Il cilindro monolucido è il cuore di ogni macchina tissue. Quando segni di vibrazione e variazioni di superficie diventano un mistero irrisolvibile, dopo aver verificato tutti gli aspetti abituali, i problemi di rettifica e macchinabilità possono benissimo derivare dalle caratteristiche metallurgiche di base del mantello di ghisa dell’essiccatore.
John Holton
I danni da vibrazione sui cilindri monolucidi in ghisa delle macchine tissue si sono diffusi molto di più negli ultimi anni, incrementando la frequenza degli interventi di rettifica sugli Yankee. Il fattore chiave di tale incremento va ricercato nella tendenza a operare con tassi di umidità della bobina sempre più bassi, così da ottenere una maggior morbidezza del prodotto. Se prima monolucidi con problemi di vibrazioni subivano interventi di rettifica a intervalli di 18-24 mesi, con un mantello più sottile, i problemi diventano più evidenti e le rettifiche possono anche avvenire ogni 6 mesi.
Di recente abbiamo effettuato nuovi studi su modelli di usura da vibrazioni e variazioni di superficie, compreso un esame dettagliato delle proprietà metalliche della superficie in ghisa dello Yankee. L’indagine prevedeva l’incisione della superficie del cilindro con metodi standard per poi stabilire attraverso delle microfotografie se vi fossero differenze tra le zone con segni di usura e vibrazione rispetto alle zone integre. Questo ci ha fornito una nuova, interessante comprensione del meccanismo delle vibrazioni e dei modi per evitarlo. Contemporaneamente, ha confermato l’utilità dei rivestimenti metallici omogenei sulla superficie del monolucido.
IL SISTEMA DI CONDENSA PRIMA DI TUTTO. Quando si osservano zone calde o fredde sul mantello dello Yankee, la prima cosa che si guarda è sempre il sistema di condensa, considerato che, molto probabilmente, è la causa più comune di inizio delle vibrazioni. Ma se si è completamente escluso il sistema di condensa e altri aspetti, come la bombatura, e il problema persiste, allora è possibile che sia legato alle proprietà metallurgiche della ghisa stessa. Per definizione, la ghisa non è un materiale omogeneo. Con macchine che lavorano a velocità sempre più elevate e con obiettivi di umidità sempre più bassi, la ghisa, per sua stessa natura, può diventare un limite per la produzione.
CONTENUTO E TIPO DI GRAFITE SONO FONDAMENTALI. Lo scopo principale del nostro studio era stabilire se vi fossero differenze significative nelle caratteristiche della grafite delle zone a usura elevata rispetto a quelle a usura ridotta. Così abbiamo condotto un’analisi approfondita della concentrazione e delle forme di grafite sulla superficie in ghisa. La grafite è necessaria per ridurre l’attrito e consentire alla lama di crespatura di scivolare sulla superficie in maniera liscia e uniforme. Di norma si osservano variazioni nel tipo e nella concentrazione delle scaglie di grafite contenute nella ghisa. Come si può osservare nella figura 1, le forme possono essere sia a scaglie (tipo I e II) sia più nodulari, come nei tipi V e VI.
La situazione ideale è data da basse e uniformi concentrazioni di grafite inferiori al 10% della superficie esposta e da forme di grafite tutte di tipo I e II. La percentuale osservabile non è correlata alla percentuale di carbonio per peso. Il tipo e la concentrazione di grafite dipendono dalla metallurgia e dalla velocità di raffreddamento della ghisa in fase di formatura. Se alcune zone del cilindro monolucido si raffreddano troppo lentamente, ciò creerà più grafite di tipo V e VI, che tende a essere strappata dalla superficie al passaggio della lama, come si può osservare nella foto della figura 2. In questo caso, la superficie bucherellata dello Yankee è più ruvida, l’estensione maggiore crea una patina organica più tenace, anch’essa nota causa di vibrazioni.
LA GRAFITE È IMPORTANTE PER DUE RAGIONI: anzitutto, ha una conducibilità molto bassa, dunque le concentrazioni di grafite nodulare di tipo V e VI fanno sì che la zona si raffreddi (figura 3). Queste zone appaiono come “ombre” nell’analisi a infrarossi ad alta velocità, anche subito dopo una rettifica del monolucido. Le zone fredde creano immediatamente un abbassamento che riduce anche la pressione sulla linea di contatto locale, il che rende difficile la formazione di una patina organica solida e protettiva sul cilindro. A sua volta, ciò provoca usura superficiale, che aumenta l’abbassamento, e il ciclo continua. Alla fine si arriva o a una rettifica per vibrazioni o semplicemente a una rettifica dell’abbassamento venutosi a creare nel caso in cui non si avvii alcun processo di vibrazione. In secondo luogo, la grafite è importante anche perché fornisce una sorta di lubrificazione della superficie. Maggiore è la concentrazione di grafite, minore è l’attrito, il che aumenta la durata della lama e migliora le caratteristiche di distacco. Il rapporto tra concentrazione di grafite e attrito è lineare, come si può osservare nella figura 4. La pendenza della curva di attrito si fa più ripida in ambienti umidi, come è senz’altro quello della fabbricazione della carta.
IN PRESENZA DI VIBRAZIONI, LA LAMA RIMBALZA SULLA SUPERFICIE e ciò equivale a una sequenza di alta pressione seguita da bassa pressione. Nel momento in cui la lama rimbalza lontano dal mantello, si ha un contatto a pressione ridotta; quando ritorna sulla superficie, la pressione del contatto aumenta. In tal modo, un punto più basso sul mantello dell’essiccatore, magari legato a variazioni del contenuto di grafite, può portare a molteplici punti bassi (cioè segni di vibrazione) a causa del rimbalzo continuo. La vibrazione è un fenomeno che si autopropaga: nel momento in cui la lama scava in un punto, poi passa al punto successivo e scava anche qui. E così via. È come un effetto ondulazione su una strada sterrata: nel lungo periodo, una sola buca può causare chilometri di ondulazioni.
CASE STUDY. A titolo di esempio, recentemente abbiamo lavorato su uno Yankee che sin dal primo giorno presentava un problema di ‘incavatura’, ossia un abbassamento. Il sistema di condensa era stato sottoposto a revisione, ma le zone fredde erano visibili direttamente dopo la rettifica, anche se il sistema di condensa era stato controllato per ben tre volte da esperti. Quando ciò si verifica e si sono esaminate tutte le possibili cause senza trovare una risposta o una soluzione adeguata, allora i segni di vibrazione possono essere dovuti alle caratteristiche metallurgiche del mantello di ghisa stesso e alla distribuzione o al tipo di grafite. Sono state analizzate tre zone incavate sin dall’inizio, oltre a tre zone adiacenti e a sei casuali.
Tutte e tre le zone incavate presentavano concentrazioni molto elevate di grafite (ben oltre il 5%) e tutte scaglie di tipo V e VI (vedere figure 5 e 6). In questo caso, l’unica soluzione possibile era applicare una superficie metallizzata sopra la ghisa. Ora questo Yankee sta funzionando bene a oltre 2000 mpm e senza lo storico problema delle vibrazioni.
PER QUANTO RIGUARDA LE SUPERFICI METALLIZZATE, le applicazioni più comuni sono realizzate con acciai pseudo-inox, sia più duri che più resistenti alle vibrazioni della ghisa. Questi rivestimenti metallici spruzzati sulla superficie sono anche completamente omogenei rispetto alla ghisa, che certo non lo è. Inoltre, la conducibilità termica è pari solo al 25% di quella della ghisa, un aspetto positivo in quanto ha l’effetto di distribuire il calore più uniformemente per un migliore profilo. Per effetto di questa perdita di calore, per macchine ad asciugatura limitata con spessore di ghisa residuo prima del depotenziamento, si dovrebbe prendere in considerazione la rimozione della ghisa in più per migliorare il trasferimento di calore, pur rimanendo al di sopra del punto di depotenziamento. Va ricordato che i cilindri essiccatori in acciaio sono metallizzati con lo stesso tipo di materiale prima della consegna perché l’acciaio stesso è troppo morbido per la crespatura e i tassi di usura sarebbero inaccettabili. Questo è il motivo principale per cui gli Yankee in acciaio tendono molto meno a sviluppare vibrazioni.
UN ALTRO CASO SUL QUALE ABBIAMO LAVORATO È STATO UN ESSICCATORE CHE NON AVEVA MAI MANIFESTATO FENOMENI DI VIBRAZIONE, ma stava evidenziando problemi di strani segni casuali. Ancora una volta, la prima conclusione è stata: “Bisogna cambiare il sistema di condensa”. E molto spesso si tratta proprio di questo, specie perché in passato si sono utilizzati alcuni modelli di scarsa qualità, ancora in uso in molti essiccatori. Ma in questo caso il sistema di condensa era a posto. Lo strano tipo di segni (esempio: zona 5, figura 7) si era manifestato subito dopo una rettifica del profilo e ancora prima che venisse collocata carta sull’essiccatore. Non appena caricata la lama, sono comparsi i segni. Abbiamo così condotto la nostra analisi della grafite con incisione standard 2% Nital, eseguendo microfotografie degli strani segni come pure di altre zone prive di segni. Abbiamo esaminato otto zone con segni e le abbiamo comparate con le otto adiacenti. I risultati erano identici.
NE ABBIAMO CONCLUSO CHE LA CAUSA PRINCIPALE ERA UNA VARIAZIONE SIGNIFICATIVA DEL CONTENUTO DI GRAFITE. In questo caso si trattava di un livello molto basso di grafite nelle zone segnate, che creava una condizione di attrito elevato e dunque i segni, in quanto la lama aderiva all’istante per mancanza di lubrificazione sufficiente in grado di farla scivolare agevolmente sulla superficie. Senza volerci dilungare in spiegazioni troppo scientifiche, la conclusione per entrambi i casi è che, quando l’essiccatore si assottiglia, quando l’umidità della bobina è bassa, la velocità di trasferimento del calore aumenta. Così i problemi si manifestano più rapidamente a ogni rettifica successiva poiché vi è meno isolamento e la mancanza di uniformità diventa più evidente. Abbiamo studiato molti altri casi, ma questi due esempi danno un’idea di come la concentrazione, l’uniformità e la forma della grafite possono causare problemi molto diversi al monolucido.
RICHIESTE PIÙ ELEVATE NEGLI ULTIMI ANNI. Tali variazioni metallurgiche nel mantello di ghisa dei cilindri essiccatori sono probabilmente presenti da lungo tempo. Ma solo negli ultimi anni, quando sono aumentate le richieste di velocità ed essiccazione sullo Yankee, la natura della ghisa stessa è diventata un fattore limitante. Parallelamente, è interessante notare come i monolucidi in acciaio si siano maggiormente diffusi di recente e funzionino bene. Un vantaggio noto dell’acciaio è il migliore trasferimento di calore rispetto a un monolucido tradizionale in ghisa.
Ciò non avviene perché l’acciaio trasferisce il calore in modo più rapido, ma semplicemente perché l’acciaio è un materiale più forte e può quindi garantire la pressione operativa necessaria con un cilindro molto più sottile. Dal momento che questi cilindri sono metallizzati, e gli Yankee metallizzati hanno una superficie omogenea, le possibilità operative per queste superfici sono molto più ampie, le patine organiche sono più uniformi e la durata della lama è migliore. È anche la superficie preferita per l’uso ottimale delle lame in ceramica, impiegate da molte cartiere per 3-6 giorni.
CONCLUSIONI. Le nostre indagini sulla grafite ci hanno portato a concludere che, quando aumenta la richiesta di velocità della macchina e di asciugatura, qualsiasi caratteristica non omogenea intrinseca della ghisa diventa più evidente. Ciò aumenta potenzialmente la nascita di problemi delle superfici, come i segni di vibrazione. Il fatto è che si tratta di difficoltà inevitabili con la ghisa perché sono dovute in gran parte al processo di fusione del materiale, che non può assolutamente essere uniforme. Non si può mai ottenere un raffreddamento perfettamente omogeneo dello stampo dello Yankee. E quando si imprime un’accelerazione alle macchine tissue, le imperfezioni e i problemi si amplificano.
I NOSTRI STUDI HANNO ANCHE CONFERMATO IL VALORE DEI RIVESTIMENTI METALLICI SULLA SUPERFICIE DELLO YANKEE PER OTTENERE UNA BUONA E COSTANTE MACCHINABILITÀ. La metallizzazione fornisce semplicemente una migliore superficie su cui produrre la carta. In passato, la metallizzazione è stata impiegata come strumento di conservazione: con un rivestimento metallico, il monolucido può continuare a funzionare alla stessa velocità, mantenendo i livelli di produzione ed evitando costose sostituzioni. Ma quando si è capito come questi rivestimenti migliorino il funzionamento, la metallizzazione si è trasformata in un investimento per migliorare le prestazioni della macchina piuttosto che un semplice strumento di conservazione.
Se avete strani problemi con la superficie del vostro Yankee e avete verificato nonché escluso le solite cause, potrebbe essere giunto il momento di controllare gli aspetti metallurgici. Se ampie variazioni di grafite sono presenti nel mantello di ghisa, il miglior rimedio può essere quello di metallizzare la superficie, aumentando così le possibilità di crespatura, il principale vantaggio di una superficie omogenea.
Per ulteriori informazioni, è possibile contattare John Holton all’indirizzo john.holton@jaeger-inc.com.