Istituto Istruzione Superiore G. Boris Giuliano" Via Carducci, 13-94015 Piazza Armerina (En) Corso di Tecnologie Meccaniche e Applicazioni Anno scolastico 2015-2016 Docente: Leghe Ferro-Carbonio Acciaio e Ghisa
Ferro e le sue leghe Allo stato puro il ferro è quasi introvabile; esso è presente sotto forma di ossidi (ruggine), idrossidi e carbonati in vari minerali Questi composti sono presenti in molti minerali, che sono utilizzabili per la produzione industriale solo quando sono ricchi di ferro; tra questi rientrano la magnetite, la siderite, la limonite e l'ematite. SIDERURGIA 2
Minerali di ferro Il processo siderurgico utilizza come materia prima i minerali di ferro. Per essere tali i minerali devono avere le seguenti caratteristiche: notevole contenuto di ferro; conveniente separabilità del ferro con procedimenti industriali; percentuale ridotta di impurità e sostanze nocive. Sono pertanto utilizzati i minerali ricchi (con Fe oltre il 40%) e con notevole grado di purezza EMATITE Ferro 45%-60% Colore grigio-nero Estrazione in Italia isola D Elba e Sardegna MAGNETITE Ferro 50%-72% Colore nero lucente (Magnete naturale) Estrazione in Italia Val D Aosta e Isola D elba LIMONITE Ferro fino al 50% Colore giallo bruno Estrazione in Italia Sardegna e Toscana SIDERITE Ferro fino al 40% Colore giallo bruno Estrazione giacimenti in Europa e USA 3
Fasi del ciclo siderurgico integrale PREPARAZIONE E TRATTAMENTO DELLE MATERIE PRIME PRODUZIONE DELLA GHISA NELL ALTOFORNO CONVERSIONE DELLA GHISA IN ACCIAIO NEI CONVERTITORI COLATA DELL ACCIAIO PRODUZIONE DI LAMINATI A CALDO E A FREDDO 4
Preparazione materia prime Prima di essere avviati all altoforno per iniziare il processo siderurgico, i minerali di ferro vengono debitamente preparati (frantumazione, vagliatura, omogeneizzazione) e miscelati con carbon coke e fondente 5
Produzione della ghisa nell altoforno 6
Altoforno 7
PRODOTTI DELL ALTOFORNO GHISA FUSA DESTINATA ALL ACCIAIERIA GHISA IN PANI PER LA FONDERIA SCORIA O LOPPA DESTINATA ALLE CEMENTERIE O PER LA PRODUZIONE DI ASFALTI FUMI I fumi, possiedono un potere calorico (3600 kj/m 3 ) che viene sfruttato per riscaldare l'aria da soffiare nell'altoforno; per alimentare la centrale termoelettrica. 8
Processo siderurgico 9
Processo siderurgico 10
Ghisa Oltre che come materia prima per la produzione dell'acciaio, la ghisa greggia viene utilizzata per ottenere ghisa di seconda fusione (ghisa vera e propria). Questa trasformazione avviene con una rifusione in cubilotti. 11
Tipi di Ghisa In base alla distribuzione del carbonio si distinguono diversi tipi di ghise. Ghise bianche L'alta presenza di cementite fornisce una aspetto bianco argenteo, altissima durezza (400HB) e fragilità. Vengono utilizzate per manufatti particolarmente resistenti a usura come ruote di carrelli e cilindri di laminazione. Sono lavorabili solo per fusione. La ghisa bianca è designata con la sigla EN-GJN a cui segue l'indicazione di una caratteristica meccanica quale il valore della durezza, per esempio EN-GJN-HV350 Ghise grigie A seconda della cristallizzazione della grafite sono distinte a loro volta in: ghise grige per getti, molto utilizzate in fonderia, presentano grafite lamellare che ne riduce la resistenza a trazione e la durezza; sono invece abbastanza resistenti a compressione e lavorabili alla macchina utensile. Vengono designate dalla sigla EN-GJL seguita da una indicazione di proprietà meccaniche, quali durezza o resistenza a trazione, per esempio EN-GJL-150 ghise sferoidali, caratterizzate dalla presenza di grafite a struttura sferoidale che ne migliora le prestazioni meccaniche e la lavorabilità, mantenendo ottima fusibilità. Sono impiegate ampiamente per organi meccanici, strutture di macchine utensili, grosse tubazioni. Vengono designate dalla sigla EN-GJS seguita dai valori della resistenza a trazione e dell'allungamento percentuale: per esempio EN-GJS-350-17. 12
Tipi di Ghisa Ghise malleabili Sono ottenute da ghise bianche con trattamento termico di ricottura, allo scopo di rendere la ghisa più resiliente e lavorabile per deformazione. Sono utilizzate per ottenere parti di autovetture, mezzi ferroviari, macchinari elettrici. Esse vengono designate con le sigle EN- GJM seguite dai valori della resistenza a trazione e dell'allungamento percentuale, per esempio EN-GJM-350-4 Ghise speciali o legate Sono ottenute con particolari metodi e con aggiunta di elementi quali il nichel, il cromo e il molibdeno. Si ottengono ghise con elevata resistenza meccanica oppure con alta resistenza al calore o anche all'abrasione 13
Acciaio L'acciaio è una lega del ferro con percentuale massima di carbonio del 2%; nella pratica industriale, però, non si supera l'1% di carbonio. È il materiale più importante nelle applicazioni industriali per le sue proprietà: tecnologiche (malleabile e duttile, truciolabile e saldabile, lavorabile a caldo e a freddo, temprabile, ma di modesta fusibilità). meccaniche (ottima resistenza a tutte le sollecitazioni statiche e dinamiche, elevabile con trattamenti termici). Gli acciai con sola presenza di ferro e carbonio sono chiamati acciai non legati, mentre quelli con percentuali anche significative di altri elementi sono detti acciai legati. 14
Produzione Acciaio L'acciaio si ottiene dalla ghisa greggia mediante affinazione, che ha i seguenti scopi: 1. decarburazione (riduzione del tenore di carbonio) dal 3-5% fino allo 0,07-2%; 2. riduzione delle sostanze indesiderate (manganese, silicio, fosforo); 3. eliminazione di gas (CO, H, N); Gli storici metodi di conversione della ghisa in acciaio (convertitore Bessemer, convertitore Thomas e forno Martin Siemens) hanno ceduto il passo agli attuali procedimenti riconducibili a: convertitori a ossigeno (metodo LD e metodi derivati); forni elettrici. 15
Produzione Acciaio CONVERTITORE BESSEMER CONVERTITORE THOMAS VENGONO CARICATI CON GHISA LIQUIDA E SI INSUFFLA ARIA CALDA AD ALTA PRESSIONE CHE FA GORGOGLIARE IL MATERIALE. SI PRODUCE UNA REAZIONE CHIMICA TRA IL CARBONIO DELLA GHISA E L OSSIGENO DELL ARIA. SI FORMANO COSI DEI GAS DI OSSIDO DI CARBONIO (CO) E ANIDRIDE CARBONICA(CO 2 ) LA DIFFERENZA TRA I DUE CONVERTITORI STA NEL RIVESTIMENTO INTERNO. E ACIDO NEL BESSEMER PIU ADATTO PER AFFINARE GHISA RICCA DI SILICIO E BASICO NEL THOMAS PIU ADATTO PER GHISA RICCA DI FOSFORO. OGGI NON SONO PIU IN USO MARTIN-SIEMENS IN QUESTO FORNO VENGONO IMMESSI ROTTAMI DI GHISA E ACCIAIO E GHISA LIQUIDA. ARIA E GAS COMBUSTIBILE CREAVANO UNA COMBUSTIONE AD ALTE TEMPERATURA (1800 C) GRAZIE AL RECUPERO DEL CALORE DEI FUMI ATTRAVERSO UN COMPLESSO IMPIANTO. IN USO FINO A QUALCHE DECENNIO FA. 16
Produzione Acciaio Convertitore ad ossigeno LD Il procedimento LD prevede la carica di rottami e di fondenti sui quali si versa mediante siviera la ghisa liquida. La presenza dei fondenti ha lo scopo di favorire la depurazione della ghisa mediante formazione di scorie, mentre i rottami hanno lo scopo essenziale di contenere il potente innalzamento di temperatura durante la combustione. In posizione verticale nella bocca del convertitore viene inserita una lancia (lungo tubo) che immette ossigeno puro per 15-20 minuti. Il procedimento LD è molto diffuso perché consente di ottenere grandi quantità di acciaio (circa 300 t per ogni colata, con intervalli di 1 ora) ma soprattutto acciaio di qualità. 17
Produzione Acciaio FORNO ELETTRICO AD ARCO IL RISCALDAMENTO AVVIENE PER MEZZO DELL ARCO VOLTAICO CHE SCOCCA TRA 2 O PIU ELETTRODI DI GRAFITE E IL BAGNO DI FUSIONE L ARCO CONSENTE DI RAGGIUNGERE TEMPERATURE FINO A 3000 C LA CARICA E COSTITUITA DA ROTTAMI DI ACCIAIO E GHISA E FONDENTI. SI OTTENGONO ACCIAI DI ELEVATA QUALITA E PUREZZA. 18
Produzione 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. I sistemi per realizzare la colata sono: colata in lingottiera; colata continua. 19
Semilavorati in Acciaio Il processo siderurgico produce semilavorati in acciaio classificati secondo le forme e le dimensioni. Sono distinti in: semilavorati a sezione quadrata o rettangolare (blumi, billette, brame, bidoni); laminati lunghi (profilati, barre, verghelle); 20
Semilavorati in Acciaio laminati piatti (lamiere, nastri); trafilati (tubi, scatolati, fili). 21
Corso Tecnologia di Tecn. Meccanica Mecc. e Appl. 22
Classificazione degli acciai Per la designazione simbolica degli acciai le norme UNI EN 10027-1 prevedono la distinzione in due gruppi: Gruppo 1 - Acciai designati in base al loro impiego e alle loro caratteristische meccaniche o fisiche; Gruppo 2 - Acciai designati in base alla loro composizione chimica. Acciai del gruppo 1 La designazione prevede una lettera seguita da un numero: la lettera indica l'impiego; il numero indica il valore del carico unitario di snervamento minimo garantito in N/mm 2 Esempi di designazione: S 320 = acciaio per impieghi strutturali, con carico di snervamento minimo di 320 N/mm 2 ; 23
Acciai del gruppo 2 Classificazione degli acciai La designazione in base alla composizione chimica prevede quattro sottogruppi: Gruppo 2.1 - Acciai semplici o al carbonio. Sono indicati (nell'ordine riportato) con: la lettera C; un numero pari al tenore medio di carbonio moltiplicato per 100. Esempi di designazione: C14 = acciaio con 0,14% di carbonio; C40 = acciaio con 0,40% di carbonio.; Questi acciai vengono anche classificati in base alla percentuale di carbonio in: dolcissimi 0.008<%C<0.1 dolci 0.1<%C<0.2 semiduri 0.2<%C<0.6 duri 0.6<%C<0.83 durissimi %C>0.83 24
Acciai del gruppo 2 Classificazione degli acciai Gruppo 2.2 - Acciai speciali debolmente legati con elementi di lega singolarmente presenti con tenori < 5%. Sono indicati (nell'ordine riportato) con: il tenore di carbonio moltiplicato per 100; i simboli chimici dei singoli elementi di lega; il tenore dei singoli elementi di lega (moltiplicato per i fattori riportati in tabella). Esempi di designazione: 8 Ni Cr 16 = acciaio con 0,18% di carbonio, nichel 4% (16 : 4 = 4), cromo in quantità non specificata; 90 Cr 4 = acciaio con 0,90% di carbonio e cromo 1% (4 : 4 = 1) 25
Acciai del gruppo 2 Classificazione degli acciai Gruppo 2.3 - Acciai speciali legati con con almeno un elemento in quantità > 5%. Sono indicati (nell'ordine riportato) con: la lettera X; il tenore di carbonio moltiplicato per 100; i simboli chimici dei singoli elementi di lega; il tenore dei singoli elementi di lega. Esempi di designazione: X 200 Cr 13 = acciaio con 2% di carbonio e 13% di cromo; X 10 Cr Ni 10-8 = acciaio con 0,10% di carbonio, 10% di cromo e 8% di nichel 26
Acciai del gruppo 2 Classificazione degli acciai Gruppo 2.4 - Acciai speciali rapidi. La designazione comprende (nell'ordine riportato): le lettere HS; il tenore che indica la % degli elementi di lega nell'ordine: tungsteno (W), molibdeno (Mo), vanadio (V) e cobalto (Co); Esempi di designazione: HS 18-0-1 : acciaio rapido 18% W, 0% Mo, 1% V; 27
Acciai speciali del gruppo 2 Classificazione degli acciai L influenza degli elementi di lega può essere riassunta: cromo e nichel (acciai inossidabili) migliorano la resistenza alla corrosione cromo, nichel e molibdeno migliorano l effetto del trattamento termico di tempra il silicio aumenta il limite di elasticità; pertanto gli acciai al silicio vengono usati per la costruzione di molle il manganese aumenta la resistenza all usura e la durezza tungsteno e vanadio aumentano la durezza e la mantengono anche ad alte temperature (acciai rapidi); vengono usati nella costruzione di utensili tungsteno e cobalto come i precedenti, ma in misura maggiore (acciai superapidi); vengono usati nella costruzione di utensili piombo, aumenta la truciolabilità 28