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Proprietà e metallurgia della Ghisa
AREA I - ARTE TECNICO-SCIENTIFICA (ATS)
Cap. ATS-G11 - Proprietà metalli - Pag. ATS-G11.01
Gli argomenti trattati sono stati inseriti da Ing. Arch. Michele Cuzzoni nel 2012 - © Copyright 2007- 2024 - e sono desunti dalla documentazione indicata in Bibliografia a fondo pagina
Si definisce ghisa una lega di ferro-carbonio che contenga una percentuale di carbonio tra il 2,6% e il 6,67%,percentuali superiori al 4,5% si trovano solo nella ghisa di prima fusione cioè quella che non ha nessun utilizzo industriale.
In pratica è generalmente necessario più carbonio di quello che si può sciogliere nella austenite 1 (> 2%).
1 Fase del ferro, cubica a facce centrate. Nel caso delle leghe ferro-carbonio l’austenite è instabile al di sotto dei 723 °C, per cui si trasforma in ferrite e cementite. L’aggiunta di alcuni leganti, ad esempio il nichel, può ampliare il campo di stabilità dell’austenite portandolo, per certe concentrazioni di legante, fino a temperatura ambiente.
La ghisa è il prodotto finito risultante dai processi chimici e termici che avvengono all'interno dell'altoforno.
E’ una gigantesca costruzione di acciaio internamente rivestita di materiale refrattario che costituisce il fulcro del ciclo siderurgico integrale.
Qui in successione di fasi, il minerale di ferro, con l’intervento del carbon coke e dei fondenti, si trasforma in ghisa.
Il periodo di esercizio, durante il quale l’impianto non viene mai spento, può durare 7-8 anni, al termine dei quali viene rifatto il rivestimento refrattario. Ogni giorno 5000 tonnellate di minerale e 1800 tonnellate di carbone vengono consumati dall’altoforno. In esso si generano 2 correnti, una ascendente di gas, l’altra discendente di carica solida; le correnti sono simultanee e opposte, tra esse si svolgono intensi scambi di calore e complesse reazioni chimiche.
La corrente dal basso verso l’alto è costituita da gas formatosi nella zona di combustione che si formano per reazione del combustibile coke con l’aria insufflata all’interno dell’altoforno. La miscela gassosa dopo aver percorso in altezza l’altoforno viene raccolta nella parte superiore ed esce da un camino per essere utilizzata, una volta depurata dai servizi ausiliari necessari al funzionamento dell’impianto siderurgico.
La carica solida percorre zone a temperatura sempre più crescente per raggiungere in base lo stato liquido.
Le ceneri, le impurità del ferro si uniscono formando la scoria e la loppa di altoforno.
La separazione tra la ghisa e le scorie avviene per differenza di peso specifico che determinano il galleggiamento delle scorie sui liquidi di fusione. La loppa viene recuperata e utilizzata per fabbricare il cemento d’altoforno.
La ghisa liquida viene colata in un grande recipiente chiamato siluro. La colata avviene ogni 2,30 ore. Ogni giorno vengono estratte dall’altoforno ben 3500 tonnellate di ghisa liquida.
Il crogiolo raggiunge 10-15 metri di diametro e l’altezza dell’altoforno può superare anche 40 metri.
E’ una costruzione metallica, formata da una corazza esterna d’acciaio rivestita all’interno di mattoni refrattari. Le sue pareti sono raffreddate da un sistema di circolazione d’acqua.
1)
Bocca di carica: Situata nella parte superiore del forno, in essa vengono versate le cariche di minerali. In essa confluiscono 4 grosse tubazioni che raccolgono i gas dell’altoforno e li convogliano ai depuratori di polvere. Il sollevamento dei materiali fino alla bocca di carica del forno è realizzato mediante nastri trasportatori (Skips). All’inizio della bocca di carico la temperatura è di 250°C2)
Tino cilindrico: E’ la parte più lunga del forno e ha nella parte superiore forma cilindrica con temperatura di 400°C, nella parte inferiore ha forma tronco-conica con temperatura di 800°C. In questa zona i materiali refrattari oltre a subire l’azione di usura sono soggetti a sollecitazioni chimiche. L’allargamento verso il basso favorisce la discesa del materiale.3)
Ventre: A forma cilindrica la temperatura in esso raggiunge 1350°C, rappresenta la zona di maggior diametro del forno stesso. I refrattari usati in questa zona sono di tipo carbonioso poiché sono i più adatti alle sollecitazioni meccaniche e chimiche.4)
Sacca: A temperatura di 1600°C. E’ la parte immediatamente superiore al crogiolo e ha forma tronco-conica. In essa avviene la fusione; è la zona più sollecitata del forno a causa delle elevate temperature. La sua forma a imbuto permette al grosso della carica di fondere e scendere nel crogiolo. I refrattari della sacca sono carboniosi perché resistono all’attacco di scorie e consentono un raffreddamento efficace.5)
Crogiolo: E’ la zona più bassa del forno, rivestita in refrattari di carbonio, ha funzione di raccogliere i materiali fusi che si formano. Nella parte superiore del crogiolo si trova la bocca di colata della loppa e più in basso la bocca di colata della ghisa liquida.
La lavorazione nell'altoforno inizia con la preparazione della cosiddetta carica, ossia un composto a strati di minerale ferroso, coke e calcare, dopodiché questa è introdotta nella bocca dell'altoforno, sita sulla cima del tino, da montacarichi a piano inclinato.
La disposizione della carica è a strati alterni di minerale ferroso, coke e calcare.
L'aria calda proviene dal Cowper che è un tipo di scambiatore di calore rigenerativo in cui una corrente (d'aria) viene scaldata dal calore delle pareti divisorie di refrattario che a loro volta sono riscaldate dai gas usciti dalla bocca dell'altoforno. L'aria calda immessa nella parte bassa dell'altoforno reagisce sul coke che diventa subito incandescente grazie all'ossigeno in essa contenuto:
-
C + O2 → CO2 (+ 97.000 cal)
-
CO2 + C → 2CO
-
FeO + CO → Fe + CO2
ossia viene separato l'ossigeno dal ferro presente nei minerali caricati.
Quindi il ferro fuso per via delle alte temperature d'esercizio mescolandosi col carbonio del coke, si raccoglie nel crogiolo.
La corrente dei gas caldi che defluisce dalla parte alta del tino (dell'altoforno) preriscalda i materiali appena immessi provocandone anche la disidratazione.
L'estrazione della ghisa fusa (spillatura) e delle scorie avviene dal basso con l'altoforno acceso, in funzione.
Lo spillaggio avviene solitamente ogni 2-3 ore, ma tra il caricamento e l'estrazione del prodotto finito si calcola che intercorrano 6 ore.
Durante la colata della ghisa in siviera o carri siluro, all'esterno, il vento caldo proveniente dal Cowper viene arrestato (il crogiolo rimane caldo per circa un'ora senza aria calda).
Il processo di produzione della ghisa è
continuo, lo si interrompe solo quando il rivestimento refrattario
dell'altoforno, dopo anni d'utilizzo, deve essere rifatto o riparato.
La ghisa liquida così prodotta può essere inviata in acciaieria o essere colata
in lingottiere; lasciata raffreddare per essere inviata alla fonderia per
ulteriori lavorazioni o essere venduta così com'è.
GHISA di 1^ fusione (o ghisa semplice o grezza o di prima funzione): si ottiene dall’altoforno e contiene elevate percentuali di carbonio ( %C da 4 a 6 % ).
GHISA di 2^ fusione (o ghisa di qualità o legata o di seconda funzione): si ottiene rifondendo in apposito forno, la ghisa di prima fusione , con aggiunta di rottami di ferro ed altri elementi; si possono ottenere vari tipi ghisa.
La ghisa di seconda funzione è utilizzata nell’industria meccanica ed è creata unendo alla ghisa di prima funzione rottami di ferro, successivamente si raggiunge il tenore di carbonio voluto soffiando ossigeno che brucia il carbonio in eccesso. A seconda della disposizione chimica del carbonio si ottiene:
1) Ghisa bianca;
2) Ghisa grigia.
Ghisa in cui il carbonio non è presente sotto forma di grafite, ma pressoché tutto come cementite: Fe3C . Tale risultato viene ottenuto o intervenendo sulla composizione (ad esempio mantenendo basso il contenuto di silicio) o aumentando la velocità di raffreddamento.
E' dura ed è utilizzata per costruire vagoni ferroviari e carrelli locomotori.
L’estrema durezza non permette lavorazioni con macchine utensili (eccetto la molatura).
Ghisa contenente lamelle di grafite; la presenza di queste ultime impartisce il colore grigio alle superfici di frattura del materiale, da cui prende il nome questo tipo di ghisa.
E’ una ghisa fragile con scarsa resistenza a trazione.
E’una ghisa grigia, di largo impiego , avente le seguenti caratteristiche:
la sezione di frattura di colore grigio per la presenza di grafite in forma lamellare;
non è soggetta a deformazione plastica;
è in grado di assorbire le vibrazioni.
Per tali caratteristiche serve nella produzione di basamenti di macchine utensili, scatole per riduttori e cambi. La designazione inizia con la lettera G (Ghisa) seguita da un numero che rappresenta il carico minimo garantito alla rottura per trazione.
Esempio:
G 100 : ghisa grigia (G) con carico di rottura minimo garantito di 100 N/mmq.
G 245 : ghisa grigia (G) con carico di rottura minimo garantito di 245 N/mmq.
La ghisa grigia non legata serve nella produzione di parti di motori a combustione interna come i cilindri e organi soggetti a sbalzi di temperatura.
La designazione inizia con le lettere Gh (Ghisa hard-ness= durezza) seguite da un numero che rappresenta la durezza Brinell minima garantita.
Esempio:
Gh130 : ghisa per uso automobilistico (Gh) con durezza Brinell minima garantita pari a 130 punti.
Gh210 : ghisa per uso automobilistico (Gh) con durezza Brinell minima garantita pari a 210 punti.
Dalla ghisa bianca, mediante il trattamento termico di cottura si ottiene la ghisa malleabile che ha la composizione di cementite scomposta in granuli di grafite (ghisa meno dura).
E' una ghisa in cui Fe3C si decompone dopo solidificazione. Non sono presenti lamelle di grafite e il materiale è dotato di una certa duttilità. Sotto questo nome è nota una serie di prodotti siderurgici come la ghisa malleabile a cuore bianco (o ghisa europea), la ghisa malleabile a cuore nero (o ghisa americana), la ghisa malleabile perlitica.
Le ghise malleabili sono molto simili all'acciaio e sono impiegate nella produzione di manicotti e raccordi di tubazioni per acqua, alberi a gomito per motori a combustione interna etc. Sono ottenute con due processi particolari, quello europeo e quello americano.
Il processo europeo ha Io scopo di decarburare la ghisa privandola di carbonio, cosicché la sezione di frattura risulti di colore bianco. Le ghise ottenute con il processo europeo si dicono ghise malleabili bianche.
Il processo americano ha lo scopo di decomporre il carburo di ferro della ghisa di partenza, in grafite. La sezione di frattura risultante sarà di colore nero. Le ghise ottenute con il processo americano, si dicono ghise malleabili nere.
GMB 450 : ghisa malleabile a cuore bianco con carico di rottura minimo garantito di 450 N/mm2.
GMN 350 : ghisa malleabile a cuore nero con carico di rottura minimo garantito di 350 N/mm2.
Dalla ghisa grigia, durante il processo di solidificazione, con trattamenti chimici e fisici, si fa assumere alla grafite forma sferoidale; la grafite si dispone in piccoli grani migliorando la resistenza a trazione e la tenacità. Contiene anche silicio, manganese, nichel, fosforo e zolfo.
Per le sue proprietà è anche definita ferro duttile. La struttura di queste ghise è dovuta alla presenza di magnesio. Viene utilizzata per ingranaggi, ruote, ecc.
Tale ghisa grigia ha la caratteristica di avere la grafite in forma sferoidale che determina capacità di deformazione plastica, anche se minima. Data la sua tenacità e resistenza all'usura è adatta a produrre ruote dentate, guide di macchine utensili e bielle per motori.
La designazione inizia con le lettere GS (Ghisa Sferoidale) seguita da un primo numero che rappresenta il carico minimo garantito alla rottura per trazione, e un secondo numero che rappresenta il valore della deformazione plastica che può subire.
Esempio:
GS 400-12 : ghisa sferoidale (GS) con carico di rottura minimo garantito di 400 N/mm2e allungamento percentuale A pari al 12%.
GS 600-2 : ghisa sferoidale (GS) con carico di rottura minimo garantito di 600 N/mm2e allungamento percentuale A pari a 2 %.
Così chiamate per la struttura ad aghi che assicura una grande resistenza agli urti.
Contengono anche silicio, manganese, fosforo e zolfo.
-
Nichel: elemento grafitizzante, abbassa i punti critici di trasformazione, migliora le caratteristiche meccaniche, dà saldabilità e resistenza alle alte temperature ed agli ambienti corrosivi.
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Cromo: elemento antigrafitizzante, viene introdotto assieme al nichel per contrastare la formazione di grafite.
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Molibdeno: tampona l’azione grafitizzante del nichel, favorisce l’azione aciculare della grafite e dà quindi resistenza agli urti.
Le ghise vengono designate con la lettera G seguita da un numero che indica il carico di rottura a trazione garantito in MPa/10.
Avviene per normativa UNI (unificazione nazionale italiana).
G 15 UNI 5330/69 G sta per ghisa. 15= resistenza minima a trazione UNI = normativa 5330= numero della normativa 69= anno di costruzione
G = ghisa grigia
GH = ghisa per impieghi automobilistici
GS = ghisa sferoidale
GMB = ghisa malleabile a cuore bianco
GMN = ghisa malleabile a cuore nero
La ghisa si trova in commercio sottoforma di pani della sezione trapezoidale o semicircolare. Ha buona conducibilità termica, si usa per la costruzione di impianti di riscaldamento, caldaie e caminetti, ma anche per la costruzione di parti del motore nella catena automobilistica: basamenti, monoblocco, BL, raccordi dei tubi di scarico e per la costruzione di utensili. E' utilizzata anche per la costruzione di ceppi per campane.
Le ghise grigie sono meno dure e meno fragili delle bianche e possono essere lavorate con macchine utensili.
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