Appunti Metallurgia

Elementi di siderurgia

Uso dei materiali: durabilità (corrosione), resistenza al calore, fragilità, invecchiamento (elasticità). Si deve investire sul materiale per provvedere a una minore manutenzione (durare tot anni)… Fatica meccanica: quanto resiste a cicli nel tempo. Alluminio: specifica resistenza alla fatica meccanica. Ghisa: problemi di lavorabilità.

Metallurgia primaria delle leghe ferrose

Primaria: si prende un metallo e ci si fanno le cose. Secondario: riuso quello che si ha già a disposizione (a fine di vita, riciclo). 300 a.C.: i cinesi (civiltà predominante) furono i primi a estrarre ferro dal minerale e produrre armi in acciaio (spade di acciaio cinesi contro scudi di bronzo romano). Magnesite: minerale altamente concentrato in ferro ottenuto grattando il monte magnetico: scaldato si separa in fase ferrosa e fase non ferrosa, ci si aggiunge il riso (alto contenuto di carbonio) ferro + carbonio forma panetti di acciaio. Attualmente il minerale si ottiene da cave.

Inghilterra: enorme disponibilità di carbone e discreta disponibilità di ferro (rivoluzione industriale). Carbone fossile si trova sotto falde acquifere o laghi o sottoterra. Produzione di acciaio primario: si deve alimentare un forno detto altoforno. Al suo interno ci sono livelli di temperatura, in cui competono reazioni chimiche diverse tra carbone (minerale che si introduce) e ossigeno (attiva tutte le reazioni). Insufflaggio di aria, carica di minerali di ferro e coke (il carbone è troppo umido e quindi va seccato, diventando pietre; l'arrostimento produce fumi e polveri sottili inquinanti; cokeria). Altoforno dell'ILVA di Taranto: 8 altoforni di cui 2 in funzione.

Ciclo di produzione (metallurgia di processo): si forma la ghisa di prima fusione (pig iron: c'è qualcosa di eccedente; cast iron: ghisa normale) prodotta dall'altoforno (non esce direttamente acciaio). Va quindi trattata per ottenere l'acciaio: viene versata in una specie di betoniera (mescolamento) liquida e ci si aggiunge un qualcosa per affinare la concentrazione (troppo carbonio, silicio, fosforo). Si porta in acciaieria dove si sceglie preferibilmente la colata continua per avere prodotti laminati, tubi, cavi (al posto di farla in lingotti). Acciaieria primaria (colata continua), secondaria (non ha bisogno dell'altoforno perché utilizza ghisa di scarto per farli in lingotti).

Materie prime: minerali (metallurgia primaria) o rottami (acciaio che viene riutilizzato, quindi rifuso). Elementi da cui si può realmente (quanto costa) estrarre ferro:

• Ossidi (ematite e magnetite, cuprite, melaconite)
• Ossidi idrati (limonate, sidenite)

Germania e Francia: paesi produttori di minerali ferrosi; Italia: seconda a produrre acciaio. Riduzione ossidi avviene nelle fasce di temperatura (a cuspide). Composizione tipica ghisa da altoforno (C, Mn, Si, S, P) è ancora troppo rozzo, grezzo per essere considerato acciaio (non è nemmeno "cast" iron), ha valori di C e Mn troppo alti mentre Si, S, P va rimosso. Convertitore Bessemer: mescolatore, convertitore dove si versa la ghisa grezza ottenuta dall'altoforno.

Rottame vecchio: già riutilizzato, rottamato tante volte. Rottame nuovo: stoccato e riutilizzato per la prima volta. Recuperi siderurgici: recuperi che potrebbero essere utili e ne attenuano i costi.

Colata continua: solidificazione per azione di rulli lungo il condotto, deve solidificare orizzontalmente se no si hanno deformazioni. Si alimenta il tinello con un metallo fuso. Bramme (tipo travi) o rotoli di lamiere, oppure direttamente il profilo di rotaie (Lucchini).

Carbonia: Sardegna, propaganda fascista, nasce come alloggio degli operai che dovevano lavorare, per estrarre carbone.

Metallurgia in Italia

• Acciaieria (produzione primaria di acciaio), acquistano carbone, minerali di ferro e producono acciaio.
• Piemonte, Lombardia, Veneto... Terni, Marcegaglia, Catania (produzione secondaria).

Disproporzione (giusta) tra produzione primaria e secondaria acciaio (maggiore). Filiera del riuso controllata: si tengono le componenti (ingranaggi, metalli leggeri come lega di alluminio, telaio macchine) che dal punto di vista funzionale possono essere venduti e vengono catalogati (tipo di acciaio che viene utilizzato nei vari modelli), diventa un rottame selezionato, si rifonde per formare eventualmente altri telai, componenti... Riciclo al 100%: la destinazione d'uso è la medesima (esempio: lattine, in cui la perdita in peso è meno del 0.5%, una lattina può essere riciclata circa 20 volte). Riciclo normale: resa dell'80-70%, ingresso non selezionato, quindi costi minori, ma perdita di peso maggiore.

Settore aerospaziale, militare: importante la prestazione, non si considera il prezzo di acciaio non riciclato rispetto ad utilizzare acciaio riciclato. Acquisto di componenti più o meno controllati per diverse finalità.

Acciaio:

• Per uso civile-edile (cemento armato, ponti... di bassa qualità, servono per rinforzare la struttura cementizia e che garantisca resistenza a momenti flettenti; Italia prima in Europa)
• Inossidabili
• Al carbonio per trattamenti successivi (altri acciai)

Il cemento resiste a compressione. Simula la pietra (molto stabile perché ci ha messo tanto tempo per formarsi) ma deve essere prodotto in poco tempo.

Forni elettrici: dove si rifondono metalli a fine di vita (acciaieria secondaria). La Cina ha saturato a livello mondiale la produzione di acciaio (55% minimo). 264 Mton di acciaio prodotto nel mondo. I Russi sin dai tempi degli zar, hanno investito nella "terra di mezzo" (Polonia-Kazakistan) per sistemi di estrazione carbone e ferro e costruzione acciaierie.

Impatto ambientale della produzione di acciaieria primaria: impatto molto modesto se non fosse per la fase preliminare di arrostimento del carbone coke (per eliminare umidità e ridurre i contenuti di zolfo, fosforo e zinco, resa del 90%, 8% di ceneri (altamente inquinante), 1% fumi (è un vapore, innocuo, ma può portare ceneri), 1% catrame, che viene poi commercializzato). Ceneri: ZnO (rende rossastro-rosa le inferiate), composti solforosi e fosfati (rischiano di inquinare le coltivazioni) Fumi: CO, valore, solfuri gassosi e fosfati gassosi (questi ultimi due precipitano quindi non dannosi).

Navi container e petroliere (hanno il doppio scafo): contengono un alto contenuto di acciaio. Vanno in Pakistan, Bangladesh, India. Disastro ambientale e condizione disarmante degli operai. Fondale basso, lasciano le navi a riva che poi vengono demolite e smontate i cui pezzi vengono rivenduti o rifusi per produrre acciai.

Solidificazione dei materiali metallici

Sia in metallurgia primaria che secondaria si fonde il metallo per dargli forma, modificando significativamente la forma che aveva all'inizio del processo. Il liquido metallo solidifica con un processo termodinamico, il sistema metallo liquido ha facoltà di arrivare ad essere solido andando ad estrarre calore (raffreddare: sottrarre energia termica) nel tempo fino ad arrivare a una temperatura (di fusione) al di sotto della quale la libertà di movimento si irrigidisce arrivando ad uno stato, detto solido, in cui si ha una scarsa libertà di movimento, potendo vedere un oggetto con la propria dimensione e geometria.

Temperatura: misura del livello energetico (l.e. = calore che possiede l'oggetto nel suo stato liquido). Temperatura di solidificazione (fusione al contrario): temperatura (misura del livello energetico = energia termica) al di sotto della quale si ha il passaggio di fase o stato da liquido a solido. Dipende dalla conducibilità termica degli atomi costituenti il metallo e da che cosa è composto il metallo.

Legame metallico: gli elettroni più esterni sono liberi di muoversi su piani cristallografici e si possono allontanare molto dall'atomo di appartenenza. Dal punto di vista fisico è la base del comportamento meccanico dei metalli (altrimenti il metallo si comporterebbe come il vetro o un ceramico). Duttilità: spostare qualcosa è come mescolare qualcosa che è già mescolato, dato che gli elettroni sono delocalizzati dai propri atomi. Temperatura di fusione: temperatura alla quale si forma il legame metallico.

La solidificazione avviene in due stadi o processi:

• Nucleazione (N=dN/dt): è una velocità, una derivata, perché si sta raffreddando nel tempo. È la formazione dei primi cristalli di solido (nuclei) all'interno di un volume liquido, avviene prima nelle zone più fredde (preferenziali, raffreddano prima, come le pareti del contenitore, formazione dei nuclei corticali)
• Crescita dei nuclei solidi (G=dG/dT, growth), anch'essa una velocità, una derivata. È la velocità di crescita dei nuclei che incominciano a fagocitare, a consumare, il liquido che c'è, fino ad avere il 100% in solido.

Il tempo di riempimento dei cristalli nucleati (da 1% a 100% solido) può durare scale di tempo diverse.

Quali sono le conseguenze del prevalere della fase N (formazione di tanti nuclei) o della fase G (prevale lo stadio di crescita dei nuclei)? N/G (dN/dG): il rapporto, che è un numero, può essere alto (N alto a parità di G o G basso a parità di N) o basso (N basso a parità di G oppure G alto a parità di N). Parità = costante.

Per avere un N/G basso si può:

• Diminuire N riscaldando lo stampo (o i rulli ecc), calando la velocità di nucleazione (N).
• Aumentare G facendo avvenire un'escursione termica molto veloce (più difficile dal punto di vista tecnologico).

Per avere un N/G alto si può:

• Aumentare N, raffreddando velocemente lo stampo o la colata continua con getti d'acqua.
• Inibire G, agendo sulla chimica del metallo che si sta producendo, introducendo degli inoculanti (oggetti che favoriscono nucleazioni all'interno del metallo fuso, generando siti di nucleazione all'interno del metallo fuso, e si abbassa di conseguenza anche G, in quanto si impedisce una normale crescita dei cristalli, grani). I nuclei diventeranno grani (struttura metallica finale solidificata).

N/G alto: tanti nuclei piccoli (grani fini = elevata resistenza meccanica = ottimizzazione delle spese e maggiori impieghi e casi di utilizzo). N/G basso: pochi nuclei ma grandi. La resistenza meccanica è proporzionale a uno fratto la radice della dimensione media dei grani.

Fenomeno del sottoraffreddamento: è necessario per far avvenire la nucleazione. Al raffreddamento, il materiale percepisce una temperatura troppo fredda (T di sottoraffreddamento), quindi per inerzia, deve recuperare energia, acquisendola dal sistema circostante. Tanto più veloce è il raffreddamento, tanto più il punto "C" è più basso. Ciò limita l'avere il N/G alto, perciò si aggiungono degli inoculanti (sono isolanti, ossidi) per assorbire il sottoraffreddamento: gli inoculanti hanno il compito di moltiplicare i siti di nucleazione (aumenta N) e permettono contemporaneamente di non avere più sottoraffreddamento in quanto si riduce l'inerzia del liquido di metallo che si sta raffreddando, fino ad annullarla (tratto BCD). Si utilizza il vanadio negli acciai.

Coefficiente di sicurezza (30%, per esempio nelle costruzioni civili, in più della resistenza), perché il progettista si deve tutelare legalmente da quello che accade una volta messo in posa il progetto.

Solidificazione: variazione continua di temperatura nel tempo. A livello industriale la temperatura di raffreddamento non coincide con la temperatura di fusione (dovuta all'inerzia termodinamica). La solidificazione termina quando tutti i punti del volume del liquido si trasformano in solido.

Diagramma di stato di una lega binaria A-B (completa miscibilità allo stato solido; A: sempre metallo, B: metallo o non metallo come Si nelle ghise): in ascissa si mettono le percentuali in composizione di A e B (0 = 100% A — 100 = 100% B). Si può tracciare una linea a 50% per indicare a sinistra che A ospita B, a destra B ospita A. 40% = 60% di A che ospita il 40% di B.

Vengono fatte delle prove per costruire punto per punto le curve di transizione da liquido a solido+liquido a solido. Si formano delle isole di solido (nucleazione) di una miscela di A+B. Punto che identifica l'inizio dell'evento di nucleazione e punto che identifica la fine dell'evento di nucleazione. Si ha l'equilibrio quando si consuma tutto il liquido: la reale solidificazione è il secondo punto. Linea di solidificazione non orizzontale: A e B continuano a miscelarsi durante il processo di liquido a partire dai primi nuclei per poi diventare grani (lega A+B). Nella zona intermedia (non stabile) succede che dinamicamente si ha uno scambio continuo di B tra solido e liquido.

Punto eutettico: punto di più bassa fusione, il sistema termodinamico trova subito la concentrazione ideale per cui si forma A+B come se fosse un metallo AB puro, e quindi si ha una linea orizzontale costante. Metalli: legame metallico; Leghe metalliche: punti eutettici, sono dei punti rafforzanti (fondamentali per proprietà meccaniche). Solo l'eutettico solido è stabile.

Parziale miscibilità allo stato solido: zone scure immiscibilità, zone chiara di miscibilità, parte di raffreddamento che si descrive come eutettico (temperatura eutettica). Regola della leva: misura le quantità dei componenti nelle fasi binarie. Solidificazione di non equilibrio: non si riconoscono i grani e formazione di strutture dendritiche, è avvenuta troppo velocemente. Si formano delle sacche d'acqua o sacche di porosità (soffiature).

Difetti di solidificazione: legati alla fonderia (solidificazione in stampi o tecniche di fonderia che prevedono forme ben definite). Ritiro volumetrico: tutti i materiali metallici riducono il loro volume durante la solidificazione (non è possibile nella colata continua dato che si alimenta costantemente con metallo liquido, possibile nella colata a coda). Metallo di supporto liquido (che si deve aggiungere, traboccare, durante la solidificazione, siccome si sa che il metallo si ritira, si abbonda).

Soffiatura: tipicamente dovuta a moti vorticosi interni, in alcuni casi inevitabili per la geometria del metallo. Utilizzando la tecnologia, software, dedicati ai processi di solidificazione per stampo si prevedono le zone critiche in cui potrebbero svilupparsi accumuli gassosi per via di moti vorticosi, si prevedono quindi dei sovraelementi che compensano i moti vorticosi, che vanno poi tagliati.

ΔV = Vi - Vf / Vf • 100: ritiro volumetrico. Acciai: contrazione del 1% da 1000°C a Tamb, è un'informazione che dimostra che anche dallo stato solido allo stato solido (raffreddamento di un solido) si hanno dei difetti. Problema: non si può traboccare metallo liquido, si ha già il solido.

Cono di ritiro e cavità di ritiro (porose). Cavità interdendritiche (microcavità) o soffiature: non riempimento congruo dovuto a ritiro o non completa solidificazione, porosità da gas (ossigeno: forma delle bolle difficili da comprimere; vapore acqueo: pessimo; azoto: inerte). Primary pipe and secondary pipe (più profondo, metallo da rifondere).

Gas naturale: etano, metano (componente proprio del gas puro), vapore acqueo (più la sorgente è pura, meno se ne trova, stessa cosa per etano). Il vapore acqueo, instabile, si lega a quelle pressioni con l'acciaio nei tubi, scindendo la molecola in ossigeno e idrogeno, il quale comincia a penetrare nei tubi, fino a decrementare la vita meccanica del tubo. Uso di valvole che dividono in settori le tubazioni e ne misurano anche le pressioni, sono dispositivi di controllo. Le soffiature sono discontinuità (gassosa) del volume, problema della tenuta meccanica dei materiali. La discontinuità decrementa le caratteristiche meccaniche dei materiali. La grafite costituisce una discontinuità e rende la ghisa enormemente inferiore rispetto agli acciai.

Diagrammi di stato

Diagramma di parziale miscibilità

In α si miscela tutto (A+B), in β si miscela tutto (B+A), in mezzo c’è l’eutettico e un qualcosa in più rispetto all’eutettico, sia alla sua sinistra (eutettico+qualcosa1), che alla sua destra (eutettico+qualcosa2).

• Lega: 5% B (elemento ospite / soluto)
• Lega: 15% B
• Lega (E): 40% B (eutettico)
• Lega: 30% B
• Lega: 30% A

L’eutettico è composto dal 60% di A e dal 40% di B, ma il diagramma di stato dice che è fatto da α + β, ovvero da due fasi differenti (entrambe solide): va compreso quindi quanto ce n’è di α e quanto ce n’è di β. Eutettico = costante formato da α eutettico e da β eutettico. Se il punto E coincidesse con α, vuol dire che E sarà dato da α + α, se coincidesse con β, vuol dire che E sarà dato da β + β.

Prove meccaniche

Giustificare il perché dell’utilizzo di metalli rispetto ad altri materiali. Per descrivere una caratteristica di un materiale ci si riferisce alla sua resistenza: reazione di un materiale ad una sollecitazione esterna, può essere costante o variabile, alta o bassa, positiva o negativa. Per misurarla ci si riferisce ad un grafico e si usa un provino a sezione triangolare o circolare, si seguono delle normative per realizzarlo, secondo cui la testa di afferraggio si distanzia da un punto fisso rispetto ad una distanza utile l e altre normative vigenti europee. Si fa a compressione (vento, terremoti, ponti, carico statico che si aumenta, si vede il punto di cedimento, ma il metallo deve resistere a momenti flettenti e torcenti) o a trazione (sollecitazioni più frequenti nei metalli).

Trazione: si applica una forza (sollecitazione esterna) che incide su una superficie A (con macchine che hanno una traversa che si alza verso l’alto) e che si dista...