Progetto ROTOIND

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“INGEGNERIZZAZIONE, INDUSTRIALIZZAZIONE DEI RISULTATI DELLA RICERCA E VALORIZZAZIONE ECONOMICA DELL’INNOVAZIONE”

 

Progetto: ROTOIND (Applicazione del campo magnetico rototraslante ai forni ad induzione per il trattamento termico di metalli e leghe)

Periodo: Dal 15/10/2018 al 05/12/2021

Obiettivo: Il progetto ha avuto la finalità di svolgere attività di industrializzazione e valorizzazione dei risultati della ricerca concernenti l’applicazione innovativa di un campo magnetico rototraslante in un forno ad induzione prototipale per il trattamento termico di metalli.

Attività: Le attività di progetto hanno seguito le fasi inizialmente previste di:

– Industrializzazione del processo;

– Realizzazione della soluzione, con relative prove, misure e analisi di performance;

– Valorizzazione dell’innovazione.

Una parte importante della fase di industrializzazione ha riguardato l’ingegnerizzazione della soluzione attraverso la messa a punto del sistema ad induzione magnetica di elevata potenza ed efficienza energetica per il trattamento termico di metalli e leghe. Questa fase è stata ulteriormente suddivisa in due sotto-fasi di sviluppo relative a:

1) Sistema riscaldante;

2) Sistema di controllo a zone.

Il sistema riscaldante consiste in una innovativa disposizione di ferriti per i forni ad induzione da utilizzare per i trattamenti termici di elevata potenza. Nell’ambito del progetto è stato affrontato il problema del miglioramento della distribuzione del campo elettromagnetico sulla billetta oggetto di riscaldamento (dal punto di vista tecnico e fisico), oltre al problema collaterale, ma non di minore importanza, della protezione dell’operatore dal campo elettromagnetico circostante generato dall’induttore. Le attività hanno avuto come finalità quella di creare un miglioramento in termini di efficienza del sistema e di realizzare una schermatura intorno all’induttore per confinare le linee di campo in una zona molto ristretta ed obbligata attorno all’avvolgimento, forzando le linee di campo ad investire quasi esclusivamente la billetta. La soluzione proposta fa ricorso all’utilizzo di ferriti; è stato comunque valutata, con il supporto dell’Organismo di Ricerca CIFS coinvolto nell’ambito del progetto, una soluzione differente basata sul modo di eseguire l’avvolgimento così da determinare una nuova configurazione del campo risultante.

Risultati: L’attività di ingegnerizzazione del sistema di controllo a zone effettuata ha richiesto lo sviluppo di due aspetti fondamentali del problema:

  • Il principio di funzionamento e la progettazione del sistema di generazione del campo magnetico indotto nel materiale da riscaldare, esaminando un’altra tipologia di soluzione (induttore, vedi Figura sotto);
  • Il sistema di controllo, considerando l’impiego dei nuovi componenti IGBT, oggi disponibili, con prestazioni adeguate allo scopo anche in termini di correnti, tensioni e quindi potenza.

La modifica dell’elemento riscaldante rispetto allo stato dell’arte è stata basata secondo due principi:

  • Predisposizione all’esterno dell’induttore, quasi a contatto con esso, di elementi a bassa riluttanzacome le ferriti, in modo da costituire una via facile di chiusura delle linee di campo magnetico;
  • Modifica, ove possibile, della modalità di avvolgimento al fine di ottenere lo scopo predefinito.

Nell’ambito del progetto è stata implementata la prima soluzione ed in fase operativa successiva sono state verificate le ipotesi circa la variazione delle modalità di avvolgimento.

Per valutare le effettive performance dell’investimento si è provveduto al montaggio di un adeguato banco di prova. Sono state realizzate prove su una billetta campione realizzata con 4 tondini da armatura da 16 mm saldati longitudinalmente.

Estrapolando le curve ottenute fino a un valore prossimo alla tensione applicabile nelle reali condizioni di lavoro si ottengono le potenze a vuoto = 80 kW e a carico inserito = 240 kW, valori compliant con i requisiti di progetto.

Con riferimento  al flusso disperso si è osservato che con adeguati accorgimenti costruttivi è possibile recuperare il flusso disperso riducendo a 1⁄4 il valore della corrente a vuoto con proporzionale riduzione delle perdite moltiplicando al tempo stesso per 4 la potenza trasferita al metallo da riscaldare. Il rendimento ottenibile, in questo modo, è stato stimato non inferiore al 90 %.

Sulla base dei risultati ottenuti dalle attività di industrializzazione, si conferma la possibilità di proporre alla clientela già in possesso di forni di potenza il retrofitting degli stessi, attraverso una progettazione ad hoc. Tenuto conto della vasta clientela e del valore di investimento di un forno ad induzione, il retrofitting dell’esistente potrebbe rappresentare una non trascurabile parte di fatturato come evidenziato dallo studio di mercato.

Infine, le attività sulle strategie di valorizzazione e commercializzazione condotte nell’ambito del progetto sono state focalizzate a un’analisi del mercato potenziale dei forni ad induzione; questi ultimi attualmente seguono caratteristiche tecniche specifiche  e non hanno un’impostazione rivolta all’impiego del campo magnetico traslante, per cui la buona riuscita del progetto di investimento si auspica potrà avere ricadute positive in termini commerciali sul mercato di riferimento. Ciò significa che attraverso il presente progetto sarà possibile proporre ai produttori di forni ad induzione una soluzione industrializzata innovativa e a prezzi ragionevoli. Per quanto riguarda il sistema di controllo, questo potrà essere rivolto sia ad un mercato diretto delle industrie manifatturiere che ai produttori di forni ad induzione in quanto permette l’applicazione diretta a forni di nuova realizzazione e al revamping degli esistenti, con sviluppo quindi anche in termini di aftermarket.

 

Immagini

Fig.1 - Nuovo induttore

Nuovo induttore

Circuiteria di controllo: lato componenti

Circuiteria di controllo: lato componenti

 

 

Circuiteria di controllo: lato saldatore

Circuiteria di controllo: lato saldatore

 

Induttori sviluppati

Induttori sviluppati

 

Banco di testing

Banco di testing

 

 

Grafico correnti

Grafico correnti