Siderurgia

3.2

Ghisa

A partire dal XIV secolo si usarono forni più grandi (gli antenati del moderno altoforno), con sistemi di tiraggio più potenti, per forzare il passaggio dei gas di combustione attraverso la miscela di materie prime detta 'carica'. Nella parte alta del forno, il minerale di ferro si riduceva a ferro metallico e quindi assorbiva carbonio dai gas di combustione provenienti dal basso. Il risultato era ghisa di prima fusione, una lega che fonde a temperature più basse rispetto all'acciaio e al ferro fucinato, che poi veniva affinata per produrre acciaio.

3.3

Ferro saldato

Nel 1784 H. Cort inventò il più antico procedimento di produzione della lega malleabile e tenace, conosciuta come ferro saldato. Questo procedimento, noto come puddellaggio, richiedeva una gran mole di lavoro manuale, il che rendeva pressoché impossibile la produzione in grandi quantità. Oggi il ferro saldato può essere sostituito praticamente in tutte le applicazioni da acciaio a basso contenuto di carbonio, meno costoso da produrre e di qualità più uniforme, e dunque il procedimento di puddellaggio è quasi del tutto abbandonato.

Il forno di puddellaggio presenta un soffitto basso ad arco e un letto di fusione, separato con un muretto dalla camera di combustione in cui viene bruciato carbone bituminoso. Le fiamme che si sviluppano nella camera di combustione superano in altezza il muretto, colpiscono il soffitto ad arco e si 'riverberano' sul letto di fusione (per questo motivo il forno di puddellaggio è anche detto forno a riverbero). Quando il forno è sufficientemente caldo, si spalma sulle pareti e sul letto un impasto di ossido di ferro, generalmente in forma di ematite polverizzata, quindi si carica con ghisa d'altoforno e si chiude la bocca di caricamento. Quando la ghisa è fusa, dopo circa 30 minuti, si aggiungono alla carica altri ossidi di ferro o scorie di laminazione, mescolando il tutto con l'aiuto di una barra curva. Il silicio e la maggior parte del manganese presenti nella ghisa vengono ossidati, e parte dello zolfo e del fosforo si volatilizza. La temperatura del forno viene quindi leggermente alzata e il carbone brucia sviluppando monossido di carbonio. Man mano che il gas si sviluppa, il volume dello strato galleggiante di scorie aumenta e il livello della carica sale. La riduzione del carbonio innalza la temperatura di fusione del metallo, che perde lo stato liquido e diventa prima pastoso e poi spugnoso, diminuendo di volume. Con apposite tenaglie, la massa risultante viene quindi estratta dal forno e suddivisa in masselli di circa 80-90 kg: questi vengono battuti al maglio per eliminare la maggior parte delle scorie incluse e omogeneizzare il metallo che, al termine di questa fase, diviene ferro quasi puro o, più precisamente, acciaio dolcissimo. Il ferro viene tagliato in lastre piatte che vengono impilate, riscaldate al calor rosso e laminate in un unico pezzo. La laminazione può essere eseguita più volte per migliorare la qualità del prodotto.

Attualmente per produrre ferro saldato (ma in questo caso si chiama più propriamente ferro omogeneo) si utilizza acciaio fuso proveniente da un convertitore Bessemer e scorie fuse preparate in un forno Martin-Siemens con minerale di ferro, scorie di laminazione e sabbia. Le scorie fuse vengono colate in una siviera (grosso secchio metallico, rivestito di materiale refrattario) e mantenute a una temperatura di parecchie centinaia di gradi inferiore a quella dell'acciaio fuso, il quale viene colato nella stessa siviera, solidificando immediatamente, con sviluppo di grandi quantità di gas. La pressione interna esercitata dai gas frantuma il metallo in minuscole particelle che, pesando più delle scorie, si accumulano sul fondo della siviera, agglomerandosi in una massa spugnosa simile ai masselli prodotti nel forno di puddellaggio. Le scorie in superficie vengono estratte e la massa di ferro risultante viene lavorata come quella ottenuta dal forno di puddellaggio.

4

La siderurgia moderna

La maggior parte della moderna produzione siderurgica si ottiene nei grandi impianti siderurgici, a partire dalla ghisa d'altoforno, ma esistono anche procedimenti diversi, sia pure di applicazione limitata. Uno di essi consiste nel produrre ferro e acciaio direttamente dal minerale, senza il passaggio intermedio attraverso la ghisa. In questo procedimento si mescolano minerale di ferro e coke in un forno rotante scaldato fino a circa 950 °C. Come in un altoforno, il monossido di carbonio liberato dal coke riscaldato riduce gli ossidi del minerale a ferro metallico, senza però le reazioni secondarie che si sviluppano in un altoforno. Ne risulta il cosiddetto ferro spugnoso, che presenta un grado di purezza superiore a quello che si ottiene partendo dalla ghisa. Ferro praticamente puro si può ottenere mediante elettrolisi, un procedimento basato sul passaggio di corrente elettrica attraverso una soluzione di cloruro ferroso. Nessuno dei due processi descritti, però, ha ancora raggiunto un significativo valore commerciale.

4.1

Produzione dell’acciaio

Nella produzione tradizionale, l'acciaio si ottiene a partire da ghisa liquida, proveniente da un altoforno, cui vengono aggiunti materiali (calce e calcare) che servono a far addensare le impurità sotto forma di scorie, e a renderle così facilmente asportabili. Le apparecchiature utilizzate possono essere forni di Martin-Siemens, convertitori o forni elettrici: gli acciai prodotti vengono di solito classificati in base al diverso processo utilizzato.

4.1.

1

Acciaio Martin-Siemens

Qualunque procedimento di produzione di acciaio da ghisa d'altoforno consiste nell'asportare dalla ghisa il carbonio in eccesso e le altre impurità presenti. Una delle difficoltà principali è rappresentata dall'alto punto di fusione dell'acciaio, circa 1370 °C, che rende necessario il ricorso a combustibili e forni speciali. Il problema fu risolto con il forno Martin-Siemens, così detto perché all'originario forno Martin, inventato nel 1856, fu aggiunto nel 1864 il sistema Siemens di recupero del calore, che consente il preriscaldamento del gas combustibile e dell'aria di alimentazione. Nel preriscaldamento a recupero di calore, i gas di scarico vengono inviati in una serie di camere di rigenerazione, in cui cedono la maggior parte del calore a una massa di mattoni refrattari. Il flusso che attraversa il forno viene quindi invertito: gas combustibile e aria di alimentazione vengono fatti passare attraverso le stesse camere, dove vengono riscaldati dai mattoni. Con questo metodo, nei forni Martin-Siemens è possibile raggiungere temperature intorno a 1650 °C e produrre circa cento tonnellate di acciaio in undici ore.

Il forno vero e proprio consiste in un crogiolo di forma rettangolare rivestito di mattoni refrattari, che misura circa 6 metri per 10, chiuso da un tetto posto a circa 2,5 m di altezza. Una serie di aperture si affaccia su un piano di lavoro posto di fronte al letto di fusione; sia il piano sia il letto di fusione sono sopraelevati e lo spazio sotto il letto è occupato dalle camere di rigenerazione.

Il forno viene caricato con ghisa d'altoforno (fusa o in lingotti), rottami d'acciaio e minerale di ferro, che forniscono un ulteriore apporto di ossigeno. Per rendere più fluide le scorie solitamente si aggiungono calcare, come fondente, e fluorite. Anche se le proporzioni possono variare entro limiti ampi, una tipica carica può essere composta da circa 57 t di rottami di acciaio, 11 t di ghisa d'altoforno fredda, 45 t di ghisa d'altoforno fusa, 11 t di calcare, 900 kg di minerale di ferro e 230 kg di fluorite. Una volta caricato, il forno viene acceso e le fiamme sul letto di fusione invertono la direzione ogni volta che si attiva il processo di recupero del calore.

Chimicamente l'azione di un forno Martin-Siemens consiste nella riduzione per ossidazione del contenuto di carbonio nella carica, e nell'eliminazione delle impurità come silicio, fosforo, manganese e zolfo, che si combinano con il calcare formando le scorie. Queste reazioni hanno inizio quando il metallo raggiunge la temperatura di fusione e proseguono, con la temperatura del forno mantenuta tra 1540 °C e 1650 °C, per il numero di ore necessario a far abbassare il contenuto di carbonio nel metallo fuso fino al valore richiesto. A questo punto l'acciaio fuso viene colato in una siviera che lo trasporta alle lingottiere, grosse forme di ghisa nelle quali avviene la colata definitiva. Si ottengono così i lingotti, a sezione quadrata o rettangolare (se sono destinati alla laminazione) oppure rotonda, esagonale o ottagonale (se sono destinati alla fucinatura). Anche le dimensioni dei lingotti variano sensibilmente secondo la destinazione, da un minimo di 180 kg a un massimo di oltre 5 t. Una più recente tecnologia siderurgica elimina il passaggio attraverso la fase di lingotto, e quindi semplifica di molto le fasi successive, prevedendo la 'colata continua', con la quale si ottengono direttamente lastre di spessore minore di 5 cm.