Appunti sulla produzione dell'acciaio.

1) Produzione con ciclo integrale.

Nella moderna siderurgia i procedimenti più comunemente utilizzati per produrre acciaio possono essere ricondotti a due: acciaio ottenuto dal minerale oppure dalla fusione dei rottami di ferro.
Nel primo caso lo stabilimento per la produzione è denominato a "ciclo integrale'': questo significa che è necessario disporre di tutti quegli impianti ed attrezzature che consentano la trasformazione chimico fisica del minerale (ossidi di ferro) in acciaio.
Il minerale necessita di un'accurata preparazione e miscelazione con altre sostanze (in particolare calcare) per ottenere quell'arricchimento e quella composizione chimico-fisica necessari per la sua trasformazione.
I metodi di trattamento sono molti e tutti volti a far sì che il minerale e gli altri componenti aggregati siano trasformati in "piccoli pezzetti'', denominati "pellets'', così da renderli atti alla preparazione della carica dell'altoforno.
Quest'ultimo è un forno del tipo a "tino'', continuo, nel quale il minerale, sottoposto ad alta temperatura si trasforma in ghisa (ferro ad alto contenuto di carbonio).
La temperatura alla quale inizia la riduzione del minerale è intorno agli 800 gradi centigradi ed è ottenuta mediante la combustione del carbone coke, caricato assieme al minerale.
I processi e gli impianti utilizzati per la preparazione della carica dell'altoforno sono, sinteticamente, i seguenti:
- produzione del carbon coke:
si ottiene dalla combustione del carbon fossile nelle cokerie: sono batterie di forni contigui (in genere da 20 a 30), nei quali da una parte si immette il carbon fossile e, dall'altra dopo la combustione, si estrae il coke, che verrà successivamente inviato all'altoforno.
- trasformazione del minerale in pellets:
impianti di lavaggio, frantumazione, setacciatura, omogeneizzazione e pellettizzazione .

All'uscita dall'altoforno la ghisa viene colata direttamente in un contenitore mobile su rotaie, chiamato carro siluro, tramite il quale viene trasportata all'acciaieria per la trasformazione in acciaio.
Il processo per la preparazione dell'acciaio consiste nella decarburazione della ghisa e nell'aggiunta di componenti che consentano di ottenere quel grado di durezza e resistenza desiderato.
Per far ciò occorre nuovamente riscaldare la ghisa in appositi forni, denominati convertitori (fig. 3), nei quali la ghisa si affina e si trasforma in acciaio.
Vi sono naturalmente diversi tipi di convertitori e di sistemi di affinazione della ghisa, sui quali si ritiene superfluo soffermarsi.
Tutto quanto sopra descritto è parte integrante di uno stabilimento siderurgico a ciclo integrale.
In Italia, gli stabilimenti di questo tipo sono perlopiù gli ex ITALSIDER (Taranto, Piombino, Genova e Trieste, per citare i più importanti).

2) Produzione con forno elettrico.

Gli stabilimenti siderurgici che producono acciaio direttamente dai rottami non necessitano di impianti e macchinari finalizzati alla produzione della ghisa ed alla sua trasformazione in acciaio.
Sono pertanto, a parità di prodotto, di dimensioni e valori minori, permettendo la realizzazione di stabilimenti anche di capacità modesta, le cosiddette mini-acciaierie, con accettabili rapporti tra investimento e capacità produttiva, senza rinunciare a volumi di produzione anche ragguardevoli.
Oltre a ciò presentano altri vantaggi, che compensano l'elevato consumo di energia elettrica necessario per il loro funzionamento: maggior elasticità di impiego (si possono produrre anche acciai inox), rapidità di messa in marcia, maggior possibilità di controllare i processi di trasformazione chimica, indipendenza dell'installazione da porti o altre importanti stazioni di smistamento merci.
L'acciaio, in questi impianti, è ottenuto dalla fusione dei rottami di ferro opportunamente preparati e selezionati per evitare inconvenienti durante la trasformazione (esplosioni, cattiva qualità).

La fusione avviene nel forno elettrico che, di norma, è di due tipi:
- forno ad arco
- forno ad induzione.
Nei forni ad arco, i più impiegati, il calore viene apportato dalla radiazione dell'arco che si forma tra gli elettrodi di grafite ed il bagno.
La potenza in gioco può variare da 500 ad oltre 100.000 kVA.
La capacità del forno è misurata dal diametro del bacino.
I consumi sono dell'ordine di 500-700 kwh per tonnellata di prodotto.
La temperatura dell'arco raggiunge i 3500 gradi centigradi.
I forni ad induzione, sono basati sul principio del passaggio di un intenso flusso elettromagnetico (e quindi di calore), dove la carica metallica rappresenta il secondario di un trasformatore.
In genere vengono impiegati quando si vuol procedere ad una rifusione.

3) Lavorazione dell'acciaio.

Una volta prodotto, all'acciaio si deve imprimere la forma finale desiderata.
Questa parte del processo di fabbricazione dell'acciaio è comune alle due modalità di produzione sopra descritte.
Due sono i modi di procedere.

a) Laminazione.
L'acciaio può essere colato "in fossa'' nelle lingottiere, nelle quali solidifica e viene successivamente laminato sino a diventare prodotto finito.
Ottenuto il lingotto, si procede alla sua trasformazione nel prodotto desiderato nel laminatoio, che può essere a "caldo'' o a "freddo''.

a1) Laminatoi a caldo.
Con il processo di laminazione a caldo il lingotto viene prima riscaldato (forni a pozzo, a spinta, a suola rotante) a temperature fino a 1200 C° e quindi portato alla forma finale da una serie di cilindri disposti in diverse posizioni, nelle cosiddette "gabbie'' di laminazione.
I principali tipi di laminatoio consistono in due, tre, quattro cilindri sovrapposti, contenuti nelle gabbie.
L'insieme di ciascuno viene chiamato duo, trio, doppio duo o quarto rispettivamente.
Il lingotto viene schiacciato tra i cilindri, passando sempre in una sola direzione, o mutando alternativamente la direzione al cambiare del senso di rotazione dei cilindri, sino ad ottenere lo spessore desiderato.
I vari tipi di laminatoi, chiamati "treni'', che vengono usualmente impiegati per ottenere i diversi prodotti, sono:
1) laminatoi sbozzatori di prima laminazione (da lingotti), che si dividono in
- treni blooming per blumi (sezione quadra)
- treni slabbing per bramme (sezione rettangolare)
- treni perforatori per sbozzati per tubi
2) laminatoi sbozzatori di seconda laminazione
- treni billette (sezione quadra)
- treni bidoni per lamierini
3) laminatoi finitori di prima laminazione (da lingotti)
- treni per prodotti larghi piatti
- treni lamiere
3) laminatoi finitori di seconda laminazione
- treni per barre e profilati
- treni per vergella
- treni per nastro
- treni per lamiere
- treni per lamierini
- treni per tubi.

a2) Laminatoi a freddo.
Lo scopo di questo tipo di lavorazione è quello di ottenere, con una deformazione plastica, senza apporto di calore, una superficie del metallo più compatta e liscia, con marcate variazioni delle caratteristiche meccaniche del prodotto.
La laminazione può avvenire con un duo reversibile ("skin pass'', leggere riduzioni) o con un quarto, con il quale vengono esercitate pressioni fortissime con conseguenti elevate riduzioni di spessore.
Una speciale sistemazione dei cilindri fu ideata da Sendzimir: si tratta di un laminatoio a cilindri multipli, con il quale si possono ottenere riduzioni del 97% con passate dal 20% al 50%, a seconda del tipo di acciaio.
Questo tipo di laminatoio è particolarmente impiegato per la lavorazione di acciai molto tenaci, come gli inossidabili.
I motori di azionamento dei laminatoi sono, normalmente, del tipo a corrente continua, di ragguardevole potenza e costo (si stima un milione di lire italiane a kw) e rappresentano la parte più sollecitata di un laminatoio, cui nel caso di acciaieria con forno elettrico occorre aggiungere la sottostazione di trasformazione.

b) Colata continua.

L'acciaio può essere colato direttamente, prendendo la sua forma definitiva, in una macchina di colata continua , che "salta'' i passaggi di raffreddamento e successivo riscaldamento (necessario per la laminazione del prodotto).
La macchina è di fatto una lingottiera oscillante, nella quale l'acciaio, colato liquido, assume la forma voluta, che gli è impressa dalla sezione del canale di colata.
Il procedimento è il seguente.
L'acciaio, proveniente dall'acciaieria, è versato in una siviera ("secchio'') quindi, tramite carroponte, posto in posizione di colaggio e da qui colato nella lingottiera della macchina di colata continua.
La lingottiera è costituita generalmente da pareti in rame, raffreddate ad acqua, in cui avviene già la solidificazione superficiale dell'acciaio.
Logicamente il percorso dell'acciaio è piuttosto lungo per consentine il raffreddamento, per cui l'ingombro di una macchina di colata continua è notevole, anche se, rispetto ai primi modelli che erano verticali, ora le moderne macchine si sviluppano lungo una linea curva , che riduce notevolmente la necessità dello spazio disponibile in altezza.
A seconda dei casi il prodotto in uscita dalla macchina può essere ancora laminato, oppure tagliato, raffreddato e venduto tal quale.
In Europa, i costruttori più accreditati sono: Danieli, Demag e Voest Alpine.
Il costo di una macchina in grado di produrre, in un anno, circa 1 milione di tonnellate di acciaio, è di 30-40 miliardi di lire italiane.