Acciaio: classificazione e processi della produzione

Acciaio è il nome dato ad una lega di ferro contenente carbonio in percentuale non superiore al 2,11%. Oltre tale limite le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.Tubi in acciaioIndice:

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%). Viene infine definito acciaioso un prodotto siderurgico che rappresenta uno stato intermedio tra l’acciaio e la ghisa.

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.

Produzione acciaio ieri e oggi

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.Antico forno di LivemmoA partire dal XIV secolo si usarono forni più grandi, 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.

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.

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.

Processi di produzione dell’acciaio

Processo B.Huntsmann

Prima dell’utilizzo d’aria insufflata nell’altoforno del 1870; B.Huntsmann nel 1740, creò un processo (ormai pienamente superato), che riusciva a ricavare acciaio dalla ghisa, mediante un processo che richiedeva la preventiva trasformazione della ghisa di ferro attraverso puddellaggio: il ferro cosi ottenuto era sottoposto a cementazione, cioè riscaldato con carbone di legna per accrescerne la percentuale in carbonio e poi fuso in crogiolo in modo che il carbonio assorbito superficialmente si estendesse a tutta la lega. Si otteneva quindi un acciaio al crogiolo di qualità pregiata ma con un costo di produzione molto elevato.

Attorno al 1850 la produzione dell’acciaio cambia grazie all’utilizzo industriale del processo termochimico d’affinazione (o di conversione, nel caso di processi con insufflazione d’aria o d’ossigeno) che consiste nella riduzione del carbonio mediante, ossidazione e nell’eliminazione d’altre impurità presenti nel metallo fuso. L’ossidazione del carbonio libera ossido ci carbonio CO che con l’aggiunta di titanio; agita la massa fusa contribuendo all’eliminazione d’altre impurità gassose, più la formazione di nitruri insolubili.

I prodotti insolubili per esempio la silice, attraverso il contatto con l’ossido di ferro reagiscono e creano l’ossido di silicio insolubile che si raccoglie nelle scorie; le scorie a loro volta assorbono tutte le impurità del metallo. L’ossigeno necessario alla reazione è fornito sia in forma gassosa (aria od ossigeno puro), sia in forma solida (ossidi di ferro). Le reazioni d’ossidazione sono molto esotermiche e garantiscono quindi il calore necessario al mantenimento della massa fusa.

La tecnologia con la quale è realizzato il processo di affinazione può invece essere molto diversa sia per quanto riguarda le materie prime (ghisa fusa, rottami, additivi), sia per quanto riguarda impianti e fasi di lavorazione.

Processo H.Bessemaer

Il primo metodo moderno per la produzione dell’acciaio è quello inventato da H.Bessemaer nel 1855; è basato sull’affinazione della ghisa siliciosa (contenente in pratica silicio in percentuale variabile da 1,5 a 2,5%).

In un gran recipiente d’acciaio, detto convertitore, rivestito internamente di silice (acida), viene dapprima introdotta ghisa fusa, poi, dal basso, insufflata aria; si ha cosi la combustione del silicio con sviluppo di calore e quindi l’ossidazione del carbonio (conformazione e liberazione di CO) che trasforma la ghisa in acciaio.

Processo S.G.Thomas

Il secondo metodo è stato inventato da S.G.Thomas che funziona sullo stesso principio del processo Bessemer, ma produceva acciaio per conversione di ghisa fosforosa (contenente in pratica fosforo in percentuale variabile da 1,2 a 2%) in un convertitore a rivestimento basico.

La differenza tra i due processi è data proprio dal rivestimento dei convertitori che vengono nella formazione delle scorie.  Con rivestimento acido il silicio ha il ruolo d’elemento termogeno (ossidandosi riscalda il metallo fuso), mentre le scorie ed eventuali additivi hanno il compito di eliminare lo zolfo.

Esso quindi viene eliminato utilizzando l’ossido di calcio, l’ossido di ferro e il rivestimento acido del forno; questi tre elementi, entrando in contatto con lo zolfo danno origine al solfuro di calcio che viene eliminato come scoria, anche il manganese, favorisce (associato con l’ossido di ferro) la desolforazione.

Con il rivestimento basico il ruolo di rivestimento termogeno passa al fosforo, che è eliminato solo dopo la decarburazione totale.  Per l’eliminazione del fosforo si aggiunge all’interno del prodotto fuso la calce viva, che a contatto con essa e con le pareti con rivestimento basico, da origine a delle scorie, che galleggiano sulla superficie liquida del prodotto e, vengono poi eliminate.  Prima della colata è quindi necessario ricarburare il metallo fuso cioè aggiungere una certa quantità di ghisa fusa per portare la quantità di carbonio nell’acciaio ad un livello ottimale per quel prodotto.

I processi acidi consentono di eliminare completamente lo zolfo ma poco il fosforo; il processo Bessemer è praticamente scomparso. Il processore Thomas, per quanto superato da tecniche più moderne, è invece ancora utilizzato in parecchi paesi europei ricchi di minerali fosforosi.

Processo Martin-Siemens

Nel 1865 era stato messo a punto un procedimento di tipo diverso e più complesso, il processo Martin-Siemens (inventato da P.Martin ma realizzato in un forno ideato da W.Siemens), nel quale la conversione della ghisa avviene con l’apporto dell’azione ossidante della fiamma a contatto con il metallo nel corso della fusione. In questo processo che avviene in forni con rivestimento di natura acida (silice), sia di natura basica (dolomite), la carica è costituita da ghisa (liquida o solida) mescolata a rottami o trucioli, oppure a minerali di ferro.Processo Martin-SiemensA differenza dei processi al convertitore, l’operazione è assai lunga (8-10 ore contro 10-15 minuti) ma la capacita del forno è molto più elevata. Il processo Martin-Siemens è ancora molto usato, specie nei paesi industrializzati ricchi di rottami di ferro e di combustibile (il fabbisogno varia da 500 a 1200 milioni di calorie per t d’acciaio prodotto).

Dopo la prima guerra mondiale ebbe inizio la produzione d’acciai speciali mediante affinazione al forno elettrico ad arco o ad induzione, che raggiungeva temperature assai elevate e consentiva un’affinazione perfetta; anche in questo tipo d’affinazione sono molto utilizzati i rottami di ferro.

Processo LD

L’impiego d’ossigeno al posto dell’aria in tutti questi processi portarono, dopo la seconda guerra mondiale alla messa a punto di nuovi metodi di conversione basati sull’insufflazione d’ossigeno ad elevata purezza.  Il prototipo di questi processi è il cosiddetto processo LD (dal nome delle città austriache di Linz e Donawiz ove furono installati i primi impianti) che impiega un convertitore molto simile al convertitore Thomas ma con fondo chiuso: l’ossigeno è soffiato dall’alto mediante una lancia raffreddata ad acqua e quasi a contatto con la superficie del metallo fuso.

I vantaggi del nuovo metodo, che hanno ormai assunto un ruolo di principale importanza nella produzione dell’acciaio in tutto il mondo (il processo LD copre circa il 50% della produzione mondiale), consistono nel miglioramento qualitativo dell’acciaio, nel minor costo di gestione (non occorre combustibile) e nella maggior facilità di depurazione dei prodotti di combustione, compresi i fumi dell’acciaieria.

Il sistema LD utilizza circa la metà dei rottami di ferro impiegati dai forni Martin-Siemens e rende quindi disponibile una gran quantità di rottami per l’impiego nei forni elettrici tradizionali.

In questo momento, mentre il processo LD sta avviandosi all’affermazione definitiva, i processi al convertitore, che danno un prodotto meno pregiato ma una produzione maggiore rispetto al processo Martin-Siemens e al forno elettrico, sono spesso impiegati come prima fase d’affinazione di un prodotto che passa poi ai forni degli altri due tipi per la fase definitiva di lavorazione.

Tipi di acciaio

L’acciaio può essere suddiviso in quattro categorie principali:

  • Acciaio al carbonio
  • Acciaio legato
  • Acciaio inox
  • Acciaio per utensili

Acciai al carbonio

Gli acciai al carbonio rappresentano la tipologia più diffusa, pari al 90% della produzione totale, nonché la meno pregiata. Questo tipo di acciaio dall’aspetto opaco presenta caratteristiche tecniche che lo rendono sì malleabile e facilmente lavorabile, ma anche altamente soggetto a corrosione e sensibile alle alte e basse temperature.

Si tratta, comunque, di un acciaio notevolmente resistente utilizzato per la realizzazione di oggetti come coltelli, fili ad alta tensione, parti di automobili e simili.

Acciai Legati

Questo tipo di acciaio è caratterizzato dalla miscela di metalli diversi, quali manganese, silicio, nichel, cromo, titanio, rame e alluminio, dosati e aggiunti in base alle caratteristiche tecniche e meccaniche che devono essere conferite. Il loro utilizzo è richiesto nell’ambito della meccanica e per la realizzazione di condotte.

Acciaio Inox

L’acciaio inox è un materiale dall’aspetto lucido altamente resistente all’ossidazione grazie al contenuto di cromo in percentuale pari al 10-20%. Gli Acciai inox a si dividono in MartensiticiFerritici e Austenitici e possono essere utilizzati per la realizzazione di apparecchiature chirurgiche, domestiche, argenteria e come rivestimenti esterni per edifici commerciali e industriali.

Acciai per utensili

Gli acciai per utensili si ottengono inserendo nella miscela tungsteno, molibdeno, cobalto e vanadio in quantità variabili per aumentarne la resistenza al calore e la durabilità. Si prestano bene a sopportare lavorazioni quali il taglio e la perforazione e possono essere classificati in base alle loro forme e alle applicazioni correlate:

  • I prodotti lunghi o tubolari comprendono barre, rotaie, cavi, angoli, tubi e travi e sono comunemente usati nei settori automobilistico e delle costruzioni.
  • I prodotti piatti includono lastre, fogli, bobine e strisce e sono utilizzati principalmente in parti automobilistiche, elettrodomestici, imballaggi, costruzioni navali e costruzioni.

L’acciaio corten

“L’acciaio COR-TEN (in inglese weathering steel) fa parte della categoria degli acciai basso legati definiti patinabili (è detto anche acciaio patinato).”L'acciaio cortenIl corten contiene piccole percentuali di rame, cromo e fosforo, ed è ampiamente utilizzato nell’edilizia e per la realizzazione di oggetti e strutture di design. Il suo impiego in questi campi è dovuto principalmente alla capacità di auto-proteggersi continuamente dalla corrosione formando una patina di ruggine funzionale molto apprezzata sia in termini di efficacia e resistenza che dal punto di vista estetico.