I problemi estetici che più preoccupano i fabbricanti di materiali trafilati pregiati quali coperture, "faccia a vista", pavimentazione ed arredo urbano sono fondalmente due: le efflorescenze ed i "calcinelli".
Per quanto concerne le efflorescenze esiste una bibliografia assai vasta sulla loro origine e sugli effetti che ne derivano cosi come sugli interventi che possono limitarne la manifestazione. Questo genere di difetti non deriva infatti dalle materie prime ma da altri fattori fra i quali le acque utilizzate nella fabbricazione dei manufatti oppure le malte qualora si tratti di un cotto che richiede un ancoraggio cementizio. Spesso si tratta di un inconveniente temporaneo e di non facile valutazione oggettiva, tanto che sono state proposte anche tecniche artificiali che prescindono dall'occhio umano.
L'origine del calcinello, al contrario, va esclusivamente addebitata alle materie prime e le conseguenze sono assai più gravi: si può infatti avere una declassazione permanente di buona parte della produzione, squalificare il materiale agli occhi della clientela, trascinare le aziende in cause legali assai onerose e di dubbia pubblicità con il risultato finale di provocare danni di consistenza tali da renderli difficilmente riassorbibili.
Talvolta situazioni limite hanno portato a scelte che poi si sono rivelate fatalmente sbagliate come, a tal proposito, il caso di una fabbrica di tegole che, talmente ossessionata dal problema "calcinelli", adottò una macinazione ad umido con atomizzazione della barbottina e successiva ribagnatura delle polveri. A parte l'aggravio economico rappresentato dal nuovo impianto ed i costi aggiuntivi della gestione, il sistema non ha mai funzionato in quanto la finezza delle particelle costituenti l'atomizzato era tale da impedirne il controllo della colonna estrusa e di tutti i successivi processi di lavorazione.
Non va infine dimenticato che in casi estremi di elevatissima presenza di "calcinelli" con distribuzione in tutta la massa, si può persino arrivare alla distruzione degli stessi manufatti con frammentazione in più pezzi. Naturalmente in questi casi l'inconveniente va ben oltre il difetto estetico ed ha rilevanza su qualsiasi tipo di materiale estruso.
Questo documento ha lo scopo di evidenziare il problema dei calcinelli all'attenzione degli "addetti ai lavori", analizzarne l'origine, verificarne il comportamento e proponendo delle efficaci soluzioni.
I classici "calcinelli" calcarei derivano dai frammenti presenti nelle materie prime argillose e sabbiose come:
Le condizioni che favoriscono la precipitazione chimica dei noduli carbonatici sono:
Si tratta delle stesse condizioni che presiedono alla formazione delle rocce calcaree e dolomitiche (ove si ha una parziale sostituzione del calcio con il magnesio presente nelle soluzioni marine) in questo caso però gli apporti sedimentari sono marginali e non fondamentali. Per quanto riguarda il gesso questo può essere presente disperso nel terreno argilloso in cristalli ben formati ed anche di dimensioni rilevanti oppure costituire veri e propri livelli di separazione (di qualche millimetro) tra banchi successivi.
Durante lo studio sono stati analizzati i seguenti campioni di materiali frammentati:
Dopo la cottura una parte è stata posta in essiccatoio con gel di silice e protetta dal riassorbimento d'acqua (serie 21 per i cotti a 900ºC e serie 31 per i cotti a 1000ºC).
La parte rimanente e stata invece esposta per 15 giorni ad ambiente umido (serie 22 per i cotti a 900ºC e serie 32 per i cotti a 1000ºC).
Tutti i campioni cosi trattati sono stati quindi sottoposti ad analisi termodifferenziale e termoponderale onde rilevare le differenze con i materiali originali, tra le diverse temperature di cottura e nelle differenti condizioni di esposizione (ambiente anidro ed umido).
Frammenti conchigliari carbonatici (CSH) |
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Analisi termoponderali (TGA)
Frammenti conchigliari carbonatici (CSH) |
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Frammenti di gesso (G) |
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| Tutte le curve, con la sola eccezione della 1/G (tal-quale essiccato) non fanno registrare perdite di peso e si sovrappongono perfettamente alla linea 21/G riportata |
OSSERVAZIONI
CALCARE (CC)
DTA e TGA della materia prima in condizione di tal-quale essiccato (a 110ºC) presentano i classici andamenti con reazioni endotermiche e perdite di peso che hanno inizio verso gli 800ºC per concludersi attorno ai 950ºC.
Il campione cotto a 900ºC e successivamente sempre protetto con permanenza in essiccatoio a 110ºC mostra un'ulteriore piccola reazione endotermica (DTA) tra i 450º ed i 500ºC a cui corrisponde una modesta perdita di peso sulla TGA.
La pirolisi permane ancora ben visibile (quasi come sul tal-quale) il che indica come la cottura a 900ºC abbia interessato solo una parte marginale di questo processo e che la reazione fosse ben lontana dalla conclusione.
Lo stesso campione esposto all'aria umida mostra un netto aumento d’intensità della reazione tra i 450º ed i 500ºC. Simile è il flesso di dissociazione dei carbonati anche se la perdita di peso e un po' inferiore.
Il materiale cotto a 1000ºC mostra la stessa reazione tra i 450º ed i 500ºC ed un accenno quasi impercettibile alla pirolisi di eventuali carbonati residui.
Lo stesso lasciato all'aria umida presenta una TGA con una grande perdita di peso tra 450º e 500ºC accompagnata da un flesso endotermico molto intenso sulla DTA.
I fenomeni pirolitici di più alta temperatura sono ridotti rispetto al tal-quale ma sempre assai visibili.
La DTA mostra inoltre un piccolissimo flesso esotermico verso i 350ºC che era appena accennato anche sul campione cotto a 900°C ed esposto all'aria, riconducibile ad un passaggio di fase cristallina.
CONCHIGLIE (CSH)
La DTA del tal-quale presenta un grande flesso endotermico che si manifesta poco prima degli 800ºC sino a dopo i 900ºC.
In corrispondenza la TGA mostra una grande perdita di peso mentre quella al di sotto degli 800ºC è quasi trascurabile e probabilmente dovuta ad una minima presenza di sostanze vegetali.
La DTA del campione cotto a 900ºC e poi protetto mostra una pirolisi dei carbonati assai ridotta ed un secondo piccolo flesso endotermico verso i 450ºC.
la TGA segnala perdita di peso solo in corrispondenza della dissociazione dei carbonati residui. Nel caso del materiale cotto a 900ºC e lasciato all'aria la DTA presenta un grande flesso endotermico di media temperatura, che culmina attorno ai 500ºC, a cui corrisponde un'importante perdita di peso sulla TGA; quello della dissociazione del CaCO3 è ridotto e spostato di circa 100ºC verso temperature inferiori.
La DTA dei cotti a 1000ºC e poi protetti mostra due soli flessi endotermici, quasi inavvertibili, attorno ai 450ºC e 700ºC. la TGA quasi non segnala perdite di peso. La DTA e la TGA dei cotti a 1000ºC e non protetti sono una ripetizione, più accentuata, di quelle dei cotti a 900ºC e lasciati all'aria.
DOLOMITE (D)
La DTA del tal-quale mostra un tipico doppio flesso endotermico tra 780ºC e 930ºC.
la TGA rivela una grande perdita di peso (suddivisa in due tempi) che inizia prima dei 500ºC per concludersi prima dei 900ºC.
I campioni cotti a 900ºC e non riesposti all'aria segnalano due reazioni endotermiche a 400º/450ºC e 750º/780ºC. Gli stessi riesposti all'aria hanno curve del tutto simili.
I cotti a 1000ºC protetti hanno praticamente solo le reazioni di bassa temperatura.
Il campione esposto all'aria 32/D ha un andamento che si sovrappone a quello di 22/D e sono visibili, anche in questi casi, piccoli picchi esotermici tra 300º e 350ºC legati a passaggio di fase cristallina.
GESSO (G)
Il tal-quale ha sulla DTA un'importante reazione endotermica attorno ai 200ºC con forte perdita di peso (trasformazione in gesso emiidrato) ed una esotermica nell'intorno dei 400ºC (trasformazione in anidride).
Sulla TGA tutta la perdita di peso si sviluppa entro i 200ºC.
Le curve TGA e DTA di tutti gli altri campioni (cotti protetti e non) hanno andamento piatto.
EFFETTI SULLA PRODUZIONE DI TRAFILATI
Il noto e classico "effetto calcinello" è la scagliatura dello strato di argilla cotta che lo separa dalla superficie del manufatto. Perché il fenomeno possa verificarsi occorre che si realizzino le seguenti condizioni:
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Che il frammento originario carbonatico sia stato trasformato (almeno parzialmente) in CaO
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Che le sue dimensioni siano superiori a 0,5 mm
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Che casualmente si venga a trovare vicino alla superficie del cotto ma coperto da non più di 1 – 3 mm di argilla sinterizzata.
L'ossido di calcio a contatto con l'umidità atmosferica passa a Ca(OH)2 con una reazione che comporta poco meno del raddoppio del volume iniziale del corpuscolo. Ciò causa evidentemente una elevata pressione sul corpo ceramico con il cedimento della parete più debole, ovvero di quella che lo separa dalla superficie esterna più prossima.
La forza esercitata e proporzionale al quadrato del suo raggio; pertanto un frammento di 2 mm ha un effetto 16 volte superiore a quello di 0,5 mm.
Su numerosi testi si legge che per ridurre l' effetto calcinello è buona norma sinterizzare maggiormente il materiale cuocendo a temperature più elevate con cicli più lunghi. Questo consiglio parte evidentemente dalla considerazione che una sinterizzazione più spinta favorisce le reazioni dell'ossido di calcio con la silice presente portando alla formazione di nuovi minerali (quali wollastonite) con il risultato di eliminare l'ossido di calcio ed inglobarlo in un nuovo elemento.
Sfortunatamente, se la cosa è vera per i carbonati presenti in forma molto fine, quindi, assai reattiva, lo stesso non accade per corpuscoli di dimensioni ragguardevoli quali sono appunto i "calcinelli". Al contrario come è chiaramente osservabile sulle analisi termiche del calcare, delle conchiglie, e seppure in misura ridotta, della dolomite, i campioni cotti a 1000ºC e lasciati all'aria umida mostrano reazioni endotermiche e perdite di peso a 500ºC assai più importanti dei provini che erano stati cotti solo a 900ºC con pirolisi dei carbonati molto incompleta.
Tale reazione essendo collegata alla trasformazione di Ca(OH)2 in CaO ha quindi un rilievo quantitativo sulla presenza di calce idrata e pertanto nel caso in cui le caratteristiche generali dei cotti lo permettano (soprattutto quelle meccaniche) sarà opportuno cuocere a temperatura più bassa possibile.
Per non cadere nell’effetto calcinello" si dovrebbe evitare di raggiungere il livello termico che innesca la pirolisi dei carbonati.
L'importanza di questo comportamento è certamente superiore alla supposta diminuzione di reattività dei calcinelli che deriverebbe da una sinterizzazione più spinta e quindi da corpuscoli più densi.
Dalle curve delle analisi termiche si evidenzia inoltre che anche i campioni accuratamente protetti dall’umidità dopo la cottura fanno registrare una ridotta reazione endotermica verso i 450ºC. Questo comportamento sottolinea la facilità e la rapidità che caratterizza l'idratazione dell'ossido di calcio.
Per quanto riguarda la dolomite è ben evidente che le reazioni termiche di media temperatura sono nettamente inferiori a quelle dei carbonati. Ciò è conforme con il comportamento dell'ossido di magnesio che risulta molto meno idratabile di quello di calcio. Ai fini della pericolosità dell'effetto calcinello, l'eventuale presenza di dolomite è preferibile a quella di calcite.
Infine il comportamento del gesso è nettamente differente da quello dei carbonati; non si hanno fenomeni di riassorbimento per cui si può escludere che possa causare la "scaglia" tipica del calcinello. Nei casi in cui venga a trovarsi proprio sulla superficie a vista dei manufatti tuttavia può portare un notevole danno estetico per il colore, solitamente assai bianco, che risalta con grande evidenza.
INTERVENTI
Il trattamento più classico è costituito dall'immersione in acqua dei manufatti appena cotti in modo da ottenere una solubilizzazione parziale dei "calcinelli" con la creazione di uno spazio supplementare spesso sufficiente per contenere, senza danni, l'aumento di volume che comporta l'idratazione. In questo caso l'acqua dovrebbe essere sostituita con una certa frequenza dato che un'eventuale saturazione in calce inibirebbe l'azione solubilizzante.
Questo intervento è tipicamente adottato dai produttori di cotto toscano che impiegano le argille scagliose del Chianti in modo da evitare danni sostanziali alla struttura dei manufatti che, diversamente, rischierebbero di trasformarsi in un insieme di frammenti informi.
La stessa operazione, su scala artigianale, viene eseguita anche dai muratori più scrupolosi durante la costruzione di pareti con mattoni "faccia a vista". In questo caso l'immersione in un contenitore d'acqua intende accelerare l'idratazione e quindi l'eventuale "scagliatura" di frammenti delle superfici. I pezzi danneggiati sono eliminati e la sostituzione è solitamente a carico del produttore.
Un altro sistema utilizzato è l'aggiunta, durante il processo di essiccazione, di una quantità contenuta (2 – 5%) di cloruro di sodio che verrà depositato sulla superficie dei manufatti. In questo modo il sale, durante la cottura, si decomporrà reagendo con argilla e carbonati formando un composto silicatico che legherà i "calcinelli" presenti nei pressi della superficie dei pezzi.
Entrambi i trattamenti hanno però delle controindicazioni: il primo incrementa il fenomeno dell'efflorescenza mentre il secondo provoca un'aggressione alle pareti dei forni.
A monte di questi interventi eseguiti sui prodotti cotti ne esistono altri che possono essere radicalmente risolutivi fra cui la sostituzione della materia prima che apporta i "calcinelli" o l'intervento direttamente in cava tramite l'eliminazione i livelli che contengono materiali inquinanti, sfortunatamente però capita che non sempre è possibile operare queste selezioni e altrettanto spesso non vi sono reali alternative all'impiego di materie prime inquinate.
Efficace e realmente risolutiva è invece una soluzione impiantistica che porti alla drastica riduzione dei frammenti carbonatici a dimensioni non superiori a 0,2 mm.
SOLUZIONI IMPIANTISTICHE
Buona parte delle industrie di laterizi, incluse quelle che producono i manufatti con maggior valore aggiunto, sono equipaggiate con impianti tradizionali che prevedono l'utilizzo di un laminatoio raffinatore con la funzione di mulino finitore.
La dimensione limite dei frammenti tenaci che attraversano questa macchina è teoricamente rappresentata dalla distanza tra i rulli, e quindi, dalla luce lasciata che non può comunque essere inferiore a 0,6-0,8 mm.
Si tratterebbe di una dimensione ancora non sufficiente per mettere al riparo dal problema dei calcinelli, ma certamente utile per ridurlo in modo sensibile.
Purtroppo questa luce minima risulta essere del tutto teorica per i seguenti motivi:
• Particelle di forma appiattita quali, ad esempio, frammenti di conchiglie o di deposizioni carbonatiche, fratture di rocce madri che possono passare indenni, anche se sono di dimensioni enormemente maggiori.
• I rulli, specie quando trattano materie prime contenenti quarzo grossolano, sono soggetti ad usura molto rapida che porta alla formazione di veri e propri solchi con forte incremento delle dimensioni della luce.
• Gli stessi rulli frequentemente hanno a loro protezione un sistema che, in caso di presenza di litoidi molto tenaci, opera un loro istantaneo allontanamento consentendo il passaggio di frammenti che, in caso contrario, rimarrebbero incastrati danneggiando il laminatoio.
Un altro limite di queste macchine frantumatrici è rappresentato dalla mancanza di un controllo di granulometria il quale, data l'elevata umidità del materiale laminato, opererebbe in ogni caso con risultati assai modesti .
Ai fini del problema del calcinello questa soluzione impiantistica presenta quindi notevoli limiti di affidabilità.
Da queste considerazioni deriva l'importanza di utilizzare un sistema di macinazione a secco che rappresenti innanzitutto un processo con controllo dei risultati ed è importante sottolineare che questo impianto può trattare materie prime con tenore umidità iniziale anche del 30% utilizzando a monte un essiccatore in grado di ridurre il livello umidità delle argille fino al 18% e permettendo cosi al mulino MOLOMAX di macinare al massimo del rendimento.
Il processo tecnologico Manfredini & Schianchi DRY-TECH HEAVYCLAY prevede fondamentalmente l'impiego di un Mulino Pendolare finitore MOLOMAX completo di separatore statico o dinamico.
In taluni casi è possibile inserire come macinazione primaria un Mulino a Martelli PIG, un ottenendo in questo modo e già in questa fase, una percentuale di polvere passante fra il 60% e 80%.
Nella fase successiva il materiale viene immesso nella camera di macinazione del Mulino Pendolare MOLOMAX tramite una coclea dosatrice o nastro di pesatura ed il procedimento di macinazione avviene esclusivamente per schiacciamento del prodotto tramite alcuni rulli rotanti contro una pista circolare fissa.
Le particelle vengono quindi trascinate verso l’alto nella parte superiore del mulino da un flusso d’aria generato da un ventilatore centrifugo.
La separazione delle particelle dall'aria può avvenire con due metodi diversi:
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Tramite un ciclone, determinando un circuito "chiuso" mulino-ciclone-ventilatore.
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Tramite un filtro a maniche, con un circuito "aperto" mulino-filtro-ventilatore
La caratteristica tecnico funzionale del sistema innovativo a circuito "aperto" è di movimentare il materiale appena macinato con una forte ed immediata azione aspirante. Questa soluzione consente di ridurre drasticamente i tempi di permanenza del materiale all’interno della camera di macinazione, con conseguente risparmio sia nel consumo elettrico e sia degli organi macinanti ed un notevole aumento della capacità produttiva oraria (anche del 100% !!).
Il Processo Tecnologico Manfredini & Schianchi DRY-TECH HEAVYCLAY può gestire l’essiccazione delle materie prime con un consumo termico molto efficiente che non supera mai le 650 Kcal/h d’acqua evaporata producendo una riduzione di umidità dal 18% all'8%. In questo modo tale linea può servire utilizzatori con problemi gravi di umidità nelle materie prime senza l’installazione di una fase di essiccazione preliminare ed evitando di conseguenze un aumento dei costi sia d'investimento che di utilizzo.
Il separatore installato sul Mulino Pendolare MOLOMAX assolve egregiamente la funzione di classificazione granulometrica delle polveri rendendo talvolta non necessaria l'implementazione di un sistema di vagliatura dedicato e, anche in questo caso, riducendo significativamente i costi impiantistici.
Le polveri così ottenute vengono avviate al trattamento di umidificazione; la macchina che viene utilizzata per questa specifica applicazione è del tipo MS/2000. La quantità di acqua è regolata tramite un sistema meccanico o idraulico, con possibilità di correzione in automatico sulla lettura del tenore di umidità delle polveri in uscita grazie allo strumento elettronico MS/MU 7685. La nebulizzazione dell’acqua è ottenuta da un disco rotante azionato da motore chiuso e ventilato. Una serie di aspi rotanti in acciaio rimescolano le polveri umidificate al fine di ottenere una perfetta omogeneizzazione.
La percentuale di acqua aggiunta al prodotto può variare dall'1% al 3% in riferimento alle caratteristiche fisico chimiche delle materie prime e delle necessità.
La miscela può essere successivamente avviata allo stoccaggio in silos metallici. Lo stoccaggio delle polveri ottenute da macinazione a secco e da successiva umidificazione non necessita di lunghe stagionature e possono essere inviate, dopo 24 o 48 ore, alla produzione; pertanto i silos svolgono anche la semplice funzione di approvvigionamento della materia prima per un massimo di uno o due giorni di produzione.
La fase finale prevede un miscelatore-bagnatore debitamente studiato per materie prime macinato a secco. L'apparato, dotato di valvole a farfalla a tenuta d’aria e un sistema ad alta pressione di aggiunta acqua, omogeneizza perfettamente l’impasto e aggiunge la quantità necessaria di acqua che pervade facilmente la composizione senza formazione di grumi o grani grossi.
Oltre alla totale eliminazione del problema del calcinello la scelta della soluzione a secco DRY-TECH HEAVY CLAY prevede anche il recupero nella linea produttiva degli scarti di produzione verdi, secchi e cotti.
Il consumo massimo è di 15kW/h per tonnellata di prodotto pronto per la formatura
CONCLUSIONI
| Metodo Tradizionale |
Sistema DRY-TECH HEAVYCLAY |
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Il sistema di macinazione a secco delle materie prime Manfredini & Schianchi DRY TECH HEAVY CLAY si pone quindi all'avanguardia per gli importanti elementi innovativi che lo caratterizzano sotto diversi profili:
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Qualità : vengono raggiunti risultati non ottenibili attraverso i più sofisticati laminatoi e la presenza del calcinello viene neutralizzata con una severa riduzione granulometrica. Inoltre, l'impasto alla trafilatura risulta più omogeneo e la superficie dei prodotti si presenta perfettamente liscia. Ciò permette a molte unità produttive di realizzare mattoni e tegole smaltate aventi rese qualitativamente eccellenti.
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Macinazione e recupero delle chamotte : l'impianto a secco e in grado di trattare e riciclare scarti cotti ceramici, componenti inerti in genere ed argille con forte presenza di impurità, senza compromettere la qualità finale dei prodotti.
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Economicità : il costo di investimento cosi come i costi di produzione risultano decisamente competitivi in rapporto alla preparazione tradizionale con laminatoio.
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Tecnologia : l'elevata automazione del sistema, le apparecchiature elettroniche di controllo che lo caratterizzano unitamente alla possibilità, nelle fasi successive, di utilizzare il sistema di cottura nei forni a rulli, individuano nel Drytech una soluzione avanzata e congeniale alle esigenze di moderne unita produttive.
