Fattori, processi e trattamenti nella produzione di ghisa e acciaio

Quali sono i fattori che determinano se l'estrazione di un minerale è redditizia?

I fattori sono:

• Posizione: profondità, consistenza del terreno, facilità di trasporto, accessibilità, ecc.
• Forma di estrazione richiesta: cava, estrazione mineraria sotterranea o altre tecniche.
• Natura e qualità della ganga e del minerale: il tenore metallico dovrebbe essere preferibilmente tra il 40% e il 50% (o il valore economico minimo richiesto) e il minerale non deve contenere impurità nocive come lo zolfo in eccesso.
• Fattori sociali ed economici: domanda effettiva, offerta, costi operativi, normative ambientali e accettazione locale.

Qual è il ruolo del calcare e del coke nel processo di ottenimento di ghisa?

Il coke (prodotto dalla cottura del carbone) fornisce il calore necessario per le reazioni chimiche di riduzione (deossidazione) e contribuisce a fondere il minerale all'interno dell'altoforno. Il calcare (o la dolomite) ha la funzione di abbassare il punto di fusione delle scorie, rendendole più fluide: reagisce chimicamente con la ganga del minerale formando le scorie, che vengono separate dal ferro liquido.

Descrivere il processo di un altoforno, dettagliando le sue fasi o stadi

Il funzionamento di un altoforno si svolge in più fasi continue. Di seguito una sintesi delle operazioni descritte:

• Primo passo: verificare che le porte di pulizia e gli sportelli di scarico delle prese di ghisa e delle scorie siano chiusi; controllare gli ingressi dell'aria.
• Fase due: riscaldare il forno e preparare il combustibile di base (coke) fino alle condizioni operative.
• Fase tre: introdurre progressivamente carbone coke in più cariche (ad esempio in tre dose) fino a raggiungere la temperatura di regime; quando il materiale raggiunge un rosso caldo uniforme si controlla il livello nella zona di fusione.
• Fase quattro: inserire rapidamente il resto dei componenti in modo alternato (minerale, coke, calcare) e avviare il ciclo continuo. Il processo è continuo: si introducono materie prime, si rimuovono periodicamente la ghisa e le scorie, mantenendo il forno in funzione permanente.

Ci sono diverse procedure utilizzate per la produzione di acciaio: sintesi

Blowing procedure

Forno ad ossigeno (LD)

Il fondo del convertitore è rivestito con mattoni refrattari (di composizione adeguata). Questo processo permette di ottenere acciaio di ottima qualità. Per lotto si possono produrre, indicativamente, centinaia di tonnellate (ad esempio 300 t per lotto, a seconda dell'impianto).

Operazione: il processo LD consiste nel soffiare ossigeno sul ferro liquido; si immettono ferro liquido, fondenti e/o rottami. Infine si aggiungono il carbonio e gli elementi di lega necessari per ottenere la composizione desiderata.

Convertitori (Bessemer e Thomas)

Il processo è simile a quello LD, ma nella pratica storica il convertitore Bessemer impiegava aria (contenente azoto), mentre il processo Thomas usava una carica basica e un rivestimento che permetteva di rimuovere il fosforo. Il Bessemer veniva utilizzato quando il ferro non conteneva impurità come zolfo e fosforo; il procedimento Thomas, con l'uso di calce e dolomite, favorisce la rimozione di fosforo e zolfo.

Processi a cielo aperto

Forno Martin-Siemens

Consiste nel miscelare ghisa con rottami di acciaio (di tenore carbonio inferiore), riducendo il contenuto di carbonio fino al limite desiderato. Si utilizzano fondenti acidi o basici a seconda della necessità per rimuovere impurità come fosforo e zolfo. Si depositano rottame di acciaio e calcare (flusso); ad alta temperatura la miscela si scioglie. Si prelevano campioni regolarmente per controllare e correggere il processo.

Procedure elettriche

Forno elettrico

Il forno elettrico ha un rivestimento refrattario ed è costruito per carichi anche di diverse decine di tonnellate (es. 100 t a seconda del tipo). Generalmente si carica in prevalenza con rottami di acciaio selezionato e si possono aggiungere elementi di lega (Ni, Cr, Mo, ecc.).

Operazione:

• Si introducono i fondenti (ad es. calce) nel forno.
• Il materiale metallico viene fuso mediante elettrodi (cilindri di grafite) che generano archi elettrici potenti tra gli elettrodi e i rottami, fondendo il carico.
• Si rimuovono le scorie prodotte; si aggiunge carbonio (carbone, antracite o altre fonti) e si porta la massa alla temperatura desiderata.
• Si aggiungono leghe o elementi come ferrosilicio, ferromagnesio, silice e calce per regolare la composizione e ridurre impurità come lo zolfo.
• Infine, l'acciaio fuso viene colato in un cucchiaio speciale che lo trasporta alla zona di colata o agli stampi.

Descrivere le fonderie in base alla % di carbonio

Le fusioni ferrose sono ottenute in ghisa, la quale contiene una percentuale di carbonio compresa tra il 2% e il 5%. In generale la ghisa è dura e fragile, resistente bene alla compressione ma poco tenace a trazione. Si classifica principalmente in: bianca, grigia, malleabile e duttile.

Ghisa bianca (fusione prima)

Nella ghisa bianca il carbonio è combinato con il ferro sotto forma di cementite; alla frattura la superficie appare bianca. Proviene direttamente dall'altoforno e il suo contenuto di carbonio può variare tra il 2% e il 3%. È un materiale duro, fragile e difficile da lavorare, utilizzato in componenti soggetti ad elevata abrasione.

Ghisa grigia (fusione seconda)

Nella ghisa grigia il carbonio è presente sotto forma di lamelle di grafite, che conferiscono il colore grigio alla frattura. Si ottiene fondendo ghisa e rottami in un forno a cupola (simile all'altoforno ma di minore scala). È fragile a trazione ma lavorabile e relativamente malleabile; ha un basso costo ed è utilizzata per componenti complessi e per la capacità di smorzare vibrazioni.

Ghisa sferoidale (duttile)

La ghisa sferoidale è ottenuta trattando la ghisa bianca per trasformare la grafite in noduli sferoidali, conferendo una maggiore duttilità e minore fragilità. Si ottiene mediante l'aggiunta di elementi quali magnesio, ferro-silicio o altri trattamenti di nodulizzazione. Questo materiale fornisce proprietà meccaniche migliori rispetto alla ghisa malleabile, con buona duttilità e resistenza meccanica.

Che cos'è il processo di fusione o stampaggio? Operazioni per la formatura degli stampi

Il processo di fusione o stampaggio consiste nel versare materiale fuso in stampi che riproducono la forma finale desiderata. È particolarmente adatto a materiali con punti di fusione relativamente bassi (come le ghise), mentre per acciai altamente legati si utilizzano impianti e procedure specifiche.

Le operazioni principali sono:

• Fusione del metallo: effettuata in forni o convertitori; il materiale fuso viene trasferito in recipienti che mantengono la massa liquida pronta per la colata.
• Preparazione del modello: il modello ha la stessa forma dell'oggetto da ottenere; si progetta considerando le tolleranze, i rispetti di restringimento e i dettagli costruttivi.
• Preparazione degli stampi: a partire dal modello si costruisce uno stampo che può prevedere condotti di colata (per il metallo fuso) e prese per i gas di risalita.
• Colata: consiste nel versare il metallo fuso nello stampo; può essere effettuata con varie tecniche:

• Colata diretta: lo stampo viene riempito dall'alto favorendo la solidificazione controllata del metallo.
• Colata a sifone o a fondo: il metallo entra dallo spruzzo inferiore o dalla base dello stampo; questo può ridurre la formazione di inclusioni d'aria e porosità, anche se può presentare problemi di solidificazione in alcune cavità.
• Colata laterale: compromesso tra i due metodi precedenti; può comportare maggiori perdite di materiale.
• Colata continua (consigliata): il metallo fuso viene versato in uno stampo a scorrimento la cui sezione è la forma del prodotto desiderato. Il materiale esce dalla macchina ininterrottamente fino a completare la massa, riducendo gli scarti e ottimizzando stampi, energia e manodopera.

Rifinitura: lo stampo viene rimosso, il pezzo viene pulito, sbavato, eliminate prese di colata e montanti. Si possono applicare trattamenti termici per eliminare tensioni interne dovute a differenze di temperatura.

Qual è il processo di deformazione? Descrizione delle tecniche

Il processo di deformazione consiste nell'ottenere la forma finale mediante deformazione plastica a caldo o a freddo. Tra le tecniche principali troviamo:

• Forgiatura: deformazione plastica eseguita a caldo o a freddo senza fusione. Permette di ottenere parti con ottime caratteristiche meccaniche e prive di porosità interne.
• Laminazione: eseguita a caldo o a freddo; mediante rulli si riduce lo spessore o si modifica la sezione del metallo per compressione plastica.
• Stampaggio a caldo: simile alla forgiatura, eseguito con macchine meccaniche per produrre pezzi di grandi dimensioni o in produzione ripetitiva.
• Stampaggio a freddo: la lamiera viene deformata a freddo; le operazioni comprendono piegatura, punzonatura, tranciatura, stampaggio, stiratura e taglio.

In che cosa consiste il processo per asportazione di truciolo?

È il processo usato per ottenere parti con elevata precisione dimensionale mediante macchine utensili, sostituendo in parte l'operatività manuale. Le macchine più usate sono:

• piallatrice, shaper, tornio, trapano, fresatrice, rettificatrice e molatrice.

Quali sono i trattamenti per migliorare le proprietà meccaniche, una volta ottenuto il prodotto?

È possibile migliorare le proprietà meccaniche tramite trattamenti termici e termo-chimici, come la tempra e il rinvenimento, oltre ad altri trattamenti comuni.

• Tempra: consiste nel riscaldare l'acciaio ad alta temperatura e raffreddarlo rapidamente in un mezzo liquido. Aumenta durezza e resistenza ma può incrementare la fragilità.
• Rinvenimento: è un riscaldamento a temperatura inferiore rispetto alla tempra; serve a ridurre l'eccessiva durezza e la fragilità, migliorando la tenacità.
• Ricottura: prevede il riscaldamento dell'acciaio a temperature elevate e un raffreddamento lento; altera la microstruttura riducendo tensioni interne, rendendo il materiale più duttile e lavorabile.
• Cementazione: processo termo-chimico con cui si aumenta il contenuto di carbonio superficiale delle parti in acciaio, ottenendo un'elevata durezza superficiale mantenendo un nucleo tenace.