Continua - Proservice srl

Nuovo approccio al controllo di processo nelle fonderie di ghisa
mediante analisi termica
A NDREA Z ONATOa1
1 ProService
Srl, Massanzago (PD) ITALY,
www.proservicetech.it , www.itaca8.com
Abstract
Il continuo innalzamento dei requisiti qualitativi ad opera dei clienti finali, unito alla continua esigenza di
contenimento dei costi produttivi, hanno ulteriormente incrementato l’importanza di un efficace sistema di
controllo del processo produttivo nelle fonderie di ghisa. I moderni sistemi di analisi termica, quali ad esempio
ITACA MeltDeck e ITACA8, sono in grado di apportare un contributo enorme, consentendo di ridurre e gestire
la varianza nel reparto fusorio. Nella prima parte di questo lavoro verr`a illustrato il ruolo dell’analisi termica
nelle fonderie, spiegando brevemente come esso si integri negli attuali processi di controllo e illustrando i
principali motivi che lo rendono una parte indispensabile di un moderno sistema produttivo. Nella seconda
parte, verranno presentate le testimonianze dirette di quattro fonderie che hanno implementato nel loro sistema
di controllo questi strumenti, riportando un giudizio sui risultati ottenuti.
a trasformazione delle fonderie in complessi
processi industriali ad alta produttivit`a, iniziata
negli anni ’50 e protrattasi sino agli anni ’70,
sollev`o fin dal principio problemi legati al controllo
qualitativo di grandi quantit`a di getti che teoricamente
non avrebbero dovuto differire di molto fra loro, sia
che fossero prodotti all’interno di uno stesso lotto produttivo, sia che appartenessero a produzioni diverse.
Nella realt`a qualsiasi impianto produttivo, specialmente se molto complesso o articolato, presenta un
certo grado di variabilit`a ineliminabile, spesso costituito dalla somma dei singoli effetti di cause che,
nonostante possano spesso apparire triviali, si rivelano quasi sempre difficili da controllare, quando non
impossibili da eliminare completamente.
Si pu`o quindi comprendere l’elevato interesse da sempre manifestato dalle fonderie per qualsiasi strumento
o tecnica potesse contribuire a ridurre tale variabilit`a,
sia direttamente, sia rendendo disponibili informazioni utilizzabili per correggere in tempo reale il processo
produttivo.
L
a Technical
L’introduzione degli spettrometri
nelle fonderie
Il comparto delle fonderie che forse pi`u di tutti ha
sempre sofferto elevati problemi di stabilit`a di processo e` quello fusorio, a causa della grande variet`a di
materiali provenienti dall’esterno che esso impiega e
and sales engineer, e-mail: [email protected]
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della complessa natura dei fenomeni coinvolti nelle
operazioni di fusione della carica, trattamento fuori
forno e colata negli stampi.
I metallurgisti scoprirono rapidamente come la semplice definizione di una ricetta di carica fissa non fosse
sufficiente a contenere la variabilit`a entro un livello
adeguato, anche qualora si impiegassero unicamente
materiali provenienti dallo stesso fornitore.
Nei getti venivano spesso rilevate significative variazioni di composizione chimica, i cui impatti in termini
di variabilit`a qualitativa della produzione non vengono qui trattati, esistendo ampia letteratura in merito.
Questo problema e` apparso per lungo tempo irrisolvibile, poich`e l’unica tecnica di analisi disponibile era la
cos`ı detta determinazione “per via umida”, un metodo
di analisi che, oltre ad essere abbastanza complesso,
lungo e costoso, richiedeva personale altamente specializzato. Queste caratteristiche ne precludevano
qualsiasi possibilit`a di impiego come strumento di
controllo utilizzabile direttamente durante la produzione.
A partire dagli anni ’80 iniziarono a diffondersi nelle fonderie i primi spettrometri ad emissione ottica
(OES, optical emission spectroscopy), spesso chiamati semplicemente “quantometri”. L’introduzione di
questo strumento rappresent`o una vera e propria rivoluzione per quanto riguarda il controllo di processo:
si rese infatti possibile determinare in tempo reale la
composizione chimica del metallo liquido, con costi
di esercizio accessibili e senza ricorrere a personale
altamente specializzato.
Pur non essendo completamente esente da limiti e
difetti, specialmente nelle prime implementazioni,
questo strumento consent`ı una riduzione enorme della variabilit`a del processo, al punto da divenirne il
cardine . Tuttora molte fonderie basano interamente
il proprio processo di controllo su questo strumento.
Seconda rivoluzione nel controllo
di processo: l’analisi termica
L’analisi termica e` una tecnica di analisi in tempo reale condotta mediante la misurazione diretta dell’andamento della temperatura di un piccolo campione di
metallo liquido durante la sua solidificazione (Fig. 1).
I primi studi relativi a questa tecnica d’indagine risalgono fine degli anni ’60, mentre i primi semplici sistemi di misura iniziarono a comparire nelle fonderie a
partire dalla seconda met`a degli anni ’70. Nonostante
l’elevato numero di informazioni che possono essere
ricavate da una singola acquisizione, i primi strumenti
di misura miravano unicamente alla determinazione
dei tenori di Carbonio e Silicio, nonch`e ad una stima diretta del Carbonio equivalente. Questa tecnica
veniva quindi vista come uno strumento alternativo
allo spettrometro, con il solo fine di monitorare la
composizione chimica del metallo.
Prima di illustrare gli ulteriori dati che e` possibile
ottenere da un’analisi termica, oltre al tenore di alcuni elementi, e` importante osservare come questi
due strumenti misurino solo apparentemente le stesse grandezze fisiche. Gli spettrometri ad emissione
ottica infatti basano il loro funzionamento sull’analisi
Figura 1: Esempio di curva di solidificazione di una ghisa
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• la quantit`a di austenite primaria che si forma
durante la solidificazione;
della radiazione della luce emessa eccitando una piccola porzione del materiale da analizzare. La tecnica
di eccitazione maggiormente utilizzata fa uso di una
scarica elettrica, la quale vaporizza il metallo nella
zona interessata dalla stessa. Di conseguenza, di ogni
elemento chimico presente, verr`a rilevata la quantit`a
totale indipendentemente dallo stato in cui si trova.
Vi sono tuttavia ampi studi che dimostrano come un
generico elemento pu`o essere presente all’interno del
metallo (sia quando si trova allo stato liquido, che dopo solidificazione) in forme diverse. Esso pu`o infatti
trovarsi:
• le propriet`a meccaniche del getto, quali ad
esempio il carico a rottura (in particolare per le
ghise lamellari);
• il ritiro che la ghisa liquida svilupper`a durante
la solidifcazione.
Tuttavia, di tutto il Carbonio presente nella lega, la
quantit`a che effettivamente influenza il processo di
solidificazione nelle modalit`a sopradescritte e` la frazione che e` stata realmente solubilizzata nella ghisa,
che comunemente viene definita “libera”, “non combinata” o “attiva”. I sistemi di analisi termica stimano il
contenuto di Carbonio sulla base delle variazioni che
esso introduce nelle fasi critiche della solidificazione
e, di conseguenza, in base a quanto appena descritto,
essi rilevano unicamente la frazione attiva sul totale
presente. Si anticipa comunque che anche l’eventuale
frazione combinata o indisciolta pu`o influenzare la
solidificazione, anche se non da un punto di vista chimico quanto piuttosto da uno fisico.
Si pu`o a questo punto comprendere il motivo per cui
spesso questi due strumenti forniscono risultati discordanti, che in alcuni casi i metallurgisti imputano
a malfunzionamenti dell’uno o dell’altro strumento:
entrambi forniscono una misura della quantit`a di un
certo elemento, ma in un caso si tratta della quantit`a
totale presente, considerando tutte le forme, mentre
nell’altro si tratta della sola frazione attiva.
Questa differenza e` molto importante dal punto di
vista del controllo di processo. Si supponga ad esempio di voler produrre una ghisa sferoidale eutettica,
ma che al termine del trattamento la ghisa si presenti
ipoeutettica (ossia con un carbonio equivalente troppo
basso) a causa di una carenza di carbonio. Il metallurgista proceder`a a calcolare ed aggiungere alla siviera
la quantit`a di grafite necessaria a ripristinare il corretto valore di Ceq. Tuttavia, non e` possibile determinare
a priori la parte di questa aggiunta che verr`a correttamente solubilizzata, contribuendo all’aumento di
Ceq. Potrebbe quindi accadere che la ghisa non raggiunga realmente la condizione eutettica, a dispetto
dell’aumento del contenuto di carbonio rilevato dallo
spettrometro (che probabilmente risulter`a coerente
• disciolto nel liquido o nella matrice (come il
Silicio, o parte del Carbonio ad esempio);
• combinato con altri elementi, come Ossigeno, Zolfo, Silicio etc, sottoforma di composto
chimico (ossido, solfuro, silicato etc.);
• presente come aggregato indisciolto (particelle
di grafite, ricarburanti, ferroleghe o inoculanti
che non sono state solubilizzate e disciolte).
Al contrario, l’analisi termica non ricerca la specifica
presenza dei vari elementi, ma analizza direttamente il
processo di solidificazione da un punto di vista termofisico. Durante la solidificazione di una ghisa, vi sono
svariate reazioni che iniziano, si sviluppano e terminano, e ciascuna di esse da luogo alla produzione o alla
sottrazione di calore, influenzando significativamente
la dinamica del processo. Analizzando l’andamento
della temperatura nel tempo, e` possibile identificare
queste singole reazioni e i corrispondenti parametri
(quali tempo e temperatura di inzio e fine, ad esempio).
Osservando l’influenza dei vari elementi dal punto
di vista della solidificazione, lo stato sotto cui essi
sono presenti si rivela fondamentale. Se si considera
ad esempio l’influenza del Carbonio, dal diagramma di stato Fe-C e` noto che, tanto minore e` la sua
concentrazione, tanto maggiore saranno:
• la temperatura in cui il metallo inizia a
solidificare;
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con l’aggiunta eseguita). L’analisi termica invece rilever`a correttamente il reale stato della ghisa, meno
ipoeutettica della precedente ma non ancora eutettica.
Si vuole tuttavia sottolineare come l’analisi termica
non dovrebbe essere vista come uno strumento sostitutivo dello spettrometro, quanto piuttosto come uno
strumento complementare: esistono infatti alcuni casi
in cui un elemento chimico potrebbe essere presente in tenori troppo modesti per influenzare in modo
significativo la curva di solidificazione, ma comunque sufficiente per alterare determinate propriet`a del
getto (come esempio, si pu`o considerare l’impatto di
tenori molto modesti di fosforo sulla resilienza nelle cosiddette “ghise low temperature”, non rilevabile
facilmente dalle curve di analisi termica).
varie fasi crescono attorno ad essi sono due parametri fondamentali, che influenzano pesantemente sia
il procedere della solidificazione (con conseguente
influenza sulla formazione di difetti metallurgici) che
le caratteristiche finali dei getti (sia in termini di microstruttura che di propriet`a meccaniche).
L’importanza del potenziale nucleativo e la sua quasi completa indipendenza rispetto alla composizione chimica sono facilmente osservabili in fonderia.
L’esempio probabilmente pi`u semplice ed al contempo efficace riguarda gli effetti dell’inoculazione sul
flusso (o, in alternativa, di quella in staffa). Questa
operazione consiste nell’aggiunta di una quantit`a molto ridotta di inoculante (solitamente compresa fra lo
0,05% e lo 0,2%) durante l’ultima fase del processo
produttivo, ossia la colata della ghisa nella forma.
Dal punto di vista chimico, gli inoculanti ed i precondizionanti sono solitamente composti per il 75% da
Silicio e, in funzione del prodotto, possono contenere
altri elementi in tenori che solo raramente arrivano
al 10%, mentre tipicamente sono compresi fra l’1%
e il 5%. Un inoculazione sul flusso pari allo 0,1%
comporter`a quindi una variazione molto contenuta
della composizione chimica: un aumento dello 0.07%
di Silicio ed un aumento quasi trascurabile degli altri
elementi (compreso fra lo 0.0001% e lo 0.0005%),
spesso inferiore alla risoluzione degli spettrometri.
Tuttavia, a fronte di queste variazioni di composizione
chimica quasi trascurabili, questa operazione genera
cambiamenti macroscopici nella ghisa. E´ esperienza
molto comune il rilevare durezze eccessivamente alte
o problemi di formazione di carburi in getti che, a
causa di problemi nel processo produttivo, siano stati colati in assenza di una corretta inoculazione sul
flusso o in staffa. Inoltre questa operazione, quando
effettuata su ghise che presentino scarso potenziale
nucleativo, e` in grado di modificare enormemente la
modalit`a di solidificazione del metallo: una ghisa marcatamente ipoeutettica pu`o arrivare a presentare una
solidificazione pienamente eutettica a seguito di una
modesta inoculazione, con conseguenze che possono
impattare anche il sistema di alimentazione dei getti
predisposto nelle forme. Effetti analoghi, anche se
non direttamente osservabili, si possono verificare in
ogni parte del processo produttivo, qualora il potenziale nucleativo del metallo liquido non sia corretto.
Si pu`o certamente intuire la difficolt`a nello stima-
Ulteriore evoluzione: oltre il semplice approccio chimico
Fino a questo punto il controllo di processo e` stato
analizzato in funzione della stabilit`a della composizione chimica. Pur essendo un requisito importante, esso
non e` comunque sufficiente a garantire la costanza
qualitativa della produzione.
Durante la solidificazione, la struttura della ghisa evolve in funzione della sua capacit`a di formazione di
nuovi cristalli, che diverranno poi grani, lamelle o sferoidi. La loro formazione pu`o avvenire secondo due
meccanismi: come aggregazione spontanea di gruppi
di molecole (nucleazione omogenea), o come aggregazione di molecole attorno ad un nucleo preesistente
(nucleazione eterogenea). Il secondo meccanismo
e` quello nettamente predominante, ed i centri di aggregazione iniziali possono essere di molte tipologie:
impurit`a indisciolte derivanti dai materiali di carica,
minuscole particelle di refrattario erose dal rivestimento del forno, composti appositamente introdotti a
tale scopo (come i precondizionanti o gli inoculanti),
o le frazioni “non attive” degli elementi chimici presenti nella ghisa cui si e` accennato in precedenza (le
frazioni combinate e quelle indisciolte). La capacit`a
della ghisa di nucleare grani, lamelle o sferoidi, viene
chiamata “potenziale nucleativo” o pi`u brevemente
“nucleazione” e, per sua stessa natura, non e` direttamente quantificabile.
Il numero di questi germi e la velocit`a con cui le
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re in valore assoluto questo parametro, operazione
assolutamente impossibile basandosi solo sulla variazione di composizione chimica. Tuttavia, analizzando
opportunamente i risultati della curva di solidificazione, e` comunque possibile monitorarlo e, qualora
necessario, attuare opportuni interventi nel processo
produttivo per ripristinarlo ad un valore adeguato.
Lo sviluppo dei sistemi di calcolo computerizzato
hanno consentito un’enorme evoluzione nei sistemi di
analisi termica: un software moderno, quale ad esempio ITACA MeltDeck (per il controllo del metallo
base) e ITACA8 (per il controllo della ghisa finale), e`
in grado di effettuare automaticamente l’analisi della
curva di solidificazione, il calcolo dei principali risultati e l’interpretazione degli stessi in modo da fornire
semplici indicazioni agli operatori.
Le ultime versioni di ITACA presentano, oltre ai principali risultati termici, delle indicazioni sul rischio di
formazione dei principali difetti (dai carburi ai difetti
di ritiro), oltre ad informazioni sul grado di espansione grafitica generata, alla forma della grafite o alla
stima delle principali propriet`a meccaniche, pur
mantenendo semplice il loro utilizzo.
Mediante l’utilizzo di un sistema di analisi termica
di ultima generazione, le fonderie sono ora in grado
di implementare un efficace sistema di controllo della variabilit`a: mediante la combinazione di analisi
termica e spettrometrica, e` possibile stabilizzare la
qualit`a del metallo in tutte le fasi del processo, dalla
preparazione della ghisa base nei forni fusori alla
colata finale nelle forme, passando per l’eventale
monitoraggio nei forni di attesa ed il controllo prima
e dopo il trattamento in siviera.
I metallurgisti sono in grado di identificare qualsiasi
deviazione rispetto i vari target qualitativi in tempo
reale, ed apportare le necessarie correzioni nella fase
del processo pi`u opportuna, consentendo inoltre l’ottimizzazione degli additivi e delle ferroleghe impiegate.
Figura 2: Unit`a di analisi termica ITACA MeltDeck
Figura 3: Software di analisi termica ITACA8
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L’esperienza delle fonderie
leghe e prove per il miglioramento del
processo di inoculazione.
Come si pu`o facilmente intuire, le principali preoccupazioni delle fonderie nel momento in cui si accingono a pianificare un investimento si focalizzano
principalmente in pochi e semplici aspetti. Quali sono
i benefici che questo investimento permette di conseguire? Sono benefici che la mia organizzazione
(intesa come insieme di persone e competenze) pu`o
arrivare ad ottenere? In quanto tempo?
Si e` quindi pensato di raccogliere le testimonianze
dirette di quattro fonderie, nostre clienti, diverse tra
loro per tipologia produttiva e volume d’affari, sottoponendo loro un breve questionario proprio riguardo
questi aspetti.
Qui di seguito si riportano i risultati del questionario, introdotti da una breve descrizione dei clienti che
gentilmente hanno fornito la loro testimonianza.
Avete ottenuto benefici dall’uso di
ITACA? Quali sono? In quanti mesi
li avete ottenuti?
Si. Abbiamo ottenuto un processo pi`u
stabile dopo l’introduzione di ITACA.
C’`e ancora del lavoro da fare ma siamo
sulla strada giusta. Abbiamo anche ridotto la quantit`a di inoculante in siviera ottimizzando il processo di inoculazione per
ridurre i costi. Ci siamo resi conto che a
volte per alcune leghe siamo ipereutettici.
Con l’aiuto dell’analisi termica abbiamo
potuto ridurre il contenuto di carbonio
e silicio allo scopo di ottenere una ghisa eutettica. Inoltre, abbiamo ridotto i
problemi causati da porosit`a.
¨
VonRoll casting (emmenbrucke)
sa
Qual e` il livello di complessit`a del sistema dal punto di vista dell’utilizzo
da parte degli operatori?
VonRoll casting e` un gruppo di fonderie svizzere che
producono ghise grigie e sferoidali: la tipologia di
leghe spazia da ghise standard a leghe speciali, quali SiMo, Ni-Resist e ghise sferoidali austemperate
(ADI). VonRoll casting produce getti per una vasta
gamma di segmenti di mercato: quello principale e`
costituito dai motori con collettori di scarico, testate,
turbocompressori, etc., seguito da veicoli (ferroviari e
autocarri) con tutte le tipologie di organi di sicurezza,
quindi le industrie di costruzione di macchine, tessili
ed energetiche. La fonderia situata ad Emmenbr¨ucke
produce getti da 2 a 200 kg con un impianto di formatura HWS. Il reparto fusorio e` composto da quattro
forni fusori a induzione (a media frequenza) ed un
forno di attesa.
La maggior parte dei nostri lavoratori
nel reparto fusorio e` in grado di gestire le diverse temperature e punti critici
del diagramma di fase Ferro-Carbonio.
Siamo ancora impegnati nell’introdurre
gli operatori alla linea di formatura a fargli capire il sistema e a farglielo usare
correttamente.
Fonderie Glisenti
Fonderia specializzata nella produzione di getti di
alta e media serie, di piccola e media dimensione (fino a 70 kg) in ghisa sferoidale. Il reparto fusorio e`
composto da 5 forni elettrici. La produzione e` su un
impianto di formatura orizzontale destinato a getti
per l’industria dei trattori, delle macchine movimento
terra e per i veicoli industriali. Una linea di formatura
verticale consente di produrre medie ed elevate serie
per il settore automotive.
State attualmente usando il sistema
ITACA come strumento di controllo
di processo?
Si, stiamo usando il sistema come strumento di controllo di processo, oltre alla verifica delle campionature di nuove
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State attualmente usando il sistema
ITACA come strumento di controllo
di processo?
INFUNFOR
S`ı, presto lo inseriremo nel Piano di
Controllo.
Infun e` leader in Europa nella produzione di parti
meccaniche e componenti di alta qualit`a e sicurezza per l’industria automotive. La produzione tipica
e` costituita prevalentemente da componentisica per
motori, impianti frenanti, sistemi di sospensione e
trasmissione, e comprende sia getti in ghise grigie,
che in ghise sferoidali.
Avete ottenuto benefici dall’uso di
ITACA? Quali sono?
S`ı. Costanza del tipo di liquido alla colata e personalizzazione dell’analisi termica per modello in relazione alle difettosit`a. Utilizziamo ITACA MeltDeck come
sistema per stabilizzare, in maniera rapida e semplice, la ghisa finale e mantenerla nei ranges di accettabilit`a definita per
ogni getto o famiglie getti. Su alcuni getti questo controllo spinto della ghisa base
e della ghisa finale ci ha permesso di ridurre le porosit`a, riportandole all’interno
dei parametri stabiliti dal cliente.
State attualmente usando il sistema
ITACA come strumento di controllo
di processo?
S`ı, Il controllo sistematico su tutte le
colate ai forni fusori e di colata e` stato
inserito a processo nella ghisa sferoidale,
mentre e` in studio per applicarlo nella
ghisa grigia.
In quanto tempo li avete ottenuti?
Avete ottenuto benefici dall’uso di
ITACA? Quali sono? In quanti mesi
li avete ottenuti?
In linea di massima possiamo dire che
fin dall’installazione di ITACA MeltDeck, avvenuta 2 anni fa, abbiamo ottenuto benefici. Nell’ultimo anno abbiamo “procedurato” l’operazione e abbiamo constatato benefici anche a livello
documentale.
S`ı. In pochi mesi il controllo sistematico con l’analisi termica ci ha permesso
di eliminare e o controllare alcune variabili permettendoci di restringere il range
di HipoEuteticHiper, con vantaggi importanti sulla difettosit`a. In questo momento ci stiamo concentrando sul miglioramento della resa metallo-staffa, possibile grazie alla stabilizzazione della ghisa
finale.
Qual e` il livello di complessit`a del sistema dal punto di vista dell’utilizzo
da parte degli operatori?
Dopo aver rapidamente preso confidenza, il sistema ora appare di semplice utilizzo sia nell’esecuzione della prova che
nella lettura dei risultati.
Qual e` il livello di complessit`a del sistema dal punto di vista dell’utilizzo
da parte degli operatori?
Le curve e alcuni parametri controllati
dagli operatori in linea sono molto ben
definiti e chiari permettendo l’interpretazione dell’analisi gi`a ad una veloce prima vista. Altri parametri, eventualmente,
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sempre ben definiti, vengono studiati con
maggiore attenzione da altri operatori pi`u
preparati.
Si.
Avete ottenuto benefici dall’uso di
ITACA? Quali sono? In quanti mesi
li avete ottenuti?
Atlantis Foundries
S`ı, abbiamo ottenuto una riduzione dei
difetti metallurgici presso i nostri clienti
pari a circa il 90%, nell’arco di tre mesi.
Atlantis Foundries (Pty) Ltd produce getti per l’industria automobilistica, sia per trasporto passeggeri
che per veicoli commerciali. Realizza inoltre blocchi
cilindro ed alberi motore per applicazioni automobilistiche. La societ`a, costituita nel 1979, e` una sussidiaria della Mercedes-Benz Sud Africa, a sua volta
appartenente al gruppo Daimler AG. Lo stabilimento
produttivo e` situato ad Atlantis, in Sud Africa, a circa
50 km a nord di Citt`a del Capo.
Qual e` il livello di complessit`a del sistema dal punto di vista dell’utilizzo
da parte degli operatori?
Gli operatori hanno trovato il sistema facile da usare, rispetto al classico provino
di tempra.
State attualmente usando il sistema
ITACA come strumento di controllo
di processo?
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