Altoforno

Disegno schematico di un altoforno:
1. flusso di aria calda dalle stufe Cowper
2. zona di fusione
3. zona di riduzione dell'ossido ferroso
4. zona di riduzione dell'ossido ferrico
5. zona di pre-riscaldamento
6. ingresso di minerali grezzi, fondente e coke
7. gas esausti
8. colonna contenente minerale grezzo, fondente e coke
9. rimozione delle scorie
10. fuoriuscita del metallo fuso
11. fuoriuscita dei gas di scarico

Un vecchio altoforno a Sestao, Spagna

L'altoforno serve per produrre ghisa greggia (lega binaria di ferro e carbonio) attraverso la riduzione degli ossidi metallici (ad esempio Fe₂O₃) presenti in natura come minerale ferroso, attraverso un'atmosfera riducente. La produzione si aggira tra le 2.000 e le 4.500 tonnellate al giorno.

L'altoforno deve il suo nome alle sue dimensioni, infatti può raggiungere un'altezza pari a 80 metri (con un diametro che può superare gli 8 metri).

Cenni storici

Il primo altoforno fu impiantato nel 1340 a Liegi. Un passo importante fu nel 1776, quando l'applicazione del motore a vapore al mantice consentì di raggiungere temperature più elevate. Nel 1828 James Beaumont Neilson brevettò il processo che insufflava aria calda, aumentando l'efficienza.

Descrizione e generalità

L'altoforno è composto, partendo dall'alto, dalle seguenti parti:

Bocca

È la parte superiore portante gli apparecchi di caricamento, di apertura, di chiusura, e di raccolta dei fumi. Nella bocca la temperatura è di 400°

Tino

Costituisce la parte più grande dell'altoforno ed è a forma di tronco di cono con la base maggiore in basso. L'allargamento verso il basso facilita la discesa delle cariche e tiene conto anche della loro dilatazione per l'aumentata temperatura.

Ventre

È la parte cilindrica tra il tino e la sacca; talvolta questa parte dell'altoforno può ridursi alla semplice circonferenza di collegamento della sacca al tino. Qui inizia la fusione delle cariche tra 1350 gradi centigradi e 1600 gradi centigradi

Sacca

È la parte conica con sezione decrescente verso il basso. Nella parte inferiore sono disposti gli ugelli per l'introduzione dell'aria calda di alimentazione dall'altoforno. Nella sacca si completa la fusione delle cariche con temperatura prossima ai 1800 gradi centigradi.

Crogiuolo

È un cilindro costituito da blocchi carboniosi di grafite e argilla. Esso si trova nella parte inferiore dell'altoforno. Sul crogiuolo sono disposti, dall'alto al basso, due fori di fuoriuscita delle loppe, angolarmente distanziati a circa 1,50 m dal fondo del crogiuolo, e due fori di colata della ghisa madre, anch'essi distanziati angolarmente e disposti appena sopra il fondo del crogiuolo.

Alimentazione di un altoforno

I minerali di ferro che costituiscono le cariche di un altoforno sono:

Minerale	Formula chimica	Massa volumica ($Kg\over dm^3$)	% teorica di ferro	% media di ferro nel materiale	Note
Magnetite	Fe3O4	5	72,4	45/70	Il rimanente 37,6% di minerale costituisce la ganga, cioè terra.
Ematite rossa	Fe2O3	5,2	69,9	45/60	È un buon minerale perché contiene poco fosforo.
Limonite	2Fe2O3$\cdot$3H2O	3,7	59,8	30/50
Siderite	FeCO3	3,8	48,2	30/40

I quattro suddetti minerali vengono solitamente accompagnati da elementi che si possono considerare sia positivi che negativi, eccone alcuni:

• zolfo: sempre indesiderabile;
• arsenico: sempre indesiderabile;
• manganese: generalmente ben accettato;
• fosforo: oggi non costituisce più un inconveniente grazie ai nuovi convertitori LD a ossigeno.

Preparazione dei minerali del ferro

Frantumazione

Con la frantumazione, effettuata per mezzo di frantoi rotativi a macina eccentrica, il minerale viene ridotto a una pezzatura di dimensioni variabili fra gli 8 e i 35 mm.

Arricchimento

Il processo di arricchimento ha lo scopo di togliere, quanto più possibile, la ganga dal minerale. I metodi di arricchimento più diffusi avvengono per:

• separazione magnetica: il metodo è applicabile esclusivamente alla magnetite, dato che solo questo minerale è magnetico;
• differenza di massa volumica: dopo essere stato macinato, con appositi crivelli il minerale viene separato dalla ganga;
• separazione per galleggiamento;
• separazione per flottazione;
• ecc.

Calcinazione

La calcinazione è un'operazione di dissociazione che si effettua senza l'intervento di agenti estranei al minerale e con il solo riscaldamento. Essa viene eseguita in forni a una temperatura di 200/300 °C e si effettua generalmente:

• sulle limoniti di cui si provoca la separazione dell'acqua secondo la reazione:

$2Fe_2 O_3 \cdot 3H_2 O \longrightarrow 2Fe_2 O_3 + 3H_2 O$

• sulle sideriti che si dissociano in ossido ferroso, liberando anidride carbonica, secondo la reazione:

$FeCO_3 \longrightarrow FeO + CO_2$

Arrostimento

Scopo dell'arrostimento è quello di trasformare il minerale in un materiale più trattabile nell'altoforno, oppure quello di eliminare del tutto, o in parte, elementi nocivi. L'arrostimento può essere:

• arrostimento riducente: in un forno tubolare si carica l'ematite e una piccola quantità di carbone; avviene la seguente reazione:

$3Fe_2 O_3 + CO \longrightarrow 2Fe_3 O_4 + CO_2$

Una parte però dell'ossido magnetico si trasforma ulteriormente nel modo seguente:

$Fe_3 O_4 + CO \longrightarrow 3FeO + CO_2$

• arrostimento ossidante: in un forno tubolare, o a griglia, riscaldato a temperatura inferiore ai 500 °C in presenza d'aria, si caricano magnetiti; avviene la seguente reazione:

$4Fe_3 O_4 + O_2 \longrightarrow 6Fe_2 O_3$

Agglomerazione e Pellettizzazione

I minerali in pezzatura fine provenienti dalla frantumazione o dall'arricchimento magnetico o dei parchi di omogeneizzazione ecc. non possono essere caricati direttamente nell'altoforno. Per tutti questi materiali è necessario un processo di agglomerazione oppure di pellettizzazione. Si effettua l'uno o l'altro dei due processi, a seconda delle dimensioni granulometriche dei materiali e precisamente:

• agglomerazione per le polveri di dimensioni > 0,1 mm;
• pellettizzazione per le polveri di dimensioni < 0,1 mm.

Agglomerazione

Il processo consiste nel mescolare il materiale ferroso fine con polvere di coke e disporlo in appositi forni a griglia, riscaldati a temperature elevate: 1000/3000 °C.

Questo materiale così trattato o per incipiente fusione dei granelli di silice in esso contenuti, o per il verificarsi di una vera e propria ricristallizzazione, si trasforma in un agglomerato avente l'aspetto di una massa spugnosa.

Pellettizzazione

Il processo di pellettizzazione si effettua per quei fini troppo minuti per i quali l'agglomerazione è difficoltosa.

Il processo consiste nel mescolare il minerale, a piccolissima granulometria, con l'acqua, calce e un agglomerante, di solito la bentonite, dentro tamburi rotanti nei quali si ha la formazione di pallottole sferoidali di 10/25 mm di diametro dette dall'inglese pellet verdi. Successivamente si provvede a un essiccamento e cottura a 1300 °C, in forni continui a griglia tipo dwight-lloyd.

Coke

Per approfondire, vedi la voce Coke.

Fondente

Al minerale del ferro e al coke immessi nell'altoforno si aggiunge del materiale, chiamato fondente, che si unisce chimicamente, a una temperatura relativamente bassa, circa 1200 °C, alla ganga del minerale e alle ceneri del coke formando delle sostanze che fondono facilmente.

Il fondente è solitamente un materiale roccioso del tipo calcareo, più raramente esso è costituito da dolomite, argilla, sabbia, ecc. Per diminuire il consumo di coke nell'altoforno, l'aggiunta di questo fondente deve essere in quantità e qualità tali da dar luogo al seguente indice di basicità $I_b$:

$I_b = {CaO \over SiO_2} = 1,25$

Schema di un centro siderurgico a ciclo integrale, fasi della produzione:
1. Minerale di ferro
2. Fondente
3. Carrelli trasportatori
4. Bocca di carico
5. Strato di Coke e fondente
6. Strato di Fondente e minerali di ferro
7. Flusso di aria calda a circa 1200 °C
8. Rimozione delle scorie
9. Crogiolo per la colata della ghisa
10. Siviera per le scorie
11. Colata in siviera
12. Contenitore per la separazione delle particelle solide
13. Ricuperatori
14. Ciminiera
15. Condotto per l'aria calda inviata all'altoforno
16. Carbone in polvere
17. Cokeria
18. Coke
19. Uscita dei fumi dall'altoforno

Principali fasi di funzionamento

L'altoforno è essenzialmente un impianto chimico in cui avvengono determinate reazioni, Le principali possono essere classificate in tre categorie.

Reazioni di riduzione del minerale di ferro e di carburazione del ferro

La riduzione avviene sia per azione dell'ossido CO (riduzione indiretta), sia per azione del coke (riduzione diretta). Infatti l'ossigeno contenuto nell'aria introdotta a temperatura elevata e a pressione nell'altoforno reagisce con il coke rovente, formando dapprima anidride carbonica (CO₂) e successivamente ossido di carbonio secondo le reazioni

$C + O_2 \longrightarrow CO_2$ ;

$CO_2 + C \longrightarrow 2CO$

Nella colonna di gas che sale verso l'alto si ha, pertanto, ossido di carbone (CO) che ha la duplice funzione di ridurre il minerale e di carburare il ferro così ottenuto, secondo le seguenti reazioni:

• reazione di riduzione:

$Fe_2 O_3 + 3CO \longrightarrow 2Fe + 3CO_2$

e se è presente della magnetite:

$Fe_3 O_4 + 4CO \longrightarrow 3Fe + 4CO_2$

• reazione di carburazione:

$3Fe + 2CO \longrightarrow Fe_3 C + CO_2$

Non tutto l'ossido di carbonio reagisce in tal modo; una parte resterà con i fumi che escono, cioè i gas d'altoforno. Altro ossido di carbonio si forma per riduzione diretta del minerale con il coke, secondo la reazione:

$Fe_2 O_3 + 3C \longrightarrow 2Fe + 3CO$

e se è presente della magnetite:

$Fe_3 O_4 + 4C \longrightarrow 3Fe + 4CO$

Contemporaneamente, altro ferro viene carburato per reazione diretta del coke:

$3Fe + C \longrightarrow Fe_3 C$

Riduzione di altri ossidi

Le principali reazioni che avvengono, sono tre:

$MnO + C \longrightarrow Mn + CO$ ;

$SiO_2 + 2C \longrightarrow Si + 2CO$ ;

$P_2 O_5 + 5C \longrightarrow P_2 + 5CO$ ;

Mentre il manganese, ottenuto per riduzione del suo ossido (MnO), è molto utile per la desolforazione della ghisa, il silicio e il fosforo restano senza particolari reazioni nella ghisa stessa

Desolforazione della ghisa

L'eliminazione del dannoso zolfo è svolta dal manganese e dalla calce. Il manganese accompagna il minerale oppure è introdotto appositamente come minerale ausiliario, mentre la calce proviene dalla dissociazione del calcare che accompagna il minerale, oppure è introdotta appositamente con il fondente. Il manganese e la calce reagiscono nel modo seguente:

$FeS + Mn \longrightarrow MnS + Fe$ ;

$MnS + CaO + C \longrightarrow CaS + Mn + CO$

Come si vede dalle reazioni, il manganese reagisce con il solfuro di ferro FeS, quindi nella seconda reazione si riforma, rientrando nuovamente in ciclo. Il composto CaS assieme a una parte del solfuro MnS ve nelle loppe.

Reazioni di riduzione degli ossidi

Partendo da un minerale ferroso (Fe₃O₄ o Fe₂O₃) si recupera il metallo attraverso la riduzione degli ossidi tramite la reazione:

$2MeO \longrightarrow 2Me+O_2 (\Delta G<0)$

dove Me rappresenta un atomo metallico. Mediante la regola di Gibbs (maggiore affinità indica maggiore stabilità con conseguente aumento di energia di rottura dei legami) è possibile stilare una tabella (detta di Ulich) che indica l'affinità del metallo con l'ossigeno:

• IV gruppo (Ossidi refrattari): $CaO\rightarrow Ca$; $MgO\rightarrow Mg$; $Al_2O_3\rightarrow ZAl$; $SiO_2\rightarrow Si$
• III gruppo (Mediamente refrattari): $MnO\rightarrow Mn$; $Cr_2O_2\rightarrow Cr$; $SnO\rightarrow Sn$; $WO_3\rightarrow W$; $FeO\rightarrow Fe$
• II gruppo (Riducibili): $NiO\rightarrow Ni$; $CoO\rightarrow Co$; $Cu_2O\rightarrow Cu$;
• I gruppo (Riducibili per semplice riscaldamento): $Ag_2O\rightarrow Ag$

Tra i riducenti presenti in natura c'è l'idrogeno che ha una fortissima affinità con l'ossigeno perciò in teoria si potrebbe sfruttare la seguente reazione:

$FeO+H_2\longleftrightarrow Fe+H_2O$

però l'utilizzo dell'idrogeno comporta un fortissimo rischio di esplosione. Per il II e il III gruppo è possibile utilizzare l'ossido di carbonio CO che ha fortissima affinità e tende ad evolvere:

$FeO+CO\longleftrightarrow Fe+CO_2$

L'ossido di carbonio deriva dalla combustione in difetto di ossigeno del coke

$2C+O_2\longleftrightarrow 2CO$

$C+CO_2\longleftrightarrow 2CO$

Il processo di riduzione mediante $CO$ viene detto riduzione indiretta, mentre quello mediante $C$ viene detto riduzione diretta. Da un punto di vista energetico la riduzione diretta necessita di molto più calore se confrontata con quella indiretta. Per le temperature presenti all'interno del processo d'altoforno la riduzione diretta non può essere eliminata completamente.

Nell'altoforno il monossido di carbonio, necessario al processo di riduzione, si crea dalla combustione del coke con aria a 1.200 °C che viene insufflata dal basso mediante degli ugelli, detti tubiere. L'altoforno è alimentato dall'alto con strati alterni di carbone coke metallurgico, fondente e minerale ferroso (in genere ossidi, come ematite, magnetite, wustite e limonite). La funzione del carbon coke all'interno dell'altoforno è molteplice:

• produce il gas necessario al processo di riduzione degli ossidi di ferro;
• genera il calore necessario alla fusione dei minerali di ferro;
• sostiene meccanicamente la carica ferrifera;
• permette il processo di carburazione della ghisa liquida abbasandone il punto di fusione.

Ciclo integrale

Provvede a trasformare il minerale in ghisa. La carica impiega circa 8 ore per passare dalla bocca al crogiolo; la carica si autosostiene sulla precedente. A livello del ventre si ha ferro puro a contatto del carbonio e si ha la carburazione che permette una riduzione della temperatura di fusione (si raggiungono circa i 1350÷1550 °C a fine ventre) e si ha gocciolamento di ghisa liquida caratterizzata da composizione chimica:

C=4,1-4,4%; Mn=0,5-1,5%; P=0,1-0,9%; S<0,1%; Si=0,5%

che non ha utilizzi industriali se non depurata dagli elementi chimici indesiderati (soprattutto zolfo e fosforo che inducono fragilità nella lega). Per l'equazione di Bouduard abbiamo 2 parametri indipendenti e facciamo variare la temperatura all'interno dell'altoforno. Per raggiungere l'equilibrio a una certa temperatura necessita una certa percentuale di CO e ipotizzando una pressione atmosferica si ha un solo parametro da variare. Se ci si sposta a T=cost non si è più in equilibrio: nel punto A si ha carenza di CO e per il principio di Le Chatelier la reazione si sposta a sinistra (l'equazione di Bouduard è esotermica). In analogia possiamo fare lo stesso con

$FeO+CO\longleftrightarrow Fe+CO_2$

Se si combinano le curve si ottiene un grafico che indica dove lavorare nell'altoforno. La zona superiore si chiama indiretta perché sembra che la reazione serva per generare CO₂ mentre in realtà ha il compito di deossidare FeO. Le riduzioni indirette sono esotermiche perciò queste reazioni alimentano l'impianto mentre quelle dirette sono neutre o leggermente endotermiche con sottrazione di calore (da qui la necessità di introdurre aria calda con polverino di carbone). Alla bocca si introduce carbonato di calcio CaCO₃ a circa 800 °C che reagirà secondo la reazione

$CaCO_3\longleftrightarrow CaO+CO_2$

la reazione è fortemente endotermica e aumenta la zona di riduzione indiretta. Dal punto in cui è presente solo Fe inizia il processo di carburazione.

Sottoprodotti dell'altoforno

L'altoforno ha come scopo la produzione della ghisa madre ma produce anche due sottoprodotti: il gas povero, o gas d'altoforno, e le loppe, o scorie d'altoforno.

Si tratta di un gas combustibile e di un materiale entrambi relativamente poveri, ma le grandissime quantità prodotte inducono al loro recupero e utilizzo.

Il gas povero

Il gas d'altoforno viene prodotto in quantità variabili tra i 2500 e 3500 Nmc per ogni tonnellata di ghisa madre, corrispondenti a 5/7 Nmc per ogni kg di coke introdotto. In passato questo gas veniva disperso nell'aria, ma oggi si preferisce raccoglierlo per motivi ecologici, e riutilizzarlo nei ricuperatori Cowper, risparmiando denaro, per il riscaldamento dei forni.

Le loppe

Per la diversa massa volumica si separano dalla ghisa madre nel crogiuolo. Esse sono costituite da silice, calce, allumina, magnesia, anidride fosforica, ossido di ferro, ecc. Le loppe vengono prodotte nella quantità seguente: 0,3 t per ogni tonnellata di ghisa prodotta.

All'uscita dell'altoforno le loppe vengono trasformate in granuli investendole con un forte getto d'acqua, successivamente vengono inviate nelle fabbriche di cemento dove, mescolate e macinate a un'opportuna quantità di gesso formano il cosiddetto cemento d'altoforno o cemento Portland.

Altro

La durata del ciclo integrale è di circa 20 anni. Gli ultimi impianti funzionanti in Italia sono quello di Taranto, costruito negli anni sessanta, quello di Piombino (LI), messo in servizio a fine anni settanta per sostituire i tre altiforni preesistenti, poi spenti, e la ferriera di Servola a Trieste. Oggi in Italia non vengono più realizzati altiforni a causa del passaggio da ciclo integrale a ciclo rottame, che fa invece impiego del forno elettrico.

L'altoforno continua a funzionare per 7 anni ininterrottamente, senza mai essere spento. Dopo 7 anni vengono rinnovate le pareti in acciaio e il materiale refrattario presente all'interno dell'altoforno; questo materiale refrattario è utile per mantenere il calore e le temperature che si raggiungono nell'altoforno. Ai lati dell'altoforno vi sono due torri, dette torri di Cowper (dei quali, in un determinato istante, uno è in fase di riscaldamento e l'altro è in fase di raffreddamento); queste servono per raccogliere i fumi emessi dall'altoforno. Inizialmente vengono filtrati per eliminare scorie, poi l'aria calda viene ri-immessa nell'altoforno, in modo da avere a disposizione una fonte di aria già calda e non da riscaldare, mentre i fumi e i gas vengono indirizzati verso le turbine a gas che produrranno corrente elettrica.

Ogni due ore/due ore e mezza, dal crogiolo, parte terminante dell'altoforno, viene spillata la ghisa fusa che viene separata dalle scorie presenti; tali scorie, si trovano più in superficie poiché l'introduzione del fondente insieme ai minerali di ferro, permette di portare "a galla" le scorie, chiamata loppa. Queste scorie vengono poi riutilizzate, per esempio, per fare il cemento d'altoforno, riutilizzato appunto per costruzioni dell'altoforno.

La ghisa, dopo essere stata spillata, può essere fatta solidificare, formando i cosiddetti pani di ghisa o può essere trasportata fino alle acciaierie tramite il carro siluro; quest'ultimo è utile per mantenere la temperatura, quindi la ghisa allo stato fluido. Arrivata alle acciaierie, la ghisa, viene trasformata in acciaio grazie ai convertitori ad insufflazione di ossigeno. I convertitori più importanti sono Martin - Siemens, Bessemer, Thomas e Linz Donawitz (L.D.), anche se il più usato è il L.D. Questi convertitori, tramite l'introduzione di ossigeno, riducono la percentuale di carbonio presente nella ghisa. L'acciaio infatti, è una lega di carbonio e ferro, in cui la percentuale di carbonio varia dallo 0,1% all'1,9%.

Bibliografia

• Gianni Arduino; Renata Moggi, Educazione tecnica, 1^a ed., Lattes, 1990.
• William F. Smith, Scienza e tecnologia dei materiali, 2^a ed., McGraw-Hill, 1995. ISBN 88-386-0709-5

Voci correlate

• Ghisa
• Ghisa sferoidale
• Ghisa bianca
• Ghisa grigia
• Cubilotto
• Ricuperatori Cowper
• Gas d'altoforno

Altri progetti

• Commons

• Commons contiene file multimediali su Altoforno

Collegamenti esterni

• Numerose foto di altoforni

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