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Continua il nostro viaggio nello stabilimento di Zanardi Fonderie, alla scoperta della fusione e produzione di getti in ghisa, processo centenario che continua tutt’oggi ad evolversi.
Nel precedente video, siamo partiti dagli uffici di progettazione sino ad arrivare all’accoppiamento delle due motte in terra verde pronte ad accogliere la ghisa liquida.
Oggi scopriremo il processo di fusione e colata della ghisa.
L’impianto di Zanardi Fonderie dispone di 3 forni fusori elettrici ad induzione operanti a frequenza di rete con una capacità di circa 28 tonnellate e potenza installata pari a 3.300 KW ciascuno.
I forni vengono caricati grazie a dei carri di caricamento vibranti situati nella parte posteriore, mentre la spillata, ovvero il prelievo della ghisa base liquida, avviene dalla parte frontale grazie al ribaltamento dei forni stessi.
I materiali di carica che permettono di realizzare il bagno di ghisa base liquida sono principalmente:
- Pani di ghisa
- Rottame di acciaio
- Boccame e scarti di getti precedentemente colati
Tutti questi materiali sono stoccati in fosse differenziate del parco materie prime e vengono trasportati fino ai carri di caricamento con l’ausilio di un’elettrocalamita munita di cella di carico che viene manovrata in modalità semi automatica sulla base delle richieste inviate dall’operatore.
Per ottenere una composizione chimica idonea della ghisa base, in aggiunta ai tre materiali sopra citati possono essere caricati grafite, carburo di silicio, ferro-silicio, rame, ferro-manganese, ferro-molibdeno mediante caricamenti manuali eseguiti dagli operatori di fonderia (fornisti); questa attività è necessaria per avvicinarsi al target di composizione della ghisa finale.
Durante la fase di preparazione della ghisa base che precede la spillata in siviera di trattamento (o di trasporto e all’interno della quale avverrà la reazione di sferoidizzazione) è consuetudine effettuare dei prelievi dal bagno per l’esecuzione dell’analisi termica e ricavare le medaglie per l’analisi chimica, in modo da monitorare le condizioni del bagno e la composizione e, qualora necessario, apportare delle correzioni per raggiungere il target richiesto. Viene inoltre monitorata anche la temperatura raggiunta in forno mediante termocoppie ad immersione. È fondamentale avere sotto controllo la temperatura, in quanto dopo la spillata questa diminuirà durante la fase di trasporto (che include reazione di sferoidizzazione, ulteriore scorifica e travaso) dai forni alla linea di colata.
Come anticipato, per il trasporto della ghisa liquida dai forni fusori alla linea di colata viene impiegata la siviera di trattamento, avente una capacità di 3.000 kg, all’interno della quale avviene la reazione di sferoidizzazione mediante aggiunta di opportune ferroleghe (Fe-Si-Mg ferro-silicio-magnesio, Ni-Mg nichel-magnesio). La siviera, manovrata con l’ausilio di un carroponte, prima di accogliere la ghisa base liquida, transita da una stazione di caricamento per l’introduzione delle leghe sferoidizzanti e dei correttivi della composizione (ad esempio ferroleghe di correzione come Fe-Si Ferro-Silicio, metalli puri come Cu Rame e Ni Nickel); tutto questo è necessario per raggiungere le condizioni ottimali per la reazione di sferoidizzazione e la composizione chimica della ghisa finale.
Al momento della spillata, all’interno della siviera di trattamento inizia la reazione (molto violenta) di sferoidizzazione che permette la formazione e l’accrescimento di particelle di grafite secondo una forma sferoidale, e non lamellare, in fase di solidificazione.
Prima del travaso della ghisa liquida dalla siviera di trattamento a quella di colata, è necessario effettuare una seconda scorifica in quanto la reazione di sferoidizzazione produce un certo quantitativo di scoria.
Volendo produrre ghisa grafitica bisogna mettere in atto diverse strategie volte ad inibire la formazione di cementite in ogni zona del getto da produrre. Un intervento molto efficace ma complesso consiste nell’agire sulla composizione chimica utilizzando elementi detti «grafitizzanti» come il silicio.
Un altro tipo intervento sui meccanismi di nucleazione, più efficace anche se delicato, consiste nell’introdurre nella ghisa liquida dei siti di nucleazione eterogenei preferenziali della grafite. Si tratta del processo noto con il nome di inoculazione che permette di eliminare la formazione della cementite nelle zone sottili dei getti e di controllare e rendere omogenea la tipologia e distribuzione delle particelle di grafite all’interno del getto e quindi le sue caratteristiche meccaniche.
Durante il travaso della ghisa liquida nella siviera di colata si effettua una prima inoculazione, detta pre-inoculazione; in questo processo vengono aggiunti alla ghisa liquida degli inoculanti a base di FeSi (Ferro-Silicio) che permettono la formazione di nuclei attorno ai quali avverrà la formazione dei noduli di grafite.
Oltre alla pratica di inoculazione, anche il tenore di alcuni elementi chimici gioca un ruolo chiave sullo stato di nucleazione.
Il sistema di colata di Zanardi Fonderie è un impianto automatico composto essenzialmente da una siviera di colata a pressione non riscaldata, detta anche siviera fredda, un gruppo tampone per la regolazione del flusso durante la colata ed un’apparecchiatura di controllo e supervisione con PLC e software di colata dedicato. Vediamo nel dettaglio le varie componenti.
Nel precedente video, siamo partiti dagli uffici di progettazione sino ad arrivare all’accoppiamento delle due motte in terra verde pronte ad accogliere la ghisa liquida.
Oggi scopriremo il processo di fusione e colata della ghisa.
L’impianto di Zanardi Fonderie dispone di 3 forni fusori elettrici ad induzione operanti a frequenza di rete con una capacità di circa 28 tonnellate e potenza installata pari a 3.300 KW ciascuno.
I forni vengono caricati grazie a dei carri di caricamento vibranti situati nella parte posteriore, mentre la spillata, ovvero il prelievo della ghisa base liquida, avviene dalla parte frontale grazie al ribaltamento dei forni stessi.
I materiali di carica che permettono di realizzare il bagno di ghisa base liquida sono principalmente:
- Pani di ghisa
- Rottame di acciaio
- Boccame e scarti di getti precedentemente colati
Tutti questi materiali sono stoccati in fosse differenziate del parco materie prime e vengono trasportati fino ai carri di caricamento con l’ausilio di un’elettrocalamita munita di cella di carico che viene manovrata in modalità semi automatica sulla base delle richieste inviate dall’operatore.
Per ottenere una composizione chimica idonea della ghisa base, in aggiunta ai tre materiali sopra citati possono essere caricati grafite, carburo di silicio, ferro-silicio, rame, ferro-manganese, ferro-molibdeno mediante caricamenti manuali eseguiti dagli operatori di fonderia (fornisti); questa attività è necessaria per avvicinarsi al target di composizione della ghisa finale.
Durante la fase di preparazione della ghisa base che precede la spillata in siviera di trattamento (o di trasporto e all’interno della quale avverrà la reazione di sferoidizzazione) è consuetudine effettuare dei prelievi dal bagno per l’esecuzione dell’analisi termica e ricavare le medaglie per l’analisi chimica, in modo da monitorare le condizioni del bagno e la composizione e, qualora necessario, apportare delle correzioni per raggiungere il target richiesto. Viene inoltre monitorata anche la temperatura raggiunta in forno mediante termocoppie ad immersione. È fondamentale avere sotto controllo la temperatura, in quanto dopo la spillata questa diminuirà durante la fase di trasporto (che include reazione di sferoidizzazione, ulteriore scorifica e travaso) dai forni alla linea di colata.
Come anticipato, per il trasporto della ghisa liquida dai forni fusori alla linea di colata viene impiegata la siviera di trattamento, avente una capacità di 3.000 kg, all’interno della quale avviene la reazione di sferoidizzazione mediante aggiunta di opportune ferroleghe (Fe-Si-Mg ferro-silicio-magnesio, Ni-Mg nichel-magnesio). La siviera, manovrata con l’ausilio di un carroponte, prima di accogliere la ghisa base liquida, transita da una stazione di caricamento per l’introduzione delle leghe sferoidizzanti e dei correttivi della composizione (ad esempio ferroleghe di correzione come Fe-Si Ferro-Silicio, metalli puri come Cu Rame e Ni Nickel); tutto questo è necessario per raggiungere le condizioni ottimali per la reazione di sferoidizzazione e la composizione chimica della ghisa finale.
Al momento della spillata, all’interno della siviera di trattamento inizia la reazione (molto violenta) di sferoidizzazione che permette la formazione e l’accrescimento di particelle di grafite secondo una forma sferoidale, e non lamellare, in fase di solidificazione.
Prima del travaso della ghisa liquida dalla siviera di trattamento a quella di colata, è necessario effettuare una seconda scorifica in quanto la reazione di sferoidizzazione produce un certo quantitativo di scoria.
Volendo produrre ghisa grafitica bisogna mettere in atto diverse strategie volte ad inibire la formazione di cementite in ogni zona del getto da produrre. Un intervento molto efficace ma complesso consiste nell’agire sulla composizione chimica utilizzando elementi detti «grafitizzanti» come il silicio.
Un altro tipo intervento sui meccanismi di nucleazione, più efficace anche se delicato, consiste nell’introdurre nella ghisa liquida dei siti di nucleazione eterogenei preferenziali della grafite. Si tratta del processo noto con il nome di inoculazione che permette di eliminare la formazione della cementite nelle zone sottili dei getti e di controllare e rendere omogenea la tipologia e distribuzione delle particelle di grafite all’interno del getto e quindi le sue caratteristiche meccaniche.
Durante il travaso della ghisa liquida nella siviera di colata si effettua una prima inoculazione, detta pre-inoculazione; in questo processo vengono aggiunti alla ghisa liquida degli inoculanti a base di FeSi (Ferro-Silicio) che permettono la formazione di nuclei attorno ai quali avverrà la formazione dei noduli di grafite.
Oltre alla pratica di inoculazione, anche il tenore di alcuni elementi chimici gioca un ruolo chiave sullo stato di nucleazione.
Il sistema di colata di Zanardi Fonderie è un impianto automatico composto essenzialmente da una siviera di colata a pressione non riscaldata, detta anche siviera fredda, un gruppo tampone per la regolazione del flusso durante la colata ed un’apparecchiatura di controllo e supervisione con PLC e software di colata dedicato. Vediamo nel dettaglio le varie componenti.
Il metallo all’interno della camera principale viene mantenuto in atmosfera di azoto e forzato dallo stesso a risalire all’interno di un canale, esposto alla pressione atmosferica, alla cui estremità è presente il tampone, che agisce da valvola di regolazione per il controllo del flusso di ghisa liquida durante il riempimento della staffa sottostante. La siviera di colata ha una capacità massima di 4.500 kg ed è dotata di telecamere per il controllo in retroazione dell’apertura del tampone, ovvero della portata di ghisa liquida.
Durante la fase di colata, viene effettuata una seconda inoculazione, detta post-inoculazione, direttamente sul flusso di ghisa liquida immediatamente prima dell’ingresso nella forma in terra; a differenza della pre-inoculazione, questa seconda inoculazione è molto più efficiente in quanto la ghisa liquida si trova già ad un buon livello di nucleazione ed inoltre le particelle costituenti il post-inoculante sono più fini, caratteristica che ne agevola la dissoluzione.
Tutto il processo avviene in maniera automatica con la supervisione dell’operatore in cabina di colata (colatore), il quale mantiene sotto controllo il flusso di ghisa liquida, la quantità di inoculante introdotto ed eventuali anomalie durante l’avanzamento delle staffe al fine di prevenire possibili interruzioni del processo e garantire la qualità metallurgica della ghisa prodotta.
Durante il processo di colata vengono effettuati controlli sulla qualità della ghisa finale, come il controllo micrografico dei provini di fine siviera, necessario per valutare la forma della grafite e l’efficienza del trattamento di sferoidizzazione, il controllo dell’analisi chimica e termica.
Una volta che le staffe sono state colate, esse vengono fatte avanzare lungo la linea per dare modo al grappolo di ghisa liquida di raffreddare e solidificare.
Durante la solidificazione il materiale è soggetto a delle trasformazioni di fase; ad esempio, nel caso di una ghisa sferoidale ipoeutettica, la solidificazione inizia attorno ai 1.170°, con la formazione di austenite primaria in forma di dentriti, con l’avanzare della solidificazione esse cresceranno e arricchiranno la ghisa liquida attorno ad esse di carbonio, a questo punto ci sono nel liquido sovra-saturo di carbonio le condizioni per la precipitazione di noduli di grafite tra i rami dei dentriti (figura 8a - later stage). Questi noduli col tempo verranno poi avvolti dalle dentriti stesse.
Seguirà quindi la precipitazione di grafite ed austenite eutettiche (figura 8b) ad accrescimento divorziato.
Una volta che il getto si è solidificato, avviene la fase di distaffatura, ovvero la motta in terra contenente il grappolo solido viene estratta dalle staffe. Successivamente la motta estratta proseguirà il suo cammino lungo la linea di raffreddamento fino a quando sarà possibile frantumarla ed estrarre il grappolo al disotto della temperatura di ultima trasformazione attorno ai 730°: tale fase è detta smottatura.
Durante questa fase di raffreddamento, tra distaffatura e smottatura, l’austenite si trova in condizioni di sovrassaturazione di carbonio; pertanto il carbonio in eccesso al suo interno verrà rigettato migrando verso i noduli di grafite. L’austenite inizia a decomporsi in ferrite creando un anello attorno agli sferoidi di grafite; la reazione procedere grazie alla diffusione del carbonio attraverso il guscio di ferrite. Se il raffreddamento procede in modo sufficiente rapido, viene impedito al carbonio di diffondersi ulteriormente attraverso il guscio di ferrite, permettendo così la nascita della perlite all’interno dell’austenite residua e formando la classica struttura ad occhio di bue.
Il processo di formazione della perlite è favorito dalla presenza di elementi detti “perlitizzanti”, come ad esempio il rame. La microstruttura della perlite è costituita da lamellare di ferrite e cementite.
Dopo smottatura il grappolo, che ora si trova in aria ed ancora parzialmente ricoperto di terra, prosegue avanzando all’interno di un tamburo rotante; attraverso il moto rotatorio impresso e l’iniezione di acqua è possibile ottenere la rimozione di tutti i residui di terra ed il raffreddamento del grappolo fino a temperatura ambiente, rendendolo idoneo alla manipolazione. Superato il tamburo rotante, in corrispondenza di una stazione intermedia detta ACME 1, degli operatori muniti di cuneo idraulico eseguono una prima fase di smaterozzatura, ovvero smembrano i grappoli separando i getti dai boccami (sistema di colata ed alimentazione). Quindi getti e boccami entrano in sabbiatrice per la pulizia finale, per uscire successivamente alla stazione denominata ACME2 dove altri operatori muniti di cuneo idraulico completano la fase di smaterozzatura. In aggiunta alle operazioni di smaterozzatura, gli operatori eseguono anche un primo controllo visivo sui getti, separando se necessario quelli ritenuti scarti; prelevano inoltre i getti da sottoporre a controllo statistico di durezza e al prelievo del provino micrografico. Infine, grazie a trasportatori vibranti, i getti raggiungono una prima zona di stoccaggio in casse metalliche da dove avanzeranno poi alle le fasi successive del processo, mentre gli eventuali scarti ed i boccami finiscono nel parco materie prime per essere riciclati.
Come abbiamo osservato il processo di colata è estremamente complesso, con numerosi passaggi che devono essere perfettamente sincronizzati per ottenere un processo privo di intoppi/rallentamenti.
Nel prossimo video scopriremo tutte le lavorazioni e le procedure che vengono effettuate dopo la fusione del getto in ghisa.
Durante la fase di colata, viene effettuata una seconda inoculazione, detta post-inoculazione, direttamente sul flusso di ghisa liquida immediatamente prima dell’ingresso nella forma in terra; a differenza della pre-inoculazione, questa seconda inoculazione è molto più efficiente in quanto la ghisa liquida si trova già ad un buon livello di nucleazione ed inoltre le particelle costituenti il post-inoculante sono più fini, caratteristica che ne agevola la dissoluzione.
Tutto il processo avviene in maniera automatica con la supervisione dell’operatore in cabina di colata (colatore), il quale mantiene sotto controllo il flusso di ghisa liquida, la quantità di inoculante introdotto ed eventuali anomalie durante l’avanzamento delle staffe al fine di prevenire possibili interruzioni del processo e garantire la qualità metallurgica della ghisa prodotta.
Durante il processo di colata vengono effettuati controlli sulla qualità della ghisa finale, come il controllo micrografico dei provini di fine siviera, necessario per valutare la forma della grafite e l’efficienza del trattamento di sferoidizzazione, il controllo dell’analisi chimica e termica.
Una volta che le staffe sono state colate, esse vengono fatte avanzare lungo la linea per dare modo al grappolo di ghisa liquida di raffreddare e solidificare.
Durante la solidificazione il materiale è soggetto a delle trasformazioni di fase; ad esempio, nel caso di una ghisa sferoidale ipoeutettica, la solidificazione inizia attorno ai 1.170°, con la formazione di austenite primaria in forma di dentriti, con l’avanzare della solidificazione esse cresceranno e arricchiranno la ghisa liquida attorno ad esse di carbonio, a questo punto ci sono nel liquido sovra-saturo di carbonio le condizioni per la precipitazione di noduli di grafite tra i rami dei dentriti (figura 8a - later stage). Questi noduli col tempo verranno poi avvolti dalle dentriti stesse.
Seguirà quindi la precipitazione di grafite ed austenite eutettiche (figura 8b) ad accrescimento divorziato.
Una volta che il getto si è solidificato, avviene la fase di distaffatura, ovvero la motta in terra contenente il grappolo solido viene estratta dalle staffe. Successivamente la motta estratta proseguirà il suo cammino lungo la linea di raffreddamento fino a quando sarà possibile frantumarla ed estrarre il grappolo al disotto della temperatura di ultima trasformazione attorno ai 730°: tale fase è detta smottatura.
Durante questa fase di raffreddamento, tra distaffatura e smottatura, l’austenite si trova in condizioni di sovrassaturazione di carbonio; pertanto il carbonio in eccesso al suo interno verrà rigettato migrando verso i noduli di grafite. L’austenite inizia a decomporsi in ferrite creando un anello attorno agli sferoidi di grafite; la reazione procedere grazie alla diffusione del carbonio attraverso il guscio di ferrite. Se il raffreddamento procede in modo sufficiente rapido, viene impedito al carbonio di diffondersi ulteriormente attraverso il guscio di ferrite, permettendo così la nascita della perlite all’interno dell’austenite residua e formando la classica struttura ad occhio di bue.
Il processo di formazione della perlite è favorito dalla presenza di elementi detti “perlitizzanti”, come ad esempio il rame. La microstruttura della perlite è costituita da lamellare di ferrite e cementite.
Dopo smottatura il grappolo, che ora si trova in aria ed ancora parzialmente ricoperto di terra, prosegue avanzando all’interno di un tamburo rotante; attraverso il moto rotatorio impresso e l’iniezione di acqua è possibile ottenere la rimozione di tutti i residui di terra ed il raffreddamento del grappolo fino a temperatura ambiente, rendendolo idoneo alla manipolazione. Superato il tamburo rotante, in corrispondenza di una stazione intermedia detta ACME 1, degli operatori muniti di cuneo idraulico eseguono una prima fase di smaterozzatura, ovvero smembrano i grappoli separando i getti dai boccami (sistema di colata ed alimentazione). Quindi getti e boccami entrano in sabbiatrice per la pulizia finale, per uscire successivamente alla stazione denominata ACME2 dove altri operatori muniti di cuneo idraulico completano la fase di smaterozzatura. In aggiunta alle operazioni di smaterozzatura, gli operatori eseguono anche un primo controllo visivo sui getti, separando se necessario quelli ritenuti scarti; prelevano inoltre i getti da sottoporre a controllo statistico di durezza e al prelievo del provino micrografico. Infine, grazie a trasportatori vibranti, i getti raggiungono una prima zona di stoccaggio in casse metalliche da dove avanzeranno poi alle le fasi successive del processo, mentre gli eventuali scarti ed i boccami finiscono nel parco materie prime per essere riciclati.
Come abbiamo osservato il processo di colata è estremamente complesso, con numerosi passaggi che devono essere perfettamente sincronizzati per ottenere un processo privo di intoppi/rallentamenti.
Nel prossimo video scopriremo tutte le lavorazioni e le procedure che vengono effettuate dopo la fusione del getto in ghisa.