Enovasense

01 — Introduzione

Rivestimenti isolanti: pochi micron che determinano il rendimento di motori e trasformatori

L'acciaio elettrico costituisce il nucleo magnetico di ogni trasformatore, motore elettrico e generatore. Per limitare le perdite per correnti parassite, il nucleo è realizzato con lamierini sottili — tipicamente da 0,20 a 0,65 mm di spessore — impilati o avvolti l'uno sull'altro. Ogni lamierino deve essere isolato elettricamente da quelli adiacenti. È questo il compito del rivestimento isolante, uno strato sottile applicato su entrambe le facce del nastro al termine del processo siderurgico.

Si producono due famiglie di acciaio elettrico, ciascuna con una propria architettura di rivestimento:

A grani orientati (GO) A grani non orientati (NO / NGO) Vernici autoincollanti

L'acciaio a grani orientati, utilizzato nei trasformatori, presenta un film di forsterite formato durante la ricottura ad alta temperatura a partire da un separatore di MgO, sormontato da un rivestimento di tensionamento a base di fosfato. L'acciaio a grani non orientati, utilizzato in motori e generatori — compresi i motori di trazione dei veicoli elettrici — riceve un'unica vernice isolante. A seconda dell'applicazione, questi rivestimenti sono inorganici, organici o ibridi (ad esempio le classi C3, C5 e C6 secondo ASTM A976) e sempre più spesso senza cromo. Una quota crescente del nastro NO riceve inoltre vernici autoincollanti che sostituiscono la saldatura o l'aggraffatura nel pacco lamellare.

In tutti i casi, il rivestimento è applicato allo stato liquido mediante spalmatrici a rulli (roll coater), quindi essiccato e polimerizzato in un forno continuo prima dell'avvolgimento in coil.

Classi di rivestimento e prodotti tipici

I rivestimenti isolanti sono classificati secondo ASTM A976 (classi da C-0 a C-6), con designazioni EC equivalenti nella IEC 60404-1-1. Di seguito sono riportate le classi più utilizzate sulle linee di rivestimento, con esempi di prodotti commerciali misurati o considerati per i sensori Enovasense.

Esempi di rivestimenti commerciali in questo campo (elenco non esaustivo):

• Rembrandtin / Kansai Helios — REMISOL®, rivestimenti per acciaio elettrico, ad es. REMISOL EB 5308, EB 5320 (senza cromo, acciaio a grani orientati), EB 5340, EB 5350S ed EB 5002M.
• Axalta — Voltatex®, rivestimenti per acciaio elettrico e vernici autoincollanti, ad es. Voltatex 1175W, 1230 e 1250V.
• ELANTAS (ALTANA), vernici isolanti per lamierini magnetici.
• Kluthe, rivestimenti isolanti per acciaio elettrico.
• Rivestimenti di tensionamento a base di fosfato per acciaio a grani orientati, come i rivestimenti di tipo CARLITE®, e formulazioni proprie dei produttori di acciaio.

Tutti i marchi appartengono ai rispettivi proprietari. La loro menzione identifica il tipo di rivestimento in questione e non implica alcuna approvazione o partnership.

02 — Requisiti di qualità

Perché lo spessore del rivestimento va controllato su entrambe le facce e su tutto il nastro

Il rivestimento isolante si colloca in una finestra di processo ristretta. Gli spessori secchi tipici vanno da alcuni decimi di micron a circa 10 µm per faccia, e le specifiche sono spesso espresse come grammatura in g/m². Gli scostamenti in un senso o nell'altro hanno conseguenze dirette sulla macchina elettrica finale.

Troppo sottile: cedimento dell'isolamento

Un rivestimento localmente troppo sottile non garantisce più la resistenza interlaminare. Il contatto elettrico tra i lamierini crea percorsi di cortocircuito nel nucleo, che aumentano le perdite per correnti parassite e il riscaldamento locale. Per le vernici autoincollanti, uno strato insufficiente indebolisce anche la resistenza di incollaggio del pacco.

Troppo spesso: fattore di riempimento ridotto e problemi di lavorazione

Ogni micron di rivestimento in più è materiale non magnetico all'interno del nucleo. Un rivestimento eccessivo riduce il fattore di riempimento — la quota di acciaio nel volume del nucleo — e quindi il rendimento del motore o del trasformatore. Può inoltre peggiorare la tranciabilità, la saldabilità e l'adesione, e aumenta il consumo di vernice.

Deriva della spalmatrice a rulli e riformulazione senza cromo

L'usura dei rulli, le variazioni di viscosità, di luce tra i rulli o di velocità e gli effetti di bordo modificano lo spessore applicato in larghezza e lungo il coil. Allo stesso tempo, il passaggio generalizzato del settore a formulazioni senza cromo obbliga i produttori a riqualificare le proprie grammature. Solo una misura densa su tutta la larghezza del nastro, su entrambe le facce, evidenzia questi scostamenti prima della spedizione del coil.

03 — Criticità di misura

Perché i metodi convenzionali lasciano la linea di rivestimento senza visibilità

I rivestimenti isolanti sono sottili, a bassa densità, spesso trasparenti, e applicati su un substrato ferromagnetico che scorre ad alta velocità. La maggior parte dei produttori di acciaio si affida ancora a metodi di laboratorio eseguiti su campioni prelevati all'estremità del coil.

Metodo gravimetrico (sverniciatura e pesata): preciso ma distruttivo e lento

La grammatura viene determinata pesando un campione prima e dopo la rimozione chimica del rivestimento. Il metodo è il riferimento abituale, ma è distruttivo, richiede tempo e fornisce un solo valore per campione, tipicamente in testa o in coda al coil. Una deriva che si verifica a metà coil passa inosservata.

Prove di resistenza di isolamento: un controllo funzionale, non uno spessore

Le prove di resistenza di isolamento superficiale (come la prova Franklin) verificano che il rivestimento isoli, ma non ne forniscono lo spessore. Sono eseguite fuori linea e non indicano all'operatore come regolare la spalmatrice a rulli.

Strumenti a contatto e in linea: limitati dal rivestimento stesso

Le sonde portatili a induzione magnetica o a correnti parassite forniscono uno spessore, ma richiedono il contatto e restano controlli a campione su provini tagliati. Gli strumenti in linea basati sull'assorbimento dei raggi X o sulla fluorescenza hanno altri limiti: la bassa densità e la composizione variabile dei rivestimenti per i primi, la necessità di un componente fluorescente o pigmentato per i secondi — il che esclude molti rivestimenti inorganici e trasparenti.

I vantaggi di una mappatura dello spessore senza contatto

• Ogni coil viene misurato, non solo il campione di testa o di coda.
• Entrambe le facce sono controllate, così uno scostamento su una spalmatrice viene individuato immediatamente.
• I rivestimenti organici, inorganici e ibridi sono misurati con lo stesso principio, che siano trasparenti o pigmentati.
• La correzione ad anello chiuso della spalmatrice a rulli diventa possibile, riducendo il consumo di vernice e il materiale fuori specifica.

04 — Confronto tra tecnologie

Perché la radiometria fototermica laser è adatta ai rivestimenti isolanti

La radiometria fototermica laser brevettata da Enovasense misura il rivestimento attraverso le sue proprietà termiche. Un fascio laser modulato genera un'onda termica in superficie; un rivelatore infrarosso capta il calore che si diffonde di ritorno; lo spessore del rivestimento è ricavato dalla fase della risposta termica. Poiché i rivestimenti isolanti e l'acciaio hanno proprietà termiche molto diverse, il contrasto è elevato anche per strati submicrometrici. Il metodo è completamente senza contatto, non distruttivo e non dipende dal colore né dalla trasparenza del rivestimento.

05 — Prestazioni metrologiche

Caso di studio: rivestimenti isolanti di un produttore siderurgico integrato

Un produttore siderurgico integrato ha fornito campioni di nastro rivestito provenienti dalle sue linee di acciaio elettrico, relativi alle classi C3, C5 e C6 con diverse grammature. I campioni sono stati misurati senza contatto con un sensore Enovasense in una stazione di controllo da laboratorio, con la seguente configurazione:

I valori riportati di seguito corrispondono alla configurazione di misura utilizzata in questo studio. Le prestazioni effettive in una data applicazione dipendono dal sistema ottico scelto, dalla formulazione del rivestimento e dal suo intervallo di spessore.

Accuratezza: correlazione con uno strumento di riferimento a contatto

I risultati Enovasense sono stati confrontati con i valori di spessore ottenuti sugli stessi campioni con uno strumento a contatto a induzione magnetica / correnti parassite. I due metodi mostrano una correlazione lineare con R² = 0,96 sull'intervallo 2–8 µm coperto dalle misure di riferimento, con un'unica retta di regressione per le tre classi di rivestimento.

Ripetibilità

Sono state eseguite dieci misure successive esattamente nello stesso punto di un campione C5. Lo spessore medio è di 5,41 µm con una deviazione standard di 0,09 µm, ossia una deviazione standard relativa dell'1,7 % — ben al di sotto della tolleranza tipica di una specifica di grammatura.

Tolleranza alla distanza di lavoro

La planarità del nastro, le sue vibrazioni e le variazioni della linea di passaggio modificano la distanza tra il sensore e la superficie. Il campione è stato misurato variando tale distanza attorno al valore nominale: l'errore sistematico di misura resta trascurabile entro una finestra di ±5 mm, che è la tolleranza di lavoro raccomandata per questa configurazione ottica.

06 — Integrazione industriale

Dalla mappatura in laboratorio al controllo in linea

Enovasense affianca i produttori di acciaio e i trasformatori di coil in ogni fase, dalla qualifica di una nuova formulazione al controllo continuo di una linea di produzione.

Controllo di laboratorio a bordo linea

I campioni di fine coil vengono posizionati in una stazione di controllo Enovasense che mappa automaticamente lo spessore del rivestimento su entrambe le facce. Il risultato sostituisce o integra le prove gravimetriche in pochi minuti anziché in ore ed è il modo più rapido per qualificare formulazioni senza cromo o nuove grammature.

Misura in linea

Sulla linea, le teste di misura Enovasense sono installate dopo il forno di polimerizzazione, su una o entrambe le facce del nastro, in posizioni fisse o su un telaio traslante. Sulla finestra di uscita viene soffiata aria per proteggere l'ottica. La distanza di lavoro di alcuni centimetri mantiene la testa lontana dal nastro e la tolleranza di distanza di ±5 mm assorbe le variazioni della linea di passaggio. I risultati sono inviati in tempo reale via Ethernet (TCP/IP) all'automazione di linea e ai sistemi L2 o MES, per la documentazione dei coil e la retroazione sulla spalmatrice a rulli.

Fasi di implementazione