Filiere ad anello in acciaio inossidabile per mulini a pellet: una guida completa

Che cos'è una matrice ad anello in un mulino a pellet?

Una matrice ad anello è il componente che forma il nucleo di un mulino a pellet con matrice ad anello: il tipo di pressa per pellet più utilizzato a livello globale nella produzione di mangimi per animali, acquafeed, combustibile da biomassa e fertilizzanti organici. Si tratta di un cilindro cavo a pareti spesse, lavorato in acciaio di alta qualità con centinaia o migliaia di fori praticati radialmente, chiamati canali o fori dello stampo, che attraversano la parete dello stampo dalla sua superficie interna a quella esterna. Il materiale della materia prima, condizionato con vapore e umidità per ridurre l'attrito e migliorare il legame, viene alimentato all'interno della matrice ad anello rotante e compresso contro la superficie interna da due o più rulli di pressione. Quando i rulli premono il materiale nei fori dello stampo ad alta pressione, viene estruso attraverso i canali ed emerge dalla superficie esterna dello stampo sotto forma di filamenti cilindrici continui, che vengono poi tagliati a misura da coltelli fissi posizionati all'esterno dello stampo per produrre pellet uniformi.

La testa anulare è allo stesso tempo il componente più sollecitato meccanicamente e più critico per l'usura dell'intera pellettatrice. Ogni chilogrammo di pellet prodotto deve passare attraverso i fori della filiera sotto pressioni che possono superare i 200 MPa sulla parete del canale della filiera, a temperature comprese tra 60°C e 90°C nel mangime in pellet e fino a 120°C nelle applicazioni con biomassa. La filiera deve mantenere la sua precisione dimensionale, in particolare il diametro del foro della filiera e la levigatezza del foro del canale, attraverso milioni di cicli di compressione e centinaia di tonnellate di produzione prima che l'aumento del diametro del foro dovuto all'usura riduca la qualità del pellet al di sotto dei limiti accettabili. Il materiale con cui è realizzata la trafila, il trattamento termico che riceve e la precisione della sua lavorazione sono quindi i principali fattori determinanti del costo di produzione per tonnellata, della costanza della qualità del pellet e della redditività complessiva della pellettatrice.

Perché è richiesto l'acciaio inossidabile per le filiere ad anello

Le matrici ad anello per pellettatrici sono realizzate con due categorie principali di acciaio: acciai legati per utensili (come 20CrMnTi, 42CrMo e D2) e acciai inossidabili (più comunemente AISI 316L, 304 e gradi martensitici come 420 o 440C). La scelta tra queste categorie dipende dal materiale da pellettizzare, dall'ambiente normativo che governa il prodotto finale e dalle condizioni di produzione, inclusi il livello di umidità e l'esposizione chimica durante la lavorazione.

Filiere per anelli in acciaio inossidabile sono specificati principalmente nelle applicazioni in cui la resistenza alla corrosione è un requisito funzionale piuttosto che un aggiornamento opzionale. Nella produzione di mangimi acquatici, la materia prima contiene elevati livelli di umidità, spesso superiori al 20%, combinati con farina di pesce, farina di gamberetti e ingredienti contenenti sale che creano un ambiente corrosivo all'interno dei canali dello stampo. Le matrici in acciaio per utensili in questo servizio subiscono una corrosione accelerata che irruvidisce il foro del canale, aumenta l'attrito, riduce la produttività e alla fine causa grippaggio o fessurazione del canale. Lo strato passivo di ossido di cromo dell'acciaio inossidabile previene questo meccanismo di corrosione, mantenendo la levigatezza del foro del canale per tutta la vita operativa dello stampo. Allo stesso modo, nella pellettizzazione dei fertilizzanti organici, i composti di ammoniaca e gli acidi organici presenti nei materiali compostati attaccano rapidamente l'acciaio al carbonio; l'acciaio inossidabile fornisce la resistenza chimica necessaria per ottenere una durata utile dello stampo commercialmente valida in questa applicazione.

I requisiti normativi rappresentano un secondo fattore determinante per le specifiche dell’acciaio inossidabile. Negli alimenti per animali domestici, negli eccipienti farmaceutici e nel pellet di ingredienti per uso alimentare, il contatto diretto tra la materia prima e la superficie dello stampo è soggetto alle normative sulla sicurezza alimentare, tra cui FDA 21 CFR, Regolamento UE 1935/2004 e standard nazionali equivalenti, che richiedono che le superfici a contatto con gli alimenti siano realizzate con materiali non tossici e resistenti alla corrosione. I gradi di acciaio inossidabile 304 e 316L soddisfano questi requisiti e rappresentano la specifica standard per gli alimenti per animali domestici e le matrici ad anello per la produzione di pellet in tutto il mondo.

Gradi di acciaio inossidabile utilizzati nella produzione di stampi per anelli

Non tutti gli acciai inossidabili offrono prestazioni equivalenti nelle applicazioni con matrici ad anello. La scelta del grado comporta compromessi tra resistenza alla corrosione, durezza dopo il trattamento termico, lavorabilità e costo che devono essere adeguati alle esigenze specifiche dell'applicazione di pellettatura.

AISI 316L (1.4404)

Il 316L è un acciaio inossidabile austenitico con un contenuto di molibdeno dal 2 al 3% che fornisce una resistenza superiore alla corrosione per vaiolatura da cloruro rispetto allo standard 304. È il grado preferito per filiere ad anello per acquafeed, lavorazione di ingredienti marini e qualsiasi applicazione in cui nella materia prima sono presenti ingredienti contenenti cloruro. La designazione "L" indica un basso contenuto di carbonio (massimo 0,03%), che elimina la sensibilizzazione - la precipitazione di carburi di cromo ai bordi dei grani durante la saldatura o l'esposizione a temperature elevate - e mantiene la resistenza alla corrosione nelle zone interessate dal calore di qualsiasi riparazione saldata. Tuttavia, il 316L non può essere indurito mediante trattamento termico e raggiunge una durezza massima di circa 200 HB allo stato ricotto, che è significativamente più morbido degli acciai legati da bonifica utilizzati negli stampi standard. Per questo motivo, le filiere ad anello 316L si usurano più velocemente delle filiere in acciaio legato temprato in materie prime abrasive e sono più adatte per applicazioni in cui la corrosione piuttosto che l'abrasione è il meccanismo di usura dominante.

AISI 440C (1.4125)

440C è un acciaio inossidabile martensitico ad alto contenuto di carbonio che può essere indurito mediante tempra e rinvenimento per raggiungere valori di durezza superficiale compresi tra 58 e 62 HRC, paragonabili a molti acciai legati per utensili convenzionali utilizzati nella produzione standard di matrici per anelli. Questa combinazione di resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile ed elevata durezza rende il 440C l'acciaio inossidabile più esigente dal punto di vista tecnico e dalle prestazioni più elevate per la produzione di matrici per anelli. È specifico per applicazioni che richiedono contemporaneamente resistenza alla corrosione e resistenza all'abrasione, come mangime per gamberetti contenente ingredienti abrasivi derivati ​​dal guscio o pellet di fertilizzanti con additivi minerali. Il contenuto di carbonio più elevato del 440C rispetto al 316L ne riduce la saldabilità e la tenacità, rendendolo più suscettibile alle fessurazioni sotto carico da impatto, quindi è più appropriato per materie prime stabili e ben condizionate senza rischio di contaminazione da corpi estranei duri.

AISI 420 (1.4021)

L'acciaio inossidabile 420 è un grado martensitico a medio carbonio che offre un equilibrio tra temprabilità (durezza ottenibile da 50 a 55 HRC dopo il trattamento termico), resistenza alla corrosione e costo. Si tratta di una specifica comune per filiere ad anello in acciaio inossidabile per uso generale in applicazioni in cui è necessaria una moderata resistenza alla corrosione insieme a una ragionevole durata all'usura, tra cui mangime per pollame con aggiunta di farina di pesce, mangime per suini con ingredienti umidi e lavorazione di fertilizzanti organici. La sua resistenza alla corrosione è inferiore a 316L o 440°C in ambienti ricchi di cloruri, il che lo rende meno adatto per formulazioni ricche di ingredienti marini, ma fornisce una protezione adeguata nella maggior parte delle applicazioni standard di mangimi agricoli con livelli di umidità tipici.

Parametri critici della geometria dello stampo e loro effetto sulla qualità del pellet

La geometria dei fori della matrice (diametro, lunghezza effettiva, rapporto di compressione, design del foro di scarico e finitura superficiale) determina la pressione di pellet, la velocità di produzione, la durezza del pellet, la durata e il consumo energetico della pellettatrice per qualsiasi materia prima. Per selezionare la specifica corretta dello stampo per una nuova applicazione è necessario comprendere ciascuno di questi parametri e il modo in cui interagiscono.

Il rapporto L/D è il parametro geometrico della trafila più importante per l'ottimizzazione della qualità del pellet. Per l'alimentazione del pollame da carne, i rapporti L/D tipici vanno da 8:1 a 12:1; per l'alimentazione acquatica che richiede un'elevata stabilità dell'acqua in pellet, sono comuni rapporti da 12:1 a 20:1; per i pellet di legno da biomassa che richiedono la massima densità e durata, sono tipici rapporti da 6:1 a 10:1, con fori di diametro maggiore (da 6 mm a 8 mm) rispetto alle applicazioni di alimentazione. Il corretto rapporto L/D per una formulazione specifica deve essere convalidato attraverso prove di produzione poiché la composizione della materia prima, il contenuto di umidità e la distribuzione delle dimensioni delle particelle influenzano tutti il ​​coefficiente di attrito all'interno dei canali dello stampo e quindi l'effettiva pressione di compressione generata a un dato L/D.

Modelli di fori dello stampo e ottimizzazione dell'area aperta

Il modello in cui i fori dello stampo sono disposti sulla faccia dello stampo (il loro passo (spaziatura da centro a centro), lo schema sfalsato e la percentuale di area aperta risultante) influisce sia sulla capacità di produzione dello stampo che sulla sua resistenza strutturale. Una disposizione esagonale a fori compatti massimizza l'area aperta per un dato diametro e passo del foro, raggiungendo percentuali di area aperta comprese tra il 30% e il 45% a seconda del rapporto tra diametro del foro e passo. I modelli a file diritte sono più facili da produrre ma raggiungono un'area aperta inferiore. L'aumento dell'area aperta aumenta la capacità produttiva per unità di area della faccia della matrice, ma riduce il materiale rimanente tra i fori, diminuendo la resistenza della matrice alla sollecitazione circonferenziale del cerchio generata dalla pressione di pellettatura. Per le matrici in acciaio inossidabile, che sono un po' più tenere delle matrici in acciaio legato temprato nei gradi austenitici, un'attenta gestione delle aree aperte è particolarmente importante per evitare fessurazioni per fatica tra i fori sotto carico ciclico.

Specifiche della matrice ad anello corrispondente alla formulazione del mangime

La decisione pratica più critica nella specificazione della filiera ad anello è quella di far corrispondere la geometria della filiera, in particolare il rapporto L/D e il diametro del foro, alle proprietà fisiche della specifica formulazione del mangime da pellettare. L'utilizzo del rapporto L/D errato per una formulazione si traduce in pellet morbidi, di bassa durata con scarse caratteristiche di maneggevolezza (L/D troppo basso) o in un consumo energetico eccessivo, surriscaldamento della materia prima e aumento del tasso di usura dello stampo (L/D troppo alto).

• Formulazioni ad alto contenuto di fibre e a basso contenuto di amido (mangimi per ruminanti, pellet per conigli, biomassa) richiedono rapporti L/D più elevati – tipicamente da 10:1 a 14:1 – perché il contenuto di fibre fornisce un legame limitato ed è necessaria una pressione di compressione più elevata per ottenere la durabilità del pellet. Queste formulazioni beneficiano anche di angoli di svasatura dell'ingresso più ampi (da 60° a 90°) per prevenire l'ostruzione della zona di ingresso dello stampo da parte di particelle di fibra lunga.
• Formulazioni ad alto contenuto di amido e a basso contenuto di fibre (polli da carne iniziali, allevatori di suini) si legano facilmente sotto una compressione moderata e in genere richiedono rapporti L/D da 7:1 a 10:1. La compressione eccessiva di queste formulazioni riduce la produttività senza migliorare la qualità del pellet e aumenta inutilmente il tasso di usura dello stampo.
• Formulazioni Aquafeed con un elevato contenuto di farina di pesce o gamberetti richiedono sia elevati rapporti L/D (da 12:1 a 20:1) per la stabilità dell'acqua del pellet, sia una struttura in acciaio inossidabile per la resistenza alla corrosione. La combinazione di elevata pressione di compressione e ingredienti corrosivi rende l’acciaio inossidabile la specifica obbligatoria piuttosto che un’opzione nella produzione commerciale di acqua-acqua.
• Formulazioni di fertilizzanti organici presentano l'ambiente di pellettatura più aggressivo dal punto di vista chimico, con la presenza simultanea di composti di ammoniaca, acidi organici e elevato contenuto di umidità. Le matrici in acciaio inossidabile AISI 316L o 420 con design dei fori di scarico che riducono la tendenza all'ostruzione sono le specifiche standard per questa applicazione, combinate con protocolli di pulizia regolari per prevenire l'accumulo di sali di ammoniaca nei canali inattivi della matrice.

Nuova procedura di rodaggio per filiere per anelli in acciaio inossidabile

Una nuova filiera per anelli in acciaio inossidabile, indipendentemente dalla qualità o dal fornitore, richiede un'attenta procedura di rodaggio prima di essere utilizzata a piena capacità produttiva. Il processo di rodaggio ha due scopi: lucida le superfici del foro del canale dello stampo attraverso un'usura abrasiva controllata fino alla ruvidità superficiale ottimale per la materia prima target e consente all'operatore della pressa di identificare eventuali canali bloccati o resistenti in modo anomalo prima che causino danni ai rulli o sovraccarico del motore a piena produttività.

La procedura di rodaggio standard per le filiere ad anello in acciaio inossidabile prevede il riempimento di tutti i canali della filiera con un composto abrasivo imbevuto d'olio - una miscela di sabbia grossolana o ghiaia fine con olio vegetale o olio minerale - prima che la filiera venga messa in funzione per la prima volta. Il mulino viene quindi fatto funzionare a una distanza tra i rulli ridotta e a bassa velocità per 15-30 minuti mentre il composto di macinazione lucida le pareti del canale. Dopo il ciclo di macinazione iniziale, la filiera viene lavata con una materia prima oleosa pulita, in genere crusca con aggiunta di olio, per un periodo compreso tra 30 e 60 minuti per rimuovere tutti i residui del composto di macinazione prima di introdurre la formulazione di produzione. Per gli stampi in acciaio inossidabile, la fase di rodaggio è generalmente più lunga rispetto a quella per gli stampi in acciaio legato perché i gradi austenitici (316L, 304) sono più tenaci e più resistenti all'incrudimento e richiedono cicli più abrasivi per raggiungere la finitura superficiale del foro target.

Pratiche di manutenzione che prolungano la durata utile dello stampo dell'anello

Una corretta manutenzione tra i cicli di produzione e durante i periodi di inattività ha un effetto sproporzionato sulla durata utile ottenibile delle filiere per anelli in acciaio inossidabile. Le seguenti pratiche rappresentano le fasi di manutenzione di maggior impatto per le operazioni di pellettizzazione di mangimi e fertilizzanti.

• Tamponamento dell'olio prima dello spegnimento: Alla fine di ogni ciclo di produzione, lo stampo deve essere riempito con una materia prima ricca di olio o con olio vegetale puro facendolo scorrere attraverso lo stampo a velocità ridotta per 5-10 minuti. I residui di olio nei canali impediscono alla materia prima di seccarsi e indurirsi all'interno dei fori dello stampo durante i periodi di inattività, causando il blocco dei canali che richiede l'alesatura meccanica o la completa distruzione dei canali ostruiti per essere liberati.
• Corretta regolazione della distanza tra i rulli: Il mantenimento della corretta distanza tra rullo e matrice, in genere compreso tra 0,1 mm e 0,3 mm per la maggior parte delle applicazioni di alimentazione, impedisce il contatto metallo con metallo tra il guscio del rullo e la superficie interna della matrice, garantendo al tempo stesso un ingresso uniforme del materiale nei canali della matrice. Uno spazio troppo ampio permette al materiale di scivolare senza entrare nei canali, aumentando la generazione di calore; uno spazio troppo piccolo provoca il contatto del guscio del rullo con la faccia interna dello stampo, causando rapidi danni superficiali a entrambi i componenti.
• Controllo dimensionale regolare: Misurare il diametro del foro dello stampo in più punti sulla faccia dello stampo a intervalli regolari utilizzando un tampone calibrato o un manometro. Quando il diametro del foro è aumentato di oltre il 5% rispetto al valore nominale a causa dell'usura, la consistenza e la durata del diametro del pellet si saranno deteriorate al punto da rendere necessario sostituire o ricostruire la trafila. Tieni traccia del tasso di usura degli stampi per tonnellata di produttività per prevedere gli intervalli di sostituzione e mantenere la pianificazione della produzione.
• Prevenzione della corrosione durante lo stoccaggio prolungato: Quando uno stampo ad anello in acciaio inossidabile viene messo fuori servizio per un lungo periodo, pulire accuratamente tutti i canali dello stampo con acqua seguita da un lavaggio con solvente per rimuovere il materiale organico residuo, quindi rivestire l'intero stampo, compresi i fori del canale, con un olio inibitore di corrosione per uso alimentare. Conservare lo stampo in un ambiente asciutto, lontano da detergenti contenenti cloruro o da aria carica di sale che potrebbe avviare la corrosione per vaiolatura anche su superfici in acciaio inossidabile durante uno stoccaggio prolungato.
• Valutazione della rigenerazione: Quando una matrice per anello in acciaio inossidabile raggiunge la fine della sua prima vita utile a causa dell'allargamento del foro, valutare se la rigenerazione (riperforazione dei fori esistenti a un diametro maggiore, riprofilatura delle svasature di ingresso e rilucidatura della faccia interna della matrice) è conveniente rispetto a una nuova matrice. Per le qualità di acciaio inossidabile ad alto costo come 316L e 440C, la rigenerazione offre in genere dal 40% al 60% della vita utile della nuova matrice con un 25%-35% del costo di sostituzione, rendendola economicamente interessante quando il corpo della matrice rimane strutturalmente sano senza crepe o deformazioni.