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High-performing rollers for large size tiles Heinz Pöhlmann - Diamorph Hob Certec (Pilzen, Czech Rep.) Rulli ad alte prestazioni per grandi formati The requirements for a gentle transport of the tiles in the roller kiln have grown considerably due to the worldwide trend towards both large-size tiles (up to laminar sheets measuring mm 3000 x 1000 mm with 3 mm thickness) and different thicknesses (from very thin to very thick). That also applies to the firing of “sandwich” structures, tiles to which a decorative surface has already been applied in the press. Roller kilns were originally equipped only with one grade of ceramic rollers. More than ten years ago, roller kiln manufacturers switched to mixed rollers, giving the reason that cheaper and less stiff rollers are sufficient for the preheating zone. It should be noted that the cost share of the rollers accounts for max. 0.5–1% of the manufacturing costs of the tiles, therefore the potential saving achievable with less performing rollers is marginal, while, on the other hand, the risk to produce a lower tile quality should be considered. Hyperroll Dense Nano L’esigenza di trasportare le piastrelle nel forno a rulli senza danneggiarle è aumentata considerevolmente da quando si è imposta, in tutto il mondo, la tendenza a produrre piastrelle di grande formato (fino alle lastre da 1 x 3 metri e 3 mm di spessore), o per la crescente domanda di materiali ceramici di diverso spessore, da molto sottili a rinforzati. Lo stesso vale per la cottura di strutture “a sandwich”, ovvero piastrelle con strati decorativi già applicati nella pressa. Originariamente, i forni a rulli venivano allestiti con un’unica tipologia di rulli ceramici. Da oltre dieci anni i produttori di forni sono gradualmente passati a una composizione mista, giustificando la scelta col fatto che nella zona di preriscaldo bastano in realtà rulli più economici e meno resistenti alla flessione. Va notato, tuttavia, che il costo dei rulli costituisce al massimo lo 0,5-1% dei costi di produzione delle piastrelle, ragion per cui il potenziale risparmio ottenuto con l’impiego di rulli meno performanti risulta marginale, oltre al rischio di conseguire l’effetto contrario, se la qualità delle piastrelle si abbassa a causa dell’utilizzo di rulli economici. focus ON The Hyperroll Dense Nano is the latest type of ceramic roller for roller kilns developed by Diamorph Hob Certec, and in a Hyperroll Dense Nano very short time has already reached 25% of the company’s production volume. This new range of rollers is the result of a Hyperroll Dense Nano è il più recente tra i rulli ceramici svilupcareful analysis of the processes occurring in the preheating pati da Diamorph Hob Certec, e in breve tempo ha già raggiunzone of the kiln. The reto circa il 25% del volume search has proven that 1. Performance of standard rollers and hyperroll dense nano in the produttivo totale dell’apre-heating zone / Comportamento dei rulli standard e di Hyperroll the causes of the dezienda. Dense Nano nella zona di preriscaldo fects related to planarity La nuova gamma di rulli è (unevenness) lie in this nata da uno studio attenarea, due to the unto dei processi che avvensteady run of the “belt of gono in fase di preriscaltiles” through the kiln. A do. Ne è emerso che le simulation program decause dei difetti di planaveloped by Skoda Rerità cominciano proprio search was used for the in questa zona, per lo TAB 1. CHARACTERISTICS OF CERAMIC ROLLERS Parametri dei rulli ceramici Density/Weight Open porosity Bending strength Resistenza a flessione Modulo di elasticità MOE Roughness Rt [kg/cm3]/[kg] (roller: mm 45 x 35 x 3500) % 20°C/1250°C [MPa] 20°C/1250°C [GPa] [µm] Hyperroll Dense Nano 2.5/5.5 0 100/80 120/50 15 Standard 2.6/6.0 22 40/30 60/35 50-60 Best roller 2.9/6.4 17 80/75 80/45 40-50 Densità/peso 8 6 50 C eramic mic W Worl orld d Review Review n. n. 107/ 107/2014 2014 Cera Porosità aperta Rugosità Rt focus on forming, drying and firing 2. Comparison of the misalignment of the tile running on the test rollers at RT / Confronto fra il disallineamento di un carico di piastrelle coi rulli testati sul piano di scorrimento first test, followed by further tests on a 6.3 m long roller table fitted with 86 rollers with a length of 3.9 m. The research showed that even at room temperature and over a length of just 6 m, standard rollers with higher surface roughness and higher bending determine a misalignment of the tiles which is 20 mm higher than with the Hyperroll Dense Nano (Fig. 1–2). 3. Comparison of the roller sagging on loading with 10 Kg Confronto tra la freccia dei rulli con un carico da 10 kg Properties of the Hyperroll Dense Nano scorrimento non uniforme delle piastrelle attraverso il forno. Dapprima con l’impiego di un simulatore realizzato da Škoda Research, e successivamente utilizzando un piano di scorrimento lungo 6,3 m con 86 rulli lunghi 3,9 m, si è mostrato empiricamente che anche a temperatura ambiente, su una lunghezza di soli 6 m, il disallineamento delle piastrelle è di 20 mm superiore se anziché rulli Hyperroll Dense Nano si utilizzano rulli standard, più ruvidi e che flettono maggiormente (fig. 1-2). Le proprietà di Hyperroll Dense Nano Hyperroll Dense Nano is densefired, has a smooth surface and features a modulus of elasticity of 120 GPa combined Hyperroll Dense Nano è greificato, presenta una superficie with very good bending strength, which distinguish it submolto liscia e si distingue per il suo modulo di elasticità da 120 stantially from competitive products (Fig. 3/Tab. 1). Goal of GPa, unito a un’ottima resistenza a flessione (fig. 3/ tab. 1). the R&D activity was also to develop a product with an exOltre a tali aspetti, nello sviluppo di questo prodotto si è cercacellent price / performance ratio, as for both the cost of to anche di ottenere un ottimo rapporto qualità-prezzo, che si acquisition and the operating costs. With the reduced speesprime nei costi di esercizio oltre che in quelli di acquisto. Il ricific weight of the new material, the weight of the rollers is dotto peso specifico del nuovo materiale fa sì che il peso dei almost 20% lower than that of rollers of comparable size. rulli, a parità di dimensioni, sia inferiore quasi del 20%. Ciò miThat improves the energy efficiency of the system, as less gliora il rendimento energetico del sistematerial has to be heated up or ma, poiché vi è meno materiale da riscalcooled. The new roller is outstanding 4. COMPARISON OF THE TILE MOVEMENT ON THE MIDDLE OF THE ROLLERS IN dare e raffreddare. Il nuovo rullo ha both in its cold and hot-running propTHE PRE-HEATING ZONE / Confronto fra proprietà che offrono elevate prestazioerties (20 °C/ 1250 °C). It features only il movimento delle piastrelle al centro ni sia alle alte che alle basse temperature very low bending on loading over dei rulli nella zona di preriscaldo (20°C/ 1250°C). the width of the kiln. The bending trial Presenta una flessione estremamente riwith 10 kg load has showed that the dotta su tutta la larghezza del forno. Probending of standard rollers is about ve di resistenza a flessione, condotte con double that of the Hyperroll Dense un carico di 10 kg, hanno mostrato che la Nano (Fig. 3). This proves that the deflessione dei rulli standard è circa il dopformation of unfired tiles is already inpio rispetto a quella dell’Hyperroll Denduced in the preheating zone if the se Nano (fig. 3). Questo evidenzia come rollers used are not sufficiently stable nelle piastrelle non ancora cotte le de(Fig. 4). formazioni vengano indotte già nella In the cooling zone, the Hyperroll zona di preriscaldo se non si usano rulli Dense Nano ensures that the fired CeCe r am r am i ci cW W or or ldldR eRvi e vi ew e wn .n1. 0170/6/ 2 020 1414 87 12 focus on forming, drying and firing tiles arrive there flat (without undula- 5. Deformed tiles after firing in the roller sufficientemente stabili (fig. 4). tions or raised edges) at a steady adRelativamente alla zona di raffreddakiln / Piastrelle deformate dopo la vance speed (Fig. 5). Following the mento, Hyperroll Dense Nano fa sì che cottura nel forno a rulli injection of cool air in this zone of the le piastrelle, dopo la cottura, vi giungakiln, rollers with a lower thermal conno planari (senza ondulazioni o bordi riductivity can be deformed on the alzati) avanzando a una velocità uniforside of the hot gas. The ideal roller me. A seguito dell’immissione di aria material would without doubt be fredda, nella zona di raffreddamento i RSiC with its specific thermal conducrulli con una bassa conducibilità termica tivity of 1.5 W/m•K. The disadvansi deformano sul lato del gas caldo (fig. tage though is its extremely high 5). Il materiale ideale per i rulli sarebbe price, as well as the risk of heat being senza dubbio il RSiC, che ha una conduconducted too quickly to the extercibilità termica specifica di 1,5 W/m•K. nal metal adaptors, Gli svantaggi sono però il due to the same ex- 6. Installation of the Hyperrol Dense Nano in a ceramic tile roller kiln prezzo estremamente eletremely good thermal vato e il rischio che, proInstallazione dell’Hyperroll Dense Nano in un forno a rulli per values. For this reason, prio in virtù degli ottimi piastrelle the company had first valori termici, il calore developed the Supervenga condotto troppo springroll range of rollvelocemente agli adattaers, which were ground tori metallici esterni. Iniafter firing to minimize zialmente, per questo the contact surfaces to scopo era stata sviluppata support the tiles; the rela gamma di rulli Supersearch to develop the springroll, rettificati dopo material with clayla cottura per ridurre al bonded SiC (40–60%) minimo la superficie di was not further purcontatto necessaria a supsued, as only a specific portare le piastrelle. La rithermal conductivity of cerca sul materiale con 1.5 W/m•K can be SiC legato all’argilla (40achieved with these 60%) non è proseguita, vigrey-looking rollers. For sto che con questi rulli the cooling zone, the dall’aspetto grigiastro si oxide-based Hyperroll può ottenere al massimo RSZ is now recommended (Fig. 6), which has a specific una conducibilità termica specifica di 1,5 W/m•K. Per la zona di thermal conductivity of 4.5 W/m•K (Hyperroll Dense Naraffreddamento, pertanto, viene raccomandato ora l’Hyperroll no’s specific thermal conductivity is 2.5 W/m•K). RSZ a base ossidica (fig. 6), che presenta una conducibilità terAdvantages Thanks to their high modulus of elasticity combined with the high bending strength, these rollers can transport very thin (anyway very heavy) large-size tiles through the kiln without displacement and deformation. The dense microstructure and the smooth surface of the rollers are very resistant against chemical attack and prevent high-alkali vapors penetrating into the roller and leading to corrosion. Parallel to the increase of the kilns’ width, rollers become longer and the reduced weight of the Hyperroll Dense Nano becomes a real advantage when equipping the kilns. The extremely smooth surface of the rollers (roughness: 15 µm) also prevents the engobed underside of the tile being damaged (Fig. 7). It has been shown that Hyperroll Dense Nano can reach a one-year lifetime without the need to clean the rollers from caked deposits, providing the customers professionally keep the rollers clean according to recommendations. These results have been achieved thanks to a body formulation strengthened with nanoparticles. In this way, it 88 C era mic W orl d Review n. 107/ 2014 mica di 4,5 W/m•K (la conducibilità termica specifica di Hyperroll Dense Nano è 2,5 W/m•K). Ulteriori vantaggi Grazie all’elevato modulo di elasticità, unito all’alta resistenza a flessione di questi rulli, le piastrelle di grande formato, molto sottili ma anche molto pesanti, vengono trasportate attraverso il forno senza disallineamenti né deformazioni, in tutta sicurezza. La microstruttura densa e la superficie liscia dei rulli resistono molto bene agli attacchi chimici e impediscono che i vapori alcalini penetrino nei rulli innestando fenomeni corrosivi. Con l’ampiezza dei forni aumenta anche la lunghezza dei rulli, dunque anche il peso ridotto dell’Hyperroll Dense Nano diventa un vantaggio al momento di allestire i forni. La superficie estremamente liscia dei rulli (rugosità: 15 µm) impedisce anche che venga danneggiato l’engobbio sulla superficie inferiore delle piastrelle (fig. 7). Si è già potuto dimostrare che, seguendo le raccomandazioni in tema di pulizia e manutenzione, si possono utilizzare i rulli Hyperroll Dense Nano per un anno di seguito senza doverli ripulire dalle sedimentazioni depositate su di essi. Questi risultati sono stati raggiunti grazie a una formulazione 7. Comparison of microstructure and roughness at the surface of the roller Confronto della microstruttura e della rugosità sulla superficie dei rulli was possible to design an optimized roller in respect of its physical, thermo physical and chemical properties, offering an optimum solution with regard to investment and operating costs for most applications - especially when it comes to making large-size tiles that meet the require ments for first-grade products. del materiale rinforzata con nanoparticelle. È stato così concepito un rullo ottimale quanto a proprietà fisiche, termofisiche e chimiche, che rappresenta la soluzione per la maggior parte delle applicazioni anche dal punto di vista dei costi di investimento e di esercizio, in special modo per le produzioni di gran di lastre ceramiche. PUBB. CERAMICURE