Produzione
Produzione dell'acciaio
Nel mondo si producono ogni anno oltre 1 miliardo di tonnellate di acciaio, ottenute sia dal ciclo integrale con l'affinazione della ghisa dell'altoforno sia con la fusione dei rottami ferrosi, e successivamente lavorate tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la laminazione, la forgiatura, il trattamento termico e lo stampaggio.
L'acciaio è quotato nelle maggiori Borse del mondo. Attualmente, la scalata di Mittal, il colosso siderurgico indiano, su Arcelor, ha creato il primo gruppo mondiale dell'acciaio (la Arcelor Mittal, con una quota di mercato intorno al 10%).
Estrazione e preparazione dei minerali di ferro
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 flottazione, vagliatura, calibratura, 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.
Produzione della ghisa grezza
La ghisa è una lega ferro-carbonio a tenore di carbonio relativamente alto (> 2,06% fino al 6%); è il prodotto finito risultante dai processi chimici e termici che avvengono all'interno dell'altoforno. L'altoforno è composto dal crogiolo (parte bassa) e dal tino (parte alta). La lavorazione nell'altoforno inizia con la preparazione della cosiddetta carica, ossia un composto a strati di minerale ferroso, coke e calcare, dopodiché questa è introdotta nella bocca dell'altoforno, sita sulla cima del tino, da montacarichi a piano inclinato. 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. Lo spillaggio avviene solitamente ogni 2-3 ore, ma tra il caricamento e l'estrazione del prodotto finito si calcola che intercorrano 6 ore. Durante la colata della ghisa in siviera o carri siluro, all'esterno, il vento caldo proveniente dal Cowper viene arrestato (il crogiolo rimane caldo per circa un'ora senza aria calda). Il processo di produzione della ghisa è continuo, lo si interrompe solo quando il rivestimento refrattario dell'altoforno, dopo anni d'utilizzo, deve essere rifatto o riparato.
A partire dagli anni novanta del novecento è disponibile industrialmente il processo Corex che può sostituire l'altoforno introducendo numerosi vantaggi (tra cui l'eliminazione della cokeria). La ghisa liquida così prodotta può essere inviata in acciaieria o essere colata in lingottiere; lasciata raffreddare per essere inviata alla fonderia per ulteriori lavorazioni o essere venduta così com'è.
Affinazione della ghisa grezza per la produzione degli acciai
All'uscita dall'altoforno la ghisa presenta un tasso di carbonio ancora elevato, superiore normalmente al 4%, quindi, 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. 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.
Per la fabbricazione dell'acciaio sono state usate diverse tecniche per l'affinazione della ghisa:
- La tecnica del puddellaggio: era quella adottata prima del 1860, quando si diffuse l'uso del forno Martin-Siemens. La ghisa veniva versata in un crogiolo riscaldato dal carbone posto sotto di esso in una camera di combustione separata. La fiamma e i fumi caldi prima di essere dispersi in atmosfera surriscaldavano la superficie del crogiolo; il bagno metallico che vi è contenuto veniva così riscaldato e si poteva procedere all'affinazione della ghisa. Poiché la temperatura raggiunta non era mai sufficiente a mantenere fluida la massa metallica, gli operai dovevano continuamente rimestare e agitare il bagno affinché non si raffreddasse e non si solidificasse (il nome di questa tecnica deriva dal verbo inglese to puddle, ossia rimestare, mescolare una massa).
- Il processo al forno Martin-Siemens: l'affinazione avviene in due tempi distinti. Il primo consiste nell'ossidazione del bagno di metallo fuso all'interno del forno, il secondo consiste nella desolforazione del bagno e la liberazione degli ossidi di ferro. Quest'ultima operazione avviene all'interno di una siviera dove è colato il metallo fuso. Dopo la colata e la creazione della scoria (scorificazione), il metallo è lasciato riposare in modo che si liberino i rimanenti gas in esso contenuti, dopodiché si procede al colaggio nelle lingottiere.
- I processi al convertitore: contemporaneamente al processo al forno Martin-Siemens venne sviluppato quello al convertitore. Esso nacque nel 1856 dall'idea di Henry Bessemer di far attraversare la ghisa liquida da un getto d'aria compressa insufflata da fori posti sul fondo del crogiolo. L'inventore inglese notò l'estrema facilità con cui il carbonio, il silicio e il manganese si combinavano con l'ossigeno. Dato che queste sostanze erano presenti nella ghisa fusa, volle applicare la sua intuizione alla siderurgia per affinare la ghisa dalle sostanze dannose per la lega metallica risultante. Inoltre, l'ingegnere inglese volle trovare il modo di produrre molto calore così che la temperatura del bagno si mantenesse costante. Il convertitore da lui inventato fu fornito di un rivestimento refrattario acido, per questo il processo era acido e poteva convertire solo ghisa ad alto tenore di silicio, quindi inadatto alle ghise ad alto tenore di fosforo. Dato questo limite strutturale nel 1879 fu ideato da Thomas e Gilcrist un convertitore con rivestimento basico.
Più recentemente si è diffuso l'uso di un convertitore dove viene soffiato solo ossigeno, tramite una lancia raffreddata ad acqua, al disopra del bagno: il cosiddetto convertitore a ossigeno.
Il più diffuso è il convertitore LD. I vantaggi economici e la buona qualità dell'acciaio prodotto con il convertitore LD hanno, in pochi anni, reso obsoleto il processo Bessemer, e in parte, anche i processi Thomas e Martin-Siemens. Il convertitore è un grosso recipiente a forna di doppio tronco di cono, simile ai convertitori Bessemer e Thomas, ma con il fondo chiuso. La carica metallica, che è costituita in gran parte da ghisa madre, fino al 90%, il resto è costituito da rottame, calce, fluorina e minerale di ferro, viene affinata con un getto d'ossigeno puro al 99,5 %; più recenti modifiche sono state apportate introducendo anche l'insufflaggio di argon, gas quasi inerte, dal fondo per omogeneizzare il bagno e velocizzare la decarburazione. L'ossigeno viene immesso in quantità fino a 1500 Nmc/min e in pressione di circa 10/15 bar, il che dà luogo a un'affinazione molto rapida. 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, pertanto, pericolosi. Il rivestimento interno è costituito da uno strato di mattoni di dolomite cotta impastata con il 6% di catrame sopra uno strato di magnesite. Le lance dei primi convertitori avevano un unico ugello centrale, ma successivamente si sono adottate lance a fori multipli. L'acciaio che viene prodotto è molto buono, perché è privo del dannoso azoto che provoca fragilità, la percentuale di fosforo è molto bassa e anche quella dell'ossigeno è nettamente inferiore quella degli acciai ottenuti secondo altri processi. Per questo motivo il processo si è andato rapidamente diffondendo in tutto il mondo. Negli anni novanta più dell'80 % della produzione mondiale di acciaio è avvenuta con il processo LD.
Il processo O.B.M. è un metodo di produzione dell'acciaio che, partendo dalla ghisa madre, accomuna i processi Thomas e LD. Questo processo utilizza un convertitore nel quale dal fondo, attraverso un certo numero di ugelli, da 10 a 18, viene soffiato ossigeno e un gas combustibile tipo metano oppure propano. Più precisamente, nella parte centrale di ogni tubo fuoriesce ossigeno puro e nell'anello periferico, che costituisce una specie di guaina del getto centrale, fluisce il gas combustibile. L'immissione di ossigeno ha naturalmente lo stesso scopo nel convertitore LD; mentre l'aggiunta di gas combustibile è effettuate perché questo gas piroscindendosi, raffredda la zona di contatto ossigeno-ghisa evitando la rapida corrosione del fondo del convertitore, che in tal modo può effettuare 350/400 colate.
Produzione di acciaio al forno elettrico (Processo EAF) per fusione di rottami ferrosi
La nascita dei primi forni elettrici risale all'inizio del Novecento. Il sistema è costituito da una trasformatore, dal forno, dalle ceste di carico del rottame e dall'impianto di aspirazione fumi. Il processo consiste nella fusione dei rottami ferrosi preparati in apposita pezzatura, grazie al calore sprigionato da un arco voltaico generato fra tre elettrodi di grafite e il rottame sottostante. Il rottame può essere preriscaldato dai fumi caldi emessi dal forno, e per agevolarne la fusione si possono utilizzare bruciatori a gas metano e lance a ossigeno. Il forno in funzione della sua capacità avrà un diametro di 4-8 metri, il suo fondo è ricoperto di refrattari. Le pareti del tino e la volta sono costituiti da pannelli di rame raffreddati esternamente da acqua. La volta è rotante per permettere la carica del rottame contenuto in ceste. Contemporaneamente al bagno di metallo durante la fusione si deve formare la scoria costituita da calcare in quantità tale da combinare gli ossidi di ferro, silicio e manganese e altri minori. L'iniezione nella scoria, che è più leggera del metallo quindi galleggia, di carbone in polvere con una lancia, provoca la riduzione dell'ossido di ferro e la formazione di gas anidride carbonica che contribuisce alla creazione di una scoria voluminosa, schiumosa, che avvolge l'arco voltaico, tra la punta degli elettrodi e il bagno, proteggendo le pareti del forno dalla sicura erosione. Lo spillaggio del metallo avviene dal becco o foro di spillaggio che può essere a sifone o a cassetto, per trattenere la scoria in forno e poter iniziare in siviera il processo di affinazione.
Processi di affinazione: elaborazione fuori forno LF (solo per acciai speciali)
L'acciaio, sia di provenienza convertitore L.D. sia forno elettrico, spillato in siviera, con un minimo quantitativo di scoria proveniente dal forno, viene elaborato con aggiunta di ferro leghe. Il sistema è definito LF (Ladle Furnace) dove l'omogeneità del bagno è garantita da un flusso di gas inerte Argon, dal fondo; la temperatura da un sistema ad arco voltaico simile a quello del forno elettrico. Una volta centrata l'analisi chimica desiderata e la temperatura, la siviera viene destinata a uno dei processi di colaggio descritti dopo.
Elaborazione sotto vuoto RH (solo per acciai speciali)
L'acciaio proveniente dall'LF o raramente direttamente dal forno elettrico viene ricircolato sotto vuoto in un impianto per la rimozione dell'idrogeno. A volte il processo di deidrogenazione si effettua contemporaneamente al processo LF insilando la siviera in una camera stagna e generando poi il vuoto. In quest'ultimo caso il processo non sarà più RH.
Produzione di acciai inossidabili AOD (Argon-Oxygen-Decarburization)
La base si ottiene fondendo rottami e ferroleghe in forno elettrico. L'acciaio semilavorato viene spillato in siviera e trasferito nel convertitore AOD, del tutto simile al convertitore LD con l'unica varianza che l'elemento ossidante viene insufflato dal fondo attraverso ugelli detti tubiere. La miscela è costituita da Ossigeno e Argon in rapporti variabili e tali da garantire sempre la limitata ossidazione del Cromo a discapito di quella del Carbonio e il controllo della temperatura che avviene anche attraverso immissioni di rottami e/o ferroleghe. Una volta centrata l'analisi chimica desiderata e la temperatura l'acciaio inossidabile è spillato in siviera e inviato a uno dei processi di colaggio descritti dopo.
Colata dell'acciaio
- Colata in lingotti: 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.
- colaggio diretto: consiste nel portare la siviera sopra la lingottiera e colare in essa il metallo.
- 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.
- colaggio sotto vuoto: è impiegato solamente per la produzione di grossi lingotti ed evita che si formino occlusioni gassose.
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.
Colata continua
La colata continua è un procedimento più recente della colata in lingotti, che abbina il processo di solidificazione alla laminazione primaria. L'acciaio liquido elaborato coi metodi elencati in precedenza, viene portato con recipienti detti siviere alla macchina di colaggio; le siviere a sezione tronco conica con conicità rivolta al basso, sono contenitori in acciaio rivestiti di adeguato materiale refrattario essenzialmente dolomitico. A seconda della capacità del forno, le siviere hanno una portata di 60÷350 t e vengono posizionate stabilmente sopra la macchina di colata continua. L'acciaio liquido dalla siviera, esce dal basso 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 una intercapedine avvolgendo e raffrescando tutte le pareti a contatto con l'acciaio liquido. La lingottiera di rame può avere varie forme; parallelepipedo con base rettangolare, quadrata o cilindro. La superficie dell'acciaio liquido sia in paniera sia in lingottiera a possibile contatto con l'atmosfera viene ricoperta di polveri isolanti per impedirne l'ossidazione e anche in paniera conservare la temperatura. L'acciaio liquido in paniera ha una temperatura di 25 - 35 gradi superiore alla temperatura di solidificazione. A volte si inseriscono esternamente all'intercapedine di raffreddamento delle bobine per creare un campo magnetico che influisce sulla velocità di solidificazione e sulla qualità interna dell'acciaio grezzo. A seconda della forma del prodotto finale, grezzo, colato il processo si differenzia per prodotti piani o lunghi o "tondi". I prodotti "piani" hanno solitamente in sezione lato stretto di 150÷250 mm e lato largo almeno 4 volte il lato stretto. I prodotti lunghi possono essere a sezione quadra, rettangolare o tonda dove il rapporto lato stretto lato largo è inferiore a 4. Nella lingottiera l'acciaio inizia la solidificazione (raffreddamento primario) formando un guscio solido. La solidificazione si completa anche internamente nella fase immediatamente successiva, attraverso il raffreddamento secondario. L'acciaio nella forma voluta viene trascinato verso il basso scorrendo in apposite guide, descrivendo un arco a raggio calcolato per consentirne la solidificazione completa che avviene tramite acqua industriale spruzzata da una serie di ugelli direttamente sulla superficie. A solidificazione ultimata, il prodotto grezzo viene sezionato nella macchina di taglio in parti di lunghezza definita ed è quindi pronto per la fase successiva di laminazione, eventualmente preceduta da trattamenti termici.
Trattamenti termici
I trattamenti termici degli acciai sono delle modificazioni a caldo della struttura molecolare di tali leghe che conferiscono diverse caratteristiche meccaniche agli stessi. Possono essere suddivisi in due grosse categorie a seconda che si abbia trasformazione di fase o meno.
Trattamenti superficiali
- Carbocementazione
- Nitrurazione
- Cianurazione
- Borurazione
- Calmaggio
I sistemi produttivi impiegati per l'utilizzo dell'Acciaio
Classificazione dei prodotti siderurgici
I manufatti finiti di acciaio che interessano maggiormente sono quelli laminati a caldo.
Essi si distinguono in prodotti piatti e prodotti profilati:
- A seconda dello spessore i prodotti piatti si distinguono in:
- lamiere sottilissime: spessore sotto i 0,5 mm
- lamiere sottili: spessore sotto i 3,0 mm
- lamiere medie: spessore da 3,0 a 4,75 mm
- lamiere spesse: spessore oltre i 4,75 mm.
- i larghi piatti: prodotto laminato in tavole larghe. La larghezza è maggiore di 150 mm e il suo spessore minimo e di circa 5 mm.
- i nastri: prodotto laminato con bordi espansi liberamente, che immediatamente dopo la laminazione viene avvolto in un rotolo. a seconda della larghezza di distinguono:
- nastro stretto e medio: larghezza sotto i 600 mm;
- nastro largo: larghezza almeno di 600 mm.
- I prodotti profilati si distinguono in:
- Ponte in acciaio strutturale profilato.
- acciai profilati: prodotto finito trafilato a caldo in barre diritte la cui sezione può essere a T a doppio T a H a U a L (angolari), ecc.
- acciai in barre: prodotto finito trafilato a caldo che normalmente viene fornito in barre dritte: la sua sezione è normalmente circolare, ma può avere anche altre forme.
- fili laminati: prodotto finito laminato e avvolto a caldo in rotoli. La sezione è normalmente circolare ma può avere anche altre forme
- Le applicazioni tipiche dell’Acciaio
Alla fine del 19° secolo possiamo senz'altro dire che l'acciaio divenne uno dei punti cardine del mondo occidentale. Dal 1879 al 1900 la produzione mondiale aumentò più di cinquanta volte, crescendo da mezzo milione di tonnellate a 28 milioni. Grazie all'acciaio il Vecchio e il Nuovo Continente furono ricoperti da una fitta rete ferroviaria strutturata su rotaie in acciaio, che avevano una durata maggiore rispetto a quelle realizzate in ferro, materiale utilizzato fino ad allora. L'acciaio iniziò a essere impiegato per la costruzione delle caldaie di locomotive e navi e per la realizzazione di navi sempre più grandi e robuste: i transatlantici. Nel 1874, negli Stati Uniti, fu costruito sul Mississipi, a Saint-Louis, l'Eads Bridge, il primo ponte ad avere una struttura portante in acciaio e ferro. L'acciaio fu quindi sempre maggiormente impiegato per la costruzione di strutture civili, come, per esempio, i grattacieli: l'Empire State Building, inaugurato nel 1931 e alto 381 m, fu realizzato utilizzandone 57.000 tonnellate!
Oggi in pratica non vi è attività produttiva ove non viene utilizzato l'acciaio, dalle grandi industrie fino al piccolo artigiano, l'utilizzo di questo materiale è indispensabile per la creazione di infiniti manufatti.