INTRODUZIONE

La produzione di acciaio, vecchia di ben tremila anni (risalente all’ “Età del Ferro”, appunto), si basa oggi sul processo – perfezionato nel corso dei secoli - di riduzione del minerale ferroso in altoforno utilizzando come combustibile il carbon coke (1). Il prodotto ottenuto, la cosiddetta “ghisa di prima fusione”, successivamente affinata in appositi convertitori ad ossigeno, solidificata e lavorata per deformazione plastica a caldo (laminazione), assume la forma di billette, blumi, lingotti, bramme ed altri prodotti utilizzati per le più svariate applicazioni.

A partire dalla seconda metà dell’Ottocento, accanto a questo processo produttivo, ne è stato messo a punto un altro che arriva ad ottenere la stessa gamma di prodotti riciclando rottame ferroso fuso in un forno elettrico ad arco (2). Tale tecnologia si è diffusa rapidamente, sicchè oggi il 64, 6 % della produzione totale avviene con tale sistema (3).


SITUAZIONE ATTUALE

Negli ultimi cinquant’anni l’industria siderurgica mondiale ha accresciuto sempre di più il suo ruolo di fornitore essenziale di uno dei più diffusi materiali di base, largamente impiegato in ogni settore della vita quotidiana.
Nel dopoguerra la produzione di acciaio italiana, partendo da livelli pressoché trascurabili, sovvenzionata da massicci investimenti statali e finalizzata al soddisfacimento dei crescenti bisogni interni (erano gli anni del “boom economico”), si è sviluppata considerevolmente fino a far diventare l’Italia il secondo produttore europeo, dopo la Germania.

Tuttavia oggi l’industria metallurgica nazionale non gode di buona salute. La cessione ai privati dei principali stabilimenti dell’Ilva, caposettore della siderurgia pubblica, avviata nel 1995, e la congiuntura sfavorevole, diretta conseguenza del calo di consumi, hanno messo in ginocchio il settore. Dall’inizio dell’anno è diventato sempre più difficile reperire le materie prime. La Cina, fino a poco tempo fa il più grande esportatore al mondo, adesso tiene coke e rottami per sé. Tale situazione colpisce tutta l’Europa, ma in particolar modo l’Italia, fortemente dipendente dalle importazioni di tali prodotti. Come diretta conseguenza i prezzi sia delle materie di base che del prodotto finito sono aumentati dal 30 al 60 %. Ad aggravare la situazione ci hanno pensato i dazi anti-dumping imposti dal governo Bush a protezione dell’acciaio americano, che hanno fatto crollare le esportazioni europee verso gli USA.


IMPATTO AMBIENTALE DEL SETTORE

Ma il problema centrale, oggetto di discussioni, riguarda soprattutto l’impatto ambientale: le emissioni in atmosfera e la collocazione delle scorie di lavorazione pongono quesiti di difficile soluzione. Se da una parte la magistratura, sotto la pressione delle associazioni ambientaliste e dei cittadini, ordina la chiusura di quegli impianti palesemente fuori norma (recenti i casi delle cokerie di Taranto e Genova), dall’altra sindacati ed organizzazioni sociali scendono in piazza compatti davanti alla minaccia di dismissione di interi cicli produttivi ed alla conseguente perdita di migliaia di posti di lavoro (caso Terni) da parte di gruppi industriali propensi a trasferire gli stabilimenti in paesi del Terzo mondo, dove il costo della manodopera è minore e le leggi meno restrittive, piuttosto che investire in innovazione.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL FORNO AD ARCO ELETTRICO

Il forno è costituito da un crogiolo cilindrico (tino) chiuso inferiormente da una calotta concava, in materiale refrattario su supporto in lamiera, e superiormente da una specie di coperchio (la volta) (Fig.1).

il rottame di ferro da fondere, dopo essere stato opportunamente ridotto ad idonea pezzatura e mescolato con materiali complementari, costituiti da ghisa granulare, fondenti e polverino di carbone, è immesso all’interno di un contenitore detto “cesta di carico” con diametro minore del tino del forno e dotato di un particolare sistema d’apertura posto sul fondo.

La carica avviene con due “ceste-rottame”, che si caricano la prima dopo lo spillaggio della colata precedente, la seconda dopo la fusione del contenuto della prima cesta.

Al momento di caricare la prima cesta, la volta del forno ruota su un perno, sino a liberare completamente la luce del tino, sul quale si posiziona la cesta a mezzo di un carro-ponte; il fondo a spicchi della cesta si apre e tutto il contenuto precipita all’interno.

Nel giro di 30 secondi vaporizzano e si incendiano le eventuali sostanze organiche presenti nei rottami in forma di vernici, solventi, olii, grassi, gomme, plastiche. Si tratta di sostanze con basso punto di evaporazione, che a causa dell’alta temperatura del forno (1500 °C), subiscono un’immediata seppur incompleta combustione. Tali emissioni dette “secondarie”si propagano velocemente verso l’alto, direttamente all’interno dell’ “elephant house”, l’alto capannone (50 metri) che ospita l’intero impianto.

Fig. 1 - Schematizzazione del ciclo produttivo del forno ad arco elettrico .

A questo punto il forno, funzionante in corrente alternata trifase, viene richiuso e la volta, provvista di quattro fori (i primi tre per far passare gli elettrodi ed il quarto per evacuare le emissioni), ritorna alla sua posizione primitiva. Gli elettrodi calano sul rottame dando origine al processo fusorio mediante arco elettrico.
Durante la fase di fusione si producono emissioni denominate “primarie”, che vengono espulse attraverso un’apertura posta sulla volta del forno detta “quarto foro” ed inviate in appositi filtri a maniche in tessuto, nei quali le polveri generate vengono raccolte in appositi contenitori. Proprio tali emissioni primarie costituiscono il cosiddetto “fumo di ferro”.
Oltre al fumo di ferro, esistono anche le scorie solide grossolane, bianche o scure, note come slag-steel, da non confondere con le loppe granulate d’altoforno, ampiamente impiegate nella tecnologia del cemento.

Fig. 2 - Microfotografia SEM (40000x) di un tipico fumo di ferro (per cortesia di T. Cerulli e D. Salvioni, Mapei, Milano.

CARATTERIZZAZIONE CHIMICO-FISICA DEL FUMO DI FERRO

Dalla bibliografia di settore (4, 5) emerge che il fumo di ferro, una polvere di colore marrone scuro, si forma come risultato di metalli volatili che passano allo stato di vapore alla temperatura di esercizio del forno e viene ossidato e raffreddato nel flusso d’aria estrattivo. Questi metalli sono presenti sia come ossidi liberi sia nella forma di strutture composte del tipo spinelli, MeFe₂O₄ (con Me= Fe, Zn, Ni, Mn, Cd), tra le quali prevale la franklinite (ZnOFe₂O₃).

In realtà la composizione del fumo di ferro non è universalmente determinata, varia da caso a caso a seconda del processo produttivo e dipende da vari parametri: tipo di elettrodo, tipo di refrattario e soprattutto dalla composizione del rottame. Tuttavia una caratteristica comune ai vari tipi di fumo di ferro è la dimensione nano-metrica delle sue particelle sferiche, come appare nella micrografia al SEM (Fig. 2).

La Tabella 1 mostra i risultati dell’analisi chimica effettuata su due diverse campionature (A e B) di fumo di ferro provenienti da due acciaierie; in entrambi i campioni il ferro è l’elemento predominante: se espresso come Fe₂O₃, esso rappresenta oltre la metà fino a circa i 3/4  della frazione inorganica. Altri elementi significativi, tutti intorno al 5-10 % se espressi in forma di ossidi, sono: il silicio, il calcio, ed  il magnesio. Tra i metalli pesanti sono presenti lo zinco, il rame ed il piombo.

Tabella 1 - Tipica composizione di due fumi di ferro.

ANALISI MINERALOGICA

Dall’esame degli spettri per diffrazione dei raggi x si deduce che possono esistere significative differenze tra il campione A e quello B: in entrambi si registra la presenza di magnetite (FeFe₂O₄) come componente principale accanto alla magnesio-ferrite (MgFe₂O₄), con  quarzo, ossido di zinco e loughlinite (un silicato idrato di sodio e magnesio, probabilmente formatosi durante lo stoccaggio in ambiente umido), come componenti minori.



ANALISI TERMICA

L’analisi termo-gravimetrica e termo-differenziale conferma la presenza di sostanze termo-decomponibili in quantità variabili dal 2% al 6%.

POSSIBILI APPLICAZIONI

Numerose sono le ricerche per approfondire le applicazioni delle scorie di forno ad arco elettrico, specie come sottomanto stradale (6,7). Il fumo di ferro, invece, non ha finora trovato ancora applicazioni nel campo dell’ingegneria civile, per esempio nella produzione di calcestruzzo, come aggiunta al cemento negli impianti di betonaggio.

In particolare la presenza di metalli pesanti quali Zn e Cu, universalmente noti come potenziali ritardanti della idratazione del cemento (8) e di eventuali altre sostanze organiche, si configura come un aspetto negativo nei confronti della reazione tra acqua e cemento che potrebbe essere rallentata nella prima fase di idratazione (1-3 giorni), il che non consentirebbe il normale disarmo delle strutture in calcestruzzo a 1 – 2 giorni dal getto.

Se questo comportamento ritardante potesse essere corretto, e se la cessione dei metalli pesanti fosse bloccata nella matrice cementizia, anche il fumo di ferro potrebbe essere vantaggiosamente utilizzato al pari di altre scorie solide (cenere di carbone e fumo di silice) nel settore delle costruzioni in calcestruzzo.

BIBLIOGRAFIA

1. E. Ramous “Tecnologie metallurgiche attuali e prospettive di sviluppo”, Università di Padova - DIMEG
2. W. Nicodemi “Metallurgia”, Ed. Masson, Milano (1999)
3. AA.VV “La siderurgia in cifre” Federacciai (2002)
4. A. Stefana, S. Tenini “Considerazioni sulle emissioni originate dal ciclo produttivo dell’acciaio attraverso l’utilizzo d’impianti dotati di forno ad arco elettrico” su “Brescia Ricerche” N. 42/03.
5. J. P. Birat et alii “ Abattement of organic emissions in EAF exhaust flue gas” in “Le Revue de Metallurgie” (Oct. 2001)
6. M. Del Fabbro, M. Stefanutti, C. Cerchia “Impiego di derivati delle scorie di forno ad arco elettrico come materiale eco-compatibile nella sovrastruttura stradale” (Nov. 2001)
7. AA. VV.”Libro Blanco para la minimitation de residuos y emisiones escoria de aceria” Ihobe, SA, Febrero 1999
8. M. Collepardi “Water-reducers and retards”, Chapter III in “Concrete Chemical Admixtures”, Noyes, Park Ridge (1994)