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L acciaio, una lega tra ferro Fe e carbonio C (ed altri elementi di lega), costituisce il materiale più utilizzato al mondo con circa 1.6 miliardi di tonnellate prodotte in un anno. I suoi utilizzi sono i più svariati e solo di recente, grazie all ingegneria dei materiali che ha inventato dei nuovi materiali, viene sostituito in alcuni casi. In generale è l edilizia, l industria meccanica, elettromeccanica ed automobilistica a fare la parte del leone. L acciaio, grazie alle ferroleghe che posso utilizzare per creare differenti composizioni della lega, assume le più diverse caratteristiche: si pensi che la resistenza a trazione Rm varia da 300 a 1500 N/mm 2, un rapporto di 1:5! Oltre all acciaio inteso come lega di Fe + C ci sono delle superleghe con contenuti di leganti molto rilevanti ad es 30-40% di lega ed il resto Fe 2
Il ferro costituisce il 5.1% della crosta terrestre ed è contenuto in quantità variabile in quasi tutte le rocce della litosfera. Allo stato elementare (Fe) si trova sulla terra nelle meteoriti (sideroliti) e come corpo del nucleo terrestre, di solito accompagnato da altri metalli in lega (nickel e cobalto). Il ferro nativo di origine terrestre è piuttosto raro e contiene cobalto (1-2 %) I minerali utili nell'estrazione del ferro sono : Ossidi : Ematite (Fe 2 O 3 ) Magnetite (Fe 3 O 4 ) Limonite (Fe 2 O 3 nh 2 O) Carbonato di Ferro (FeCO 3 ). Solfuri: Pirite (FeS) Marcasite Pirrotina 3
Minerali di ferro ottenuti scavando miniere sotterranee o a cielo aperto. La metallurgia del ferro è essenzialmente una metallurgia di riduzione dove l'agente riduttore fondamentale utilizzato in siderurgia è l'ossido di carbonio CO. La trasformazione del minerale di ferro in ferro metallico, o meglio in una lega di ferro e carbonio chiamata ghisa, ha luogo nell'alto forno. Nel caso della riduzione diretta non si usa il carbone e si ottiene il ferro spugna anziché la ghisa 4
Metallurgia Primaria (valida per tutti e tre i metalli più importanti ovvero Ferro, Rame e Alluminio) Estrazione e pretrattamento del minerale Riduzione del minerale Affinazione del metallo Solidificazione del metallo 5
Metallurgia Secondaria Rifusione del rottame Affinazione del metallo Solidificazione del metallo 6
Materie Prime 7
MATERIE PRIME OPERAZIONI PRELIMINARI FRANTUMAZIONE, MACINAZIONE ARRICHIMENTO TRATTAMENTI PRELIMINARI (CALCINAZIONE, ARROSTIMENTO, AGGLOMERAZIONE) PIROMETALLURGIA prima fusione,conversione IDROMETALLURGIA liscivazione, separazione estrazione elettrolitica o fisica o chimica TRATTAMENTO DI SALI FUSI (elettrolisi) METALLO GREZZO RAFFINAZIONE (affinazione termica,raffinazione elettrolitica etc..) COLATA 8
L'alto forno è un forno a tino di grandi dimensioni: 8-10 metri di diametro massimo, 30 e più metri di altezza. Sono presenti anche 3 o 4 scambiatori di calore, usati per preriscaldare l'aria, alti circa come il forno. L'altoforno è mantenuto in funzione per 24 ore al giorno, per 7 giorni alla settimana per 7-10 anni! 9
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L altoforno produce ghisa (una lega di ferro e carbonio) a partire dai minerali di ferro Ematite e Limonite, dagli ossidi provenienti dai forni di arrostimento della siderite o da quelli di combustione delle piriti. Gli ossidi mescolati al carbone coke vengono introdotti ad intervalli da q. Nell alto forno la temperatura cresce dall alto al basso fino a raggiungere il massimo (2000 C) nella zona crogiolo a dove si forma la ghisa che viene prelevata in continuo dai fori o alla base dell impianto. Attraverso le condotte k-n-m viene insufflata aria calda comburente. Da r escono i gas di combustione ancora ricchi di energia recuperabile. Il carbone funziona sia come combustibile che come riducente (Ad es: FeO + C > Fe + CO) sia come componente della lega. 11
Minerale Ferro Carbone Calce aria Ghisa (80%) e scoria (20%) 12
L'alto forno è sorretto da una robusta incastellatura esterna di acciaio su cui si scarica il peso della muratura refrattaria. Questa è rivestita nella sua quasi totalità da una lamiera di acciaio dello spessore di pochi millimetri, su cui scorre continuamente un velo di acqua di raffreddamento. 13
Il tino e la sacca sono in refrattario silicoalluminoso a tenore di allumina crescente a mano a mano si scende verso il basso; il crogiolo, e talvolta anche la parte inferiore della sacca, sono in refrattario grafitico. Dalla bocca, situata alla sommità del tino, viene introdotta la carica solida, costituita da strati alterni di minerale di ferro, coke siderurgico,fondente e scorificante generalmente calcare 14
Alla base del forno, il metallo fuso, raccolto nel crogiuolo, viene versato in secchioni di colata, o siviere, di capacità tale da contenerne 300 t. Il ferro esce dal forno sotto forma di getto incandescente a 1500 C. La quantità spillata ogni volta dipende dalle dimensioni del forno. Nella parte inferiore del tino ha luogo anche la formazione della scoria o loppa 15
Spillo trasporto con i carri siluro arrivo al convertitore 16
Insufflo ossigeno per decarburare (togliere carbonio) sino alla composizione voluta 17
Convertitore a ossigeno (processo L.D.). L'ossidazione del bagno metallico è realizzata insufflando ossigeno sotto pressione attraverso una lancia introdotta verticalmente dall'alto al centro del convertitore. 18
Tempo di raffinazione 45 minuti. Il rivestimento del convertitore è sempre basico (magnesite e, nei punti a maggiore usura, dolomite calcinata) per poter trattare anche ghise fosforose. Le reazioni chimiche che avvengono nel corso dell'affinazione sono quelle classiche dei convertitori ad aria. In questo caso però, non essendoci più da riscaldare anche l'azoto, si può fare uso di ghise di composizione assai variabile, anche relativamente povere di elementi termogeni. 19
Il processo al forno elettrico (EAF) Come materiale di partenza si usano quasi esclusivamente rottami con carbone e calce. Elettrodi in grafite sono introdotti finché risultano a contatto con la massa di rottami. Alimentando gli elettrodi, si producono enormi quantità di calore, dato che le temperature nell'arco possono raggiungere i 5000 C. 20
Il calore provoca la fusione dei rottami e la produzione di acciaio nel giro di circa 50 minuti. Per aumentare la potenza fusoria si fa uso intensivo di bruciatori e lance ossigeno che servono anche a decarburare la carica (eliminare il carbonio in carica) 21
Bagno di acciaio liquido coperto da scoria basica (CaO) Fumi elettrodi Pannelli raffreddati ad acqua Iniettori ossigeno e bruciatori 22
Forno elettrico Forno siviera Siviera su carro Torretta di colata Colata continua Billette, blumi o bramme 23
Acciaio liquido Lingottiera Raffreddamento a spray d acqua Estrazione e raddrizzatura Prodotto solidificato in continuo 24
Acqua di raffreddamento lingottiera Banco oscillante Spray d acqua Lingottiera in rame 25
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Tra i semilavorati siderurgici, si hanno: Bramma (o slebo): con una sezione di almeno 14.400 mm 2. Ha sezione rettangolare con spigoli arrotondati e rapporto tra lato maggiore e lato minore minore di 4. Le bramme vengono laminate a caldo per l'ottenimento di lamiere. Bramma piatta: come la bramma, ma avente un rapporto tra lato maggiore e lato minore maggiore di 4. Blumo: con una sezione di almeno 14.400 mm 2. Ha sezione quadrata con spigoli arrotondati e lato superiore ai 120 mm. 27
Billetta: con una sezione inferiore ai 14.400 mm 2. Può essere a sezione quadrata, (con lato compreso tra i 50 ed i 130 mm) o rettangolare (con rapporto tra i due lati di almeno 1/4). Le billette vengono successivamente laminate a caldo per l'ottenimento di barre, fili o profilati. Bidone: avente il lato più corto di lunghezza minore ai 50 mm un rapporto tra lato maggiore e lato minore maggiore di 4. Vergella: è una barra di acciaio semilavorato, comunemente a sezione circolare, avente sezione superiore a 5 mm, avvolta in matasse ottenuta per laminatura a caldo. Vengono prodotte in varie sezioni: circolare, semitonda, esagonale, quadrata, ottagonale. 28
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La laminazione è una lavorazione per deformazione plastica ottenuta snervando il materiale e dandogli la sagoma del rullo laminatore 31
Tondino Lamiera Profilo Tubi 32