, використання вказаної технології забезпечує зменшення витрат на виготовлення стрижнів на 30-50 %, порівняно з технологією холодного стрижневого ящика. При цьому також відсутні викиди зв`язувальних речовин як при виготовленні стрижнів, так і при заливанні ливарної форми розплавом [1].

Перспективним напрямком розвитку технології піщаної ливарної форми є застосування біорозкладних зв’язувальних компонентів. Згідно зі стандартом ASTM D-5488-94d «Standard Terminology of Environmental Labeling of Packaging Materials and Packages (Withdrawn 2002)», термін «біорозкладний» (biodegradable) означає «здатний до розкладання на вуглекислий газ, метан, воду, неорганічні сполуки або біомасу», де переважним механізмом є ферментативна дія мікроорганізмів [3]. Механізм біорозкладності може бути виміряно за допомогою стандартних тестів протягом певного періоду часу при утилізації в різних середовищах (рідке, інертне або компостне). Впродовж 90-х років ХХ століття корпорація General Motors (США) розробила нову систему зв'язування формувальних пісків на основі білкового складу (protein composition called), під назвою GMBOND [3].

На початку 1990-х років відділ досліджень і розробок (R&D) компанії General Motors (GM) розпочав роботу над пошуком нової екологічно чистої системи піщаного в'яжучого матеріалу (GMBond ®) [4]. Цей в'яжучий матеріал був представлений американській ливарній промисловості у 1994 році. Піщана сполучна речовина GMBond® складається переважно з біополімерів тваринного походження, які є комбінаціями амінокислот, з'єднаних разом, утворюючи довгі ланцюги, що називаються білками. Під час відпрацювання технології кількість сполучної речовини, що використовувалася, становила 1 % від маси піску, а також добавлялась вода в кількості 2 % від маси піску. У цьому технологічному процесі зворот стрижнів легко використовувати повторно, оскільки жодної хімічної реакції не відбулося. У стрижневій машині GMBond® прес-форма нагрівається електрикою в інтервалі від 100 до 150 °С. Потім стрижень висушується повітрям з температурою 120 °С [4].

Випробування показали, що час технологічного циклу для стрижня GMBond® був на 36 % довшим, ніж для оновленого легшого фенольно-уретанового в'яжучого матеріалу. В той же час GMBond® має перевагу над фенольно-уретановим в'яжучим в сегменті переробки звороту стрижнів, зменшенні токсичних викидів та потреби у вентиляційному обладнанні, а також у підвищеній міцності стрижня, легкому вибиванні та покращеній екологічній безпеці [4].

Як повідомляється [3], в Польщі наукова група К. Русіна (K. Rusin) в 2003 р.  випробувала можливість використання біогенних в'яжучих речовин на основі білків (proteins derived), отриманих як побічні продукти фармацевтичної промисловості. Б. Грабовська (B. Grabowska) в 2013 р. запропонувала використовувати водні біорозкладні полімерні композиції, що складаються з акрилових похідних та модифікованих природних полімерів (BioCo) як зв'язувальні компоненти формувальної суміші в ливарному виробництві [3].

Випробувано використання формувальних сумішей з новим двокомпонентним в'яжучим, яке містить фурфурил-резольну смолу та полікапролактон (polycaprolactone, PCL) для виробництва важких виливків з ковкого чавуну. Дослідження показало, що додавання нового біорозкладного               PCL- в’яжучого у кількості 5 % до фурфурил-резольної смоли суттєво не змінює характеристики формувальної суміші та виливків з ковкого чавуну [5].

Повідомляється [6], що відповідно до Програми скорочення викидів від лиття США (Casting Emission Reduction Program, CERP), на підприємствах країни було проведено дослідження викидів у навколишнє середовище біополімерного в'яжучого на основі білка для документування побічних продуктів розкладання, що утворюються під час виготовлення виливків з алюмінієвих сплавів. Дослідження викидів проводилися під час операцій заливання розплаву, охолодження та вибивання ливарних форм. Результати порівняльного дослідження лиття між біополімерним в'яжучим та фенольним уретаном показали зменшення на 91 % вмісту небезпечних забруднювачів повітря (hazardous air pollutants, HAPs), на 91 % вмісту летких органічних сполук (volatile organic compounds, VOCs) та на 99 % вмісту поліциклічних органічних матеріалів (polycylic organic materials, POMs). Біополімерне в'яжуче (iopolymer binder) продемонструвало потенціал для значного зменшення викидів небезпечних сполук, що виробляються в галузі ливарного виробництва [6].

Література:

1. Інтегроване запобігання та контроль забруднення. Довідковий документ щодо найкращих доступних технологій та методів управління (ДД НДТМ) у ковальській та ливарній промисловості. Європейська Комісія. Травень 2020 року. 405 с.

https://mepr.gov.ua/wp-content/uploads/2023/07/sf_bref_0505_1_ukr_ed_final.pdf/.

2. Лютий Р. В., Селівьорстов В. Ю., Іванов В. Г., Ямшинський М. М. Зв’язувальні матеріали для ливарних форм і стрижнів: проблеми і перспективи. Метал та лиття України. 2022. том 30, № 2 (329). – С.72-82.

URL:https://metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/19/19

3. K. Major – Gabrys. Biodegradable Materials as Foundry Moulding Sands Binders. Metalurgija. 54 (2015) 3, p. 591-593.

4. Cost Benefit Analysis for GMBOND. Technikon # 1411-146. November 2005. – 55 р.

https://afsinc.s3.amazonaws.com/Documents/EHS/All%20CERP%20Reports/1411-146%203rd%20phase%20gmbond%20public.pdf/.

5. Hosadyna-Kondracka M., Major-Gabryś K., Warmuzek M., Brůna M. Quality Assessment of Castings Manufactured in the Technology of Moulding Sand with Furfuryl-Resole Resin Modified with PCL Additive. Arch. Metall. Mater. 67 (2022), 2, p. 753-758.

6. S.R. Giese, G.R. Thiel, R.M. Herreid, J.D. Eastman. Influence of Protein-Based Biopolymer-Coated Olivine Core Sands on Olivine Green Sand Molding Properties. Copyright 2002 American Foundry Society. AFS Transactions 02-018. 7 p.