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Le differenze tra Cilindro Monolucido in ghisa e in acciaio

Cilindro Monolucido | Nicola Cervelli, 15 giugno 2021

Il cilindro monolucido (o Yankee Dryer) viene utilizzato per il processo di essiccazione della carta sin dal 1800 e, anche se il suo principio di funzionamento è rimasto sostanzialmente invariato, numerose sono state le innovazioni tecniche apportate per migliorare l’efficacia e l’efficienza del processo, tra cui l’adozione dell’acciaio al posto della ghisa come materiale per la sua costruzione.

Il tradizionale processo di asciugamento della carta Tissue è una combinazione di essiccazione per conduzione, per mezzo del cilindro monolucido, e di essiccazione per soffiaggio di aria calda. L'energia necessaria per portare a termine questo processo viene fornita sia dal vapore saturo secco condensato all'interno del cilindro Yankee, sia dall'aria calda soffiata sul foglio di carta tramite le cappe che ricoprono la superficie dello Yankee stesso.

Nel corso degli anni, sono avvenuti alcuni passaggi evolutivi significativi nelle tecnologie per la fabbricazione di uno Yankee Dryer, tra i quali possiamo evidenziare:

  • Mantello con scanalature 

L’introduzione del mantello scanalato, diminuendo lo spessore di radice del cilindro da un lato e aumentando la superficie di scambio termico tra vapore e mantello dall’altro, ha condotto ad un significativo incremento di efficacia ed efficienza dello scambio di calore. Di conseguenza, la capacità di essiccazione del cilindro monolucido è aumentata mentre il consumo energetico specifico del processo di essiccazione è diminuito. 

  • Il sistema di estrazione della condensa 

La soluzione del mantello scanalato ha aumentato la complessità del sistema di estrazione della condensa con l’introduzione di collettori trasversali, ai quali sono connessi una moltitudine di tubicini organizzati in modo tale da servire ciascuno una porzione circonferenziale di una singola scanalatura. Questo sistema, seppur complesso, ha permesso di migliorare considerevolmente le prestazioni del cilindro, grazie al fatto di assicurare il controllo del film di condensa in ogni scanalatura, raggiungendo uno spessore molto ridotto. Questo si è tradotto in una maggiore capacità asciugante e in migliori profili di umidità del foglio sia in senso longitudinale che trasversale. 

  • L’implementazione del processo di metallizzazione del mantello

Un processo che consiste nello spruzzare, mediante apposite attrezzature, una lega metallica sulla superficie del mantello a scopo protettivo contro gli effetti della racla.

  • La progettazione di Yankee Dryer adattati per l’utilizzo di presse a scarpa

    Gli Yankee Dryer, nel tempo, sono stati migliorati per l’utilizzo specifico delle presse a scarpa, un particolare tipo di pressa dalla forma concava in grado di ampliare sostanzialmente il nip, consentendo quindi l’applicazione di un elevato carico lineare e un elevato impulso di pressione alla carta. Tutto questo migliora il processo di spremitura del foglio senza la necessità di aumentare la pressione esercitata.

Successivamente, l’evoluzione tecnologica del processo di costruzione dello Yankee Dryer ha condotto ad un cambio totale del materiale di costruzione del mantello, sostituendo la ghisa con l’acciaio. Vediamo il perchè dell’importanza di quest’innovazione e i motivi per cui, ad oggi, la quasi totalità dei cilindri Yankee costruiti impiega l’acciaio.

Dalla ghisa all’acciaio: le motivazioni dell’evoluzione

Le ragioni per le quali si è passati dalla ghisa all’acciaio per la costruzione del mantello sono varie:

  • Scarsa disponibilità di fonderie specializzate ed elevati costi di esercizio di una fonderia attrezzata per produrre grandi fusioni.

  • L’incertezza comunque legata alla riuscita delle fusioni di grandi pezzi monoblocco come i mantelli Yankee: molto spesso i difetti di omogeneità del materiale, come ad esempio le porosità, emergono soltanto durante la lavorazione; i mantelli non riparabili devono essere scartati e questo ha un impatto significativo sui costi e sui tempi di consegna.

  • La complessità costruttiva: la ghisa, non essendo saldabile, obbliga ad accoppiare tutte le parti tramite imbullonatura, e questo rende le geometrie dei pezzi più complesse e costose, ponendo inoltre molti più problemi di tenuta stagna dell’assemblato. Tutti i fori passanti per i bulloni possono, infatti, essere fonte di trafilamenti di vapore e devono quindi essere opportunamente sigillati.

La ghisa, dal canto suo, aveva però ottime ed irrinunciabili proprietà superficiali dal punto di vista del processo cartario, quali la microporosità, utile al processo di crespatura, e le proprietà autolubrificanti nei confronti dell’azione molto aggressiva delle lame crespatrici e di pulizia.

Le stesse proprietà non sono offerte dall’acciaio e soltanto lo sviluppo avvenuto negli ultimi 25 anni dei rivestimenti metallici a spray ha potuto aprire la strada all’utilizzo di questo materiale per la costruzione dei mantelli Yankee.

L’utilizzo dell’acciaio presenta indubbi vantaggi:

  • La saldabilità ha permesso una semplificazione delle parti, in particolare del mantello, e l’eliminazione dei problemi di tenuta stagna di alcune interfacce.
  • Una maggiore affidabilità dal punto di vista metallurgico, che ha permesso di utilizzare criteri di dimensionamento meno conservativi di cui hanno beneficiato direttamente la capacità di trasmissione del calore e di conseguenza la capacità di asciugamento, come è possibile vedere nella tabella sottostante:
  Ghisa Acciaio

Conducibilità

45,0 W/mK

44,0 W/mK (-2%)

Carico di Rottura

430 MPa 

485 MPa (+13%)

Stress Termico Ammissibile

124 MPa

207 Mpa (+67%)

Modulo di Elasticità

137000 MPa

206000 MPa (+50%)

Stress Termico (tipico)

78 Mpa

145 Mpa (+86%)

Rivestimento Spray Metallico

Non richiesto

Richiesto

Sovrametallo di Rettifica

Richiesto (oppure spray)

Non richiesto

 

Osservando la tabella, è chiaro come l’acciaio abbia una maggiore resistenza alla rottura con una conducibilità termica praticamente identica alla ghisa: per questo le norme inerenti i recipienti a pressione consentono di utilizzare spessori minori che danno il fondamentale vantaggio sul lato termico.

Con l’acciaio, inoltre, non saranno presenti fenomeni di sviluppo di porosità durante il raffreddamento, tipici delle colate in ghisa. Questo permette di aumentare la profondità delle scanalature del mantello senza il rischio di trafilamenti nell’arco della vita utile dello Yankee. 

Certo, adottare un mantello in acciaio anziché in ghisa ha tradizionalmente anche alcuni svantaggi

  • Come abbiamo detto, è necessario procedere alla metallizzazione del mantello per il corretto funzionamento dello Yankee Dryer in acciaio, e questo rende impossibile verificare il bombè prima del processo di metallizzazione.

  • Necessità di controllare periodicamente le saldature del mantello ottenuto unendo lamiere in acciaio calandrate.

Questi controlli periodici non distruttivi, ovvero ispezioni visive, controlli con liquidi penetranti o con ultrasuoni, hanno il grosso inconveniente di poter essere effettuati soltanto a macchina ferma e a cilindro Yankee completamente raffreddato, in quanto la maggior parte delle ispezioni viene effettuata dall’interno del cilindro stesso. Tutto questo si traduce in un consistente aumento delle ore di indisponibilità della linea.

Proprio per ovviare a questi ultimi inconvenienti, A.Celli ha sviluppato e adottato per il suo Yankee Dryer A.Celli iDEAL® Forged YD un mantello forgiato monoblocco privo di saldature strutturali, che non necessita di ispezioni ad ultrasuoni: una soluzione ereditata anche dal nuovissimo A.Celli iDEAL® Evo-Lock®.

Conclusioni 

Abbiamo evidenziato come l’utilizzo di un mantello in acciaio rispetto a uno in ghisa riporti vantaggi di gran lunga superiori agli svantaggi: è per questi motivi che la maggior parte degli Yankee Dryer venduti negli ultimi anni è costruito utilizzando questo materiale.

La progettazione di uno Yankee Dryer in acciaio per un’azienda tissue deve avere obiettivi ben precisi in termini di incremento della sicurezza, di massima capacità di essiccazione e di riduzione del numero di ispezioni necessarie.

Il nuovo Yankee Dryer A.Celli iDEAL® Evo-Lock® è stato sviluppato come evoluzione dell’iDEAL® Forged YD proprio per rispondere al meglio a queste esigenze. Unendo il nostro caratteristico mantello forgiato con un innovativo sistema di accoppiamento tra mantello e testate che non prevede l’utilizzo di saldature strutturali o accoppiamenti avvitati, sarà possibile ridurre al minimo le ispezioni necessarie e i conseguenti tempi di fermo macchina senza sacrificare la capacità di essiccazione e la sicurezza degli operatori. 

Se volete conoscere meglio la nostra nuova famiglia di Yankee Dryer, scaricate gratuitamente il nostro eBook “Come il nuovo Yankee Dryer A.Celli Evo-Lock® consente di ridurre il numero di ispezioni periodiche necessarie”.

Come il nuovo Yankee Dryer A.Celli iDEAL EvoLock