Siderurgia

4.1.

2

Acciaio al convertitore

Il convertitore Bessemer è l'apparecchio utilizzato nel più antico procedimento per la produzione di acciaio in grandi quantità; si tratta di un forno molto alto, che può essere inclinato lateralmente per il caricamento della ghisa d'altoforno e per la colata dell'acciaio. Vengono soffiate grandi quantità di aria attraverso la massa fusa, in modo che l'ossigeno in essa contenuto riduca il carbonio della ghisa e si combini con le impurità, trasformandole in scorie solide galleggianti, facilmente asportabili.

Nel processo all'ossigeno (detto anche processo LD, dalle iniziali di Linz e Donawitz, le due città austriache sedi delle acciaierie in cui fu applicato per la prima volta), la ghisa viene affinata, ossia trasformata in acciaio, in un forno simile al convertitore Bessemer, in cui all'aria si sostituisce un getto di ossigeno puro insufflato dall'alto, ad alta pressione, mediante una lancia raffreddata ad acqua posta a circa 2 m sopra il livello del metallo fuso. L'ossigeno, iniettato a grande velocità nella massa fusa, si combina con il carbonio e gli altri elementi indesiderati molto più rapidamente che nel processo Bessemer: in meno di cinquanta minuti il ciclo è terminato, con la produzione di oltre 200 t di acciaio. Il processo LD può essere impiegato nei forni Martin-Siemens o nei convertitori, ma anche nei forni elettrici, per accelerare la produzione.

4.1.

3

Acciaio al forno elettrico

In alcuni forni il calore per la fusione e l'affinazione dell'acciaio viene prodotto usando energia elettrica anziché combustibile. I forni elettrici consentono un'alta precisione di controllo delle condizioni di affinazione, e sono quindi particolarmente indicati nella produzione di acciai inossidabili e di altri acciai fortemente legati. L'affinazione avviene in una camera chiusa, in cui la temperatura e in generale le condizioni dell'ambiente vengono tenute sotto stretto controllo da dispositivi automatici. Durante i primi stadi del processo di affinazione un getto di ossigeno di elevata purezza, iniettato mediante una lancia, permette di innalzare la temperatura e di diminuire il tempo necessario alla produzione dell'acciaio. La quantità di ossigeno immessa nel forno viene strettamente controllata per limitare al minimo le reazioni di ossidazione indesiderate.

Molto spesso la carica è quasi completamente composta da rottami, che prima dell'uso vengono analizzati e selezionati, dal momento che gli elementi leganti che contengono influenzeranno la composizione del metallo affinato. Altri materiali, tra cui piccole quantità di minerale di ferro e calce viva, vengono aggiunti alla carica o al momento in cui l'acciaio viene colato nella siviera, per favorire la rimozione del carbonio e delle altre impurità presenti.

Una volta caricato il forno, gli elettrodi vengono abbassati in prossimità della superficie del metallo. La corrente fluisce sotto forma di arco elettrico da un elettrodo alla carica metallica, attraversa il metallo e quindi, di nuovo come arco, rientra nell'altro elettrodo. La resistenza al flusso di corrente presentata dal metallo e il forte calore generato dall'arco elettrico determinano la rapida fusione del metallo. In un altro tipo di forno elettrico, meno diffuso, il calore viene generato da una resistenza elettrica.

4.1.

4

Ferro omogeneo

Un acciaio dolcissimo simile al ferro saldato, che prende il nome di ferro omogeneo, si produce impiegando 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 e mantenute a una temperatura di parecchie centinaia di gradi inferiore a quella dell'acciaio fuso, il quale viene colato nella stessa siviera, dove solidifica immediatamente, sviluppando 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 a quella prodotta nel forno di puddellaggio. Le scorie rimaste in superficie vengono eliminate e la massa di ferro risultante viene lavorata come il ferro saldato.

4.2

Preparazione dei semilavorati

L'acciaio viene commercializzato in un'ampia varietà di semilavorati, in modo particolare lamiere, travi, tubi, barre e profilati diversi, che vengono prodotti nelle acciaierie laminando e foggiando i lingotti nella forma desiderata. La lavorazione dell'acciaio inoltre migliora la qualità del metallo, omogeneizzandone la struttura e aumentandone la tenacità.

Il processo base nella lavorazione dell'acciaio è la laminazione a caldo, in cui i lingotti vengono prima riscaldati al calore rosso (1000 °C ca.) in un forno detto fossa di permanenza, e quindi fatti passare attraverso una serie di laminatoi, grosse macchine costituite essenzialmente da una robusta 'gabbia', che sostiene due cilindri d'acciaio controrotanti, e dal relativo motore. I cilindri sono sovrapposti e distanziati da uno spazio che costituirà lo spessore del semilavorato all'uscita del laminatoio. Due o più gabbie affiancate costituiscono un 'treno di lavorazione': ogni gabbia opera una riduzione di spessore del semilavorato, fino a ottenere gradualmente la forma desiderata; spesso si utilizzano anche più treni successivi.

Il laminatoio dove il lingotto viene lavorato è comunemente detto 'blooming' (o laminato per 'blumi'), perché trasforma il lingotto in un 'blumo', un semilavorato a sezione quadrata avente lato di circa 13 cm e lunghezza variabile fra 3 m e 9 m, adatto alle fasi successive; la lavorazione prosegue con un 'treno sbozzatore', prima di passare al cosiddetto 'treno finitore'. I cilindri dei laminatoi per lamiere e nastri sono lisci, quelli per profilati sono scanalati al fine di ottenere la sezione desiderata.

I laminatoi per nastri e lamiere sono detti continui perché sono costituiti da più treni posti in serie; essi producono lamiere e nastri larghi fino a 2,4 m, lavorando le sottili lastre di acciaio quando sono ancora calde. Una lastra di acciaio spessa oltre 11 cm e lunga 4 m può essere lavorata fino a ottenere fogli di appena 1 mm di spessore e oltre 370 m di lunghezza. I laminatoi continui comprendono i treni rifinitori dei bordi e apparecchi per la 'decalaminazione' e per l'avvolgimento automatico dei nastri all'uscita dal laminatoio: i treni sono composti da gruppi di rulli verticali, e vengono impiegati per garantire uno spessore uniforme del nastro; la decalaminazione consiste nell'eliminazione delle scaglie di lavorazione che si formano sulla superficie del nastro, e viene effettuata attraverso martellamento meccanico, scioglimento con getti d'aria, o flettendo in modo accentuato lo stesso nastro d'acciaio. I nastri così ottenuti vengono avvolti in bobine e posti su un trasportatore, per essere sottoposti a ricottura e successivamente tagliati.

4.2.

1

Tubi

I tubi di qualità più corrente vengono prodotti curvando a caldo un nastro d'acciaio nel senso della lunghezza, conferendogli la forma tubolare, e saldando i lembi affrontati. Nei tubi di piccole dimensioni i lembi del nastro vengono sovrapposti a caldo e fatti passare attraverso una coppia di cilindri che esercita su di essi una pressione tale da saldarli. I tubi senza saldatura possono essere ottenuti per mezzo di due procedimenti diversi. Il più recente, e molto più rapido, è il processo di estrusione, che consiste nel pressare a caldo un massello d'acciaio entro una filiera sagomata come la sezione del tubo; si usano presse di grande potenza, per cui il tubo finito viene letteralmente 'sparato' attraverso la filiera.

Più antico è il processo Mannesmann, che viene realizzato in due fasi, con due diversi laminatoi speciali. Il primo, il laminatoio foratore, agisce su un semilavorato a sezione circolare, pressandolo fra due cilindri ad assi sghembi, che lo costringono ad avanzare contro la punta di una barra fissa (il mandrino) coassiale. La torsione impressa al semilavorato da parte dei cilindri favorisce la creazione del foro longitudinale, nel quale penetra il mandrino. Il tubo così sbozzato passa al laminatoio finitore, detto 'a passo di pellegrino', che agisce in due tempi alternati, mediante una 'spina' calibrata, che regolarizza il diametro interno, e una coppia di cilindri scanalati che regolarizza il diametro esterno.