Impianti di laminazione 4.0, migliorano qualità e tempistiche

Riceviamo e pubblichiamo un approfondimento dell’ingegnere Stefano Vinto di R+W relativo agli impianti di laminazione 4.0.

Le imprese siderurgiche affrontano la crisi incrementando l’efficienza. Sono supportate da fornitori di tecnologie e componenti innovativi, in grado di far fronte anche ai carichi particolarmente gravosi che si presentano nella laminazione a freddo. Per rispondere alle esigenze di qualità, prestazioni e tempistiche sempre più veloci della clientela, le aziende italiane impegnate nell’ambito della laminazione hanno adottato una filosofia operativa ispirata a Industria 4.0. Soprattutto in situazioni di difficoltà del mercato, gli operatori sono chiamati a ridisegnare processi e metodologie alla luce dell’innovazione tecnologica. Questo per le imprese di settore significa adottare macchinari di tecnologia avanzata realizzati con componenti meccanici di ultima generazione, ovvero concepiti in modo intelligente. È il caso di R+W che, per andare incontro alle esigenze delle aziende di avere macchinari sempre più performanti, sfrutta il più possibile la scienza dei materiali, utilizzando prodotti in grado di unire leggerezza e prestazione. Un esempio in questa direzione sono gli alberi di collegamento con tubi in materiale composito della serie ZAL di R+W, prodotti in carbonio, quindi capaci di coniugare leggerezza e rigidità. Un impianto progettato con tutta la meccanica leggera consuma meno energia ed è quindi efficiente. Un importante contributo in termini di efficientamento degli impianti lo danno anche i limitatori di coppia della serie ST: si tratta di giunti di sicurezza modulari che possono scongiurare qualsiasi fermo macchina dovuto a sovraccarichi di coppia e quindi garantire continuità nella produzione.

Il processo di laminazione

La laminazione è una lavorazione per deformazione plastica, nella quale gli spessori dei semilavorati vengono ridotti e le geometrie delle sezioni trasversali trasformate in maniera significativa. Il processo di laminazione consente di ridurre lo spessore o di variare la sezione trasversale di un materiale tramite carichi di compressione esercitati da rulli. Per più del 95% del totale dei metalli ferrosi e non ferrosi e delle leghe, la laminazione costituisce il primo processo impiegato nella conversione da materiale grezzo a semilavorato o a prodotto finito. Un volume di materiale grezzo può essere laminato per ottenere semilavorati siderurgici quali i blumi, le billette e le bramme. Questi prodotti possono essere anche ottenuti direttamente per colata continua e le loro definizioni, di seguito riportate, si basano sulla norma UNI EN 10079:2007, attualmente in vigore. Un blumo è un semilavorato a con spigoli arrotondati; la sua sezione è di almeno 40000 mm2, con lato minimo di 200 mm (in caso di sezione quadrata) o con larghezza pari fino al doppio dello spessore (in caso di sezione rettangolare). Una billetta è un semilavorato con spigoli arrotondati e con sezione che va da 2500 mm2 a 40000 mm2. Se la sezione è quadrata, il lato è compreso tra 50 e 200 mm; se è rettangolare, il rapporto lato maggiore / lato minore è minore di 2. Una bramma è un prodotto dallo spessore pari ad almeno 50 mm e di larghezza almeno doppia rispetto allo spessore. E’ di sezione rettangolare con spigoli arrotondati ed il rapporto lato maggiore / lato minore è compreso tra 2 e 4. Come mostrato in seguito, le bramme vengono laminate a caldo per l’ottenimento di piastre, lamiere e nastri. Le piastre hanno uno spessore maggiore di 6 mm, mentre quello delle lamiere e dei nastri varia da 0.1 a 6 mm. Una variante di tale prodotto è la bramma piatta, di spessore pari ad almeno 50 mm, di larghezza doppia rispetto allo spessore ma con rapporto lato maggiore / lato minore superiore a 4. Il metallo viene fatto passare tra due rulli che ruotano in senso opposto, posizionati ad una distanza tale da consentire un’apertura dall’altezza inferiore allo spessore del metallo in ingresso. Poiché i rulli ruotano a una velocità periferica superiore alla velocità di traslazione del metallo in arrivo, l’attrito che insorge lungo l’interfaccia di contatto fa sì che il metallo venga spinto in avanti. Il metallo viene così schiacciato e si allunga per compensare la diminuzione dello spessore e dell’area della sezione trasversale.

Le due varianti del processo di laminazione

Il processo di laminazione presenta due varianti fondamentali: la laminazione a caldo e la laminazione a freddo. Nella laminazione a caldo, rappresentata schematicamente in Figura 2, il controllo della temperatura è fondamentale per l’esecuzione corretta del processo, analogamente  a tutte le altre lavorazioni ad elevati regimi termici. Il materiale di partenza dovrebbe essere riscaldato ad una temperatura uniforme. Infatti, se la temperatura non è uniforme, anche la successiva deformazione presenterà delle distorsioni localizzate. In caso di alti volumi di produzione, la laminazione a caldo è successiva ad un processo di produzione per colata continua. I processi di laminazione a caldo terminano, generalmente, quando la temperatura è maggiore di un valore compreso tra 50 ed i 100 °C  della temperatura di ricristallizzazione del materiale sottoposto a laminazione. La laminazione a freddo può essere impiegata nella produzione di lamiere, nastri, barre e altri profilati con alti livelli di finitura superficiale e dalle dimensioni accurate. Le lamiere laminate a freddo e i nastri possono essere realizzati tenendo presente accorgimenti di finitura diversi, come la laminazione di superficie e quelle dette ad un quarto di durezza, a mezza durezza e a durezza completa. Un metallo sottoposto a laminazione di superficie subisce ad una riduzione compresa tra lo 0,5% e l’1% in modo da ottenere una superficie liscia ed uno spessore uniforme, rimuovendo (o riducendo) il fenomeno del punto di snervamento ed evitando l’insorgenza delle bande di Luders. Il materiale ottenuto sarà così caratterizzato da un buon livello di duttilità che lo rende adatto a successive lavorazioni a freddo. Le lamiere ed i nastri sottoposti alle laminazioni ad  un quarto di durezza, a mezza durezza ed a durezza completa, presentano una riduzione dello spessore fino al 50%, potendo così raggiungere punti di snervamento maggiori, maggiore direzionalità delle caratteristiche meccaniche e minore duttilità. Le caratteristiche dei materiali ottenuti con le lavorazioni indicate, in termini di incremento di resistenza e di livello di finitura superficiali, fanno sì che la laminazione costituisca una processo alternativo all’estrusione o alle lavorazioni su macchine utensili. Le deformazioni che entrano in gioco nel processi di laminazione a freddo risultano contenute, mentre i carichi agenti sui rulli sono di notevole entità. Ciò determina un approccio diverso alla progettazione dei sistemi di movimentazione, dovendo i componenti di trasmissione funzionare in condizioni gravose.

I principali componenti di un impianto di laminazione

Un impianto di laminazione è fondamentalmente costituito dai treni di laminazione, dai forni di riscaldo (nel caso di laminazione a caldo) e dai dispositivi accessori.

I treni di laminazione sono a loro volta composti da:

• una o più gabbie di laminazione;
  

  

• dagli organi di trasmissione;
• dagli azionamenti elettrici e dai relativi sistemi di controllo.

Le gabbie di laminazione costituiscono l’intelaiatura nella quale sono alloggiati i rulli di laminazione; sono generalmente formate da robusti montanti in acciaio lavorato per fusione ed irrigidite da traverse opportunamente dimensionate. In Figura 4 è mostrata la realizzazione di una gabbia di laminazione filo.

Gli stessi rulli sono poi dotati di cuscinetti, opportunamente calettati alle estremità. I cuscinetti vengono poi alloggiati in apposite sedi dette guarniture, che possono integrare sia sistemi di bilanciamento idraulico, come la soluzione mostrata in Figura 5, che sistemi di raffreddamento in ambiti di impiego estremamente gravosi e per laminatoi a caldo di grandi dimensioni, come la soluzione mostrata in Figura 6. Generalmente, un rullo di laminazione presenta una parte centrale che agisce direttamente con il materiale durante la laminazione), dei perni su cui vengono calettati i cuscinetti alloggiati nelle guarniture e delle predisposizioni per gli  accoppiamenti cinematici con i giunti con allunga.

La forma dei rulli di laminazione risulta diversa a seconda delle sezioni di passaggio, per cui si possono avere rulli lisci (per la laminazione di lamiere e nastri) e rulli scanalati (per la laminazione di barre e profilati). In merito alla seconda tipologia di rulli, impiegati nella produzione dei profilati strutturali, risulta di particolare interesse l’attività di calibratura. Quest’ attività consiste nello studio dei canali di laminazione sui rulli (detti calibri) per la realizzazione delle sezioni dei profilati, in modo da stabilirne la corretta progressione durante le fasi successive di laminazione. I calibri possono essere ripartiti (nei quali la sezione media del profilato si trova in corrispondenza della linea individ

uata dai punti di contatto dei risalti dei rulli) o compenetranti (nei quali la sezione di laminazione si trova da una parte rispetto alla linea individuata dai suddetti punti di contatto), come mostrato schematicamente in Figura 7.

 

E’ evidente come la corretta scelta degli accoppiamenti cinematici tra motore e gabbie di laminazione dotate di rulli scanalati sia fondamentale per garantire sia il livello qualitativo della produzione che la protezione degli azionamenti. Le principali configurazioni di un impianto di laminazione sono date dalla disposizione dei rulli nella gabbia di laminazione. Le soluzioni più adottate sono mostrate in Figura 8.

La configurazione duo può essere reversibile e non reversibile; quella reversibile viene impiegata nella sbozzatura dei lingotti e per profilati di grosso spessore, mentre la non reversibile viene usata raramente. Nella configurazione trio, il materiale da laminare viene introdotto nello spazio fra il rullo inferiore e quello medio; viene poi afferrato e sollevato per rientrare nella gabbia di laminazione in senso inverso, passando tra il rullo medio e quello superiore. Questa configurazione viene impiegata sia nei laminatoi sbozzatori che in quelli per la produzione di profilati. Di questa configurazione esiste anche una variante con rullo mobile (laminatore di Lauth), impiegata nella laminazione a caldo di lamiere dallo spessore medio e grosso e, più raramente, sottile. La configurazione doppio duo (o di Dowlais) consiste in due duo montati in successione, con il secondo posizionato ad un’altezza superiore al primo per ottenere un percorso del materiale simile a quello che si ha nel trio. Tale configurazione è impiegata nella laminazione a caldo di sezioni leggere e medie. La configurazione quarto è composta da quattro rulli sovrapposti; quelli mediani sono rulli di lavoro (in quanto operano la laminazione) ed essendo di diametro ridotto rendono la lavorazione più rapida, mentre i rulli esterni hanno la funzione di appoggio e consentono pressioni di esercizio più elevate. Tale configurazione viene impiegata nella laminazione a caldo ed a freddo di lamiere, nastri larghi e nastri stretti. Da quest’ultima configurazione derivano la sesta, la dodicesima e la ventesima, tutte impiegate nella laminazione a freddo di nastri larghi e nastri stretti. La dodicesima e anche detta a grappolo, mentre la ventesima viene detta anche di Sendzimir. La configurazione a planetario, infine, è tipica nella laminazione a caldo di nastri narghi e stretti con forte riduzione dello spessore.

Esistono poi tecniche di laminazione speciali con assi verticali o inclinati, per la realizzazione di profilati o di tubi senza saldatura, come nel caso del laminatoio ad assi obliqui o Mannesmann, di cui in Figura 9 viene mostrata un’interessante estensione. Le gabbie di laminazione sono dotate, inoltre di sistemi di riposizionamento in altezza dei rulli superiori di tipo manuale, attualmente sostituiti da altri di tipo elettro meccanico ed elettro idraulico. Tali sistemi hanno la funzione di adeguare l’altezza tra i rulli secondo le prescrizioni dei passaggi successivi delle fasi di lavorazione. In Figura 10 viene mostrata una interessante soluzione, con configurazione di Sendzimir. Scopo di tali azionamenti è anche quello di controllare la planarità del prodotto laminato al fine di evitare errori di lavorazione, come la disuniformità dello spessore del laminato e le criccature ai bordi. Tali errori insorgono per la natura dei carichi agenti sul rullo superiore, come mostrato in Figura 11.

Si consideri l’esempio mostrato nella figura precedente, riferito alla laminazione di una lastra o di una lamiera. La rigidezza del semilavorato in lavorazione  fornisce una spinta diretta verso l’alto ed agente nella mezzeria del rullo, mentre lo stesso risulta vincolato alle estremità dai cuscinetti calettati nelle guarniture della gabbia.

Il rullo risulta quindi soggetto ad un carico di flessione in tre punti, per cui tende a flettersi in modo da dare origine ad un laminato che è più spesso al centro e più sottile ai bordi. Poiché il volume centrale più spesso tenderà ad allungarsi di meno dei bordi più sottili, il prodotto ottenuto presenterà una parte centrale con fessurazioni e dei bordi ondulati.

Generalmente, una soluzione all’insorgenza di questo fenomeno è dato dal ricorso ai rulli a botte; tali rulli, quando soggetti ad un carico flessionale a tre punti, tendono a presentare un profilo piatto, come mostrato in Figura 12.

Altri accorgimenti riguardano la previsione delle forze e delle deflessioni tramite simulazioni numeriche su software CAE, le quali forniscono delle previsioni attendibili nel caso in cui la laminazione riguarda lo stesso materiale, sottoposto alla stessa riduzione di sezione ad una temperatura prefissata.

Gli organi di trasmissione in genere comprendono:

• un volano, che ha il compito di accumulare energia cinetica per compensare il maggiore sforzo richiesto al motore elettrico in fasi quali la sbozzatura, mantenendo la velocità di rotazione dei rulli costante;
• un riduttore gabbia – pignone, che ha il compito di trasmettere e distribuire (sdoppiandola) la coppia dal motore alle allunghe; in genere è formato da una serie di ingranaggi a dentatura elicoidale e talvolta corredate da coppie coniche con dentatura Gleason;
• giunti ad allunga;
• giunti a denti e limitatori di coppia.

Essi sono compatti, precisi ed offrono un elevato livello di flessibilità. In Figura 13 è mostrato un esempio di giunto a denti. In Figura 14 è mostrato un limitatore di coppia del tipo impiegato in combinazione con i giunti a denti.

 

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come la progettazione degli impianti per la laminazione dell’acciaio, può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista. Nel settore degli impianti per la laminazione dell’acciaio, R+W fornisce  soluzioni specifiche per le esigenze di trasmissione della coppia. Oltre ai già citati limitatori di coppia della serie ST e giunti con allunga della serie ZAL, con tubo intermedio in materiale composito in fibra di carbonio, R+W rende disponibili anche i giunti a denti della serie BZ, usati in combinazione con i giunti di sicurezza ST.