Ghisa
Estrazione del ferro per la produzione della ghisa
Il ferro si trova in quantità esigua allo stato puro (meteorico e tellurico), ma è invece abbondante allo stato combinato, sotto forma di ossidi, carbonati, misti a ganga e impurezze. Per essere estraibile deve essere contenuto nel minerale in quantità non inferiore al 25-30% e privo di quantità elevate di elementi come arsenico e zolfo. E’ l’elemento più abbondante all’interno della terra ed è estratto dai giacimenti nei seguenti minerali: ematite, magnetite, limonite siderite.
L’ematite (Fe2O3) è un sesquiossido di ferro anidro. Polverizzata, assume sempre colore rosso. I maggiori giacimenti si trovano in America, Svezia, Inghilterra, Germania e Spagna.
La magnetite (Fe3O4) è un ossido salino di ferro, di colore nerastro, con il più alto contenuto di ferro e con intensa proprietà magnetica. Si trova in Val d’Aosta (Cogne), Svezia, Norvegia.
La limonite è un sesquiossido idrato (Fe2O3xH2O) di colore giallo-bruno, di aspetto terroso, granulare, fibroso e raggiante con il 60% di ferro. Le masse terrose sono chiamate ocre e utilizzate come coloranti. Si trova in grande quantità in Lorena e Lussemburgo.
La siderite (Fe CO3) è un carbonato ferroso di colore giallo scuro. Contiene poche impurezze e si trova in Inghilterra, Spagna, Sardegna.
La pirite (Fe S2) è un bisolfuro di ferro, con un alto contenuto di zolfo.
Dai minerali ferrosi si ottengono ghisa, acciaio, ferro dolce.
Fabbricazione della ghisa
La ghisa è una lega di ferro e carbonio, contenuto in quantità percentuale dal 2 al 5% circa, che si ottiene da reazioni chimiche in altoforno durante la combustione della sua carica. Esso ha forma di due tronchi di cono, uniti per la base maggiore, dal diametro di cinque - sette metri e altezza di venti-trenta, rivestito internamente di mattoni refrattari e all'esterno di lamiera. Dalla sua parte superiore, detta bocca, scendendo verso il basso, si distingue il tino, compreso tra la zona di essiccazione e quella sottostante di riduzione. Segue il ventre, che corrisponde al punto di unione dei due coni, cui segue la sacca con la sua zona di carburazione e il crogiuolo con la zona di fusione. Dalla parte superiore i gas caldi della combustione, purificati dalle polveri, sono riutilizzati per preriscaldare gli altiforni.
L’altoforno con temperature decrescenti dal basso (oltre1500°) verso l’alto (oltre150°), è caricato dalla bocca con strati alterni di minerali di ferro, carbone coke e fondenti acidi, come quarzo e silice, nel caso la ganga (sostanze estranee da eliminare dal minerale) sia basica e nel caso invece sia acida con quelli basici, come calcari e dolomiti. I fondenti reagiscono con la ganga e si ottengono perciò scorie o loppe liquide, formate da silicati di calcio, magnesio, alluminio, utilizzati per la produzione di cementi (clinker). Alla base della sacca dell’altoforno attraverso una serie di fori (ugelli) s’insuffla aria e ossigeno preriscaldati. Questi causano la combustione del carbone con formazione di anidride carbonica, che alla presenza di carbonio in eccesso è ridotta a ossido di carbonio:
CO2 + C = 2CO
Il materiale nella parte superiore del tino (zona di essiccazione) si essicca e perde le impurezze volatili. Nel tino (zona di riduzione) gli ossidi di carbonio della corrente, composta di gas ascendenti (riducenti), riducono gli ossidi di ferro, togliendo a essi l’ossigeno e mettendo in libertà il ferro. Le reazioni si susseguono a stadi, dalle temperature più basse a quelle più alte. In sintesi si ha:
FeO +CO=Fe+CO2
Il ferro si scioglie nella sacca (zona di carburazione) e si combina con il carbonio, formando una lega: la ghisa. Questa si raccoglie nel crogiuolo e si libera dalle scorie, che essendo più leggere, galleggiano sulla ghisa e colano all’esterno da un foro posto nella parte alta del crogiuolo. Da un foro di colata inferiore è raccolta la ghisa in un ampio contenitore di acciaio, rivestito di materiale refrattario: siviera. Può avere dimensioni diverse. Montata su un locomotore ferroviario, il carro siviera o siluro, può trasportare tonnellate di ghisa fusa alle acciaierie, dove è sottoposta a operazioni preliminari, che eliminano le impurezze: desolforazione, defosforazione, desilicizzazione. Le acciaierie di solito in modo più economicamente razionale formano un unico complesso produttivo con gli altiforni. La ghisa colata, inoltre, può essere inviata in lingotti alle fonderie per essere trasformata in prodotti finiti.
Proprietà della ghisa
La ghisa è molto dura, fragile, non è duttile, né malleabile, né elastica e si classifica in bianca e grigia. La ghisa bianca si ottiene per raffreddamento veloce ed è generalmente trasformata in acciaio. Ha colore bianco argenteo e frattura cristallina e in essa il carbonio è combinato con il ferro, come carburo o cementite (Fe3C). La ghisa grigia si ottiene per lento raffreddamento. E’ di colore grigio scuro ed è costituita da ferro puro e granuli di grafite, utilizzata per fabbricare oggetti. Si possono ottenere inoltre ghise speciali, meno dure e più tenaci o resistenti all’azione di acidi o utilizzate per ottenere acciai speciali.
Stufa di ghisa