La ghisa: una lega ferro-carbonio

La ghisa è una lega  ferro-carbonio, contenente anche altri elementi, con un tenore di carbonio superiore al 1.98%.

Composizione

In realtà il contenuto medio del carbonio nella ghisa è molto più alto di tale limite inferiore e oscilla intorno al 4.3%.

Tra i componenti accessori delle ghise sono sempre presenti:

• silicio
•  manganese
•  fosforo
•  zolfo
• e piccole quantità di nichel, cromo e arsenico in dipendenza dei minerali utilizzati.

Questi componenti accessori  possono essere altamente dannosi e indesiderati (ad es. zolfo e arsenico) ma possono essere anche benefici entro certi limiti. Le ghise sono distinte per l’uso a cui esse sono destinate.

Tipi di ghisa

Si hanno così le ghise da:

• fonderia, che sono utilizzate come materiale strutturale sotto forma di getti
• acciaieria che sono inviate alla produzione di acciaio del ciclo produttivo del quale sono un intermedio.

Gli elementi accessori sempre presenti nelle ghise impartiscono loro diverse caratteristiche.

Ruolo del silicio

Il silicio è benefico nelle ghise da acciaieria per la forte esotermicità della sua reazione di ossidazione in fase di conversione in acciaio.

Inoltre, a causa della sua forte affinità per l’ossigeno, svolge:

• un’azione di controllo di quest’ultimo
• di protezione del ferro e del carbonio nei riguardi di un’eccessiva ossidazione in fase di rifusione.

Nelle ghise da fonderia il silicio svolge un utile ruolo come elemento grafitizzante, favorendo la segregazione di grafite . Essa  porta all’ottenimento di ghisa grigia, preferita nell’uso alla ghisa bianca nella quale, invece il carbonio è presente prevalentemente sotto forma di cementite.

Ruolo del fosforo

Il  fosforo nelle ghise da acciaieria è indesiderabile perché deve essere eliminato essendo nocivo negli acciai. D’altra parte il fosforo è spesso presente.

Tipicamente sotto forma di apatite e di fosfato ferroso Fe₃(PO₄)₂ come elemento accessorio in molti minerali ferrosi oltre che nelle ceneri del coke. Nell’altoforno è completamente ridotto passando nel metallo.

Altri elementi

Il manganese, per la sua grande affinità sia con lo zolfo che con l’ossigeno agisce da deossidante e da desolforante. A causa della sua azione stabilizzante dei carburi favorisce nelle ghise da fonderia l’ottenimento della struttura della ghisa bianca.

La presenza di zolfo è sempre dannosa perché esso è uno stabilizzante dei carburi, fa diminuire la fluidità della ghisa e degrada le caratteristiche meccaniche sia della ghisa che degli acciai. Per quel che riguarda le caratteristiche impartite alla ghisa dal carbonio, nel caso delle ghise da fonderia, si fa in modo che non solo esso sia preponderatamente presente sotto forma di grafite invece che di carburo, ma è inoltre necessario che la grafite si segreghi in forma di lamelle di dimensioni sufficientemente ridotte o in forma nodulare.

I minerali utili per la produzione della ghisa sono la ematite, la magnetite, gli ossidi idrati, goethite e limonite, il carbonato, siderite e infine la pirite. Fra essi il più importante è l’ematite.

Processi nell’altoforno

Nell’altoforno hanno luogo processi e reazioni diversi che sono localizzati a diverse altezze, in funzione cioè della temperatura e delle caratteristiche dell’ambiente nel quale la carica si viene via via a trovare durante la sua discesa.

Nella parte alta del tino, nella quale la temperatura va dai ~ 150-200 °C alla bocca ~ 800 °C ha luogo prima l’essiccamento del materiale nelle zone più fredde, poi la riduzione parziale degli ossidi di ferro, con formazione di prodotti solidi, da parte del monossido di carbonio risalente dal basso. Verso gli 800°C inizia anche la decomposizione del carbonato presente nella carica.

Nella parte inferiore del tino, nella zona più bassa, nella quale la temperatura sale intorno ai 1200°C, è completata la decomposizione dei carbonati e prosegue la riduzione degli ossidi di ferro da parte del monossido di carbonio.

In questa zona la temperatura è sufficientemente alta perché l’equilibrio C + CO₂ ⇄ 2 CO sia spostato a destra: si ha così la gassificazione del coke da parte del biossido di carbonio prodotto nella riduzione degli ossidi di ferro.

Verso la parte bassa di questa zona gli ossidi di ferro sono già in buona parte ridotti, ma a causa della temperatura relativamente bassa, il ferro ridotto è presente allo stato solido sotto forma di spugna.

Al di sotto, nella zona della sacca, la temperatura sale intorno ai 1400-1500 °C e in questa zona è completata la riduzione degli ossidi di ferro e prosegue quella degli ossidi di manganese e fosforo che si ritrovano poi nella ghisa ed anche la silice inizia a essere ridotta. A causa della temperatura elevata si ha la formazione della prima scoria liquida in cui entrano a far parte anche gli ossidi di ferro e manganese ancora non completamente ridotti.

Carburatazione

Il ferro stesso diventa dapprima pastoso e poi completamente fuso e la dissoluzione del carbone (carburatazione) ne accompagna la fusione facilitandola. La parte fusa della carica (ghisa e scoria) gocciola verso il basso e, attraversata la zona delle tubiere, va a raccogliersi e a stratificarsi nel crogiolo. Nella zona di combustione si raggiungono temperature più alte, in media oltre i 2000°C nei gas.

Qui si verifica la combustione del coke da parte dell’aria preriscaldata soffiata.  Nel crogiolo, infine, avvengono ancora reazioni di ossidoriduzione tra la scoria fusa e le gocce  di ghisa che, più dense, la attraversano nella loro caduta verso il basso. Da queste interazioni metallo scoria dipende in gran parte la composizione finale della ghisa per quanto riguarda la presenza di componenti accessori: in particolare il tenore di zolfo nel prodotto finale è determinato, oltre che dalla presenza dell’elemento nella carica, anche dal buon andamento delle reazioni tra metallo e scoria, reazioni che sono soprattutto di desolforazione della ghisa e di equilibratura  del tenore di silicio.