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siderurgìa

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sf. [sec. XIX; dal greco sidērurgía, lavorazione del ferro]. Parte della metallurgia che studia i processi di produzione del ferro e delle sue leghe e le loro proprietà e applicazioni. Per la parte riguardante i prodotti siderurgici si rimanda alle voci relative alle singole leghe (acciaio, ghisa ecc.).

Industria: lo sviluppo della siderurgia

Il ferro è usato da epoche antichissime e la sua comparsa risale alla preistoria. Il sistema di fabbricazione dell'antichità, rimasto quasi inalterato fino alla fine del Medioevo, era basato sul trattamento dei minerali di ferro con carbone di legna nei bassi fuochi; date le basse temperature raggiungibili in questo modo, non si otteneva metallo liquido. Ciò divenne possibile verso la fine del sec. XIII, quando venne applicata la ruota idraulica al movimento dei mantici: si aumentò così il potere carburante dell'atmosfera e, anziché spugna di ferro, si ottenne in modo continuo un prodotto molto carburato e liquido, la ghisa. Ulteriori modifiche e perfezionamenti hanno permesso la realizzazione dell'altoforno che è tuttora il mezzo di gran lunga più usato per la produzione di ghisa liquida dalla quale successivamente, per conversione ossidante, si ottenne acciaio. A fianco di questo processo di produzione indiretta dell'acciaio, affermatosi per la disponibilità di elevati quantitativi di ghisa a basso costo e dalla facile convertibilità, si devono ricordare anche alcuni moderni processi di produzione diretta, come la produzione di ferro e acciaio direttamente dai minerali, senza passare attraverso la produzione di ghisa; infatti negli ultimi anni si è manifestata la tendenza allo studio e alla messa a punto di processi che economicamente e tecnicamente possono competere con quelli realizzati negli altiforni.

Industria: la preparazione dei minerali di ferro

Le principali materie prime utilizzate per la produzione del ferro e delle sue leghe sono innanzi tutto i minerali di ferro, senza dimenticare il ruolo importante assunto nel ciclo di produzione dai rottami, dalla spugna di ferro e dai recuperi. I minerali di ferro sono essenzialmente la magnetite (Fe₃O4), l'ematite rossa (Fe₂O₃), l'ematite bruna o limonite (2Fe₂O₃∤3H₂O), la siderite (FeCO₃) e la pirite (FeS₂). I primi due tipi possono essere caricati all'altoforno mentre gli altri devono essere precedentemente arrostiti per trasformarli in ossidi, meglio riducibili. Gli ossidi di ferro sono sempre accompagnati nel minerale da ganga, cioè da materiale sterile che condiziona, per la presenza di alcuni elementi o composti, il valore del minerale, il tipo di marcia dell'altoforno e in ultima analisi la composizione della ghisa che si ottiene alla fine del processo di riduzione. Le operazioni da effettuare sui minerali sono essenzialmente la frantumazione e la macinazione: esse permettono di portare alle dimensioni volute il materiale di carica nei forni di riduzione o di facilitare l'operazione di arricchimento, in particolare sfruttando le caratteristiche magnetiche di alcuni ossidi (p. esempio la magnetite) per separarli dalla ganga. Possono essere previsti trattamenti preliminari dei minerali allo scopo di facilitare la successiva operazione di estrazione del metallo: tra questi si ricordano l'essiccamento, la calcinazione, l'arrostimento e l'agglomerazione.

Tecnologia: la prima fusione

La riduzione degli ossidi metallici avviene, nella maggior parte dei casi, nell'altoforno. Questo è un tipico forno continuo nel quale la carica scende verso il basso e incontra, in controcorrente, un'atmosfera gassosa formata da CO e CO₂ (oltre che da N₂) risultante dalla combustione di aria preriscaldata (vento) in contatto nella zona delle tuberie con il coke. Nella parte alta del forno la carica viene essiccata e preriscaldata; poi, man mano che discende all'interno del forno, l'aumento di temperatura fa sì che il gas eserciti la sua azione riducente secondo le reazioni:

Già in corrispondenza del ventre il minerale di ferro è ridotto a spugna di ferro e, in conseguenza dell'alta temperatura e della presenza di notevole quantità di coke, si carbura e passa allo stato liquido come ghisa. Nel metallo liquido entrano in soluzione pure elementi ridotti nella sacca (quali silicio, manganese, fosforo ecc.) per l'influenza della temperatura sempre più elevata e per azione diretta del carbonio. Il metallo liquido, gocciolando attraverso l'ossatura portante costituita dal coke metallurgico, si raccoglie nel crogiolo, dal quale viene prelevato a intervalli prestabiliti da fori di spillaggio. A esso si sovrappone la scoria liquida contenente i prodotti non ridotti (prevalentemente ossidi di silicio, manganese, magnesio, calcio, alluminio, ferro) portati dalla ganga di carica e i composti insolubili nel bagno metallico. I composti insolubili si formano a seguito di reazioni tra componenti della carica e i fondenti (aggiunti nel letto di fusione con lo scopo di correggere la composizione della loppa); anche la scoria è spillata a tempi stabiliti da un foro apposito situato superiormente a quello della ghisa. Oggi si tende a concentrare le attività produttive siderurgiche in pochi stabilimenti di grandi dimensioni nei quali si svolgono, oltre alle operazioni descritte, anche la conversione della ghisa ottenuta in acciaio e le successive lavorazioni per deformazione plastica a caldo e a freddo. Stabilimenti di questo tipo sono detti a ciclo integrale. Il funzionamento dell'altoforno richiede diversi impianti ausiliari. Tra questi si ricordano le apparecchiature per il caricamento (a benna, a carrelli, a tappeto mobile) che portano il materiale di carica alla bocca, gli impianti di colata della ghisa e della loppa, le turbosoffianti per inviare il vento entro l'altoforno, i cowper per il preriscaldamento dell'aria, gli impianti di captazione, depurazione e stoccaggio dei gas uscenti dalla bocca dell'altoforno.

Tecnologia: la trasformazione in acciaio

L'operazione di prima fusione non permette di ottenere un metallo adatto ad applicazioni immediate, se non per casi particolari. È indispensabile quindi provvedere alla sua conversione al fine di ottenere acciaio. Da un punto di vista generale si possono distinguere due successivi periodi dell'elaborazione: il periodo di ossidazione della carica e il periodo di riduzione. Nel primo periodo vengono ossidati, oltre al ferro, gli elementi con elevata affinità per l'ossigeno, che sono eliminati più o meno completamente dal bagno metallico. Durante questa fase avviene in particolare la decarburazione, con forte e tumultuoso sviluppo di CO, che rende possibile l'eliminazione dei gas disciolti, quali azoto e idrogeno, nonché delle particelle non metalliche. Se l'ambiente in cui si opera è basico, cioè se vi è un eccesso di calce, è possibile avere in questa fase anche una buona defosforazione. Nel secondo periodo si esegue la disossidazione del bagno nonché la desolforazione dell'acciaio. All'atto pratico, nei vari forni usati per l'elaborazione dell'acciaio, uno o entrambi questi periodi possono mancare. Nei vecchi convertitori Bessemer e Thomas, dato che il bagno metallico era attraversato da aria insufflata attraverso i fori posti sul fondo del forno, era possibile avere solo ossidazione con decarburazione; nel convertitore Thomas si poteva ottenere anche una buona defosforazione, mentre le altre operazioni dovevano essere eseguite nella siviera, dopo il travaso dal forno. Nei convertitori a ossigeno il grado di ossidazione del bagno metallico caricato è regolabile a piacimento agendo sulla quantità di ossigeno puro; se si tiene poi conto del fatto che il rivestimento è basico, si intuisce la grande elasticità di manovra permessa da questi convertitori, in particolare dal convertitore L. D. (dalle iniziali di Linz e Donawitz, le due città austriache sedi delle acciaierie in cui fu applicato per la prima volta), che negli ultimi decenni ha avuto un'applicazione sempre più estesa.

Tecnologia: la colata

L'acciaio liquido che dal forno di elaborazione passa in siviera deve essere poi trasferito in breve tempo entro forme che rendano possibile la sua solidificazione, ultima fase che presenta numerosi problemi e inconvenienti. La via tradizionalmente seguita è quella di trasferire il metallo liquido in forme in ghisa, dette lingottiere, entro le quali la solidificazione procede dalle pareti al centro e dal basso verso l'alto; appena la solidificazione è ultimata si procede all'estrazione del lingotto. In alcuni casi si può ricorrere alla tecnica detta di colata continua facendo solidificare il metallo in una lingottiera di rame senza fondo raffreddata ad acqua e provvedendo continuamente alla sua estrazione progressiva dal basso. La struttura del lingotto ottenuto è diversa secondo che si consideri acciaio calmato o acciaio effervescente. L'acciaio calmato, cioè completamente disossidato, si presenta alla solidificazione come un metallo puro; la contrazione di volume del 2% ca. che accompagna la solidificazione fa apparire il caratteristico cono di ritiro, tenuto nella zona alta del lingotto dalla presenza della materozza. L'acciaio effervescente, non essendo prevista su di esso alcuna disossidazione, continua, fino a che è in fase liquida, a sviluppare gas (monossido di carbonio) come risultato dello svolgimento dell'azione di decarburazione; la sua struttura è caratterizzata da eterogeneità di composizione chimica in carbonio tra le prime zone che solidificano e le ultime e dalla presenza di notevoli soffiature interne dovute ai gas che si sviluppano durante la solidificazione. Essi, restando inglobati nella massa metallica, compensano il ritiro di solidificazione, con conseguente assenza del caratteristico cono. L'acciaio calmato ha come caratteristica la possibilità di avere analisi chimica qualsiasi (acciai comuni, speciali da costruzione, inossidabili ecc.) mentre l'acciaio effervescente è a tenore di carbonio molto basso.

Tecnologia: le ulteriori lavorazioni

Il lingotto di acciaio proveniente dalla solidificazione in lingottiera o da colata continua deve essere sottoposto, dopo un riscaldamento a temperatura opportuna, a deformazione plastica a caldo mediante laminazione o fucinatura. Lo scopo di queste operazioni è di promuovere una modificazione radicale della primaria struttura grossolana di solidificazione e di omogeneizzarla, conferendo al prodotto finale le migliori proprietà meccaniche. Per ottenere lamiere, nastri in rotoli, profilati, barre o tondi in rotoli, partendo da lingotti, è indispensabile provvedere a una preliminare laminazione di sbozzatura per avere un prodotto semilavorato intermedio da sottoporre, dopo nuovo riscaldamento, a ulteriore deformazione plastica a caldo. Se si utilizzano billette o bramme provenienti dalla colata continua, non è richiesta in genere l'operazione di sbozzatura. Se il lingotto è destinato alla produzione di tubi senza saldatura, il procedimento richiede l'utilizzazione di presse, di laminatoi per forare e passaggi di riduzione e calibrazione dei diametri esterni e interni. Il lingotto può anche essere destinato alle operazioni di fucinatura e quindi è sottoposto all'azione di magli o presse che ne permettano la modificazione della forma secondo i profili voluti.

Bibliografia

R. Ward, Introduzione alla chimica-fisica siderurgica, Milano, 1969; R. Zoja, W. Nicodemi, Siderurgia generale, Milano, 1970; L. von Bogdandy, E. C. Engell, The Reduction of Iron Ores, Düsseldorf, 1971; G. Violi, Processi siderurgici, Milano, 1972; W. Nicodemi, R. Zoja, Processi e impianti siderurgici, Milano, 1974; M. Cima, Archeologia del ferro. Sistemi, materiali e processi dalle origini alla rivoluzione industriale, Brescia, 1991.

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