Altoforno. Lezioni di Scienze e Tecnologie Applicate. Prof. Sanna Luciano

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1 Altoforno 1

2 L altoforno è un impianto per la produzione della ghisa mediante l impiego di minerali di ferro. Le materie prime per la produzione della ghisa sono i minerali di ferro, il coke metallurgico e il calcare.. 2

3 La fusione si realizza in un forno di grandi dimensioni la cui forma ricorda vagamente quella di un tino; la sua altezza può superare gli 80 metri e il diametro massimo arriva a 12 metri costituito da varie sezioni sovrapposte di forma troncoconica o cilindrica, costruite in lamiera metallica e rivestite internamente con materiale refrattario. A ogni sezione compete un certo compito nel processo di fusione.

4 L altoforno è formato da : la bocca di caricamento. Si trova alla sommità dell alto- forno ed è dotata di un sistema di chiusura che permette l introduzione delle cariche, ma impedisce la fuoruscita dei gas. Un montacarichi inclinato (skipper) vi trasporta i materiali per la carica; il tino conico, che è la parte di dimensioni maggiori; il ventre, di forma cilindrica; la sacca, a forma di tronco di cono rovesciato; il crogiolo, una camera cilindrica nella quale si trovano gli ugelli per la ventilazione forzata, il foro di estrazione delle scorie e il foro di colata del metallo fuso. Intorno al crogiolo si trovano le tubature di trasporto dell aria calda; essa proviene da due o più scambiatori di calore (Cowper). I Cowper, funzionando alternativamente, immagazzinano calore bruciando i gas prodotti dallo stesso altoforno per poi cederlo all aria di alimentazione. 4

5 Dopo che i minerali di ferro vengono trasformati in ghisa essa può essere utilizzata in due modi: La ghisa viene impiegata per la costruzione di oggetti e manufatti. La ghisa a sua volta viene trasformata in acciaio attraverso il convertitore LD e o con il forno elettrico ad induzione o ad arco. 5

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8 Materie prime I minerali da cui si estrae il ferro sono: magnetite: ossido di ferro (FeO - Fe203) di colore grigio-ferro, aspetto metallico, ferromagnetico; ematite: ossido di ferro (Fe203), di colore grigio-nero o rossastro, lamellare o granulare, fragile; limonite: idrossido di ferro (2Fe203 3H20), di colore giallo-limone tendente al bruno, fibroso, terroso, opaco; siderite: carbonato di ferro (FeC03), di colore giallognolo o bruno, lucente, vitreo; pirite: solfuro di ferro (FeS2), di colore giallo-ottone, lucente, fragile. 8

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11 Acciaio 11

12 processi a carica liquida, che trattano direttamente la ghisa liquida proveniente dall'altoforno attraverso i convertitori (Bessemer, Thomas, a ossigeno); processi a carica solida, che utilizzano pani di ghisa solidi e rottami di ferro portati a fusione mediante forni (Martin-Siemens, elettrico). 12

13 Convertitore a ossigeno 13

14 Convertitori Bessemer e Thomas 14

15 Forno Martin - Siemens 15

16 Forno ad arco elettrico 16

17 Colata dell'acciaio Al termine della fabbricazione con i diversi metodi precedentemente descritti, l'acciaio deve essere avviato verso gli impianti che lo trasformano in semilavorati. Ciò si attua mediante colata dal forno o convertitore in siviera, grande contenitore metallico rivestito internamente di refrattario. Le siviere utilizzate per la colata hanno sul fondo un dispositivo di apertura per spillare il metallo liquido. L'acciaio liquido, mediante carro-ponte, viene quindi trasportato verso lingottiere, forme metalliche in cui il metallo viene raffreddato e assume la forma di lingotti. I sistemi per realizzare la colata sono: colata in lingottiera; colata continua. 17

18 Colata in lingottiera 18

19 Colata continua 19

20 Semilavorati di acciaio L'acciaio viene messo in commercio sotto forma di semilavorati ottenuti mediante il processo di laminazione. L operazione di laminazione può essere effettuata sui lingotti riscaldati oppure direttamente durante il processo di colata continua dell'acciaio proveniente dai convertitori o dai forni. I semilavorati ottenuti con la laminazione hanno forme e denominazioni classificate dalla normativa nel modo rappresentato nella figura di seguito commentata. Blumi: sono barre a sezione quadrata, con dimensione del lato superiore a > 120 mm, o a sezione rettangolare con area S > mm2. Billette: sono barre a sezione quadrata, con dimensioni del lato a comprese tra mm, o a sezione rettangolare con area S compresa tra mm2. Profilati: sono barre di diverse dimensioni con sezione quadrata, rotonda, rettangolare, esagonale, a L, a I, a semplice o doppio T,a U, ecc. Tubi e scatolati: sono tubi rotondi, quadrati o rettangolari di diverso spessore. Vergelle: sono prodotti laminati avvolti a caldo in matasse con sezione di forma diversa (tonda, quadrata, rettangolare ecc.) e dimensione maggiore superiore a 5 mm. 20

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22 Trattamenti termici delle leghe del ferro Ciclo termico Si può definire trattamento termico un insieme di operazioni, eseguite su un materiale solido, il cui scopo è di modificarne la struttura interna, la composizione chimica, le proprietà meccaniche e tecnologiche (per un miglior utilizzo del materiale stesso). Le proprietà dei materiali che si possono modificare con i trattamenti termici sono: - durezza; - resistenza; - tenacità; - lavorabilità; - malleabilità. Tutti i trattamenti sono caratterizzati dal ciclo termico, cioè dalla successione e dalla durata delle fasi di riscaldamento, di permanenza a temperatura costante e di raffreddamento 22

23 Fase di riscaldamento (0A) Consiste nel riscaldare il materiale dalla temperatura ambiente fino a una temperatura T. Caratteristiche di questa fase sono il valore della temperatura T (che varia moltissimo in funzione del trattamento e del materiale) e la velocità di riscaldamento. È opportuno che la velocità di riscaldamento non sia troppo elevata per evitare che la diversa temperatura delle parti interne ed esterne del materiale generi differenti dilatazioni e conseguenti tensioni o cricche. Fase di permanenza alla temperatura costante (AB) Consiste nel mantenere il materiale a temperatura costante per un determinato intervallo di tempo (t2 t1). Questa fase ha lo scopo di garantire che il materiale assuma in tutti i punti la stessa temperatura e la struttura desiderata. Caratteristica di questa fase è il tempo di permanenza che dipende dalle dimensioni del pezzo e dal trattamento termico eseguito. La sua scelta, accurata, garantisce la buona riuscita del trattamento. Fase di raffreddamento (BC) Consiste nel riportare il materiale scaldato a temperatura ambiente. Questa fase risulta la più importante perché conferiscono al materiale una diversa struttura interna e, quindi, diverse proprietà.

24 Principali trattamenti termici Tempra Questo trattamento consiste nel riscaldare il materiale fino a una temperatura opportuna (temperatura di tempra, circa 800 C per l'acciaio), mantenerlo a questa temperatura per un determinato tempo e quindi raffreddare rapidamente per immersione del pezzo in un fluido (acqua o olio). Gli effetti della tempra sono: aumento della durezza; aumento della resistenza alla rottura a trazione; diminuzione della resilienza; diminuzione della lavorabilità; diminuzione dell'allungamento percentuale. Normalizzazione Questo trattamento consiste in un prolungato riscaldamento a una temperatura di C e un successivo raffreddamento in aria calma. Gli obiettivi che si conseguono con la normalizzazione sono il ripristino di una struttura interna omogenea, l'eliminazione delle tensioni interne dovute a precedenti lavorazioni (laminazione, saldatura ecc.) e la predisposizione del materiale alle successive lavorazioni o trattamenti. Rinvenimento Questo trattamento si esegue sui materiali temprati e consiste in un riscaldamento a una temperatura di molto inferiore a quella di tempra e in un successivo raffreddamento, più o meno lento. Il rinvenimento ha lo scopo di attenuare gli effetti della tempra, limitando la durezza ma aumentando la tenacità. Si effettua a una temperatura che varia, di solito, dai 200 ai 650 C. Più alta è la temperatura di rinvenimento più attenuati sono gli effetti della tempra. Bonifica È il nome tecnico che viene dato all'insieme dei trattamenti di tempra e di rinvenimento. Gli effetti di questo trattamento sono un compromesso tra l'aumento della durezza e della resistenza con il mantenimento di una buona resilienza. Ricottura Questo trattamento consiste in un prolungato riscaldamento a una temperatura di C e un successivo lento raffreddamento. Lo scopo del trattamento di ricottura è quello della soppressione degli effetti di precedenti trattamenti termici e il ripristino di una struttura interna normale.

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26 Trattamenti termochimici Cementazione o carbocementazione È un trattamento che consiste nel riscaldare il materiale in un ambiente ricco di carbonio (con elementi cementanti solidi, liquidi o gassosi) a una temperatura di circa 950 C e permanenza a questa temperatura per un determinato tempo affinché il carbonio penetri, per diffusione, nella superficie del pezzo. Lo spessore cementato è circa 0,4-0,7 mm. Nitrurazione Forno per nitrurazione Questo trattamento consiste nel riscaldare un materiale, a circa 500 C, per un tempo sufficientemente lungo da permettere all'azoto (N) di penetrare, per diffusione, nella superficie del pezzo per formare dei nitruri. Lo strato nitrurato normalmente è inferiore a quello cementato ma risulta molto più duro. Il processo di nitrurazione richiede tempi più lunghi della cementazione e risulta più costosa. 26

27 Materiali non ferrosi Alluminio e sue leghe L'alluminio (simbolo Al) è molto diffuso in natura sotto forma di idrossido (bauxite) e nelle applicazioni industriali, che lo rendono il più importante dei metalli non ferrosi. Caratteristiche È un metallo leggero, con ottima conduttività termica ed elettrica, temperatura di fusione relativamente bassa (659 C). Si ossida facilmente sotto forma di allumina (Al sesquiossido di alluminio), che però crea uno strato di protezione dagli agenti atmosferici. Le sue caratteristiche meccaniche sono modeste, ma si elevano a ottimi livelli nelle sue leghe. L'alluminio presenta anche buone proprietà tecnologiche: piegabilità, malleabilità, duttilità è discretamente saldabile solo con saldatrice ad arco in gas protettivo; ottima, è la sua fusibilità. Poco utilizzato allo stato puro (fogli per la conservazione di alimenti). E usato allo stato di allumina, materiale durissimo e di altissima temperatura di fusione (2000 C) con cui si realizzano abrasivi; la metallurgia invece impiega largamente le sue leghe, dette leghe leggere. 27

28 Leghe leggere Sono così chiamate perché conservano la caratteristica leggerezza dell'alluminio, ma possiedono caratteristiche meccaniche eccellenti. Le leghe leggere sono impiegate in vasti settori delle costruzioni e dell'arredo come profilati e laminati per serramenti, strutture secondarie, lamiere conformate, pannelli, elementi radianti; ma sono ampiamente usate anche nella costruzione di auto e moto, aerei ed elicotteri, elettrodomestici e articoli casalinghi, ecc. Nelle leghe leggere, oltre all'alluminio, figurano il rame, il magnesio, il manganese, il silicio, lo zinco, il nichel e altri metalli. In genere esse subiscono trattamenti termici (tempra, bonifica, ricottura) che ne innalzano la resistenza meccanica. Sono lavorabili sia per fusione sia per deformazione plastica, per cui vengono distinte in: leghe leggere da fonderia; leghe leggere da lavorazione plastica. Le leghe leggere da fonderia sono distinte in: leghe alluminio-rame, con rame (fino al 12%) che innalza la durezza, la resistenza a trazione e al calore, la lavorabilità all'utensile. Sono utilizzate in getti per pistoni e parti di motori, carter e altri usi generali; leghe alluminio-silicio, con silicio (fino al 12%) che migliora la resistenza a trazione e la fusibilità, permettendo di ottenere getti compatti ma abbastanza fragili e poco lavorabili all'utensile. Sono impiegate per ottenere getti di cilindri di motori, carter e articoli casalinghi; leghe alluminio-magnesio, con discreta resistenza a trazione e buona lavorabilità all'utensile. Per la loro ottima resistenza alla corrosione marina, queste leghe trovano impego soprattutto in parti di scafi; leghe alluminio-zinco, con buone caratteristiche meccaniche anche senza trattamenti termici. 28

29 Le leghe leggere da lavorazione plastica sono le seguenti: leghe alluminio-rame, con notevole resistenza meccanica. Sono prodotte commercialmente nel tipo avional (con la presenza anche di Si, Mg e Mn) per strutture di aerei, e nel tipo duralite (con presenza di Fe, Mg e Ni) per manufatti resistenti al calore e all'usura; leghe alluminio-magnesio, con discreta resistenza meccanica e buona resistenza alla corrosione; sono impiegate in laminati per pannellature; leghe leggere ad alta resistenza, che presentano alte caratteristiche meccaniche, come nel tipo ergal (con aggiunta di Zn, Mg e Cu), che raggiunge una resistenza a trazione di N/mm 2. 29

30 Rame e sue leghe Caratteristiche Il rame (simbolo Cu) è un metallo noto e usato fin dalla preistoria, ma ancora molto importante nell'attuale produzione industriale, sia allo stato puro sia sotto forma di composti e di leghe. In natura il rame si trova sia puro (rame nativo) sia combinato in minerali sotto forma di ossidi, solfuri (calcopirite) e carbonati (malachite). Presenta un bel colore rosso fulvo (rosso rame), ottima conduttività elettrica e termica, temperatura di fusione a 1083 C. Si ossida facilmente in una patina (verderame) che gli conferisce un'ottima resistenza agli agenti atmosferici. È duttile, malleabile e facilmente saldabile; presenta una discreta resistenza a trazione ( N/mm2). Ha una grande attitudine a formare leghe, quali il bronzo o l'ottone, che migliorano decisamente le sue proprietà meccaniche. Il rame è impiegato nel settore elettrico (cavi, fili, avvolgimenti, ecc.), nell'edilizia (tubi per impianti termici e sanitari, gronde), nella chimica (elettrodi, scambiatori di calore, ecc.), nell'agricoltura (antiparassitari come il solfato di rame) e nella meccanica. Bronzi Sono leghe rame-stagno con buone caratteristiche meccaniche, notevole lavorabilità plastica e ottima fusibilità; quest'ultima proprietà ha elevato storicamente il bronzo a materiale di eccellenza per i getti di fusione artistica e industriale. Nei bronzi alla crescita del tenore di stagno aumenta la resistenza a trazione e la durezza, ma diminuisce la duttilità e la saldabilità. Ottoni Sono leghe rame-zinco con buone caratteristiche meccaniche, ottima resistenza a corrosione, malleabili, lavorabili all'utensile e per getti di fusione. Il loro aspetto dorato e lucente li rende particolarmente adatti alla realizzazione di oggetti decorativi. Sono diffusamente impiegati per rubinetteria, valvole, maniglie, parti navali. 30

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