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Processo di produzione del lingotto
I. BUONA PROGETTAZIONE DEL PRODOTTO;
II. BUONA PROGETTAZIONE DEL PROCESSO;
III. APPLICARE TRATTAMENTI TERMICI, prima, durante o dopo la tecnologia, qualora i difetti persistano.
Infine, siccome i lingotti sono quasi sempre destinati a successive lavorazioni meccaniche, la struttura finale deve essere quanto più conforme alle caratteristiche necessarie per tali seguenti fasi di lavorazione.
COLATA CONTINUA
Contrariamente al caso precedente, nel sistema di colata continua, il lingotto non viene completamente raffreddato e poi riscaldato per permettere le successive lavorazioni; esso, una volta creato, permane in una temperatura abbastanza elevata da permetterne da subito le lavorazioni.
Si produce cioè un semilavorato dalla colata del metallo liquido in una lingottiera mobile (poi vedremo perché) senza fondo: il materiale dunque fluisce in maniera continua e assume la forma della lingottiera perché obbligato ad attraversarla. In questo "cammino" esso subisce la
solidificazione e viene condotto all'esterno da dei rulli estrattori che aiutano la fuoriuscita della barra dalla lingottiera. Ma la temperatura a cui viene estratta la barra non è quella di totale solidificazione del pezzo: potrebbe essersi solidificata solo la parte esterna o anche quella interna ma a temperatura ancora decisamente alta; questa situazione rende agevole la deformazione plastica del pezzo, utile per le successive fasi di lavorazione del pezzo. Come è possibile capire, non si passa dal totale raffreddamento del pezzo e dal nuovo successivo riscaldamento, con un benefici in termini di: - Maggiore produttività; - Maggiore qualità dei prodotti. Ma vi sono anche note dolenti come inevitabile dei costi di progettazione e funzionamento dell'impianto. Si tratta infatti di un impianto abbastanza sofisticato, costituito da: - LINGOTTIERA MOBILE: si muove perché, dato che il materiale è in continuo movimento, loscambio di calore che avviene al suo interno potrebbe non completarsi in tempo utile da solidificare opportunamente la barra, che dunque potrebbe uscire dalla lingottiera ancora liquida. Per questo motivo, la lingottiera "segue" il movimento della barra (discesa) per aumentare il tempo di contatto tra essa e il metallo liquido, di modo da permettere l'opportuna solidificazione. Al termine del processo, la lingottiera risale a monte per passare a raffreddare una barra successiva. È chiaro che il tempo di risalita della lingottiera deve essere molto maggiore di quello di discesa per evitare che le parti successive del metallo colante non vengano correttamente solidificate. b) RULLI ESTRATTORI: per condurre la barra al di fuori della lingottiera; c) SISTEMA DI TAGLIO DELLA BARRA: essendo il meccanismo continuo, è il sistema necessario per tagliare la barra alle dimensioni desiderate; si tratta di un sistema assai meccanizzato perché deve continuamente seguire il- flusso della barra e tagliarla al momento opportuno, tenendo conto del pezzo via via successivo.
- NB: spesso la sola lingottiera, se pur costruita con materiali dall'elevata capacità di scambiare calore come il rame, non basta per portare a opportuna solidificazione il metallo colante: ad essa si aggiungono dunque ulteriori meccanismi di raffreddamento (visibili in figura) quali:
- entra dal basso verso l'alto nella lingottiera per ACQUA che mantenerne sempre bassa la temperatura; ciò assicura che sia alta e costante la differenza di temperatura tra liquido e lingottiera, che è il punto forte dell'intero meccanismo;
- GETTI D'ACQUA / ARIA alla base della lingottiera per raffreddare ulteriormente il materiale in uscita.
- Il prodotto finale di un sistema a colata continua è generalmente un semilavorato grezzo che necessita di ulteriori lavorazioni, più facili però rispetto al caso precedente perché il pezzo è già
abbastanza caldo. Talora si ricavano anche prodotti finiti come i tondini di cemento armato, che non necessitano di particolari finiture.
COLATA IN FORMA: colata in terra
La colata in forma, è la soluzione al problema che si presenta nei due precedenti tipi di colata, ossia la necessità spesso gravosa di dover sempre intervenire sul semilavorato con successive lavorazioni per raggiungere la forma desiderata. In questo caso, infatti, la lingottiera assume una forma molto più vicina al pezzo desiderato, assumendo due tipi di sembianze:
- Forma TRANSITORIA: contenitore in terra di fonderia che assume ogni volta configurazioni differenti a seconda del pezzo desiderato; alla fine del processo, la forma viene distrutta per poter estrarre il getto solidificato.
- Forma PERMANENTE: il contenitore è costituito di...
NB: la terra è un materiale poco costoso e facilmente malleabile che pertanto è il più indicato per questo scopo. Essa si lega con argilla e acqua.
Un materiale molto più robusto della terra e pertanto viene riutilizzato per molti pezzi dello stesso tipo. Soffermiamoci sulla prima forma, parlando dunque da adesso in poi di COLATA IN TERRA.
La colata in terra permette di ottenere getti finiti a meno ulteriori trattamenti termici e/o lavorazioni di finitura. Come detto, il metallo liquido viene versato all'interno di una certa forma in alle sembianze dell'oggetto da produrre, che poi viene estratto rompendo la forma. Per questo motivo il materiale che costituisce la forma è povero, ma al contempo abbastanza resistente da reggere la pressione di colata.
Quali sono gli strumenti costitutivi di una forma in terra?
- Le staffe, superiore ed inferiore, servono a contenere la sabbia e ad evitare che si disgreghi;
- Il materiale di formatura serve a mantenere la forma; è una miscela composta da sabbia e legante (argilla e acqua);
- Il sistema di colata è una
temperatura. Dal grafico qui accanto, notiamo infatti quanto un generico oggetto diminuisce il suo volume all'abbassarsi della temperatura. Questo cosa ci fa capire? Che quando viene fatto colare il metallo liquido all'interno della forma, al progredire della solidificazione (dovuta allo scambio di calore tra forma e metallo), il volume specifico del materiale diminuisce! Versando dunque una quantità di liquido esattamente pari al volume della forma, la cavità non si riempie completamente una volta che il getto si è solidificato un po'. Bisogna dunque progettare una cavità più grande del pezzo! Siccome anche all'interno del getto si creano dei "vuoti" dovuti alla disomogeneità della solidificazione, a questo scopo vengono utilizzati dei particolari alimentatori chiamati "MATEROZZE" necessari a colmare l'aggiunta di ulteriore metallo liquido (analizzeremo questi vuoti con materozze a breve). Alcuni
dati per dimensionare il modello: dimensione dell'oggetto da produrre + contrazione del solido Cavità = dovuta al raffreddamento; Ritiro = getto a temperatura ambiente cavità. SUGO DELLA STORIA: In sostanza, dunque, il materiale si contrae nei passaggi: 1. LIQUIDO-SOLIDO; 2. SOLIDO (temperatura elevata) - SOLIDO (temperatura minore). 44 Progettando dunque una forma e quindi un modello di dimensioni maggiori al pezzo da produrre, si evita questo cruciale problema. A dimostrazione di quanto illustrato, analizziamo a livello microscopico quanto affermato finora, con un esempio e due disegni molto esplicativi: Supponiamo di riempire una lingottiera con un metallo liquido fino al primo strato tratteggiato in alto: il primo strato a solidificarsi sarà quello a contatto con la lingottiera, il quale diminuisce il proprio volume, mentre la restante parte ancora liquida conserva il suo volume (V = V + V ).TOT l s Man mano che la solidificazione si completa,La configurazione che si viene a creare è quella rappresentata: si crea cioè il cosiddetto cono di ritiro. Questo tipico andamento deriva dai progressivi abbassamenti del livello del liquido.
In questo caso il volume del solido è dato dal volume del metallo liquido interamente colato meno la contrazione dovuta al passaggio liquido solido.
Aggiungendo metallo liquido per colmare questo cono, la contrazione avviene comunque, ma il getto diventerà sempre più omogeneo. Arriverà un momento in cui non si potrà più aggiungere liquido perché il getto sarà completamente solido: l'ulteriore abbassamento del volume sarà dato solamente dalla
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