Rulli di laminazione: tipi, materiali e guida alla selezione

Rulli di laminazione sono i componenti principali di qualsiasi laminatoio e modellano direttamente il metallo applicando una forza di compressione mentre il materiale passa tra di loro. La scelta del materiale, della durezza e del profilo corretti del rullo è una delle decisioni più critiche che influiscono sulla qualità del prodotto, sull'efficienza della cartiera e sui costi operativi. Che si tratti di lastre di acciaio, fogli di alluminio o barre di rame, le prestazioni dei rulli determinano tutto, dalla finitura superficiale alla precisione dimensionale.

Cosa sono i rotoli del laminatoio?

I rulli del laminatoio sono strumenti cilindrici montati in coppia o in set all'interno di una gabbia di laminazione. Quando i pezzi metallici passano tra i rulli rotanti, lo spazio tra loro, chiamato passaggio del rullo, riduce lo spessore del materiale o ne modella la sezione trasversale. I rulli devono resistere contemporaneamente a enormi sollecitazioni di compressione, cicli termici e usura abrasiva.

Un rotolo standard è composto da tre sezioni principali: il botte (la superficie di lavoro a contatto con il metallo), il collo (la zona di contatto del cuscinetto) e il wobblers o estremità della trasmissione (dove viene trasmessa la coppia). Le dimensioni dei rulli variano enormemente: dai piccoli cilindri a grappolo con diametro inferiore a 50 mm ai grandi rulli di scomposizione superiori a 1.500 mm di diametro utilizzati nei laminatoi a caldo.

Principali tipologie di rulli di laminazione

I rulli sono classificati in base alla loro posizione nel mulino, alla loro funzione e al prodotto che lavorano. Comprendere queste categorie aiuta a specificare il rotolo corretto per ciascuna applicazione.

Per posizione del mulino

• Rulli di lavoro: Contatta direttamente il metallo. Richiedono un'elevata durezza superficiale, in genere 65–85 Shore C (HSC), e una finitura superficiale liscia.
• Rulli di backup: Supportare i rulli di lavoro e prevenirne la flessione sotto il carico rotante. Di diametro maggiore, dà priorità alla tenacità rispetto alla durezza.
• Rotoli intermedi: Utilizzato in impianti a grappolo da 6 o 20 tra i rulli di lavoro e quelli di riserva per trasmettere la forza e controllare la planarità della striscia.

Attraverso il processo di laminazione

• Laminazione a caldo: Operare a temperature della striscia di 900–1.200°C. Deve resistere agli shock termici e alle incrostazioni ossidative.
• Rotoli di laminazione a freddo: Richiedono superfici del cilindro ultra lisce (Ra ≤ 0,1 µm per mulini skin-pass) e una durezza costante per mantenere la precisione del calibro.
• Rulli per profilati e profilati: Presentano profili a botte scanalati per modellare barre, vergelle, rotaie o sezioni strutturali.

Materialei dei rotoli e loro caratteristiche prestazionali

La scelta del materiale per i rulli del laminatoio influenza direttamente la durata dell'usura, la qualità della superficie fornita al prodotto e la resistenza alla fatica termica e meccanica. I materiali dei rotoli più comuni sono riepilogati di seguito.

I rulli in acciaio ad alta velocità sono diventati la scelta dominante per le cabine di finitura dei laminatoi a caldo perché possono produrre fino a 3-5 volte più tonnellaggio per campagna rispetto ai tradizionali rulli ICCI, riducendo significativamente la frequenza di cambio dei rulli e i tempi di fermo della cartiera.

Fattori chiave che causano l'usura e il guasto del rullo

Il degrado del rullo è inevitabile, ma è possibile gestire la velocità e la modalità di usura. I principali meccanismi di usura nei cilindri di laminazione includono:

• Usura abrasiva: Causato da particelle dure incastonate nel materiale laminato. Comune nella laminazione a caldo, dove le scaglie di laminazione possono raggiungere una durezza di 1.200 HV.
• Fatica termica (fire cracking): Il riscaldamento e il raffreddamento ripetuti della superficie del rullo creano sottili crepe sulla superficie, che alla fine portano alla scheggiatura. Una delle cause principali è un flusso inadeguato dell'acqua di raffreddamento.
• Fatica meccanica: L'elevata sollecitazione da contatto ciclico, soprattutto nei rulli di supporto, provoca la propagazione delle cricche nel sottosuolo. Le sollecitazioni di contatto nei grandi rulli di supporto dello laminatoio a caldo possono superare gli 800 MPa a pieno carico rotabile.
• Usura adesiva (pick-up): Il materiale del materiale laminato aderisce alla superficie del rullo, degradandone la qualità. Particolarmente problematico nella laminazione a freddo dell'alluminio.
• Spaccatura: Perdita improvvisa di frammenti superficiali di grandi dimensioni, spesso il risultato di difetti del sottosuolo, molatura impropria o funzionamento del rullo oltre il limite di usura sicuro.

I dati del settore lo indicano i guasti legati ai cilindri rappresentano il 15-25% dei tempi di fermo non pianificati nei laminatoi a caldo , rendendo il monitoraggio delle condizioni dei rulli e la loro gestione disciplinata essenziali per la produttività della cartiera.

Rettifica a rulli: mantenimento della qualità e del profilo della superficie

Tra una campagna di laminazione e l'altra, i rulli usurati vengono riaffilati in un'officina di rettifica per ripristinare la qualità della superficie e correggere il profilo del cilindro. Questa è una delle operazioni di manutenzione più importanti in qualsiasi laminatoio.

Tolleranza di macinazione e durata del rotolo

Ogni rotolo ha un diametro minimo di sicurezza definito. Per un tipico cilindro di lavoro di un laminatoio a caldo con un diametro iniziale di 750 mm, il margine di macinazione utilizzabile potrebbe essere di 75–100 mm, consentendo 30–50 cicli di macinazione prima che il cilindro venga scartato. Riducendo al minimo la rimozione del materiale per molatura, rimuovendo completamente tutti i danni superficiali, si estende direttamente la durata totale del rullo e si riduce il costo per tonnellata laminata.

Controllo della corona e del profilo

Il profilo del cilindro del rullo (corona) è deliberatamente rettificato nei rulli di lavoro e di supporto per compensare la deflessione elastica e l'espansione termica durante la laminazione. Un tipico cilindro di lavoro per un laminatoio a caldo può essere rettificato con una corona positiva di 0,1–0,3 mm per garantire una planarità uniforme del nastro su tutta la larghezza. Una non corretta molatura della corona è una delle principali cause di difetti di planarità del nastro e di ondulazione dei bordi.

Come selezionare il rotolo giusto per la tua applicazione

La scelta del rotolo dovrebbe basarsi su una valutazione strutturata di diverse variabili operative. I seguenti criteri sono i più decisivi:

1. Temperatura di laminazione: La laminazione a caldo sopra i 700°C richiede materiali con elevata resistenza agli shock termici (ad esempio ICCI, HSS). La laminazione a freddo richiede la massima durezza e capacità di finitura superficiale.
2. Materiale in laminazione: L'acciaio inossidabile duro richiede rulli più resistenti dell'alluminio morbido. I materiali abrasivi con scaglie superficiali richiedono gradi più resistenti all'usura.
3. Carico rotabile e tipo di mulino: I mulini tandem ad alto carico necessitano di rulli con elevata resistenza alla fatica. I mulini a grappolo utilizzano rulli di piccolo diametro che devono avere un'estrema durezza per resistere alla deflessione.
4. Finitura superficiale richiesta sul prodotto: Gli stabilimenti skin-pass e tempra richiedono cilindri con valori Ra inferiori a 0,1 µm per prodotti con finitura lucida. I rulli testurizzati (EDT o granigliati) vengono utilizzati per lamiere automobilistiche che richiedono ruvidità specifica per l'adesione della vernice.
5. Durata della campagna e frequenza di modifica del tiro: Laddove sono necessarie lunghe campagne per la produttività, si preferiscono i rulli HSS o ad alto contenuto di cromo nonostante il costo iniziale più elevato perché il loro costo totale per tonnellata è inferiore.

Un utile punto di riferimento: negli impianti per nastri a caldo, il passaggio dai cilindri di lavoro ICCI a quelli HSS riduce generalmente il consumo di cilindri del 40–60% e migliora la qualità della superficie del nastro finito, rendendo l'investimento altamente conveniente in operazioni ad alto volume.

Migliori pratiche per la gestione dei ruoli

Anche i migliori roll avranno prestazioni inferiori senza un sistema disciplinato di gestione dei roll. Le pratiche chiave seguite dalle principali cartiere includono:

• Tracciamento elettronico della cronologia dei rulli: registrazione di ogni campagna, rettifica e risultato di ispezione per identificare i modelli di usura e ottimizzare i cicli di rettifica.
• Utilizzo di test a ultrasuoni (UT) e ispezione con correnti parassite per rilevare crepe nel sottosuolo prima che si verifichino scheggiature.
• Mantenere rigorosi livelli e qualità del flusso dell'acqua di raffreddamento: l'acqua di raffreddamento contaminata o insufficiente è uno dei principali fattori di rottura per fatica termica nella laminazione a caldo.
• L'impostazione dei limiti massimi di usura consentiti per campagna e la loro applicazione: l'esecuzione di un rullo di lavoro oltre il limite di usura sicuro aumenta esponenzialmente il rischio di scheggiatura.
• Accoppiamento corretto dei rulli: i rulli di lavoro di diametro e durezza corrispondenti devono essere accoppiati per evitare una distribuzione non uniforme del carico e un'usura unilaterale.

Gli stabilimenti che implementano programmi strutturati di gestione dei rulli in genere segnalano Riduzione del 10–20% nel costo del consumo di rotoli e miglioramenti misurabili nella qualità della superficie del prodotto senza investimenti di capitale in nuove attrezzature.

Conclusione

I rulli di laminazione sono strumenti di precisione, non semplici materiali di consumo. La giusta combinazione di materiale del rotolo, profilo di durezza, pratica di macinazione e gestione operativa determina sia la qualità del prodotto che il costo di laminazione più di quasi qualsiasi altra variabile nel funzionamento dello stabilimento. Gli acciai HSS e ad alto contenuto di cromo dominano le moderne applicazioni esigenti grazie alla loro superiore resistenza all'usura, mentre l'acciaio forgiato rimane insostituibile dove la tenacità è fondamentale. Investire in specifiche adeguate dei rulli, nella rettifica disciplinata e nel tracciamento sistematico dei rulli consente di ottenere rendimenti rapidamente, in genere entro pochi mesi nelle operazioni ad alto volume.