Lo sviluppo tecnologico del processo di laminazione a freddo e i sistemi
automatici di controllo di nuova generazione del laminatoio<\/p>\n\n\n\n
di Massimo Moschini, Ciro Sinagra (Laminazione Sottile Spa) e Nicola Gioachin (Mino Spa)<\/em><\/p>\n\n\n\n Un laminatoio tipo pu\u00f2 essere definito dal numero di cilindri nella gabbia di laminazione: Laminatoio \u201cDuo\u201d, Laminatoio \u201cQuarto\u201d e Laminatoio \u201cSesto\u201d. Un altro modo per classificare i laminatoi \u00e8 dato dal numero di gabbie di laminazione: Singola gabbia, Laminatoio Tandem (2-3 gabbie). Considerando ad esempio una riduzione del 50% dello spessore del materiale, si nota che per il principio di conservazione della massa, il nastro lascer\u00e0 la zona di lavoro dei cilindri con una velocit\u00e0 doppia rispetto alla velocit\u00e0 di entrata. Questo significa che il materiale si muove pi\u00f9 lentamente dei cilindri in entrata e pi\u00f9 velocemente di questi in uscita. Il punto nel quale la velocit\u00e0 del nastro eguaglia la velocit\u00e0 periferica dei cilindri \u00e8 detto \u201cPunto Neutro\u201d. La differenza in velocit\u00e0 tra il materiale e i cilindri genera un attrito che a monte della sezione neutra spinge il materiale verso il \u201cmorso\u201d dei cilindri e a valle della sezione neutra tira il materiale indietro verso di essa. L\u2019attrito generato produce una pressione idrostatica variabile sul nastro. All\u2019ingresso e all\u2019uscita del \u201cmorso\u201d dei cilindri la pressione idrostatica \u00e8 nulla. Diagrammando la pressione di laminazione lungo l\u2019arco di contatto (Figura 1) si ottiene l\u2019area che \u00e8 proporzionale alla forza di laminazione totale applicata dai cilindri (per unit\u00e0 di larghezza del nastro).<\/p>\n\n\n\n Influenza dei principali parametri<\/strong> Laminazione in condizioni di \u201copen gap\u201d<\/strong> Controlli nella laminazione a freddo: i dispositivi di misurazione<\/strong> Tipicamente sono installati questi dispositivi di misura:<\/p>\n\n\n\n Sistemi di controllo: attuatori<\/strong> Controlli automatici del laminatoio<\/strong> AGC Feedback Control<\/strong> AGC Feedforward Control<\/strong> Vantaggi del sistema:<\/p>\n\n\n\n AGC Mass Flow Control<\/strong> Vantaggi del sistema:<\/p>\n\n\n\n Svantaggi del sistema:<\/p>\n\n\n\n AGC Roll Eccentricity Compensation<\/strong> Svantaggi del sistema:<\/p>\n\n\n\n Sistemi di controllo automatico dello spessore e influenza dei parametri<\/strong> AGC Modello base per il controllo predittivo<\/strong> Hot Edge System<\/strong> Industria 4.0<\/strong> Integrazione Verticale<\/strong> Simulazioni e realt\u00e0 aumentata<\/strong> Lo sviluppo tecnologico del processo di laminazione a freddo e i sistemiautomatici di controllo di nuova generazione del laminatoio di Massimo Moschini, Ciro Sinagra (Laminazione Sottile Spa) e Nicola Gioachin (Mino Spa) Un laminatoio tipo pu\u00f2 essere definito dal numero di cilindri nella gabbia di laminazione: Laminatoio \u201cDuo\u201d, Laminatoio \u201cQuarto\u201d e Laminatoio \u201cSesto\u201d. Un altro …<\/p>\n","protected":false},"author":4,"featured_media":1939,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"give_campaign_id":0,"footnotes":""},"categories":[325],"tags":[660,659,667],"class_list":["post-1910","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-laminazione","tag-foglio-sottile","tag-laminazione-sottile","tag-mino"],"openstation_lock":null,"openstation_contributors":[],"openstation_attached_media":[1939],"yoast_head":"\n
Un laminatoio a freddo \u201cIntermedio\u201d lamina, con passate brevi consecutive (dipendentemente dallo spessore del materiale), rotoli da uno spessore di 8 mm (proveniente da un laminatoio a caldo) fino a 0.2 mm; al fine di minimizzare il tempo di attesa, il laminatoio \u00e8 progettato con un elevata forza di laminazione, un\u2019elevata potenza, un\u2019elevata efficienza e una veloce movimentazione dei rotoli. Un laminatoio a freddo \u201cFinitore\u201d lamina, in consecutivi passaggi lunghi (dovuti al relativo spessore del materiale), rotoli (avvolti su delle anime di acciaio) da uno spessore massimo di 0.6 mm (provenienti da un laminatoio intermedio) fino ad uno spessore minimo di 2×5 micron (laminazione accoppiata); il laminatoio \u00e8 progettato per laminare in condizione di \u201cclosed gap\u201d.
La meccanica del processo di laminazione<\/strong>
L\u2019obiettivo della laminazione a freddo \u00e8 ridurre lo spessore del nastro, applicando una forza di laminazione sul nastro freddo mentre passa tra i due cilindri di lavoro. Al fine di modellare il comportamento del nastro, deve essere considerata la relazione di sforzo-deformazione del materiale.
Applicando uno sforzo triassiale e il criterio di resistenza a una condizione di deformazione piana (\u03b52 = 0) e (\u03c31 >> \u03c32), \u00e8 possibile trovare una relazione tra lo sforzo nella direzione dello spessore, la tensione applicata sul nastro ed il carico di snervamento uniassiale del materiale:
(\u03c33 \u2013 \u03c32)2 + (\u03c32 \u2013 \u03c31)2 + (\u03c31 \u2013 \u03c33)2 = 2Y2
La forza di laminazione pu\u00f2 anche essere determinata integrando la pressione di laminazione lungo l\u2019arco di contatto:<\/p>\n\n\n\n
L\u2019area dei grafici (Pressione di laminazione \u2013 Arco di contatto) \u00e8 proporzionale alla forza di laminazione. Modificando i parametri in ingresso \u00e8 possibile valutare il loro effetto sulla forza di laminazione osservando l\u2019effetto risultante sull\u2019area sotto il diagramma. Considerando l\u2019attrito e la riduzione del gap della \u201cpassata\u201d (Figura 2):<\/p>\n\n\n\n
Per laminare a spessori pi\u00f9 sottili, la bombatura dei cilindri di lavoro diventa un importante attuatore al fine di mantenere un gap tra le facce del cilindro di lavoro superiore e di quello inferiore al di fuori della larghezza del nastro laminato. Questa situazione \u00e8 definita laminazione in condizione di \u201copen gap\u201d. Comunque, al di sotto di un certo spessore (circa 0.080 mm), il sistema di bombatura dei cilindri di lavoro non \u00e8 pi\u00f9 in grado di compensare la differenza tra il diametro nominale D del cilindro di lavoro e il diametro D\u2019 della circonferenza osculatrice che approssima il diametro del cilindro di lavoro appiattito dal carico. Quando si arriva a questo punto, le facce dei cilindri di lavoro entrano in contatto. Questa situazione \u00e8 definita laminazione in condizioni di \u201cclosed gap\u201d. Non \u00e8 possibile, a questo punto, alcuna riduzione di spessore del materiale incrementando la forza di laminazione, in quanto in condizioni di closed gap la maggior parte della forza \u00e8 trasmessa (scaricata) direttamente attraverso i cilindri di lavoro e non attraverso il materiale che si vuole laminare (Figura 3).
Laminazione in condizioni di \u201cclosed gap\u201d
Il grafico in Figura 4 mostra l\u2019efficacia della forza di laminazione nel controllo dello spessore del nastro al decrescere dello spessore di uscita. Per la gamma di spessori al di sotto di 50micron, la forza di laminazione diventa inefficace al fine di controllare lo spessore poich\u00e9 i due cilindri di lavoro sono in contatto. In condizioni di closed gap, la tensione (Tiro e Controtiro) e la velocit\u00e0 del nastro sono usate al fine di controllare lo spessore; variando la velocit\u00e0 (effetto idrodinamico del fluido refrigerante) e la viscosit\u00e0 del lubrificante, la pressione di laminazione risultante pu\u00f2 controllare la forza di laminazione fino a 10 micron (laminazione accoppiata; limite minimo tecnologico).<\/p>\n\n\n\n
I parametri di processo misurati e controllati su un laminatoio a freddo sono:<\/p>\n\n\n\n
Dall\u2019analisi delle misurazioni effettuate durante il processo di laminazione sono controllati i seguenti attuatori (Figura 7):<\/p>\n\n\n\n
\nI due cilindri idraulici AGC (Automatic Gauge Control \u2013 Sistema di controllo automatico dello spessore) agiscono sul cilindro di spinta inferiore del laminatoio a freddo (Intermedio o Finitore) e sono controllati da servovalvole. I trasduttori di posizione sono installati per il controllo della posizione dei cilindri di lavoro e quindi del gap tra di essi. I \u201cbending blocks\u201d (cilindri di bombatura), controllati da servovalvole, sono installati nella gabbia di laminazione e agiscono sulle guarniture dei cilindri di lavoro. Le \u201cspray bars\u201d aventi ugelli generalmente disposti ogni 52 mm nella sezione centrale ed ogni 26 mm nelle sezioni laterali, sono controllate localmente in ogni sezione da valvole comandate elettricamente: tramite il raffreddamento selettivo si mantiene una distribuzione di temperatura uniforme lungo l\u2019intero cilindro. E\u2019 essenziale per la planarit\u00e0 del laminato che i cilindri di lavoro abbiano una distribuzione della temperatura uniforme.<\/li><\/ol>\n\n\n\n
Il TCS (Technological Control System) controlla gli attuatori del laminatoio basandosi sui dati misurati tramite i dispositivi di misurazione. Il sistema (Hardware e Software) \u00e8 composto da:<\/p>\n\n\n\n
Il sistema di controllo automatico dello spessore in retroazione (Figura 8) \u00e8 il tradizionale controllore dei cilindri idraulici AGC. I comandi imposti da questo sistema di controllo automatico sono adattati in base alla velocit\u00e0 di uscita del nastro in maniera tale da considerare il tempo di trasporto del nastro tra la zona di contatto con i cilindri e il misuratore di spessore a raggi X.
Vantaggi del sistema:<\/p>\n\n\n\n
\nSvantaggi del sistema:<\/li>
L\u2019aggiunta di un misuratore di spessore e di un misuratore di velocit\u00e0 laser in ingresso consentono di avere anche un controllo del nastro a monte del processo di laminazione (Figura 9). Il sistema di controllo automatico dello spessore predittivo mira a compensare ogni eventuale variazione di spessore del nastro in ingresso. Il tracciamento del nastro \u00e8 utilizzato per monitorare il nastro dal misuratore di spessore in ingresso fino alla zona di contatto con i cilindri di lavoro; \u00e8 applicato un anticipo di fase al fine di sincronizzare l\u2019azione delle capsule idrauliche poste sotto il cilindro di spinta inferiore (Attuatore AGC) che regolano il gap tra i cilindri con le variazioni di spessore misurate sul nastro in ingresso.<\/p>\n\n\n\n
\nin ingresso;<\/li>
\ndel nastro in ingresso;<\/li>
\nin ingresso.
\nSvantaggi del sistema:<\/li>
\nregolazione dello spessore AGC (che agisce sul gap tra i cilindri) con il controtiro: sebbene il sistema di controllo predittivo dello spessore possa modificare il gap con un elevato livello di precisione, l\u2019aspo a monte della gabbia (Devolgitore) non \u00e8 in grado di garantire un controtiro costante: quindi le correzioni del sistema di controllo predittivo sulle variazioni dello spessore del nastro in entrata sono ridotte;<\/li>
Con l\u2019aggiunta di un misuratore di velocit\u00e0 laser in uscita \u00e8 possibile utilizzare un sistema di controllo automatico dello spessore che funziona tramite l\u2019analisi del flusso di massa (Figura 10). Utilizzando la misura dello spessore del nastro in entrata, della velocit\u00e0 del nastro in entrata e della velocit\u00e0 del nastro in uscita, lo spessore del nastro in uscita dalla zona di lavoro di lavoro pu\u00f2 essere calcolato. Questo dato calcolato viene impiegato per regolare il gap tra i cilindri. C\u2019\u00e8 un ritardo di fase minimo nella misura dello spessore in uscita in quanto il sistema di controllo a flusso di massa calcola lo spessore del materiale nel punto in cui viene laminato dai cilindri. Ci\u00f2 fornisce un miglioramento significativo rispetto al tradizionale sistema di controllo automatico dello spessore in retroazione (feedback), garantendo cos\u00ec migliori \u201cguadagni\u201d per il sistema di controllo e quindi si avr\u00e0 uno spessore costante in uscita. I migliori \u201cguadagni\u201d resi possibili da questo sistema di controllo portano a prestazioni pi\u00f9 elevate nel controllo dello spessore del laminato. Il vantaggio pi\u00f9 evidente osservato con l\u2019utilizzo del sistema di controllo dello spessore a flusso di massa \u00e8 che questo sistema \u00e8 in grado di reagire molto velocemente durante i cambi di velocit\u00e0 del laminatoio, rendendo lo spessore di uscita quasi insensibile ai cambi di velocit\u00e0.<\/p>\n\n\n\n
\nfrequenza del laminatoio.<\/li><\/ol>\n\n\n\n
Il sistema di controllo dello spessore automatico REC (Figura 11 ) compensa ogni eccentricit\u00e0 dei cilindri di spinta, e quindi l\u2019effetto eccentrico non ha ripercussioni nello spessore del laminato. Il sistema \u00e8 in grado di analizzare le misure della forza di laminazione, dello spessore di uscita del materiale e della tensione in ingresso (Controtiro) per identificare ogni eccentricit\u00e0. Con l\u2019utilizzo di encoders o trasduttori di posizione, montati sui coperchi dei cilindri di spinta, il sistema \u00e8 in grado di sincronizzarsi accuratamente alla frequenza dei cilindri di spinta, compensando istantaneamente le espansioni e le contrazioni termiche dei cilindri. I \u201cguadagni\u201d del sistema sono adeguati alle frequenze di oscillazione dei cilindri di spinta in maniera tale da accordare il sistema di regolazione alla frequenza del disturbo causato dell\u2019eccentricit\u00e0 dei cilindri.
Vantaggi del sistema:<\/p>\n\n\n\n
Ciascun attuatore ha una differente risposta in frequenza:<\/p>\n\n\n\n
\nL\u2019effetto delle tensioni in entrata ed in uscita applicate sul nastro dagli aspi \u00e8 visibile sul carico di laminazione (Figura 12). In conseguenza alle diverse risposte in frequenza negli attuatori (cilindri idraulici AGC e controllo del controtiro tramite il comando dei motori principali) qualsiasi fluttuazione della tensione del nastro in entrata va a intaccare le prestazioni del sistema di controllo automatico dello spessore AGC. Aumentando la tensione in entrata la pressione di laminazione in entrata diminuir\u00e0 in virt\u00f9 del criterio di Tresca. Ci\u00f2 riduce l\u2019area sotto la curva d\u2019attrito e quindi il carico, il valore della riduzione in pressione \u00e8 uguale all\u2019incremento delle sollecitazioni applicate sul metallo. Un\u2019altra conseguenza importante dovuta all\u2019aumento della tensione in entrata \u00e8 che la sezione neutra si muove verso l\u2019uscita. Aumentando la tensione in uscita, la pressione di laminazione in uscita diminuir\u00e0 come abbiamo gi\u00e0 visto applicando il criterio di Tresca. Ci\u00f2 riduce l\u2019area sotto la curva d\u2019attrito e di conseguenza il carico, il valore della riduzione della pressione di laminazione corrisponde all\u2019aumento delle sollecitazioni applicate sul metallo. Un altro effetto importante legato all\u2019aumento della tensione in entrata \u00e8 che la sezione neutra si muove verso l\u2019entrata.
\nIl controtiro ha l\u2019effetto di staccare il nastro dal cilindro diminuendo la forza di laminazione Il tiro non ha invece alcun effetto positivo sulla lavorazione e, se troppo elevato, deforma, come visto, il materiale inficiandone la planarit\u00e0.
\nIl risultato del pi\u00f9 avanzato sistema di controllo automatico dello spessore AGC \u00e8 mostrato in Figura 13: La traccia blu mostra la deviazione dello spessore in entrata, mentre la traccia gialla sovrapposta mostra la deviazione dello spessore in uscita. Utilizzando nuove tecniche di controllo, i problemi legati alla risposta in frequenza e di fase sono destinati a migliorare ulteriormente andando ad aumentare le prestazioni del sistema di controllo automatico dello spessore AGC.
\nLe prestazioni attuali di un sistema di controllo AGC per prodotti di 0.2 mm sono 2 sigma \u00b11.0%, mentre le prestazioni migliorate di un sistema AGC raggiungono 3 sigma \u00b10.75%. <\/li><\/ul>\n\n\n\n
L\u2019introduzione di un accurato modello permette il miglioramento dei feedback controllers, incluso il mass-flow; ci\u00f2 consente di prevedere il risultato della correzione AGC. Quando questa previsione \u00e8 accurata i controllers hanno maggiore effetto ed offrono migliori performance rispetto ai controllers convenzionali precedentemente descritti.
Questo modello \u00e8 anche utile per il controllo feedforward permettendo ad un secondo attuatore (tensione in ingresso) di essere regolato in funzione delle dinamiche del controllo del tiro in ingresso. Ci\u00f2 permette al controller feedforward di lavorare su un pi\u00f9 ampio range eliminando il disturbo delle risposte in alta frequenza. Il miglioramento della gestione del tiro in ingresso consente al controller di eccentricit\u00e0 di lavorare a frequenze pi\u00f9 alte cos\u00ec da rendere attiva la compensazione dell\u2019eccentricit\u00e0 del cilindro di lavoro. Grazie alla intercorrelazione dei parametri di laminazione come il roll gap in relazione allo spessore in uscita del laminato e del tiro in ingresso (sempre in funzione dello spessore in uscita) il controllo di eccentricit\u00e0 pu\u00f2 essere ben modulato in un ampio range di frequenze. La compensazione della vibrazione \u00e8 regolata alla stessa maniera dei controlli di eccentricit\u00e0 ma anzich\u00e9 lavorare su disturbi periodici dei cilindri di lavoro, lavora su disturbi periodici ma generati dai processi di laminazione a monte (quali ad esempio la variazione di spessore del laminato in ingresso).
Il vantaggio di questo controller rispetto al controller feedforward standard \u00e8 che la compensazione \u00e8 integrata ad un punto tale che tutti i disturbi vengono eliminati nel laminato in uscita dalla gabbia. Il modello utilizza la funzione di trasferimento dei dati tra il roll-gap e lo spessore di uscita del laminato per regolare i guadagni del controller.
Il grafico in Figura 14 (ampiezza della misura della posizione HGC rispetto alla frequenza) mostra come l\u2019attuatore del gap diminuisce all\u2019aumentare della frequenza. Il grafico in Figura 15 (ampiezza del segnale presente nello spessore del laminato in uscita rispetto alla frequenza) mostra il caratteristico \u201cnotch\u201d (flesso) nella funzione di trasferimento dallo spazio tra i rulli allo spessore di uscita. Questo \u201cflesso\u201d \u00e8 causato dalla risposta dinamica dell\u2019avvolgitore di entrata: quando lo spazio tra i rulli viene spostato intorno a 3,7 Hz, si vedr\u00e0 molto poco di quel movimento riflesso nello spessore dell\u2019uscita. Questo fenomeno, comune a tutti i laminatoi a 3 \u00f7 5 Hz, \u00e8 in gran parte dovuto all\u2019incapacit\u00e0 del controllo di tensione di ingresso di mantenere una tensione costante quando lo spazio tra i rulli viene aperto e chiuso a queste frequenze. Quindi il controllore AGC non sar\u00e0 cos\u00ec efficace nel correggere fluttuazioni gli nello spessore dei laminati con frequenze attorno ai 4 Hz: per mantenere la stabilit\u00e0, il controller AGC non deve lavorare a queste frequenze. Questo effetto deve essere caratterizzato per impedire a qualsiasi controller AGC di andare in oscillazione alla frequenza del flesso.
Sistema AFC
Il sistema di controllo automatico della planarit\u00e0 AFC (Figura 16) include una serie di funzioni finalizzate al controllo della planarit\u00e0 del nastro utilizzando:<\/p>\n\n\n\n
Durante la laminazione lo scambio di calore (dovuto alla deformazione del materiale) dal nastro verso i cilindri di lavoro genera una bombatura (di natura termica) sui cilindri di lavoro e quindi un gap tra di essi non costante. In particolar modo questo fenomeno \u00e8 accentuato sulle estremit\u00e0 della \u201ctavola di laminazione\u201d, determinando un\u2019ondulazione del laminato e di conseguenza uno spessore pi\u00f9 sottile. Al fine di ridurre questo difetto di planarit\u00e0 sui bordi del laminato, viene impiegato il sistema \u201cHot Edge\u201d attraverso il quale viene regolato il raffreddamento della zona dei cilindri di lavoro in corrispondenza dei bordo del laminato. <\/p>\n\n\n\n
L\u2019approccio Industria 4.0 \u00e8 il trend attuale di automazione e di scambio di dati nelle tecnologie manifatturiere ed \u00e8 considerata la quarta rivoluzione industriale, basata sull\u2019utilizzo di macchine intelligenti connesse l\u2019una all\u2019altra e ad internet. L\u2019Industria 4.0 realizza connessioni tra sistemi fisici e digitali, operando analisi complesse attraverso \u201cBig Data\u201d e modifiche in \u201cReal Time\u201d.
Big Data (Manutenzione Predittiva)<\/strong>
Il monitoraggio in tempo reale delle condizioni di cuscinetti e riduttori si ottiene utilizzando accelerometri per misurare e registrare gli effetti delle vibrazioni. Analizzando i dati salvati, possono essere individuati in anticipo i guasti di cuscinetti e riduttori evitando cos\u00ec costosi tempi di arresto.<\/p>\n\n\n\n
E\u2019 possibile identificare specifici difetti relativi al crown e cercare di minimizzarli al fine di migliorare la qualit\u00e0 del materiale correlando verticalmente i difetti di planarit\u00e0 del laminato su un rotolo proveniente da un laminatoio a freddo con il profilo di planarit\u00e0 del laminato (crown) misurato sullo stesso rotolo proveniente da un laminatoio a caldo. Quindi \u00e8 possibile identificare l\u2019origine del difetto e cercare soluzioni specifiche correlando \u201cverticalmente\u201d i difetti di superficie di un nastro su un rotolo proveniente da un laminatoio a freddo con i difetti di superficie dello stesso laminato in uscita da un laminatoio a caldo.<\/p>\n\n\n\n
Simulando il trasferimento di calore nel processo di laminazione \u00e8 possibile ottimizzare il raffreddamento programmando il processo al fine di ridurre gli sprechi e i consumi energetici connessi al sistema di raffreddamento e aumentando la qualit\u00e0 del laminato.
Tramite l\u2019utilizzo di avanzate macchine ad interfaccia 3D \u00e8 possibile controllare in remoto la posizione e lo stato di ogni rotolo e di ogni attrezzatura con un tablet o un Pc connessi a internet (Figura 17). <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"