L’acciaio è uno dei materiali più utilizzati al mondo, in modo particolare in ambito edile, ingegneristico e per la produzione di macchine. Si stima che ad oggi ci sono oltre 20 milioni di tonnellate di acciaio in uso, pari a ben oltre 2 tonnellate per ogni persona presente sulla Terra.
Gli acciai sono leghe di ferro e carbonio, contenenti anche altri metalli e non-metalli. La composizione di un acciaio è modulata al fine di conferire al materiale le specifiche proprietà richieste.
Il termine lega per l’acciaio è ristretto ai materiali contenenti combinazioni di uno o più dei seguenti elementi: nichel, cromo, tungsteno, molibdeno, vanadio, manganese, cobalto, rame, niobio, zirconio, selenio e piombo.
Gli acciai possono essere ripetutamente riciclati senza perdita delle loro prestazioni.
Impieghi dell’acciaio
Il settore edile è il principale utilizzatore dell’acciaio, spaziando dalla costruzione di piccoli edifici a grandi ponti, e lo utilizza in svariati modi, anche all’interno di singole costruzioni. Nella costruzione di un ponte, per esempio, l’acciaio può essere utilizzato per le funi di sospensione, la pavimentazione della strada, le travi fra le colonne, le barriere di sicurezza e le colonne luminose.
Una grande quantità di acciaio viene anche impiegata per rinforzare il calcestruzzo.
Il cromo aumenta la resistenza dell’acciaio alla corrosione e il quantitativo minimo del 12% è necessario per produrre l’acciaio inossidabile. Gli acciai inossidabili più conosciuti contengono circa il 74% di ferro, il 18% di cromo e l’8% di nichel (noto con il nome di acciaio inossidabile 18/8).
L’acciaio inossidabile è forse quello più diffuso per la produzione di utensili da cucina (lavelli, bollitori e posate).
La Figura 2 mostra la barriera nel fiume Tamigi per proteggere Londra I dalle inondazioni. È un sistema di paratie vuote placcate in acciaio inossidabile. Per gentile concessione di Peter Trimming. 
La Figura 3 mostra la struttura intrecciata dello Stadio Olimpico di Pechino realizzata in lamiera d’acciaio. Non avvolti, i fili del “Nido d’uccello” si estenderebbero per 36 Km. Per gentile concessione dell’Associazione mondiale dell’acciaio.
Gli acciai usati per la fabbricazione di grandi costruzioni sono spesso prodotti dal ferro che è stato trattato con magnesio fuso per rimuovere i solfuri.
Acciai contenenti molibdeno, vanadio, cromo e tungsteno in varie combinazioni danno origine a materiali caratterizzati da elevata durezza e da fragilità. Questi vengono utilizzati, ad esempio, nelle punte da trapano che necessitano un bordo tagliente. Gli acciai sono ampiamente utilizzati nella produzione di motori elettrici, generatori di corrente (nucleare, combustibili convenzionali ed eolici), ingranaggi e motori che devono risultare molto robusti e resistere alla alte temperature.
Per gentile concessione di World Steel Association.
Gli acciai al cobalto trovano impiego come magneti mentre quelli al nichel sono usati nella costruzione di reattori nucleari.
Esiste un gruppo di acciai noti come Acciai Avanzati ad Alta Resistenza, AHSS, che sono acciai trattati in modo speciale tali da poter essere laminati in strati molto sottili senza perdere la resistenza necessaria per lo scopo specifico. Questi sono particolarmente impiegati nella produzione di automobili, contribuendo a ridurre la massa complessiva e quindi a diminuire il consumo di carburante.
Gli acciai con un sottile rivestimento di stagno vengono impiegati per produrre lattine per bevande e contenitori per alimenti. Gli acciai rivestiti in vari modo con lo zinco sono impiegati nelle coperture dei tetti, per esempio, e nelle automobili perché lo zinco protegge dalla ruggine.
Produzione annuale di acciaio
| Mondo | 1621 milioni di tonnellate |
| Cina | 804 miioni di tonnellate |
| Giappone | 105 milioni di tonnellate |
| India | 89 milioni di tonnellate |
| Stati Uniti | 79 milioni di tonnellate |
| Russia | 71 milioni di tonnellate |
| Corea | 70 milioni di tonnellate |
| Germania | 43 milioni di tonnellate |
Produzione dell’acciaio
Esistono due processi principali utilizzati per produrre l’acciaio. Il processo con ossigeno di base, utilizzato per la maggior parte della produzione di acciaio, impiega ferro appena prodotto dall’altoforno insieme ad alcuni rottami di acciaio.
Il processo che vede l’impiego del forno elettrico ad arco utilizza solo rottami di acciaio.
Processo con ossigeno di base
Il forno (noto anche come convertitore o recipiente) è caricato con rottami di acciaio (fino a circa il 30%) e con ferro fuso da una siviera.
Una lancia ad ossigeno raffraddata ad acqua ricircolante viene introdotta nel forno e ossigeno ad elevata purezza viene iniettato nel recipiente ad una velocità doppia rispetto al suono, assicurando la conversione delle impurezze nei corrispondenti ossidi.
Le reazioni chimiche principali sono:
Ad eccezione del monossido di carbonio, i prodotti reagiscono con la calce viva, aggiunta durante l’introduzione dell’ossigeno tramite lancia, formando scorie.
Le reazioni sopra riportate sono tutte esotermiche e vengono aggiunte quantità controllate di rottame come refrigerante con lo scopo di mantenere la temperatura al valore desiderato.
L’acciaio in questa fase contiene circa lo 0,04% di carbonio.
Processo con forno elettrico ad arco
I rottami di acciaio vengono prima rovesciati da un carroponte in una fornace. Lo scarto proviene da tre fonti:
- Rottami domestici: materiali in eccesso da acciaierie e fonderie.
- Rottami industriali: materiali da processi che utilizzano l’acciaio (come l’acciaio in eccesso dalla fabbricazione delle automobili).
- Rottami obsoleti: prodotti usati scartati (ad esempio, lattine usate).
La fornace è un bagno circolare con un tetto mobile attraverso il quale sono sollevati o abbassati tre elettrodi di grafite. Questi elettrodi sono enormi, spesso alti 6 m e larghi 4 m, e la fornace può contenere oltre 100 tonnellate di acciaio liquido.
Dopo che i rottami di acciaio sono stati posti nel forno, il tetto viene posizionato e gli elettrodi abbassati nella fornace.
Un arco viene innescato dal passaggio di corrente elettrica attraverso il metallo. Il calore generato fonde i rottami metallici.
Calce viva (come ossido di calcio o carbonato di calcio), fluorite (che aiuta a mantenere le scorie calde fluide) e minerale di ferro vengono aggiunti e questi si combinano con le impurezze per formare le scorie. Quando l’acciaio ha raggiunto la composizione corretta, le scorie vengono rimosse e l’acciaio spillato dalla fornace.
Le scorie vengono trattate in modo da recuperare l’eventuale ferro rimasto e il residuo viene poi impiegato per produrre materiali aggregati.
Per gentile concessione dell’Associazione mondiale dell’acciaio.
Produzione di acciaio secondaria
Il termine produzione secondaria viene spesso utilizzato quando si fa riferimento al riciclo. Tuttavia, nella produzione di acciaio, il termine produzione di acciaio secondario si riferisce alla produzione di acciai necessari per scopi specifici richiedenti l’aggiunta di quantità altamente controllate di altri elementi.
L’acciaio fuso derivante da entrambi i processi viene trasferito in una siviera dove vengono aggiunti gli elementi di lega.
Il processo fornisce un controllo preciso delle impurezze nocive (in particolare zolfo, fosforo e, in alcuni casi, tracce di metalli ed idrogeno) aggiungendo specifici materiali tramite iniezione in siviera. Ad esempio, l’alluminio ed il silicio vengono introdotti per ridurre qualsiasi materiale ossidato.
Altre tecniche utilizzate per aiutare a migliorare la qualità dell’acciaio includono l’agitazione (agitazione in siviera) e la rimozione sottovuoto dei gas (degasaggio sottovuoto).
Colata
L’acciaio è prodotto in tre forme e quella scelta dipende dal suo utilizzo finale:
- a forma di lastra, un pezzo di metallo lungo e spesso con una sezione trasversale rettangolare
- a forma di fiore, un lungo pezzo di metallo a sezione quadrata
- a forma di billetta, simile alla forma di fiore ma con una sezione più piccola.
La maggior parte dell’acciaio viene continuamente colata nella forma desiderata, ma una piccola quantità (circa il 10-20%) viene prima colata in lingotti che vengono raffreddati e poi lavorati per produrre la forma richiesta.
La colata è un insieme molto preciso di processi. Le seguenti descrizioni sono uno schema.
Colata continua
Nella colata continua, l’acciaio, ancora fuso dalla fornace, viene colato in uno stampo raffreddato ad acqua (abbondante) dal quale emerge come un trefolo che si solidifica in superficie. Il trefolo passa attraverso una serie di rulli che sono spruzzati con acqua per produrre il solido (una lastra, un fiore o una billetta) che viene quindi inviato per essere laminato a caldo.
Colata di lingotti
L’acciaio fuso viene versato in uno stampo in ghisa per solidificare sotto forma di lingotto. Questo generalmente pesa meno di 20 tonnellate ma i pezzi forgiati dal rotore possono pesare fino a 500 tonnellate.
Una volta che il lingotto è solidificato, lo stampo viene rimosso. Ogni lingotto è di dimensione e massa accuratamente prestabilite da cui possono essere laminati articoli della dimensione richiesta.
Laminazione
I prodotti in acciaio sono classificati in prodotti piani e prodotti lunghi. Le lastre di acciaio vengono laminate per produrre prodotti piani, ad esempio lamiere di acciaio per la costruzione di navi. La lastra viene ulteriormente arrotolata per produrre lastre più sottili, impiegate, ad esempio, per la produzione di automobili.
Le forme a fiore e billette sono usate per rotolare lunghe barre di acciaio destinate alla costruzione ed alla trafilatura in fili.
Spesso questo stadio di processo è composto da tre fasi, laminazione a caldo, laminazione a freddo e trafilatura.
La laminazione a caldo si verifica quando le forme a lastra, a fiore e a billetta vengono riscaldate in una fornace fino ad incandescenza (circa 1400 K) e poi laminate fino a quando non hanno acquisito la forma desiderata.
La velocità alla quale l’acciaio caldo viene successivamente raffreddato è un parametro cruciale, che influisce sulla resistenza e sulle altre proprietà dell’acciaio. Il raffreddamento avviene spruzzando acqua mentre l’acciaio passa attraverso rulli.
Durante quest’ultimo processo, l’ossigeno dell’aria reagisce con il ferro caldo formando uno strato molto sottile di ossido di ferro (III) sulla superficie. Appare di colore blu/grigio (solo quando è più spesso appare di colore rosso). Questo deve essere rimosso dalla superficie prima dello stadio successivo, altrimenti il prodotto finale risulterà attaccabile dalla ruggine e non idoneo alla zincatura con zinco ed agli altri trattamenti superficiali.
Il processo di stripping è noto come decapaggio. L’acciaio è fatto passare attraverso diversi bagni di acido cloridrico (a volte acido solforico) che rimuove l’ossido senza attaccare il metallo. L’acido esaurito viene riciclato.
L’acciaio “decapato” viene quindi sottoposto a laminazione a freddo. Come suggerice il nome, l’acciaio, dopo laminazione a caldo, viene laminato a freddo e gradualmente compresso fino allo spessore richiesto. Questo migliora la qualità della superficie e indurisce anche l’acciaio. Durante la ricottura (scaldando con molta attenzione), l’acciaio può essere pressato in forme prive di crepe. Tale lastra viene utilizzata, per esempio, in campo automobilistico. Le lattine di acciaio vengono pressate con i lati e il fondo come un’unica entità, che richiede solo il montaggio della parte superiore dopo il loro riempimento. Fili molto resistenti sono prodotti mediante trafilatura a freddo.
Riciclo
Il recupero dei rottami di acciaio costituisce probabilmente il processo di riciclo su più larga scala al mondo. Lo scarto fa parte della carica per il processo con ossigeno di base mentre costituisce la carica completa per il processo con forno elettrico ad arco. Circa il 40% dei materiali contenenti ferro utilizzati nella produzione dell’acciaio proviene oggi da fonti riciclate. Si stima che riciclando 1 tonnellata di acciaio si possa risparmiare 1,1 tonnellate di minerale di ferro, 0,6 tonnellate di carbone e 0,5 tonnellate di calcare, raggiungendo un risparmio energetico totale del 60-75%.
Ultimo aggiornamento 26 settembre 2016
Edizione italiana a cura di Claudia Antonetti e Valter Ballantini 16 dicembre 2020
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