Cenni sulla produzione degli acciai

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1 Cenni sulla produzione degli acciai La metallurgia è la disciplina che riguarda lo studio dei metalli e dei loro processi di ottenimento e lavorazione. La siderurgia è a sua volta la metallurgia del ferro, dell'acciaio e della ghisa. Nella siderurgia primaria si parte dai minerali del ferro (principalmente ossidi FeO x ) e si effettuano poi dei processi di riduzione (altoforno) che portano ad ottenere prima ghisa e poi (mediante affinazione) acciaio. Nella siderurgia secondaria invece si utilizza come materia prima i rottami di ferro.

2 Siderurgia primaria - I minerali del ferro - Le caratteristiche che un minerale di ferro deve possedere per essere preso in considerazione in un processo siderurgico sono: ampia disponibilità; alto tenore (almeno teorico) di ferro; basso tenore di elementi nocivi; basso costo di estrazione.

3 I minerali del ferro: ossidi EMATITE MAGNETITE LIMONITE Formula: Fe 2 O 3 % Fe teorica: 69.9 % eff.: 45 65% n.o. : 3 Formula: Fe 3 O 4 % Fe teorica: 72.4 % eff.: 45 70% n.o. : 2 3 Formula: Fe 2 O 3 nh 2 O % Fe teorica: ~ 60 % eff.: 30 50% n.o. : 3

4 Altri minerali del ferro SIDERITE PIRITE Formula: FeCO 3 % Fe teorica: 48.2 % eff.: 30 40% n.o. : 2 Formula: FeS 2 % Fe teorica: 46.7 % Eff.: 20 30% n.o. : 2

5 Altoforno: lo schema Carbon coke: C Minerali di Fe: FeO x Calcare: CaCO 3 BOCCA TINO SACCA CROGIUOLO TUBIERE ingresso aria calda Diametro: circa 8-10 metri. Altezza: circa 30 metri. Costruzione: mattoni refrattari sostenuti da un incastellatura di acciaio rivestita di lamiera raffreddata ad acqua.

6 Altoforno: il processo Carbon coke Minerali di Fe Calcare T ~ 250 C T ~ 500 C Profilo della temperatura T ~ 1000 C lungo tutta l altezza dell altoforno Scoria Ghisa Aria calda C T ~ 1800 C T ~ 1600 C

7 Altoforno: il processo Carbon coke Minerali di Fe Calcare C + O 2 CO 2 combustione alla bocca delle tubiere CO 2 + C 2CO formazione agente riducente FeO x + CO Fe + CO 2 riduzione degli ossidi Fe + CO ghisa (liq.) carburazione Fe metallico Aria calda C Scoria Il calcare ha il ruolo di fondente: dalla sua decomposizione ad elevate T si ottiene la calce, che si lega alle principali impurezze presenti nei minerali di ferro (silice ed allumina) e forma dei composti (silicati ed alluminati di calcio) che fondono a T più basse, andando a formare la scoria liquida. Ghisa CaCO 3 CaO + CO 2 (T C) CaO + SiO 2 Silicati di calcio Al 2 O 3 Alluminati di calcio Scoria liquida

8 Affinazione della ghisa CROGIUOLO Scoria (più leggera) Nel crogiuolo si raccolgono due fasi liquide, la ghisa e la scoria (o loppa), insolubili, che vengono periodicamente recuperate attraverso opportuni fori di colata. Ghisa (più pesante) La scoria (ricca di silicati ed alluminati di calcio), raffreddata bruscamente, assume la forma di piccole sferette (loppa granulata d altoforno) ed è utilizzata come aggiunta per i cementi di miscela. La ghisa ha la seguente composizione: - circa 4% di carbonio - impurezze varie (Si, Mn, P, ) La sua trasformazione in acciaio (affinazione) deve pertanto consentire di: - portare la %C al di sotto del 2% - ridurre quanto più possibile le impurezze La principale tecnica di affinazione della ghisa è basata sui convertitori ad ossigeno, nei quali, con una lancia metallica, si soffia ossigeno puro ad elevate pressioni sulla superficie del metallo fuso, attivando i seguenti processi di ossidazione: C + O 2 CO 2 riduzione della %C, per passare da ghisa ad acciaio Impurezze (Si, Mn, P ) + O 2 Ossidi scorificazione delle impurezze

9 Meccanismi di rafforzamento degli acciai Dopo l affinazione, e prima di essere messi in commercio, gli acciai sono sottoposti ad una fase durante la quale si conferisce loro la forma opportuna (lavorazioni meccaniche) e poi ad un altra mediante la quale si conferiscono loro le proprietà meccaniche desiderate (trattamenti). Trattamenti Meccanici Termici Termo-chimici

10 Trattamenti meccanici Si migliora la resistenza inducendo un ostacolo al movimento delle dislocazioni, mediante: 1. Aggiunta in soluzione solida di elementi di lega (diversi da Fe e C). 2. Controllo del bordo di grano (agendo sulle velocità di raffreddamento). 3. Controllo del numero delle dislocazioni mediante deformazione plastica (incrudimento).

11 T A 3 1 Trattamenti termici Si migliorano le proprietà meccaniche inducendo una modifica della microstruttura 2 3a 3b 3c t 1. Riscaldamento ad una T > A 3 2. Mantenimento a tale T per un certo t 3. Raffreddamento con velocità V R 3a raff. molto lento 3b raff. lento 3c raff. molto veloce A 3 : T al di sopra della quale c è solo austenite. Dipende dalla %C nell acciaio e dunque per poterla valutare in maniera rigorosa bisogna usare i d.d.s. Con buona approssimazione però, si può ritenere che per un acciaio standard A C

12 Trattamenti termici Ricottura Normalizzazione Tempra Riscaldamento fino ad una certa T (~ 50 C + A 3 ) e permanenza per un tempo t tale da avere solo austenite Raffreddamento molto lento Raffreddamento lento Raffreddamento molto veloce Microstrutture di equilibrio (funzione di %C) Martensite Grana cristallina più grossolana Grana cristallina meno grossolana Rinvenimento

13 Trattamenti termici Ricottura e Normalizzazione Nella ricottura il pezzo, dopo aver subito lo step di «austenitizzazione», viene sottoposto ad un raffreddamento molto lento, ottenuto mantenendolo nel forno spento. In tal modo si ottengono le microstrutture previste dal d.d.s. (formazione di perlite) ed una grana cristallina molto grossolana (modeste proprietà meccaniche in termini di resistenza e durezza). Per tale motivo non si utilizza mai come trattamento definitivo, ma come trattamento intermedio per annullare effetti dovuti a trattamenti precedenti (ad es. far riacquistare duttilità ad acciai incruditi a seguito di lavorazioni a freddo). La normalizzazione è molto simile alla ricottura, solo che il raffreddamento del pezzo avviene in aria calma, e dunque in modo leggermente più veloce. La microstruttura è perciò generalmente caratterizzata da una grana cristallina più fine e quindi, rispetto alla ricottura, il materiale risulta un po meno duttile ma più resistente e duro. In taluni casi, con pezzi molto piccoli ed aventi una particolare composizione, al termine della normalizzazione si ottengono microstrutture simili a quelle ottenibili mediante tempra.

14 Trattamenti termici Tempra E il più importante tra i trattamenti termici, si esegue sui pezzi finiti allo scopo di impartire loro adeguate caratteristiche meccaniche, soprattutto in termini di durezza e resistenza. Nella tempra il pezzo, dopo aver subito lo step di «austenitizzazione», viene sottoposto ad un raffreddamento veloce, allo scopo di ottenere una microstruttura martensitica. Per effettuare raffreddamenti veloci si utilizzano i cosiddetti mezzi tempranti: acqua soluzioni saline olii non infiammabili bagni metallici fusi - Tra questi l acqua è il mezzo temprante più comune: è economico, è molto energico (riesce a sottrarre molto calore), ma presenta anche alcuni inconvenienti, tra i quali uno scarso controllo delle T durante il raffreddamento. Laddove fosse necessario raffreddare con particolari profili di temperature, allora si utilizzano mezzi tempranti più specifici. La tempra conferisce all acciaio un notevole aumento di resistenza e durezza, ma allo stesso tempo induce una notevole fragilità, al punto che l acciaio non può essere utilizzato. Perciò alla tempra segue sempre un trattamento di rinvenimento.

15 Trattamenti termici Rinvenimento Consiste in un riscaldamento (tra 200 C e 700 C) che faccia evolvere la martensite in strutture più stabili, meno fragili e comunque resistenti. Microstruttura Sorbite Riscaldamento della martensite: C Martensite cubica C Troostite C Sorbite C Sferoidite Proprietà meccaniche ottimali Globuli di cementite tondeggiante in matrice ferritica N.B. Tempra + Rinvenimento = Bonifica

16 Trattamenti termochimici Cementazione e Nitrurazione In alcune applicazioni è necessario che l acciaio presenti una notevole durezza superficiale, pur conservando all interno un elevata resilienza. Tali caratteristiche possono essere ottenute con trattamenti termici che interessino solo la superficie dei pezzi (tempra superficiale) oppure modificando la composizione chimica della zona superficiale dei pezzi stessi (cementazione e nitrurazione). La cementazione consiste nel carburare (cioè aumentare la % di C) la zona superficiale di un pezzo di acciaio. Si utilizzano acciai di partenza con basse % di C ( %, acciai dolci) e quindi molto duttili, nei quali la % di C in superficie viene portata a valori %. Dopo tale arricchimento si esegue un trattamento di tempra, seguito da un modesto rinvenimento, in modo che la zona superficiale acquisti un elevata durezza, mentre il cuore del pezzo resta notevolmente tenace. La nitrurazione consiste nell arricchire in azoto (N) gli strati superficiali del pezzo di acciaio. L azoto si combina col ferro presente nel reticolo e forma dei nitruri metallici, caratterizzati da un elevatissima durezza. N.B.1 In entrambi i casi la modifica della composizione chimica superficiale va effettuata ad elevate T, per consentire la diffusione atomica all interno del reticolo. N.B.2 Lo spessore cementato è dell ordine di 1 mm, mentre quello nitrurato è dell ordine di 0.1 mm.