1.

Introduzione

Siderurgia Settore della metallurgia che riguarda i processi di produzione del ferro, delle leghe ferro-carbonio (acciaio e ghisa) e delle ferroleghe.

2.

Definizioni

Le denominazioni correnti o commerciali dei materiali siderurgici sono spesso imprecise e possono generare confusione. A stretto rigore, il termine 'ferro' indica il metallo puro, cioè l'elemento chimico contrassegnato dal simbolo Fe, ma viene usato anche per indicare il metallo quasi puro, ossia contenente percentuali bassissime (non più dello 0,05%) di carbonio, che non ne alterano sensibilmente le caratteristiche. Spesso tuttavia il termine si riferisce genericamente a un acciaio extradolce (con tenore di carbonio inferiore allo 0,15%) o dolce (contenente dallo 0,15% allo 0,25% di carbonio), in espressioni come ferro battuto, ferro fucinato, ferro zincato, filo di ferro, tondino di ferro ecc. Propriamente, sono 'leghe ferro-carbonio' gli acciai (con tenore di carbonio fino all'1,9%) e le ghise (con tenore di carbonio superiore all'1,9%). Le 'ferroleghe' invece sono leghe di ferro particolari, che non hanno impiego autonomo ma vengono preparate per essere usate nella produzione di acciai e ghise speciali; contengono una percentuale di carbonio generalmente molto bassa (dallo 0,1% all'1%), con massiccia presenza (che può superare l'80%) di altri elementi: leghe di ferro-manganese, ferro-silicio, ferro-cromo, silico-cromo, silico-mangano-alluminio ecc.

3.

Cenni storici

Non si sa quando l'uomo scoprì il modo di estrarre metallo dai minerali di ferro, ma certamente si può risalire alla prima metà del III millennio a.C. Già nel 1000 a.C. i greci utilizzavano trattamenti termici relativamente avanzati per rendere più resistenti le loro armi di ferro.

1.

Ferro fucinato

In realtà, fino al XIV secolo il materiale che si otteneva riscaldando ad alta temperatura una massa di minerale di ferro mescolato con carbone di legna in un forno rudimentale era quasi sempre quello che oggi si chiamerebbe ferro fucinato, cioè un acciaio a basso tenore di carbonio.

Il tipo più primitivo di forno siderurgico era una semplice buca scavata a ridosso di una parete rocciosa, in cui la combustione del carbone era alimentata da aria insufflata mediante mantici azionati manualmente dietro il riparo di una lastra di pietra. Da questo tipo di forno derivò il 'bassofuoco' a tiraggio forzato, nel quale si potevano raggiungere temperature più elevate, che consentivano di trattare maggiori quantità di minerale e di ottenere un metallo di miglior qualità.

Il classico bassofuoco catalano era costituito da una sacca svasata aperta in alto, scavata nella roccia, nel cui fondo era praticato un foro per il passaggio dell'aria di alimentazione insufflata mediante un grosso mantice. Con questo trattamento il minerale veniva ridotto a una massa spugnosa di ferro, contenente scorie di impurità metalliche e cenere di carbone, che veniva estratta ancora incandescente dal forno, quindi martellata con pesanti mazze per omogeneizzare e rassodare il metallo e farne uscire le scorie. Ogni tanto, per caso, il ferro risultava combinato con una quantità di carbonio sufficiente a farlo diventare vero acciaio (acciaio semiduro o duro), facilmente temprabile. Col tempo gli operai metallurgici impararono a produrre questo tipo di acciaio scaldando per giorni ferro fucinato e carbone di legna in contenitori d'argilla.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

2.2.

Lamiera stagnata

La lamiera sottile stagnata, nota come latta, rappresenta una delle produzioni più importanti per un'acciaieria. Dopo il processo di laminazione, i fogli d'acciaio vengono stagnati per immersione in un bagno di stagno fuso. Il metodo più diffuso di rivestimento si ottiene per via elettrolitica: i fogli vengono srotolati lentamente dalle bobine e immersi in una soluzione chimica attraversata da corrente elettrica e contenente stagno puro, che si deposita sull'acciaio. Mezzo chilogrammo di stagno è sufficiente per rivestire circa venti metri quadri d'acciaio. Nella produzione di latta sottile, i nastri vengono sottoposti a una seconda laminazione a freddo, che li rende più resistenti e sottili. I recipienti prodotti con latta sottile sono resistenti quanto quelli di latta normale, pur contenendo meno acciaio, con rilevante risparmio in termini di peso e costo.