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La ghisa è una lega ferro-carbonio

tecnologia




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La ghisa è una lega ferro-carbonio a tenore di carbonio relativamente alto (> 2,8 %) ottenuta per riduzione o comunque trattamento a caldo dei minerali di ferro.

La produzione della ghisa avviene generalmente per riduzione degli ossidi di ferro mediante combustione di carbone a contatto degli stessi, in apparecchiature chiamate altiforni. Il minerale viene disposto a strati alternati con carbone a basso tenore di zolfo (solitamente coke) ed il ferro contenuto nel minerale, quando raggiunge lo stato fuso, cola verso il basso raccogliendosi in appositi contenitori.




L'altoforno viene caricato dall'alto con una miscela di coke, minerali di ferro e calcare. Il calore sviluppato dalla combustione del coke, favorita dall'alta temperatura (fino a 870° C) di un getto d'aria calda che investe dal basso e attraversa la carica, innesca una reazione chimica fra il carbonio del coke e l'ossigeno degli ossidi di ferro che costituiscono i minerali. Il ferro, liberatosi dai minerali, si lega con una parte di carbonio e forma ghisa fusa, che cola verso il basso. Periodicamente la ghisa viene estra 434b11e tta dal fondo, mentre un diverso canale di scolo permette di recuperare le scorie per avviarle a fasi successive del ciclo siderurgico.



Un acciaio di buona qualità si ottenne per opera di una tecnica ideata da Henry Bessemer nel 1855 e utilizzato fino al 1950.

La stampa a destra illustra il metodo Bessemer per la produzione dell'acciaio.


La ghisa proveniente dall'altoforno viene inserita nel "convertitore" Bessemer, un forno che può essere inclinato lateralmente per il suo caricamento e per la colata dell'acciaio. Vengono soffiate, dal basso,  grandi quantità di aria attraverso la massa fusa, in modo che l'ossigeno in essa contenuto riduca la quantità di carbonio della ghisa e si combini con le impurità, trasformandole in scorie solide galleggianti, facilmente asportabili(Loppa).

CONVERTITORE BESSEMER


tav38.jpg (660246 byte)

E una apparecchiatura usata per la produzione di grandi quantità di acciai a partire dalla ghisa fusa. L'apparecchiatura è costruita in ferro e rivestita internamente di materiale refrattario b. Essa può ruotare sul suo perno d, per le operazioni di carico e scarico. Il processo di decarburazione della ghisa avviene quando l'apparecchiatura è in posizione verticale, insufflando aria calda attraverso il condotto g-h-k fino ad ottenimento del tenore di carbonio richiesto.


Le immagini sottostanti rappresentano il momento finale del processo siderurgico in cui il metallo fuso viene colato in apposite forme dove solidifica, dando origine così a lingotti (semilavorati), pronti per essere ulteriormente forgiati e modellati per la produzione degli oggetti.

La qualità del metallo, ottenuta con i nuovi processi siderurgici, permise la costruzione di molti manufatti in ferro.

Il Processo H.Bessemaer trasforma la ghisa in acciaio.

Il procedimento di colata continua permette di ottenere una barra di profilo costante, accuratamente fusa ed inoltre le caratteristiche meccaniche risultano nettamente superiori, a parità di lega, a quelle di una tradizionale fusione in terra.

Proprietà dei vari tipi di acciaio dipendono principalmente dalla quantità di carbonio presente e dalla sua distribuzione nel ferro, dalle ferroleghe aggiunte e dai trattamenti termici subiti. Generalmente presentano buone proprietà meccaniche e sono lavorabili per deformazioni plastiche e con le macchine utensili; sono facilmente saldabili.



Quindi l'acciaio che costituisce il più importante prodotto della siderurgia, viene commercializzato in una grande varietà di tipi, ciascuno con caratteristiche diverse, classificabili secondo la composizione chimica, la struttura, il processo di produzione, l'impiego prevalente. Una classificazione molto comune distingue cinque grandi categorie.

Acciai al carbonio  
Costituiscono oltre il 90% di tutti gli acciai e contengono una quantità variabile, generalmente inferiore all'1,5%, di carbonio, un massimo di 1,65% di manganese, lo 0,60% di silicio e lo 0,60% di rame. Secondo il tenore o percentuale di carbonio, si dividono in:

acciai extradolci (meno dello 0,15%);

dolci (da 0,15% a 0,25%);

semiduri (da 0,25% a 0,50%);

duri (oltre lo 0,50%).

Gli acciai extradolci e dolci sono comunemente indicati come ferro. Parti di macchine, scocche di autoveicoli, la maggior parte delle strutture di acciaio degli edifici, scafi delle navi, chiodi, viti e bulloni sono solo alcuni dei prodotti realizzati con acciai al carbonio.

Acciai debolmente legati ad alta resistenza  
Rappresentano la più recente categoria di acciai e sono noti con la sigla HSLA (acronimo di high-strength low-alloy). Contengono solo piccole quantità di altri elementi quali, ad esempio, vanadio, e dunque sono in generale più economici dei normali acciai legati; vengono prodotti con particolari procedure, capaci di conferire loro una resistenza meccanica, anche alle basse temperature, e una resistenza alla corrosione superiori a quelle degli acciai al carbonio.

Acciai inossidabili
Contengono cromo (in quantità variabile tra il 12% e il 30%), nichel (fino al 35%) e altri elementi leganti, che li rendono brillanti e li proteggono dall'attacco degli agenti atmosferici e di gas e acidi corrosivi. Presentano una resistenza meccanica non comune, che possono mantenere anche per lunghi periodi a temperature estremamente alte o basse. La brillantezza della loro superficie li rende utilizzabili anche per scopi puramente decorativi. Trovano impiego nella realizzazione di tubature e serbatoi di raffinerie petrolifere e impianti chimici, di aerei a reazione e capsule spaziali ecc


DEFORMAZIONI PLASTICHE


Sono basate sulla proprietà dei materiali metallici di deformarsi permanentemente, acquistando una forma determinata, sotto l'azione di forze esterne. Questa proprietà tecnologica è la plasticità che comprende la malleabilità e la duttilità.


LAMINAZIONE

Il materiale è costretto a passare tra due cilindri rotanti in senso inverso l'uno rispetto all'altro e si trasforma in lamina; si sfrutta la proprietà tecnologia chiamata "malleabilità".

TRAFILATURA

Consiste nel far passare una barra di data sezione in un foro di sezione più piccola. La barra è sottoposta allo sforzo di trazione, per cui si deforma e si allunga, sfruttando la duttilità.

ESTRUSIONE

Consiste nel costringere il materiale a passare attraverso un'apertura detta "matrice" della forma voluta. Il materiale è sottoposto a uno sforzo di compressione e assume la forma e le dimensioni della matrice.

FUCINATURA



I materiali a caldo vengono deformati per mezzo di urti o pressioni con martelli.

STAMPAGGIO

I materiali vengono deformati per mezzo di urti o pressioni con magli o presse che forzano il pezzo fra due stampi.

IMBUTITURA

I materiali, in genere lamine, a freddo vengono deformati per mezzo di urti o pressioni con magli o presse che attivano un punzone contro una matrice.



USO DELL'ACCIAIO IN EDILIZIA

Acciaio e cemento: un patto inossidabile

Il concetto base del tondino in acciaio inossidabile è quello di salvaguardare la sicurezza delle costruzioni ed incrementare la loro durata di vita.
Le armature in acciaio inossidabile rispondono infatti ai requisiti statici richiesti dalle condizioni di progetto con ottime caratteristiche meccaniche che soddisfano gli standard richiesti dalle norme ministeriali e garantiscono, come già accennato, condizioni di durabilità notevoli nella resistenza alla corrosione: ciò porta indubbi vantaggi sul piano economico sia sul medio che sul lungo periodo ridimensionando così in misura determinante l'incidenza del maggior costo iniziale.

È importante infatti sottolineare come nella scelta di un materiale, particolarmente nel settore delle opere civili, debbono essere valutate e programmate tutte le implicazioni di carattere economico ad esso correlate (costi iniziali di acquisto, manutenzione e sua frequenza, effetti dei periodi di fuori servizio, perdita di produzione, costi di esercizio indotti quali manodopera e consumo energetico).



cemento armato (la cui definizione più corretta sarebbe calcestruzzo armato) è un materiale usato per la costruzione di edifici, ponti, gallerie, acquedotti, ecc. composto da calcestruzzo (una miscela di cemento, acqua, sabbia e aggregati, cioè elementi lapidei, come la ghiaia) e barre di acciaio annegate al suo interno. È un materiale utilizzato sia per la realizzazione dello scheletro degli edifici, al posto del più costoso acciaio, che dei solai o di manufatti come ad esempio, ma non solo, i muri di sostegno dei terrapieni. Come l'acciaio, anche il cemento armato può essere realizzato in officina per produrre elementi prefabbricati (in genere travi e pilastri). La produzione in officina permette di avere un miglior controllo sulla qualità del calcestruzzo, ma, essendo più costosa, viene utilizzata con regolarità quando le condizioni climatiche del cantiere sono proibitive (non a caso la prefabbricazione si è sviluppata moltissimo in Russia), o quando gli elementi da produrre richiedono dei controlli rigorosi, come può essere il caso di alcune tecnologie con le quali viene realizzato il cemento armato precompresso. In cantiere, la tecnologia del calcestruzzo gettato in opera ha il vantaggio di creare meno problemi nei nodi tra gli elementi, cioè in quei punti in cui si uniscono travi e pilastri.

Proprietà fisiche

Il cemento armato sfrutta l'accoppiamento di un materiale da costruzione tradizionale e poco costoso come il calcestruzzo, dotato di una notevole resistenza alla compressione ma con il difetto di una scarsa resistenza alla trazione, con un materiale molto più costoso quale l'acciaio ma dotato di un'ottima resistenza a trazione. Quest'ultimo è utilizzato in barre e viene annegato nel calcestruzzo nelle zone ove è necessario far fronte a degli sforzi di trazione.

La collaborazione tra due materiali così eterogeni è spiegata tenendo presenti due punti fondamentali:

  • Tra l'acciaio ed il calcestruzzo, si manifesta un'aderenza che trasmette le tensioni dal calcestruzzo all'acciaio in esso annegato. Quest'ultimo, convenientemente disposto nella massa, collabora assorbendo essenzialmente gli sforzi di trazione, mentre il calcestruzzo assorbe quelli di compressione.
  • I coefficenti di dilatazione termica dei due materiali sono sostanzialmente uguali.

Per aumentare l'aderenza tra i due materiali da qualche decennio al posto delle barre lisce d'acciaio vengono utilizzate barre ad aderenza migliorata, cioè barre sulle quali sono presenti dei risalti.

Durabilità

Inizialmente e per molti anni si pensò che il calcestruzzo armato potesse avere una vita eterna; purtroppo ciò è evidentemente falso, perché entrambi i materiali che lo costituiscono sono soggetti a problemi che ne compromettono la resistenza nel tempo.

Il calcestruzzo, se non adeguatamente protetto, può essere attaccato da sali presenti nell'acqua di mare e nell'aria in prossimità delle coste, da acidi dei fumi industriali, dal fenomeno della carbonatazione. Esso risente inoltre delle variazioni di temperatura, ed in particolare è vulnerabile al gelo.

L'acciaio, se non ben protetto da uno strato di calcestruzzo (copriferro), è soggetto ad ossidazione, cioè tende ad arrugginirsi. L'ossidazione fa aumentare il volume dell'acciaio che può così rompere ed espellere il calcestruzzo che lo ricopre








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