Che cos'è il ferro? Impara le proprietà e gli usi

I materiali ferrosi

• I materiali ferrosi sono leghe a base di ferro.
• Il ferro è un elemento chimico con simbolo Fe e numero atomico 26.
• E' un metallo di transizione molto diffuso sulla Terra ed è essenziale per la vita.

Caratteristiche del ferro

• Aspetto: Metallo lucente di colore grigio-argento.
• Durezza: Relativamente duro, ma può essere lavorato facilmente.
• Magnetismo: È ferromagnetico, e quindi può essere attirato dai magneti.
• Reattività: Si ossida facilmente a contatto con l'aria e l'acqua, formando la ruggine (ossido di ferro).

Usi principali del ferro

• Industria: È la base dell'acciaio, una lega con il carbonio, usata per costruzioni, automobili, navi e macchinari.
• Biologia: È essenziale per gli esseri viventi, in quanto componente dell'emoglobina, la proteina che trasporta l'ossigeno nel sangue.
• Tecnologia: Utilizzato in magneti, elettronica e strumenti di precisione.

Curiosità sul ferro

• Il ferro è il metallo più abbondante nella crosta terrestre.
• Il nucleo della Terra è composto principalmente da ferro e nichel.
• Nello spazio, il ferro si trova nelle meteoriti.

Materiali ferrosi per uso industriale

• I materiali ferrosi per uso industriale e impiegati nelle costruzioni metalliche sono leghe ferro-carbonio, con l'aggiunta di altri elementi chimici.
• Questi ultimi esaltano alcune proprietà come la durezza, l'inossidabilità, la resistenza meccanica ecc.
• I principali materiali ferrosi che vengono solitamente utilizzati sono la ghisa e l'acciaio.
• La differenza sostanziale tra i due materiali sta nel loro contenuto di carbonio:
• ghisa→ maggiore del 2%;
• acciaio→ minore del 2%.

Produzione della lega Fe-C

• Per produrre una lega Fe-C è necessaria la combustione prodotta da un carbone detto coke.
• Questo bruciando liquefa i minerali contenenti ferro, arricchendo quest'ultimo di carbonio.
• Il liquido ottenuto in questo modo è la ghisa, molto ricca di carbonio.
• Per avere l'acciaio bisogna eliminare parte del carbonio contenuto nella ghisa.
• Ciò si fa utilizzando i convertitori, che convertono la ghisa in acciaio facendo reagire l'ossigeno con il carbonio della ghisa.
• In questo modo si liberano gas come CO e CO2, fino a ridurre il carbonio al di sotto del 2%.
• Si ottiene così l'acciaio.

Produzione della ghisa

• Per ricavare la ghisa partendo dai minerali del ferro si utilizza l'altoforno.
• Gli altoforni utilizzati nel 1300 erano alimentati con carbone di legna, e permettevano di ottenere solo piccole produzioni di 1,5-2 tonnellate al giorno.
• Intorno al 1650 si sostituì il carbone di legna con il carbon coke, aumentando così la quantità di ghisa prodotta.
• Con la rivoluzione industriale, si adottò una combustione alimentata da aria calda a 1000 °C, con conseguente aumento del rendimento.
• Attualmente si usa insufflare ossigeno anziché aria, ottenendo produzioni di ghisa anche di 1000-1500 tonnellate giornaliere.
• Il crogiolo, da dove si spilla la ghisa, può raggiungere i 10-15 metri di diametro e l'altezza dell'altoforno può essere anche di 40 metri.

Legenda (altoforno):

• Minerali ferro calcare: materie prime utilizzate nel processo siderurgico.
• Skip: dispositivo per il caricamento del forno.
• Coke: combustibile solido utilizzato nel forno.
• Serpentine: materiale refrattario che riveste il forno.
• Torre calda: torre per il preriscaldamento dell'aria.
• Gas di altoforno: gas prodotto dal forno.
• Campane: strutture per il caricamento del forno.
• Focolare: zona del forno dove avviene la combustione.
• Ugelli: dispositivi per l'iniezione di aria calda.
• Tubiera anulare: tubo per l'ingresso dell'aria nel forno.
• Siviera: contenitore per la colata dell'acciaio fuso.
• Loppa: scoria prodotta dal processo.
• Ghisa: prodotto intermedio del processo.
• Lingotti: prodotto finale del processo, l'acciaio.

Produzione della ghisa (processo)

• Carica del forno: Attraverso lo skip, vengono caricati nel forno i minerali di ferro, il calcare (fondente) e il coke (combustibile).
• Preriscaldamento: L'aria necessaria per la combustione viene preriscaldata nella torre calda, raggiungendo temperature fino a 900°C.
• Combustione: L'aria calda viene iniettata nel forno attraverso gli ugelli della tubiera anulare.
• Il coke brucia ad altissime temperature (fino a 1800°C) nel focolare, generando il calore necessario per la riduzione dei minerali di ferro.
• Riduzione e fusione: I minerali di ferro vengono ridotti e fusi dalle alte temperature, producendo ghisa liquida.
• Le impurità formano la loppa, che galleggia sulla ghisa.
• Colata: La ghisa liquida viene estratta dal forno attraverso la siviera e colata per ottenere i lingotti di ghisa, prodotto intermedio del processo.
• Raffreddamento: Durante la colata e il trasporto, l'acqua di raffreddamento permette di abbassare la temperatura della ghisa.
• Scarico della loppa: La loppa, galleggiante sulla ghisa, viene rimossa e inviata all'acciaieria per ulteriori lavorazioni.
• Il ciclo continuo di carica, combustione, riduzione, fusione e colata caratterizza il funzionamento dell'altoforno, cuore del processo siderurgico integrale.

Legenda (produzione acciaio):

• Carro siluto: Sistema di trasporto per il caricamento del convertitore.
• Siviera: Contenitore per la colata dell'acciaio fuso.
• Convertitore: Dispositivo per la raffinazione dell'acciaio.
• Decarburazione: Fase di rimozione del carbonio dall'acciaio.
• Acciaio speciale: Prodotto finale di qualità superiore.
• Acciaio normale: Prodotto finale di qualità standard.
• Lingottiere: Stampi per la colata dell'acciaio.
• Lingotti: Prodotto finale, lingotti di acciaio.

Produzione dell'acciaio

• Il carro siluto carica il convertitore con l'acciaio fuso proveniente dall'altoforno.
• Nel convertitore avviene la raffinazione dell'acciaio, con la rimozione di impurità e regolazione della composizione chimica (decarburazione).
• L'acciaio raffinato viene colato nelle lingottiere per ottenere lingotti di acciaio, il prodotto finale.
• I lingotti possono essere destinati a prodotti di qualità standard o speciale, a seconda delle successive lavorazioni.

Produzione dell'acciaio (Convertitore Bessemer)

• Sir Henry Bessemer (1813-1898), ingegnere e inventore britannico, nel 1855 concepì un metodo innovativo per rimuovere il carbonio dalla ghisa.
• Utilizzando un recipiente chiamato convertitore, riscaldò la ghisa ad alta temperatura in presenza dell'ossigeno atmosferico.
• In questo processo, il carbonio in eccesso si ossida, ottenendo così dell'acciaio puro.
• Caricamento del convertitore: II convertitore viene caricato con ghisa fusa, ovvero ferro grezzo contenente una percentuale elevata di carbonio.
• Insufflazione di aria: Attraverso gli ugelli posti sul fondo del convertitore, viene insufflata aria ad alta pressione.
• Questa aria entra in contatto con la ghisa fusa.
• Ossidazione del carbonio: L'ossigeno dell'aria reagisce con il carbonio contenuto nella ghisa, bruciandolo e producendo monossido di carbonio (CO).
• Questo processo genera una reazione esotermica, che riscalda ulteriormente il bagno di acciaio.
• Rimozione delle impurità: Mentre il carbonio viene ossidato, altre impurità presenti nella ghisa, come silicio e manganese, vengono ossidate a loro volta.
• Questo crea uno strato di scoria galleggiante sulla superficie del bagno di acciaio.
• Affinamento dell'acciaio: Continuando a insufflare aria, il contenuto di carbonio viene ridotto fino a raggiungere la percentuale desiderata per l'acciaio.
• Questo processo di "affinamento" permette di ottenere un acciaio di alta qualità.
• Colata dell'acciaio: Una volta raggiunta la composizione chimica desiderata, l'acciaio viene colato in lingotti o in altre forme per la successiva lavorazione.
• Il processo innovativo ideato da Bessemer ha rivoluzionato la produzione dell'acciaio, rendendola molto più efficiente e a costi inferiori rispetto ai precedenti metodi.

Produzione dell'acciaio (Forno Martin-Siemens)

• Il forno consiste in un crogiolo di forma rettangolare, rivestito di mattoni refrattari, che misura circa 6 m per 10, chiuso da un tetto posto a circa 2,5 m di altezza.
• Consente il preriscaldamento del gas combustibile e dell'aria di alimentazione.
• La carica è formata generalmente da ghisa e rottami di ferro o da carbonio e rottami che forniscono un ulteriore apporto di ossigeno.
• I forni Martin-Siemens, le cui capacità raggiungono le 500 t, sono alimentati solitamente con olio combustibile o metano.
• In questi forni è possibile raggiungere temperature tra 1540 °C e 1650 °C e produrre circa 100 t di acciaio in 11 ore.

Componenti principali e processo produttivo del Forno Martin-Siemens

• Caricamento dei materiali: I materiali grezzi (rottami di ferro, ferro grezzo e altri elementi leganti) vengono introdotti nel forno attraverso le porte di carico.
• Riscaldamento dell'aria comburente e del gas combustibile: I gas combustibili e l'aria comburente vengono preriscaldati nelle camere di rigenerazione grazie al calore recuperato dai gas di scarico.
• Le valvole di commutazione alternano il flusso dell'aria e del gas per garantire un utilizzo efficiente del calore.
• Combustione e fusione del metallo: Il gas combustibile riscaldato e l'aria comburente si mescolano nella camera di combustione, generando temperature elevate.
• Il calore irradiato dal soffitto refrattario porta alla fusione dei materiali metallici.
• Le lance di ossigeno possono essere utilizzate per accelerare la combustione e migliorare l'efficienza del processo.
• Affinazione dell'acciaio: Durante la fusione, si aggiungono eventuali elementi chimici per migliorare le proprietà dell'acciaio.
• Le impurità salgono in superficie formando la scoria, che viene successivamente rimossa.
• Recupero del calore dai gas di scarico: I gas caldi prodotti dalla combustione escono attraverso l'uscita gas e attraversano le camere di rigenerazione.
• Qui cedono calore ai mattoni refrattari.
• Questo calore viene poi riutilizzato per preriscaldare l'aria e il gas combustibile.
• Raccolta dell'acciaio fuso: Una volta completata la fusione, l'acciaio fuso viene prelevato dal forno e trasferito in lingottiere o convertitori per ulteriori lavorazioni.

Vantaggi del Forno Martin-Siemens

• Elevata efficienza grazie al recupero di calore.
• Maggiore controllo sulla qualità dell'acciaio prodotto.
• Possibilità di utilizzare rottami metallici come materia prima.

Produzione dell'acciaio (Convertitore LD)

• Nel convertitore LD l'aria è sostituita da un getto di ossigeno puro insufflato dall'alto e ad alta pressione.
• Il suo nome deriva dalle iniziali delle due città austriache, Linz e Donawitz, dove è stato usato per la prima volta.
• È costituito da mattoni refrattari rivestiti da una lamiera d'acciaio.
• Dall'alto si inserisce una lancia raffreddata ad acqua a circa 2 m sopra il livello del metallo fuso; con questa lancia si soffia ossigeno.
• L'ossigeno reagisce con il carbonio trasformando la ghisa in acciaio.
• L'ossigeno si combina con il carbonio e gli altri elementi indesiderati molto più rapidamente che nel processo Bessemer.
• In meno di 50 minuti il ciclo è terminato, con la produzione di oltre 200 t di acciaio.
• Il convertitore LD è oggi il sistema più utilizzato per trasformare la ghisa in acciaio.

Componenti principali e processo produttivo del Convertitore LD

• Ossigeno: L'ossigeno viene introdotto nel processo.
• Aria: L'aria viene anch'essa introdotta nel sistema.
• Idrogeno e/o Argon: L'idrogeno e/o l'argon vengono aggiunti al processo.
• Convertitore BOP: II convertitore BOP (Basic Oxygen Furnace) è il cuore del processo. Qui avviene la conversione del materiale di partenza in acciaio fuso.
• Additivo per formare scorie: Viene aggiunto un additivo che permette la formazione di scorie, le quali galleggiano sulla superficie dell'acciaio fuso.
• Sistema di rilevamento delle perdite idrocarburo: Un sistema di monitoraggio rileva eventuali perdite di idrocarburi nel processo.

Produzione dell'acciaio (Forno elettrico)

• Il forno elettrico è costituito da un crogiolo, da un tino disposto lateralmente sopra il crogiolo e da tre elettrodi in grafite alimentati da energia elettrica.
• La carica è costituita quasi completamente da rottami di ferro che prima dell'uso sono analizzati e selezionati, perché gli elementi leganti contenuti influenzano la composizione dell'acciaio.
• La capacità di un forno elettrico è di 50-70 t di acciaio.
• Una volta caricato il forno, gli elettrodi si abbassano in prossimità della superficie del metallo.
• Scocca un arco elettrico dagli elettrodi alla carica metallica e il forte calore generato dall'arco elettrico causa la fusione del rottame.
• All'inizio del processo di affinazione un getto di ossigeno molto puro, iniettato con una lancia, innalza la temperatura e diminuisce il tempo necessario alla produzione dell'acciaio.

Componenti principali e processo produttivo del Forno elettrico

• Elettrodi di carbonio: Questi elettrodi conducono la corrente elettrica all'interno del forno per riscaldare e fondere il metallo.
• Volta: La parte superiore del forno, che forma una volta.
• Acciaio grezzo: l'acciaio grezzo caricato nel forno, in aggiunta ai rottami di ferro.
• Scorie: Le impurità che galleggiano sulla superficie del metallo fuso vengono rimosse come scorie.
• Arco: L'arco elettrico generato dagli elettrodi di carbonio riscalda e fonde il metallo.
• Porta: L'apertura attraverso la quale viene caricato il materiale grezzo e scaricato il metallo fuso.
• Metallo liquido: Il metallo fuso all'interno del forno.
• Colata: II metallo fuso viene versato in stampi o lingottiere per la successiva lavorazione.
• Deposito scorie: Le scorie vengono raccolte e rimosse separatamente dal metallo fuso.

La colata dell'acciaio

• L'operazione di riempimento delle lingottiere è detta colata dell'acciaio.
• Si tratta poi di liberare i solidi prodotti, cioè i lingotti, dalle lingottiere, e questa operazione di liberazione si dice strippaggio dei lingotti.
• Le tecniche oggi esistenti per la colata dell'acciaio sono:
• colata in lingottiera;
• colata in sorgente;
• colata continua.

Colata in lingottiera

• Nella colata in lingottiera l'acciaio è colato dal forno o dal convertitore in un grosso recipiente detto siviera.
• Questo successivamente versa il metallo liquido nelle lingottiere, dove il metallo solidifica in lingotti.
• Il riempimento della lingottiera è veloce e il lingotto che si forma presenta numerosi difetti generati dalla violenza con cui l'acciaio liquido entra nella lingottiera.
• I lingotti sono dei grossi pezzi di acciaio:
• quadrati o rettangolari se destinati alla laminazione;
• rotondi o ottagonali se destinati alla fucinatura.
• Le dimensioni dei lingotti variano da 180 kg a oltre 5 t.

Colata in sorgente

• Nella colata in sorgente l'acciaio liquido entra nella lingottiera dal basso.
• La lingottiera si riempie lentamente, con gradualità.
• È illustrata una stazione di sei lingottiere, con al centro il canale di adduzione dell'acciaio liquido detto colonnetta.
• Sia nella colata in lingottiera sia in sorgente, sulla sommità delle lingottiere si posizionano sempre delle piastre di materiale esotermico.
• Queste sono costituite da una miscela di alluminio e ossido di ferro, che favoriscono un raffreddamento lento della parte superiore del lingotto.
• Ciò permette di raccogliere le scorie e quindi poterle eliminare.
• Dopo un tempo che va da un minimo di 30 minuti a un massimo di 1 ora, si strippa il lingotto ancora caldo per evitare che la lingottiera si danneggi.

Colata continua

• Nella colata continua l'acciaio è colato in lingottiere verticali di rame senza fondo e scende lentamente a formare il lingotto.
• Per evitare l'ossidazione degli elementi di lega, la colata si esegue in siviere poste in serbatoi a vuoto spinto*, o collocate all'interno di recipienti chiusi da un diaframma di alluminio.
• Il diaframma fonde sotto il getto d'acciaio liquido quando questo esce dal fondo della siviera.
• Questo tipo di colata è detta continua perché produce un lingotto ininterrotto piatto o lungo.
• I prodotti ottenibili sono detti billette e bramme.
• La stessa quantità di acciaio che cola in forma liquida nella lingottiera di rame lunga circa 800 mm, esce solidificata in superficie e alla relativa estremità inferiore.
• Successivamente si taglia alla lunghezza desiderata con trance o taglio a cannello. Le bramme che si ottengono sono poi trasportate nel magazzino del laminatoio.

La ghisa

• La ghisa è una lega ferro-carbonio con un tenore di carbonio maggiore del 2% e per le applicazioni industriali di solito non superiore al 4%, anche se la ghisa è stata studiata fino alla percentuale del 6,67%.
• L'elevata quantità di carbonio tende a formare delle lamelle di grafite generando la ghisa grigia a grafite lamellare, e conferendo a questo materiale proprietà di:
• resistenza alla corrosione;
• assorbimento delle vibrazioni;
• resistenza a sollecitazioni di compressione.
• Per contro la ghisa è:
• fragile;
• non sopporta deformazioni plastiche;
• non resiste bene alle sollecitazioni di trazione;
• è saldabile solo con particolari accorgimenti.
• Per contenere la fragilità si lavora sulla forma delle lamelle di grafite trasformandole, con l'aggiunta di cerio (Ce) e di magnesio (Mg).
• Questo le trasforma in globuli o sferule proprie della ghisa grigia a grafite sferoidale.
• La scoperta è avvenuta per caso in Inghilterra nel 1948, forse perché la siviera era rimasta contaminata da tracce di Mg o Ce, elementi che innescano la sferoidizzazione delle lamelle di grafite.
• Per aumentare la capacità di deformazione plastica si parte dalla produzione delle ghise bianche che, essendo temprate, sono costituite quasi totalmente di carburo di ferro, ossia cementite (Fe3C).
• Quindi con un opportuno trattamento termico si ottengono le ghise malleabili a cuore bianco o a cuore nero.
• Per aumentare la resistenza a trazione, invece, si producono le ghise legate speciali.

L'acciaio

• Gli acciai appartengono a due grandi famiglie:
• 1° Gruppo (acciai non trattabili termicamente) → la designazione è fatta in base al loro impiego e alle caratteristiche meccaniche o fisiche.
• 2°Gruppo (acciai trattabili termicamente) → la designazione è fatta in base alla composizione chimica.

Acciaio - 1º gruppo

• Nel 1° gruppo sono trattati gli acciai in base al loro impiego e alle loro caratteristiche meccaniche o fisiche, utilizzando per esempio per le caratteristiche meccaniche il loro carico di snervamento o di rottura.
• La designazione degli acciai appartenenti al 1° gruppo inizia con una lettera, seguita da un numero che indica il carico unitario di snervamento o di rottura minimo prescritto, in N/mm².
• La lettera può essere:
• S = acciai per impieghi strutturali;
• P = acciai per impieghi sotto pressione;
• L = acciai per tubi di condutture;
• E = acciai per costruzioni meccaniche;
• B = acciai per cemento armato.
• Esempio: Acciaio per impiego strutturale S con carico di snervamento a trazione minimo prescritto di 235 N/mm² (S235JR).
• Questo tipo di acciaio è utilizzato per costruzioni in carpenteria metallica come capannoni, apparecchi di sollevamento ecc.
• Esempio: Acciaio per cemento armato B con carico di snervamento a trazione minimo prescritto di 430 N/mm² (B430N).
• La lettera N indica che l'acciaio ha subito un trattamento termico di normalizzazione.
• Viene questo acciaio è usato per armare il calcestruzzo nella costruzione di fondazioni, travi e colonne in campo edilizio.

Acciaio - 2º gruppo

• Nel 2° gruppo sono trattati gli acciai in base alle loro caratteristiche chimiche.
• Il primo numero che si incontra nella designazione di un acciaio appartenente al 2° gruppo rappresenta sempre la quantità in peso di carbonio aumentata di 100 volte.
• Sono suddivisi in:
• acciai non legati con un tenore medio di Mg < 1%;
• acciai non legati con un tenore medio di Mg ≥ 1%;
• acciai legati, esclusi quelli rapidi;
• acciai rapidi.
• Esempio: Acciaio non legato (C) al solo carbonio da cementazione carburante, con lo 0,16% in peso di carbonio (C16E).
• Si indurisce la superficie del pezzo per una profondità di circa 1 mm aggiungendo carbonio.
• La superficie resiste bene a usura e a forze concentrate, quindi è indicato per la produzione di ruote dentate.
• Esempio: Acciaio non legato (C) al solo carbonio da bonifica, con lo 0,4% in peso di carbonio (C40E).
• Si usa per organi rotanti che devono resistere al fenomeno della fatica.
• Esempio: Acciaio legato da nitrurazione con lo 0,41% in peso di carbonio, l'1,75% in peso di cromo (Cr), e con una percentuale in peso di alluminio (Al) e molibdeno (Mo) indicate nell'analisi di colata (41CrAlMo7).
• Si indurisce la superficie del pezzo per una profondità di circa 0,3 mm aggiungendo azoto atomico.
• La superficie resiste bene a usura ma non altrettanto bene a forze concentrate, quindi è indicato per la produzione di alberi a camme.