Progetto Life

4288246L’idea di presentare un progetto a valere sullo strumento comunitario Life Ambiente è partita dallo studio preliminare del nostro ciclo di produzione dal punto di vista ambientale al fine di identificarne i punti più deboli sui quali poi intervenire per renderlo il più possibile ecosostenibile; il risultato ha portato ad identificare nei fanghi di risulta delle lavorazioni il nocciolo della questione su cui intervenire.

Anche altre aziende del settore hanno preso in considerazione il problema, da punti di vista diversi ma tutti con la stessa finalità: ridurre il quantitativo di fanghi prodotti o trovare il sistema per il loro vantaggioso riutilizzo industriale: alcuni di questi hanno addirittura trovato riscontro nell’approvazione dell’unità LIFE, aspetto che dimostra la effettiva presa di coscienza del problema a livello comunitario.

I nostri tecnici, capeggiati dal titolare dell’azienda, hanno approfondito l’argomento del riutilizzo dei fanghi nel normale ciclo produttivo delle piastrelle ceramiche, scoprendo che a renderli incompatibili è la presenza, al loro interno, dei residui degli utensili di taglio e smerigliatura che, in fase di cottura dei manufatti, creano situazioni di rottura e di deformazioni inaccettabili.

Le idee quindi si sono subito orientate verso la messa a punto di un sistema che consentisse di abradere il pezzo in lavorazione senza l’utilizzo delle tradizionali mole al carburo di silicio e simili, eliminandone pertanto i residui dai fanghi di risulta, permettendone il totale riutilizzo.

Da ricerche preliminari è risultato impossibile per ora rinunciare totalmente a tali utensili ma si è dimostrata percorribile la strada della loro drastica riduzione, consentendo comunque, con qualche piccolo accorgimento, di ottenere fanghi perfettamente utilizzabili come materia prima.

Il nuovo processo, pertanto, prevede di sottoporre le lastre ceramiche o lapidee a taglio tradizionale mediante utensili diamantati, per ottenere listelli rettangolari delle dimensioni volute. Da tale lavorazione iniziale, vengono prodotti scarti, composti per la maggior parte di polveri dei materiali tagliati, ed in minima percentuale di polveri provenienti dagli utensili di taglio. La miscela di polveri possiede un forte potere abrasivo, conferito non solo dalla presenza di particelle di diamante sintetico, ma anche dall’estrema durezza dei materiali tagliati, e dalla peculiare morfologia prismatica o piramidale delle polveri di taglio.

I fanghi di taglio, contenenti ancora un’elevata percentuale di acqua, verranno raccolti in una vasca di distribuzione, e da qui convogliati alla successiva lavorazione, quella di abrasione di uno spigolo del listello per creare il profilo bull-nose. In questa porzione della linea produttiva risiede il cuore dell’innovazione, ovvero l’utensile sostitutivo delle mole. Il gruppo di abrasione sarà composto da una linea cabinata in cui saranno installati motori elettrici controllabili in velocità mediante inverter o riduttori, ognuno dei quali monterà un utensile differente, per forma o funzione, atto a conseguire il risultato finale.

Il listello proveniente dal taglio, singolarmente o eventualmente in coppia con un analogo listello, entrerà nel gruppo di abrasione, trasportato da un nastro speciale idoneo al fissaggio dei pezzi. Il pezzo verrà quindi inizialmente sottoposto ad un’operazione di sgrossatura, ad opera di una mola abrasiva convenzionale, avente lo scopo di creare una superficie a 45° di inclinazione, ove in precedenza esisteva lo spigolo del listello. Questa lavorazione con forte asportazione di materiale, in presenza di spigolo acuminato, verrà effettuata più convenientemente con mola composita, piuttosto che con dischi polimerici, che potrebbero risultare danneggiati dal contatto con lo spigolo tagliente. Inoltre, in questa fase, i fanghi prodotti presenteranno un elevato contenuto di abrasivo, in grado di assicurare il buon esito delle lavorazioni successive, ad opera dei dischi pressori. Successivamente alla sgrossatura, il pezzo incontrerà un secondo utensile, costituito da un disco pressore in materiale polimerico, sagomato in modo da esercitare una maggiore pressione su uno dei due spigoli creati dall’intersezione del piano a 45° con gli originali lati del listello. Il disco presenterà un profilo arrotondato, di geometria prossima a quella del bull-nose da creare, ma non ancora completamente definita. L’impossibilità di procedere direttamente all’ottenimento della geometria desiderata deriva dalle diverse pressioni di contatto che agirebbero all’interfaccia tra utensile e pezzo in lavorazione, che comporterebbero un effetto abrasivo non uniforme, e quindi una deviazione dal profilo desiderato.

Il disco polimerico, privo di asperità e non abrasivo, verrà posto in contatto con l’area di lavoro, mediante l’applicazione di una pressione costante, ma regolabile agendo su elementi di carico atti ad alterare la distanza tra asse di rotazione del disco e la superficie stessa. Sulla parte superiore del disco, perpendicolarmente alla zona da abradere, sarà disposto un ugello distributore del fango abrasivo proveniente dal taglio e recuperato dalla prima stazione di levigatura. Il fluido, che per gravità o sotto pressione andrà a disporsi all’interfaccia tra disco e superficie di lavoro, verrà trasportato nella zona di contatto, strisciando sotto l’azione esercitata dalla rotazione del disco. La pressione di contatto, determinata dagli elementi di carico, farà si che abbia luogo l’abrasione, mediante il tracciamento di piccoli microsolchi, la cui definizione dipenderà dai parametri di processo.

Un ulteriore disco polimerico, posto successivamente al primo, effettuerà un’analoga lavorazione sul secondo spigolo ottenuto nella sgrossatura iniziale, ma in maniera più blanda, essendo il profilo bull-nose similare ad un ramo di parabola orizzontale, la cui curvatura cresce all’avvicinarsi al margine esterno del pezzo. Due ulteriori sistemi a disco polimerico, ed uno a mola potranno ultimare la lavorazione o duplicare la precedente, con angoli di lavoro differenti, al fine di prevenire la creazione di profili spezzati e di realizzare un lieve smusso anche sullo spigolo opposto a quello bull-nose.

Al procedere del trattamento, le polveri utilizzate assumeranno via via una forma più arrotondata ed una granulometria più fine. Le particelle di abrasivo, tuttavia, in virtù della maggiore durezza, risentiranno in maniera minore del fenomeno, cosicché le polveri in circolo tenderanno ad arricchirsi di abrasivo, e ad impoverirsi di materiale ceramico abraso, il quale potrà essere facilmente separato dal flusso delle acque di processo. Così facendo, parallelamente alla prevenzione della produzione di fanghi ed al reimpiego dell’abrasivo, si otterrà anche una differenziazione del rifiuto, che allo stato attuale non risulta fattibile né con metodi gravimetrici né chimici.

Il nuovo sistema pertanto, risolverà in maniera brillante e definitiva il problema della produzione e dello smaltimento dei fanghi di levigatura della produzione di bull-nose, in quanto, a seguito di filtro-pressatura, il solo refluo in uscita sarà costituito da polveri ceramiche inerti con concentrazioni minime di composti abrasivi.

OBIETTIVI

Obiettivo principale del progetto è la drastica diminuzione della produzione dei rifiuti costituiti dai fanghi di levigatura, derivanti dalle lavorazioni abrasive su listelli ceramici per la realizzazione di bull-nose. A tal fine, verrà messo a punto un innovativo sistema di levigatura semi-autogeno, in cui le particelle abrase, insieme a particelle abrasive distaccate dagli utensili a monte, verranno reimpiegate tal quali nella lavorazione delle lastre ceramiche. Verrà così sostituita la maggior parte delle attuali mole abrasive con dischi polimerici in grado di esplicare una forte pressione di contatto con il pezzo in lavorazione, interponendo nel meato la dispersione di polveri abrase ed abrasive recuperate nella parte iniziale del ciclo produttivo. Parallelamente, il consumo idrico e di mole abrasive verrà drasticamente abbattuto, e la progressiva comminuzione delle polveri ne agevolerà il riciclo, in qualità di inerti per sistemi cementizi o entro sinterizzati a basse temperature

ATTIVITÀ

Il conseguimento degli obiettivi richiederà:

- Individuazione di materiali polimerici avanzati, antiusura, scarsamente deformabili, per la realizzazione dei dischi pressori

- Studio e progettazione di collettore di fanghi revenienti dalle operazioni a monte della levigatura (taglio) e del relativo sistema di trasporto dei fanghi verso il gruppo di abrasione

- Studio e progettazione di recuperatore dei fanghi abrasivi entro il gruppo di abrasione, con selezionatore granulometrico

- Studio e progettazione di ugello distributore dei fanghi abrasivi sull’intero profilo del disco

- Dimensionamento del dispositivo di applicazione del carico al disco e del fissaggio del gruppo motore, con distanza variabile tra albero e superficie di lavoro

- Realizzazione di prototipo di disco polimerico con abrasivo a caduta e prove di funzionamento su superfici con caratteristiche tribologiche note

- Caratterizzazione delle polveri abrasive in funzione del numero di passate e determinazione della vita utile delle stesse

- Definizione di specifiche di riciclaggio delle polveri giunte a fine vita utile

- Diffusione dei risultati tra le aziende del settore ceramico e dei settori potenzialmente beneficiari, nonché dello strumento Life al fine di sensibilizzare al problema gli operatori economici.

Le tematiche trattate riguardano la caratterizzazione dei fanghi revenienti da processi di levigatura abrasiva su materiali ceramici, la prevenzione della produzione degli stessi mediante interventi sul ciclo produttivo, e la messa a punto di un sistema per la loro valorizzazione, entro il medesimo gruppo di lavorazione entro cui sono stati generati. Le tematiche coinvolte si estenderanno inoltre fino a comprendere l’intero ciclo di vita del rifiuto, fino all’individuazione delle corrette procedure di riciclo delle polveri non più utilizzabili in processi abrasivi.

AVANZAMENTO

Il progetto è partito dall’analisi bibliografica e sul campo dei fanghi risultanti dalle lavorazioni ceramiche svolte all’interno dell’azienda. Dovendo infatti lavorare diverse tipologie di materiali (gres, monocottura e bicottura), anche i sottoprodotti di lavorazione risultano di composizioni diverse fra loro; è stato necessario capire pertanto, prima di intraprendere definitivamente questa strada, la loro l’utilizzabilità come abrasivi nel nostro nuovo sistema oppure l’opportunità di separarli per poter impiegare solamente quelli più duri e resistenti. Dalle ricerche svolte è stata confermata la già ipotizzata possibilità di utilizzare tutti i tipi di fanghi, essendo essi compatibili con le lavorazioni ed il riciclaggio finale. Si è comunque appurata una certa differenza nella resistenza all’abrasione dei diversi componenti, la quale comunque non rappresenta un ostacolo: i materiali più duri rimangono nel circuito e fungeranno da abrasivo per più cicli lavorativi; i materiali più teneri, come già previsto, verranno utilizzati solo per alcuni cicli, dopo di che verranno separati in modo naturale, essendosene nel frattempo ridotto il diametro, inviati al raccoglitore dei fanghi e poi riciclati in altre produzioni.
Fig. 2 e Fig. 6

Fig6 Fig2

 

 

 

 

 

 

Si sono svolte prove di abrasione con apparecchiature da laboratorio per verificare l’effettiva fattibilità del progetto, giungendo a risultati confortanti con diverse tipologie di materiali abrasivi e di piastrelle da abradere.

Fig3

Dalle prove effettuate è stata confermata la necessità, peraltro già prevista e riscontrata dalle simulazioni effettuate, di installare un agitatore per mantenere i fanghi in uno stato semiliquido: in mancanza di tale agitatore, i fanghi tenderebbero infatti a solidificare in tempi estremamente rapidi, rendendo impossibile il loro successivo convogliamento agli ugelli e quindi il loro utilizzo.

La realizzazione del primo prototipo del serbatoio per lo stoccaggio dei fanghi di taglio, con il relativo agitatore, ha permesso di confermare la fattibilità di questo aspetto.

Si è quindi avviata la progettazione e la realizzazione del sistema definitivo di stoccaggio, agitazione e movimentazione dei fanghi di taglio e di recupero delle acque per il raffreddamento degli organi di taglio, che è stato completato e collaudato con successo, permettendo la conclusione della task.

Il cuore della innovazione, tuttavia, risiede nel sistema di realizzazione del bull-nose, con il riutilizzo dei fanghi nella lavorazione con mole a dischi polimerici.

L’oggettiva valutazione sull’opportunità di prosecuzione del progetto non poteva pertanto prescindere dall’analisi della fattibilità di un simile processo di lavorazione.

Con un notevole anticipo rispetto a quanto preventivato, si è pertanto deciso di avviare le attività di ricerca e sperimentali in grado di suffragare le ipotesi di lavorazione con l’azione combinata di mole polimeriche e fanghi nelle veci di materiale abrasivo.

Una ricerca sull’analisi dei fanghi ceramici ed una approfondita fase sperimentale di abrasione profonda, commissionata dapprima a consulenti esterni (realizzata con due diverse miscele di fanghi ceramici, realizzata con 90% di fanghi artificiali (polveri ceramiche con granulometria < 100 µm e contenuto medio di acqua 70%) e 10% di abrasivo – carburo di silicio (SiC) per la miscela di tipo A, corindone per la miscela di tipo B), applicando diverse forze di pressione).

a) mistura di tipo A, gres porcellanato levigato, forza applicata 4 Kg, volume abraso: 103,66 mm 3

b) mistura di tipo A, gres porcellanato levigato, forza applicata 1 Kg, volume abraso: 16,70 mm 3

c) mistura di tipo B, bicottura smaltata, forza applicata 2 Kg, volume abraso: 579,47 mm 3

d) mistura di tipo A, gres porcellanato levigato, forza applicata 3 Kg, volume abraso: 90,256 mm 3

I risultati hanno mostrato che, mentre i prodotti in bicottura sono molto facili da abradere, anzi la loro fragilità dovrà essere tenuta in particolara attenzione in parametrazione del processo, i prodotti in gres porcellanato sono invece molto più resistenti all’abrasione (senza rilevanti differenze tra prodotti levigati e non, oppure tra prodotti smaltati e non), ed è indispensabile l’utilizzo di un fango particolarmente aggressivo combinato con forze di pressione importanti. Si è inoltre verificato che un fango contenente corindone come materiale abrasivo, ha un’azione abrasiva molto meno efficace rispetto ad un fango contenente SiC.

Le prove sperimentali di abrasione sono quindi proseguite all’interno dell’azienda con i fanghi prodotti internamente, contenenti anche SiC e particelle di diamante, aventi quindi capacità fortemente abrasive; i primi risultati hanno consentito di convalidare la fattibilità delle lavorazioni a bull-nose di listelli ceramici con l’utilizzo di fanghi di taglio e levigatura e mole polimeriche.

Si è quindi proceduto alla fase successiva, tesa alla realizzazione del nuovo sistema di abrasione per la realizzazione di bull-nose, che sfrutterà i fanghi della fase di taglio e di profilatura come abrasivo per il disco polimerico.

Nella prima fase, si è deciso di riutilizzare anche i fanghi della fase di profilatura come abrasivo. Oltre ad aver semplificato il sistema di recupero dei fanghi, che vengono adesso prelevati direttamente dalla vasca di raccolta dei fanghi di lavorazione, ciò permette anche di alimentare adeguatamente il nuovo vascone per la separazione dell’acqua chiara (indirizzata al raffreddamento dei dischi di taglio) dai fanghi abrasivi (che serviranno ad alimentare i dischi polimerici nella fase di profilatura).

Nella seconda fase, si è dovuto realizzare l’ugello distributore dei fanghi abrasivi entro il gruppo di abrasione, che dovrà operare in condizioni estreme, con un prodotto semifluido ed altamente abrasivo: si è quindi proceduto ad un’analisi degli ugelli attualmente disponibili in commercio, al fine di avere una valida base di partenza per la sua realizzazione. Dalle prove effettuate, si è constatato che non è necessario utilizzare ugelli di particolare conformazione, poiché il fango non deve essere spruzzato a pressione nel gruppo di abrasione, ma semplicemente deposto tra il pezzo di lavorazione ed il disco. Si sono quindi utilizzati ugelli standard, di dimensioni maggiorate rispetto a quelli comunemente utilizzati, per prevenire la loro occlusione, ed utilizzando il fango in forma più liquida, facilitando inoltre il compito alle pompe.

La terza fase ha lo scopo di ottenere il disco polimerico abrasivo con il sistema di deposizione dei fanghi, ed è iniziata attrezzando una linea di profilatura per gli scopi del presente progetto. Anche con la collaborazione di consulenti esterni, si stanno testando diversi tipi di dischi realizzati in diversi materiali. I dischi polimerici producono bull-nose di buona qualità, ma, sottoposto a pressione e a contatto con fanghi particolarmente aggressivi (composti di SiC, corindone, polvere di diamante) si usurano troppo rapidamente ed in modo non uniforme. Anche la sperimentazione di dischi di ulteriore tipologia ha prodotto risultati non idonei (ad esempio, con dischi rivestiti in teflon non si ottenevano nemmeno risultati soddisfacenti sui prodotti finiti). Risultati apprezzabili si sono ottenuti invece utilizzando mole esauste (ovvero le ordinarie mole che hanno già perso la polvere diamantata e che sono normalmente destinate a smaltimento in discarica): l’usura del disco è contenuta, anche sottoposto ad elevate pressioni e velocità di rotazione, e la qualità del prodotto ottenibile è incoraggiante. Si sono quindi iniziate sperimentazioni con mole in acciaio, ovvero prove di qualsiasi rivestimento, mentre con la collaborazione dell’Università si sta continuando la ricerca di materiale polimerico sufficientemente resistente.

Fig10

Nel contempo, si sono iniziate le attività per la realizzazione dell’impianto finale. Si è infatti notato che i dischi di taglio devono essere raffreddati con acque chiare, o comunque prive dei residui dei fanghi, poiché questi, andando a depositarsi sui dischi, ne determinavano il consumo precocissimo. Inoltre, il vascone precedentemente realizzato richiedeva tempi eccessivamente lunghi per la separazione delle acque chiare dai fanghi, non in grado di coprire le esigenze di un intero turno produttivo (la linea di taglio richiede un elevato consumo di acque di raffreddamento). Si è quindi proceduto a riprogettare un nuovo sistema di recupero e separazione del materiale abrasivo dall’acqua chiara che, tramite un sistema di vasche collegate tra loro, permetterà di lavorare in continuo alimentando l’impianto di taglio con acque chiare e l’impianto di profilatura con i fanghi di lavorazione.

Le vasche in acciaio sono attualmente in corso di fornitura, dopodiché si procederà alla fase di assemblaggio del nuovo impianto di separazione.

Tra dicembre 2007 e gennaio 2008 è stato installato l’impianto di raccolta fanghi e decantazione in continuo (FIG. 10). Composto da 4 vasche, i fanghi aziendali vengono inviati dalla cisterna di raccolta interrata alla vasca n. 1 (quella a destra), da cui defluiscono alle altre vasche perdendo, per decantazione, il materiale abrasivo. In tal modo, dalla vasca n. 1 i reflui contenenti alte quantità di abrasivo vengono inviati all’impianto di profilatura, e le acque praticamente prive di abrasivo prelevate dalla vasca n. 4 sono utilizzate per raffreddare i dischi di taglio. Le prove finora effettuate hanno mostrato che, con tale impianto, è possibile assicurare un’alimentazione in continuo per l’intera linea dimostrativa, anzi è necessario utilizzare l’intera produzione aziendale di fanghi, incrementando il tal modo l’efficacia ambientale del progetto.

Fig9-bis

Nello stesso periodo, si è individuato nel poliossimetilene il materiale polimerico più idoneo con il quale realizzare le nuove mole. (FIG. 10) Tale materiale, altamente lavorabile alle macchine utensili, permette di realizzare una intera mola in poliossimetilene, e non solo ricoprirne un supporto, evitando in tal modo i problemi causati dalla caratteristica di scarsa adesione dei polimeri. Le prove effettuate hanno dato buoni risultati, pertanto si è provveduto alla realizzazione della linea dimostrativa finale.

Fig10-bis

In estrema sintesi, la linea è composta dai seguenti impianti principali:

  • impianto per la raccolta dei fanghi di lavorazione e per la separazione in continuo delle acque chiare dai fanghi abrasivi (FIG. 9)
  • impianto di taglio delle piastrelle ceramiche, per l’ottenimento di listelli delle dimensioni volute (FIG. 11)
  • impianto di profilatura, per l’ottenimento di bull-nose dai listelli precedentemente tagliati (FIG. 12)

Si sono inoltre installati gli impianti accessori, quali l’impianto di carico automatizzato, l’impianto di movimentazione del prodotto durante la lavorazione, il sistema automatizzato di recupero degli scarti, l’impianto di impilatura e scarico del prodotto finito, e realizzati i necessari impianti pneumo-idraulici per le acque chiare e i fanghi di abrasione.

Al fine di chiarire meglio la composizione della linea dimostrativa integrata di taglio e profilatura ed il funzionamento del nuovo sistema, potete vedere un filmato preliminare:

Con l’ottenimento della linea dimostrativa, nella sua conformazione definitiva, è stato possibile avviare la fase di test e sperimentazione finale, che hanno permesso la messa a punto dell’impianto e la definizione dei parametri ottimali di funzionamento.
Dalle prove effettuate si sono verificati alcuni aspetti, che rendono ancor più interessante l’applicazione del nuovo sistema per la realizzazione del bullnose:

l’impianto, per un corretto funzionamento in continuo, necessita di una elevata quantità di acqua e di fanghi abrasivi. Per sopperire al suo fabbisogno è necessario riutilizzare l’intera produzione aziendale di fanghi con un elevato contenuto d’acqua che, per non rallentare i tempi di lavorazione, devono essere spruzzati ad una elevata pressione.

Le prove effettuate durante la ricerca di soluzioni alternative per l’individuazione di mole passive da utilizzare con i fanghi abrasivi, hanno mostrato la possibilità di utilizzare efficacemente anche le mole esauste, prolungandone la vita utile: in questo modo è possibile ridurre la produzione di tali rifiuti nelle linee di lavorazione non interessate direttamente dal progetto.

L’esito delle sperimentazioni ha permesso di valutare che, specialmente in presenza di tipologie di prodotti di lavorazione con un elevato grado di durezza (ad esempio il gres porcellanato) è preferibile l’utilizzo combinato di mole esauste e polimeriche, demandando alle prime il compito di effettuare le fasi di maggiore asportazione di materiale e alle seconde quello di rifinire il prodotto; ciò permette di ottenere ottimi risultati di prodotto e ridurre al minimo l’impatto ambientale dell’intero ciclo produttivo, con minimizzazione dei rifiuti.
Dall’analisi e dalle prove di cottura effettuate presso laboratori di terzi è stato evidenziato che, a causa dell’elevato contenuto in rame, i fanghi non possono essere utilizzati per la realizzazione di prodotto ceramico a vista, ma possono essere utilizzati quali inerti.

Cliccando qui, potete scaricare il pieghevole divulgativo del Progetto Eco Bull-nose