Tecnologia dei processi produttivi - tpp

Analizziamole. COLATA PER LINGOTTI (DIRETTA)

I lingotti sono blocchi di metallo destinati quasi

sempre a successive lavorazioni; la loro forma non ha

particolare importanza, visto che la loro applicazione è

limitatissima. Un lingotto esemplificativo, con le

relative dimensioni può essere quello qui a fianco.

E’ un prodotto molto (un lingotto d’acciaio di

denso

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1m arriva a pesare 8000 kg!).

Le facce del lingotto non sono parallele per evitare danneggiamenti in fase di

rimozione del lingotto dal contenitore che lo ha generato,

che dunque ha generalmente le seguenti forme: 36

Ciclo di vita di un lingotto

Analizziamo dettagliatamente il ciclo di vita di un lingotto.

1. COLATA: I lingotti si producono attraverso

un meccanismo di colata diretta: il metallo liquido,

contenuto nella SIVIERA, viene versato sulla

LINGOTTIERA per mezzo di un bacino intermedio

chiamato PANIERA, che serve mantenere

costante la velocità con cui il liquido arriva alla

lingottiera.

2. RAFFREDDAMENTO / SOLIDIFICAZIONE:

≅

La temperatura della lingottiera ( è di gran

25°C)

lunga minore rispetto a quella del metallo liquido

(es. 1500 °C), pertanto quest’ultimo tenderà a

solidificarsi scambiando calore con l’esterno, fino a diventare tutto solido.

3. ESTRAZIONE DALLA LINGOTTIERA: Una volta solidificato il metallo,

bisogna rimuoverlo dalla lingottiera: la sua forma serve a facilitarne

l’estrazione, che deve avvenire dal lato dov’è più grande la superficie, perché

impossibile rimuoverla in sottosquadro. Se la conicità è diretta basta

si estrae il lingotto dall’alto o la si

sollevare la lingottiera, altrimenti se inversa

rovescia e si fa come prima.

Un ruolo fondamentale in questa fase è rivestito dall’ ANGOLO DI SFORMO,

cioè dall’inclinazione delle superfici laterali interne alla lingottiera: se esse

fossero parallele, in fase di estrazione si avrebbe un rovinoso attrito, causa

di usura e danneggiamenti vari sia per il lingotto che per la lingottiera;

di questo angolo garantisce un’intercapedine di lunghezza

invece la presenza

costante (dx>0) tra il lingotto e la lingottiera che evita l’attrito in fase di

estrazione (dz).

La lingottiera è parte permanente della fase di colata, cioè viene riutilizzata

per la produzione di nuovi lingotti della stessa forma: è fondamentale dunque

che essa non subisca danneggiamenti e quindi variazioni nelle sue

caratteristiche geometriche.

4. RISCALDAMENTO: una volta estratto il lingotto, esso va riscaldato per

migliorarne le proprietà meccaniche e consentire dunque una migliore

lavorabilità. Questa operazione è effettuata mediante un FORNO A

SPINTA, un forno continuo che segue la logica FIFO (first in first out): il

lingotto viene introdotto da una certa entrata e tramite la spinta fornita dal

lingotto seguente, è condotto ad una differente uscita. Durante questo

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percorso esso viene progressivamente riscaldato, fin tanto che non

raggiunge la temperatura richiesta per passare alla successiva fase di

lavorazione.

Ingresso e uscita possono essere chiusi da sistemi di chiusura

cascata d’acqua,

continui come una un getto di gas o una tendina per

un’atmosfera controllata:

garantire la presenza di ossigeno, infatti,

potrebbe ossidare il lingotto!

operazione che richiede l’utilizzo di una

5. SGROSSATURA: pressa (ad es.

idraulica, che manda fluidi in pressione) per schiacciare il pezzo, che

comunque mantiene volume costante!

6. SEMIFINITURA: operazione di assottigliamento

del pezzo mediante l’utilizzo del laminatoio, uno

strumento costituito da due cilindri paralleli tra loro tra i

quali viene fatto scorrere il lingotto. In questo modo

esso riduce la propria altezza ma aumenta la propria

lunghezza progressivamente (anche dell’ordine di

km!), fino a creare lamine di dimensioni gestibili

all’interno dell’impianto.

7. FINITURA: insieme di operazioni correttive e definitive sul materiale come:

 laminazione a freddo;

 asportazione di truciolo;

 saldatura.

8. VENDITA.

Tipici difetti di un lingotto

E’ impossibile produrre un lingotto esente da difetti. Uno tra i difetti più

tipici è quello della doppia pelle:

I. Il metallo arriva sul fondo della lingottiera e i primi

schizzi cominciano ad aderire alle pareti; essendo la

temperatura delle pareti molto minore di quella del

metallo, quest’ultimo forma subito uno strato solido;

II. Il getto continua ad arrivare e gli schizzi non sono

più presenti; tuttavia la solidificazione progredisce pertanto lo spessore

del materiale alle pareti aumenta ancor più; 38

III. Lo strato si contrae al termine della solidificazione, si crea quindi un

distacco che determina una separazione tra materiale solido e

lingottiera: in questa intercapedine si infiltra il metallo liquido che viene

solido. E’ proprio questo

ancora versato, formando così un nuovo strato

il fenomeno della doppia pelle: lo strato esterno del lingotto non è

omogeneo ma ha 2 superfici. Questo compromette fortemente la

qualità del lingotto.

Possibili rimedi al fenomeno sono:

regolare l’afflusso del liquido

a) (ma con maggior impiego di tempo);

b) riscaldare le pareti della lingottiera per evitare la solidificazione

precoce delle gocce

Altri difetti tipici sono:

 formazione di tacconi (distacco del lingotto dalla lingottiera con

pericolo di rottura e traboccamento del metallo)

 riprese di colata;

 lesioni superficiali (per evitarle si impiega una sezione ondulata)

Tipica struttura finale di un lingotto

Le tipica struttura finale di un lingotto non è mai predefinita: i pezzi

potrebbero non avere tutti le stesse caratteristiche, quindi anche in questo

caso è necessario fissare opportune tolleranze.

In generale, è auspicabile avere:

 elevata velocità di raffreddamento;

 spessori ridotti;

 aggiunta di elementi nucleanti (nucleazione eterogenea);

 rugosità della forma.

Come si vede dalla figura, i grani del lingotto hanno tutti la stessa struttura,

ma le loro dimensioni sono differenti:

a) a contatto con la lingottiera sono piccoli e orientati casualmente

(nucleano molto, crescono poco), per la già citata elevata velocità di

raffreddamento del primo strato;

b) negli strati centrali sono più grandi e orientati (per via della

solidificazione colonnare);

c) al centro della struttura, la minore velocità di raffreddamento, permette

ai grani di crescere molto ma di nucleare poco, e con orientazione

casuale. 39

Queste tre fasi danno vita ad una struttura palesemente disomogenea, che

può essere parzialmente evitata con opportuni trattamenti termici di

omogeneizzazione volti a fornire maggiore energia ai grani, di modo che

essi possano raggiungere uno stato d’equilibrio che renda la struttura quanto

più omogenea; una possibile soluzione, ad esempio, è tentare di uniformare

VELOCITA’ DI RAFFREDDAMENTO dell’intero lingotto

al massimo la

durante il processo.

In generale, per evitare al massimo disomogeneità e comportamenti

indesiderati della struttura, è opportuno:

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. 40

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. l’aumento

Ma vi sono anche note dolenti come inevitabile dei costi di

dell’impianto. Si tratta infatti di un impianto

progettazione e funzionamento

abbastanza sofisticato, costituito da:

a) LINGOTTIERA MOBILE: si muove perché, dato che il materiale è in

continuo movimento, lo scambio 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. E’ 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