Storia della Magona d’Italia
DA “MINI PUBLIC COMPANY” A “TASSELLO” DI UNA MULTINAZIONALE

di Franco Ragnini

relatori:Enrico Gibellieri e Ruggiero Ranieri

1 . Classificazione degli impianti

1.1 Cenni storici

1.1.1 Prima generazione

Le notizie sui primi impianti di laminazione risalgono al XV secolo: si trattava di laminatoi mossi dall’uomo. Nel XVI secolo si cominciò a sfruttare i cavalli e l’energia generata dai mulini ad acqua per muovere i laminatoi più grandi, fino ad arrivare all’avvento del motore a vapore che rese i laminatoi, gli impianti più utilizzati per dare forma ai metalli.

Alla fine del XIX secolo, comparvero nel Regno Unito (Inghilterra e Galles) i primi laminatoi stretti (circa 250 mm di larghezza) che producevano nastri in forma di rotoli. Successivamente nei primi vent’anni del nuovo secolo si videro laminatoi fino a 600 mm. Tutti i laminatoi fino a questo periodo non avevano il nastro in presa contemporaneamente su più di una gabbia.

Il gran salto avvenne con l’uso dei motori elettrici come motori principali per la rotazione dei cilindri grazie alla loro possibilità di regolazione continua della velocità, elemento indispensabile per la laminazione in gabbie tandem, per la legge della costanza della portata del materiale (v x h = Costante).

Rappresenta un’innovazione quindi il laminatoio di Ashland (USA) del 1923 che si configura come un laminatoio continuo per la produzione di fogli. Tuttavia il vero primo cambiamento si ebbe nel 1926 con la produzione di rotoli a Butler in Pensilvanya (USA) quando la Columbia Steel Company of America installò un treno a caldo (fornito dalla United Engineering Pittsburgh) 1200 mm di larghezza costituito da una coppia di cilindri verticali all’entrata di una gabbia duo reversibile sbozzatrice, che alimentava un treno finitore di quattro gabbie quarto in tandem con una velocità massima di uscita di 400 m/min e uno spessore minimo di 1,2 mm laminato alla larghezza massima di 900mm. Questo fu l’impianto di laminazione che diede inizio alle generazioni di treni a caldo che successivamente si sono susseguite nel corso della storia. Tale impianto è ancora oggi in funzione anche se ovviamente, con i numerosi revamping che ha subito, non è neppure più presente un pezzo originale: tuttavia il sito è sempre quello.

Sulla scia del successo dell’impianto di Butler si arrivo al 1940 dove si contavano 28 treni in USA e 6 erano in esercizio o costruzione in Europa o in Giappone.

Dal 1926 al 1960 si sviluppò tutta una serie di impianti (70 circa) dalla laminazione in tandem alle gabbie finitrici, dalla costanza della velocità dal peso del rotolo massimo di 10kg/mm.

Esempi di una certa rilevanza, in Europa, sono quello da 80” di Port Talbot (UK) oggi della Corus, il n°1 da 56” di Ijmuiden (Olanda) oggi della Corus ma dimesso alla fine degli anni 70, quello da 80 di Cornigliano della Cornigliano S.P.A. dimesso nel 1984.

1.1.2 Seconda generazione

La seconda generazione ebbe origine nel 1960: i passi avanti che si rilevano rispetto alla prima generazione sono legate al maggior peso del rotolo (si arriva a pesi rotolo di 18 kg/mm contro i 10 kg/mm della precedente fase). Il secondo grande successo è l’accelerazione delle gabbie finitrici per contrastare la caduta di temperatura tra la testa e la coda del rotolo.

Furono treni ad altissima produttività (4 – 5 milioni di t/a) che producevano nastro con tolleranze dimensionali molto ristrette, con larghezze fino a 2400 mm e caratterizzati da gabbie molto rigide.

Una caratteristica importante di questa generazione di treni è il grado d’automazione raggiunto che si è sviluppato dal controllo dello spessore al controllo di tutto il processo collegato al calcolatore gestionale.

Esempi di questi treni sono quello da 68” di Newport ( UK) della Corus per altro anche primo esempio al mondo di treno calcolatore utilizzato per il controllo di processo diretto nell’industria siderurgica, il n°1 da 68” di Taranto dell’ ILVA, quello da 86” di Middletown (Ohio- USA), il n°2 da 88” di Ijmunden (Olanda).

1.1.3 Terza  generazione

La terza generazione vede principalmente un ampliamento di questi impianti in tutti i campi: i pesi dei rotoli arrivano a 26 kg/mm e 45 ton;le gabbie finitrici arrivano a 7 con previsioni fino a 9; il numero delle gabbie sbozzatrici aumenta a 6;cresce la velocità di laminazione e lo spessore dei rotoli (fino a 25mm) richiedendo quindi impianti sempre più grande e robusti con gabbie più rigide motori più potenti e veloci controlli più sofisticati e linee maggiormente sviluppate in lunghezza.

Gli esempi tipici di quelli che vennero chiamati Giant Mills erano, nel 1975, questi tre: il treno da 94” di Kimitsu  (Giappone), quello di Brema ( Germania Federale), il n°2 di Taranto dell’ILVA tutti in grado di laminare rotoli di peso unitario superiore alle 42t.

1.1.4  Quarta generazione

La quarta generazione ha come obiettivo quello di mantenere impianti con le prestazioni dei Giant Mills cercando di contenere le dimensioni, le potenze installate e i costi degli impianti stessi e di trasformazione. Questo era necessario anche perchè nel 1975 regnava un periodo di crisi energetica. Proprio in quell’anno iniziano i primi esperimenti da parte della Steel company of Canada su un nuovo tipo di processo che prevedeva di avvolgere la barra dello spessore di 16 –25 mm in uscita dallo sbozzatore in forma di coil attraverso una macchina chiamata coil-box che è essenzialmente un aspo con calandra senza mandrino, posto subito a monte del treno finitore. Questo rotolo successivamente viene svolto e laminato al finitore allo spessore finale a velocità costante poiché nella coil-box non si hanno apprezzabili perdite di calore.

Il primo impianto funzionante fu costruito nel marzo del 1978 e fu il treno da 80” di Westernport – Australia. Nel 1980 erano in costruzione cinque coil-box nel mondo, di cui quattro per modificare gli impianti della I e II generazione e una per il treno di Lake-Eire in Canada: il successo fu tale che nel 2000 erano già 43 gli impianti costruiti nel mondo.

1.1.5  Quinta  generazione

Il punto più critico del ciclo di produzione dell’acciaio liquido a rotolo era chiaramente nell’area della colata continua, forni di riscaldo, sbozzatore in quanto uno spessore maggiore della bramma in uscita comportava maggiori costi energetici sia dal punto di vista dell’impianto che dell’esercizio. Lo sforzo era quindi concentrato nella colata continua con lo scopo di ottenere barre anziché bramme, ovvero un semiprodotto di circa 50 mm di spessore (contro i 250mm della bramma) con alta produttività e affidabilità che avrebbe dato luogo ad economie straordinarie potendo soppiantare in un solo colpo sbozzatore e forno, due impianti caratterizzati da molte problematiche.Ciò fu possibile grazie alle innovazioni di nuove tecniche di calcolo, grazie allo sviluppo dell’hardware utilizzato per l’elaborazione dati: di conseguenza si ritiene possibile colare ad alta velocità, (cinque volte superiore a quella allora utilizzata per le bramma da 250 mm di spessore) in modo da recuperare in produttività la riduzione da uno a cinque dello spessore.Il primo impianto fu prodotto dalla SMS (Germania) che nel 1989 realizzò per la Nucor un impianto che produceva una barra in uscita dalla colata continua di 50 mm di spessore alla velocità di 5 m/min di larghezza massima 1350 mm e successivamente riscaldata in un forno a tunnel per essere poi laminata nel treno finitore.Successivamente nel 1992, fu industrializzata una tecnologia rivoluzionaria . chiamata ISP (In line strip production) , realizzata per la prima volta in Europa , a Cremona, per merito di Giovanni Arvedi un importante imprenditore che fu in grado di pensare il futuro.Nel 1976 infatti ideò un linea di produzione rotoli basata sul principio di una colata continua ad alta velocità (5m/min), una bramma sottile (65 mm) da ridurre sia a cuore liquido a 45/50 mm. sia solido a 13/30 mm, alla velocità di colaggio, nella macchina di colata continua. Quindi pensò come omogeneizzare la temperatura e come avvolgere in forma di rotoli le bramme sottili e riscaldarle dentro un forno di riscaldo, il cosiddetto Cremona fornace, e quindi laminare la barra con un finitore tradizionale ad uno spessore cosi sottile, mai raggiunto prima con la laminazione austenitica. 0,7/0,8 mm.

1.1.6 Treno Steckel

Il treno Steckel è una primitiva soluzione per laminare spessori sottili in nastri, in cui il finitore tandem a 5 o 6 gabbie viene sostituito da un’unica gabbia reversibile con due aspi con mandrino racchiuso in un forno cilindri riscaldato da bruciatori: tali aspi sono a monte ed a valle della gabbia reversibile (vedi figura 3) e permettono di laminare a temperatura superiore al limite della trasformazione g-a , anche se i tempi di laminazione sono molto lunghi per fare 5,7,9 passate

Per il resto il lay out dello Steckel, è identico a quello di un treno semicontinuo, con un forno di riscaldo, uno sbozzatore quarto reversibile con edger ed a valle un raffreddamento nastro ed aspo avvolgitore, vedi figura 4.

Le caratteristiche relative alla produzione di un treno Steckel sono:

• Costi di esercizio alti

• Produttività molto bassa

• Qualità superficiale molto scadente a causa della scaglia da ossidazione che si produce nei forni che coprono gli aspi

Queste motivazioni hanno portato ad abbandonare tale soluzione per la produzione di acciaio a basso contenuto di carbonio.

Per gli acciai inossidabili invece, in cui l’ossidazione nei forni è assai scarsa e per giunta i volumi sono modesti e il prezzo di vendita è dieci volte superiore a quello degli acciai a basso carbonio, una soluzione a basso investimento come lo Steckel ha avuto successo.

La bramma è il semiprodotto, una volta proveniente dalla sbozzatura dei lingotti, ora dalla colata continua, che entra in carica negli impianti tradizionali, che definiremo tra poco, per la laminazione di nastri d’acciaio.

La bramma è geometricamente un parallelepipedo delle seguenti dimensioni, in mm:

La barra è il semiprodotto, ottenuto dalla laminazione delle bramme nelle gabbie sbozzatrici di un treno nastri, sempre negli impianti tradizionali, con cui viene alimentato il treno finitore ed ha praticamente la stessa larghezza delle bramme, mentre lo spessore varia in genere tra 30-45 mm.

Il nastro è il prodotto finale, che viene immesso sul mercato dalle seguenti dimensioni:

Un'altra caratteristica importante è il peso specifico per unità di larghezza del nastro, definito in kg/mm: il valore oggi più usuale è 18-20 kg/mm, ma vi sono anche, tra gli impianti più grandi, valori di 24-27 kg/mm. Questo valore definisce subito la taglia dell’impianto, poiché indica con immediatezza il peso massimo in tonnellate di un nastro di larghezza 1m.

Per quanto riguarda la larghezza minima, oggi larghezze inferiori a 800mm sono molto rare e non più prodotte da treni ad alta produttività; larghezze inferiori a 600mm sono invece il limite dei cosiddetti nastri stretti, i cui impianti di laminazione sono quasi del tutto scomparsi nelle economie avanzate. Per produrre nastri stretti oggi si procede a slittare a freddo nastri larghi in larghezze inferiori.

Per quanto riguarda la larghezza massima, vi sono pochi impianti al mondo che producono oltre 1800 mm, essendo la quasi totalità delle larghezze massime producibili compresa tra 1500mm e 1750mm.

Per quanto riguarda lo spessore non si va oggi al di sotto di 1,5 mm: solo nei treni moderni treni compatti (colata continua spessori sottili e gabbie finitrici) si arriva a 1,0 ed anche ultimamente a 0,8mm, erodendo cosi una quota di mercato dei prodotti laminati a freddo; per lo spessore massimo nella norma si arriva a 12mm, ma vi sono alcuni impianti che possono arrivare anche a 27, con aspi avvolgitori specializzati allo scopo, per la produzione al treno nastri di lamiere di larghezza circa 2m, essenzialmente per la fabbricazione di tubi saldati di medio diametro.

1.3 Classificazione degli impianti

Una prima classificazione può essere fatta in base al periodo d’appartenenza: in questo caso si distinguono due grosse categorie.

1. Impianti tradizionali: I, II, III, IV generazione tutte caratterizzate dal l’alimentazione col prodotto barra riscaldata da idonei forni di riscaldo dalla temperatura ambiente alla temperatura di laminazione intorno a 1250 °C

2. Compatti: V generazione in cui il ciclo di fabbricazione inizia dall’acciaio che viene solidificato in una macchina di colata continua per la produzione di brame sottili di spessore di circa 50 mm chiamate tin slab caster: è sempre previsto un forno di riscaldo per raggiungere una temperatura omogenea e sufficiente per la laminazione di finitura (che mantiene invece le stesse caratteristiche dei treni tradizionali).

Un’ulteriore classificazione viene fatta sugli impianti tradizionali in relazione al tipo layout, soprattutto per quanto riguarda la fase di sbozzatura della bramma a barra. Lo sbozzatore ha l’importantissimo compito inoltre di alimentare il treno finitore con il valore di larghezza di barra adatto per ottenere nastri di larghezza rientrante nel campo di tolleranza scelto dal cliente. La riduzione di larghezza in genere si aggira al massimo su valori di 50 mm e valori superiori non sono convenienti perché peggiorano la resa bramma-rotolo.

1.3.1. Treno semicontinuo

Il treno semicontinuo (figura 5) è composto da uno sbozzatore costituito da una gabbia reversibile universale, ovvero una gabbia a cilindri orizzontali preceduta da una gabbia a cilindri verticali, dove la bramma con successive passate viene ridotta allo spessore di barra, col temporaneo controllo di larghezza. Successivamente passa al treno finitore dove viene laminata in continuo da 5-7 gabbie in tandem.

Lo sbozzatore reversibile è costituito da:

-         una gabbia rompiscaglie orizzontale: ha la funzione doppia di iniziare la sbozzatura e di togliere la scaglia (ossido di ferro) che si è formata durante il riscaldo nei forni. E’ corredata con spruzzi di acqua ad alta pressione (120-200bar)

-         una coppia di cilindri verticali che precede la gabbia rompiscaglia: hanno la funzione di iniziare la riduzione di larghezza per portarla al valore desiderato all’ingresso del finitore.

-         Una gabbia sbozzatrice reversibile che può corredata davanti e dietro da una coppia di cilindri verticali: quelli davanti vengono utilizzati nelle passate dispari e quelli posteriori nelle passate pari. E’ una soluzione non molto diffusa ma ha indubbi vantaggi per un miglior controllo della larghezza

Le potenze in gioco dei motori variano nei seguenti campi:

-         4500 – 15000 KW DC Motor per i cilindri orizzontali

-         4500 – 20000 KW AC Motor regolati in frequenza per i cilindri orizzontali

-         400-1200 KW DC Motor per i cilindri verticali.

1.3.2. Layout con due gabbie sbozzatrici reversibili  in coppia

E’ composto da due gabbie sbozzatrice reversibili che lavorano in coppia: questo consente di raddoppiare la produttività.

1.3.3 Treno ¾ continuo, Treno 2/3 continuo

E’ il classico esempio di soluzioni miste di gabbie sbozzatrici reversibili, accoppiate con gabbie di laminazioni unidirezionali in continuo. In questa soluzione vi è un rompiscaglie (HSB), seguita da una gabbia reversibile, in cui la bramma viene parzialmente sbozzata (generalmente con tre passate) e quindi viene ulteriormente ridotta da altre due gabbie poste in successione con avanzamento continuo, eventualmente in tandem. Ogni gabbia orizzontale è preceduta da una verticale.

1.3.4 Treno continuo

E’ costituito da una serie di gabbie, da quattro a sei con cilindri orizzontali ognuna delle quali è in genere preceduta da una coppia di cilindri verticali per la riduzione di larghezza. La bramma passa attraverso questa serie di gabbie (Roughing Mill) e giunge al treno finitore anche esso continuo: da qui il nome di Fully Continuous (figura 8).

Gli elementi importanti dell’impianto sono:

-         Horizzontal Scale Breaker ( HBS) preceduta da cilindri verticali (VSB).

-         Gabbie sbozzatrici duo precedute da coppie di cilindri verticali di contenimento larghezza durante la riduzione di spessore. Le gabbie sono corredate da un rompiscaglia  per asportare la scaglia che si forma a contatto con l’aria. Le prime gabbie sono duo perché la bramma viene ridotta ancora molte volte, per cui non è necessario impiegare gabbie quarto che consentono una migliore qualità del prodotto.

-         Gabbie quarto sbozzatrici: sono gabbie quarto ognuna corredata con un impianto di discagliatura e possono arrivare in numero fino a quattro.

Le potenze in gioco dei motori variano nei seguenti campi:

-         75-120 KW DC motor  per i cilindri verticali delle sbozzatrici

-         1500 – 3700 KW motori sincroni per i cilindri verticali del rompiscaglie

-         1500 – 3700 KW  motori sincroni per il rompiscaglie

-         3000 – 6000 KW per le gabbie duo

-         6000-10000 KW per le gabbie quarto

1.3.5 Vantaggi – svantaggi

Gli impianti continui e reversibili presentano caratteristiche tali da determinare vantaggi e svantaggi:

Continuo

-         estrema lunghezza che comporta costo elevato delle opere civili, tavola a rulli e impianti di servizio

-         eccessive perdite di temperatura nel caso si lavorino bramme di spessore lontano dal valore massimo

-         impianti e regolazioni elettriche più semplici trattandosi di motori a v costante

-         possibilità di produrre anche con una gabbia fuori servizio

Reversibile

-         limitata lunghezza che comporta costo limitato delle opere civili, tavola a rulli e impianti di servizio.

-         produttività più limitate.

-         se la gabbia reversibile è fuori servizio non è possibile produrre.

-         ottima flessibilità nella lavorazione di bramme di diverso spessore.

-         in passato regolazioni elettriche più complesse oggi superate con i motori a corrente alternata

Oggi una soluzione o l’altra ha i suoi vantaggi e svantaggi, per cui non si può dire quale sia la migliore in assoluto: in passato si preferiva il reversibile per la possibilità di produrre lamiere grosse, poi si impose il continuo mentre ultimamente si ha un ritorno del reversibile se pur accoppiato a gabbie in continuo oppure costituito da gabbie reversibili.

1.4 Impianti compatti

Gli impianti compatti hanno iniziato la loro storia nel 1989 in USA alla Nucor che applicò un’idea della tedesca SMS; poco dopo in Italia per merito dell’imprenditore Arvedi iniziò la produzione di nastri 1992: il principio era quello di abolire del tutto la fase di sbozzatura della bramma il che implica di colare una in continuo una bramma di spessore sottile tale da poter alimentare direttamente il treno finitore a 5/6 gabbie tandem, realizzando il così collegamento diretto in un'unica linea di produzione della colata continua col treno finitore, seppur con l’interposizione di un apparato per riscaldare opportunamente la bramma sottile.

1.4.1 Colata continua spessori sottili

1.4.1.1 Soluzione Nucor / SMS – CSP

La soluzione SMS si basa su una lingottiera di colata continua brevettata dalla Tedesca SMS,: lingottiera non tradizionale con le facce ad imbuto, Funnel Type (figura 9a) in cui dalla distanza dei bordi superiori delle facce larghe in corrispondenza dello scaricatore di circa 170 mm si passa ad una distanza, in corrispondenza delle facce strette di 50 mm; lo spessore di uscita dai bordi rettilinei inferiori delle facce larghe è pure 50 mm. (figura 9b).

Nella curva avviene la solidificazione dell’acciaio senza riduzione, né a cuore liquido nè a cuore solido. Lo spessore della bramma  risulta quindi 50 mm.

La bramma, in colaggio, è poi divisa in bramme di lunghezza opportuna con una cesoia posta subito all’uscita del curvone, ed in sequenza vi è un forno a rulli, a tunnel (figura 9c), che ha lo scopo di riscaldare ed omogeneizzare la temperatura della bramma con bruciatori a gas, oltre che a fare da polmone tra colaggio e laminazione. Tale forno e lungo circa 250m. All’uscita vi è il classico finitore. Poiché in un unico impianto è realizzata la produzione di nastri eliminando raffreddamento, trasporto, condizionamento, riscaldo e sbozzatura bramme, fu chiamato Compact Strip Production. Poiché la produttività del finitore è molto più alta della colata continua, si è passati ad installare due linee di colata che alimentano alternativamente il finitore.

1.4.1.2       Soluzione Arvedi

L’impianto Arvedi prevede una colata continua con una lingottiera di forma tradizionale con le quattro facce parallele in cui lo spessore di uscita è 70-80mm contro i 200 mm delle colate tradizionali. Inoltre la bramma in solidificazione nel curvone viene ridotta a cuore liquido a 40 – 50 mm e ulteriormente a cuore solido a 20-30 mm da tre o quattro gabbie in tandem che praticamente costituiscono la sezione di uscita del curvone. (figura 10).

All’uscita della colata continua, la bramma viene riscaldata con un breve forno ad induzione per portarla a temperatura omogenea di laminazione al finitore. Dato il limitato spessore, la bramma può essere poi facilmente avvolta su un mandrino posto in un forno cilindrico, il Cremona fornace, per omogeneizzare e mantenere costante la temperatura nella successiva laminazione al finitore. E’ presente una cesoia per dividere la colata in bramme di lunghezza idonea. Potendo alimentare il finitore con 20 mm è possibile produrre anche nastri con 0,8mm.

L’avvolgimento rappresenta una complicazione, ma si rende utile per ridurre la lunghezza della linea che viene chiamata In line strip production (ISP). L’impianto è stato avviato nel 1992 ed ha registrato nel 2002 la produzione di 839 Kt/a.

1.4.2 Colata per spessori medi

Un limite delle due soluzioni precedenti ora descritte e che perdurò per diversi anni, fu la qualità scadente e molto incostante che non prevedeva utilizzi sofisticati, quali  per esempio l’ imbutitura della carrozzeria delle auto.

La VAI adottò una soluzione intermedia che permettesse di produrre nastri di ottima qualità pari a quella garantita dagli impianti tradizionali.

Poiché il problema nasceva in lingottiera, adottò bramme di 90 –100 mm di spessore in cui era possibile adottare le tecniche già note di colata continua.

Naturalmente non era possibile alimentare il finitore con una bramma di tale spessore, però era sufficiente una gabbia sbozzatrice per ridurla a spessore di 50mm, adatto ad un finitore tradizionale.

Con una spesa limitata, circa il 15% in più del totale investimento, si poteva tranquillamente produrre nastri di ottima qualità, del tutto simile a quella degli impianti tradizionali. La tecnologia venne chiamata Con- Roll.

1.4.3 Colata diretta del nastro

Si basa sul principio di colare direttamente, in una speciale lingottiera a due cilindri controrotanti, un nastro di spessore 4-6 mm: l’idea non è originalissima in quanto era già stata brevettata nel 1856 solo che non erano disponibili i materiali per risolvere il problema del contenimento laterale dell’acciaio liquido contro due cilindri rotanti e soprattutto non aveva i computer per la progettazione col metodo degli elementi finiti e per la gestione automatica del processo soprattutto alla partenza.

Negli anni 90 si è passati alla produzione. Ovviamente questa tecnologia (vedi figure 10-11-12) non è proprio una laminazione perché cola solo l’acciaio in forma di nastro. Tuttavia alla fine del processo c’è una gabbia che però ha solo il compito di spianare il nastro.

2.Principali componenti della gabbia di laminazione 

2.1    Classificazione delle gabbie

Le prime gabbie della storia furono duo (vedi figura 14a), ovvero costituite da due cilindri di lavoro, che andavano direttamente a contatto con l’acciaio, mossi attraverso delle allunghe da motori che agli albori erano mulini ad acqua poi stantuffi a vapori per arrivare ai motori elettrici.

Primi dell’avvento dei motori elettrici era problematico invertire il moto di laminazione. Quindi nelle prime realizzazioni se il pezzo doveva subire più passate magari con qualche sosta di riscaldo intermedio e si aveva a disposizione una sola gabbia si utilizzava la soluzione trio (vedi figura 14b), dove i tre cilindri ruotano nello stesso tempo e il pezzo da laminare viene prima imboccato tra il cilindro inferiore e intermedio andando da sinistra verso destra e successivamente la tavola a rulli viene alzata col pezzo per imboccarlo tra il cilindro intermedio e quello superiore.

Ovviamente tra una passata e l’altra si sposta il cilindro inferiore (passate dispari) e il superiore (passate pari), per ridurre la luce a vuoto tra i cilindri per poter ridurre lo spessore del pezzo.

In seguito solo nella laminazione piana di lamiere a nastri, per contenere la deformazione trasversale più costante tra centro e bordi, si aggiunsero i cilindri di appoggio, di diametro circa doppio di quelli di lavoro, realizzando le cosi dette gabbie quarto (vedi figura 14c). Questi cilindri sono folli e ruotano alla stessa velocità angolare dei cilindri di lavoro, comandati da motori elettrici, a causa dell’attrito tra le tavole. Per realizzare un attrito affidabile, viene applicato un sistema di bilanciamento dei cilindri. Esiste anche la soluzione gabbie quinto che però è del tutto abbandonata (vedi figura 14d).

In Giappone, nel treno della NSC- Yawata N°2 e Nisshin steel- Kurel, è stata per la prima volta adottata nel 1982 la soluzione di quattro gabbie sesto (vedi figura 14e), per le ultime del treno finitore, soluzione già adottata su alcuni treni a freddo molto specializzati, in cui i cilindri intermedi vengono separati lateralmente in senso opposto, per seguire il variare della larghezza rotolo. da un lotto all’altro, in modo che la lunghezza della tavola di contatto tra i cilindri intermedi e cilindri di appoggio sia sempre uguale alla larghezza del rotolo, al fine di ridurre l’inflessione degli appoggi.  In teoria il sistema è valido ed è certamente efficace per controllare il profilo e planarità del nastro; nella pratica la complicazione e i costi sono tali che non giustificano i risultati, a meno di produzioni particolari, per cui ha avuto poco successo al di fuori del Giappone.

2.2 Direzione di laminazione

La laminazione può essere unidirezionale, quindi con cilindri che ruotano sempre nello stesso senso, e il pezzo (nelle gabbie duo e quarto) subisce un'unica riduzione.

Data la semplicità del movimento, si usano motori elettrici a corrente alternata sincroni, che sono meno costosi e più semplici, con la limitazione che la velocità e il senso di rotazione sono costanti.

La gabbia reversibile consente di fare più passate con la stessa gabbia, invertendo il senso di rotazione ad ogni passata e riducendo la luce a vuoto tra i cilindri per ridurre lo spessore ad ogni passata: le gabbie reversibili sono state possibili industrialmente solo quando è stato possibile utilizzare i motori elettrici a corrente continua con sistemi rotativi di raddrizzamento della corrente alternata, peraltro costosi ed a basso rendimento.

Con le gabbie sbozzatrici dotate di motore elettrico sincrono è possibile fare due o più passate con la stessa gabbia, utilizzando la tecnica del back pass, cioè sui fa una passata, si ferma il pezzo all’uscita sulla tavola a rulli, si abbassa il cilindro inferiore della gabbia al di sotto della tavola a rulli di una entità fissa facendolo continuare a ruotare nello stesso senso, si inverte il moto della tavola a rulli uscita ed entrata, si sposta di nuovo il pezzo davanti all’entrata, si rialza il cilindro inferiore nella posizione primitiva, si abbassa il cilindro superiore a vuoto per ridurre lo spessore del pezzo. In definitiva si fanno tre passaggi sotto la gabbia: il prima lamina, il secondo è a vuoto e il terzo lamina di nuovo per cui si ottengono due passate con poca spesa di investimento. La soluzione è adottata per impianti che vengono alimentati con bramme di spessore maggiore di quanto previsto inizialmente, oppure in emergenza quando una gabbia del treno sbozzatore è fuori servizio, oppure quando si è in una fase iniziale di sviluppo impiantistico e per risparmiare si è programmato l’investimento di un’altra gabbia sbozzatrice in una fase successiva.

2.3 Cilindri di lavoro

2.3.1 Geometria

Dal disegno di un cilindro di lavoro finitore (vedi figura 15) possiamo individuare la tavola, che è la superficie di rivoluzione del cilindro: questa superficie è importante perché oltre a determinare la larghezza massima laminabile del nastro, viene direttamente a contatto col materiale caldo in lavorazione, per cui è sottoposta ad un severo shock termico, in quanto deve essere immediatamente raffreddata da violenti spruzzi di acqua. Questa superficie poi lascia traccia indelebile, date le notevoli pressioni in gioco, sull’aspetto superficiale del nastro.

La tavola dei cilindri di lavoro utilizzabile per la laminazione, cioè la massima larghezza dei nastri producibili è pari al valore geometrico dell’altezza della tavola diminuita di otto pollici, quattro per parte, cioè in totale 200mm: se abbiamo un treno da 80” (2032 mm) potremo laminare rotoli di larghezza massima 1832 mm. Il valore inutilizzabile di 200 mm viene dalla pratica ed è dovuto al fatto che alle estremità della tavola si ha una deformazione, per inflessione, tale che i nastri  vengono ondulati ai bordi.

 Il valore della tavola dei treni nastri va da 94” a 56” cioè da 2387 a 1422 mm: un’eccezione è costituita dal treno finitore continuo da 120 “ (3048 mm) che produce lamiere spesse in USA. Distinguiamo inoltre il codolo attraverso cui si trasmette il moto dalle allunghe. Hanno diametri  di valore compreso tra 900 e 700 mm scendendo dalle prime alle ultime gabbie sia per problemi di angoli di presa che per il fatto che le forze di laminazione sono maggiori. Nelle gabbie duo all’inizio degli sbozzatori arrivano anche a 1100-1300 mm mentre al finitore si scende fino a 800-650 mm con valori maggiori per i treni più larghi.

La fascia utile del raggio a nuovo (quanto può essere utilizzato a laminazione durante la vita del cilindro) è limitata a circa 25mm, 50 mm sul diametro, in quanto oltrepassato tale limite, la durezza decade rapidamente (figura 16).

 Da ricordare che non si può scendere al di sotto di un certo diametro, sia per i lavori che per gli appoggi, per motivi geometrici, conseguenza di come sono state disegnate le gabbie (ad esempio vanno ad interferire le guarniture degli appoggi con quelle dei lavoro, per cui non si ha contatto tra tavola di appoggio e lavoro).

2.3.2    Fabbricazione dei cilindri

Le tecniche di fabbricazione dei cilindri, sia di lavoro che di appoggio, sono state sviluppate nel tempo per aumentare la campagna, cioè la durata in lavorazione tra una lavorazione di ripristino della superficie e la successiva: lavorazioni che consistono essenzialmente nella rettifica, anche se talvolta si può semplicemente tornire il cilindro, soprattutto per quelli dello sbozzatore. Inoltre la fabbricazione del cilindro determina la vita dello stesso, ovvero quanto si può asportare dal diametro del cilindro, senza avere problemi (ad esempio la diminuzione di durezza figura 17).

Esistono vari problemi per la fabbricazione dei cilindri di lavoro che devono avere la capacità di resistere a sollecitazioni meccaniche di compressione  contro i cilindri di appoggio col corpo del cilindro e alle sollecitazioni termiche e di usura per attrito con la superficie della tavola. Per soddisfare a questa doppia esigenza, si sono studiate tecniche di fabbricazione che permettessero di avere due materiali differenti per il cuore del cilindro e per la superficie esterna.

Una di queste è la doppia colata (figura 18); si producono in questo modo cilindri con superficie in acciaio e cuore di ghisa, cosiddetto acciaio su ghisa, oppure ghisa su acciaio, oppure acciaio su acciaio di differente analisi oppure ghisa su ghisa.

Fig. 18  Analisi della conchiglia e del cuore dei cilindri ad alto cromo

Un'altra tecnica è quella della centrifugazione (vedi figura 19) con la quale si cerca di portare, al centro del cilindro, tutte le impurezze del metallo fuso, quali inclusioni non metalliche ed eventuali porosità.

In tutti i casi, dopo il colaggio, il pezzo viene trattato termicamente con fasi di tempra e distension,e e se di acciaio può essere fucinato; seguono poi per finire le fasi delle lavorazioni meccaniche con taglio all’utensile e di rettifica con mola per portare il pezzo a disegno.

2.3.3 Guarniture e cuscinetti

Le guarniture hanno la funzione di contenere i cuscinetti a rulli a quattro piste di rotolamento (figura 20) e di posizionare correttamente i cilindri di lavoro nella finestra delle spalle della gabbia ed a contatto con la tavola degli appoggi.

La lubrificazione dei cuscinetti a rulli può essere realizzata con una carica di grasso introdotta in tornerai cilindri, dopo rettifica; in alternativa si può lubrificare con un impianto oil mist, più complicato da gestire, perché necessita di collegare ogni cuscinetto, 24 –28 in un finitore di 6-7 gabbie, con un impianto non trascendentale, ma che deve avere un’affidabilità assoluta.

2.3.4 Raffreddamento dei cilindri

I cilindri di lavoro vengono a contatto col laminato ad alta temperatura: all’uscita dei forni di riscaldo, la temperatura superficiale della bramma è intorno ai 1200°C; all’ingresso della prima gabbia finitrice dopo discagliatura è attorno ai 950°C, e all’ultima gabbia del finitore a circa 900°C. E’ lecito quindi aspettarsi un forte riscaldamento della tavola dei cilindri di lavoro per conduzione.

I cilindri si riscaldano sempre per conduzione anche per via dell’energia di deformazione che viene applicata dai cilindri al pezzo che si trasforma in calore nel pezzo stesso.

Inoltre bisogna considerare l’attrito del pezzo sui cilindri, che rappresenta un ulteriore fonte di calore.

Per avere una buona duratura superficie dei cilindri di lavoro bisogna limitare l’innalzamento della temperatura e ciò è ottenuto con un raffreddamento ad acqua spruzzata e a pressione, almeno 10 bar, mediante due serie di spruzzi una nel bite (figura 21) e una sulla superficie dei cilindri di lavoro.

Questo è importante, in modo che la temperatura superficiale dei cilindri non superi i 120°C –150°C, al fine di mantenere la loro resistenza in campi accettabili.

2.3.5 Aspetto superficiale

L’aspetto superficiale dei cilindri di lavoro è importante, perché determina l’attrito tra pezzo e cilindri e l’aspetto superficiale finale del nastro.

Nelle prime passate di sbozzatura, all’uscita dal riscaldo, quando il pezzo molto caldo e si possono dare forti riduzioni, è opportuno avere cilindri ruvidi per garantire un alto angolo di presa: la scaglia riduce infatti l’attrito tra il materiale e i cilindri per cui si possono avere degli scivolamenti se i cilindri sono troppo lisci. Per tale motivo i cilindri del rompiscaglie sono irruviditi con metodi diversi tra cui la godronatura.

Nel finitore, invece, i cilindri devono avere una buona finitura, per evitare che i residui della scaglia area che si forma sul pezzo in laminazione al contatto con l’atmosfera si improntino nei cilindri per rovinare poi la superficie del nastro.

Nelle ultime gabbie del finitore bisogna avere la finitura superficiale migliore perché questa verrà trasferita alla superficie finale del nastro.

Questo spiega il motivo per cui i nuovi cilindri col diametro massimo, massima durezza e finitura, (figura 22) iniziano la loro campagna sull’ultima gabbia per poi trasferirsi passo-passo verso la prima dove avranno la durezza più bassa (che tuttavia deve essere sufficiente a contrastare il fenomeno della scaglia impressa) e il diametro più basso (che deve comunque essere tale da garantire un angolo di presa sicuro).

2.3.6 Lubrificazione della tavola

L’attrito del pezzo in laminazione e l’usura della superficie della tavola sono i fattori che determinano la durata della vita dei cilindri di lavoro al finitore: questo giustifica il fatto che la tavola sia lubrificata.

Il problema dell’usura riguarda tutte le gabbie finitrici: nelle prime si sente l’effetto dell’usura dovuta alle scaglie impresse sui cilindri, che provoca la scaglia a lamelle (figura 23); su tutte le gabbie si ha  poi una più forte usura dei cilindri in corrispondenza dei bordi dei nastri laminati (figura 24) causata dalla maggiore durezza dei laminati in conseguenza della minor temperatura dei bordi.

Lo svantaggio di lubrificare è che riduce l’angolo di presa all’imbocco tra i cilindri: è necessario per questa fase l’assenza di lubrificante, per cui è necessario che dopo l’applicazione del lubrificante sulla tavola dei cilindri di lavoro prima della fine della laminazione della coda, ci sia un tempo di non lubrificazione del nastro in modo che il residuo di lubrificante venga bruciato a contatto col laminato che essendo a temperatura superiore a quello di infiammabilità del lubrificante provvede a rimuoverlo.Questo viene realizzato da un dispositivo automatico che applica il lubrificante subito dopo l’imbocco e interrompa l’alimentazione in funzione di un certo numero di giri del cilindro che corrisponde ad un tempo antecedente l’arrivo della coda.

L’olio usato può essere minerale o grafite, emulsionati con acqua; tuttavia hanno dato risultati ottimi anche gli oli di recupero di uno stabilimento siderurgico, naturalmente filtrato e miscelato con acqua

Il lubrificante può essere applicato in diversi modi:

-         Attraverso spruzzi sulla tavola dei cilindri.

-         Attraverso spruzzi sui cilindri di appoggio che lo distribuiscono ai cilindri di lavoro (problematica per la manutenzione: ispezione)

-         Utilizzare un rullo a feltro imbevuto di lubrificante e leggermente pressato sui cilindri di appoggio che ruotando distribuisce il lubrificante sui cilindri di lavoro.

Per quanto detto prima si può pensare di applicare il lubrificante solo in corrispondenza dei bordi del nastro, per evitare il picco di consumo evidenziato in figura 24, ad esempio nelle ultime gabbie del finitore, oppure nella laminazione degli acciai inossidabili, che anche sulle prime gabbie presentano problemi particolari.

2.3.7 Bilanciamento

Il bilanciamento è un sistema che serve a sostenere il peso del cilindro di lavoro superiore al momento dell’imbocco al fine per evitare urti tra i cilindri di lavoro e appoggio superiore ma anche per farlo aderire il cilindro di lavoro a quello di appoggio con una pressione tale il cilindro di appoggio possa ruotare con sicurezza senza slittamenti quando il rullo di lavoro rispettivo comincia a ruotare.

Questo sistema è composto da quattro martinetti idraulici che sostengono il cilindro superiore (lato entrata – lato uscita – lato operatore – lato motore) come in figura 25 (1 e 2). C’è anche la necessità di sostenere il cilindro d’appoggio superiore, farlo aderire bene contro i vitoni: si tenga presente che l’appoggio, completo di cuscinetti e guarniture nel caso di treni per larghi nastri ha un peso superiore a 50 ton. Il bilanciamento d’appoggio è realizzato generalmente mediante otto martinetti idraulici, due per ogni lato. ( vedi figura 25 , rappresentati da 14 e 15).

Per il cilindro di lavoro inferiore non c’è la necessità di farlo aderire all’appoggio inferiore, in quanto per peso proprio c’è un sufficiente attrito per far girare l’appoggio.

Nelle gabbie reversibili, poiché si realizza una rapida inversione del senso di rotazione, l’inerzia polare del cilindro d’appoggio inferiore è tale che necessita una forte pressione tra la tavola del cilindro di lavoro e quella di appoggio. Tutto ciò per non avere slittamenti tra il cilindro di lavoro, che inizia ad invertire la rotazione, comandato dal motore, e l’appoggio che per inerzia continua a ruotare nel senso primitivo. Questo sistema è chiamato, per i reversibili, aderenza ( vedi figura 25 3 e 4).

Per il cilindro di appoggio inferiore non è previsto nulla, dato il peso proprio.

Il nastro può presentare dei difetti che possiamo classificare nel seguente modo (figura 26):

      edge waves (bordi ondulati)

      centre buckle (ondulazioni al centro)

 A causa di questi difetti, durante la laminazione i cilindri di lavoro e di appoggio sono sottoposti ad una sollecitazione di flessione (figura 28). Per prevenire tale problema, è utile andare applicare delle forze F in corrispondenza dei bordi, attraverso i cuscinetti e le guarniture, per mezzo di appositi martinetti idraulici. Quelli indicati in figura 25, come cilindri 1-2-3-4, sono relativi al Positive work roll bending, utili per contrastare il difetto indicato come edge waves, mentre per contrastare il difetto centre buckle è necessario agire in direzione opposta (Negative work roll bending- figura 29) attraverso i cilindri indicati con 8-9-10-11.

Le forze da applicare per avere qualche effetto, sono dell’ordine delle 50 –100 ton per cui comporta notevoli sollecitazioni sui cuscinetti dei cilindri e cosi pure le pressioni localizzate ai bordi degli appoggi. Fu necessario agire su qualche altro elemento del disegno meccanico, visto che l’aumento delle pressioni aumentava solo a dismisura i problemi.

2.3.9 Work roll shifting- WRS

Pertanto è preferibile agire su altri sistemi ad esempio il work roll shifting (figura 30).

Il work roll shifting consente di spostare lateralmente i cilindri di lavoro per distribuire su una maggiore porzione di tavola il consumo dei cilindri di lavoro. Logicamente se la tavola non aumenta in larghezza, questo sistema consente solo di laminare delle grandezze intermedie di nastro, mentre aumentando le larghezze delle tavole dei cilindri di lavoro rispetto a quelle di appoggio si estende il beneficio di tale pratica a tutte le larghezze: per essere apprezzabili i valori dello shifting vanno dai 100 mm a 250 mm.

Si aumenta così il braccio di leva dei martinetti del WBR.

Lo shifting, applicato ai cilindri intermedi nella gabbia sesto (figura31), trova il suo massimo sviluppo, perché il WRB positivo sui cilindri di lavoro può utilizzare la fascia di tavola non coperta dal contatto coi cilindri intermedi. Come già detto, la gabbia sesto è una notevole complicazione costosa.

2.3.10 Pair roll crossing- PRC

Un secondo sistema utilizzato per aumentare l’efficienza di controllo del nastro, senza esagerare con le forze applicate dal WRB, fu quella del roll crossing, ovvero incrociare i cilindri per scaricare i bordi: delle tre forze esaminate in figura 32, le prime due furono scartate perché aumenta enormemente la pressione di contatto tra i cilindri di lavoro ed gli appoggi al centro della tavola. Quello di incrociare simultaneamente nello stesso senso e della stessa entità i lavori e gli appoggi (Pair cross rolling) ha trovato applicazioni interessanti, specie in Giappone e USA.

2.3.11 Work roll Grinding- WRG

Questa tecnologia, assai innovative e sulla carta promettente, consiste nel montare sulla gabbia un dispositivo costituito da un’asta su cui è fissata una serie di piccole mole a tazza folli, con assi di rotazione leggermente inclinati rispetto alla perpendicolare dell’asse del cilindro, ma che ruotando per contatto sulla tavola dei cilindri di lavoro, hanno la capacità di realizzare una leggera funzione abrasiva che possa, che possa in laminazione avere un effetto simile a quello della rettifica. L’asta, su cui sono fissate le mole, ha un lento movimento alternativo rettilineo parallelo al cilindro di lavoro, con corsa uguale al diametro delle mole, per poter coprire uniformemente tutta la tavola dei cilindri di lavoro.

Se il sistema fosse affidabile ed efficace, rappresenterebbe un enorme passo avanti nella tecnologia della laminazione a caldo, perché sarebbe intrinsecamente poco costoso e allungherebbe di molto la durata dei cilindri di lavoro al montaggio. Si pensi solo, cosa si potrebbe risparmiare evitando il difetto di marcature e materiale riportato sulle ultime gabbie del treno finitore, difetti assai frequenti laminando spessori sottili.

2.4 Cilindri di appoggio

2.4.1 Geometria

Un cilindro di appoggio è costituito dalla tavola (barrel) con la parte conica del collo (taper) su cui verrà montata la camicia d’acciaio del cuscinetto e con la parte cilindrica del collo (flat).

Quella riportata nelle figure 33 e 35,  è la soluzione brevettata dalla ditta americana Morgan ed è stata chiamata Morgoil relativa a cuscinetti ad olio. Esiste un altro disegno con i colli completamente cilindrici brevettato dalla ditta Mesta, sempre americana, che viene chiamato Mestaoil

2.4.2    Fabbricazione dei cilindri

La fabbricazione dei cilindri di appoggio, avendo la necessità di avere una limitata deformazione a flessione e non dovendo resistere all’attrito col pezzo caldo, sono generalmente di acciaio ad alta resistenza fucinato e trattato termicamente.

Si possono avere anche doppi cilindri realizzati con la doppia colata di acciaio resistente all’usura, all’esterno della tavola e resistente alla deformazione all’interno.

2.4.3    Guarniture e cuscinetti

La guarnitura è una struttura metallica, che ha la funzione di contenere il cuscinetto in senso verticale e di far aderire il cilindro superiore contro i vitoni.

Attraverso le guardie si impedisce alla guarnitura di spostarsi in senso orizzontale lasciando la guarnitura superiore libera di spostarsi in senso verticale per seguire i movimenti di regolazione della luce a vuoto dei cilindri di lavoro in funzione dei parametri di laminazione.

In figura 35 è riportato il disegno semplificato della soluzione Morgoil. E’ un cuscinetto a velo di olio, in cui il perno che ruota ha una superficie in acciaio speciale di dimensioni con tolleranze molto ristrette, mentre il cuscinetto ha una superficie interna di metallo bianco anch’esso di dimensioni con tolleranze molto ristrette.

Dati i pesi in gioco, tolleranze di lavorazione così ristrette non possono essere realizzate su pezzi pesanti svariate tonnellate, per cui è necessario pensare a camicie di acciaio da bloccare sui perni (colli dei cilindri) e di metallo bianco, riportato su una base ovviamente di acciaio, da bloccare sui cuscinetti (guarniture).

L’olio svolge la funzione di sostegno idrodinamico del perno, per cui perno e cuscinetto (maggiore di 100 ton per cuscinetto) non vengono mai a contatto in laminazione fino a quando il cilindro ruota (sempre che i parametri della laminazione siano negli intervalli ideali.

Il contatto si ha se il cilindro non ruota, perché ci deve essere movimento relativo tra perno e cuscinetto per lo sviluppo del meato: quindi è capibile il motivo per cui l’istante della partenza (inizio rotazione) è il più critico.

In figura 36 viene riportato il disegno semplificato del cuscinetto e guarnitura: nella metà superiore è riportato il cuscinetto senza chiavetta e nell’inferiore con chiavetta. Sono due soluzioni differenti per motivi brevettuali per lo stesso problema di fissaggio della camicia di acciaio sul collo del cilindro.

2.4.4    Raffreddamento dei cilindri

Il raffreddamento dei cilindri di appoggio non è mai molto sofisticato , perché la temperatura non è elevata, non venendo a contatto con l’acciaio caldo,  ma solo con la tavola dei cilindri di lavoro ( T > 150°c). Una soluzione è la water box sulla sommità del cilindro superiore, con l’acqua in eccesso che tracima lungo i fianchi ; per l’inferiore si può fare qualcosa di simile tenendo presente che l’acqua di raffreddamento va a cadere sull’appoggio inferiore.

2.4.5    Bilanciamento

 Vale il discorso, riportato al paragrafo 2.3.7, per i cilindri di lavoro

2.4.6    Back up roll bending

Il controllo della forma del nastro attraverso l’inflessione dei cilindri è applicabile anche sui cilindri di appoggio, tuttavia fu utilizzato solo in passato, oggi non risultano applicazioni in esercizio a causa dei risultati modesti dovuti alle enormi forze in gioco.

2.5 Posizionamento dei cilindri orizzontali

2.5.1 Sistema elettromeccanico

Il sistema elettromeccanico comprende i seguenti elementi (figura 37): complesso spalla, chiocciola, vitone, ruota dentata e vite senza fine. La catena cinematica riportata ha il compito di comandare e controllare il movimento verticale dei cilindri di appoggio, grazie al sistema di bilanciamento dei cilindri di lavoro e d’appoggio, per variare opportunamente la luce tra cilindri e controllare quindi la riduzione della gabbia.

Per far ruotare il vitone d’acciaio nella chiocciola in senso verticale, esso è innestato, all’altezza della testa quadra, nel vano centrale di forma sempre quadrata, di una ruota dentata che viene fatta ruotare, in quanto impegnata dalla filettatura di una vite senza fine (figura 38). La vite a denti globoidali, dato il maggior numero di denti , rispetto a quella a denti dritti, impegnati dai filetti della vite, ha un funzionamento migliore, anche se di maggior difficoltà di fabbricazione e montaggio.

La vite senza fine viene fatta ruotare da un motore elettrico, attraverso un riduttore e un giunto meccanico; anche il motore elettrico dell’altro vitone viene collegato al motore del primo vitone per mezzo di un giunto elettromeccanico, in modo che i due vitoni, lato operatore e lato motore, siano meccanicamente collegati per muoversi insieme, dello stesso spostamento, quando si vuole variare la luce tra i cilindri. Questo giunto può essere aperto, con comando elettrico, quando si voglia livellare, cioè variare la luce in senso opposto tra i due vitoni. I vitoni elettromeccanici ora descritti sono molto veloci e consentono di raggiungere tolleranze di spessore nel campo +/- 0,05mm.

2.5.2.  Sistema idraulico

Al fine di realizzare un attuatore più veloce e preciso del sistema elettromeccanico, è stato realizzato il sistema idraulico, costituito da un cilindro e da uno stantuffo di piccola corsa (figura 40), che si muove anche sotto una forza di 2000t e ciò realizzabile con un fluido comprimibile come l’olio.

E’ stato anche utilizzato il grasso, che viene come l’olio pompato nel cilindro o scaricato dal cilindro. Sullo stantuffo è collegato un rilevatore elettronico di posizione, assai preciso, e l’impianto idraulico è corredato di elettrovalvole molto precise e velocissime che sono soprattutto quelle che hanno permesso di raggiungere prestazioni insperate. La velocità e il tempo di risposta sono almeno dieci volte superiori a quella dei sistemi elettromeccanici, per cui le tolleranze di spessori ottenibili sono almeno cinque volte inferiori. Ovviamente sono due per ogni gabbia, una per guarnitura del cilindro d’appoggio superiore e possono muoversi assieme per variare la luce tra i cilindri di lavoro o in senso opposto per il livellamento della gabbia. Quando si aggiungono le capsule idrauliche ad una gabbia nata con i vitoni elettromeccanici, è chiaro che la funzione delle capsule è solo quella di regolare la luce tra i cilindri, il cosiddetto roll gap, per controllare lo spessore del nastro e quindi si tratta di uno stantuffo con piccola corsa, poiché le grandi corse per permettere il cambio dei cilindri verranno sempre eseguite dal sistema elettromeccanico.

2.5.3 Ubicazione delle capsule idrauliche

I vitoni idraulici o capsule idrauliche possono essere posizionati in vario modo: il più immediato, ed in effetti,  fu il primo ad essere realizzato sul treno finitore di Salzgitter, fu tra la superficie di base del vitone elettromeccanico e la superficie di appoggio sulla guarnitura del cilindro d’appoggio superiore. Questa è senza dubbio la posizione più facile per installare capsule idrauliche in una gabbia con i vitoni idraulici.

Possono essere installate anche sotto la superficie di appoggio della guarnitura inferiore e la spalla della gabbia, come pure in questa posizione si può montare i classici vitoni elettromeccanici in alto. ( figura 41)

Per le gabbie nuove, previste con i vitoni idraulici, si realizzarono poi gabbie del tutto prive dei vitoni elettromeccanici, assai costosi, pesanti ed ingombranti, perché aumentano considerevolmente l’altezza della gabbia dei capannoni. Infatti ciò è possibile, ma solo con una capsula idraulica a corsa lunga, che potesse svolgere le due funzioni insieme: corsa lunga per il cambio cilindri, peraltro assai più rapidamente dei sistemi elettromeccanici, e corsa breve la regolazione luce e i livellamenti.

2.6 Spalle, montanti, traverse e scarpe

2.6.1 Spalle

La gabbia è costituita da tre elementi principali: la spalla, la finestra e i montanti. ( figura 42).

Tutta la spalla è costruita in un solo pezzo, per fusione e successivo trattamento termico e lavorazioni meccaniche.Ovviamente di spalle ce ne sono due, lato motore e lato operatore, e sono lunghe anche più di 12 m e larghe più di 4m. Per questi motivi il loro trasporto dalla fabbrica all’impianto spesso non è possibile, a meno di non costruire strade o demolire ponti.

Le soluzioni più innovative, prevedono la costruzione della parte orizzontale alta e bassa fusa, mentre i due montanti sono realizzati con una serie di lamiere di spessore e numero tale, da costituire un pacco di sezione resistente uguale a quella del montante fuso.

Si tenga presente che una lamiera laminata ha una resistenza ben superiore a quella di un pezzo fuso; queste lamiere sono poi saldate di testa una per una sulla parte orizzontale.

E’ chiaro che in questo modo si risolvono, con notevole risparmio, tutti i problemi di trasporto, dovendo realizzare in loco solo delle saldature, seppur lunghe e delicate, mentre la costruzione della parte fusa rimanente è comunque più facile. Un successivo sviluppo è poi quello di prevedere anche la parte orizzontale costituita da lamiere da lamiere saldate a pacchetto, sulle lamiere verticali.

Questo sviluppo tecnologico è frutto della globalizzazione dell’economia, poiché si sviluppano le siderurgie là dove ci sono le materie prime, sempre in località poco dotate di infrastrutture, mentre la costruzione degli impianti viene sparsa per il mondo, la dove i costi sono minori e poi tutti i componenti sono assemblati sul luogo scelto per l’impianto.

2.6.2 Traverse e scarpe

Le traverse sono dei distanziali che mantengono verticali e parallele le due spalle ad una distanza determinata: sono generalmente fuse e collegate attraverso grossi dadi e bulloni. Le scarpe sono dei piastroni fusi inghisati nelle fondazioni di calcestruzzo, su cui vengono posate le spalle ed ad esse fissate, mediante lunghi tiranti imbullonati. (Figura 45).

                                                                                                                                                                                                                                             2.7 Sistema di rotazione dei cilindri orizzontali

2.7.1 Allunghe – cassa – pignoni – riduttori

I cilindri orizzontali delle gabbie a duo prendono il movimento dalla cinematica che li collega al motore elettrico; analogamente per le gabbie quarto sono quelli di lavoro che vengono mossi dal motore, mentre quelli di appoggio sono messi in rotazione per attrito dall’aderenza delle tavole di quelli di lavoro.

Ogni cilindro di lavoro, attraverso un mancione fissato sul codolo del cilindro, si innesta nell’allunga che è tenuta in posizione da una sella porta allunga a sua volta innestata sulla testa di un albero che esce da una cassa pignoni detta anche sdoppiatore. ( vedi figura 44)

Questa cassa prende il moto da un solo albero e mediante due ingranaggi esce con due alberi, rotanti in senso opposto come necessario per alimentare i due cilindri di lavoro.

Poiché i cilindri di lavoro si muovono anche in senso verticale i collegamenti tra mancioni, allunga, cassa pignone non sono altro che un giunti cardanici.

L’albero che alimenta la cassa, a sua volta, è collegato da un riduttore (di solito a tre ingranaggi) e da un giunto ad uno o più motori elettrici. La catena cinematica, descritta, è la disposizione delle prime gabbie finitrici o delle gabbie sbozzatrici continue, perché la velocità di lavoro è molto bassa mentre la velocità dei motori elettrici a corrente  continua deve essere più alta. Per le gabbie sbozzatrici reversibili più moderne si evita la cassa pignoni ed il riduttore, per ridurre notevolmente il momento di inerzia polare, necessariamente basso per le rapide inversioni, realizzando una motorizzazione detta twin drive, cioè due motori gemelli direttamente collegati con le allunghe ai mancioni dei cilindri di lavoro. Per le ultime gabbie finitrici si può eliminare il riduttore: questo è possibile perché le velocità di rotazioni sono molto più alte.

2.7.2 Motori principali

I motori principali sono quelli che danno il moto ai cilindri di lavoro e quindi determinano entità delle riduzioni e velocità di laminazione, cioè sono caratterizzati dalla potenza erogata e dal numero di giri al minuto.

La laminazione dei nastri è iniziata con i motori elettrici a corrente continua CC che permettevano la variazione continua della velocità e anche del senso di rotazione, necessaria per i laminatoi reversibili e per correggere, durante la laminazione, errori dovuti a riduzioni reali diverse da quinto previsto nelle gabbie tandem, come il treno finitore continuo.

I motori elettrici a CC necessitano però di essere alimentati con energia elettrica a CC,  mentre quella fornita dalla centrali è a corrente alternata per cui  è necessario raddrizzarla. Il sistema più banale era quello di alimentare un motore elettrico trifase CA, collegato ad una dinamo che producesse la corrente continua necessaria per l’alimentazione dei motori principali. Questo sistema è molto antico ed è del tutto abbandonato per costi di impianto di manutenzione e bassi rendimenti.

Tuttavia i motori elettrici a CC erano indispensabili per le gabbie reversibili, quali lo sbozzatore Steckel e le gabbie tandem di un finitore continuo: per le gabbie unidirezionali, per esempio gli sbozzatori continui non sono necessari i motori a CC e infatti uno dei motivi del successo di questi sbozzatori fu la possibilità di motorizzarli con macchine elettriche a C.A. ed usare motori asincroni meno costosi e di più facile manutenzione. Infatti per queste gabbie viene fatta una sola passata, la riduzione varia di pochissimo per ogni singola gabbia e la velocità può quindi rimanere sempre la stessa.

Data che la potenza dei motori elettrici aumenta con l’aumentare del diametro dei motori stessi e con esso aumenta il momento polare di inerzia col quadrato, per poter avere maggiori accelerazioni si è divisa la potenza totale di una gabbia in tre o quattro motor elettrici in linea sullo stesso asse, ottenendo cosi notevoli accelerazioni con la minima potenza. Si tratta dei così detti motori a doppia tripla quadrupla armatura.

Con lo sviluppo dell’elettronica si cominciò a pensare di utilizzare i motori a CA sincroni trifase anche per le gabbie reversibili regolandole in frequenza e voltaggio: infatti sappiamo che la velocità di un motore sincrono dipende  dalla frequenza della CA cui è alimentato (in Italia 50 Hz) per cui la sua velocità è costante se è costante la frequenza. Variando la frequenza di alimentazione si può variare la velocità di rotazione: furono così adottati i sistemi di regolazione e controllo per i motori CA VVVF (Variable Voltage, Variable Frequency). Il successo di tale sistema in termini di semplicità e costo portò all’adozione anche nei treni finitori continui.

2.8 Guide di imbocco

2.8.1 Gabbie sbozzatrici

La figura 45 riporta il disegno di una guida di imbocco della bramma o sbozzato ai cilindri di una gabbia sbozzatrice. Il disegno è funzione di ciò che si vuol ottenere sulle bramme/sbozzati, che sono molto spessi, si muovono lentamente e hanno una superficie pressoché piana: c’è una prima parte inclinata che centra la testa della bramma/sbozzato  sulla mezzeria della via rulli e quindi della tavola della gabbia, ed una seconda parte, dotata di una serie di rullini folli verticali per ridurre l’attrito dei fianchi della guida sui fianchi della bramma e quindi facilitare l’avanzamento della bramma stessa.

Lo scopo delle guide è quello di imboccare centrata la bramma/sbozzato e per questo devono essere posizionate col minimo lasco rispetto alla misura reale della larghezza della bramma/sbozzato: guide troppo larghe e quindi bramme/sbozzati disallineate sono forieri di notevoli problemi anche molto a valle.

2.8.2 Gabbie finitrici

La figura 46 riporta il disegno delle guide di imbocco del nastro, tipiche del finitore, dove la funzione è sempre quella di centrare il nastro sulla mezzeria dei cilindri di lavoro, ma abbiamo da imboccare e guidare un nastro molto veloce, anche 10 m/s all’imbocco e 20 m/s in laminazione, che può essere però molto sottile, 1,5 mm ad esempio.

A questo scopo si usa anche lo short stroke, cioè le guide sono più aperte della larghezza del nastro all’imbocco della testa, e subito dopo vengono repentinamente rinchiuse  a sfiorare leggermente i bordi.

3. Sistemi di riduzione della larghezza

3.1 Gabbia di per cilindri verticali

La figura 47 riporta la vista laterale di uno sbozzatore costituito da una gabbia orizzontale quarto e da una gabbia con cilindri verticali (edger) La gabbia edger è costituita dagli stessi componenti di una gabbia orizzontale ruotati di 90°.

La riduzione della larghezza è necessaria per diversi motivi tra cui:

1. Raddrizzare e uniformare la rettilineità dei fianchi della bramma, che potrebbe avere qualche difetto geometrico preesistente.

2. Controllare lo spread o allargamento dovuto alla riduzione di spessore.

3. Ridurre la larghezza della bramma per portarla alla larghezza del nastro richiesto dal cliente, visto che generalmente si gestiscono le bramme con misure standard, con intervallo di circa 40mm.

Dato che la lavorazione della larghezza è una lavorazione limitata ai fianchi della bramma /barra che ha un’elevata larghezza in rapporto allo spessore, questa lavorazione tenderà a ridursi drasticamente man mano che lo spessore diminuisce, non fosse altro perché la barra tende ad incurvarsi verso ( in basso è trattenuta dalla via a rulli) in quanto caricata di punta sui bordi, se si superano limitati valori di forza di laminazione. E’ quindi una fase si attua solo allo sbozzatore ma non al finitore: c’è solo qualche esempio di edger all’ingresso della prima gabbia al finitore con spessore barra molto alto, più che altro con funzione di guida rotante.

La figura 49 mostra l’evoluzione della forma dei cilindri: nel caso a), (cilindri di forma cilindrica), la bramma /barra tende ad inclinarsi per instabilità di forze; nel caso b), la risultante delle forze di laminazione spingevano la bramma contro il bordino del cilindro; in seguito si adottò la forma del caso c) perché la bramma/barra è più stabile e si possono dare maggiori riduzioni larghezza, utilizzando una particolarità dei prodotti di laminazione dei prodotti lunghi, utilizzata per esempio nei passaggi in canale dei blooming.

La regolazione di larghezza in uno sbozzatore continuo e uno reversibile presenta la differenza che nel reversibile si possono avere due edger, uno all’ingresso (da utilizzarsi nelle passate dispari) e uno all’uscita da utilizzarsi nelle passate pari.

Per quanto riguarda la disposizione dei motori degli edger, si è passati dalla disposizione orizzontale a quella verticale. Quella orizzontale è più pesante, richiede molto spazio lateralmente e necessita di realizzare la deviazione di 90° del movimento rotatorio, mentre si possono utilizzare motori standard in serie ben note. La soluzione verticale è più moderna,  in quanto più leggera e richiede pochissimo spazio laterale, soprattutto se accoppiata a vitoni idraulici, ha un riduttore con solo due ruote, ma si sono realizzati anche motori con asse verticale molto lenti collegati direttamente alle allunghe, senza riduttore.

3.2 Sizing Press

E’ consigliabile una riduzione di larghezza non oltre i 50 mm, perché oltre si penalizza la resa di trasformazione, anche se è possibile arrivare a 100 mm. Per ottenere riduzioni ben maggiori al fine di massimizzare la produzione in colata continua, che sappiamo essere direttamente proporzionale alla larghezza della bramma colata, si è pensato di ridurre, anziché con la rotazione di una coppia di cilindri che pressano i fianchi, con la pressione di due utensili di una certa lunghezza su una porzione della lunghezza dei fianchi della bramma.

Sappiamo che la lavorazione dei fianchi della bramma dà i migliori risultati quando lo spessore è maggiore, per cui, volendo realizzare la maggior riduzione possibile di larghezza, la sizing press verrà posta subito dopo che la bramma è uscita dal forno. Costituisce quindi la prima lavorazione di un treno sbozzatore tradizionale, sia reversibile che continuo.

La testa della bramma è fatta avanzare dal rullo di presa all’entrata fino all’altezza degli utensili, vengono accostati gli utensili ai fianchi della testa della bramma e quindi entrano in azione i due cilindri idraulici, che pressano la bramma, riducendone la larghezza di quanto impostato. Vengono quindi effettuate le corse di ritorno a vuoto degli stantuffi dei due cilindri e fatta avanzare la bramma con il rullo di presa di un passo, pari alla lunghezza dell’utensile ed il ciclo si ripete, fino alla coda della bramma, dopodiché il rullo di presa all’uscita, evacua il pezzo. Per una bramma di 18-20 kg/mm di larghezza il ciclo completo dura circa 70 secondi, ampiamente coperto dal tempo di ciclo dello sbozzatore.

Con questa tecnologia, nata in Giappone, si possono ottenere riduzioni di larghezza fino a 350 mm, senza penalizzazioni della resa di trasformazione, solo con una perdita di temperatura, di circa 15°C. I più drastici miglioramenti si registrano invece in colata continua, dove l’aumento della larghezza media delle bramme prodotte dalla colata continua può essere in teoria ridotta di altrettanto, cioè 350 mm, e conseguentemente la produttività può aumentare in pratica di circa il 20%, senza contare la riduzione dei cambi di larghezza bramma in colaggio ed i problemi ad essi conseguenti.

Si passò poi ad usare per la pressatura dei fianchi un sistema meccanico, sviluppato in Germania (figura 54): la forza di pressione è data da un motore elettrico che fa ruotare due alberi con bracci su eccentrici, che realizzano un movimento di compressione sui fianchi della bramma, attraverso i soliti utensili, e contemporaneamente fanno avanzare la bramma di un passo, in modo che un solo meccanismo realizzi le due funzioni di continuità. I rulli di presa, all’ingresso, servono solo per far arrivare la testa agli utensili e quelli all’uscita per evacuare al bramma alla fine del ciclo.

La sizing press, dopo le prime realizzazioni in Giappone, si è diffusa sui treni tradizionali in Europa, (Germania, Francia, Italia con due realizzazioni a Taranto) ed in USA, in quanto è sicuramente una tecnologia eccellente.

4. Principali componenti degli impianti di laminazione a caldo per nastri a caldo ad alta produttività

4.1 Impianti tradizionali

4.1.1 Forni di riscaldo

Hanno la funzione di riscaldare le bramme alla temperatura idonea per la laminazione, mantenendo la temperatura superficiale della bramma  sotto a 1320°C, che è la temperatura alla quale fonde la scaglia. La scaglia è l’ossido di ferro che si genera all’interno del forno per effetto della temperatura e della presenza di ossigeno , necessario per la combustione, visto che tutti i forni sono riscaldati bruciando combustibili liquidi (nafta) o gassosi (metano o gas siderurgici, variamente mescolati). La fusione della scaglia dentro il forno, oltre a ridurre la resa della trasformazione, depositandosi sulla suola, riduce il volume della combustione e determina la fermata del forno per la pulizia, a meno di particolari dispositivi per evacuarla durante l’esercizio. I forni tipici della I e II generazione sono quelli a spinta dove le bramme entrano, spinte da uno spintore, per formare un letto di bramme all’interno, e quando entra una bramma  una esce dallo scivolo. Ci sono forni a tre, quattro o cinque zone sviluppatisi all’aumentare della produzione oraria richiesta (figura 53).

Il letto di bramme scivola all’interno del forno su speciali guide raffreddate ad acqua detti skid, sono poi presenti tutti gli apparati per la combustione e l’uscita dei fumi (figura 54).

All’aumentare dello spessore delle bramme e della produttività oraria richiesta,  si dovette provvedere a realizzare forni di lunghezza superiore (figura 55).

Dal diagramma di figura 55, si vede che, se si aumenta lo spessore della bramma di 50 mm, si deve aumentare la permanenza delle bramme nel forno di circa mezz’ora il che equivale ad aumentare la lunghezza del forno. Se si vuole poi abbassare il consumo energetico del forno si deve diminuire la temperatura dei fumi che lasciano il forno, il che si traduce in un ulteriore aumento della lunghezza del forno.Quindi si passò da forni lunghi 20m a forni lunghi 40m, per cui il sistema di spinta delle bramme non era più realistico dato che nel frattempo le bramme erano anche raddoppiate di lunghezza. Si dovette, quindi, pensare ad un altro sistema di avanzamento delle bramme nel forno, e si passò ai forni a longheroni. (figura 56). Caratteristiche dei forni a longheroni sono le produttività orarie elevate (400t/h) a costo di un maggior consumo specifico rispetto ai forni a spinta (400 contro 300 kcal/kg). I combustibili più usati sono nafta, metano, gas di cokeria, gas misti. Attraverso dei recuperatori di calore, l’aria viene di combustione viene riscaldata recuperando calore dai fumi.

4.1.2 Impianto di discagliatura

La bramma, durante il riscaldo nei forni, si ossida superficialmente e forma uno strato di scaglia, ossidi di ferro, che deve essere asportato prima della laminazione: a ciò provvede un impianto di discagliatura ad alta pressione, almeno 150 bar, che attraverso ugelli, posti su appositi collettori trasversali alla bramme spruzzano acqua ad alta velocità.

La prima gabbia orizzontale, poiché la scaglia è non è assolutamente duttile, facilita l’asportazione frantumandola e per questo è detta rompiscaglie orizzontale.

Davanti ad essa, è presente una gabbia che viene chiamata rompiscaglia verticale: prima di questi due rompiscaglia c’è sempre una coppia, superiore ed inferiore, di collettori di discagliatura ad acqua.

Il treno sbozzatore, davanti ad ogni gabbia, sia in continuo, sia reversibile, c’è una coppia di collettori di discagliatura, che tuttavia non vengono usate tutte, ma su almeno la metà delle passate.

4.1.3 Treno sbozzatore

Ha lo scopo di ridurre lo spessore originario della bramma ad uno spessore idoneo per alimentare il finitore. Deve inoltre ridurre la larghezza della bramma ad un valore tale da poter alimentare il finitore. Tutto questo deve essere realizzato in modo da mantenere la temperatura della bramma ad un valore sufficiente (1000-1100°c) perché questa venga laminata allo spessore finale.

Una prima classificazione è stata fatta già parlando delle diverse disposizioni di Layout: continuo, reversibile, misto.

4.1.4 Tunnel termico attivo e passivo

Dall’esame di un lay-out di qualunque treno sbozzatore, vediamo che la distanza tra l’ultima gabbia sbozzatrice e la prima del finitore è notevole, e per i treni della terza generazione è di circa 120 m: inoltre il tempo di laminazione al finitore per gli spessori sottili (esempio 1,5mm è di circa 80 sec.) per cui la perdita di temperatura, per l’esposizione all’aria della testa e molto più della coda della barra, è notevole e può superare facilmente i 150°C, per cui si pensò di ridurre questa perdita di calore, essenzialmente per irraggiamento verso l’ambiente, con degli scudi termici , heat shields ovvero tunnel termici. Questi tunnel possono essere di due tipi: passivo, quando si protegge solo dall’irraggiamento, ed attivo, quando vi sono dei piccoli bruciatori a gas che mantengono caldo il tutto nell’attesa tra una barra e l’altra (figura 57).

4.1.5 Coil-box

Prima che la barra arrivi alla cesoia del treno finitore, essa viene avvolta da un aspo mandrino con calandra chiamato coil box, sotto forma di rotolo di spessore 16- 25 mm alla temperatura di 1000-1100°C (figura 58). Una volta avvolta tutta la barra su se stessa, con due bracci oscillanti il rotolo viene trasferito su una culla svolgitrice e la coda viene fatta avanzare verso la prima gabbia del treno finitore, che poi svolge tutto il rotolo. In questo modo, l’ultima parte della barra laminata dallo sbozzatore, cioè la più fredda, viene ad essere laminata per prima dal finitore per cui la temperatura della barra all’ingresso del finitore aumenta dalla testa alla coda contrariamente a quanto avviene nella laminazione tradizionale, senza coil-box (figura 59).

La barra rimane avvolta per il tempo che dura la laminazione al finitore e quindi non perde praticamente temperatura:può addirittura rimanere nella coil box anche per 10 minuti ed essere poi laminata a nastro.

Poiché non si manifesta la caduta di temperatura tra testa e coda (run-down) , ma anzi aumenta, avendo ridotto enormemente la superficie irradiante verso l’ambiente, si possono laminare al finitore completamente in fase austenitica anche gli spessori più sottili a velocità costante (anche per rotoli da 21-23 kg/mm) per i quali negli impianti della seconda generazione è indispensabile lo speed up.

La distanza tra l’ultima gabbia sbozzatrice e coil box può essere anche molto limitata per ridurre le perdite di temperatura, poiché può essere avvolta la barra anche quando è in presa allo sbozzatore e mediante un opportuno meccanismo, può essere svolta una barra mentre la successiva.

La distanza tra la coil – box e cesoia finitore deve essere la minima possibile per non perdere temperatura ma teoricamente può anche essere grande.

Ciò significa che la distanza tra l’ultima gabbia sbozzatrice e cesoia ad intestare del treno finitore può essere ridotta enormemente, dai 70 – 150 m degli impianti della I e II generazione, e non costituisce più un vincolo per il peso dei rotoli.

I vantaggi della coil-box sono numerosi e fra questi:

1.      riduzione del costo di impianto

2.      riduzione dei consumi di combustibile per il riscaldo delle bramme

3.      riduzione dei consumi di energia elettrica al treno finitore non essendo necessario lo speed up

4.      riduzione della potenza installata al treno finitore

5.      possibilità di eliminare lo speed up  per pesi > 10 kg/mm

6.      riduzione del numero di gabbie finitrici

7.      riduzione della lunghezza della via a rulli di raffreddamento uscita finitore

8.      riduzione dei consumi di acqua

9.      aumento della resa d i trasformazione bramma rotolo

10.  aumento dell’accettato

11.  possibilità di aumentare il peso del rotolo laminabile al finitore senza modifiche sostanziali

4.1.6 Cesoia

Dopo il tunnel termico, la coil box o semplicemente la tavola di trasferimento dallo sbozzatore, c’è sempre una cesoia che ha il compito di squadrare o spuntare la testa della barra che entra nel finitore, per avere una testa del nastro in uscita dal finitore, che poi possa essere imboccata sull’aspo

Le cesoie sono di tre tipi.

A tamburo: Inizialmente tagliava fino a 25 mm e dopo potenziamenti arrivò a tagliare senza problemi fino quasi a 40 mm.

Meccanicamente è molto semplice, in quanto ci sono due coltelli montati su due tamburi contro-rotanti a velocità periferica uguale a quella della barra, collegati ad un riduttore ed ad uno o due motori (figura 61).

Il movimento dei due coltelli è semplicemente circolare.

A manovella: fu realizzata quando i treni della III generazione aumentarono lo spessore barra a 50 mm, per ridurre i consumi di combustibile ai forni e per produrre rotoli per oleodotti da 2- 20 mm di spessore.

A pendolo: E’ la più moderna e realizzata con due movimenti ad eccentrico; i coltelli hanno un movimento con una componente verticale, per cui tendono ad esercitare una forte componente di tagli o sulla barra e sono molto utili per forti spessori , come quelli dei treni compatti della V generazione.

4.1.7 Discagliatura finitore FSB

 Viene posta dopo la cesoia e immediatamente prima della gabbia finitrice (figura 62). Ha la funzione di asportare la scaglia aerea che si forma sulle superfici della barra, data l’alta temperatura dell’acciaio in quella zona, superiore a 1100°C. Si tratta di una scaglia, a volte molto fine e aderente, che se viene impressa dalle prime gabbie del finitore, dove gli sforzi di separazione sono molto alti, rovina definitivamente la qualità superficiale del prodotto.

Questa discagliatura è costituita da coppie di rulli di presa all’ingresso e all’uscita, che hanno il compito di far avanzare la testa della barra, ma soprattutto di sigillare la sezione di discagliatura in modo che l’acqua non esca scivolando sulla barra, né verso la cesoia, né verso la prima gabbia.

Ci sono inoltre due coppie di collettori che portano ciascuno una serie di ugelli a V attraverso i quali viene spruzzata l’acqua ad alta pressione almeno 140 bar, anche se la tendenza è di arrivare a 180 –200 bar, negli impianti ad acciai speciali.

Negli impianti della V generazione, che presentano un ossidazione della barra non di tipo aereo ma diverso, in quanto si forma dentro ad un forno con bruciatori, vengono usati ugelli a pressione molto più alta , da 400 a 600 bar, per cercare di eliminare i difetti di scaglia impressa.

La pratica ha dimostrato che sono indispensabili due collettori. E’ molto importante che i getti superiori del collettore a valle non vadano a disturbare il flusso del getto di quelli a  monte.

4.1.8 Treno finitore

E’ il cuore dell’impianto, perché dà al nastro le caratteristiche geometriche e strutturali metallografiche, oltre all’aspetto superficiale, e quindi ha un definitivo  impatto sul prodotto finito.

E’ costituito da una serie di gabbie, generalmente simili le une alle altre, per semplicità di fabbricazione e gestione ricambi, anche se i carichi di laminazione sono molto diversi, massimi per le prime, minimi per le ultime. La caratteristica più eclatante, che differenzia le prime dalle ultime è lo spessore in uscita, che si accompagna, per la legge di costanza della massa (v x s = costante), con la velocità di rotazione dei cilindri, minima per le prime, massima per le ultime. Ciò implica un’ importante differenza impiantistica, che va opportunamente studiata a priori, perché è molto difficile e costoso cambiare in seguito i limiti di velocità di una gabbia.In pratica bisogna determinare i valori minimi e massimi di rotazione di ogni  gabbia in base allo spessore della barra in entrata al finitore ed agli spessori minimo e massimo che si vogliono ottenere. Una volta costruito il treno finitore, per un certo spessore di barra, viene cosi fissato il valore minimo e massimo dello spessore nastro in uscita.

Una funzione molto importante dei finitori della II e III generazione è lo speed up, di cui si è già parlato nel primo capitolo a proposito dei treni della II generazione, cioè l’aumento della velocità di tutte le gabbie proporzionalmente, una volta che la testa è stata afferrata dal mandrino dell’aspo, per contrastare l’effetto del run-down della temperatura all’ingresso del finitore: è questa che determina le notevoli potenze installate dai motori principali.

Il numero delle gabbie varia da 5 a 7, a seconda dello spessore del laminato che si vuole raggiungere: con 7 gabbie si arriva a 1,5 mm mentre per scendere sotto 1mm ci si arriva solo con i treni della V generazione. Le gabbie sono sempre di tipo quarto con guide di imbocco regolabili secondo la larghezza del nastro e rulli tenditori, con motore-coppia o con pistoni idraulici, per regolare la velocità della gabbie adiacenti e mantenere quindi costante il tiro tra le gabbie.

 4.1.9 Tenditori

Rappresenta uno dei componenti più interessanti del treno finitore: è quell’elemento flessibile posto tra le gabbie che ha la funzione di misurare l’entità dell’ansa che si forma tra una gabbia e la successiva e che indica di quanto le velocità delle due gabbie sono diverse da quelle teoriche derivanti dalla legge di costanza del flusso di materiale  vi x hi  = vi+1 x hi+1

I tre tenditori sono storicamente di tre tipi:

      Pneumatici abbandonati

      Elettromeccanici costituiti da una struttura collegata ad un motore-coppia (vedi figura 63).

      Idraulici, i più moderni ed efficaci (vedi figura 65).

4.1.9.1 Tipo elettromeccanico

Il tenditore costituisce il sensore che dà il feed-back ad un sistema di regolazione, di cui i motori delle gabbie sono gli attuatori. (figura 64).

Il tenditore è fulcrato su un asse di rotazione (figura 63) e su questo asse mediante un allunga, è collegato direttamente (nelle soluzione più moderne) o attraverso un riduttore (nelle soluzioni più adatte) ad un motore- coppia, che spinge il nastro verso l’alto con una certa forza che tende a mantenere costante in tutte le posizioni del tenditore, agendo in due modi:

1.      Varia la tensione di alimentazione del motore – coppia in funzione dell’angolo in cui si trova il tenditore, attraverso un sensore di posizione angolare, rispetto ad un valore medio di set- point: questa regolazione è importante, perché è totalmente di natura elettrica e non dovrebbe avere inerzia e quindi brevissimi tempi di reazione.

2.      Varia la velocità del motore a valle (o a monte) per riportare il tenditore nella sua posizione di set- point, precisamente aumenta la velocità del motore della gabbia a valle se il tenditore è più alto del desiderato, la diminuisce in caso contrario. E’ chiaro che l’effetto ha un certo ritardo, perché si tratta di vincere l’inerzia meccanica di tutto il complesso (cilindri di lavoro, d’appoggio, allunghe, cassa pignoni, albero principale, riduttore, motore principale). E’ per questo motivo che si fanno motori al finitore divisi in due, tre, fino a quattro armature, per ridurre il diametro del rotore e quindi il momento polare di inerzia.

4.1.9.2 Tipo idraulico

In questa soluzione si elimina l’allunga del tenditore ed il motore- coppia sostituendoli con un semplice cilindro idraulico (figura 65): l’inerzia meccanica è minore ed i tempi di risposta dell’elettrovalvole sono bassissimi, per cui l’efficacia del controllo del tiro tra le gabbie è molto maggiore.

La soluzione più avanzata è poi quella di un semplice rullo, che scorre verticalmente su guide, mosso dal solito cilindro idraulico: con questa soluzione, l’intergabbia, cioè lo spazio tra le gabbie, che tradizionalmente è sempre stato di 5,5 m è determinato solo dall’ingombro e dal movimento delle guide di imbocco (figura 66).

L’intergabbia è uno dei parametri che determinano la caduta di temperatura del laminato tra l’ingresso e l’uscita dal finitore e sappiamo che la temperatura di uscita determina le caratteristiche meccaniche del prodotto. Ora la distanza tra l’asse della prima gabbia e l’ultima è di 5,5 x 6 m per un treno a sette gabbie, cioè 33m: ridurre l’interasse di 0,6 significa ridurre la lunghezza totale a 29,4m, con effetti sulle temperature non trascurabili.

4.1.10 Tavola di raffreddamento nastro

All’uscita del finitore c’è una tavola a rulli lunga circa 150m per i treni della II e III generazione, lunghezza determinata dalla funzione di raffreddamento del nastro prima dell’avvolgimento, dato che il nastro nella laminazione a caldo deve essere deformato, cioè laminato sempre sopra alla temperatura di trasformazione dalla fase g alla fase a dell’acciaio, determinata dal diagramma di stato Fe-C, temperatura che corrisponde al punto Ac3 del diagramma, pari a circa 840°C, ed inoltre deve essere avvolto ad una temperatura compresa nell’intervallo 550°C –650°C.

Il mezzo per ottenere il raffreddamento accelerato è l’acqua, che viene a contatto con il nastro in movimento in vario modo.

4.1.10.1 A spruzzo

Delle docce con uno spruzzo a pressione d’acqua, circa 4 bar, gettano l’acqua con getti a forma di cono sulla superficie superiore del nastro, mentre per l’inferiore si utilizzano numerosi collettori porta spruzzi, posti tra un rullo e l’altro.

La peculiarità di questo sistema il più antico, è che ha una buona efficienza di raffreddamento, ma una bassa densità di raffreddamento, per cui necessita di una via a rulli più lunga superiore a 200mm. (figura 67).

4.1.10.2 A getti laminari

Il sistema a getti laminari (laminar flow cooling) permette di raffreddare il nastro mediante una serie di colonne d’acqua, che fluivano con flusso laminare (pressione 0,1 bar) da un tubetto (vedi figura 68) e che da una distanza di circa 2m colpissero il nastro con un getto compatto e che pertanto potesse eliminare il cuscinetto di vapore che si forma appena l’acqua incontra l’acciaio ad alta temperatura, realizzando un buon contatto diretto tra acqua e metallo caldo.

Questo sistema ha il vantaggio della forte densità di raffreddamento, per cui necessita di vie a rulli più corte, ma lo svantaggio di non far avanzare il nastro sulla via a rulli superiore per spessori sottili, uguali o inferiore a 2mm.

4.1.10.3 A lama di acqua

La lama d’acqua (figura 69) è basata sullo stesso principio del flusso laminare che, anziché uscire da una sezione rotonda, come nel caso precedente, esce da una sezione rettangolare di larghezza pari a quella della via a rulli e spessore di circa 12mm e va a colpire con un deciso impatto la superficie superiore del nastro da un’altezza di 2m; la pressione anche qui è circa 0,1 bar costante. Per la superficie inferiore si può adottare convenientemente una serie di ugelli a pressione.

Poiché ci sono limitazioni dei sistemi a flusso laminare, peraltro i più efficienti per la superficie superiore, relativamente agli spessori sottili, si possono convenientemente prevedere tratti di tavola a rulli dotati di impianti di raffreddamento differenti, ad esempio a lama e con getti a pressione, da usarsi in alternativa a seconda degli spessori del nastro. D’altra parte per gli spessori sottili non c’è bisogno di molta acqua, per cui anche un impianto che non sfrutta con efficienza l’acqua può andare bene lo stesso.

4.1.11 Raffreddamento intergabbia

 In particolari circostanze ad esempio nei finitori della IV generazione, quando si ha una temperatura che aumenta durante la laminazione, sorge la necessità di raffreddare il nastro tra le gabbie, per avere una temperatura costante di fine laminazione, e quindi caratteristiche omogenee lungo tutto il rotolo. Si possono installare sistemi di raffreddamento a lama come quello in figura 70.

4.1.12 Aspi avvolgitori

 Al termine della via a rulli per il raffreddamento del nastro, vi sono gli aspi avvolgitori, che hanno la funzione riavvolgere il nastro in rotolo. L’avvolgitore è costituito da guide sulla via a rulli uscita che indirizzano la punta del nastro per essere imboccata da una coppia di rulli di presa (vedi figura 71), che la indirizzano, tramite una botola, scomparente quando si avvolge sull’aspo successivo, alla periferia del mandrino (negli impianti più antichi era di tipo fisso, ora sono tutti di tipo rotante in posizione sottostante alla via a rulli).

I rulli di presa hanno il compito di mantenere costante il tiro far di essi e il rotolo che si sta avvolgendo sul mandrino ed anche di deviare la punta del nastro verso il basso, dirigendola verso il mandrino e i rulli avvolgitori. Arrivata la punta del mandrino, viene fatta aderire alla superficie del mandrino tramite i rulli avvolgitori e grazie ai tegoli (figura 71); viene indirizzata agli altri rulli avvolgitori, fino a formare la prima spira, dopodiché il mandrino crea il tiro tra mandrino e ultima gabbia del finitore ed avvolge tutto il rotolo.

Questi rulli sono montati su sezioni mobili che possono allontanarsi dal mandrino sia per permettere l’aumento dello spessore della corona durante l’avvolgersi delle spire, sia per facilitare l’espulsione rotolo dal mandrino.

Il numero di rulli è variabile ma oggi si attesta a quattro. Il mandrino poi si contrae e il rotolo viene estratto, facendolo appoggiare sulla culla estrattrice (figura 72).

Naturalmente i rulli di presa e i rulli avvolgitori ruotano a velocità periferica leggermente superiore a quella di avanzamento della testa del nastro, mentre il mandrino ruota molto più velocemente per creare subito il tiro, dopodiché si porta ovviamente alla velocità periferica del nastro.

4.2 Impianti compatti colata continua spessori sottili

Questa tipologia di impianti è già stata, in parte, introdotta negli impianti appartenenti ai treni della quinta generazione.

Tali impianti includono tutti gli elementi fin qui trattati ma in più hanno i forni egualizzazione.

4.2.1 Forni di egualizzazione e mantenimento

All’uscita di un impianto di colata continua c’è sempre un forno di  egualizzazione e mantenimento che ha il compito di egualizzare la temperatura sia trasversale della bramma/barra che longitudinale perché esce alla temperatura di colaggio e all’aria andrebbe raffreddandosi.

In alcuni impianti è possibile mantenere due tre barre nel caso di fermata al finitore (per esempio cambio dei cilindri di lavoro).

Queste funzioni sono realizzate da varie tipologie di forni.

4.2.1.1 A tunnel

 Si tratta di una serie di rulli dentro ad un forno di riscaldato con bruciatori a gas lungo circa 140 m (figura 73).

La disposizione di tale forno  è funzione del tipo di colaggio (esempio una figura 74 o due linee figura 75).

 4.2.1.2 Forno ad induzione

Nell’impianto ISP di Cremona, subito dopo la cesoia posta a valle delle tre gabbie di laminazione a cuore solido della colata continua, vi è un forno ad induzione (vedi figura 76), quindi l’energia trasmessa è di origine elettrica, che ha il compito di mantenere calda la bramma, che sta uscendo dalla macchina alla velocità di circa 5 m/min e che quindi impiega svariati minuti prima di poter essere tagliata a misura dalla cesoia.

4.2.1.3 Forno Cremona

A valle del forno ad induzione, c’è un forno doppio superiore ed uno inferiore peraltro indipendenti in cui la testa della bramma, alla velocità di colaggio della macchina di colata continua, viene avvolta su un mandrino, di materiale speciale e mantenuto alla temperatura circa 1100°C per mezzo di bruciatori a gas.

Una volta avvolto tutta la bramma, di spessore circa 15 -20 mm, viene ruotato il  Cremona Fornace per orientare la bocca di entrata verso il finitore e svolta la coda, che ora diventa testa, viene inviata al finitore, previa discagliatura ad alta pressione (400 bar), poiché il riscaldo nel Cremona fornace ha prodotto notevole scaglia sulla barra.

4.3 Laminazione continua – continua

Lo sviluppo più eclatante della laminazione dei nastri a caldo è la laminazione continua di una barra, senza necessità di imboccare la testa per ogni nastro nelle gabbie del finitore e negli aspi, operazioni che hanno le loro difficoltà e il loro margine di incidenti.

Soprattutto è da mettere in evidenza, che esiste un limite fisico ben preciso nella laminazione degli spessori sottili, spessori che si tende a ridurre sempre più per invadere il campo della laminazione a freddo, nel campo della tecnologia dei treni tradizionali. Infatti, quando la testa del nastro esce dall’ultima gabbia finitrice, per spessori intorno a 1,5 mm, la velocità non può essere superiore a 11 m/s altrimenti, per effetto aerodinamico, la punta vola e non sta più aderente alla via a rulli. Si sono realizzate delle contromisure, ma l’effetto è limitato.

Peraltro, se si vuole laminare in fase g, si deve uscire dal finitore a temperature almeno > 850°C, per cui la velocità, abbassando gli spessori, deve aumentare.

Le strade sono ora due:

      Laminare in fase a, quella che viene chiamata laminazione a tiepido, in inglese warm rolling.

      Laminare in continuo una barra, di lunghezza indefinita, al finitore e poi tagliarla in rotoli all’ingresso degli aspi tipo carousel, come si fa solitamente nelle linee di elettrostagnatura: questa tecnologia è stata chiamata endless rolling. L’endsless rolling ha trovato due applicazioni:

1.      Saldare di testa due barre prima del finitore di un impianto tradizionale, come realizzato dalla Kawasaki a Chiba , Giappone (figura 77)

2.      Laminare in continuo al finitore una barra , di lunghezza (figura 78)

5 Profilo di temperatura

 5.1 Introduzione

E’ noto che la qualità metallurgica del laminato dipende principalmente dai valori di T7, Tf , Tavv  e da (To -Tf)/t dove:

To             = temperatura di ingresso finitore

T7             = temperatura di fine laminazione

Tf              = temperatura di fine raffreddamento controllato

Tavv           = temperatura di avvolgimento

(To- Tf)/t   = velocità di raffreddamento sulla run out

Entro certi limiti la qualità è indipendente da To (temperatura di inizio laminazione al finitore) che comunque va conosciuta e determinata con buona approssimazione, per attuare le necessarie regolazioni al finitore, al fine di ottenere una T, con un campo di variabilità molto ristretto (870°-920°C).

La To dipende dai seguenti fattori:

• Temperatura di consegna dal forno di riscaldo bramma o dalla colata continua – forno di mantenimento/riscaldo per la bramme sottili:

• Perdita di temperatura sullo sbozzatore (mediamente 200°C).

• Perdita di temperatura in coda. Essa dipende dal tempo di laminazione al finitore e quindi dalla maggiore esposizione all’irraggiamento della coda rispetto alla testa, tanto più grande quanto maggiore è il peso specifico rotolo per un unità di larghezza. Recentemente il problema è stato superato con l’adozione di mezzi atti a limitare la dispersione di calore dello sbozzato (tunnel coibentati attivi o passivi, coil box). I mezzi di regolazione sul finitore per ottenere una T7 costante (nei limiti di tolleranza) al variare di To sono:

  1. Aumento diminuzione globale di velocità del finitore a seconda che To diminuisca o aumenti.

  2. Raffreddamento controllato nelle intergabbie crescente o decrescente per To in aumento o in diminuzione.

E’ certo che al variare di To variano le temperature di laminazione nelle varie gabbie e quindi ne deriva la necessità di variarne il set up con continuità a scapito delle tolleranze di spessore, profilo e planarità. L’ideale sarebbe una laminazione a temperature costanti e quindi a To costante.

La temperatura Tf e la velocità di raffreddamento sono ottenute modulando, secondo un modello matematico, l’apertura di un certo numero di rampe del sistema di raffreddamento laminare, mentre la Tavv dipende solo dal raffreddamento naturale del nastro sul ramo libero della run-out table.

Da quanto sovrapposto, risulta la necessità di disporre di un modello matematico” temperatura” sia in fase di progetto , sia in linea, integrato nel controllo di processo. Il modello di temperatura in linea deve essere integrato, per le necessarie ricalibrazioni, da rilevamenti diretti della temperatura, in posizioni opportune e precisamente:

-         All’uscita del forno

-         All’uscita dello sbozzatore

-         All’entrata del finitore

-         All’uscita del finitore

-         All’uscita del raffreddamento sulla run out table

-         All’entrata degli aspi

 5.2  Principi di calcolo del modello temperatura

Dalla temperatura di consegna all’uscita del forno di riscaldo (predeterminata e con un campo di tolleranza molto stretto), normalmente 1250°C per i treni tradizionali, la bramma è sottoposta al processo di laminazione, secondo le seguenti fasi principali:

1. Discagliatura della bramma prima della sbozzatura

2. Sbozzatura della bramma fino a spessori 20 – 45 mm con eventuali discagliature intermedie

3. Trasferimento dello sbozzato al finitore, previa spuntatura di testa, successivamente di coda, per mezzo di una cesoia volante

4. discagliatura dello sbozzato all’entrata del finitore

5. laminazione di finitura fino allo spessore desiderato, con l’eventuale uso di discagliature e raffreddamenti intermedi nastro

6. Raffreddamento del nastro con acqua e aria, fino alla temperatura obiettivo

7. Avvolgimento del nastro in rotolo, seguito dal raffreddamento naturale nell’ambiente

 Durante il ciclo di laminazione, il materiale è perciò soggetto a perdite di calore, che ne abbassano gradualmente la temperatura, secondo un profilo controllato e predeterminato.

E’ da tener presente, però che parte dell’energia spesa in deformazione plastica si trasforma in generazione di calore all’atto delle varie riduzioni.

Le sottrazioni o apporti di calore possono essere ricondotti ai seguenti fenomeni fisici:

-         Perdita di temperatura durante tutte le fasi del ciclo

-         Perdita di temperatura per conduzione, dovuta al contatto diretto del laminato caldo con i rulli  di trasporto ed i cilindri di lavoro, durante le passate di riduzione.

-         Raffreddamento per convezione, tramite acqua o aria, nelle varie discagliature e raffreddamento controllato nell’intergabbia e sulla ROT.

-         Riscaldamento per trasformazione di energia in calore durante le varie passate.

5.3  Irraggiamento

Si calcola la perdita di calore con la formula di Stefan Boltzman:

Dove

dQ        = calore perso nel tempo dt misurato in secondi

S           = costante di Stefan Boltzman = 4,96 x cal x m-2 x h-1

e           = Coefficiente di remissività (1 per corpo nero) ; si assume 0,80

TL            = temperatura assoluta del  laminato in gradi Kelvin (°K = t(°C) +273)

Ta         = temperatura assoluta dell’ambiente (°K)

Passando ai valori numerici e trascurando Ta4, molto più piccolo rispetto a TL4,

Per la conservazione dell’energia, la quantità di calore emessa (si considerano due facce radianti) deve essere uguale alla quantità di calore persa dal pezzo, che nell’ipotesi di distribuzione uniforme della temperatura nello spessore, è pari a:

Dove =

r  = peso specifico del materiale = 7600 kg/m3 per l’acciaio ad alta temperatura

c   = calore specifico dell’acciaio = 0,16 Kcal/kg° C a 1000°C

n  = volume del materiale = (A x S)/2 dove S è lo spessore in m e A è l’area radiante (2 facce) in m2

Con S espresso in mm.

Uguagliando la (1) con la (2) si ottiene

da cui

La (3) serve per i calcoli di ordine pratico. Per calcoli più precisi, si deve tener conto che c, r, e dipendono dalla temperatura e che la sua distribuzione nello spessore non è costante (ipotesi di Fourier)

Per tempi relativamente lunghi, la (3) deve essere calcolata per intervalli successivi e precisamente per un intervallo di tempo to la perdita di temperatura globale diventa:

dove

n = to / DT

S=0,4

T7 = 600°K = 873°C

Tavv= 293°K =566°C

DT/ Dt = 1,806/0,4 = 26,2 °K/s

E’ da notare che la perdita di temperatura per irraggiamento è preponderante quasi sempre rispetto alle altre.

5.4 Conduzione

La principale è la perdita di calore per il contatto fra i cilindri di lavoro ed il laminato. E’ quasi sempre trascurabile la perdita per contatto con i rulli di trasporto. Si calcola presupponendo che due corpi a contatto (nastro e cilindri) con temperature iniziali T e Tr siano pressati fra di loro con interposto uno strato di ossido. L’area di contatto è considerata piana. La trasmissione di calore si calcola con l’espressione seguente:

per due cilindri, dove :

q = quantità di calore che passa dal nastro al WR

k = Conduttività termica dello strato di ossido

Ac = Area di contatto

Tr = Temperatura media dei working roll

Tc = temperatura di contatto

A = diffusività termica nel laminato (Fourier)

Per la conservazione dell’energia, il laminato in presa perde la quantità di calore:

dove r e c hanno i valori noti.

Vc = volume del laminato in presa.

Uguagliando le due espressioni e tenendo conto che:

si ottiene:

Tenendo conto del valore delle costanti

k=0,95 Kcal/m2h°C

si ottiene:

con sm in mm e t in secondi.

Per calcoli di massima, sai può assumere:

 Tr=200°C

dove v è la velocità dei WR in m/sec, R e Ds in mm.

5.5 Convezione

 La trasmissione di calore per convezione in aria è il più delle volte trascurabile.

Non quello dovuto ai getti di acqua, che porta a sensibili abbassamenti di temperatura nelle discagliature e nei tratti di raffreddamenti controllati nelle intergabbia e nella ROT.

Nella trasmissione di calore fra laminato, ha un ruolo fondamentale la conduzione dello strato di ossido, ed è trascurabile la resistenza al passaggio del calore tra ossido e acqua. Vale perciò anche in questo uso la formula per la conduzione che nel caso di raffreddamento di una faccia è:

dove:

L     = lunghezza contatto acqua/laminato (m)

W,T = larghezza, temperatura del laminato

Tw    = temperatura dell’acqua

tc    = tempo di contatto con l’acqua

La quantità di calore ceduta dal laminato

dove V è il volume di laminato interessato dal raffreddamento.

Uguagliando le due espressioni e tenendo conto che:

s = spessore del laminato si ha

si ottiene:

Passando ai valori numerici

                (1)

dove tc = L/v con v la velocità del nastro in m/sec

Calcoliamo infine la quantità di calore ed il salto termico dell’acqua, eguagliando le due espressioni:

 =

dove

ra= 1000 kg/m3 , ca=1 kcal/kg

si ottiene

tenendo conto che

 sostituendo e passando ai valori numerici si ottiene:

Sostituendo la (1)

  (2)

La (1) e la (2) non tengono conto dell’influenza della pressione e della portata dell’acqua sulla conduttività termica k. In effetti, specie nella discagliatura ad alta pressione, lo strato di ossido viene rimosso e quindi il valore di k certamente aumenta.

 5.6 Trasformazione dell’energia in calore

 La maggior parte dell’energia di deformazione di trasforma in calore, innalzando la temperatura del laminato nel biting; non tutta è trasformata in calore, ma parte rimane nel materiale come energia di coazione.Detto m la percentuale che si trasforma in calore si ha:

dove

Kw = resistenza estrinseca alla deformazione

V= volume del laminato nel biting

S1 = spessore laminato ingresso biting

S2= spessore laminato uscita biting

Dove

 Kw in kg/m, V=m3

 La quantità di calore che va nel materiale è:

 uguagliando le due espressioni e trasformando kw in mm, si ha:

 e assumendo un valore di n medio pari a 0,75