Cooling dies with liquid nitrogen Raffreddare le matrici con l`azoto

technologies
Cooling dies with liquid nitrogen
Raffreddare le matrici con l'azoto liquido
Massimo Bertoletti, [email protected]
Leonardo Galli, [email protected] - Giampiero Valenti, [email protected]
For more than 25 years there has
been discussion about the use of
nitrogen in the aluminium extrusion process. With this article
we wish to add our contribution
to back a technology with enormous potential for the extrusion
process. Currently the majority
of extruders use gaseous nitrogen, essentially due to its ease
of use in this state, while the
use of liquid nitrogen at very low
temperatures seems to be more
complex.
Nitrogen has two unusual properties: it is an inert gas and it is
liquid at very low temperatures,
therefore with the capacity to
yield an enormous amount of
frigories. Taking advantage of
just the inertizing property in an
extrusion process is a restrictive and expensive choice. The
costs related to system set-up,
its maintenance and nitrogen
consumption are not easily amortized, and the only real advantage is to obtain profiles with a
glossier surface given that aluminium devours large amounts
of oxygen during the extrusion
process. The elimination of oxygen produces a reduction of surface oxides which cause the low
lustre of extruded products.
Taking advantage of the cooling property of liquid nitrogen
is absolutely the best possible
solution, because in this way
the productivity of dies can be
improved by several percentage
points. Moreover, the correct
management of the temperature
of the dies working surfaces prevents surface defects caused by
The Incal system with N5Nitrogen
increases extrusion productivity
Il sistema Incal integrato con N5Nitrogen
aumenta la produttività nell'estrusione
overheating. In addition to these
advantages better surface quality is added anyway thanks to the
inertizing effect.
How to make the most of liquid
nitrogen properties
In simple terms, the heat developed during the transformation of
a billet into a profile is a function
of the speed of extrusion. The
temperature of each alloy must
be kept within an established
range during the extrusion process; going out of these limits and
in particular exceeding the maximum temperature results in an
increase of surface defects and
lack of metallurgical homogeneity of the extruded piece.
Da più di 25 anni c'è un'aperta
discussione sull'utilizzo dell'azoto nel processo di estrusione
dell'alluminio. Con questo articolo vogliamo portare un contributo per favorire l'utilizzo di una
tecnologia con enormi potenzialità per il processo di estrusione.
Attualmente la maggioranza
degli estrusori utilizza azoto in
forma gassosa, mentre l'uso di
azoto in forma liquida a bassissime temperature è apparentemente più complesso.
L'azoto ha di per sé due proprietà peculiari: l'essere un gas inerte ed essere sottoforma liquida a
bassissime temperature, quindi
con la possibilità di cedere una
enorme quantità di frigorie. Uti-
lizzare, nell'estrusione, solo la
caratteristica inertizzante è una
scelta limitativa e costosa. Il costo iniziale dell'impianto, la sua
manutenzione e il consumo di
azoto vengono difficilmente ammortizzati, e l'unico vantaggio
reale è quello di ottenere profili
con una superficie più lucida,
in quanto, essendo l'alluminio
durante l'estrusione un grande
divoratore di ossigeno, eliminare l'ossigeno significa ridurre gli
ossidi superficiali causa della
bassa lucentezza degli estrusi.
Utilizzare la proprietà refrigerante dell'azoto liquido è la miglior
soluzione possibile, perché in
questo modo abbiamo la possibilità di aumentare la produttività delle matrici di parecchi punti
percentuali. Inoltre, un corretto
controllo della temperatura dei
piani di lavoro delle matrici, impedisce la formazione dei difetti
superficiali causati da surriscaldamento. A questi vantaggi si
aggiunge quello della miglior
qualità superficiale, dovuto all'effetto inertizzante, come conseguenza naturale della coda
del processo e a costo zero.
Come sfruttare al meglio le
proprietà dell'azoto liquido
Il calore sviluppato durante la
trasformazione da billetta a
profilo, semplificando, è funzione della velocità di estrusione.
Ogni lega, durante il processo
di estrusione, deve mantenere
la temperatura di lavoro entro
limiti stabiliti; uscire da questi
limiti e in particolare superare la
massima temperatura significa
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alluminio e leghe
103
Having proper control of the temperature of the working surfaces
means being able to increase the
extrusion speed until reaching the
correct extrusion temperature.
In diagram below the process just
described is presented.
Fig. A - extrusion without nitrogen
at normal speed.
Fig. B - extrusion without nitrogen
at higher speed.
Fig. C - extrusion with liquid nitrogen at higher speed.
The Incal system manages the
fundamental parameters: temperature and pressure
The temperature and pressure of
liquid nitrogen are fundamental
parameters during its injection
in the die unit; the correct management of these parameters is
the starting point to achieve improved productivity and quality.
The Messer Group Incal system
was designed to guarantee maximum temperature and pressure
stability which is critical for the
perfect operation of the entire
cooling system. The liquid nitrogen contained in the cryogenic
tank outside the plant transits
through pipes that even if well insulated or placed in vacuum environments yields some frigories
in the process and arrives at the
die unit with a temperature not
perfectly suitable for the proper
cooling of the die's working surfaces. The Messer Group therefore developed a system, Incal,
to further cool the liquid nitrogen
just before the press through a
suitable isolated container called
'subcooler' which guarantees the
right temperature of the nitrogen
for the extrusion process (see
the figure of next page).
Subdie and die cooling lines
with new criteria
A well designed cooling line is
very important as the lines are
useful for two objectives: the first
is to transmit frigories to lower
the temperature of the running
surfaces, the second is to uniformly distribute the frigories to
all the die openings, thus enabling equal extrusion speed from
all the openings. In the last figure
the design of a cooling line is
represented. The element that
stands out is that this cooling
line is not symmetrical and has
different dimensions in contrast
with those designed to be used
with gaseous nitrogen.
The inclusion of subdie and die
cooling lines for the management
of liquid nitrogen requires new
knowledge both from the die and
the adjustment tool manufacturers. This knowledge, developed
by Messer laboratories and improved during real extrusion applications with the collaboration
of die and adjustment tools manufacturers, is the state of the art
of the know-how currently available. The Messer technicians are
able to provide the necessary
know-how to the die adjustment
unit of the company, thus providing the client full autonomy in the
cooling line adjustment process.
In recent months research have
been conducted to develop cooling lines for different types of alloys and cooling lines able to cool
surfaces of the die particularly
stressed by high temperatures.
Other internal cooling lines for
mandrels are also being developed, in particular for hard alloys
with low extrudability features.
Precise regulation of liquid
nitrogen is critical for a quality
process
Managing the liquid nitrogen with
104
ALUMINIUM AND ITS ALLOYS
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aumentare i difetti superficiali e
la disomogeneità metallurgica
dell'estruso. Controllare la temperatura dei piani di lavoro significa poter aumentare le velocità
di estrusione fino a raggiungere
la corretta temperatura.
Nello schema a fondo pagina è
evidenziato il processo appena
descritto.
Fig. A - estrusione senza azoto
a velocità normale.
Fig. B - estrusione senza azoto
a maggiore velocità.
Fig. C - estrusione con azoto liquido a maggiore velocità.
Il sistema Incal gestisce i parametri fondamentali: temperatura e pressione
La temperatura e la pressione
dell'azoto liquido sono parametri fondamentali durante il suo
inserimento nel pacco matrice;
la gestione corretta di questi
parametri è il punto di partenza
per ottenere aumenti di produttività e qualità. Il sistema Incal di
Messer Group è stato progettato
per garantire la massima stabilità di questi parametri, necessari
al perfetto funzionamento di tutto il sistema di raffreddamento.
L'azoto liquido contenuto nel
serbatoio criogenico esterno
allo stabilimento cede comunque delle frigorie ed al suo arrivo al pacco matrice ha una
temperatura non perfettamente
idonea all'ottenimento di un corretto raffreddamento dei piani
di lavoro della matrice. Messer
Group ha adottato un sistema
di ulteriore raffreddamento dell'azoto liquido, Incal, che avviene a bordo pressa tramite un
opportuno contenitore isolato,
definito 'subcooler', che garantisce di ottenere una temperatura
dell'azoto in grado di soddisfare
tutte le necessità (vedi schema
nella pagina seguente).
Canalizzazione di sottomatrici
e matrici con nuovi criteri
Una canalizzazione progettata
correttamente è molto importante, in quanto i canali servono per
due obiettivi: il primo è quello di
trasmettere le frigorie per diminuire la temperatura dei piani di
scorrimento, il secondo è quello
di distribuire uniformemente le
frigorie cedute a tutte le luci della matrice, così da permettere
una uguale velocità di estrusione per tutte le luci. Nella figura
a pag.106 è rappresentato un
disegno di canalizzazione.
L'elemento che balza all'occhio
è che questa canalizzazione
non è simmetrica e ha dimensioni diverse a differenza di quelle
progettate per l'utilizzo dell'azoto gassoso. L'introduzione delle
canalizzazioni delle sottomatrici
e delle matrici per la gestione
dell'azoto liquido necessita, sia
da parte del costruttore di matrici che del correttore, di nuove
conoscenze. Queste conoscenze, nate nei laboratori Messer
e migliorate nelle applicazioni
concrete in estrusione, sono lo
stato dell'arte del know-how attualmente disponibile. I tecnici di
Messer, insieme ai costruttori di
matrici, sono in grado di dare il
know-how necessario al reparto
correzione matrici dell'azienda,
così da permettere la piena autonomia del cliente nella messa
a punto delle canalizzazioni.
In questi mesi si stanno effettuando prove e ricerche per
mettere a punto canalizzazioni
per differenti tipologie di leghe
e canalizzazioni in grado di raffreddare zone particolarmente
sollecitate da temperature elevate nei piani di scorrimento.
Si stanno inoltre studiando e
provando canalizzazioni interne
per i mandrini, in particolare per
leghe dure a bassa estrudibilità.
Una regolazione precisa dell'azoto liquido è fondamentale
per la qualità del processo
Gestire la regolazione dell'azoto
liquido con valvole criogeniche di
tipo 'on-off', oltre ad un consumo
superiore di azoto, può produrre
difetti superficiali e l'impossibilità di utilizzare l'azoto liquido per
profili con rapporti di forma criti-
technologies
cryogenic 'on-off' valves, besides
resulting in greater nitrogen consumption, can produce surface
defects and the impossibility of using liquid nitrogen when
processing profiles with critical
form ratios. To avoid these problems the solution is the use of a
pneumatic cryogenic valve able
to manage the flow of liquid nitrogen with precision.
The choice of the cryogenic valve
was made by Messer Group taking into account the reliability and
the flow adjustment speed.
The proper management of the
nitrogen capacity takes on particular importance given that
different regulations are necessary according to the design
of the profile, the die, the alloy, the speed, the mechanical
characteristics to be obtained,
the temperatures, the pressures
and other useful parameters for
successful management of the
process. Additionally, a pneumatic cryogenic valve rationalizes nitrogen consumption with
significant cost savings in the
management of the process.
Automatic feeding lance to increase productivity and safety
With the aim of minimizing wasted time and to guarantee higher
safety levels, an automatic feeding system synchronized with the
press movements was designed.
The system is able to work at the
very low temperatures (down to
-195 °C) of liquid nitrogen without
blocks or interruptions and is also
able to guarantee a perfect seal
between the nitrogen feeding
lance and the die unit.
Reproducibility and continuous improvement of the process: real and easy to use
With the integration of Incal and
N5Nitrogen technology the use
of liquid nitrogen for the cooling
of extrusion dies becomes real
and is able to increase productivity and quality beyond any
expectation. The know-how created by the integration of the two
technologies is characterized
by its great ease of use and the
certainty about the continuous
improvement of the process.
The most important parameter
to configure is the profile output temperature, minimum and
maximum, and the relative tolerances. During the extrusion of
the first billets the parameters
to be configured are the extrusion speed, even variable during the processing of the billet
itself, and the flow of nitrogen
inside the die which allows the
control of the profile output temperature, maintaining it within the
pre-established range. During
the extrusion of the first and the
second billets all parameters for
the system PLC are saved which
will be used for the ongoing and
subsequent extrusions.
During the extrusion the operator
must only monitor the process
through the instruments installed
on the N5Nitrogen dashboard.
N5Nitrogen also has a 'black
box' which records the data of
each billet, hundreds of data
and graphics, guaranteeing in
this way perfect traceability and
providing the possibility to study
and analyse the process for better comprehension of the most
critical points and to propose
improvements to the process.
The results
Increase of speed and productivity
The extrusion speed can be increased from 10% to more than
50%; the following are some examples with different alloys.
Profile 1 opening, open, alloy
2011, weight 8050 gr/m - speed
increase 100%.
Profile 2 openings, open, alloy
6026, weight 4610 gr/m - speed
increase 80%.
Profile 2 openings, open, alloy
6082, weight 3780 gr/m - speed
increase 20%.
Profile 1 opening, closed, alloy
7020, weight 8430 gr/m - speed
increase 25%.
Profile 4 openings, alloy 6060,
ci. Per evitare questi problemi la
soluzione è l'utilizzo di una valvola criogenica pneumatica che
riesca a gestire con precisione il
flusso di azoto liquido. La scelta
della valvola criogenica è stata
effettuata da Messer Group tenendo conto dell'affidabilità e
della velocità di regolazione. La
corretta gestione della portata
di azoto assume una grande
importanza in quanto sono necessarie differenti regolazioni in
funzione del disegno del profilo,
della matrice, della lega, della
velocità, delle caratteristiche
meccaniche da raggiungere,
delle temperature, delle pressioni e di altri parametri utili alla
corretta gestione del processo.
Inoltre l'utilizzo della valvola
criogenica pneumatica determina una razionalizzazione nei
consumi di azoto con importanti
risparmi nei costi gestionali.
Lancia di alimentazione automatica per aumentare produttività e sicurezza
Per ridurre al massimo le possibili perdite di tempo e garantire
i maggiori livelli di sicurezza, è
stato progettato un sistema di
alimentazione automatico sincronizzato con i movimenti della
pressa in grado di poter lavorare alle bassissime temperature
dell'azoto liquido (fino a -195 °C)
senza blocchi ed interruzioni,
tale da poter garantire una perfetta tenuta tra la lancia di immissione azoto ed il pacco matrici.
stare è la temperatura, minima e
massima, di uscita del profilo e
le relative tolleranze.
Durante l'estrusione delle prime
billette i parametri da impostare
sono velocità di estrusione, anche variabile durante la stessa
billetta, e flusso di azoto all'interno della matrice, parametro che
permette di controllare la temperatura di uscita del profilo, mantenendola all'interno dei limiti
prestabiliti. Durante l'estrusione
della prima e della seconda billetta vengono impostati e salvati
tutti i parametri dei PLC dell'impianto, parametri che verranno
utilizzati durante l'estrusione e
nelle estrusioni successive.
Durante l'estrusione l'operatore
deve solo controllare il processo
con gli strumenti offerti dal cruscotto di N5Nitrogen.
N5Nitrogen possiede anche la
'scatola nera', consistente nell'archiviazione, per ogni billetta,
di centinaia di dati e grafici, così
da poter garantire una perfetta
rintracciabilità e possibilità di
studio e analisi per comprendere i punti più critici e proporre
miglioramenti al processo.
I risultati
Aumento di velocità e produttività
La velocità di estrusione può essere aumentata dal 10% a oltre
il 50%; qui sotto riportiamo alcuni esempi con differenti leghe.
Profilo 1 luce, aperto, lega 2011,
peso 8050 gr/m - incremento di
Riproducibilità e miglioramento continuo del processo: una
realtà di facile utilizzo
Con l'integrazione della tecnologia Incal e N5Nitrogen, l'utilizzo
dell'azoto liquido per il raffreddamento delle matrici di estrusione
diventa una realtà in grado di
incrementare produttività e qualità. Il know-how prodotto dall'integrazione delle tecnologie citate
è la grande semplicità di utilizzo
e la certezza di un continuo miglioramento del processo.
Il parametro principale da impo-
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alluminio e leghe
105
weight 720 gr/m - speed increase
25%.
Profile 2 openings, alloy 6060,
weight 870 gr/m - speed increase
20%.
Profile 2 openings, alloy 6060,
weight 858 gr/m - speed increase
12%.
The overall increase in productivity verified at the location of one
of our clients after 8 months of
production was calculated to be
greater than 20%.
Example: 6000 tonnes/year,
20% of 6000 = 1200 tonnes/year
of greater production.
Decreased waste due to surface
defects
The entirety of surface defects
caused by overheating of the
work surface is eliminated,
considering: -25%, waste determined by overheating and 6%, total of the waste excluding
technical waste.
Example: 6000 tonnes/year, 6%
of 6000 = 360 - 25% of 360 = 90
tonnes/year of greater production.
Longer productions with decreased die changes
The data verified at our disposition for this type of test refer to
alloy 2011 and 7020. For the
alloy 2011 the number of consecutive billets without the appearance of surface defects and
with the increments of speed
reported in point 1 is from 4 to
8 times greater. For alloy 7020
the number of consecutive billets
after which the mandrel cracked
was equal to 6-7 billets. With
the Incal and N5nitrogen system
there were more than 20 billets
without cracking of the mandrel
and with increments of speeds
greater than 20%.
Liquid nitrogen consumption
The consumption obviously depends on the hours of use of the
Incal system and all the other
parameters of the process, such
as the type of alloy used, type
of profile produced, etc., but our
experience and the numerous
installations conducted across
Europe have led us to calculate
106
some general data that can contain all the different production
types: average nitrogen capacity: approximately 50/70 kg/h;
average consumption: 100,000
kg/year per shift per press.
Future objectives
Since the beginning of the collaboration between the Messer
Group technicians and A.t.i.e. Uno
Informatica with different clients,
die manufacturers, production
technicians, and adjustment tool
manufacturers, the results have
been extremely positive and the
future is expected to be very rosy
and rich with great prospects.
With the engineering and the
circulation of this technology
advances in extrusion will be
extremely interesting and we
think that increases in productivity greater than 20% will be easily
reached. Our R&D certainly does
not stop at today's results and in
the coming years we have much
more work to do together. The
first was the signing of a technological collaboration agreement
of between A.t.i.e. Uno Informatica and Messer Group; other
studies are and will be dedicated,
for example, to the canalization
of the mandrels, the minimisation
of the defects caused by different
temperatures on the profile, to
the continuous improvement of
the stability of the process.
The main reason for the successes, those already reached
and those in the future, is being
able to create an efficient team,
where everyone is able to make
their own different skills available
to the others for the attainment of
the established objectives.
ALUMINIUM AND ITS ALLOYS
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velocità 100%.
Profilo 2 luci, aperto, lega 6026,
peso 4610 gr/m - incremento di
velocità 80%.
Profilo 2 luci, aperto, lega 6082,
peso 3780 gr/m - incremento di
velocità 20%.
Profilo 1 luce, chiuso, lega 7020,
peso 8430 gr/m - incremento di
velocità 25%.
Profilo 4 luci, lega 6060, peso 720
gr/m - incremento di velocità 25%.
Profilo 2 luci, lega 6060, peso
870 gr/m - incremento di velocità 20%.
Profilo 2 luci, lega 6060, peso 858
gr/m - incremento di velocità 12%.
L'aumento di produttività complessiva verificata presso un
nostro cliente dopo 8 mesi di
produzione è stata calcolata
maggiore del 20%. Es: 6000 ton
anno, 20% di 6000 = 1200 ton
anno di maggiore produzione.
Diminuzione scarti per difetti superficiali
La totalità dei difetti superficiali
causati dal surriscaldamento dei
piani di lavoro viene eliminata,
considerando: -25%, scarto determinato dal surriscaldamento
e -6%, totale degli scarti escluso
lo scarto tecnico. Es: 6000 ton
anno, 6% di 6000 = 360 - 25%
di 360 = 90 t anno di maggiore
produzione.
Produzioni più lunghe con diminuzione dei cambi matrici
I dati verificati a nostra disposizione per questo tipo di test sono
riferiti alla lega 2011 e 7020. Per
la lega 2011 il numero di billette
consecutive senza inizio di comparsa di difetti superficiali e con
gli incrementi di velocità riferiti al
punto 1 è da 4 a 8 volte superiore. Per la lega 7020 il numero
di billette consecutive dopo le quali il
mandrino cedeva
era pari a 6-7 billette. Con il sistema
Incal e N5nitrogen
si sono superate
le 20 billette senza cedimenti del
mandrino e con incrementi di velocità
superiori al 20%.
Consumi di azoto liquido
Sono ovviamente variabili in
funzione delle ore di utilizzo del
sistema Incal e di tutti gli altri
parametri del processo, quali
tipologia della lega utilizzata, tipologia del profilo prodotto, etc.,
ma la nostra esperienza e le numerose installazioni effettuate in
tutta Europa, ci hanno portato a
calcolare alcuni dati di massima
che possono racchiudere tutte le
diverse tipologie produttive: portata media di azoto: circa 50/70
kg/h; consumo medio: 100.000
kg/anno per turno per pressa.
Obiettivi futuri
Dall'inizio della collaborazione
tra i tecnici di Messer Group e
A.t.i.e. Uno Informatica con vari
clienti, costruttori di matrici, tecnici della produzione, correttori, i
risultati sono stati estremamente
positivi e, vista la grande potenzialità di questa tecnologia, il futuro si preannuncia assai roseo
e ricco di grandi prospettive.
Con l'ingegnerizzazione e la
diffusione di questa tecnologia
riteniamo di poter raggiungere
agevolmente aumenti di produttività superiori al 20%.
La nostra ricerca e sviluppo non
si ferma certo ai risultati odierni
e per i prossimi anni abbiamo
molti altri passi da compiere insieme. Il primo è stata la firma
di un accordo di collaborazione
tecnologica tra A.t.i.e. Uno Informatica e Messer Group; altri studi sono e saranno dedicati, per
esempio, alla canalizzazione dei
mandrini, alla minimizzazione
dei difetti causati da differenti
temperature sul profilo, al continuo miglioramento della stabilità
del processo. Riteniamo che il
motivo principale dei successi,
già raggiunti e futuri, sia quello di essere stati capaci di costruire un team efficiente, dove
ognuno è in grado di mettere a
disposizione degli altri le proprie differenti competenze per
il raggiungimento degli obiettivi
prefissati.