ALLUMINIO

SEMILAVORATI IN ALLUMINIO

INDICE

COLATA CONTINUA: COS’È LA COLATA CONTINUA

Il procedimento di Colata Continua si definisce come un processo di produzione industriale, che sfrutta la forza di gravità e il calore, per ottenere i Semilavorati a partire dal materiale fuso. Il procedimento costituisce il fulcro della fase di semilavorazione dell’Alluminio e di molti altri materiali e da questo passaggio derivano molte qualità strutturali del materiale in lavorazione.

 La produzione di leghe binarie, ternarie o quaternarie, necessità di un elevata precisione nell’applicazione della metodica. Ciò deve garantire la formazione fisica e chimica di un legame metallico tale da consentire la caratteristica della duttilità, malleabilità e conducibilità dell’Alluminio.

La sintesi di un “cristallo metallico” puro è il presupposto alla base di un materiale affidabile. Il materiale deve infatti passare dalle singole componenti che lo costituiranno, alla forma liquida attraverso il processo di fusione. Il punto di fusione dell’Alluminio si ha intorno ai 700°C, la temperatura può variare in base al tipo di lega in produzione. Ottenuta la fusione dell’Alluminio il procedimento richiede che il liquido venga versato all’interno di un recipiente.

Tale contenitore, chiamato siviera o caldaia di colata, ha la funzione di assicurare uno stoccaggio tale da garantire il flusso continuo della Colata. La siviera è ricoperta da materiale refrattario, allo scopo di permettere un mantenimento della temperatura tale da consentire la continuità del processo. È infatti fondamentale che il raffreddamento avvenga durante le fasi successive.

Dalla caldaia di colata l’Alluminio liquido passa alla lingottiera. Questa si può descrivere come una cassaforma che consente all’Alluminio di assumere la forma di billette, blumi e bramme. La lingottiera è raffreddata ad acqua lungo tutta la sua estensione e presenta un’apertura all’estremità terminale. Il materiale dello strumento è il rame, che garantisce un ottimo scambio termico tra l’interno e l’esterno dell’involucro.

Maggiore è l’uniformità del raffreddamento sarà più veloce il fenomeno di cristallizzazione. Se ne ottiene quindi una struttura omogenea e delle proprietà affidabili. Allo scopo viene utilizzato un processo di raffreddamento intensificato. Al momento dell’ingresso nel tratto iniziale la lingottiera, l’Alluminio fuso è in una forma a volume maggiore rispetto al successivo prodotto solido.

Nel tratto iniziale il regime termico è quindi costituito dal metallo a contatto con la lingottiera. Proseguendo invece verso l’estremità uscente, vi sarà la interposizione dell’aria tra la lingottiera e il materiale solidificato. Questo dettaglio favorisce la fuoriuscita del metallo solido per apporto della semplice forza di gravità.

Prima dell’inizio della Colata, viene inserita una falsa billetta all’estremità uscente dalla lingottiera. Il passaggio ne consentirà il successivo riempimento e la solidificazione dell’Alluminio versato al suo interno. La Colata Continua, in teoria, produrrebbe un unico pezzo di lunghezza indefinita – anche centinaia di metri – pertanto si procede alla creazione di una soluzione di continuità, mediante cesoia o torcia da taglio. Il pezzo viene quindi avviato al raffreddamento definitivo su rulli oppure può essere avviato sin da subito al successivo passaggio di Laminazione.

LAMINAZIONE: LAMINAZIONE ALLUMINIO

Questa costituisce un’altra tappa fondamentale nel percorso della semilavorazione dell’Alluminio. Dopo il primo step attraverso la Colata Continua, il processo di Laminazione consente di modificare la forma del materiale di partenza al fine di ottenere barre, vergelle, billette, bramme o le ulteriori forme nelle quali l’Alluminio può essere utilizzato. Il prodotto della lingottiera viene avviato verso il laminatoio.

La macchina è costituita da una serie di rulli che applicano una pressione sul semilavorato, al fine di plasmarlo nella forma desiderata. I rulli lavorano sovrapposti in coppia a forma, la gabbia di Laminazione. Ciò fa si che lo spessore del materiale si riduca al passaggio attraverso ciascun rullo. Sagomati per dare la forma desiderata, i rulli comportano un aumento della lunghezza della lamina.

Il procedimento può avvenire attraverso due diverse modalità operative: la Laminazione a caldo e quella a freddo:

• Il processo di Laminazione a caldo, ha la peculiarità di sfruttare la malleabilità dell’Alluminio qualora venga portato ad alte temperature. L’azione meccanica sul materiale preriscaldato risulta particolarmente agevole, ma include direttamente sulle caratteristiche fisiche e chimiche dell’Alluminio.
• Il laminatore a freddo richiede necessariamente un quantitativo maggiore di energia meccanica, al fine di portare a compimento il procedimento. La riduzione dello spessore del materiale, in assenza di calore esogeno comporta una maggiore stabilità dei legami metallici, poiché gli elettroni risultano fisicamente eccitati da un quantitativo di energia inferiore, al fine di determinare l’incrudimento. Il guadagno in termini di prestazioni e risposta da parte della lega di Alluminio è sostanziale, poiché quest’ultima metodica tende a produrre una placca dalla maggiore resistenza tecnica.

È fondamentale che ciascuna lega venga processata attraverso la metodica più adatta, affinché il prodotto sia rispondente alle specifiche richieste in fase di progettazione e alle richieste da parte dell’ufficio tecnico. Non sempre avvalersi della metodica a freddo può essere sinonimo della scelta giusta.

Molto dipendente dalla direzione progettuale che ciascuna componente deve intraprendere. È fondamentale che l’ufficio del progettista lavori in stretta sinergia con un pool di esperti nella lavorazione dell’Alluminio. Molto dipende dallo spessore richiesto in fase di calcolo. Il processo di Laminazione a caldo è la scelta adeguata se è necessario ottenere una lamina di spessore superiore.

Con la riduzione dello spessore è necessario del processo di Laminazione a freddo, per portarsi fino a 0.15 millimetri di spessore. Le attuali tecnologie consentono di spingersi anche oltre, mediante l’impiego di un’alternanza della tecnica di Laminazione a caldo e di quella a freddo. Lo spessore può essere ridotto fino ad ottenere fogli di 0.007 millimetri.

Bilanciare le risorse con il potenziale assicurato dalla metodica è necessario per ottenere un materiale in grado, allo stesso tempo, di sostenere le esigenze tecnico-progettuali, senza includere in eccesso sul capitolo dei costi. È possibile infatti ottenere ottime leghe di Alluminio, anche con la sola Laminazione a caldo, una valida alternativa, può essere l’alternanza del procedimento a caldo con quello a freddo. Ogni ciclo è quindi strettamente correlato al tipo di lega necessaria.

TRAFILATURA: TRAFILATURA ALLUMINIO

La Trafilatura è un processo che ha dei punti in comune con l’Estrusione per gravità, considerata per la Colata Continua. In questo caso, la differenza consiste nella trazione del materiale in uscita, pertanto la forza viene applicata dall’esterno e non più per compressione dall’interno. L’accorgimento tecnico, consente di portare il materiale ai limiti minimi della tolleranza dimensionale, in funzione dei diametri sui quali andrà a lavorare.

Il passaggio si basa quindi sulla precisione e anche il dettaglio diviene l’elemento essenziale. L’Alluminio può essere lavorato mediante un meccanismo a freddo dunque non interviene il preriscaldamento ad alterare chimicamente il legame metallico. In virtù di questo presupposto, l’Alluminio subisce un incrudimento. L’operazione di Trafilatura parte dalla rastremazione del materiale in ingresso.

Ciò consente di inserirlo all’interno della filiera per essere agganciato dagli afferraggi della trafilatrice meccanica. I prodotti a sezione maggiore, possono utilizzare temperature operative più elevate, più Trafilature in serie necessitano invece una ricottura intermedia.

Le metodiche sono varie, ma tutte impiegano una matrice in acciaio per utensili, in carburi i diamante. L’operazione può avvenire a secco o ad umido, mediante l’ausilio di oli ed emulsioni. Gli ultrasuoni sono un’ulteriore opzione per ridurre l’usura ed aumentare il livello di finitura superficiale. Le variabili in gioco nel processo, sono molteplici e possono comportare un diverso effetto. Molto dipende dal tipo di forma che si intende ottenere:

• Fili: la Trafilatura comporta una modifica della struttura cristallina dell’Alluminio. La variazione della texture, ha effetto sul suo comportamento anisotropo. Il materiale riduce la sua duttilità, la conduttività, la resistenza alla corrosione e alla trazione. La Trafilatura a freddo necessita quindi di un passaggio intermedio di cottura, di cristallizzazione ed un secondo passaggio a freddo. Allorquando la metodica venga impiegata al fine di ottenere fili di Alluminio è necessario, ricorrere alla ricottura e al raffreddamento dei fili trafilati. L’impianto di ricottura continua, risulta quindi essenziale ai fini della purificazione. Ciò consente al filo ottenuto, parametri più affidabili in termini di carico di snervamento e rottura.
• Altri prodotti a sezione piena o cava: mediante Trafilatura ad alta pressione è possibile ottenere tubi e sbarre di forma complessa e dalle doti di resistenza superiori. Tra i fili e le barre cambia solo il diametro, per i tubi è invece possibile agire sullo spessore e il diametro. Si utilizza ovviamente, un mandrino adatto alla solo riduzione di spessore o anche alla variazione del diametro. La peculiarità della metodica è la particolare resistenza del materiale utilizzato (Alluminio). La Laminazione a freddo agisce innescando dislocazioni a livello del reticolo metallico. Ciò avviene allo scopo di favorire lo scorrimento dei piani cristallini. Il fenomeno si amplifica a bassa temperatura e si accumula attraverso il processo di Lavorazione. Ne deriva una interferenza tra gli elementi del reticolo cristallino, tale da bloccare i difetti puntiformi che si creano. L’effetto è una amplificazione della resistenza meccanica.

Cricche centrali o longitudinali, striature e piegature, sono difetti ricorrenti qualora la metodica si discosti dai margini operativi. Gli effetti sul materiale lavorato sono importanti.

RIASSUNTO SULLA COLATA CONTINUA – LAMINAZIONE E TRAFILATURA

La lavorazione iniziale dell’Alluminio si basa su tre step:

1. Colata Continua.
2. Laminazione.
3. Traforatura.

La bontà dei tre passaggi può ottimizzare le risorse progettuali. Il finale è la riuscita del manufatto sia a livello civile, che nell’impiego industriale, i mezzi includono la conoscenza delle doti meccaniche del materiale impiegato, quindi uno scambio attivo delle informazioni tra progettisti, fornitori e tecnici impiegati nel progetto.

La forza di gravità e il calore, sono gli attori della Colata Continua. La metodica incide sulle qualità strutturali della lega prodotta. L’Alluminio fonde a circa 700°C, ma la temperatura varia in base al tipo di lega progettato. La fusione avviene all’interno della siviera o caldaia di Colata. Serve che il metallo rimanga allo stato liquido, al fine di scorrere in continuo all’interno della lingottiera.

Lo strumento è costituito da due estremità aperte: quella apicale ha una sezione maggiore, quella distale è posta più in basso e riproduce in negativo la forma del prodotto. La struttura è tale da garantire il raffreddamento veloce ad acqua della Colata, che fluisce all’interno.

La riduzione della temperatura è direttamente proporzionale alla diminuzione delle dimensioni del metallo solidificato. Ciò fa sì che il flusso continuo, sospinga il materiale semisolidificato che fuoriesce sotto forma di billette, blumi o rame. Il passaggio necessario per ottenere barre, vergelle, billette, bramme e altri elementi strutturali dalle caratteristiche più accurate, avviene mediante Laminazione.

Il laminatoio è costituito da un sistema a rulli, in grado di ridurre lo spessore del materiale e produrne la forma desiderata. La procedura può avvenire secondo un metodo a caldo oppure a freddo. Con quello a caldo si porta il materiale ad altre temperature, per sfruttare la maggiore malleabilità. Il procedimento a freddo costringe una modifica tale da determinare l’incrudimento dell’Alluminio.

La resistenza meccanica risulta quindi aumentata. Non vi è una interpretazione univoca in merito alla migliore procedura da adottare. Che si tratti del processo di Laminazione a caldo o di quello a freddo, il campo applicativo della metodica è funzione delle priorità progettuali e delle Caratteristiche Meccaniche, alle quali il materiale verrà sottoposto. Le attuali potenzialità tecnologiche possono spingersi sino a spessori di 0.007 millimetri.

Particolari esigenze, possono richiedere differenti tipo di Trafilatura, le metodiche sono diverse in base alle richieste del target progettuale. La metodica si giova di un meccanismo di trazione dall’esterno, attraverso una trafilatrice meccanica. Ovviamente è necessario rastremare il materiale per contenere l’afferraggio. La matrice è più spesso in acciaio per utensili, ma può avere delle parti in carburi o diamante. Molto dipende dal tipo di prodotto necessario. La metodica può infatti richiedere cicli di riscaldamento, Trafilatura a caldo, raffreddamento e Trafilatura a freddo. Questo è il caso ad esempio della produzione di fili. La metodica può invece essere diversa, se si intende produrre tubi o barre resistenti di sezione complessa.