Come si produce l’acciaio?

Pregiato, soggetto a cicli economici, né più né meno che il petrolio! Quella dell’acciaio è una storia di successo e ripercorrerla significa vedere come le caratteristiche del materiale, sempre ottimizzate, sono il frutto della ricerca applicata alle tecniche di produzione.

Il “pensionamento” forzato del ferro, nel XIX secolo, può essere considerato il punto più alto della storia dell’acciaio. Fu sua la parte del leone nella fitta rete ferroviaria che – quasi all’improvviso – ricoprì Vecchio e Nuovo Continente. Durevole, resistente, versatile… perfetto per le caldaie delle locomotive e delle navi, ma anche per i ponti, come l’Eads Bridge, costruito nel 1874 a Saint-Louis sul Mississipi. Tra il 1879 al 1900 la produzione mondiale esplose letteralmente, passando da mezzo a 28 milioni di ton. Un simbolo? l’Empire State Building, sorto nel 1931 nel cuore di Manhattan: 381 metri d’altezza per 57mila ton d’acciaio!

Come fabbricarlo: due componenti, quattro step

Ferro e carbonio: dalle diverse percentuali dei due componenti, determinano diverse consistenze e durezze della lega, scoperta, come sembra, addirittura dagli Indù intorno al 300 d.C.
A prescindere dalle modalità ovviamente molto cambiate, per quanto riguarda la fabbricazione dell’acciaio, resistono passaggi imprescindibili – ancora oggi molto ben individuabili:

1. Temperature estremamente elevate
i primi forni costruiti dall’uomo erano in grado di raggiungere temperature attorno ai 1000 °C, ed erano quindi utilizzabili per lavorare il bronzo, ma non il ferro.

2. Riscaldamento in ambienti poveri di ossigeno
all’aumento della temperatura corrisponde infatti l’aumento del tasso di ossidazione

3. Dopo il riscaldamento, rapido raffreddamento in acqua o olio
l’operazione causa piccole fratture e imperfezioni nella struttura cristallina del materiale, le cui molecole sono disposte in maniera regolare.

3. Dopo il raffreddamento, un nuovo riscaldamento
anche se a una temperatura inferiore, consente di saldare le fratture strutturali

Molte e diverse le tecniche di produzione tra ieri e oggi…

L’acciaio proviene dall’affinazione della ghisa, che dev’essere decarburata e depurata da impurità dannose, soprattutto zolfo e fosforo, mentre si provvede alla correzione di altri elementi, come silicio e manganese.
In passato, era ottenuto direttamente dal minerale di ferro, che, ridotto dal carbone di legna, dava una ghisa che nella parte più calda del forno, dove entrava l’aria, si trasformava in acciaio (basso-fuoco catalano). Gradualmente aumentando le le dimensioni del forno in vista dell’accrescere della produzione, si arrivò all’altoforno per la sola produzione di ghisa. Questa passava poi ad altro forno (basso-fuoco prima, convertitore e forno a suola poi, tuttora impiegati) per essere decarburata.

Alcuni processi: Norsk-Staal, Krupp-Renn, Höganäs, per citarne alcuni, consentono di ottenere acciaio si ottiene direttamente dal minerale, senza passare attraverso la ghisa. Si tratta, tuttavia, di sistemi poco diffusi.

Mentre ad andare per la maggiore sono i metodi della

• Affinazione liquida
  al cui termine l’acciaio si presenta liquido
• Affinazione solida
  al termine della quale, l’acciaio è pastoso.

L’affinazione liquida e il ruolo dell’ossigeno

Dell’affinazione liquida diciamo subito che è il metodo con il quale si produce la maggior parte dell’acciaio. Non ne esiste, d’altra parte, una sola versione.

Eccole qui riassunte:

• Affinazione ad aria soffiata
  Ottenuta con i convertitori Bessemer e Thomas, è una tecnica che vede il versamento della ghisa liquida proveniente dai mescolatori nel convertitore posto orizzontalmente (bocca verso l’alto) e poi portato gradualmente in posizione verticale. Al contempo, da una serie di fori aperti sul fondo entra aria compressa per bruciare le impurità della ghisa: la combustione fornisce il calore necessario per elevare la temperatura del bagno dalla temperatura di fusione della ghisa (1200 °C) alla temperatura di fusione dell’acciaio (1600 °C).
• Affinazione ad ossigeno
  Tecniche più moderne prevedono che in fase di affinazione venga insufflata non aria, ma ossigeno puro o una miscela scelta tra:
  – miscela di aria e di ossigeno,
  – miscela di ossigeno e di vapor d’acqua,
  – miscela di ossigeno e di biossido di carbonio.

I più importanti processi all’ossigeno sono i seguenti:

1. Processo LD (iniziali di Linz e Donawitz, sedi delle acciaierie in cui è stato applicato), basato sull’insufflazione di ossigeno puro nel convertitore, per acciai di qualità uguale o superiore a quelli ottenuti con il processo Martin- Siemens, con una operazione di durata intermedia fra questo processo e i processi Bessemer e Thomas;
2. Processo OLP (Oxygène Lance Poudre), variante del processo LD, adatto a ghise fosforose. L’ossigeno insufflato trascina calce in polvere; l’insufflazione ha luogo in due tempi, con scorificazione intermedia; il processo consente una migliore regolazione della composizione dell’acciaio;
3. Processo Kaldo (iniziali del metallurgista Kalling e della località svedese Domnarvet), adatto all’affinazione di ghise fosforose, con tenore di fosforo più elevato di quelle utilizzabili con processo LD, anch’esso basato sulla insufflazione di ossigeno puro; si può regolare la decarburazione rispetto alla defosforazione, e quindi ottenere acciai assai puri con bassi tenori di fosforo;
4. Processo al rotore, intermedio fra il processo al convertitore e il processo con forno a suola; utilizza un forno che ruota lentamente e una lancia a due getti per insufflare rispettivamente ossigeno puro nel bagno e una miscela d’ossigeno e di aria alla superficie del bagno, allo scopo di bruciare l’ossido di carbonio.

Per quali ragioni può convenire la scelta dei processi all’ossigeno?
Pur nella loro varietà, hanno tutti a che fare con la qualità dell’acciaio che si ottiene. E nel dettaglio, i processi all’ossigeno garantiscono:

• Acciaio molto puro, data la riduzione del tenore di azoto, con conseguente risparmio di energia;
• Acciaio con determinate caratteristiche da ghisa di più varia composizione
• Acciaio al carbonio con tenore di carbonio superiore allo 0,4%: permette l’impiego di rottami e incrementa la produttività, con costi d’impianto relativamente limitati.

Per completare il panorama dell’affinazione solida
Vanno menzionate anche:

• Affinazione su suola
• Affinazione al forno elettrico
• Affinazione dell’acciaio al forno elettrico, o VAR (Vacuum Arc Remelting): la rifusione dei lingotti avviene in un forno elettrico ad arco, nel quale viene prodotto un vuoto spinto; il lingotto fonde nuovamente con vaporizzazione delle impurezze, aspirate da pompe a vuoto, poi solidifica.

Purezza e bassissimi tenori di zolfo e di fosforo: ecco l’affinazione solida

Dai due processi di affinazione solida:

• al basso-fuoco
  il combustibile (carbone di legna) è a contatto diretto con la ghisa
• per puddellaggio
  la combustione avviene in un altro forno e si ottengono materiali altamente affinati, non producibili con l’affinazione liquida.

Nei due sistemi tutto sommato molto simili, l’affinazione è effettuata dalla scoria, ricca di ossido di ferro continuamente arricchito di ossigeno, in un bagno tenuto in costante agitazione. Al termine dell’operazione le loppe spugnose del metallo, ricche di scorie, vengono tolte dal forno e battute perché perdano quante più scorie possibile. Per ottenere un acciaio più ricco di carbonio dal prodotto del basso-fuoco o del puddellaggio, lo si riduce in barrette piatte e lo si cementa a cuore con carbone di legna. Il metallo così ottenuto è ad alto grado di purezza, ma – nota dolente – molto costoso.

Accanto ai metodi tradizionali di fabbricazione dell’acciaio, ne sono stati messi a punto altri che, in generale, consistono in miglioramenti di efficienza dei primi:Accanto ai metodi tradizionali di fabbricazione dell’acciaio, ne sono stati messi a punto altri che, in generale, consistono in miglioramenti di efficienza dei primi:

• Processo Perrin: per successivi travasi in siviera contenente scoria acida completa l’affinazione iniziata al forno Martin basico;
• Processo Monell: riduce il periodo di ossidazione facendo reagire la ghisa liquida con minerale e calce portati a temperatura di incipiente fusione;
• Processo Talbot: realizza una specie di colata continua al forno Martin basico, nel quale viene attuata solo la prima affinazione; si versa l’acciaio in siviera dove si completa l’affinazione, mentre la parte spillata viene contemporaneamente reintegrata nel forno da ghisa;
• Processi Hoesch e Bertrand-Thiel: prevedono un primo trattamento delle ghise ad alto tenore di fosforo con compimento dell’affinazione secondo i processi tradizionali;
• Processi combinati o duplex: per particolari materiali di partenza (per es. convertitore Martin basico per ghise ad alto tenore di silicio e di fosforo);

E per concludere, una citazione meritano gli impianti a ciclo integrale. Applicando l’uno o l’altro dei processi citati trasformano il minerale nel prodotto finito (laminato) senza lasciar raffreddare il materiale, con evidente economia di trasformazione.

Scegli il tuo procedimento con l’esperto

Il crogiolo e il forno elettrico danno un acciaio di composizione chimica ben determinata e di alta qualità, ma molto costoso. Tra questi, l’acciaio al forno elettrico è più economico date le maggiori capacità di questo tipo di forno. Il processo Martin-Siemens è preferito al processo Thomas perché dà un acciaio di qualità leggermente superiore in quanto, essendo il Martin-Siemens meno veloce del Thomas, permette una dosatura più rigorosa degli elementi di fine-processo e un’azione dell’aria che elimina le impurità senza arrivare all’ossidazione del ferro. Di contro, il costo di produzione dell’acciaio Thomas è inferiore perché la durata del processo è più breve e avviene senza apporto esterno di calore.

Entrambi i processi danno comunque buoni acciai, a condizione di effettuare, al termine dell’affinazione, un’attenta addizione delle ferroleghe, ricche di silicio, di manganese e di altri elementi, sia per la titolazione voluta, sia per la deossidazione e la calmatura.

I processi al convertitore sono generalmente riservati alle ghise liquide, siano esse di colata diretta dall’altoforno, siano invece prelevate dal mescolatore, grossa siviera capace di qualche centinaio di tonnellate dove si raccolgono più colate di altoforno e si realizza l’omogeneizzazione e la desolforazione della ghisa. Il forno Martin- Siemens è viceversa il più idoneo per il trattamento dei pani di ghisa e principalmente dei rottami di acciaio di ricupero, con o senza aggiunta di ghisa liquida o di minerale.
La scelta fra i diversi processi dipende innanzitutto dalle condizioni di partenza per la lavorazione a cui il materiale è indirizzato. Non solo: ci sono da fare molte considerazioni di natura tecnica ed economica molto variabili e complesse, nelle quali SteelBetter può aiutarti a far luce. Avere un acciaio adatto alla produzione significa partire bene!

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D’altra parte, sapere bene da quale processo proviene la materia di base con cui sono stati realizzati i pezzi, è importante anche per procedere con gli eventuali trattamenti. E proprio perché per SteelBetter i trattamenti sono un fiore all’occhiello, proprio perché conosce così bene il lavoro “a valle” SteelBetter riserva un’attenzione così grande alla provenienza e alla lavorazione dell’acciaio.