La produzione dell’acciaio rappresenta uno dei processi più importanti e complessi dell’industria metallurgica moderna. Conoscere come l’acciaio viene trasformato da minerale a barra da lavorare significa immergersi nelle dinamiche della chimica dei materiali e delle tecnologie impiegate nella metallurgia estrattiva.

La materia prima: il minerale di ferro

Il ferro è uno degli elementi più abbondanti sulla Terra, ma raramente si trova in forma pura. Solitamente, esso è presente come ossido, e i minerali più comuni utilizzati per la produzione di acciaio sono:

Minerale	Nome Composto	Formula Chimica	% teorica di ferro
Ematite	Ossido Ferrico	Fe₂O₃	69,9
Magnetite	Ossido Ferroso	Fe₃O₄	72,4
Limonite	Idrossido di Ferro	2Fe₂O₃ · 3H₂O	59.8
Siderite	Carbonato di Ferro	FeCO₃	48.2
Pirite	Solfuro di Ferro	FeS	46.5

l’ematite (Fe₂O₃) e la magnetite (Fe₃O₄), con un contenuto teorico di ferro rispettivamente del 69,9% e del 72,4%. Altri minerali, come la limonite (2Fe₂O₃ · 3H₂O) e la siderite (FeCO₃), vengono utilizzati. Questi però richiedono spesso un pretrattamento, come l’arrostimento, per essere trasformati in ossidi più facilmente lavorabili.

Accanto ai minerali di ferro, la composizione chimica è arricchita da elementi come silice (SiO₂) e allumina (Al₂O₃), i quali sono importanti nella gestione delle temperature di fusione e nella creazione di scorie. Tuttavia, è cruciale limitare la presenza di elementi indesiderati come zolfo e fosforo, che infragiliscono l’acciaio.

La preparazione del minerale

Per aumentare la reattività del minerale, esso viene macinato e pretrattato prima di essere caricato nell’altoforno. Questo processo dipende dal contenuto di ferro del minerale:

• Minerali ad alto contenuto di ferro: questi vengono frantumati in minerali fini (0,1-3 mm di diametro) o grumi (> 3 mm). I minerali fini vengono sottoposti a sinterizzazione, durante la quale vengono mescolati con polvere di coke e carbonato di calcio e quindi riscaldati per creare un agglomerato resistente chiamato “minerale sinterizzato”.
• Minerali a basso contenuto di ferro: questi vengono polverizzati e trasformati in pellet mediante un processo di pellettizzazione. I minerali vengono miscelati con fondenti e altre sostanze agglomeranti e poi induriti con trattamenti termici, formando delle palline da 10-15 mm di diametro.

Le proporzioni tipiche del minerale caricato nell’altoforno sono costituite dal 75% di minerale sinterizzato, 15% di grumi e 10% di pellet.

La produzione del coke

Il coke è un materiale cruciale per il funzionamento dell’altoforno. Viene prodotto dal carbone litantrace, che viene cotto in assenza di ossigeno a circa 980°C per 12 ore. Il risultato è un materiale ad alto contenuto di carbonio, con circa il 90% di purezza. Il coke serve come agente riducente e come fonte di calore per il processo di fusione. Durante la produzione del coke, vengono liberati una serie di sottoprodotti utili, come gas combustibili e idrogeno, nonché catrame e pece, che possono essere utilizzati per altre applicazioni industriali.

L’altoforno: il cuore del processo

Il dispositivo principe della produzione dell’acciaio è l’altoforno che produce la ghisa. Dalla ghisa poi si raffina l’acciaio togliendo principalmente una parte di carbonio. Il forno ha una forma di doppio cono tronco ed è rivestito internamente da mattoni refrattari, che lo proteggono dalle alte temperature. Il funzionamento dell’altoforno si basa sull’immissione di una carica composta da minerale di ferro, coke e fondenti, che reagiscono grazie all’aria calda insufflata nella parte inferiore del forno.

Le reazioni chimiche nell’altoforno sono molteplici e complesse. Il coke, reagendo con l’ossigeno presente nell’aria calda, genera monossido di carbonio (CO), che a sua volta riduce gli ossidi di ferro a ferro metallico. Queste reazioni sono esotermiche, producendo il calore necessario per mantenere alta la temperatura e permettere la fusione del ferro. Ad esempio:

L’intero processo porta alla formazione della ghisa, una lega di ferro con un contenuto di carbonio compreso tra il 3,5% e il 4,5%, insieme a silicio, manganese e altre impurità.

Il convertitore e la produzione dell’acciaio

La produzione dell’acciaio dalla ghisa è essenzialmente un processo di ossidazione durante il quale vengono rimosse quantità variabili ma prestabilite di C, Si, Mn, S e P. Lo zolfo nello specifico lo si rimuove trasformandolo in solfuri di Ca e Mn che passano nella scoria. È l’unico modo per produrre acciai da minerali.
Ad un certo punto del processo vi è un eccesso di ossigeno rispetto alla quantità effettivamente desiderabile. Questo eccesso di ossigeno rischia di andare in soluzione solida, ma col fatto che ora tale ossigeno non è più legato al ferro, si aggiungono elementi che possiedono un’elevata affinità con l’ossigeno (Si, Mn, Al…) che formano ossidi in grado di sciogliersi nella scoria. Il titanio sarebbe l’elemento migliore data la sua elevatissima affinità con l’ossigeno (cattura molecole di ossigeno fino ad una concentrazione di 10−8 ), ma è molto costoso. Si possono distinguere due tipi di processo di produzione dell’acciaio a seconda del tipo di ghisa da cui parto

Produzione dell’acciao per ossidazione selettiva

Dei diversi metodi d’affinazione sviluppati per metalli e leghe, quello di maggiore interesse
per le lavorazioni siderurgiche di produzione dell’acciaio è l’affinazione termica per reazione selettiva del metallo allo
stato liquido. I processi d’affinazione per reazione selettiva consistono nell’impegnare gli
elementi che si desidera eliminare dal metallo in una serie di reazioni chimiche i cui prodotti
siano insolubili e si separino soddisfacentemente dal metallo. Tipicamente si ottiene una fase scoria che galleggia sul metallo fuso. L’agente ossidante può essere gassoso (aria o ossigeno) o liquido (ossidi di ferro e suoi minerali). Tale processo dipende da:

• Ossidabilità dei vari elementi rispetto al Ferro: posso ordinare i vari elementi in ordine
  crescente in base all’entalpia libera di formazione del relativo ossido e grazie a questa scaletta rendermi conto di quanto manca ad ossidare il ferro.
  
  Cu; Ni; Co; Sn; W; Mo; Fe; Cr; Mn; C; Si; V; B; Ti; Al
  
• Condizioni di temperatura: Le reazioni esotermiche avvengono con rendimento alto a basse temperature. Un esempio è la desolforazione
  
• Rapporti quantitativi fra i diversi elementi presenti in soluzione nel metallo liquido
  
• Facilità di eliminazione della scoria: infatti se la scoria rimane immersa nel metallo non abbiamo risolto nulla.
  

P e S li troviamo normalmente nella carica del forno in concentrazioni più elevate di quelle consentite nell’acciaio e pertanto devono essere rimosse. Sfortunatamente le condizioni favorevoli alla rimozione del fosforo sono l’opposto di quelle che promuovono la rimozione dello zolfo.
Per la produzione dell’acciaio è importante che le percentuali di zolfo e fosforo devono essere molto bassa perchè causano l’abbassamento della temperatura di transizione plastico-vetrosa.

Tipologia di scoria

• Scoria acida: a causa dell’acidità della scoria, i mattoni della siviera (vedi disegno pagina 21) devono essere fatti con refrattari acidi quindi quelli silicei (o DINAS). Dal momento che la silice fonde a 1400°C i mattoni vengono prodotti a circa questa temperatura. A causa della
  composizione dei mattoni della siviera, si possono usare solo ghise con bassi tenori di P e S e questo perché il tipo di scoria non consente di allontanare percentuali troppo alte di questi
  elementi. È una scoria formata fondamentalmente da silicati di Fe e Mn. I paesi nordici come Svezia e Finlandia hanno ottimi minerali di ferro poveri di zolfo e fosforo quindi a loro basta usare anche solo il processo a scoria acida.
• Scoria basica: a causa della basicità della scoria, i mattoni della siviera devono essere fatti con refrattari basici quindi quelli dolomitici o magnesiaci. Questi mattoni vengono prodotti a circa 1600°C con ossido di magnesio che viene estratto dall’acqua di mare (nel Mar Morto esiste uno dei più grandi impianti di estrazione dell’ossido di magnesio al mondo). Tale processo è migliore di quello a scoria acida poiché si possono lavorare ghise con percentuali di S e P superiori (≥0.04%).

La siviera

I pentoloni chiamati siviere hanno una capienza di circa 100-120 tonnellate (si è visto che farli più capienti era controproducente) e i mattoni devono resistere a tante colate. I refrattari acidi e basici convivono con materiali corrispondenti pertanto se i mattoni sono fatti da refrattari acidi anche la scoria deve esserlo, altrimenti il rischio è che si inneschino reazioni che portino i mattoni a consumarsi.

I refrattari sono materiali ceramici (inorganici e non metallici) aventi la caratteristica primaria di resistere alle alte temperature. Ciò nonostante sono anche in grado di resistere a sbalzi termici, tensioni e aggressioni da parte di agenti solidi, liquidi e gassosi. Essi sono quindi i materiali idonei ed indispensabili per la costruzione ed il funzionamento di forni di ogni tipo.

Produzione dell’acciao per ripartizione

L’eliminazione parziale di elementi indesiderati nel bagno avviene facendo reagire
quest’ultimo con un’opportuna scoria. Gli elementi daranno diffusione in funzione del loro
coefficiente di ripartizione che, come la costante di equilibrio dipende solo dalla temperatura.
Dal momento che tale processo segue ovviamente una cinetica, tutte le azioni di
mescolamento e agitazione che migliorano il contatto tra le fasi aiutano tale diffusione.

La disossidazione e la degassificazione

Una volta prodotto l’acciaio nel convertitore, è necessario eliminare l’ossigeno in eccesso. La disossidazione può avvenire tramite l’aggiunta di elementi con alta affinità per l’ossigeno, come alluminio o silicio, che formano ossidi stabili e insolubili. Questi ossidi salgono in superficie e vengono eliminati come scorie.

Un altro problema da affrontare è la presenza di gas disciolti, come l’idrogeno e l’azoto, che possono causare difetti nell’acciaio solido. La degassificazione può avvenire tramite trattamento sottovuoto, che permette di ridurre la concentrazione di gas indesiderati, migliorando la qualità dell’acciaio.

Anche qui comunque andremo a fare un intero capitolo riguardante i processi di conversione da ghisa di altoforno a acciaio.

La colata e la solidificazione

Una volta raggiunta la composizione chimica desiderata, l’acciaio liquido viene colato in forme semifinite, come billette, blumi o bramme. La colata può essere effettuata tramite colata continua, un processo che permette di solidificare l’acciaio in modo continuo, migliorando l’efficienza produttiva e la qualità del materiale.

Durante la solidificazione, è importante controllare la velocità di raffreddamento per evitare la formazione di difetti, come porosità o cricche. Inoltre, la microstruttura dell’acciaio può essere influenzata dalla velocità di raffreddamento: un raffreddamento rapido può portare alla formazione di martensite, una fase dura e fragile, mentre un raffreddamento più lento favorisce la formazione di ferrite e perlite, che conferiscono all’acciaio una maggiore duttilità.

Laminazione e lavorazione a caldo, una piccola introduzione per la produzione dell’acciaio

Dopo la solidificazione, l’acciaio viene lavorato tramite laminazione a caldo, un processo che consiste nel passare l’acciaio attraverso una serie di cilindri per ridurne la sezione e migliorarne le proprietà meccaniche. La laminazione a caldo permette di ottenere barre, lamiere o profilati con le dimensioni desiderate e con una microstruttura più fine, che aumenta la resistenza del materiale.

Durante la laminazione, è importante mantenere la temperatura dell’acciaio sufficientemente alta (solitamente tra 900°C e 1200°C) per garantire una buona deformabilità e ridurre la formazione di cricche. Dopo la laminazione a caldo, l’acciaio può essere ulteriormente lavorato a freddo per ottenere una migliore finitura superficiale e incrementare la resistenza meccanica.

Questo tipo di lavorazioni le affronteremo in un articolo successivo perché c’è un intero mondo tra lavorazioni a caldo, a freddo ecc…

Considerazioni finali sulla produzione dell’acciaio

La produzione dell’acciaio è un processo complesso che richiede una perfetta integrazione tra chimica, termodinamica e tecnologia metallurgica. Dalla preparazione dei minerali alla raffinazione nel convertitore, ogni fase è fondamentale per ottenere un materiale con le caratteristiche desiderate. L’acciaio è un materiale estremamente versatile, utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, dalle costruzioni all’industria automobilistica, grazie alle sue eccellenti proprietà meccaniche e alla possibilità di adattarne la composizione alle specifiche esigenze.

Comprendere il percorso che porta dal minerale di ferro alla barra d’acciaio finita ci permette di apprezzare il valore di un materiale che ha plasmato il mondo moderno e continua a essere indispensabile per lo sviluppo tecnologico e industriale.

Per oggi è tutto, questa sarà una nuova serie e qui troverete le altre parti. Mentre per le novità cliccate qui!!