L'ACCIAIO

Il ferro non è più impiegato industrialmente a causa della sua alterabilità e delle modeste caratteristiche meccaniche. Al suo posto oggigiorno, si utilizza una sua lega col carbonio(in quantità comprese tra lo 0,09 e l'1,7%), chiamata acciaio.

Fabbricazione dell'acciaio:

L'acciaio si ottiene per affinazione della ghisa, decarburandola e depurandola al massimo dalle impurità dannose, soprattutto zolfo e fosforo, e correggendo contemporaneamente il tenore di altri elementi quali silicio e manganese.

I processi oggi impiegati per la trasformazione della ghisa in acciaio seguono il metodo dell'affinazione liquida, in cui il metallo è liquido al termine dell'operazione, e il metodo dell'affinazione solida, in cui il metallo è pastoso al termine dell'operazione. La maggior parte dell'acciaio è prodotta con il primo metodo.

Affinazione liquida:

Affinazione ad aria soffiata(ottenuta con i convertitori Bessemer e Thomas). La ghisa liquida proveniente dai mescolatori viene versata nel convertitore disposto in posizione orizzontale(bocca verso l'alto); poi il convertitore è portato gradualmente in posizione verticale, mentre attraverso una serie di fori aperti sul fondo si immette aria compressa, che brucia le impurità della ghisa. Questa combustione, fornisce il calore necessario per elevare la temperatura del bagno dalla temperatura di fusione della ghisa(1200°C), alla temperatura di fusione dell'acciaio(1600°C). Col processo acido, o Bessemer, effettuato in convertitori con rivestimento interno di materiale refrattario siliceo, è possibile trattare le ghise non fosforose ricche di silicio. Col processo basico, o Thomas, essendo il rivestimento interno di materiale refrattario a base di dolomite, vengono trattate le ghise fosforose, a basso tenore di silicio: assieme alla ghisa si carica nel convertitore un'opportuna quantità di calce che serve per l'eliminazione del fosforo. L'operazione al convertitore, che è molto rapida(dai 15 ai 20 min.), può essere divisa in quattro differenti fasi: scintille, fiamme, fumi, affinazione propriamente detta. Nella prima vengono eliminate le impurità del silicio e del manganese, che dà luogo ad una scoria flottante sul bagno e a una gran quantità di scintille. Segue la fase di ossidazione del carbonio, con generazione di ossido di carbonio che brucia all'aria con una grande fiammata. La fase fumi(fumi nerastri di ossido di ferro e di ossido di manganese), nel convertitore Bessemer corrisponde alla fine della decarburazione; nel processo Thomas, oltre che alla fine della decarburazione, corrisponde, soprattutto, alla defosforazione, che si attua aumentando la portata dell'aria e ha inizio solo quando la combustione del carbonio è terminata. La fine della conversione viene controllata esaminando i fumi e le fiamme, nonché l'aspetto che presenta alla rottura una piccola placchetta di acciaio rapidamente raffreddata. Successivamente si introducono nel bagno gli additivi necessari alla completa affinatura, quindi l'acciaio viene rovesciato in siviera per nuova rotazione del convertitore. Nel convertitore Thomas le scorie, ricche di fosforo, vengono asportate prima dell'affinazione finale e sono usate, dopo macinazione, come fertilizzante. Secondo le tecniche più moderne, con le quali viene prodotta un'elevata percentuale di acciaio, durante l'affinazione anziché insufflare aria si insuffla una miscela di aria e di ossigeno, oppure di ossigeno e di vapor d'acqua, oppure di ossigeno e di biossido di carbonio, oppure si insuffla ossigeno puro. I processi all'ossigeno permettono di ottenere: acciai molto puri, data la riduzione del tenore di azoto, con conseguente risparmio di energia; acciai con determinate caratteristiche da ghisa di più varia composizione nonché acciai al carbonio con tenore di carbonio superiore allo 0,4%; permettono l'utilizzazione di rottami e una maggiore produttività, il tutto con costi d'impianto relativamente limitati. I più importanti processi all'ossigeno sono i seguenti:

1.processo LD(iniziali di Linz e Donawitz sedi delle acciaierie), basato sull'insufflazione di ossigeno puro nel convertitore, che consente l'affinazione di ghise con 0,2-0,4% di fosforo; si ottengono acciai di qualità uguale o superiore a quelli ottenuti con il processo Martin-Siemens, con un'operazione di durata intermedia fra questo processo e i processi Bessemer e Thomas.

2.processo OLP(Oxygene Lance Poudre), variante del processo LD, adatto a ghise fosforose, nel quale l'ossigeno insufflato trascina calce in polvere; l'insufflazione avviene in due tempi, con scorificazione intermedia; il processo consente una migliore regolazione della composizione dell'acciaio.

3.processo Kaldo(iniziali del metallurgista Kalling e della località Domnarvet), utilizzabile per l'affinazione di ghise fosforose, con tenore di fosforo più elevato di quelle utilizzabili con processo LD, anch'esso basato sull'insufflazione di ossigeno puro; si può regolare la decarburazione rispetto alla defosforazione, e quindi ottenere acciai assai puri con bassi tenori di fosforo.

4.processo al rotore, intermedio fra il processo al convertitore e il processo con forno a suola; utilizza un forno che ruota lentamente e una lancia a due getti per insufflare rispettivamente ossigeno puro nel bagno e una miscela di ossigeno e di aria alla superficie del bagno, allo scopo di bruciare l'ossido di carbonio.

Affinazione su suola(al forno Martin-Siemens). Come per i convertitori, esistono forni Martin-Siemens acidi e basici. Nel forno acido si ottiene l'affinazione del carbonio, del silicio e del manganese, ma non dello zolfo e del fosforo, che è possibile nel forno basico. Il forno a suola, completo di ricuperatore di calore, è riscaldato da gas gasogeno, nafta, metano, e può raggiungere una capacità di qualche centinaio di tonnellate. Può essere caricato con ghisa liquida o solida, con rottami o trucioli(scrap process), con minerale di ferro(ore process). L'affinazione è prolungata oltre la fusione completa della carica: la scoria, che sarà calcarea o silicea a seconda che sia necessario o no defosforare, assume in questa fase un'importanza decisiva. Quando l'acciaio ha raggiunto la qualità voluta si eliminano le scorie e si effettua la colata, per inclinazione del forno o per gravità, attraverso apposita apertura. L'affinazione a suola è un processo piuttosto lungo(8-10 ore): attualmente può essere accelerato con l'impiego di ossigeno, che ha anche il vantaggio i dare un acciaio più puro.

Affinazione al forno elettrico. Questo processo permette di ottenere un'affinazione molto spinta ed è perciò impiegato largamente per la produzione di acciai di qualità. Il riscaldamento del forno viene effettuato mediante un arco voltaico che scocca fra gli elettrodi di grafite e i materiali che costituiscono la carica. Quando il materiale ha raggiunto lo stato liquido si aggiungono sostanze diverse che attuano l'affinazione. Nel caso del processo basico l'aggiunta di materiale ossidante permette di eliminare il silicio, il manganese e il carbonio, mentre il fosforo è eliminato successivamente con l'aggiunta di prodotti ancor più basici. Dopo l'eliminazione delle scorie il bagno è deossidato e desolforato con scoria riducente acida. A questo punto è possibile effettuare le opportune addizioni per ottenere acciaio nella composizione voluta. L'affinazione della ghisa può anche essere effettuata con un procedimento doppio, chiamato processo duplex, che consiste nell'iniziare l'affinazione stessa al convertitore o su suola e nel completarla al forno elettrico: il costo di produzione è in tal caso molto inferiore per ridotto consumo di energia elettrica. Anche nel caso del forno elettrico l'impiego di ossigeno nella fase ossidante accelera il processo e migliora l'acciaio prodotto. Un altro tipo di forno elettrico è il forno a induzione, il quale richiede cariche molto pure, il che limita il suo impiego alla fabbricazione di acciai molto affinati e ad alto tenore di elementi di lega.

Elaborazione al crogiolo. Come il forno a induzione, il crogiolo attua semplicemente la fusione dei materiali, altamente affinati, che contiene. I crogioli sono riscaldati in forni a coke, a gas, a nafta, con ricupero di calore.

Affinazione solida:

i materiali altamente affinati, necessari per la fabbricazione dell'acciaio al crogiolo e al forno ad induzione, sono ottenuti con i processi di affinazione solida, gli unici che permettano di ottenere ferro purissimo con tenori di zolfo e di fosforo molto bassi, quali i processi ad affinazione liquida non possono dare.

I due processi ad affinazione solida al basso-fuoco e per puddellaggio sono molto simili, differenziandosi in pratica solo perché nel primo il combustibile(carbone di legna) è a contatto diretto con la ghisa, mentre nel secondo la combustione avviene in un altro forno. L'affinazione è effettuata dalla scoria, ricca di ossido di ferro continuamente arricchito di ossigeno, in un bagno tenuto in costante agitazione. Al termine dell'operazione le loppe spugnose del metallo, molto ricche di scorie, sono tolte dal forno e battute perché perdano quante più scorie possibili. Per ottenere un acciaio più ricco di carbonio dal prodotto del basso-fuoco o del puddellaggio, lo si riduce in barrette piatte e lo si cementa a cuore con carbone di legna. Il metallo così ottenuto è ad alto grado di purezza, ma anche molto costoso.

Altri processi di fabbricazione:

accanto ai metodi tradizionali di fabbricazione dell'acciaio ne sono stati definiti altri, che in generale consistono in miglioramenti di efficienza dei primi:

il processo Perrin, che per successivi travasi in siviera contenente scoria acida completa l'affinazione iniziata al forno Martin basico.

il processo Monell, che riduce il periodo di ossidazione facendo reagire la ghisa liquida con minerale e calce portati a temperatura di incipiente fusione.

il processo Talbot, che realizza una specie di colata continua al forno Martin basico, nel quale è attuata solo la prima affinazione; si versa l'acciaio in siviera dove si completa l'affinazione, mentre la parte spillata è contemporaneamente reintegrata nel forno da ghisa.

i processi Hoesch e Bertrand-Thiel, che prevedono un primo trattamento delle ghise ad alto tenore di fosforo con compimento dell'affinazione secondo i processi tradizionali.

Una citazione meritano infine gli impianti a ciclo integrale, che seguendo l'uno o l'altro dei processi citati trasformano il minerale nel prodotto finito(laminato) senza lasciar raffreddare il materiale, con evidente economia di trasformazione.

Scelta del procedimento:

la scelta fra i diversi processi dipende da condizioni e considerazioni tecniche ed economiche molto variabili e complesse, dalle quali si possono però desumere alcune regole.

Il crogiolo e il forno elettrico danno un acciaio di composizione chimica ben determinata e di alta qualità, ma molto costoso; di questi l'acciaio al forno elettrico è più economico date le maggiori capacità di questo tipo di forno. Il processo Martin-Siemens è preferito al processo Thomas perché da un acciaio di qualità leggermente superiore poiché, essendo il Martin-Siemens meno veloce del Thomas, permette una dosatura più rigorosa degli elementi di fine processo e un'azione dell'aria che elimina le impurità senza arrivare all'ossidazione del ferro. Di contro, il costo di produzione dell'acciaio Thomas, è inferiore perché la durata del processo è più breve e avviene senza apporto esterno di calore. Entrambi i processi danno in ogni caso buoni acciai, a condizione di effettuare, al termine dell'affinazione, un'attenta addizione delle ferroleghe, ricche di silicio, di manganese e di altri elementi, sia per la titolazione voluta, sia per la deossidazione e la calmatura. I processi al convertitore sono generalmente riservati alle ghise liquide, siano esse di colata diretta dall'altoforno, siano invece prelevate dal mescolatore. Il forno Martin-Siemens è viceversa il più idoneo per il trattamento dei pani di ghisa e principalmente dei rottami di acciaio di ricupero, con o senza aggiunta di ghisa liquida o di minerale.

Componenti dell'acciaio:

sono gli elementi che entrano in lega col ferro, in percentuali generalmente variabili dallo 0 al 5%. Carbonio e silicio sono sempre presenti, il primo con un tenore che raramente supera l'1%(di solito 0,15-0,75%), il secondo con tenori compresi fra la 0,1 e lo 0,7%, e anche superiori in alcuni acciai speciali. Il manganese è sempre presente in tenori che variano dallo 0,3 allo 0,8%, e anche fino al 15% in alcuni acciai speciali di grande durezza e resistenza all'usura(per rotaie, casseforti, ecc.). La presenza del manganese da modo all'acciaio di conservare la saldabilità che altrimenti perderebbe con tenori di carbonio superiori allo 0,15%. Zolfo e fosforo, nonché ossigeno, libero o combinato, sono impurità dannose: un tenore dello 0,1% è già eccessivo; il fosforo rende fragile l'acciaio, lo zolfo ne riduce la malleabilità. Cromo, nichel, vanadio, tungsteno, molibdeno entrano, da soli o associati, nella costituzione di moltissimi acciai speciali.

Trattamento dell'acciaio:

gli acciai hanno la possibilità di essere sottoposti ai più diversi trattamenti, sia termici(ricottura, normalizzazione, tempra, rinvenimento), sia fisico-chimici(cementazione, nitrurazione), che permettono di ottenere un complesso di caratteristiche anche contrastanti(durezza, malleabilità).

Trattamenti termici. I principali sono: 1.ricottura, in pratica riscaldamento a temperatura superiore all'intervallo critico, prolungata permanenza a tale temperatura, lento e controllato raffreddamento. Serve per addolcire e rendere più lavorabile il materiale, omogeneizzarlo, eliminare le tensioni interne. Si hanno vari tipi di ricottura: completa, di globulizzazione, di grafitizzazione, isotermica, di lavorabilità, di omogeneizzazione. 2.normalizzazione, consistente in un ciclo termico analogo a quello della ricottura, ma con raffreddamento meno lento. Serve per affinare o omogeneizzare la struttura. 3.tempra, che si effettua riscaldando a temperatura superiore all'intervallo critico, mantenendo adeguatamente a tale temperatura e raffreddando rapidamente in ambiente opportuno(acqua, olio, sale fuso, aria soffiata) l'acciaio, che acquista elevata resistenza meccanica e durezza superficiale. Può essere di vari tipi: alla fiamma, diretta, a induzione, incompleta, interrotta, isotermica, con isteresi, localizzata, superficiale, termale. 4.rinvenimento, che consta di un riscaldamento a temperatura inferiore all'intervallo critico e in un quasi rapido raffreddamento di un pezzo temprato. Serve per ridurre la durezza e aumentare la tenacità e la resilienza. 5.bonifica, il complesso dei trattamenti di tempra e di rinvenimento che realizza un compromesso fra resistenza e tenacità, secondo le necessità di impiego del pezzo trattato. 6.distensione, consistente in un riscaldamento a temperatura molto inferiore all'intervallo critico e in un lento raffreddamento, che riducono durezza e tensioni interne.

Trattamenti fisico-chimici. Cementazione. Si ottiene generalmente riscaldando a temperatura elevata in ambiente solido, liquido, gassoso, per un tempo necessario a ottenere l'assorbimento e la diffusione, per uno strato superficiale, di un determinato elemento (es. carbonio). Lo strato superficiale assume così determinate proprietà. Si hanno vari tipi di cementazione: la cementazione carburante, la cianurazione, la calorizzazione, la cromizzazione, la nitrurazione, la carbonitrurazione, la sherardizzazione, la silicizzazione. Esistono altri trattamenti: fiammatura, invecchiamento, malleabilizzazione, patentamento, riassestamento, ricristallizzazione, solubilizzazione, trattamento sotto 0°C, spegnimento, stabilizzazione, tempra di rigenerazione, alcuni dei quali sono casi particolari dei precedenti. Sono poi applicabili all'acciaio tutte le moderne tecniche di deformazione per ottenere la configurazione voluta: fucinatura, laminazione, trafilatura, stampaggio a caldo e a freddo, imbutitura, eccetera.

Particolari metodi di colata. La colata dell'acciaio in lingottiera può essere effettuata in maniera continua, nei processi chiamati appunto di colata continua. Dall'alto di una lingottiera senza fondo è colato in continuità acciaio liquido, che continuamente esce dal fondo sotto forma di barra incandescente già solidificata. La colata può anche avvenire sotto vuoto. Parte caratteristica di tali impianti, è un ambiente nel quale viene fatto il vuoto per mezzo di potenti pompe, e in cui è colato l'acciaio. Si ottiene un materiale in sostanza esente da gas dannosi alla purezza del prodotto, in particolare da idrogeno.

Classificazione degli acciai:

fra i criteri usati per classificare i numerosissimi tipi di acciaio, i più comuni sono: la costituzione chimica, il metodo di produzione, l'impiego prevalente.

Secondo la costituzione chimica, si distinguono in primo luogo gli acciai al carbonio, nei quali oltre al ferro e al carbonio non sono presenti altri elementi, e gli acciai legati, nei quali è presente almeno un altro elemento in quantità tale da mutarne una o più caratteristiche. Gli acciai al carbonio sono suddivisi in acciai extradolci o dolcissimi(percentuale di carbonio inferiore allo 0,15%), dolci(da 0,15 a 0,30%), semiduri(da 0,30 a 0,50%), duri(da 0,50 a 0,75%), extraduri o durissimi(oltre 0,75%). Gli acciai legati sono a loro volta detti debolmente legati se nessuno degli elementi aggiunti alla lega ferro-carbonio raggiunge il 5%, fortemente legati se almeno un elemento raggiunge o supera tale percentuale. Inoltre, secondo il numero totale dei partecipanti alla lega, si possono avere acciai ternari(ferro, carbonio e un altro elemento), quaternari(se gli elementi aggiunti sono due), complessi(tre o più elementi aggiunti). Fra gli acciai ternari i più importanti sono quelli all'alluminio(da nitrurazione), al cromo(da bonifica, per utensili, inossidabili), al manganese(per tubi, lamiere, pezzi soggetti a urti), al molibdeno(canne per fucili, valvole per motori a combustione interna), al nichel(da cementazione, autotempranti, inossidabili, indilatabili), al piombo(detti anche automatici, per lavorazioni al tornio automatico), al rame(resistenti alla corrosione), al silicio(molle, nuclei di trasformatori elettrici), al tungsteno(per utensili), al vanadio(per utensili). Fra gli acciai quaternari sono molto diffusi quelli al cromo-nichel(inossidabili), al cromo-molibdeno(carrelli per aeroplani, alberi a gomito e cilindri per motori a combustione interna). Gli acciai complessi comprendono in genere i tipi migliori, come quelli al cromo-nichel-molibdeno(alberi a gomito per motori a combustione interna molto spinti, particolari di motori per aeroplani) e al cobalto-cromo-tungsteno(utensili per alte velocità di taglio).

Secondo il metodo di produzione, si distinguono gli acciai LD, Bessemer, Thomas, Martin-Siemens acido, Martin-Siemens basico, al forno elettrico, al crogiolo.

Secondo l'impiego prevalente, si ha una classificazione puramente commerciale, peraltro molto usata, che distingue anzitutto gli acciai di uso generale(o acciai comuni) e gli acciai speciali. Gli acciai di uso generale sono più largamente impiegati, comprendono quasi tutti i tipi dolci ed extradolci che sono comunemente indicati come ferro. Gli acciai speciali, in genere legati, sono a loro volta distinti in vari tipi e sottotipi: da costruzione(da bonifica, da cementazione, da nitrurazione, autotempranti, per molle, per cuscinetti a sfere o a rulli), per utensili(semirapidi, rapidi, superrapidi, per lavorazioni a caldo, per lavorazioni a freddo), inossidabili(martensitici, ferritici, austenitici). Gli acciai speciali comprendono anche tipi adatti a impieghi particolari: quelli per basse temperature, usati nella produzione di apparecchiature destinate a operare in ambienti sotto lo zero, nei quali un'alta percentuale di nichel riduce notevolmente la fragilità indotta dalle temperature molto basse; quelli refrattari, usati nelle apparecchiature che operano a temperature elevate, nei quali la resistenza meccanica pregiudicata dal calore è mantenuta con aggiunta di cromo e molibdeno, oppure con percentuali altissime di nichel o cobalto; infine quelli con proprietà magnetiche, come gli acciai per lamierini magnetici impiegati nell'industria elettrica(alte percentuali di silicio) e gli acciai amagnetici(di struttura austenitica).

Impiego dell'acciaio nelle arti:

le possibilità della grande carpenteria metallica hanno ispirato dalla seconda metà del secolo scorso tecnici e artisti. Ponti giganteschi e audaci, torri, ferrovie sotterranee e sopraelevate, scheletri di imponenti edifici, strutture per capannoni di particolare ampiezza sono stati eretti dappertutto. Le caratteristiche stesse dell'acciaio hanno spinto famosi architetti, artisti, incisori, decoratori, a servirsi di questa lega per realizzare tipiche opere il cui valore artistico ha suscitato vivo interesse; la solidità e la durata dei laminati di acciaio, che attualmente può essere verniciato a freddo con preparati sintetici dalle ottime prestazioni, hanno permesso il suo uso anche nella fabbricazione di lampadari artistici, apparati d'illuminazione, sovrastrutture decorative, pannelli lavorati, oltre che di oggetti di uso domestico. Nell'industria del legno, l'acciaio veniva impiegato nella costruzione di armature per mobili; oggigiorno compaiono, specie per gli uffici, mobili completamente metallici, la cui affermazione ha sviluppato una caratteristica industria dei mobili in acciaio. L'acciaio ha in gran parte sostituito l'argento nelle posaterie e nel vasellame.