Utilizzo del cavo nella lavorazione delle pietre

Fig. 1 - Filo diamantato per utilizzo come utensile da taglio (cortesia Cofi plast).

Fig. 1 – Filo diamantato per utilizzo come utensile da taglio (cortesia Cofi plast).

Il mercato lapideo 
Il contesto dello scenario globale evidenzia la estrema dinamicità del mercato lapideo, stimato crescere ad un tasso annuo di circa il 6-7% nel primo decennio del XXI secolo. Nell’ultimo triennio, invece, il rallentamento ha portato ad un consolidamento dei mercati maturi con una crescita nell’ordine del 5% annuo e una stima del 6% annuo medio fino al 2015. Si stima che il settore porterà le proprie dimensioni fino a circa 160 milioni di tonnellate annue estratte nel 2015. Lo sviluppo previsto per i prossimi anni sarà concentrato prevalentemente in Asia, ma anche in altri importanti paesi quali Brasile e Turchia che continueranno a crescere a fronte di un ruolo sempre minore per i principali produttori e consumatori Europei.

La costante crescita dei consumi sottolinea un bisogno continuo di miglioramento nell’efficienza produttiva, con particolare riferimento alla necessità di ridurre i grandi volumi di scarto che caratterizzano il settore.

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Fig. 2a – Una cava per l’estrazione del marmo a Carrara.

In questo contesto, le prospettive applicative del filo diamantato risultano estremamente attraenti. In effetti in questi anni si è assistito ad un rapido incremento nell’uso del filo diamantato che tuttavia rimane ad oggi confinato a meno del 20% delle lavorazioni estrattive in cava, ed a meno del 5% della prima lavorazione per la produzione di lastre.

Relativamente a pochi anni fa, la crescita di domanda del filo diamantato è stata comunque eccezionale, attestandosi ad un incremento relativo di oltre il 20% l’anno nel periodo 2001-2010. La crescita è continuata, seppure in modo meno evidente, negli anni successivi. Intorno al 50% del consumo mondiale di filo diamantato, stimato in circa 3000 km lineari, al 2010 è assunto essere nei paesi più sviluppati, principalmente in Europa, dove la penetrazione in cava si attesta intorno al 30%, ed in prima lavorazione oltre il 5%.

Fig. 2b - Segmentazione dei blocchi di marmo in una cava cinese.

Fig. 2b – Segmentazione dei blocchi di marmo in una cava cinese.

Tecnologie tradizionali di estrazione
Per la fase di estrazione dei blocchi lapidei dalla cava, la tecnologia prevalente è ancora oggi quella della rotopercussione accoppiata agli esplosivi (fig. 3). Questi sistemi di lavorazione sono caratterizzati da un elevato impatto ambientale. Polverosità, inquinamento acustico, scarsa ottimizzazione delle risorse non rinnovabili, scarti di materia prima elevati rendono questo processo di estrazione insostenibile in termini di eco-compatibilità.

Aspetto da non trascurare è inoltre il basso livello di sicurezza riservato agli operatori, che in relazione alla configurazione di tali processi, genera dei rischi non calcolabili, per i quali gli enti normativi stanno definendo normative particolarmente restrittive.

Negli ultimi 10-15 anni, l’utilizzo di esplosioni più controllate ha consentito una riduzione significativa dei rischi per gli operatori e dell’impatto ambientale del processo. Tali tecnologie però non consentono, a differenza di quelle basate sul filo diamantato, di realizzare miniere sotterrane con relativo bassissimo impatto ambientale e senza effetti evidenti sul territorio.

Fig. 3 - Taglio in cava dei blocchi di marmo mediante tecnologie a lama.

Fig. 3 – Taglio in cava dei blocchi di marmo mediante tecnologie a lama.

Tecnologie “a filo” per la estrazione
Per la fase di estrazione dei blocchi lapidei sono state sviluppate, grazie alla tecnologia del filo diamantato, applicazioni a basso impatto ambientale ed elevata sicurezza verso gli operatori (fig. 4). Questa tecnologia, tuttavia, vede le principali problematiche nel “sistema filo” in quanto , tale strumento non ha raggiunto un sufficiente sviluppo tecnologico. Si evidenziano infatti problemi relativi alla rigidezza, resistenza statica ed a fatica del cavo, ed in particolare si rilevano notevoli criticità nelle zone di giunzione di cavi che, dovendo in molti casi essere ripristinati in seguito a rotture, costituiscono punti di debolezza.

Tale limite è legato alla differenza sostanziale tra le giunzioni iniziali, realizzate in condizioni ottimali e quelle effettuate in cava dove, nonostante le attrezzature fornite all’operatore, il procedimento non è adeguatamente standardizzato.

Fig. 4 - Taglio in cava dei blocchi di marmo mediante utensile a fi lo.

Fig. 4 – Taglio in cava dei blocchi di marmo mediante utensile a filo.

Tecnologie tradizionali di trasformazione
La maggior parte dei lapidei (graniti, marmi, ecc.) viene impiegata sotto forma di lastre. La fase centrale della lavorazione dei lapidei è proprio la trasformazione in lastre dei blocchi estratti dalle cave. Questa operazione avviene in impianti di taglio denominati evocativamente ”segherie”. In fatti, per questa trasformazione si utilizzano, di solito, telai alternativi a lame multiple, molto simili ad enormi seghe industriali (fig. 5).

Questi impianti, per gli altissimi costi di installazione sono di difficile ammortamento e sostituzione. La struttura tipica è costituita dal telaio orizzontale accoppiato ad un sistema a biella-manovella. La struttura a portale è costituita da due colonne unite alla sommità da una traversa. Lungo le due colonne scorrono verticalmente delle slitte che fungono da guida orizzontale per il movimento della lama. Man mano che il blocco viene tagliato, le slitte e quindi la lama vengono abbassate, permettendo così il taglio completo del blocco (fig. 6). La lama è mantenuta tesa mediante tenditori oleodinamici.

Sono state anche realizzate alcuni telai verticali che però presentano problematiche operative da limitarne la diffusione. Per la movimentazione del blocco la macchina è munita di un carro portablocco che può essere motorizzato. L’utensile a lama deve essere opportunamente raffreddato e lubrificato grazie ad un impianto idrico per la distribuzione di acqua. Per ridurre il consumo l’acqua viene riutilizzata e posta in ricircolo attraverso un sistema di filtraggio che la ripulisce da residui derivanti dall’operazione di taglio.

Al di là delle singole specificità, queste soluzioni, oltre ad essere complesse e poco performanti nel loro complesso, presentano un elevato impatto sull’ambiente legato soprattutto all’impiego di materiali abrasivi monouso e, di conseguenza, alla notevole produzione di scarti inquinanti.

Tecnologie “a filo” per la trasformazione
La tecnologia del filo ha applicazioni molteplici anche nella trasformazione, dalla riduzione e riquadratura dei blocchi lapidei, dal taglio delle lastre alla lavorazione di manufatti e altro.

Per quanto riguarda l’applicazione primaria, riquadratura di blocchi dopo l’estrazione ed il taglio delle lastre, sono state realizzate negli ultimi anni applicazioni diverse e soluzioni multifilo che vedono limitazioni notevoli a causa dell’affidabilità del supporto in acciaio (filo a trefolo) oggi in uso.

Le applicazioni allo stato dell’arte (fig. 7), anche se ancora migliorabili, consentono di effettuare lavorazioni in tempi notevolmente minori rispetto alle tecnologie tradizionali, con costi ridotti sia di installazione sia di esercizio e con impatto ambientale notevolmente ridotto grazie all’assenza di materiali di consumo inquinanti.

Fig. 5 - “Segheria” in Cina per la realizzazione di lastre di granito.

Fig. 5 – “Segheria” in Cina per la realizzazione di lastre di granito.

Vantaggi della tecnologia “a filo”
Si riporta di seguito un elenco di sintesi degli elementi distintivi delle nuove tecnologie a filo rispetto a quelle tradizionali.
Estrazione:
Produttività competitiva rispetto alle tecnologie distruttive;
L’operatore può dedicarsi ad altre attività durante il taglio;
Ottimizzazione del recupero nell’estrazione dei blocchi;
Spessore limitato del taglio;
E’ il metodo migliore per materiali fragili;
Limitatissime vibrazioni;
E’ l’unico sistema utilizzabile in rocce altamente fratturate o sui graniti dove altre non sono efficaci;
Versatilità nel caso di tagli in zone impervie;
Livello di impatto ambientale minimo (possibilità di estrarre materiali da miniere non visibili);
Miglioramento della resa nelle cave inteso come rapporto tra materiale utilizzabile e materiale asportato al sito.
Trasformazione:
Elevata produttività;
Elevata flessibilità nei lotti produttivi (fig. 8);
Spessori di taglio più sottili;
Elevato livello di finitura delle superfici, per le successive lavorazioni;
Impatto acustico ridotto;
Assenza di fanghi speciali inquinanti;
Tempi ridotti di approntamento dei tagli;
Limitatezza delle emissioni di polveri;
Insostituibilità in alcune realizzazioni nello spazio (superfici curve, superfici di ogni tipo).

Fig. 6 - Impianto multilama per la realizzazione delle lastre (cortesia Pedrini).

Fig. 6 – Impianto multilama per la
realizzazione delle lastre (cortesia Pedrini).

Opportunità di mercato per il filo
A seguito delle evoluzioni tecnologiche più recenti, le maggiori opportunità per il filo diamantato appaiono nel settore di cava, tradizionalmente l’applicazione più importante. Nonostante ciò la lavorazione in laboratorio (taglio di lastre) è particolarmente interessata all’evoluzione della tecnologia del filo.

In prima istanza, una accelerata sensibilità verso la sostituzione dei metodi “tradizionali” (esplosivi, rotopercussione, etc.) con la tecnologia più efficiente ed eco-compatibile del filo diamantato è stata particolarmente evidente nelle operazioni di cava dei paesi maggiormente sviluppati. Inoltre, la tendenza verso una maggiore integrazione in cava di una parte della lavorazione, a monte della produzione di lastre, al fine di ottimizzare le problematiche ed i costi di trasporto del settore lapideo, appare sempre più importante.

Fig. 7 - Impianto a fi lo per la realizzazione delle lastre (cortesia Barsanti).

Fig. 7 – Impianto a filo per la realizzazione delle lastre (cortesia Barsanti).

Le previsioni assumono uno share di cava gradualmente ridotto in futuro, ma le implicazioni in termini assoluti sono per una domanda incrementale al 2015 di 3400 km di filo diamantato in cava (estrazione), verso quasi 1900 km in taglio delle lastre. La fattibilità di questa eccezionale espansione, e quindi la reale dimensione del mercato futuro, saranno evidentemente influenzate dalla capacità del filo diamantato di penetrare i due segmenti applicativi di cava e lavorazione primaria.

L’accesso ai nuovi mercati potenziali richiederà quindi un continuo miglioramento della tecnologia del filo diamantato, particolarmente in aspetti quali costo, produttività ed affidabilità. Miglioramento della durata filo e velocità di taglio sono percepiti come meccanismi abilitanti la crescente penetrazione del filo in cava.

Un altro fattore tecnologico di rilevanza sarà la capacità di ridurre lo spessore del filo, al fine di minimizzare lo scarto, particolarmente nel settore di prima lavorazione.

Infine, la effettiva disponibilità di macchine multifilo capaci di operare con oltre 60-70 fili contemporaneamente (fig. 9), sarà sicuramente una tecnologia abilitante necessaria per incrementare ulteriormente la penetrazione del filo diamantato nel settore di prima lavorazione.

I limiti del cavo diamantato
Uno dei principali limiti nell’utilizzo della tecnologia del “filo” è la difficoltà di ottimizzare la durata del cavo di supporto e dell’elemento abrasivo in modo congiunto. In particolare è estremamente frequente che la durata del cavo di supporto non sia adeguatamente tarata rispetto alla durata della componente abrasiva dell’utensile. Ne conseguono diversi problemi ed inefficienza produttive: la rottura improvvisa del cavo comporta danni per l’interruzione imprevista della produzione, per il calo della qualità del manufatto, ma anche per elevato dispendio economico dovuto al mancato completo utilizzo della componente abrasiva.

Questa problematica tecnologica è spesso legata alla difficoltà di prevedere la vita a fatica del cavo soprattutto considerando le variazioni di geometria del materiale in lavorazione e, conseguentemente, il livello di flessione subito dal cavo.

La tipologia di cavo oggi impiegata (trefolo di acciaio normalmente impiegato per sollevamento o movimentazioni di limitata dinamica) subisce una sollecitazione ad alta velocità che, nonostante gli accorgimenti impiegati ne altera la geometria in modo significativo (anche con effetti di svolgimento torsionale). A questo si aggiunge che la applicazione mediante sinterizzazione delle “perline” abrasive crea zone di discontinuità sul cavo che diventano punti di concentrazione delle sollecitazioni.

Fig 8 - Esempio di fl essibilità nell’utilizzo del taglio a fi lo.

Fig 8 – Esempio di flessibilità nell’utilizzo del taglio a filo.

Questo aspetto è reso ulteriormente critico dal calare delle dimensioni dei cavi di supporto che, proporzionalmente, hanno, negli ultimi anni, ridotto la sezione più della perlina abrasiva.

Ulteriore elemento di criticità dei sistemi di taglio è la complessità di alcune unità funzionali deputate al controllo del tensionamento del cavo durante il taglio. Questo aspetto, estremamente critico e complesso soprattutto nel caso di macchine multifilo, è alla base delle numerose attività di innovazione del settore, che prendono concretezza, in particolare, sul fronte “sistema di macchina”.

Implicazioni sui sistemi di produzione
I sistemi di taglio multifilo oggi disponibili, a fronte degli enormi vantaggi che sarebbero in grado di apportare in termini di produttività, evidenziano alcune criticità nella gestione dei cavi utensili. In particolare, le difficoltà sono legate alla modalità finora prevista per il montaggio e smontaggio dei cavi utensili, operazioni che comportano elevati tempi di fermo macchina con conseguenti aumento dei costi di produzione.

I principali elementi oggetto di sviluppo degli ultimi anni sono stati legati allo studio di nuove geometrie di macchina e adozione di materiali plastici per ridurre gli attriti in fase di impiego (cavo-puleggia) e per ridurre le potenze in gioco e quindi facilità di attrezzaggio.

Fig 9 - Processo di taglio multifi lo (cortesia Gold Breton).

Fig 9 – Processo di taglio multifilo (cortesia Gold Breton).

Notevoli sono stati anche gli sforzi per sviluppare dispositivi di tensionamento per il recupero della differente lunghezza dei fili durante la lavorazione di taglio lastre. Questi dispositivi di tensionamento sono particolarmente complessi e essenzialmente legati alla necessità di gestire i diversi cavi utensile operanti in parallelo.

L’impiego di cavi utensile tradizionali comporta, a causa dei notevoli carichi di trazioni imposti in sede di montaggio, elevati rischi in caso di difettosità o rottura del cavo stesso con la conseguenza di dover effettuare adeguati interventi in fase di design degli impianti.

Le conseguenze di casi di eiezione o di “esplosione” del cavo utensile sono tali da dover essere considerate con interventi estremamente onerosi onde ridurre il rischio residuo. Soluzioni tecnologiche nuove dovranno porre le basi per superare anche tali problematiche di affidabilità e sicurezza grazie alla possibilità di ridurre considerevolmente i carichi e in gioco e la complessità meccatronica dei sistemi di produzione.

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