Capitolo 1 Introduzione Il presente lavoro esamina la realtà aziendale A.L.A. s.p.a. sotto diversi aspetti, con lo scopo di dare una visione la più completa possibile delle attività che si svolgono all interno della stessa, e per meglio comprendere la sperimentazione del sistema di degasaggio e filtrazione in linea per l impianto di colata continua di alluminio. Nei primi capitoli, prettamente descrittivi, è stata inserita un esposizione globale dell impianto, scendendo relativamente a fondo nella conoscenza del ciclo produttivo e di tutto ciò che ruota intorno ad esso. È stata data particolare enfasi ai processi di fusione del metallo, della colata continua e della laminazione a freddo. La colata continua viene esaminata dettagliatamente, tramite la descrizione del processo tecnologico e delle problematiche manifestatesi nel corso della produzione, identificabili in un eccessiva quantità di scarti e fermo macchina. Si scende gradualmente in dettaglio, arrivando così ad un accurata descrizione del vecchio impianto di degasaggio dell alluminio, si è posta particolare attenzione alle problematiche ed ai fattori che le hanno generate, riconducibili primariamente alla presenza di gas e impurità nell alluminio allo stato liquido. Questo ha permesso di arrivare alle possibili azioni correttive, riassumibili in una maggiore coibentazione dei canali di colata, mantenimento dei minimi livelli di temperatura nei forni, l inserimento di un sistema di degasaggio in linea, utilizzo di appositi Sali di scorifica. L intero processo tecnologico, è stato poi sottoposto ad una analisi quantitativa, con lo scopo di caratterizzare le inclusioni presenti nei diversi stadi di alluminio, tramite analisi sulla pulizia della lega e analisi metallografica sui campioni prelevati. Tale procedura, congiuntamente alle analisi che quotidianamente hanno luogo nello stabilimento, ha evidenziato la necessità di ottenere un prodotto qualitativamente superiore agli attuali standard. A fronte di questa osservazione, l ipotesi di progetto, è stata quella di inserire un sistema di degasaggio e in linea per l impianto di colata 1
continua, in modo da migliorare qualitativamente il prodotto e ridurre al minimo gli sprechi, traducibili come tempo e denaro. Sono state esaminate diverse tipologie, sia dal punto di vista dei gas utilizzabili, quali azoto, argon, cloro ed esafluoruro di zolfo, che dei macchinari, ossia degasaggio spray, tramite lancia o attraverso rotore. In base ad esigenze di processo, la sperimentazione proposta è stata quella di inserire un sistema di degasaggio con rotore, utilizzante una miscela di azoto ed esafluoruro di zolfo. Con lo scopo di valutare l efficacia del processo di degasaggio, e quindi per avvalorare che questa scelta fosse valida dal punto di vista tecnico, e di conseguenza economico, sono state condotte delle analisi, mirate alla determinazione del tenore di idrogeno, e della pulizia del metallo. È stata infine svolta un analisi economica, mirata alla determinazione del tempo necessario, per il recupero dell investimento effettuato in tale modifica. 2
Capitolo 2 Presentazione A.L.A. S.p.a. 2.1. Descrizione dell impianto A.L.A. è un laminatoio speciale costituito dal gruppo Otefal con l obiettivo di adottare una nuova prospettiva di produzione. Scopo dell impianto è produrre i coils di alluminio per le società del gruppo, permettendo a questo di non essere più dipendente da fornitori terzi, se non per billette e rottami, materia prima per la produzione di nastri di alluminio. Potendo in questo modo gestire la lavorazione del metallo dall origine, Otefal ha il pieno controllo della qualità dell alluminio prodotto. Questa nuova realtà consente al gruppo Otefal di ottenere un maggiore valore aggiunto, garantendo: totale ed effettiva indipendenza nella produzione dei suoi articoli, rapidità nelle consegne, contenimento dei costi. Attualmente la produzione del laminatoio è stata destinata a servire le sole aziende del gruppo, coprendo circa l 80% del fabbisogno di nastri di alluminio. In futuro non si esclude la vendita di coils al mercato esterno. A.L.A. utilizza come materia prima principale pani di alluminio primario, oltre agli scarti derivanti dalle lavorazione proprie, e si prevede di fondere circa 24.000 tonnellate/anno di alluminio, di cui circa 18.000 provenienti da scarti, tramite un forno fusorio a doppia camera, di capacità di 60 tonnellate, in grado di fondere sia l alluminio pulito che gli scarti di lavorazione. L azienda riserva una particolare cura e attenzione al prodotto, al fine di ottenere gli alti standard qualitativi che caratterizzano tutta la produzione Otefal: il laminatoio, ad alta stiratura, è dotato di un controllo automatico di spessore e di un rullo di planarità, i quali, lavorando in sinergia, possono creare alluminio perfettamente piano, senza difetti, e generare una gamma infinita di spessori, anche molto ridotti, per rispondere alle richieste dei progettisti più esigenti. 3
Il sistema produttivo utilizzato è la tecnologia a colata continua. Il ciclo produttivo scelto si articola in tre fasi successive: la fusione del metallo, la colata continua del nastro e la laminazione a freddo, oltre ad attività collaterali quali: lo stoccaggio della materia prima e del rottame, la pressatura delle scorie, la preparazione del tip 1, il trattamento termico dei coils dopo la laminazione, la tensiospianatura, la rettifica dei rulli, le attività di laboratorio e controllo qualità, le attività amministrative, la gestione delle acque di processo, dei rifiuti e dei fumi provenienti dalle varie unità produttive, oltre che l attività di manutenzione elettromeccanica. 2.2. Descrizione del processo produttivo 2.2.1. Fusione del metallo Il forno fusorio è dotato di due camere di combustione (figura 2.1), una destinata ad accogliere l allumino pulito, camera aperta nella foto, e un altra per la fusione degli scarti, camera con porta chiusa nella foto, con una capacità totale di 60 tonnellate. Il forno fusorio è alimentato a gas naturale, ed è in grado di garantire una temperatura massima della volta pari a 1050 C, da cui si ottiene una temperatura massima del bagno fuso di circa 850 C. È dotato di un sistema di combustione di tipo termico rigenerativo, composto da due elementi, ciascuno avente un bruciatore a letto ceramico, funzionanti in maniera alternata. Il principio di funzionamento del sistema di combustione è di seguito riportato: gli elementi sono costituiti da un ventilatore, che permette all aria comburente di entrare nel sistema e, passando per il letto ceramico, arriva al bruciatore, per poi passare nuovamente attraverso il materiale refrattario, al quale cede il proprio potere calorifero, l aria viene infine espulsa tramite un secondo ventilatore. Finito questo ciclo si attiva il secondo sistema, nel quale si ripetono 1 Con il termine tip si indica il becco di colata, che trasferisce il metallo allo stato liquido dai canali alla linea di colata. La sua produzione avviene all interno dell azienda e richiede un particolare processo. 4
esattamente le stesse fasi. Ogni ciclo ha una durata di circa 200 secondi. Il letto ceramico è costituito da sfere di materiale refrattario aventi un diametro di circa 1 pollice ciascuna, e presenti in quantità pari a circa 250 kg per ogni elemento. La temperatura del letto ceramico, durante il funzionamento è di circa 650 C, mentre i fumi in uscita dallo stesso arrivano a temperature di circa 250 C. I due bruciatori di tipo rigenerativo sono posizionati entrambi nella camera che ospita l alluminio pulito, allo scopo di non esporre alla fiamma diretta gli scarti verniciati, i quali brucerebbero anziché fondere, con conseguente produzione di grandi quantità di fumi e scorie; la fusione di tali scarti è garantita dal contatto diretto con il metallo fuso, proveniente dall altra camera e messo in circolo mediante un apposita pompa meccanica, e dall irraggiamento delle pareti del forno. Quindi l alluminio viene fuso, ripulito delle scorie e addizionato con gli alliganti necessari per l ottenimento della composizione chimica richiesta. Il materiale viene caricato nel forno di fusione in modo discontinuo, una carica ogni 4 ore circa, tale materiale differisce per caratteristiche chimiche e fisiche, in particolare distinguiamo: alluminio primario solido, alluminio secondario (sows) 2, ricircoli fonderia, lega 3000 bancalata, off set 3, verniciato Otefal, rottami esterni e alliganti. Questo materiale è scelto in modo tale da garantire la produzione della lega di alluminio 3105, attualmente unica lega prodotta dall impianto, rispettando gli standard stabiliti da regolamento interno, i cui parametri sono riportati in tabella 2.1. La composizione chimica dell allumino e delle leghe in allumino è specificata in percentuale di massa. Cu % Fe % Mn % Mg % Si % Zn % Cr % Ti % Max O,10 0,55 0,50 0,40 0,30 0,03 0,03 0,05 Min 0 0,35 0,35 0,30 0,15 0 0 0,025 Tabella 2.1 Standard interni che regolano la percentuale di alliganti nella lega di alluminio 3105. I valori degli elementi in lega sopra riportati sono stati stabiliti in base alla norma: UNI EN 573 3: 1996. 2 L alluminio secondario è composto da pani di allumino ottenuti dalla fusione degli scarti, in lega è alluminio al 99,8%. 3 L offset è alluminio al 99,5%. 5
La suddetta parte della norma EN 573 specifica i limiti di composizione chimica dei semilavorati di alluminio e leghe di alluminio. [1] La composizione chimica dell allumino e delle leghe in allumino è specificata in percentuale di massa. Cu % Fe % Mn % Mg % Si % Zn % Cr % Ti % Max O,30 0,70 0,80 0,80 0,60 0,40 0,20 0,10 Min 0 0 0,30 0,20 0 0 0 0,0 Tabella 2.2 Valori stabiliti dalla norma UNI EN 573 3: 1996 per la percentuale di di alliganti nella lega di alluminio 3105. Al termine di questo ciclo il metallo è trasferito nei due forni di attesa. Il travaso avviene per gravità, essendo il forno fusorio dotato di un sistema a pompe in grado di permettere un inclinazione di 15 in direzione dei due forni di attesa. Figura 2.1 Forno fusorio durante una fase di scorifica nella camera di combustione per l alluminio pulito, la camera con la porta chiusa è progettata per la fusione degli scarti. 6
2.2.2. Colata continua Il metallo liquido è quindi trasferito in modo continuo dal forno di attesa alla macchina di colata, in figura 2.2, mediante un canale rivestito in materiale refrattario. Prima di arrivare alla macchina di colata fluisce attraverso filtri meccanici, che rimuovono eventuali scorie o impurità residue. All imbocco della macchina di colata il metallo è fatto passare attraverso un becco in materiale refrattario speciale, detto tip, che distribuisce il metallo su tutta larghezza della macchina. Il metallo esce quindi da questo becco in forma di film già nella larghezza finale e in spessore di 6-10 mm ed è fatto passare subito attraverso due cilindri rotanti, internamente raffreddati ad acqua, che causano l immediata solidificazione del film di metallo liquido in nastro solido, dello spessore di circa 6 mm. In questa fase, per evitare l incollaggio dei coil, viene automaticamente dosata sui due cilindri una soluzione di grafite, per mezzo di due nebulizzatori dinamici. Dopo la macchina di colata il nastro viene fatto passare attraverso alcuni gruppi meccanici, una cesoia, una briglia di tensione, e quindi avvolto in coil mediante un aspo. Figura 2.2 Linea di colata continua. Il taglio del nastro avviene quando il coil ha raggiunto la dimensione (cioè il diametro e quindi il peso) voluta senza interrompere il processo di colata, infatti lo 7
scarico del coil può avvenire durante la colata del nastro senza soluzione di continuità. Il processo di colata avviene in continuo in genere per 1-2 settimane: viene interrotto solo quando è necessario cambiare la larghezza del nastro colato, salvo evenienze intervenute. Al termine di questa prima parte del processo produttivo si ottengono quindi coils che hanno tutti lo stesso spessore (6 mm circa) mentre la larghezza sarà compresa tra un minimo di 1000 mm ed un massimo di 1600 mm, in funzione delle richieste ricevute e pari comunque a quella del coil che sarà utilizzato sulle linee di verniciatura. 2.2.3. Laminazione a freddo L obiettivo della seconda fase del processo produttivo è quello di ridurre lo spessore del nastro di ciascun coil allo spessore finale richiesto, lasciando invariata la larghezza che, come si è visto, è già quella finale. Questa parte del processo è di tipo discontinuo, si tratta di un laminatoio quarto non reversibile, a singola gabbia. Lo spessore massimo del materiale in entrata è di 8,0 mm, lo spessore minimo del materiale in uscita è di 0,2 mm. I rulli, con diametro esterno di 565 mm e lunghezza di 1900 mm permettono di ottenere un laminato con: massima larghezza in entrata di 1650 mm, larghezza minima in entrata di 800 mm, cui corrispondono uguali larghezza minime e massime in uscita. Le prestazioni che garantisce sono elevate, basti considerare che questo tipo di laminatoio è in grado di lavorare fino ad una velocità massima di 900 m/min. La riduzione di spessore si ottiene facendo passare tutto il nastro di un coil attraverso la gabbia di un laminatoio a freddo, in una sola direzione. Alla fine di ogni passaggio lo spessore del nastro è ridotto del 40-50%. Più passaggi consentono di arrivare allo spessore finale voluto. Dal punto di vista operativo si opera come segue: un lotto di circa 4 o 5 coils di caratteristiche simili (larghezza, lega) viene posto in lavorazione; il primo coil viene caricato sull aspo devolgitore del laminatoio e la testa del nastro viene introdotta tra i cilindri di lavoro. Il nastro è quindi fatto passare ad alta velocità tra i rulli, i quali 8
esercitando una notevole pressione ne causano l abbassamento di spessore, a fronte di un corrispondente aumento nella lunghezza. Dall altra parte della gabbia il nastro è avvolto sull aspo avvolgitore, visibile in figura 2.3. Al termine della prima passata il coil verrà scaricato dalla macchina, dal lato uscita, mentre il secondo coil caricato dal lato entrata; dopo che tutti i coils del lotto hanno subito la stessa lavorazione, si ricomincia a laminare per ottenere la seconda passata di riduzione del primo coil e così via fino al raggiungimento dello spessore finale voluto per ciascun coil. Figura 2.3 - Aspo avvolgitore del laminatoio, con nastro laminato avvolto in bobina. La necessità di lavorare per lotti è dovuta al fatto che bisogna consentire al singolo coil di smaltire parte del calore assorbito durante la passata, per via della deformazione, prima di poterlo nuovamente laminare 4. Durante la laminazione di ogni coil viene spruzzato sul nastro l olio di laminazione additivato, a base di kerosene per migliorare il raffreddamento e il distacco del nastro stesso dai rulli. 4 L attesa è necessaria perché l olio di laminazione utilizzato, ossia il kerosene, si auto accende intorno ai 106 C, e dopo una passata nel laminatoio, il nastro, entrato in lavorazione freddo, arriva ad una temperatura di circa 80 85 C, quindi una seconda passata causerebbe incendi nel laminatoio. 9