ITMI20101798A1 - Cesoia di taglio di prodotti laminati e relativo processo di produzione - Google Patents

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“CESOIA DI TAGLIO DI PRODOTTI LAMINATI E RELATIVO PROCESSO DI PRODUZIONEâ€

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad una cesoia per tagliare prodotti laminati lunghi, in particolare idonea per eseguire il taglio direttamente all'uscita della zona di trattamento di bonifica, nella terminologia inglese nota come zona di “quenching and tempering†(Q&T).

Stato della tecnica

Attualmente, al fine di tagliare prodotti laminati lunghi in un range di temperature intermedio, cioà ̈ classificabile al di sopra della temperatura di taglio a freddo (pertanto al di sopra di 150°C) e contemporaneamente al di sotto della temperatura di taglio a caldo (e cioà ̈ al di sotto degli 800°C), in particolare con la superficie del prodotto laminato tendente al limite inferiore dell'intervallo di temperatura e la sua parte interna tendente al limite superiore, vengono utilizzate varie tipologie di acciai per utensili per la realizzazione dei coltelli delle cesoie, i quali però non sono sufficientemente prestanti e pertanto costituiscono l’anello debole dal punto di vista prestazionale della catena composta dalle varie cesoie presenti in un impianto di laminazione. Tale anello debole obbliga l'impianto di laminazione ad effettuare frequenti fermate necessarie al solo cambio coltelli delle cesoie in questione, i quali comportano consistenti extra-costi di manutenzione e mancata produzione in tutti quei casi in cui avvengono al di fuori delle fermate programmate.

E’ importante considerare, inoltre, che nel range di temperatura 150-800°C la variazione della temperatura stessa provoca una notevole variazione del Carico Unitario Massimo (MPa) del materiale tagliato e di conseguenza del rateo di usura del coltello stesso in funzione della sua durezza, ed anche una notevole variazione dell’energia trasmessa attraverso esso al fine di effettuare il taglio.

Attualmente, negli impianti di laminazione, le cesoie per il taglio a temperature intermedie a valle della macchina di bonifica o QTB (Quenching & Tempering Box), atta all’esecuzione della bonifica del materiale laminato e posta a monte della placca di raffreddamento, prevedono:

- l'utilizzo di coltelli realizzati in acciai da utensili per lavorazioni a freddo, i quali mediante un trattamento termico con rinvenimento nei dintorni del picco secondario di durezza (con riferimento ai diagrammi di rinvenimento dell’acciaio) permettono di ricavare dal materiale la sua massima tenacità a scapito di una relativamente ridotta perdita di durezza e conseguentemente perdita di resistenza ad usura. Questi coltelli, a prescindere del rinvenimento intorno al picco secondario, presentano un’elevata resistenza ad usura ma non sono in grado di sostenere shock termici e, con l’impiego nei range di temperature più basse, la loro tenacità diventa spesso insufficiente per eseguire il taglio, in particolare degli spessori più consistenti. Tali effetti comportano il verificarsi di profonde cricche superficiali che pregiudicano l’ulteriore impiego del coltello e ne causano la rottura; - o l'utilizzo di coltelli realizzati in acciai da utensili per lavorazioni a caldo, i quali dopo aver subito il trattamento termico standard previsto per tale categoria presentano elevate tenacità, sufficienti anche all’esecuzione della cesoiatura a freddo di spessori consistenti, e buona resistenza agli shock termici, ma per contro possiedono una resistenza ad usura inferiore agli acciai precedentemente citati e sono troppo morbidi e, pertanto, soggetti ad impronte da parte della barra cesoiata.

Le differenze tra le due tipologie di coltelli sopra citate vengono date dalle diverse concentrazioni di carbonio e cromo che, nel caso degli acciai da utensili per taglio a freddo, sono maggiori e pertanto permettono di ottenere, dopo il trattamento termico nei dintorni del picco secondario di durezza, durezze e resistenze ad usura superiori. In secondo luogo le maggiori concentrazioni di molibdeno, abbinate alla riduzione della concentrazione del carbonio, permettono ai coltelli realizzati in acciai da utensili per lavorazioni a caldo di ottenere maggiore tenacità e migliorare la resistenza a caldo.

In conclusione si denota che, dal punto di vista operativo, l’impiego di acciai da utensili per il taglio a freddo, anche se essi presentano buona resistenza ad usura, obbliga la sostituzione prematura del coltello per via delle cricche che si formano sul tagliente del coltello stesso; mentre l’impiego di acciai da utensili per il taglio a caldo, anche se essi sono caratterizzati da soddisfacente tenacità e resistenza agli shock termici, comporta delle impronte sulle superfici dì taglio del coltello e una rapida perdita del filo del tagliente dovuta alla bassa durezza, e pertanto una rapida usura. Inoltre, l’impiego di coltelli in acciai da utensili per il taglio a freddo non permette di raffreddare il coltello stesso ove tale raffreddamento sia previsto. E’ quindi sentita l’esigenza di realizzare una cesoia che consenta di superare i suddetti inconvenienti.

Sommario dell’invenzione

Scopo primario della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una cesoia provvista di almeno un coltello avente caratteristiche di tenacità e resistenza agli shock termici tipici della famiglia degli acciai da utensili per il taglio a caldo e allo stesso tempo avente caratteristiche di durezza superficiale e resistenza ad usura sufficientemente elevate e tipiche degli acciai da utensili per il taglio a freddo.

Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare una cesoia che, in una linea di laminazione per prodotti lunghi, à ̈ capace di effettuare con maggiore efficienza e per un tempo più lungo, rispetto alle cesoie note, il taglio dei profilati o barre a valle del loro trattamento termico di bonifica (Quenching & Tempering), con una temperatura dei profilati o barre compresa tra 150 e 800°C.

Un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di prevedere un relativo processo di produzione di un coltello di cesoia che permette di raggiungere i suddetti risultati. La presente invenzione, pertanto, si propone di raggiungere gli scopi sopra discussi realizzando una cesoia per impianto di laminazione che, conformemente alla rivendicazione 1, comprende almeno un coltello realizzato in acciaio la cui composizione chimica, in percentuale di massa, consiste di carbonio 0,45÷0,55%, silicio 0,10÷0,30%, manganese 0,20÷0,50%, cromo 4,00÷5,50%, molibdeno 2,00÷3,00%, vanadio 0,45÷0,65%, il resto essendo ferro ed inevitabili impurezze, e la cui microstruttura à ̈ composta da martensite rinvenuta.

Un secondo aspetto della presente invenzione prevede un processo di produzione di un coltello di cesoia che, conformemente alla rivendicazione 4, comprende i seguenti stadi:

- prevedere un primo lingotto di acciaio la cui composizione chimica, in percentuale di massa, consiste di carbonio 0,45÷0,55%, silicio 0,10÷0,30%, manganese 0,20÷0,50%, cromo 4,00÷5,50%, molibdeno 2,00÷3,00%, vanadio 0,45÷0,65%, il resto essendo ferro ed inevitabili impurezze;

- prevedere una rifusione di detto primo lingotto sotto elettroscoria ed ottenere un secondo lingotto nuovamente solidificato;

- prevedere una laminazione di detto secondo lingotto fino ad ottenere un grezzo per coltello avente una predeterminata forma;

- prevedere un ciclo di tempra consistente nel riscaldare il coltello fino alla temperatura di austenitizzazione dell’acciaio, compresa tra 1035 e 1055°C, mediante due soste di preriscaldo a temperature intermedie rispettivamente pari a 590÷610 °C e 840÷860 °C, e poi raffreddare il coltello in vuoto fino a temperatura ambiente;

- prevedere tre cicli di rinvenimento a temperature comprese tra 510°C e 550°C. La cesoia ed il processo dell’invenzione permettono di ottenere i seguenti vantaggi:

- aumento della durata dei coltelli o lame di circa 5 volte su barre di diametro piccolo (circa 16 mm) e di circa 2,5 volte su barre di diametro grosso (da circa 25 mm a 32 mm);

- riduzione del numero delle fermate dell’Impianto di laminazione dedicate al cambio coltelli e, quindi, riduzione dei relativi costi per mancata produzione, sostituzione coltelli, ecc.

Dopo una lunga ed accurata ricerca il materiale utilizzato per la realizzazione dei coltelli della cesoia della presente invenzione ha una concentrazione di carbonio simile a quella degli acciai da utensili per il taglio a freddo (circa 0,5%), attualmente impiegati nelle cesoie per laminatoio, abbinata alle seguenti quantità e caratteristiche degli elementi in lega tipici degli acciai da utensili per il taglio a caldo:

- una ridotta quantità di manganese (Mn inferiore a 0,5%) rispetto ad acciai per il taglio a freddo, in modo da incrementare la durezza dopo tempra a scapito di una riduzione dell’elasticità del materiale;

- ridotta quantità di silicio (Si inferiore a 0,3%) rispetto ad acciai per il taglio a freddo, in modo da ridurre il decremento di resistenza ad usura e resilienza;

- quantità di cromo (Cr circa 5%) pari a quelle attualmente impiegate negli acciai per l’applicazione nei coltelli da cesoia in modo da mantenere una adeguata tenacità;

- aumentata quantità di molibdeno (Mo superiore o uguale al 2,0%) rispetto ad acciai per il taglio a freddo, al fine di agevolare la formazione di carburi di molibdeno incrementando la resistenza ad usura, le proprietà meccaniche e la resistenza a caldo;

- una presenza di vanadio (V circa 0,55%) che vantaggiosamente favorisce la formazione di carburi di vanadio molto fini ed estremamente duri (circa 2000Hv) che migliora ulteriormente la resistenza ad usura ed affina la microstruttura, permettendo quindi di mantenere più a lungo affilato il tagliente.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di una cesoia, illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta un’immagine della microstruttura superficiale di un coltello di cesoia secondo la presente invenzione;

la Fig. 2 rappresenta un’immagine della microstruttura in corrispondenza della zona più interna dello spessore di un coltello di cesoia secondo la presente invenzione.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione Una forma di realizzazione preferita di una cesoia, oggetto della presente invenzione, comprende almeno un coltello realizzato in un acciaio avente la seguente composizione chimica in percentuale di massa:

c% Si% Mn% Cr% Mo% V%

0,45 - 0,55 0,10 - 0,30 0,20 - 0,50 4,00 - 5,50 2,00 - 3,00 0,45 - 0,65

il resto essendo ferro ed inevitabili impurezze.

Il processo di produzione di un coltello o lama di detta cesoia, realizzato con il suddetto acciaio, comprende vantaggiosamente i seguenti stadi:

- fusione di una carica metallica avente la suddetta composizione e colata del materiale fuso in una lingottiera con successiva solidificazione del materiale fuso in un primo lingotto;

- rifusione di detto primo lingotto sotto elettroscoria, tecnica nota come Electro-Slug-Remelting (ESR), mediante una lingottiera mobile, al fine di eliminare le scorie e incrementare ulteriormente l’uniformità della microstruttura di un secondo lingotto nuovamente solidificato;

- laminazione di detto secondo lingotto fino ad ottenere un grezzo da cui realizzare il coltello avente una predeterminata forma, con uno spessore inferiore o uguale a circa 60 mm;

- un ciclo di tempra consistente nel far raggiungere al coltello la temperatura di austenitizzazione dell’acciaio, circa 1035÷1055°C, mediante due soste di preriscaldo a temperature intermedie rispettivamente pari a 590÷610°C e 840÷860°C, e nel successivo raffreddamento in vuoto fino a temperatura ambiente con una velocità di raffreddamento compresa tra 10 e 12°C/s;

- tre cicli di rinvenimento a temperature comprese tra 510°C e 550°C, i quali permettono di ottenere una microstruttura composta completamente da martensite rinvenuta ed avente una durezza di 56÷58 HRC.

Le Figure 1 e 2 illustrano un’immagine della microstruttura del coltello della cesoia, rispettivamente in superficie ed in corrispondenza delia zona più interna o cuore del coltello. Si può notare come le due immagini siano estremamente simili: questo significa che si à ̈ verificata una penetrazione totale della tempra, sia in superficie che in profondità. Lo spessore dei coltelli della cesoia della presente invenzione à ̈ inferiore o uguale a circa 60 mm.

L’acciaio selezionato ha caratteristiche di tenacità superiori rispetto a quanto ad oggi adoperato nel campo dei coltelli per cesoia da utilizzare in impianti di laminazione, in corrispondenza dell’uscita dalla macchina di bonifica dei prodotti laminati quando questi ultimi hanno temperature comprese tra 150 e 800°C.

Risultati sperimentali

La cesoia secondo l’invenzione à ̈ stata disposta ed azionata in corrispondenza deH’uscita dei prodotti laminati dalla macchina di bonifica, prevista nell’impianto di laminazione, quando detti prodotti hanno temperature comprese tra 150 e 800°C.

La cesoia à ̈ vantaggiosamente disposta a valle di detta machina di bonifica ed a monte della placca o letto di raffreddamento. In una particolare variante la cesoia à ̈ disposta immediatamente a valle della macchina di bonifica senza ulteriori dispositivi intermedi tra detta macchina di bonifica e detta cesoia.

La cesoia dell’invenzione ha fornito risultati estremamente sorprendenti e ben oltre a quanto si stimava in fase di ricerca e sviluppo.

ESEMPIO 1

E’ stato selezionato per la realizzazione dei coltelli della cesoia un primo acciaio avente la seguente composizione chimica preferita, in percentuale di massa,

c% Si% Mn% Cr% Mo% V%

0,46 0,26 0,25 4,50 3,00 0,57

il resto essendo ferro ed inevitabili impurezze. Il suddetto acciaio à ̈ stato sottoposto ad un processo comprendente i seguenti stadi:

- fusione di una carica metallica avente la suddetta composizione e colata del materiale fuso in una lingottiera con successiva solidificazione del materiale fuso in un primo lingotto;

- rifusione di detto primo lingotto sotto elettroscoria, mediante una lingottiera mobile, al fine di eliminare le scorie e incrementare ulteriormente l'uniformità della microstruttura di un secondo lingotto nuovamente solidificato;

- laminazione di detto secondo lingotto fino ad ottenere un grezzo per coltello avente uno spessore massimo uguale a circa 60 mm;

- un ciclo di tempra consistente nel far raggiungere al coltello la temperatura di austenitizzazione dell’acciaio pari a 1050°C, mediante due soste di preriscaldo a temperature intermedie rispettivamente pari a 600°C e 850°C, e nel successivo raffreddamento in vuoto fino a temperatura ambiente con una pressione di N2pari a 3,5 bar in modo da avere una velocità di raffreddamento media compresa tra 10 e 12°C/s;

- tre successivi cicli di rinvenimento rispettivamente a temperature pari a 550°C, 550°C e 530°C, i quali permettono di ottenere una microstruttura composta completamente da martensite rinvenuta ed avente una durezza di 57,1 HRC.

Con una cesoia provvista di coltelli realizzati con questo specifico acciaio sono stati eseguiti tagli di barre tonde laminate, in corrispondenza della loro uscita dalla macchina di bonifica prevista neirimpianto di laminazione, dette barre essendo ad una temperatura di circa 620°C.

I risultati relativi al numero di tagli eseguiti prima che si sia resa necessaria la sostituzione dei coltelli sono riportati nella sottostante tabella in funzione del diametro significativo di barre laminate (in millimetri) e paragonato con il numero di tagli eseguiti con un coltello in acciaio X50CrVMo5-1, appartenente alla famiglia degli acciai per utensili per il taglio a freddo e tipicamente usato nelle cesoie per laminatoio.

DIAMETRO DELLE BARRE

16 mm

TAGLIATE

coltello realizzato in

X50CrVMo5-1 62000

(materiale tipico)

NR TAGLI

coltello della cesoia

301400

dell’invenzione

MIGLIORAMENTO 486%

ESEMPIO 2

E’ stato selezionato per la realizzazione dei coltelli della cesoia un secondo acciaio avente la seguente composizione chimica preferita, in percentuale di massa,

C% Si% Mn% Cr% Mo% V%

0,48 0,24 0,25 4,30 2,90 0,59

il resto essendo ferro ed inevitabili impurezze. Il suddetto acciaio à ̈ stato sottoposto ad un processo comprendente i seguenti stadi:

- fusione di una carica metallica avente la suddetta composizione e colata del materiale fuso in una lingottiera con successiva solidificazione del materiale fuso in un primo lingotto;

- rifusione di detto primo lingotto sotto elettroscoria, mediante una lingottiera mobile, al fine di eliminare le scorie e incrementare ulteriormente l’uniformità della microstruttura di un secondo lingotto nuovamente solidificato;

- laminazione di detto secondo lingotto fino ad ottenere un grezzo per coltello avente uno spessore massimo uguale a circa 60 mm;

- un ciclo di tempra consistente nel far raggiungere al coltello la temperatura di austenitizzazione dell’acciaio pari a 1035°C, mediante due soste di preriscaldo a temperature intermedie rispettivamente pari a 610°C e 860°C, e nel successivo raffreddamento in vuoto fino a temperatura ambiente con una pressione di N2pari a 3,5 bar in modo da avere una velocità di raffreddamento media compresa tra 10 e 12°C/s;

- tre successivi cicli di rinvenimento rispettivamente a temperature pari a 540°C, 540°C e 510°C, i quali permettono di ottenere una microstruttura composta completamente da martensite rinvenuta ed avente una durezza di 56,6 HRC.

Con una cesoia provvista di coltelli realizzati con questo specifico acciaio sono stati eseguiti tagli di barre tonde laminate, in corrispondenza della loro uscita dalla macchina di bonifica prevista nell’impianto di laminazione, dette barre essendo ad una temperatura di circa 600-650°C.

I risultati relativi al numero di tagli eseguiti prima che si sia resa necessaria la sostituzione dei coltelli sono riportati nella sottostante tabella in funzione del diametro significativo di barre laminate (in millimetri) e paragonato con il numero di tagli eseguiti con un coltello in acciaio X50CrVMo5-1 , appartenente alla famiglia degli acciai per utensili per il taglio a freddo e tipicamente usato nelle cesoie per laminatoio.

DIAMETRO DELLE BARRE

25 mm

TAGLIATE

coltello realizzato in

X50CrVMo5-1 2400

(materiale tipico)

NR TAGLI

coltello della cesoia

6900

dell’invenzione

MIGLIORAMENTO 287%

ESEMPIO 3

E’ stato selezionato per la realizzazione dei coltelli della cesoia un terzo acciaio avente la seguente composizione chimica preferita, in percentuale di massa,

C% Si% Mn% Cr% Mo% V%

0,48 0,22 0,24 4,35 2,85 0,58 il resto essendo ferro ed inevitabili impurezze. Il suddetto acciaio à ̈ stato sottoposto ad un processo comprendente i seguenti stadi:

- fusione di una carica metallica avente la suddetta composizione e colata del materiale fuso in una lingottiera con successiva solidificazione del materiale fuso in un primo lingotto;

- rifusione di detto primo lingotto sotto elettroscoria, mediante una lingottiera mobile, al fine di eliminare le scorie e incrementare ulteriormente l’uniformità della microstruttura di un secondo lingotto nuovamente solidificato;

- laminazione di detto secondo lingotto fino ad ottenere un grezzo per coltello avente uno spessore massimo uguale a circa 60 mm;

- un ciclo di tempra consistente nel far raggiungere al coltello la temperatura di austenitizzazione dell’acciaio pari a 1040°C, mediante due soste di preriscaldo a temperature intermedie rispettivamente pari a 610°C e 860°C, e nel successivo raffreddamento in vuoto fino a temperatura ambiente con una pressione di N2pari a 3,5 bar in modo da avere una velocità di raffreddamento media compresa tra 10 e 12°C/s;

- tre successivi cicli di rinvenimento rispettivamente a temperature pari a 540°C, 540°C e 510°C, i quali permettono di ottenere una microstruttura composta completamente da martensite rinvenuta ed avente una durezza di 56,3 HRC.

Con una cesoia provvista di coltelli realizzati con questo specifico acciaio sono stati eseguiti tagli di barre tonde laminate, in corrispondenza della loro uscita dalla macchina di bonifica prevista nell’impianto di laminazione, dette barre essendo ad una temperatura di circa 600-650°C.

I risultati relativi al numero di tagli eseguiti prima che si sia resa necessaria la sostituzione dei coltelli sono riportati nella sottostante tabella in funzione del diametro significativo di barre laminate (in millimetri) e paragonato con il numero di tagli eseguiti con un coltello in acciaio X50CrVMo5-1, appartenente alla famiglia degli acciai per utensili per il taglio a freddo e tipicamente usato nelle cesoie per laminatoio.

DIAMETROO DELLE BARRE

32 mm

TAGLIATE

coltello realizzato in

X50CrVMo5-1 1400

(materiale tipico)

NR TAGLI

coltello della cesoia

4050

dell’invenzione

MIGLIORAMENTO 289%

Sulla base dei suddetti esempi, eseguendo un’analisi quantitativa che prende in considerazione la riduzione dei costi riferiti al cambio coltelli e la differenza di prezzo dei coltelli stessi rispetto alle soluzioni attualmente impiegate, si denota che per i diametri da 32 e 25 mm si ottiene un risparmio del 50-55% mentre per il diametro di 16 mm tale risparmio à ̈ quantificabile nell’ordine del 60-65%. Tale valutazione non prende in considerazione la mancata produzione dovuta al cambio coltelli al di fuori delle fermate programmate, la quale si può quantificare anche in diverse centinaia di migliaia di euro.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Cesoia per impianto di laminazione avente almeno un coltello realizzato in acciaio la cui composizione chimica, in percentuale di massa, consiste di carbonio 0,45÷0,55%, silicio 0,10÷0,30%, manganese 0,20÷0,50%, cromo 4,00÷5,50%, molibdeno 2,00÷3,00%, vanadio 0,45÷0,65%, il resto essendo ferro ed inevitabili impurezze, e la cui microstruttura à ̈ composta da martensite rinvenuta.
2. 2. Uso di una cesoia secondo la rivendicazione 1 in un impianto di laminazione, in cui detta cesoia à ̈ disposta a valle di una macchina di bonifica ed a monte di una placca di raffreddamento.
3. 3. Uso di una cesoia secondo la rivendicazione 2, in cui la cesoia à ̈ disposta a valle della macchina di bonifica senza ulteriori dispositivi intermedi tra detta macchina di bonifica e detta cesoia.
4. 4. Processo di produzione di un coltello di una cesoia secondo la rivendicazione 1 comprendente i seguenti stadi: - prevedere un primo lingotto di acciaio la cui composizione chimica, in percentuale di massa, consiste di carbonio 0,45÷0,55%, silicio 0,10÷0,30%, manganese 0,20÷0,50%, cromo 4,00÷5,50%, molibdeno 2,00÷3,00%, vanadio 0,45÷0,65%, il resto essendo ferro ed inevitabili impurezze; - prevedere una rifusione di detto primo lingotto sotto elettroscoria ed ottenere un secondo lingotto nuovamente solidificato; - prevedere una laminazione di detto secondo lingotto fino ad ottenere un grezzo per coltello avente una predeterminata forma; - prevedere un ciclo di tempra consistente nel riscaldare il coltello fino alla temperatura di austenitizzazione dell’acciaio, compresa tra 1035 e 1055°C, mediante due soste di preriscaldo a temperature intermedie rispettivamente pari a 590÷610 °C e 840÷860 °C, e poi raffreddare il coltello in vuoto fino a temperatura ambiente; - prevedere tre cicli di rinvenimento a temperature comprese tra 510°C e 550°C.