Usura e corrosione del frantoio causati dalle olive e dalla pasta di olive

La produzione dell'olio d'oliva rappresenta un settore economico di primaria importanza per i paesi del Mediterraneo, con processi che si sono evoluti nel tempo per garantire standard qualitativi sempre più elevati. Tuttavia, la crescente meccanizzazione delle fasi produttive ha introdotto nuove problematiche legate all'affidabilità e alla durabilità dei componenti impiegati.

Le attrezzature utilizzate per la molitura, la frangitura e la separazione dei costituenti delle olive sono soggette a condizioni operative estremamente severe. La pasta di olive, infatti, rappresenta un ambiente particolarmente aggressivo per i materiali metallici, a causa della combinazione di fattori meccanici e chimici che agiscono simultaneamente sulle superfici a contatto.

Il caso studio qui presentato, condotto da ricercatori del Laboratorio di Ingegneria dei Materiali e Ambiente di Sfax (Tunisia) e pubblicato sulla rivista Tribology Transactions, documenta il fallimento prematuro di un frangitore a martelli e di una centrifuga orizzontale impiegati per la separazione dei noccioli dalla polpa, avvenuto dopo appena tre settimane di funzionamento.

L'acciaio inossidabile AISI 304L: un materiale apparentemente ideale

I componenti analizzati sono realizzati in acciaio inossidabile austenitico AISI 304L, un materiale ampiamente utilizzato nell'industria alimentare per le sue eccellenti proprietà. Questo acciaio presenta infatti una buona resistenza alla corrosione, grazie alla formazione di uno strato superficiale di ossido di cromo (Cr₂O₃) che agisce come barriera protettiva auto-riparante, e possiede caratteristiche meccaniche interessanti quali elevata saldabilità, resistenza e formabilità.

La composizione chimica tipica di questo acciaio include una percentuale di cromo tra il 18% e il 20%, nichel tra l'8% e il 10%, e basse concentrazioni di carbonio (inferiori allo 0,03%), che ne giustificano la denominazione "304L" (Low carbon). La microstruttura è caratterizzata da grani austenitici fini, con una durezza di circa 170 HV₀.₀₅, un valore che garantisce una buona resistenza all'usura in condizioni normali.

Tuttavia, come dimostra questa indagine, anche un materiale così performante può rivelarsi inadeguato quando viene sottoposto a condizioni operative particolarmente gravose, caratterizzate dalla compresenza di azioni meccaniche abrasive e di un ambiente chimicamente aggressivo.

Le condizioni operative che determinano il degrado

Il processo di produzione dell'olio d'oliva prevede diverse fasi successive: raccolta, lavaggio, frangitura delle olive, miscelazione della pasta ottenuta, centrifugazione, stoccaggio e filtrazione dell'olio. Ciascuna di queste operazioni espone i componenti metallici a sollecitazioni specifiche.

Nel caso del frangitore a martelli analizzato, le olive vengono introdotte nell'apparato a una portata di circa 30 kg/h attraverso un cono metallico verticale. All'interno della camera di frangitura, otto martelli (dimensioni 40x110x10 mm) ruotano alla velocità di 3000 rpm, generando una forza centrifuga sui semi di olive di circa 44 N. La distanza tra i martelli e la griglia fissa di cui è dotata la camera è di soli 5 mm, condizione che favorisce l'azione abrasiva dei semi.

Per quanto riguarda il sistema di rimozione dei noccioli, la centrifuga orizzontale opera con lame rotanti (40x1000x10 mm) a velocità variabili tra 1500 e 3000 rpm, che impastano la sansa di olive contro una griglia fissa. Queste condizioni operative estreme determinano un contatto intenso e prolungato tra le superfici metalliche e i semi di olive, con conseguente usura accelerata.

L'analisi dei danni: corrosione e usura a confronto

L'esame macroscopico dei componenti danneggiati ha rivelato una pluralità di fenomeni degradativi. La superficie dei martelli presentava evidenti segni di corrosione localizzata (pitting), caratterizzata dalla presenza di prodotti di corrosione di colore bruno, tipici degli idrossidi e della goethite FeO(OH) che si formano in condizioni alcaline (pH=5).

L'analisi chimica dell'acqua di rete utilizzata nell'impianto e della pasta di olive ha evidenziato come quest'ultima sia significativamente più aggressiva: presenta una concentrazione di ioni cloruro di 3738 mg/l contro i 448 mg/l dell'acqua, e un contenuto di solfati di 1404 mg/l rispetto agli 844 mg/l dell'acqua. Il pH della pasta di olive è pari a 4,9, contro l'8,0 dell'acqua.

Gli ioni cloruro giocano un ruolo determinante nei fenomeni di corrosione dell'acciaio inossidabile. Essi possono penetrare nel film passivo di ossido di cromo attraverso due meccanismi principali: il primo prevede la migrazione o diffusione degli ioni all'interno dell'ossido, con conseguente destabilizzazione e dissoluzione attiva del film; il secondo meccanismo si verifica quando il film passivo viene rotto per azione meccanica, consentendo agli ioni cloruro di adsorbirsi sul metallo nudo e accelerare il processo di dissoluzione.

Tuttavia, le osservazioni al microscopio hanno rivelato che la corrosione non è l'unico, né il principale, meccanismo di degrado. Sulla superficie dei martelli sono stati osservati numerosi segni di impatto dei semi, graffi caratteristici dell'usura abrasiva e deformazioni plastiche macroscopiche con formazione di cunei e fratture. In alcune zone si è verificata addirittura l'asportazione di materiale per taglio, con formazione di trucioli nello strato superficiale.

Il ruolo dei semi di olive nell'usura abrasiva

L'analisi microscopica delle sezioni trasversali dei componenti danneggiati ha confermato la presenza di deformazioni plastiche localizzate e fratture, insieme alla formazione di una struttura tribologicamente trasformata (TT S) che indica un significativo incrudimento superficiale.

Le misure di microdurezza effettuate lungo il profilo della superficie danneggiata hanno mostrato valori fino a 260 HV₀.₀₅, ben superiori al valore massimo ammissibile di 200 HV₀.₀₅. Questo incrudimento superficiale crea un'area strutturalmente indebolita, soggetta a ulteriori cricche e fratture.

Il meccanismo di usura abrasiva può essere ricondotto a due diverse tipologie di particelle di semi di olive: particelle grossolane di circa 6 mm di diametro con forma arrotondata, e particelle più piccole (diametro inferiore a 1 mm) con maggiore angolosità. Le particelle arrotondate tendono a incastrarsi su un lato delle asperità superficiali, deformando plasticamente l'altro lato e agendo come un cuneo. Le particelle angolose, invece, determinano un meccanismo di taglio più pronunciato.

In condizioni di funzionamento normali, i semi possono rimanere intrappolati tra la superficie del martello e quella dei controcolpi, distanti solo 5 mm. In questa configurazione, i detriti metallici generati dall'usura contribuiscono ulteriormente all'azione abrasiva, in un meccanismo noto come "usura abrasiva a tre corpi". Questo processo, combinato con l'elevata velocità di rotazione, determina un progressivo incrudimento della superficie e, infine, la comparsa di microcricche nella zona periferica dei contatti.

Tribocorrosione: quando usura e corrosione si combinano

Il fenomeno della tribocorrosione, ovvero l'interazione sinergica tra usura meccanica e corrosione chimica, gioca un ruolo importante nel degrado dei componenti. Il processo può essere idealizzato in tre fasi successive:

1. In condizioni di film passivo integro, il metallo è protetto dalla corrosione dalla sottile pellicola di ossido di cromo (Figura 13a).

2. Quando il film viene parzialmente rimosso per azione meccanica, il metallo mantiene comunque una certa resistenza alla corrosione (Figura 13b).

3. Con la rimozione completa del film protettivo, il metallo viene esposto direttamente all'ambiente aggressivo, e la velocità di corrosione aumenta significativamente (Figura 13c).

Tuttavia, nel caso specifico dell'industria olearia, è stato osservato un comportamento interessante: la pasta di olive sembra esercitare un'azione stabilizzante sul film passivo, contribuendo alla sua rapida riparazione. Questa osservazione, confermata da test di immersione di campioni di AISI 304L, suggerisce che l'effetto corrosivo sia in realtà un fattore secondario nel danneggiamento dei componenti.

Ne consegue che il meccanismo di degrado prevalente è di natura meccanica, con l'usura abrasiva, la deformazione plastica e l'incrudimento che rappresentano i fattori determinanti del fallimento.

Simulazioni di laboratorio: il test pin-on-disc

Per validare le ipotesi sui meccanismi di usura, i ricercatori hanno condotto test tribologici utilizzando un tribometro pin-on-disc. In questa configurazione, un seme di olive di 5 mm di diametro (pin) viene posto a contatto con un campione di AISI 304L in rotazione (disc), con un carico normale di 5 N e una velocità di 120 rpm.

I risultati hanno mostrato un'evoluzione del coefficiente di attrito in tre fasi distinte: una fase iniziale di assestamento del contatto, una fase di aumento del coefficiente fino a un valore di regime, e infine una fase di stabilizzazione intorno a 0,9. Il cambiamento di colore della traccia di usura da grigio chiaro a grigio scuro e infine a marrone è indicativo di un fenomeno di tribo-ossidazione, confermando il ruolo dell'ossidazione superficiale legata all'attrito.

La perdita di volume misurata è risultata pari a circa 3,89 × 10⁻¹⁰ cm³ per ciclo, un valore che, sebbene apparentemente modesto, può accumularsi rapidamente nelle condizioni operative reali.

Le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) hanno rivelato la presenza di graffi superficiali paralleli alla direzione di scorrimento, caratteristici dell'usura abrasiva. La microdurezza all'interno della traccia di usura è risultata significativamente maggiore (348 HV₀.₀₅) rispetto alla superficie non usurata (280 HV₀.₀₅), con valori che nella zona deformata sotto il graffio raggiungevano i 434 HV₀.₀₅, corrispondenti a un metallo fortemente incrudito.

Raccomandazioni per prolungare la vita utile dei componenti

Sulla base dei risultati dell'indagine, è possibile formulare alcune raccomandazioni pratiche per ridurre il degrado dei componenti in acciaio inossidabile impiegati nell'industria olearia.

In primo luogo, l'aumento della durezza superficiale dell'acciaio, mediante trattamenti termici o rivestimenti duri, potrebbe migliorare significativamente la resistenza all'usura abrasiva. L'acciaio AISI 304L, pur essendo un materiale eccellente per la resistenza alla corrosione, presenta una durezza relativamente bassa che lo rende vulnerabile all'azione abrasiva dei semi di olive.

In secondo luogo, il miglioramento dell'inerzia chimica dell'acciaio attraverso leghe più nobili o trattamenti superficiali specifici potrebbe ridurre l'effetto sinergico di corrosione e usura, rallentando il processo di degrado.

Infine, la modifica delle condizioni operative, ad esempio riducendo la velocità di rotazione o ottimizzando la distanza tra gli elementi in movimento e le superfici fisse, potrebbe contribuire a diminuire l'intensità dell'azione abrasiva e prolungare la vita utile dei componenti.

Conclusioni

L'indagine condotta sull'usura dei componenti in acciaio inossidabile AISI 304L impiegati nell'industria olearia ha messo in luce un complesso insieme di fenomeni degradativi. La tribocorrosione, con la predominanza dell'usura meccanica rispetto alla corrosione chimica, rappresenta il principale meccanismo di danno.

I semi di olive, in virtù della loro durezza e morfologia variabile, agiscono come agenti abrasivi efficaci, causando deformazione plastica, incrudimento superficiale e asportazione di materiale. L'azione combinata delle particelle di semi e dei detriti metallici generati dall'usura determina un meccanismo di usura abrasiva a tre corpi che, nelle severe condizioni operative tipiche degli impianti oleari, porta al fallimento dei componenti in poche settimane di servizio.

La ricerca evidenzia come la scelta del materiale per i componenti sottoposti a queste condizioni debba considerare attentamente il bilanciamento tra resistenza alla corrosione e resistenza all'usura, e come interventi mirati sulla durezza superficiale e sull'inerzia chimica possano contribuire a prolungare significativamente la vita utile delle attrezzature.

Le conclusioni dello studio offrono spunti concreti per i progettisti di macchinari per l'industria alimentare e per i gestori degli impianti di produzione dell'olio d'oliva, evidenziando l'importanza di un approccio integrato alla progettazione dei materiali e alla gestione delle condizioni operative per garantire l'affidabilità e la durata nel tempo delle attrezzature.