L’Acciaio

I- 1) – SIDERURGIA

Il ferro, pur essendo uno degli elementi più diffusi in natura, non si trova allo stato libero per la facilità con cui si combina con gli altri elementi. I minerali di ferro importanti dal punto di vista siderurgico sono ossidi:

• Le magnetiti , minerali di colore nero contenente essenziale la magnetite (Fe₃O₄, con il 72% di ferro);
• Le ematiti minerali di colore rossastro, contenenti ematite (Fe₂O₃, con il 70% di ferro);
• Le limoniti, minerali con colorazione bruna lucente, a volte di colore giallo-bruno contenenti limonite (2Fe₃O₂ . 3H₂O con il 60% di ferro).

Sono anche importanti:

• Le sideriti minerali di colore bruno con lucentezza metallica, contenenti un carbonato di ferro ovvero la siderite (FeCO₃, con il 48% di ferro).

Per ottenere il ferro dai propri minerali occorre ridurre gli ossidi; l’operazione si compie nell’alto forno e consiste nella combustione di carbone fossile (coke) che ad alta temperatura si combina con l’ossigeno degli ossidi per formare CO e CO₂ lasciando libero il ferro; questo poi il ferro fonde e discioglie una certa quantità di carbonio. La soluzione di carbonio in ferro che ne deriva (lega (lega ferro-carbonio) è detta ghisa. L’altoforno è un forno a strati a funzionamento continuo; esso è costituito da un grande recipiente a forma di tino (alto fino a 35 metri) con pareti di lamiera rivestite internamente di mattoni refrattari.

Dall’alto vengono caricati automaticamente a strati alternati minerali di ferro, carbone coke e fondenti (minerali che danno una mano affinché i gas caldi salgono verso l’alto si raffreddano riscaldando contemporaneamente la carica, viene cosi automaticamente realizzato il processo di riscaldamento in controcorrente. Le reazioni che si svolgono nell’alto forno si possono schematizzare come segue:

1. Nella zona superiore in prossimità della bocca la carica perde l’umidità e si riscalda fino a circa 400 °C;

2. Nella zona intermedia (zona di riduzione o ventre), ove si hanno temperature dall’alto verso il basso da 400 a 1300 °C, avvengono le reazioni:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂    (ossido ferrico + monossido di carbonio) 

  Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂      (ossido ferroso-ferrico monossido di carbonio)

  FeO + CO = Fe + CO₂      (ossido ferroso + monossido di carbonio)

3. Nella zona inferiore (zona di fusione, o sacca) il prodotto, che si presenta come blocchi spugnosi di ferro, comincia a fondere e passa da 1300°C a 1600°C e anche a 1800°C; nel ferro fuso si scioglie il carbonio fino a completa saturazione (da 3,5 al 4,5%) formando ghisa;

4. Nella parte bassa della zona inferiore sboccano gli ugelli dai quali viene insufflata l’aria calda in pressione; qui la temperatura può arrivare anche ai 2000°C;

5. il crogiolo chiude in basso il forno; in esso si raccoglie la ghisa fusa sulla quale galleggiano le scorie formate dalla ganga, dai fondenti e dalle ceneri di coke; la temperatura è qui di circa 1700°C.

Mediante apposite aperture collocate nella parte bassa del crogiolo viene periodicamente spillata la ghisa; da altre aperture praticate più in alto vengono fatte defluire le scorie. Queste, le scorie sono costituite essenzialmente da silicati di calcio e sono dette anche loppe d’alto forno, usate soprattutto per la fabbricazione del cemento, detto appunto cemento d’alto forno. La ghisa che esce dall’alto forno è detta di prima fusione: essa ha qualità diverse secondo il tipo di ganga e la temperatura massima che si raggiunge nel forno (questa viene regolata col dosaggio di coke e con la quantità d’aria insufflata). Si hanno cosi le ghise per fonderia destinate alla successiva lavorazione e produzione di oggetti di ghisa; le ghise da affinazione e per forni Martin destinate ad essere convertite in acciaio. La ghisa prodotta dall’alto forno è destinata per la maggior parte (circa il 90%) alla produzione dell’acciaio. La rimanente è usata in fonderia per la preparazione di oggetti di ghisa. La ghisa è la lega di ferro e carbonio che contiene dal 2% al 4,5% circa di carbonio; essa contiene però anche altri elementi in quantità variabili:

il silicio(Si) normalmente      (0,30% ÷ 1,2%);

il manganese (Mn)                    (0,3% ÷ 1,2%);

il fosforo (P) non maggiore    (0,3%);

lo zolfo (S) non maggiore   (0,05% ÷ 0,12%).

Questi elementi presenti conferiscono nella ghisa proprietà molto variabili a seconda della loro quantità in percentuali.

• Il silicio abbassa la solubilità del carbonio nel ferro e quindi favorisce la deposizione del carbonio libero sotto forma di grafite formando le cosiddette ghise grigie, inoltre ne abbassa il punto di fusione.
• Il manganese ha azione contraria a quella del silicio, aumenta di fatto la solubilità del carbonio nel ferro; un contenuto notevole di manganese inoltre permette la formazione delle cosiddette ghise bianche, aumentandone la durezza e anche la resistenza, purché non si oltrepassi il limite in percentuale dell’1%. Al di là di questo limite la ghisa diventa si più dura, ma più fragile, per il fatto che il manganese ostacola la separazione del solfuro di ferro e la presenza di questo composto è dannosa appunto perché conferisce fragilità alla ghisa.
• Il fosforo la presenza aumenta grandemente la fluidità della ghisa favorendo evidentemente la colate dei getti in fonderia; Se il contenuto di fosforo però supera lo 0,3%  rende la ghisa dura e fragile.
• Lo zolfo la presenza dello zolfo è l’elemento chimico più nocivo per la qualità  della ghisa. Esso rende la ghisa dura, fragile, porosa, poco resistente e poco fusibile. La quantità limite che non riesce troppo nociva è il 0,12%.
• La velocità di raffreddamento influisce molto sulla qualità della ghisa: di fatto una ghisa che abbia una determinata composizione, può solidificare con struttura bianca o grigia a seconda se è raffreddata rapidamente o lentamente.  

La ghisa di prima fusione, proveniente dall’alto forno, non può essere utilizzata direttamente, (per la lavorazione o formatura: laminazione, stampaggio, estrusione, ….) ma deve essere fusa una seconda volta (ghisa di seconda fusione) insieme a rottami di ghisa o di acciaio e altre sostanze (fondenti) capaci di combinarsi variamente con le impurezze in esse contenute, per formare composti che le conferiscano determinate proprietà.

Aggiungendo altri elementi, dalla seconda fusione si possono ottenere ghise speciali: per esempio aggiungendo nichel, cromo o molibdeno, si migliorano le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione.

Per migliorare le proprietà della ghisa si eseguono su di essa dei trattamenti termici, analoghi a quelli che si eseguono sugli acciai.

• La ricottura è un riscaldamento seguito da lento raffreddamento, che può essere effettuato fino a circa 500°C per migliorare la lavorabilità senza alterare sensibilmente la resistenza meccanica e la durezza. Il riscaldamento fino a 800°C ÷ 950°C assicura la massima lavorabilità, ma abbassa notevolmente la resistenza meccanica e la durezza.
• La normalizzazione è un riscaldamento fino alla temperatura di 850°C ÷ 900°C seguito da un raffreddamento normale in aria ferma; esso annulla gli effetti di precedenti processi termici, mentre migliora la durezza e la resistenza meccanica.
• La tempra è un riscaldamento fino alla temperatura di 800°C ÷ 900°C seguito da un raffreddamento più o meno rapido a seconda del tipo di ghisa. Perché questo trattamento sia efficace è necessario partire da ghise con parte del carbonio combinato sotto forma di cementite e con la grafite libera molto finemente suddivisa (ghise da tempra). La tempra conferisce una elevata durezza, ma essa si accompagna ad un aumento della fragilità e quasi sempre ad una minore resistenza meccanica.
• Il rinvenimento è un riscaldamento a 300°C ÷ 350°C seguito da raffreddamento abbastanza lento, che diminuisce la fragilità ed aumenta la resistenza meccanica. Questo trattamento, operato generalmente dopo la tempra, da la possibilità di variare entro un campo abbastanza vasto le proprietà di una ghisa.

Nella tabella seguente sono riportati i limiti di variazione dei costituenti più comuni per ghise grigie, ghise bianche e ghise duttili, nonché alcune delle loro proprietà meccaniche.

La ghisa duttile si ottiene per ricottura della ghisa bianca di prima fusione in ambiente neutro o in ambiente ossidante. La ghisa duttile ottenuta col processo neutro è ben lavorabile ed ha una buona resilienza[1]. La ghisa duttile ottenuta col processo ossidante ha una buona saldabilità e discreta resistenza meccanica.

composizione e proprietà meccaniche delle ghise
Tipo di ghisa	Carbonio%	Silicio %	Manganese%	Fosforo %	Zolfo %	Carico rottura a trazione Kg/mm2	Durezza  Brinell Unità Brinell
bianca	2,50 ÷ 4,0	0,30 ÷ 1,70	0,30 ÷ 0,70	max 0,30	max 0,15	14 ÷ 50	375 ÷ 600
grigia	2,50 ÷ 3,50	1,50 ÷ 2,50	0,50 ÷ 1,0	max 0,50	max 0,12	12 ÷ 40	150 ÷ 275
duttile proces. neutro	2,0 ÷ 2,65	0,90 ÷ 1,65	0,25 ÷ 1,0	max 0,18	max 0,20	30 ÷ 70	160 ÷ 270
duttile proces. ossidante	2,80 ÷ 3,40	0,50 ÷ 0,75	0,25 ÷ 0,50	max 0,18	max 0,20	35	130 ÷ 145

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[1] La resilienza (da resilire, che significa “rimbalzare”) è l’assorbimento di energia da parte di un corpo sottoposto ad urto.

I- 2) – LA PREPARAZIONE DELL’ACCIAIO AL CARBONIO

L’acciaio è una lega ferro-carbonio con contenuto di carbonio inferiore all’1,7%. Per la sua preparazione si parte generalmente dalla ghisa e rottami di ferro. L’acciaio, in generale,  si può definire come il prodotto siderurgico carburato, ottenuto cioè per fusione, contenente le minori proporzioni di carbonio e di impurezze, avente un forte grado di malleabilità, e delle qualità meccaniche superiori rispetto al prodotto di partenza che è la ghisa. La composizione dell’acciaio al carbonio è compresa normalmente nei seguenti limiti:

• silicio(Si)                  inferiore 0,30%
• manganese (Mn)            inferiore 0,60%
• fosforo (P)                   inferiore 0,10%
• zolfo (S)                   inferiore 0,05%

Si differenzia quindi dalla ghisa, perché contiene molto meno carbonio, e nel contenerlo tutto sotto forma di carbonio combinato; e pochissimo silicio. Questa composizione percentuale di elementi conferisce all’acciaio particolari proprietà meccaniche che sono: una grande malleabilità[1] o duttilità e qualità meccaniche di notevole valore. I procedimenti usati per ottenere acciai duttili o malleabili sono sostanzialmente tre: al convertitore, al forno Martin (acido o basico), al forno elettrico:

– Acciaio al convertitore – La ghisa, proveniente dall’alto forno, in siviere ove si mantiene allo stato fuso, viene immessa in un grosso recipiente a forma di pera detto convertitore Bessemer costituito da lamiere d’acciaio rivestite internamente di materiale refrattario siliceo. Il convertitore è sostenuto a circa metà altezza da due perni orizzontali attorno ai quali può ruotare e quindi, attraverso la bocca, versare il contenuto entro appositi recipienti.

Attraverso uno dei perni (3), che è forato, passa una tubazione (4) che arriva alla base e si inserisce in una cavità che circonda il fondo del convertitore (5) (cassa a vento); nella tubazione, durante il funzionamento, è immessa aria in pressione (4) (1,5 ÷ 2,5 atm), che entra nella cassa a vento e, attraverso numerosi fori praticati nel refrattario del fondo, penetra all’interno del convertitore.

La carica avviene dalla bocca, dopo aver inclinato il convertitore in modo che la ghisa fusa non arrivi al fondo e non penetri nei fori; viene poi immessa l’aria compressa e rado drizzato il convertitore. Immediatamente inizia la formazione di ossidi di silicio e di manganese che, successivamente danno luogo ai silicati formanti le scorie; dopo qualche minuto inizia la combustione del carbonio con fiamma biancastra.

Questa combustione dura da 10 a 15 minuti fino a che è bruciato quasi tutto il carbonio. Si inclina di nuovo il convertitore e si sospende l’immissione di aria; si versa la scoria che galleggia e poi si introducono prodotti carburanti e correttori in modo che la composizione del bagno acquisti le proporzioni desiderate. Da ultimo si rovescia il convertitore, versando l’acciaio, ormai formato, nelle siviere. Con il convertitore Bessemer a rivestimento siliceo (acido) non è possibile eliminare il fosforo contenuto nella ghisa d’origine, il che risulta dannoso per l’acciaio.

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[1] La malleabilità è la proprietà che possiede un metallo di poter subire, a caldo, sotto l’azione di sforzi meccanici, delle deformazioni permanenti senza rompersi. Più un metallo è malleabile , e tanto minor sforzo esso richiede per ottenere su di esso una data deformazione, e più questa deformazione può essere accentuata senza che il metallo si rompa.