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Le ghise: l'altoforno, classificazione e designazione

Indice

Innanzitutto: cosa sono le ghise?

La ghisa non è altro che una lega ferro-carbonio. All'aspetto, si presenta con un colore grigio scuro. In inglese le ghise sono note anche come cast iron (cast = getto, iron = ferro), nome che sta ad indicare la loro attitudine ad essere colate nella forma finale voluta. D'altro canto non sono in generale deformabili né a caldo, né a freddo.
Le ghise hanno un tenore di carbonio compreso tra il 2 e il 4%, un contenuto di silicio che varia tra l'1 e il 3%. Possono contenere anche altri elementi di lega al fine di controllare o modificare certe proprietà. Può contenere infatti anche elementi come manganese, fosforo, zolfo in percentuali variabili. Le proprietà delle ghise, come abbiamo detto in principio di trattazione, sono svariate:

  • sono facilmente fusibili;
  • sono molto fluide allo stato liquido;
  • sono ottime leghe per getti;
  • non formano pellicole superficiali indesiderate quando vengono colate;
  • solidificano con un ritiro moderato sia durante la solidificazione che durante il raffreddamento, "fornendo" getti compatti;
  • presentano un range ampio di valori di resistenza e durezza;
  • il costo è relativamente basso.

Tuttavia presentano resilienza e duttilità basse, che ne limitano l'utilizzo in determinate applicazioni.

La produzione della ghisa: le materie prime

Essa viene prodotta in seguito alla trasformazione del minerale del ferro in una apparecchiatura particolare: l'altoforno. Prima di passare a descrivere quest'ultima, facciamo delle piccole premesse.
Il processo consiste in particolar modo nella riduzione degli ossidi di ferro.
Le materie prime adoperate sono:

  • minerali di ferro;
  • rottami;
  • fondenti;
  • coke.

I minerali di ferro

Cosa molto importante: affinché un minerale possa essere sottoposto ad un utilizzo industriale deve essere disponibile in grandi quantità, avere un elevato tenore di ferro ed un basso tenore di elementi indesiderati. In tal modo i minerali possono essere ridotti a magnetite, ematite, limonite, siderite e pirite.


Vediamo in tabella i tenori di ferro di questi ultimi:

Minerale di ferro Tenore di ferro ( % )
Magnesite 72.36
Ematite 69.64
Limonite 59.83
Siderite 48.21
Pirite 46.60



Nella tabella che segue indichiamo invece di ognuno di essi le caratteristiche essenziali:

Minerale Caratteristiche
Magnetite presenta una notevole suscettività magnetica e presenta il più alto contenuto di ferro
Ematite presenta un basso contenuto di impurità (elementi indesiderati) ed è accompagnata spesso dal titanio, che invece è un elemento "desiderato" o, meglio, "desiderabile" negli acciai speciali
Limonite è il meno puro dei minerali del ferro, in quanto presenta notevoli contenuti di fosforo, che è tra le impurità e quindi tra gli elementi indesiderati
Siderite il nome deriva dal fatto che viene spesso rilevata in alcuni meteoriti
Pirite non è utilizzabile direttamente per produrre la ghisa per via del suo tenore di zolfo e viene usata quindi come materia prima per produrre acido solforico a partire dalla anidride solforosa, che si ottiene mediante arrostimento in presenza di aria; dal forno vengono poi estratti dei residui solidi detti ceneri di pirite che vengono poi adoperati in qualità di materia prima nel settore siderurgico

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

  1. magnetite
  2. ematite
  3. limonite
  4. siderite
  5. pirite

I rottami

Si suddividono in:

  • rottami di elevata purezza e di composizione nota;
  • rottami di qualità scadente e composizione sconosciuta.

I primi sono i rottami residui della lavorazione della ghisa e dell'acciaio, sono rottami di recupero provenienti dalla stessa acciaieria o dallo smantellamento di macchine utensili, di carcasse navali. I secondi sono i rottami di prodotti dismessi: capannoni, automobili, elettrodomestici, dai quali sono state asportate dapprincipio tutte le parti non metalliche.


I fondenti

Hanno lo scopo di formare la scoria e di inglobare gli elementi indesiderati. Sono principalmente costituiti da pietra calcarea o dolomitica formata da carbonati di calcio e di magnesio che agiscono come fondente per alcuni ossidi refrattari che accompagnano il minerale di ferro.

pietra dolomitica

pietra dolomitica

lastre di pietra calcarea

lastre di pietra calcarea

Il coke

Proviene dalla distillazione secca del litantrace a temperatura compresa tra 1100 e 1200 °C. Con la sua combustione il coke fornisce il calore che serve per la riduzione degli ossidi, per la formazione r fusione della ghisa e della scoria.


litantrace

litantrace

coke

coke

La produzione della ghisa: l'altoforno

Schematicamente parlando, esso è come in figura:



Nell'altoforno ha luogo la trasformazione del ferro in ghisa. E' uno dei forni industriali più grandi a sviluppo verticale ed ha la capacità di produrre anche 3000 tonnellate di ghisa giornaliere.
Vediamone insieme le caratteristiche "fisiche" salienti.
Esso è un forno a tino rovesciato, con un'altezza pari a 35 - 40 m ed un diametro massimo compreso tra i 15 e i 18 m.
Presenta due piccoli tronchi di cono raccordati per le loro basi maggiori. Il tronco superiore, come accennato, è detto tino, mentre quello inferiore è detto sacca e tra i due vi è un piccolo tratto a sezione costante detto ventre.
Al di sotto della sacca vi è il crogiolo, di forma cilindrica, in cui vengono raccolte la ghisa e la scoria allo stato liquido.
La parte superiore dell'altoforno è la bocca, attraverso la quale si introduce la carica e fuoriescono i fumi. Esternamente l'altoforno è sorretto da una incastellatura, fatta di una lamiera di acciaio di pochi millimetri, su cui viene scaricato il peso della muratura refrattaria.
Come detto prima, dalla bocca viene introdotta la carica allo stato solido, formata da strati alternati di minerali di ferro, coke e i fondenti citati in precedenza. L'inserimento della carica viene effettuato con apparecchiature dette a coppa e a cono.
Nella parte superiore del crogiolo vi sono le tubiere per insufflare aria preriscaldata a temperature variabili dai 900 ai 1000 °C e a pressione di circa 0.2 MPa. Le tubiere sono formate da una ventina di ugelli metallici a doppia parete, raffreddati poi con circolazione forzata di acqua per le intercapedini.
La ghisa che viene estratta poi dall'altoforno ha la seguente composizione tipica:


Elemento Percentuale %
Fe 90-94
C 3.8 - 4.3
Si 0.4 - 2
Mn 0.4 - 1.5
P 0.05 - 2
S 0.05 - 0.15


Invece per quanto riguarda i gas che fuoriescono dall'altoforno a 200- 250 °C, i valori limite di composizione sono:


Gas Percentuale %
CO 25 - 30
CO2 13 - 16
H2 0.5 - 3
N2 55 - 62


Di seguito alcune foto dell'altoforno ormai dismesso di Cornigliano (Ge) e dello stabilimento di cui faceva parte. Le immagini sono tratte dal sito:

www.mentelocale.it
.

La produzione della ghisa: spillamento della ghisa e della scoria

Come si può vedere anche dallo schema di cui sopra, è presente un foro di colata in basso nel crogiolo, da cui viene estratta periodicamente la ghisa, mentre la scoria è sottratta sempre da un foro in posizione opposta al precedente, ma posto nella parte superiore. La scoria, dopo che è stata spillata e raffreddata, viene detta scoria granulata e può essere adoperata come materia prima per produrre il cemento d'altoforno:

Scoria d

Scoria d'altoforno granulata.jpeg


La colata della ghisa viene effettuata, come già detto, periodicamente e ciò dipende dalle dimensioni del crogiolo e dalla produttività dell'altoforno. Mediamente si parla di 3 - 4 ore. Il foro di colata della ghisa è inclinato verso l'alto e a colata effettuata esso viene subito occluso con una macchina a tappare che spara un impasto di materiale refrattario.
La ghisa prodotta viene distinta, in base alla destinazione, nelle due grandi categorie:

  • ghisa grigia o da fonderia;
  • ghisa bianca o da affinazione.

La prima tipologia, che viene poi raccolta in contenitori detti, per via della loro forma, carri siluro, presenta un alto tenore di silicio. La seconda, che presenta un basso contenuto di silicio, viene invece raccolta in grandi serbatoi cilindrici detti mescolatori, internamente rivestiti di materiale refrattario.

Classificazione delle ghise

La ghisa greggia è una lega di ferro-carbonio con una percentuale di carbonio maggiore del 2 %. La definizione in merito è fornita dalla UNI EN 10001. Le ghise gregge sono suddivise in :

  • ghise gregge legate;
  • ghise gregge non legate.

Le prime sono usate come correttivi della composizione degli acciai. Le seconde verranno invece trasformate allo stato liquido in acciaio (ghise da affinazione) o in getti (ghise da fonderia).
Le ghise per getti sono divise generalmente in:

  • ghise grigie;
  • ghise malleabili;
  • ghise sferoidali.


Designazione delle ghise

Le ghise per getti vengono designate in base alla UNI EN 1560. Prevede l'utilizzo delle lettere G (sta per "in getti") e J (sta per "ghisa") affiancate da una terza lettera che può essere la L (grafite lamellare tipica della ghisa grigia), la M (grafite globulare della ghisa malleabile), la S (grafite globulare della ghisa sferoidale).
Inoltre può essere presente oltre a tali lettere anche un numero, separato da un trattino, che indichi il carico unitario minimo a rottura (MPa).
Inoltre la designazione deve cominciare con il simbolo EN, separato dalla sigla vera e propria da un trattino.
Le ghise grigie sono definite dalla UNI EN 1561 e in esse il carbonio libero è sotto forma di grafite in forma lamellare.
Le ghise malleabili sono definite dalla UNI EN 1562 e si distinguono in:

  • ghise malleabili a cuore bianco (designate con la lettera W, cioè white);
  • ghise malleabili a cuore nero (designate con la lettera B, cioè black).


Le ghise sferoidali sono invece definite dalla UNI EN 1563 e in esse il carbonio è sotto forma di grafite sferoidale.


Curiosità

L'Iron bridge è un ponte metallico realizzato in ghisa. E' situato in Inghilterra. Più precisamente attraversa il fiume Severn nella contea dello Shropshire. Di seguito alcune sue immagini:



Bibliografia

Tecnologie generali dei materiali - Caiazzo, Sergi.

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Commenti e note

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di ,

Ciao Berello, si hai ragione il villaggio oltre il ponte si chiama proprio Ironbridge :) . INGiuseppe, grazie come sempre dell'apprezzamento. :)

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di ,

Chiaro, interessante e bello quest'articolo!!.. Ti apre un mondo infinito sti discorsi.. se posso allego qualcosa di interessante, ma non troppo corposo.. BRAVO! ciao. P.S. fa piacere vedere la presenza degli ingegneri meccanici anche in un portale prettamente "elettrico" ;)

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di ,

Ah, ah! Io sono stato nella valle del Severn e ho visto l'Iron bridge! Oltre il ponte c'è un villaggio (che, se non ricordo male, si chiama proprio "Iron bridge") in cui la gente vive come si viveva all'epoca della costruzione del ponte (case, vesiti, negozi, giocattoli, panettieri, ... Tutto nello stile dell'epoca); l'attrazione turistica gira principalmente intorno alla lavorazione del ferro e alle miniere, quindi è possibile vedere il fabbro all'opera, come anche il "montacarichi a vapore" (!!!) in funzione, che un tempo serviva nella miniera! Se vi capita di passare da quelle parti, andateci, è divertente!

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di ,

Ciao pinowski. Ora questa materia si chiama Tecnologia meccanica, almeno all'università. Alla fine è cambiato (neanche poi così tanto) il nome, ma i contenuti sono identici, come hai fatto giustamente intendere tu. Grazie per l'apprezzamento. :)

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di ,

Mi hai fatto fare un viaggio a ritroso nel tempo quando questa materia, "Tecnologia", si studiava all'Avviamento Industriale... giusti giusti 50 anni! Poi è subentrata la Media Unificata e queste materie sono passate agli Istituti Superiori.

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