Capitolo 1
L’azienda
1.1
Luvata nel mondo: l’assetto societario, chi è, cosa fa nel mondo
Il presente lavoro di tesi è stato sviluppato presso il reparto Superconduttori dell’azienda Luvata a Fornaci di Barga (LU). Luvata (il nuovo nome di Outokumpu Copper Products dal 15 maggio 2006) è una holding multinazionale, leader nella progettazione, nello sviluppo e nella fornitura di impianti industriali, nei processi e nelle attrezzature delle industrie minerarie e metallurgiche.
I principali clienti di Luvata si trovano nei settori degli scambiatori di calore, del comparto elettrico, dell’elettronica, delle telecomunicazioni e dell’automobile. Gli stabilimenti si trovano negli Stati Uniti, in Finlandia, Svezia, Spagna, Olanda, Italia, Francia, Austria, Gran Bretagna, Cina, Malesia, Tailandia e Messico.
Luvata impiega circa 11000 persone in più di 30 nazioni. Il fatturato del gruppo nel 2005 (allora ancora Outokumpu) è stato di circa 5,6 miliardi di Euro, il 95% del quale è stato prodotto fuori dalla casa madre, in Finlandia. Il centro servizi del gruppo si trova ad Espoo, (Finlandia). L’azienda madre del gruppo, Outokumpu Oyj, è quotata alla borsa di Helsinki dal 1988.
Nel corso degli ultimi anni, il gruppo ha riunito tutte le attività sotto un unico marchio ed ha adottato una struttura unificata.
Come già accennato, ha da poco ha cambiato il proprio nome da Outokumpu a Luvata, che in finlandese significa promettere. Il cambio di nome fa parte di un’ampio programma di trasformazione strategica e operativa, è avvenuto a seguito dell’acquisizione del gruppo Outokumpu da parte della Nordic Capital nel 2005.
1.1.1
Gli ambiti in cui Luvata opera
Luvata opera nei seguenti ambiti: - architettura - autoveicoli - prodotti di consumo - elettrico - elettronico - energetico - manifatturiero - metallico e metallurgico - artiglieria - solare - materiali superconduttori - telecomunicazioni - saldature
In un’ottica di partnership con i clienti, Luvata ha cercato negli anni di collaborare con essi anche nella ricerca e nella progettazione di nuovi materiali, quali ad esempio:
- acciaio inossidabile ad elevata resistenza per migliorare le prestazioni dei telai di veicoli automobilistici
- acciaio inossidabile per applicazioni legate alla produzione di vino e champagne - rame per migliorare le prestazioni degli scambiatori di calore nei veicoli pesanti
- rame per migliorare le prestazioni delle più nuove e potenti apparecchiature di imaging medicale - tecnologia di perforazione del suolo per migliorare le prestazioni dei produttori leader di metallo.
Tra gli esempi più famosi delle applicazioni dei prodotti di Luvata, si ricordano: le torri di Kuala Lumpur (Malaysia), rivestite di accaio Avesta Polarit (azienda controllata al 100% da Luvata), 50 vagoni della metropolitana di Los Angeles in acciaio inox, molte cisterne (sempre in accio inox) delle navi per il trasporto di prodotti chimici e gas.
In particolare Luvata ha focalizzato le proprie competenze sulla produzione di rame e leghe di rame che utilizzano le principali proprietà di questo materiale: conducibilità termica, elettrica,
1.2
I superconduttori e lo stabilimento di Luvata a Fornaci di
Barga
Lo stabilimento di Luvata a Fornaci di Barga, consiste in un unico reparto nel quale vengono prodotti superconduttori, realizzati con una lega di Niobio e Titanio. Il Reparto Superconduttori occupa circa 100 dipendenti.
Il reparto, inizialmente appartenente ad Europa Metalli, è passato al gruppo Outokumpu nel 2003. L’acquisizione è in linea con la strategia del gruppo finlandese di svilupparsi nel settore dei prodotti a maggiore valore aggiunto rafforzando, nel caso specifico, la propria leadership nel settore della fornitura dei superconduttori.
I superconduttori attualmente prodotti nello stabilimento di Fornaci di Barga vengono utilizzati nel campo elettromedicale, in particolare per il funzionamento degli apparecchi per la risonanza magnetica.
1.2.1
I superconduttori
Si definiscono superconduttori quei materiali che, al di sotto di una data temperatura di tran-sizione, non oppongono alcuna resistenza al passaggio della corrente elettrica. La temperatura critica dipende sia dalla natura del materiale che dalla presenza di campi magnetici che ostacolano l’instaurarsi della superconduttività e abbassano la temperatura critica.
Questo comportamento della materia è dovuto al moto degli elettroni nei piani cristallini: in assenza di vibrazione dei nuclei, gli elettroni si coordinano a due a due; queste coppie, dette coppie di Cooper, possono viaggiare nel reticolo atomico senza urtare i nuclei atomici positivi.
La temperatura di transizione dallo stato normale allo stato superconduttore varia molto a seconda del materiale: nei metalli puri è di pochi gradi sopra lo zero assoluto mentre è più alta nelle leghe metalliche. In molti materiali ceramici contententi rame e ossigeno è particolarmente alta: tali ceramiche hanno una temperatura critica di oltre 120◦K e permettono di usare semplice azoto liquido (che lavora a 76◦K) economico e facilmente disponibile, come refrigerante. I migliori conduttori elettrici (rame, argento, oro) sono i peggiori superconduttori, con temperature critiche estremamente basse e scarsa tolleranza ai campi magnetici; si comportano molto bene invece i cattivi conduttori come il pimbo, il niobio, che esibiscono temperature critiche più alte in assoluto per i metalli puri.
Materiale Temperatura critica (◦K) gallio 1,1 alluminio 1,2 indio 3,4 stagno 3,7 mercurio 4,2 piombo 7,2 niobio 9,3 magnesio dibroruro 42,2
Tabella 1.1: materiali superconduttori
I materiali
Tra gli elementi metallici, i principali superconduttori sono:
Inoltre ci sono diversi composti metallici superconduttori come il niobio-stagno (con Tc=17,9
◦K) e vari composti ceramici con i quali si raggiungono temperature critiche superiori ai 120◦K.
Le leghe di Niobio-Titanio sono divenute i più diffusi componenti dei superconduttori (SC) agli inizi degli anni ’60. La relativa facilità con la quale i fili possono essere fabbricati, le migliori proprietà elettriche e le maggiori compatibilità con il rame erano i principali motivi della loro introduzione.
Caratteristiche
Un superconduttore si comporta da diamagnete (cioè espelle il campo magnetico dal suo interno); si può sfruttare questa caratteristica per far levitare pastiglie di superconduttori sopra il magnete. Tuttavia l’espulsione non è completa, e un sottile strato superficiale del superconduttore è sempre interessato dal campo, in modo analogo a quanto si verifica con l’effetto pelle nei normali conduttori a temperatura ambiente. Se il campo supera una certa intensità critica la sua penetrazione aumenta di colpo, distruggendo la superconduttività del materiale.
Oltre dal campo magnetico, la superconduttività può essere distrutta anche da correnti troppo elevate: per ogni materiale esiste infatti una certa densità di corrente critica oltre la quale la superconduttività cessa di colpo. Questo, insieme ai requisiti di campo magnetico e temperatura, è una atro limite che condiziona il progetto di linee di trasmissione elettriche superconduttrici
La superconduttività implica inoltre che, una volta indotta una corrente elettrica in un circuito superconduttore questa non si fermerà, ma contiunerà a circolare per sempre: in questo modo un superconduttore può fungere da accumulatore di energia elettrica.
Un uso tipico dei SC è per costruire bobine di magneti: l’uso di cavi SC ne riduce molto le dimensioni, il peso ed il consumo di energia a parità di intensità di campo magnetico. Ovviamente la costruzione e il funzionamento di un magnete SC è molto più costosa, richiedendo che sia mantenuto ad una temperatura al di sotto di quella critica.
Un superconduttore è un cavo composto da numerosi filamenti di materiale propriamente super-conduttore (come il Niobio-Titanio) immersi in una matrice di materiale super-conduttore (generalmente il Rame).
Inizialmente i SC erano costituiti da un unico filamento di materiale superconduttore, ma ciò comportava forti variazioni di flusso nei magneti; suddividendo il materiale SC in filamenti più piccoli si notava una maggiore stabilità adiabatica rispetto alle variazioni di flusso.
Inoltre, l’aggiunta di rame, o altri metalli conduttori, come matrice di materiale interfilamentare, assicura non solo la stabilità dinamica alla variazione di flusso ma anche la criostabilità. In aggiunta, filamenti più sottili minimizzano le perdite per isteresi e l’inerente magnetizzazione.
I fili in materiali compositi, quando soggetti ad un campo magnetico esterno funzione del tem-po, subiscono l’accoppiamento di filamenti a causa della circolazione di corrente. Come risultato l’effettivo diametro del filamento è più largo di quello reale, cosicché si annullano i benefici di un unico filamento più sottile.
Per risolvere il problema, il filo multifilamentare viene twistato cioè attorcigliato; così facendo si riducono le perdite per correnti parassite causate dall’applicazione di campi magnetici tempo-varianti.
1.2.2
Classificazione dei superconduttori in base al metodo di fabbricazione
Esistono diversi modi per la fabbricazione dei SC.Ci sono diversi metodi usati per fabbricare i superconduttori, in funzione dell’applicazione.
I superconduttori composti da più di 200 filamenti possono essere assemblati usando una delle tecniche di base di seguito descritte .
- Kit Method
- Restacked Monofilaments Method - Restacked Drilled Billets
Kit Method
Consiste nell’inserimento di barre di piccolo diametro di SC all’interno di tubi con fori cilindrici, la cui sezione esterna è esagonale(come in Figura 1-2). Sebbene sia un metodo relativamente semplice ed economico, presenta diversi inconvenienti quando sono richieste alte correnti o elevate lunghezze. I tubi vengono poi impacchettati all’interno di un tubo più grande di rame il cui diametro esterno è di circa 250 mm. Le estremità del recipiente vengono saldate ed il lingotto viene estruso.
Figura 1-1: Kit method fase 1
Figura 1-2: Kit method fase 2
Restacked Monofilaments Method
Alcuni fattori limitano la qualità del filo di superconduttore prodotto con il Kit Method. La quantità di superficie esposta a rischiodi ossidazione nella fase precendente l’assemblaggio, è approssimati-vamente doppia rispetto a quella di un composito con un lay-out simile (cioè con lo stesso numero di filamenti) fabbricato usando il Restacked Monofilaments Method, cioè ri-impacchettando inserti monofilamentari per formare cavi multifilamentari.
Ogni ossido che resta intrappolato all’interno dell’assemblato, nelle prossimità del nucleo di Niobio-Titanio, può condurre a problemi notevoli: un’occlusione anche piccola può diventare un
Niobio-Titanio ma anche la matrice di rame: la presenza di impurità nel rame riduce infatti la sua efficacia come stabilizzatore.
La soluzione consiste allora nell’introduzione di una barriera di Niobio che evita la crescita di impurità metalliche indesiderate.
Il metodo di fabbricazione più comunemente usato è quello di assemblare un superconduttore multifilamentare usando superconduttori monofilamentari.
Innanzitutto viene fabbricato il superconduttore monofilamentare. Uno o più fogli di Niobio vengono avvolti intorno un grande lingotto di Niobio-Titanio e poi l’intero assemblaggio viene racchiuso in un recipiente di rame o rame-manganese. Il tutto è mostrato nella Figura1-3
Figura 1-3: Restacked kit monofiaments
Il lingotto di Niobio-Titanio ha un diametro di circa 150 mm. L’unione dei diversi elementi viene ottenuta con un innalzamento di temperatura in forno.
Dopo l’infornata, il superconduttore monofilamentare viene portato al giusto diametro tramite estrusioni e trafilature. Eventualmente possono essere tagliati in forma esagonale. Ogni supercon-duttore monofilamentare viene poi tagliato in base alla lunghezza desiderata. Sono state create così barre in materiale superconduttore che rappresentano la materia prima per l’assemblaggio del lingotto del superconduttore multifilamentare. Le barre ottenute, infatti, vengono impacchettate secondo una certa combinazione all’interno del guscio di Rame. La figura mostra l’assemblaggio ottenuto.
A questo punto il lingotto è pronto per essere estruso e poi trafilato per ottenere il cavo della giusta dimensione.
Restacked Drilled Billets
Il terzo metodo di assemblaggio delle billette è quello del Restacked Drilled Billets, consiste nel reimpacchettare inserti multifilamentari cilindrici (di prima) contenuti in tubi esagonali di rame, per ottenere cavi superconduttori multifilamentari (di seconda) dall’elevato numero di filamenti.
Questo approccio è comunemente usato quando è richiesto un cavo superconduttore con migliaia di filamenti molto sottili, come nei casi di applicazioni in corrente alternata. Se nel metodo precedente venivano impacchettati inserti monofilamentari per ottenere cavi multifilamentari, qui si continua con un terzo assemblaggio.
Dopo aver creato i cavi multifilamentari questi vengono tagliati e vengono inseriti nei tubi di rame esternamente esagonali. L’unità formata costituisce l’inserto che va a formare un nuovo lingotto. Il lingotto così assemblato viene poi estruso prima e trafilato poi per ottenere il cavo superconduttore desiderato.
1.2.3
La Divisione Superconduttori in Luvata
Da circa 30 anni Luvata produce fili e cavi superconduttori (SC) a base di leghe di Niobio (Nb). E’ leader mondiale nella produzione di superconduttori in leghe di Niobio e Titianio, con una notevole varietà di applicazioni. In particolare ha partecipato a svariati progetti internazionali d’avanguardia riguardanti la superconduttività alle basse temperature (Low Temperature Superconductors, LTS).
Attualmente gli stabilimenti di Luvata in cui vengono prodotti materiali superconduttori sono : - Fornaci di Barga (Italia)
- Pori (Finlandia) - Waterbury (USA).
I prodotti lavorati sono utilizzati per:
- Magnetic Resonance Imaging (MRI) Scanners: hanno un ruolo sempre crescente nella medicina diagnostica: i grandi campi magnetici di cui hanno necessità tali strumenti rendono neces-sario l’utilizzo dei superconduttori e dei cavi conduttori di rame. L’MRI fornisce un’impareggiabile analisi del corpo umano, rilevando un livello di dettaglio molto superiore rispetto a tutte le altre modalità di rilevazione delle immagini. Nello sforzo di rendere più economica l’MRI, e come risul-tato rendere accessibile a sempre più persone questa rivoluzionaria tecnica di diagnostica, Luvata ha lavorato con i principali fornitori di magneti per sviluppare l’ottimale filo superconduttore e le migliori prestazioni del cavo superconduttore per le applicazioni nell’MRI. Nel 1980, esistevano solo pochi esemplari di apparecchiature di risonanza magnetica in tutto il mondo. Oggi sono presenti decine di migliaia di apparecchi che sono in grado di fornire risultati in pochi secondi.
costruito un grande acceleratore di particelle. Luvata ha fornito il materiale superconduttore: 2280 m di cavi, costituiti da 6400 filamenti.
- Spettrometri per la Risonanza Magnetica Nucleare, NMR: sono strumenti utili per la determinazione della struttura molecolare delle molecole sia grandi sia picole. Gli spettrometri NMR sono usati nella ricerca chimica, biochimica, nella chimica farmaceutica, nelle scienze dei polimeri e dei materiali, nella ricerca sul petrolio e nella medicina.
- Accumulo di energia dentro magneti superconduttori (Superconducting Magnetic Ener-gy Storage, SMES): l’energia viene immagazzinata in un magnete in grado di produrre MW di potenza in una frazione di un ciclo per rimpiazzare un’improvvisa perdita di potenza. I disposi-tivi per l’immagazzinaggio dell’energia migliorano la sensibilità del sistema, oltre all’affidabilità, la flessibilità e riducendone al contempo i costi.
- Sistemi di trasporto a levitazione magnetica, Maglev: il superconduttore crea un campo mag-netico tale da tenere sollevato un veicolo ferroviario per circa 80 mm, consentendogli di raggiungere velocità vicine ai 630 km/h, grazie all’assenza dell’attrito da contatto.
- Magneti da laboratorio per la ricerca scientifica. - Progetti scientifici
- Generatori
1.2.4
Il Raparto Superconduttori a Fornaci di barga
I prodotti realizzati
Nello stabilimento di Fornaci di Barga vengono attualmente realizzate due tipologie di prodotti che chiameremo A e B.
Il prodotto A è allungato, multifilamentare: per realizzarlo è necessario utilizzare inserti tagliati da cavi monofilamentari. Il cavo monofilamentare viene chiamato MonoxA.
Il ciclo di produzione per il prodotto A è il seguente: 1) Assemblaggio del lingotto monofilamentare MonoxA;
2) Estrusione e successiva trafilatura del lingotto fino a creare una matassa MonoxA; 3) Il cavo viene tagliato in inserti di MonoxA;
4) Assemblaggio del lingotto multifilamentare A utilizzando gli inserti di MonoxA; 5) Estrusione e successiva trafilatura del lingotto fino a creare una bobina di A.
• B 2 • B 12 • B 21 • B 108
Il prodotto B è un prodotto multifilamentare. Per la sua realizzazione è necessario realizzare prima un cavo monofilamentare detto MonoxB.
Il ciclo di produzione per il prodotto B è il seguente: 1) Assemblaggio del lingotto monofilamentare MonoxB;
2) Estrusione e successiva trafilatura del lingotto fino a creare una matassa MonoxB; 3) Il cavo viene tagliato in inserti di MonoxB;
4) Assemblaggio del lingotto multifilamentare B utilizzando gli inserti di MonoxB; 5) Estrusione e successiva trafilatura del lingotto fino a creare una bobina di B.
I diversi tipi di filo si differenziano tra loro principalmente per lo schema con cui vengono montati i cavi monofilamentari per creare il tubo di multifilamentare.
Applicazioni dei SC prodotti a Fornaci di Barga
I superconduttori trovano il loro impiego essenzialmente nell’ambito della Risonanza Magnetica Nucleare (RMN) per diagnostica medica.
La risonanza magnetica (MRI) è la prima applicazione in larga scala dei superconduttori. Ci sono più di 1700 unità di risonanza magnetica installate in tutto il mondo. Quando il corpo umano è esposto ad un campo magnetico, i protoni nell’acqua ed altre molecole si allineano con questo campo. Se viene applicata una scarica di energia avente la corretta frequenza di risonanza, i protoni vengono eccitati e, quando il campo viene rimosso, ritornano al loro stato normale rilasciando energia. Questa energia viene utilizzata in parecchi modi e può essere usata per creare un’immagine, che fornisce importanti informazioni riguardo a tessuti che non possono essere visualizzati con una esposizione ai raggi X. La risonanza magnetica è particolarmente utile per lo studio del cervello, fegato e reni.
