Metallurgia - Seconda Parte

Metallurgia secondo parziale: fabbricazione acciaio e fonderia

Ciclo di fabbricazione dell'acciaio: da minerale (via altoforno) o da rottame

La produzione dell'acciaio avviene sia tramite il ciclo integrale con l'affinazione della ghisa dell'altoforno sia con la fusione dei rottami ferrosi in forni elettrici, e successivamente lavorate tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la laminazione, la forgiatura, il trattamento termico e lo stampaggio.

Il processo industriale siderurgico comincia con l'estrazione dei minerali metalliferi contenenti il ferro (che non si trova allo stato puro in natura) dalle cave o dalle miniere. Come per molti metalli, si effettua la frantumazione dei minerali estratti e una successiva macinazione. Questi vengono lavati da polveri e impurità e categorizzati a seconda della concentrazione dei metalli contenuti mediante separazione magnetica o gravitazionale. Seguono poi le operazioni di purificazione (flottazione, vagliatura, calibrazione, essiccazione, calcinazione e arrostimento dei minerali). A questo punto i minerali di ferro sono stati ripuliti dalla maggior parte delle impurità e sono pronti per essere fusi negli altiforni.

Altoforni

L'altoforno è un forno a tino, la cui forma è costituita da due tratti troncoconici, di cui il "tino" costituisce il cono superiore, il cono inferiore è detto "sacca", uniti da una sezione cilindrica centrale (detta "ventre"). La carica avviene dall'alto, ed è formata da strati di coke e minerale ferroso che vengono gettati a strati alterni. È un forno a funzionamento continuo: gli strati della carica scendono lentamente mentre il forno viene alimentato introducendo nuovi strati a intervalli regolari.

Inoltre risulta essere un forno a vento perché per raggiungere tali valori di temperatura è necessario insufflare aria, alla quale può essere addizionato ossigeno, che deve essere preriscaldata (1100-1200 °C). L'iniezione di aria, detta "vento caldo", anch'essa continua, avviene attraverso una corona di tubi in corrispondenza del ventre del forno. Dall'estremità opposta vengono rilasciati dei gas filtrati e depurati.

La struttura del forno è costituita esternamente da una corazza di acciaio speciale, rivestita internamente da mattoni refrattari su un sostrato di cemento refrattario, le pareti del forno sono raffreddate da tubazioni d'acqua nelle zone più termicamente sollecitate. Generalmente la temperatura del forno aumenta man mano che ci si avvicina al crogiolo, esso inoltre viene mantenuto sempre in funzione e continuamente riempito fino a quando riporta dei malfunzionamenti e viene aggiustato.

Il forno è composto, partendo dall'alto, dalle seguenti parti:

• Bocca di carico: Parte superiore con gli apparecchi di caricamento, apertura, chiusura e raccolta dei fumi; la temperatura si aggira intorno ai 200 °C.
• Tino: Parte più grande dell'altoforno, a forma di tronco di cono con la base maggiore in basso. L'allargamento verso il basso facilita la discesa del materiale e tiene conto anche della dilatazione per la temperatura più alta.
• Ventre: Parte cilindrica tra il tino e la sacca; talvolta può ridursi alla semplice circonferenza di collegamento della sacca al tino. Qui inizia la fusione delle cariche, a temperature tra 1350 e 1600 °C.
• Sacca: Parte conica con sezione crescente verso l'alto. Nella parte inferiore si trovano gli ugelli per l'introduzione dell'aria calda di alimentazione dall'altoforno. Nella sacca si ultima la fusione del materiale caricato, con temperatura prossima ai 1800 °C.
• Crogiolo: Cilindro costituito da blocchi carboniosi di grafite e argilla. Si trova nella parte inferiore dell'altoforno e su di esso sono disposti, dall'alto al basso, due fori di fuoriuscita delle loppe e due fori di colata della ghisa madre, anch'essi distanziati angolarmente e disposti appena sopra il fondo del crogiolo.

Carica immessa dalla bocca:

• Minerali di Fe; coke
• Combustibile ( );
• Fondenti (calcare ed altro);

Oltre a queste materie prime, dal fondo dell'altoforno viene immesso un flusso di aria calda (1100 °C) tramite le tubiere: esso (contenente ossigeno) sale in controcorrente aiutando lo svolgimento delle reazioni. Minerali di Fe principali:

• Fe₂O₃ ematite;
• Fe₃O₄ magnetite;
• 2Fe₂O₃ · 3H₂O limonite;
• FeCO₃ siderite;
• FeS₂ pirite;

I quali vengono frantumati, vagliati, arricchiti prima di essere utilizzati. Tra questi i più ricchi di ferro sono l'ematite, la magnetite e la limonite; poiché la materia prima è costituita da ossidi, per ottenere il metallo puro si eseguiranno reazioni di riduzione (endotermiche). Nel crogiolo si ottiene ghisa madre, e una abbondante quantità di scoria (loppa), in quantità pari al 30% della ghisa prodotta, come sottoprodotto.

Principali reazioni di riduzione

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂ (endo) 63 kJ
Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂ (endo) 27.4 kJ
FeO + CO → Fe + CO₂ (endo) 13.2 kJ
2CO → CO₂ + C (exo) 13.2 kJ Equazione di Boudouard

Alte temperature (riduzione diretta):
FeO + CO = Fe + CO
2CO + C = 2CO
fittiziamente: FeO + C = Fe + CO₂
Basse temperature (riduzione indiretta):
FeO + CO = Fe + CO₂
2CO = CO₂ + C
fittiziamente: FeO + 3CO = Fe + 2CO₂ + C

L'ambiente ricco di anidride carbonica favorisce l'azione riducente. Nel diagramma precedente è possibile leggere i cambi di stabilità degli ossidi in funzione della temperatura e della concentrazione di CO nell'altoforno. Se ad esempio si scalda fino a 900°C (linea tratteggiata) si avrà:

• A' (reazione diretta) CO₂ + C = 2CO che fa incrementare la CO nel tempo; avviene anche la reazione che porta il Fe₂O₃ a Fe₃O₄;
• B' trasformazione di Fe₃O₄ in FeO; per questa reazione viene impiegato il CO disponibile, finché tutto il monossido di carbonio non si consuma il sistema non procede;
• C' (reazione indiretta) FeO viene ridotto in Fe;
• E' stabilizzazione del ferro e raggiungimento dell'equilibrio tra CO e CO₂.

La curva tratteggiata che collega P con P' rappresenta l'andamento delle condizioni dei materiali: a basse temperature avverranno le reazioni per via indiretta tramite l'anidride carbonica, in seguito, a T superiori, si avranno le reazioni dirette grazie al monossido di carbonio. L'altra curva con andamento sigmoidale delimita il campo di stabilità della CO₂ da quello della CO. La disposizione della carica è a strati alterni di minerale ferroso, coke e calcare. L'aria calda proviene dal Cowper che è un tipo di scambiatore di calore rigenerativo in cui una corrente (d'aria) viene scaldata dal calore delle pareti divisorie di refrattario che a loro volta sono riscaldate dai gas usciti dalla bocca dell'altoforno. L'aria calda immessa nella parte bassa dell'altoforno reagisce sul coke che diventa subito incandescente grazie all'ossigeno in essa contenuto:

C + O₂ → CO₂ (+ 97.000 cal)
CO₂ + C → 2CO
FeO + CO → Fe + CO₂

Ossia viene separato l'ossigeno dal ferro presente nei minerali caricati. Quindi il ferro fuso per via delle alte temperature d'esercizio mescolandosi col carbonio del coke, si raccoglie nel crogiolo. La corrente dei gas caldi che defluisce dalla parte alta del tino (dell'altoforno) preriscalda i materiali appena immessi provocandone anche la disidratazione. L'estrazione della ghisa fusa (spillatura) e delle scorie avviene dal basso con l'altoforno acceso, in funzione.

Conversione

In seguito allo spillaggio della ghisa madre (contenente gli indesiderati potassio e zolfo) questa viene lavorata per diminuire il tenore di carbonio (superiore al 4%), al fine di ricadere nel campo di composizione degli acciai (massimo 2,04%C). Allo stato liquido, viene inviata e trattata in apposite strutture (convertitori), e qui è decarburata; il carbonio si combina con l'ossigeno formando anidride carbonica.

Conversione (da ghisa ad acciaio attraverso decarburazione)

Durante tutto il processo d'affinazione della ghisa in acciaio, si toccano temperature prossime ai 1750 °C e non è necessario fornire ingenti quantità di calore, in quanto le reazioni di ossidazione di carbonio, manganese, ferro e soprattutto silicio, con formazione dei relativi ossidi, sono esotermiche e consentono al processo di autoalimentarsi. Pur sembrando in contraddizione rispetto a ciò che è avvenuto nell'altoforno (separazione di O₂ tramite riduzione) questa trasformazione si ottiene facendo reagire la ghisa con l'ossigeno, in due periodi:

1° periodo: Ossidazione della ghisa per la conversione in acciaio

Viene insufflato ossigeno tramite dei tappi porosi presenti sul fondo del contenitore (questi permettono solo il passaggio del gas e non della ghisa in senso opposto) oppure attraverso strumenti costituiti di materiale refrattario. Il carbonio presente nella ghisa reagisce in quantità controllate con O₂ ed esce sotto forma di anidride carbonica. La produzione di questo gas, che per differenza di densità tende a risalire verso il camino, durante il suo moto verticale permette al fuso di avere una temperatura uniforme e di far avvenire ovunque una reazione completa. L'ossigeno reagisce non solo con C ma anche con tutti gli elementi metallici nella ghisa: prima si ossidano tutti gli elementi più reattivi (C, Hg) e solamente in seguito quelli meno affini; per questo motivo è necessario riuscire a fermare la reazione prima che inizi ad ossidarsi anche il ferro.

2° periodo: Eliminazione del residuo di ossigeno e affinazione

Il forte e rapido aumento della temperatura della carica metallica rende necessaria l'aggiunta di minerale di ferro o rottami d'acciaio, sino a una percentuale del 30%, affinché la temperatura stessa non raggiunga valori eccessivamente elevati e pericolosi. I forni ad arco elettrico impiegati per la fusione hanno una capacità massima di 50-150 t di acciaio trattabile per ogni colata e raggiungono potenze dell'ordine di 500-1000 kW/t. La marcia del forno più rapida possibile (per l'economia del ciclo produttivo), per questo motivo si addiziona il contributo di bruciatori ossi-combustibile e si sfruttano reazioni esotermiche (iniezioni di ossigeno e carbone): la fusione del rottame deve essere più rapida possibile e per raggiungere questo obiettivo viene introdotto per gradi, aggiungendone di nuovo man mano che fonde.

Eliminazione del residuo di ossigeno dal bagno di acciaio e sua affinazione svolta per lo più in siviera (perno più piccolo, di bassa potenza, in cui l'energia fornita serve solo per mantenere la temperatura): la scoria eliminata dalla ghisa, possedendo una densità minore, si trova a galleggiare sopra l'acciaio e in questa posizione risulta facile da essere rimossa. Lo scopo principale dell'affinazione in siviera è quella di rimuovere il residuo di ossigeno e regolare la composizione finale dell'acciaio, completando la desolforazione (rimozione dello zolfo). Questo viene realizzato mediante l'introduzione ben dosata di sostanze più ossidanti del Fe per formare composti insolubili che si separano flottando verso la scoria (disossidanti quali Mn, Si, Al, Ca, eventualmente in combinazione).

Sfortunatamente il movimento della scoria sulla superficie del fuso non è immediato ma avviene per gradi tramite la risalita di goccioline di varie dimensioni ed è descritto dalla legge di Stokes:

v = (2r²g(ρ_liquido - ρ_particelle))/(9η)

dove v corrisponde alla velocità di flottazione in funzione delle caratteristiche delle particelle di ossido che si separano, r è il raggio particella in decantazione, η indica la viscosità liquido e la densità di liquido e particella. Da questa relazione si osserva come le particelle più grandi affiorino sulla superficie dopo un tempo minore di riscaldamento (velocità più elevata) mentre quelle di dimensioni inferiori richiedano un'attesa maggiore.

L'entità delle goccioline che possono stare dentro l'acciaio dipende quindi dal tempo dedicato al processo di affinazione: si giunge ad un compromesso tra tempo disponibile e costi (prodotti più puri avranno prezzo superiore). Risulta possibile aumentare la velocità di flottazione rendendo il bagno meno viscoso quindi incrementare la temperatura; è possibile impiegare una storia riducente: in questo modo tutto il liquido a contatto con la scoria reagirà purificandosi. Un'ulteriore strada è lavorare in depressione (disossidazione con C sotto vuoto) tramite impianti speciali con siviere con coperchio a tenuta; la bassa pressione (tenore di monossido di carbonio) sposterà verso destra l'equilibrio della seguente reazione: FeO + C = Fe + CO.

Colata dell'acciaio

In questo processo industriale il materiale liquido (metallo) esce dal basso, per forza gravitazionale, attraverso un foro calibrato, cade, protetta da un tubo refrattario, in un recipiente detto paniera, e da questo, tramite un tubo, detto tuffante (o scaricatore), o a getto libero, in una lingottiera di rame raffreddata da acqua demineralizzata che scorre in un'intercapedine avvolgendo e raffrescando tutte le pareti a contatto con l'acciaio liquido.

La lingottiera conferisce la forma della sezione finale al metallo ed è realizzata in rame poiché questo metallo dissipa benissimo il calore. Durante la fase iniziale si pone una falsa bramma sul fondo che blocca il liquido il quale inizia a solidificare a contatto con le pareti. La falsa bramma inizierà quindi a scendere man mano che si forma il solido. Grazie al raffreddamento forzato, nella lingottiera il metallo si solidifica in superficie mentre rimane liquido in gran parte della parte interna della sua sezione.

Tuttavia, questa pelle solidificata, tuttora rovente, fornisce abbastanza stabilità all'intero pezzo colato da poter farlo scendere attraverso un percorso curvo, il cui diametro misura alcuni metri, e nel quale continua ad essere raffreddato forzatamente attraverso degli spruzzi d'acqua diretti. Giunto in orizzontale, gran parte della sezione del pezzo colato, anche se non tutta, è ormai solidificata.

Il metallo solidificato ha un volume minore di quello liquido, pertanto si stacca dalle pareti lubrificate della lingottiera. In questa fase cambia il regime termico: da metallo-lingottiera a metallo-aria-lingottiera. Dato che il pezzo colato, in teoria, è senza fine, ed in pratica lungo molte centinaia di metri, esso va tagliato a misura mediante una fiamma ad ossigeno e lasciato raffreddare del tutto per effetto dell'aria, giacendo su una placca di raffreddamento oppure, nel caso ideale, viene immesso ancora rovente in un laminatoio per essere lavorato ulteriormente (carica calda).

Solitamente, una macchina di colata continua dispone di più linee di colata, ciascuna attrezzata di lingottiera, percorso di raffreddamento, e taglio ad ossigeno oppure a cesoia (in caso di billette di piccola sezione). Le diverse linee vengono alimentate da un contenitore di distribuzione, detto paniera, a sua volta riempito di metallo trasportato dal forno o convertitore alla paniera mediante siviera.

I semilavorati ottenuti dal processo di colata continua, a seconda della loro sezione, vengono chiamati billette, blumi o bramme, e sono destinati ad ulteriori processi di produzione industriale, quali ad esempio la forgiatura o la laminazione. La colata continua offre il vantaggio di produrre un acciaio più omogeneo e di qualità rispetto alla colata discontinua.

Colata di lingotti in sorgente e diretta

La siviera dove è stato colato l'acciaio presenta un foro sul fondo aperto da un dispositivo a spina; sulla parete del contenitore sono posti due perni per il suo sollevamento e un maniglione per il suo rovesciamento. Una volta sollevata, la siviera è posta sopra a delle lingottiere in ghisa e si procede al colaggio del metallo. Esistono due sistemi principali per versare l'acciaio nelle lingottiere:

• Colaggio in sorgente: L'acciaio è scaricato in una colonna, essa è collegata a canali sotterranei che portano il metallo a sorgere nella lingottiera dal fondo (per evitare che si ossidi in caduta).
• Colaggio diretto: Consiste nel portare la siviera sopra la lingottiera e colare in essa il metallo.

Dopo il colaggio le lingottiere vengono portate nel reparto per lo strippaggio, ossia si estraggono i lingotti appena solidificati dalle lingottiere. Queste sono capovolte e, tramite due becchi posti ai lati, con due speciali tenaglie si provvede a sfilare il lingotto dal contenitore. Quando l'acciaio possiede un residuo di ossigeno disciolto, nella fase finale della solidificazione, questo si concentra nel liquido dando effervescenza: FeO + C = Fe + CO↑.

Processi di colata dei metalli in fonderia per la produzione di getti

I lingotti vengono quindi fusi nuovamente nelle fonderie, dove verrà conferita la forma finale al metallo. Fusione a cera persa: il processo consiste nel creare modelli di cera...