L’estrazione del ferro dai suoi minerali viene fatta nell’altoforno: poiché tutti i minerali del ferro (ad eccezione della pirite) sono degli ossidi (ferro + ossigeno), il processo di riduzione consiste nel “togliere” I’ossigeno dal minerale facendolo combinare chimicamente sia con il carbonio, sia con l’ossido di carbonio. L’altoforno è così chiamato per le sue dimensioni: può raggiungere con tutte le apparecchiature un’altezza di 100 m e un diametro superiore ai 10 m! Gli impianti di grandi dimensioni possono produrre fino a 10.000 tonnellate di ghisa al giorno. Una volta avviato (messo a regime), il suo funzionamento è continuo e dura diversi anni, giorno e notte (campagna dell’altoforno).
L’altoforno
Nella parte superiore vi è la bocca di carico, attraverso cui si introducono, a strati alterni, i tre componenti del processo di estrazione: il minerale di ferro, il combustibile e il fondente.
2 Il minerale è un ossido.
4 Il fondente si combina con la ganga (le sostanze estranee presenti nel minerale) le ceneri, e forma le scorie o loppe.
5 Nel ventre si fondono tutti i materiali (a 1350°-1550°C) e il ferro assorbe il carbonio e si trasforma in ghisa, che si raccoglie nel crogiolo.
6 Dal fondo del crogiolo, a intervalli regolari, avviene la colata della ghisa.
8 Attraverso una serie di fori (ugelli) viene soffiata l’aria calda necessaria per la combustione.
9 Il gas prodotto viene inviato ai depuratori per eliminare le polveri, e utilizzato per riscaldare l’aria necessaria alla combustione per mezzo dei recuperatori Cowper.
7 Le loppe, più leggere della ghisa, escono da un foro superiore a quello attraverso cui esce la ghisa.
10 I Cowper, torri riempite di mattoni refrattari, sono scambiatori di calore.
Il gas prodotto dalla combustione in parte percorre il recuperatore cedendo calore ed esce dal camino.
3 Il combustibile impiegato è il coke, ottenuto dalla distillazione del litantrace, un carbon fossile ad alto contenuto di carbonio.
11 L’aria proveniente dalla macchina soffiante percorre il recuperatore, si riscalda e prosegue poi agli ugelli del forno.
Il primo prodotto che si ottiene nella trasformazione dei minerali del ferro è la ghisa madre o ghisa greggia, che si suddivide in ghisa da fonderia e ghisa d’affinazione:
la ghisa da fonderia è colata in lingotti e fatta solidificare; è destinata ad essere rifusa per ottenere la ghisa di seconda fusione.
la ghisa d’affinazione è inviata all’acciaieria per l’affinazione che la trasformerà in acciaio.
Le scorie del processo di estrazione (loppe) sono utilizzate nella produzione del cemento siderurgico.
Il gas che fuoriesce dall’altoforno è un gas combustibile a basso potere calorifico, utilizzato per produrre il vapore che aziona la turbina di una centrale termoelettrica.
La produzione dell’acciaio
La trasformazione della ghisa greggia in acciaio (detta affinazione) consiste nella riduzione del carbonio e delle impurità, e nell’aggiunta delle ferroleghe. I moderni procedimenti di produzione sono:
mediante convertitore ad ossigeno (LD): in questo caso l’acciaieria fa parte dello stesso stabilimento in cui vi è l’altoforno (impianto siderurgico a ciclo integrale);
mediante forni elettrici (ad arco): in questo caso l’acciaieria ha dimensioni ridotte.
Il convertitore LD
Attualmente la maggior parte della produzione mondiale di acciaio avviene con il processo LD (dalle iniziali delle città austriache di Linz e Donawitz, dove avvennero le prime colate). Si tratta di un recipiente quasi cilindrico formato da un involucro metallico rivestito internamente di materiale refrattario, che può ruotare su 2 perni.
1 Viene messa una certa quantità di rottame di ferro e fondente.
2 Viene introdotta della ghisa fusa nel convertitore.
3 Viene soffiato dall’alto, attraverso una lancia, dell’ossigeno puro a forte pressione, in modo da rimescolare il metallo liquido. L’ossigeno brucia il carbonio e gli altri elementi presenti nella ghisa e la trasforma in acciaio.
4 La reazione è molto violenta e sviluppa un grande calore che fonde la carica solida e innalza la temperatura dell’acciaio fino a 1600°C. L’acciaio fuoriesce in forma di colata.
Il forno elettrico
I forni elettrici si usano essenzialmente per produrre acciaio a partire dal rottame di ferro, anche se possono essere alimentati con ghisa fusa. Essi hanno consentito il diffondersi di piccole acciaierie in prossimità di zone altamente industrializzate, là dove sono disponibili rottami di ferro in abbondanza.
Attualmente, più della metà dell’acciaio italiano è prodotto con i forni elettrici, il restante con il convertitore LD. I più diffusi sono i forni ad arco.
La colata dell’acciaio
L’acciaio liquido, ottenuto con i convertitori LD o con i forni elettrici, viene colato in un recipiente (siviera), e di qui in lingottiere, per ottenere i lingotti, o in colata continua.
Il lingotto ha una forma svasata per facilitare l’estrazione dalla lingottiera. Può essere completamente raffreddato oppure conservato caldo in speciali forni a pozzo per le successive operazioni di laminazione.
La colata continua consiste nel colare l’acciaio liquido, ad una temperatura di circa 1600°C, dalla siviera, attraverso un distributore, alla lingottiera di rame che ha il fondo mobile.
Quando l’acciaio incomincia a solidificarsi, si sf la il fondo della lingottiera ed il semilavorato inizia a scendere, mentre forti getti d’acqua lo investono raffreddandolo.
Il semilavorato, guidato da una serie di rulli, discende percorrendo un tratto curvo e poi continua in senso orizzontale.
Ormai completamente solidificato, all’uscita della macchina viene tagliato alla lunghezza voluta: gli spezzoni vengono poi inviati ai laminatoi.
La laminazione
Con la colata continua si ottengono direttamente dei prodotti semilavorati, a sezione quadrata o rettangolare.
I lingotti invece devono subire una laminazione primaria per diventare dei semilavorati come quelli che si ottengono con la colata continua.
La laminazione si effettua facendo passare il lingotto tra due rulli, che ruotano in senso contrario l’uno rispetto all’altro, e sono disposti tra loro ad una distanza inferiore allo spessore del lingotto stesso. Sfruttando la proprietà tecnologica della malleabilità, il lingotto viene deformato e schiacciato e raggiunge, dopo passate successive, la forma voluta.
Dai prodotti semilavorati, attraverso la laminazione secondaria, si ottengono i prodotti finiti laminati: barre, tondi, tubi, profilati, rotaie, lamiere di diverso spessore.
I prodotti finiti laminati sono poi inviati in altri stabilimenti per successive lavorazioni, condotte:
per deformazione plastica (ad esempio, lo stampaggio e la trafilatura);
con le macchine utensili (ad esempio, la tornitura, la fresatura, ecc.).
L’utilizzo dell’acciaio
Dalla colata dell’acciaio si ottengono semilavorati dai quali derivano lamiere e lamierini, tubi, travi, tondini per cemento armato, binari, filo di ferro, banda stagnata, ecc.
L’impiego di questi prodotti siderurgici è molto ampio e riguarda diversi settori: da lamiere e lamierini si ricavano parti di auto, treni, navi, frigoriferi;
con i tubi si costruiscono acquedotti e oleodotti;
con le travi si fabbricano ponti, capannoni industriali e altri prefabbricati;
con il tondino per cemento armato si costruiscono gli edifici;
con i profilati si costruiscono i binari ferroviari;
con il filo di ferro di grosso diametro si fabbricano viti e bulloni;
con la banda stagnata si ricavano lattine, scatole, tappi, bombolette spray;
con le lamiere di medio spessore si fabbricano fusti d’acciaio.
Lo stabilimento siderurgico a ciclo integrale
Uno stabilimento siderurgico viene definito a ciclo integrale quando, partendo dal minerale di ferro, si arriva a produrre laminati di acciaio (lamiere, tubi, profilati, rotaie, ecc.).
La produzione dell’acciaio è ottenuta quasi esclusivamente in modo indiretto attraverso l’altoforno: in un primo momento si produce la ghisa madre, successivamente la ghisa madre viene convertita in acciaio.
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