Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Fabbricazione delle ghise
MATERIALI E LEGHE, FERROSE E NON FERROSE
I metalli (e le loro leghe) non si trovano liberi in natura. I metalli sono presenti nei minerali che
li contengono, allo stato di ossidi, carbonati, solfuri, silicati, e sono misti a rocce o terre dette
ganghe. Le leghe vengono poi fabbricate mettendo insieme più metalli e non metalli.
In generale, la METALLURGIA insegna i procedimenti atti a separare col calore il metallo da
tutte le impurità. In particolare, la metallurgia del ferro è detta SIDERURGIA. Essa studia la
trasformazione dei minerali che contengono ferro in ghisa, acciai, ferro.
MATERIALI METALLICI FERROSI
•
Il Ferro
Il Ferro non si trova libero in natura, ma viene estratto dai minerali che lo contengono. Allo
stato puro è un metallo grigio lucente, molto malleabile. Tra le sue caratteristiche, ricordiamo:
Massa volumica 7,87 ]kg/dm3]
Temperatura di fusione 1535 [°C]
Resistenza a trazione 150 ÷ 250 [N/mm2]
Allungamento 40 ÷ 60 %
Durezza Brinell 50 ÷ 90
Il ferro puro può presentarsi in quattro stati a seconda della temperatura a cui si trova:
1.
2.
3.
4.
•
Ferro α (alfa)
Ferro β (beta) o α non magnetico
Ferro γ (gamma)
Ferro δ (delta)
Il Carbonio
E’ un non metallo solido. In natura è diffuso sottoforma di
- calcare (carbonato di calcio)
- dolomite (carbonato di calcio e magnesio)
- carbon fossile
- idrocarburo
- anidride carbonica CO2
- diamante
Nelle leghe Fe-C, il carbonio può essere presente allo stato combinato sottoforma di carburo di
ferro Fe3 C (cementite), oppure allo stato puro come grafite.
I materiali ferrosi impiegati nelle industrie e nelle costruzioni sono costituiti da leghe di ferro e
carbonio. A seconda della percentuale presente nella lega, i materiali ferrosi sono così classificati:
-
Ferro, con C < 0,008 %
Acciaio, con C = 0,008 ÷ 2,06 %
Ghisa, con C = 2,06 ÷ 6,67 %
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Le proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche di queste leghe dipendono essenzialmente dal
tenore di carbonio in esse contenuto (e dal trattamento termico subito).
L’aumento della percentuale di carbonio nella lega causa:
-
aumento di resistenza a trazione, durezza, fusibilità
diminuzione di resilienza, allungamento, saldabilità, fucinabilità
PRODUZIONE DELLA GHISA
L’impianto utilizzato per la trasformazione dei minerali di ferro in ghisa è l’altoforno.
Il prodotto principale è la ghisa madre, che può essere trasformata in acciaio in appositi forni
detti “convertitori”.
Nello schema seguente sono indicate le principali fasi del processo siderurgico.
Le cariche dell’altoforno
Nell’altoforno sono immesse, attraverso la bocca di caricamento, le cariche costituite da strati
alternati di minerale (magnetite, ematite, limonite, siderite …), coke e fondente.
1. MINERALI DEL FERRO
Il ferro è presente nei minerali insieme ad impurità nocive (come arsenico, zinco, rame, zolfo e
fosforo) difficilmente eliminabili od eliminabili con particolari trattamenti. Le impurezze
peggiorano la qualità della ghisa o dell’acciaio. In particolare, il manganese provoca un aumento
notevole della durezza (perché favorisce la formazione della cementite, cioè del carburo di ferro Fe3
C), lo zolfo ed il fosforo impartiscono fragilità.
I minerali sono “ricchi” di ferro quando questo ha percentuale oltre il 45%, sono “medi” se il
ferro è pari al 30 ÷ 45%, sono “poveri” quando hanno ferro fino al 30%.
I principali minerali che contengono ferro sono la magnetite, l’ematite rossa, la limonite e la
siderite.
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-
Magnetite (Fe3 O4)
E’ nera o grigia, pesante. Contiene ferro fino al 70%. Non contiene né zolfo né fosforo. E’
anche detta “calamita naturale”, per la sua proprietà magnetica.
-
Ematite rossa (Fe2 O3)
Di colore rosso, contiene ferro fino al 60%. Contiene poco fosforo.
-
Limonite (2 Fe2 O3 – 3 H2 O)
E’ un ossido idrato. Di colore giallastro. Contiene ferro fino al 50%. Contiene fosforo.
-
Siderite (Fe CO3)
E’ un carbonato di ferro. E’ una roccia bianca colorata di giallo o bruno per la presenza di
limonite. Contiene ferro fino al 40%. Contiene manganese ma non zolfo né fosforo.
Magnetite ed ematite rossa possono essere introdotti direttamente nell’altoforno. Limonite e
siderite devono prima essere trasformati in ossidi.
Tra le materie prime contenenti ferro, si deve ricordare anche la pirite.
Il minerale greggio estratto dalle miniere, prima di essere introdotto nell’altoforno, deve essere
sottoposto ad alcune operazioni preparatorie. Tra queste ricordiamo:
-
Suddivisione in base alla qualità
Frantumazione ed eventuale macinazione, con riduzione ad una pezzatura di 8 – 35 mm
Lavaggio per asportare le sostanze terrose
Arricchimento per sottrarre la ganga dal minerale
Calcinazione per la trasformazione in ossidi
Arrostimento per rendere il minerale più trattabile nell’altoforno ed eliminare gli elementi
nocivi
Omogeneizzazione, formando cumuli di uniforme pezzatura
Agglomerazione, mescolando il materiale ferroso di pezzatura fine con polvere di coke.
2. IL COMBUSTIBILE: COKE
Può essere carbone di legna, che non contiene zolfo e neanche fosforo e contribuirebbe a
produrre una ghisa pura e pregiata. Si utilizza però carbone coke, che è meno costoso e resiste allo
schiacciamento.
Il coke si ottiene per distillazione del carbon fossile in impianti detti cokerie.
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I forni sono costituiti da una serie di celle rivestite internamente da mattoni refrattari silicei. Le
celle hanno forma stretta ed allungata:
-
larghezza = 0,40 ÷ 0,60 m
altezza = 4 ÷ 6 m
profondità = 10 ÷ 16 m
Il carbon fossile viene caricato dall’alto nelle celle che sono riscaldate dall’esterno con fiamme
di un gas che brucia nell’intercapedine tra una cella e l’altra. Alla temperatura di 1200 ÷ 1400 °C,
per un tempo di 14 ÷ 20 ore, il carbone si libera dello zolfo e delle materie volatili.
Il coke così ottenuto viene trasportato, per mezzo di appositi vagoni, sotto una torre di
spegnimento, dove è raffreddato tramite una pioggia d’acqua. E’ quindi inviato in un impiato di
frantumazione dove viene ridotto ad una pezzatura di 20 ÷ 40 mm.
La composizione media del coke è la seguente:
- 90% di carbonio
- 1% di materie volatili
- 1% di zolfo
- 8% di ceneri
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3. IL FONDENTE
Le sostanze (ganga) che accompagnano il ferro nel minerale, per essere eliminate,
necessiterebbero di una temperatura di fusione superiore ai 2000 °C.
Il fondente, che è un materiale roccioso di tipo calcareo (costituito da carbonato di calcio, più
raramente da dolomite), alla temperatura di 1200 °C, si unisce chimicamente alla ganga del
minerale ed alle ceneri del coke formando sostanze che fondono facilmente (silicati), cioè delle
scorie (loppe d’altoforno) che, essendo più leggere della ghisa, galleggiano su di essa all’interno del
crogiolo.
La parte calcarea del fondente reagisce anche col dannoso zolfo, portandolo nelle scorie.
La pezzatura del fondente è di 20 ÷ 40 mm.
4. ARIA
Per attivare la combustione e far avvenire le varie reazioni all’interno dell’altoforno, mediante
una serie di soffianti disposti alla base della sacca, viene inviata aria (vento) preriscaldata a 1200 °C
ed immessa ad una velocità di circa 200 m/s e con una pressione di circa 100 kPa.
Gli ugelli di questi grossi turboventilatori, disposti radialmente e distanziati di circa 30 ÷ 40 cm,
costruiti in acciaio speciale ad alto tenore di cromo resistente alle alte temperature, sono provvisti di
intercapedini per la circolazione dell’acqua di raffreddamento.
Ogni soffiante deve fornire una portata d’aria di circa 4 m3 al minuto per ogni kg di carbone
presente nella carica.
Il 66% dell’aria viene utilizzata per attivare la combustione, il 34 % per lo svolgimento delle
reazioni.
ALTOFORNO
Ha forma di due tronchi di cono uniti e sovrastanti
una base cilindrica. La struttura muraria è di mattoni
refrattari silico-alluminosi (spessore da 60 a 100 [cm]
dall’alto in basso) ed è rivestita da un fasciame di
lamiera (spessore da 20 [mm] in alto a 60 [mm] in
basso).
Attraverso la bocca di caricamento sono inseriti a
strati alternati il minerale di ferro, il carbone coke e il
fondente.
Nomenclatura secondo Norme UNI 7060-72
TINO: ha forma che favorisce la discesa delle
cariche e la permanenza alle alte temperature, nonché
l’aumento di volume per effetto del riscaldamento.
VENTRE: è la zona di raccordo (D=6÷7 [m]).
SACCA: l’allargamento verso l’alto fa diminuire la
velocità dei gas che salgano ed investono le cariche.
CROGIOLO: vi si raccoglie la ghisa (e la scoria che
galleggia); ha D=3÷5 [m] ed h= 3÷4 [m].
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Funzionamento dell’altoforno
Tramite soffianti viene
inviata aria calda a 900 °C
nella parte inferiore della
sacca; avviene la seguente
reazione: C+O2 → CO2 con
sviluppo di calore, la
temperatura sale a 1900 [°C].
L’anidride
carbonica
risale nella sacca reagendo
con altro carbonio secondo la
seguente reazione:
CO2 + C → 2CO
con assorbimento di calore, la
temperatura diminuisce a
1500 [°C].
L’ossido di carbonio
risale nel tino, riscalda le
cariche e fuoriesce dalla
bocca dell’altoforno. Prima di
uscire però reagisce con
l’ossido di ferro del minerale
secondo la seguente reazione:
FeO + CO → Fe + CO2
L’anidride carbonica risale nel tino e fuoriesce; il ferro, detto spugnoso perché intorno ai 700 °C
è tenero, discende alla base del tino e reagisce col carbonio secondo la seguente reazione:
3Fe + C → Fe3C, che è il carburo di ferro (cementite).
La cementite intorno ai 1200 ÷ 1300 [°C] fonde formando la ghisa, che si raccoglie nel
crogiuolo.
Sempre nel ventre intorno ai 1200 [°C] entra in azione il fondente, che reagisce con la ganga
formando le scorie. Le scorie, essendo leggere, galleggiano sul bagno di ghisa nel crogiolo.
Le scorie vengono asportate per affioramento mediante un’apertura a lato.
La ghisa poi scende per mezzo di un foro posto sul fondo del crogiolo.
Prodotti dell’altoforno
Lo scopo principale dell’altoforno è quello di produrre la ghisa “madre”. Nel contempo, però,
risultano altri due “sottoprodotti”: le loppe (o scorie) ed i gas d’alto forno.
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1) GHISA MADRE
Fuoriesce alla temperatura di 1330 ÷ 1380 [°C] dal foro di colata del crogiolo, attraverso un
canale di colata ricavato su sabbia refrattaria
Ha la seguente composizione media:
Elementi
Carbonio
Silicio
Manganese
Fosforo
Zolfo
Ferro
%
3÷4
1÷3
1÷2
0,3 ÷ 2
0,1 ÷ 0,2
Il resto
Il fosforo e lo zolfo sono elementi dannosi perché impartiscono fragilità alla ghisa.
Lo zolfo è particolarmente nocivo perché fa anche aumentare il ritiro, diminuisce la colabilità,
provoca soffiature.
Il fosforo, in percentuale inferiore all’1,2 %, può essere utile perché aumenta la fluidità della
ghisa che, quindi, risulta adatta per produrre getti di piccolo spessore.
La ghisa madre ha una delle seguenti destinazioni:
-
in acciaieria, per mezzo di carri-siluro, dove viene trasformata in acciaio;
in fonderia, per mezzo di grossi secchioni, per ottenere dei getti;
in piccole fosse di sabbia silicea (dove si raffredda lentamente) o in conchiglie metalliche
raffreddate a pioggia d’acqua (dove la ghisa si raffredda velocemente), formando dei “pani”
che poi saranno rifusi in un altro stabilimento.
2) LOPPE
Si tratta delle scorie che, risultando più leggere della ghisa, si separano da essa rimanendo nella
parte superiore del crogiolo. Anch’esse fuoriescono da un canale di colata dell’altoforno.
Sono costituite da silice, calce, ossidi di ferro … Sono prodotte nella quantità di 0,3 tonnellate
circa per ogni tonnellata di ghisa madre prodotta.
Sono utilizzate per formare il cemento Portland (mescolate a gesso), per produrre isolanti
termici, per costruire massicciate stradali.
3) GAS D’ALTOFORNO: FUMI
I gas prodotti dalle reazioni che avvengono all’interno dell’altoforno non sono scaricati
nell’atmosfera ma, per motivi ecologici che economici, si preferisce convogliarli in opportuni
“ricuperatori” (per sfruttare il loro potere calorifico, utile a preriscaldare l’aria che poi verrà
soffiata all’interno dell’altoforno stesso) oppure ad alimentare la centrale termoelettrica dello
stabilimento (ricavando quindi energia elettrica).
Nella centrale termica, il gas caldo proveniente dai ricuperatori Cowper (o scambiatori di
calore), è utilizzato per riscaldare l’acqua e produrre vapore, che servirà, mediante apposite turbine
a vapore, a generare elettricità mediante un alternatore collegato alla turbina. L’energia elettrica
servirà poi ad azionare le soffianti, i montacarichi ecc.
I gas sono anche utilizzati ad azionare turbine a gas che, alla stessa maniera, contribuiscono a
generare elettricità.
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CARATTERISTICHE ED IMPIEGHI DELLE GHISE
La ghisa madre proveniente dall’alto forno può essere rifusa con altri rottami di ghisa e di acciaio
e correttivi per definire in maniera più precisa la composizione chimica.
Le proprietà meccaniche e tecnologiche della ghisa dipendono dalla composizione chimica e
dalla velocità di raffreddamento cui è soggetta la ghisa liquida quando viene versata nella forma di
terra.
1) Se la velocità di raffreddamento è
lenta si ottiene la ghisa grigia (il
nome deriva dalla presenza delle
lamelle di grafite per cui, alla
frattura, la ghisa si presenta grigia).
2) Se la velocità di raffreddamento è
veloce si ottiene la ghisa bianca
(per la presenza di carbonio sotto
forma di carburo di ferro Fe3C detto cementite).
La ghisa risulta costituita principalmente da ferro, carbonio, silicio e manganese.
- Il carbonio può essere sotto forma di cementite (che è dura) o di grafite (che è tenera).
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- Il silicio, quando ha un tenore superiore al 2 %, favorisce la formazione del carbonio
grafitico. Esso inoltre fa diminuire la resistenza, la durezza e la fragilità della ghisa. Fa
aumentare invece la scorrevolezza e la lavorabilità all’utensile.
- Il manganese favorisce la formazione della cementite ed ha effetto opposto al silicio.
- Le ghise sono fusibili (fondono tra i 1150° ed i 1300°) e colabili (danno getti esenti da soffiature).
Si possono ottenere forme anche complicate.
- Le ghise hanno capacità autolubrificante (dovuta alla presenza del carbonio grafitico):
basso coefficiente d’attrito
limitata usura
adatte alla costruzione di guide per macchine utensili.
- Le ghise smorzano le vibrazioni
adatte alla costruzione di basamenti per macchine utensili.
Dal punto di vista delle proprietà meccaniche, le ghise comuni hanno scarsa resistenza a trazione,
scarso allungamento, scarsa resistenza agli urti e grande durezza.
Vediamo le altre caratteristiche:
- Lavorabilità alle Macchine utensili
Solo le ghise bianche non legate non sono lavorabili
- Lavorabilità per deformazione plastica
Praticamente è nulla
- Saldabilità
In genere è scarsa
- Resistenza alla corrosione
E’ buona
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- Resistenza alle alte temperature
Lo scorrimento viscoso dei piani atomi dei reticoli cristalli, che pregiudica le proprietà
meccaniche, avviene per temperature maggiori di 400 °C.
- Conducibilità elettrica
La ghisa grigia ha una resistività pari a 1,2 [Ω · mm2/m]
- Dilatazione termica
La ghisa grigia ha un coefficiente di dilatazione termica pari a 10 · 10-6 [1/°C]
- Massa Volumica
E’ pari a 7,2 [kg/dm3]
GHISE SPECIALI
Le ghise comuni non sono né malleabili né duttili, non sono fucinabili, sono difficilmente
saldabili, hanno scarsa resistenza a trazione ed agli urti, ma sono fusibili e colabili per cui sono
particolarmente adatte alla produzione di oggetti per via di fusione.
Le ghise speciali sono state ideate per raccogliere i seguenti scopi:
1) Ottenere un prodotto che unisca ai pregi della ghisa (col abilità e fusibilità) i pregi degli
acciai (tenacità, elasticità, resistenza a trazione, fucinabilità, saldabilità.
2) Ottenere un prodotto avente particolari caratteristiche: resistenza alla corrosione, all’usura,
al calore.
Tra i numerosi tipi di ghisa speciale ricordiamo quelle al Ni, al Ni-Cr, al Ni-Cr-Cu, le ghise
sferoidali e le ghise malleabilizzate.
-
GHISE SFEROIDALI
Si ottengono direttamente in fonderia trattando la ghisa liquida, colata in siviera dal cubilotto o
dal forno elettrico, con l’aggiunta di magnesio (5 ÷ 10 %). Questo fa si che la grafite si raccolga non
sotto forma di lamelle bensì di noduli rotondeggianti (sferoidi) distribuiti in modo irregolare nella
matrice metallica, costituita da ferrite molto tenace.
Le ghise sferoidali posseggono ottima resistenza a trazione, buoni allungamenti, buona
resistenza all’urto, pur conservando elevata durezza e colabilità. Sono fucinabili e saldabili.
Esse hanno, quindi, proprietà simili a quelle degli acciai, per esempio:
R = 500 [N/mm2] ; A = 10 % ; K = 50 [J/cm2] ; HBS = 270
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-
GHISE MALLEABILI
Sono ghise bianche sulle quali é stato fatto un trattamento termico di “malleabilizzazione”. La
ghisa bianca, decarburata, perde così durezza e fragilità, acquistando un certo allungamento,
attitudine al piegamento ed un po’ di resilienza, divenendo così saldabile e lavorabile alle macchine
utensili. Nel contempo permane la fusibilità e la colabilità.
Ecco i valori di alcune caratteristiche meccaniche:
R = 350 ÷ 450 [N/mm2] ; A = 8 ÷ 10 %
; HBS = 160 ÷ 190
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