Il Ferro è il secondo metallo più abbondante nella crosta terrestre (dopo l’alluminio) e viene prodotto più ferro di tutti gli altri metalli messi insieme. I minerali, che sono principalmente gli ossidi, vengono ridotti a ferro con carbonio (coke) ad alte temperature in un altoforno. Oltre il 98% di questo viene convertito direttamente in acciaio senza nemmeno essere lasciato solidificare dopo aver lasciato il forno in cui è realizzato. Una quantità relativamente piccola viene utilizzata come ghisa e ferro battuto.
Impieghi del Ferro
Una piccolissima percentuale di ferro viene utilizzata come ghisa. È puro al 92% circa e contiene un po’ di carbonio (2-5%) che lo rende fragile, insieme a quantità minori di silicio (1-3%), manganese, fosforo e zolfo, presenti come impurità. Era tradizionalmente utilizzato per prodotti come termosifoni, camini, grondaie, dissuasori e lampioni. Tuttavia, a causa della sua fragilità e tendenza alla ruggine, è stato sostituito da altri materiali per la maggior parte di questi usi, sebbene gli oggetti in ghisa siano ancora realizzati per le loro qualità estetiche. Il ferro battuto contiene meno dello 0,15% di carbonio ed è stato prodotto riducendo il minerale di ferro allo stato solido e quindi martellandolo per rimuovere le scorie. Poiché poteva essere piegato e modellato a martello, veniva utilizzato per cancelli “tradizionali”, mobili da giardino e altri prodotti decorativi. Questi sono ora realizzati principalmente in acciaio e il vero ferro battuto non viene più prodotto in quantità.
Produzione annuale di Ferro
La rapida crescita economica in Cina è stata accompagnata da un’espansione nelle industrie del ferro e dell’acciaio. Quasi il 50% di tutto il ferro prodotto nel mondo è prodotto in Cina.
| Mondo | 1180 milioni di tonnellate |
| Cina | 710 milioni di tonnellate |
| Giappone | 84 milioni di tonnellate |
| India | 54 milioni di tonnellate |
| Russia | 51 milioni di tonnellate |
| Corea | 47 milioni di tonnellate |
| Brasile | 30 milioni di tonnellate |
| Germania | 28 milioni di tonnellate |
| U.S.A | 26 milioni di tonnellate |
U.S Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2016.
Produzione del Ferro
Il ferro è prodotto dalla riduzione del minerale di ferro, che spesso è una miscela di ossidi, utilizzando carbonio, monossido di carbonio e idrogeno. Mentre l’altoforno è il processo di riduzione prevalente, stanno emergendo altre tecnologie che operano su scala minore. Queste fanno riferimento a luoghi in cui vi è un’abbondante fornitura di gas naturale o carbone di bassa qualità.
La produzione del ferro ha due fasi, la preparazione delle materie prime e la riduzione dell’ossido di ferro in ferro.
(a) Preparazione delle materie prime:
Il ferro è uno degli elementi più abbondanti sulla Terra ei suoi minerali contengono comunemente ossigeno, silicio, manganese, fosforo e zolfo. I principali minerali presenti nella materia grezza includono l’ematite (Fe2O3) e la magnetite (Fe3O4). Gran parte del minerale viene estratto in Australia, Brasile, Cina, India, Russia e Stati Uniti. La maggior parte dei minerali contiene più del 60% di ferro e viene impiegata allo stato minerale in un altoforno. Il minerale contenente meno ferro di questa percentuale viene prima frantumato e macinato in polvere e concentrato mediante flottazione. Viene quindi arrotolato in palline e riscaldato in un forno per produrre pellet delle dimensioni di biglie. Questo processo avviene vicino alla miniera, riducendo il trasporto a lunga distanza di materiale di scarto (argille e altri silicati).
Il coke, un solido poroso, fornisce carbonio per le reazioni di riduzione ed è anche il principale combustibile utilizzato nel forno. Viene prodotto in loco riscaldando il carbone a circa 1200 K in assenza di aria per un massimo di 20 ore in una batteria di cokeria. Il residuo è il coke e una serie di composti volatili viene eliminata. Vengono prodotti anche un gas, un gas di carbone (principalmente monossido di carbonio e idrogeno), e un catrame nero da cui si possono ottenere composti utili come il benzene. Il gas di carbone viene utilizzato come combustibile in loco.
L’ossigeno è necessario per la combustione del carburante (per creare una temperatura elevata) e partecipa anche alle reazioni del forno. Per aiutare a mantenere la temperatura del forno, l’aria viene fatta passare attraverso un tubo che circonda il forno (un tubo di trambusto) e quindi attraverso gli ugelli (tuyeres) nel forno (Figura 3) a circa 1500 K. Molti forni ora usano “aria arricchita di ossigeno” che riduce la quantità di gas che passa attraverso il forno e garantisce anche che le reazioni siano complete. In alcuni forni viene iniettato olio o gas naturale con l’aria preriscaldata, sostituendo fino al 40% del coke. Ciò riduce sia la dipendenza dal carbone sia la necessità di lavorare i sottoprodotti delle cokerie, che possono essere difficili da vendere. In alternativa, il carbone finemente polverizzato può essere iniettato direttamente come fluido nel forno, eliminando la necessità di forni da coke. Alcuni produttori stanno sperimentando l’utilizzo di rifiuti di legno o plastica come combustibile.
(b) La riduzione dell’ossido di ferro in ferro (Altoforno)
Gli altiforni sono grandi costruzioni ingegneristiche, parte delle quali consiste in un cilindro d’acciaio alto fino a 30 m, rivestito con mattoni speciali in grado di resistere a temperature molto elevate. Questi sono anche raffreddati ad acqua. Il punto più largo del forno, il focolare nella parte inferiore, è tipicamente di 9 m di diametro, sebbene possa essere più grande. I forni funzionano più o meno continuamente per un massimo di 15 anni a pressioni fino a 5 atmosfere e temperature interne superiori a 2000 K. Possono produrre fino a 10.000 tonnellate di ferro fuso al giorno, fino a 50 milioni di tonnellate nel corso della vita della fornace.
Per gentile concessione della World Steel Association.
L’altoforno utilizza minerale di ferro di alta qualità o pellet di minerale di ferro insieme a coke e calcare. In un moderno altoforno, la massa di ogni componente e la tempistica della sua aggiunta al forno sono controllati da computer, rispondendo automaticamente alle condizioni prevalenti in quel momento nel forno. I componenti vengono aggiunti in piccole quantità ogni 10-15 minuti nella parte superiore del forno. Nella fornace si consente la formazione di una pressione di circa 1,7 atm, per una migliore combustione del coke e di altri combustibili e una maggiore produzione di ferro.
L’aria calda arricchita di ossigeno viene soffiata vicino al fondo, i tubi sono noti come “tuyeres” (Figura 3). Molte reazioni avvengono mentre i gas si fanno strada verso l’alto. Il coke reagisce con l’ossigeno nel forno per formare monossido di carbonio, un agente riducente:
Se si utilizza petrolio o gas naturale, gli idrocarburi producono un secondo agente riducente, l’idrogeno:
Le temperature variano all’interno del forno, le temperature più alte sono nella parte inferiore e le più basse nella parte superiore, quindi le varie reazioni avvengono a diversi livelli nel forno. Vicino alla parte superiore del forno, a circa 750 K (al di sotto del punto di fusione del ferro), i composti del ferro (III) vengono ridotti a ferro (II) (ad esempio Fe2O3 in FeO) dal monossido di carbonio e dall’idrogeno. Più in basso nel forno, dove fa più caldo, si completa la riduzione a ferro.
Le equazioni complessive per la riduzione possono essere espresse come:
Il ferro fuso scorre verso il basso e si raccoglie sul fondo del forno. Man mano che discende assorbe carbonio, fosforo, zolfo e piccole quantità di altri elementi come manganese e silicio dai minerali, coke e calcare. Nelle regioni della fornace dove la temperatura è superiore a 1150 K il calcare si dissocia, producendo ossido di calcio:
L’ossido di calcio, che è una base, reagisce con le impurità acide nel minerale, formando una scoria di alluminosilicato. Questa assorbe anche gran parte dello zolfo presente nelle varie materie prime. La scoria liquida scorre sul fondo del forno, formando uno strato sopra il ferro fuso. Il ferro fuso (con una purezza del 90-95%, la principale impurità è circa il 4% di carbonio) e le scorie liquide vengono rimosse dal focolare attraverso i fori alla base del forno.
Per gentile concessione di United States Steel.
Di solito il ferro fuso viene inviato direttamente alle acciaierie come carichi di 300 tonnellate in siviere di trasferimento rivestite di refrattario, a forma di siluro.
e gli ugelli nell’altoforno.
Le scorie vengono scaricate, ogni poche ore, raffreddate e quindi avviate al trattamento per realizzare sottoprodotti come cemento e prodotti isolanti o per essere utilizzate per la costruzione di strade. Il gas che esce dalla parte superiore del forno contiene azoto, monossido di carbonio, anidride carbonica, idrogeno, vapore acqueo e polvere. Dopo aver rimosso la polvere, il gas, miscelato con gas naturale, viene utilizzato come combustibile per riscaldare i mattoni confezionati nelle “stufe”. Il calore di queste stufe viene utilizzato per preriscaldare il getto d’aria. Queste misure di risparmio energetico hanno un impatto importante sull’economia complessiva del funzionamento dell’altoforno. Altre misure includono l’uso di aria arricchita di ossigeno nel forno, l’uso di idrocarburi come combustibili ausiliari, il funzionamento del forno a una pressione più elevata, la riduzione al minimo dell’uso di calcare e la preparazione delle materie prime in modo che i processi chimici all’interno del forno abbiano luogo più rapidamente e utilizzare la quantità minima di carburante.
Rimozione dello zolfo
Alcuni acciai necessitano di una concentrazione molto bassa di zolfo, che può renderlo fragile e può portare a cedimenti strutturali. A differenza di altre impurità che vengono rimosse dal metallo caldo mediante ossidazione nel convertitore di ossigeno, il metodo più economico per rimuovere lo zolfo dal ferro caldo è prima del processo di produzione dell’acciaio. Viene fatto aggiungendo un reagente. Spesso viene utilizzata la calce ma il magnesio è molte volte più efficace. I reagenti, con azoto come gas di trasporto, vengono iniettati ben al di sotto della superficie del ferro fuso, un processo noto come iniezione profonda. Per esempio:
Le scorie ricche di zolfo generate durante il processo vengono rimosse scremando rapidamente la schiuma mentre si forma.
Per gentile concessione di Marco Vetch (Wikimedia Commons)
Ultimo aggiornamento 3 ottobre 2016
Edizione italiana a cura di Matteo Nardone e Valter Ballantini 15 novembre 2020