Il consumo di acciaio inossidabile in Italia: possibili scenari futuri

di Bonetti

relatore: Capodiluco

Abstract

Come per la maggior parte dei metalli, la risorsa naturale di ferro sono gli ossidi, che si trovano in natura sottoforma di minerali contenenti anche ossidi di altri metalli e alcuni silicati. Nella produzione della ghisa, gli ossidi di ferro e di qualche altro metallo, vengono ridotti e vanno a formare il bagno fuso, mentre gli ossidi e i silicati rimanenti andranno a formare la scoria. Per ottenere un processo metallurgico soddisfacente e rimuovere le tracce di alcuni elementi come zolfo e fosforo, viene aggiunta calce alla scoria.

I cicli di produzione dell’acciaio sono rappresentati da tre stadi nel ciclo integrale:

• Altoforno
• BOF
• Metallurgia secondaria

Mentre nel ciclo elettrico:

• Riduzione diretta
• EAF
• Metallurgia secondaria

Il tipo di scoria prodotta cambia ad ogni stadio:

• Scoria d’altoforno
• Scoria da BOF o EAF
• Scoria da trattamenti di metallurgia secondaria

Nei vari paesi del mondo le scorie di acciaieria e d’altoforno vengono utilizzate in maniere diverse, a volte queste differenze si riscontrano tra un impianto e l’altro in base ai seguenti fattori :

a) Composizione della scoria

b) Dal tipo di scoria prodotta

c) Dall’utilizzazione dei prodotti della scoria

Durante il raffreddamento le scorie fuse solidificano, ed in base al tipo di raffreddamento, possono ottenere materiali diversi.

Grazie alla loro struttura e alla composizione chimica, che comunque rimane la stessa delle scorie cristallizzate, le scorie granulate hanno proprietà idrauliche latenti.La scoria liquida, se raffreddata lentamente, da origine ad una struttura cristallina stabile formata da: CaO - MgO - Al2O3 – silicati detta scoria cristallizzata.

La scoria granulata è ottenuta raffreddando la scoria fusa con un getto d’acqua ad alta pressione. L’energia termica contenuta nella scoria fusa ne causa l’esplosione e l’istantanea formazione di granuli.

Grazie alla loro struttura e alla composizione chimica, che comunque rimane la stessa delle scorie cristallizzate, le scorie granulate hanno proprietà idrauliche latenti, cioè in presenza di un ambiente alcalino allo stato di polvere, tende ad indurire e rimanere solido.

La scoria  da BOF è di colore grigio scuro e molto più dura della scoria d’altoforno. Inoltre è soggetta ad un’espansione in volume durante il periodo in cui raggiunge la completa idratazione.

Scorie di forno ad arco elettrico (in secondo piano) e prodotti della lavorazione	Scoria da trattamenti di  metallurgia secondaria	Rappresentazione schematica di un Convertitore AOD

Durante il raffreddamento della scoria il silicato tricalcico si trasforma in silicato dicalcico secondo la reazione seguente:

 La calce libera che si forma è distribuita nella matrice cristallina non causando problemi sulla stabilità volumetrica.

La scoria da forno elettrico ad arco sarà costtituita quindi da, calce e fluorite.

La scoria da EAF nasce quindi dal rapido raffreddamento che porta la fase liquida  ossidata e superficiale e superficiale presente nei forni ad arco elettrico da circa 1300 °C alla temperatura ambiente. La solidificazione in blocchi avviene all’aria o a volte accelerando il processo tramite spruzzi di acqua; in tal modo può tuttavia rimanere all’interno dei blocchi ancora una certa quantità di calce libera potenzialmente soggetta a idratazione o carbonatazione.

L’azione della calce nel bagno liquido contribuisce all’arricchimento in zolfo della scoria; tuttavia il processo in EAF, diversamente da quanto accade nel forno siviera, dove avviene la successiva affinazione dell’acciaio, mantiene il tenore di zolfo più basso che nelle loppe d’altoforno. Ciò rende i prodotti derivati dalle scorie idonei all’impiego come aggregati per il confezionamento di calcestruzzi.

I processi per il trattamento dell’acciaio liquido condotti al di fuori delle unità di produzione, vengono chiamati metallurgia secondaria. Questi trattamenti possono includere la desolforazione, trattamenti in siviera, aggiunta di elementi di lega, disossidazione, omogeneizzazione della temperatura.

Le scorie usate per la protezione del bagno fuso da riossidazione e per limitare le perdite di calore, sono quelle da metallurgia secondaria. La composizione di questo tipo di scorie è molto variabile. 

Nella maggior parte dei casi sono costituite principalmente da silicato dicalcico e contengono molta calce libera, a causa proprio di ciò si polverizzano durante la trasformazione β →  γ del silicato dicalcico al di sotto dei 500°C. A tale fenomeno contribuisce poi l’idratazione della calce libera, risultando cosi in una polvere finissima.

Le scorie da acciai altolegati e da acciai inossidabili,  sono prodotte durante il ciclo secondario EAF – AOD/VOD.

Le scorie da forno elettrico derivanti dalla produzione di acciai altolegati hanno proprietà simili a quelle derivanti da acciai al carbonio, ma possono contenere considerevoli quantità di cromo a causa delle condizioni operative che, in questa fase, favoriscono l’ossidazione. La scoria ottenuta nelle successive fasi di conversione AOD/VOD consiste in silicato dicalcico che causa gli inconvenienti di disintegrazione già descritti, ma a differenza delle scorie da EAF, queste presentano una concentrazione di cromo più bassa, infatti in questo stadio è favorita la riduzione degli ossidi. Spesso, in questi materiali, si trovano quantità considerevoli dei numerosi elementi di lega presenti negli acciai altolegati, ma, a causa del basso livello di fosforo necessario alla produzione di questi acciai, le loro scorie non contengono fosfati che permettano la stabilizzazione della fase β del silicato dicalcico e la prevenzione della disgregazione

Le differenze nella composizione di queste scorie rispetto a quelle degli acciai al carbonio sono:

• Debole basicità delle scorie da acciai altolegati a causa della riduzione con FeSi;
• Elevato contenuto di SiO2;
• Elevato contenuto di CaO nelle scorie da AOD dette scorie desolforanti, quando si utilizzano, in questo processo, due tipi di scoria.
• Elevato contenuto di cromo.

Per i motivi descritti l’applicazione di queste scorie resta limitata e non può essere chiaramente definita.

Il settore siderurgico rappresenta un’attività che potenzialmente è in grado di esercitare una notevole pressione sull’ambiente a causa delle quantità di materiali coinvolti o della loro natura. Nell’Unione Europea nel 2000 sono state colate circa 160 milioni di tonnellate di acciaio. Più della metà della massa utilizzata nel processo produttivo va a costituire emissioni gassose, rifiuti solidi o altri sottoprodotti. Una parte consistente dell’acciaio prodotto in Italia proviene da forni ad arco elettrico (EAF), dai quali ogni anno, insieme all’acciaio, escono circa 2 milioni di tonnellate di scorie. L’utilizzo diretto di questo sottoprodotto per l’elaborazione di materie prime di qualità raggiunge il doppio scopo di ridurre lo sfruttamento di risorse naturali limitate e contemporaneamente la formazione di potenziali rifiuti. Ancora oggi infatti nell’Unione Europea il 60% della scoria da EAF viene destinata allo smaltimento in discarica. Risulta doveroso predisporre, mediante validi requisiti operativi e tecnici, procedure ed orientamenti volti a prevenire o ridurre il più possibile la quantità di materiale residuale dei processi produttivi. Operando in questo modo vengono minimizzate le ripercussioni negative sull’ambiente e sui costi. Ciò si può ottenere sia mediante il riutilizzo o il recupero di materiali o sottoprodotti che, se non opportunamente trattati, sarebbero destinati alla discarica, sia controllando le variabili di processo al fine di ottenere prodotti residuali con caratteristiche prefissate.

Nell’ambito dell’ingegneria civile, ad esempio, la normativa ambientale non indica chiaramente quali siano i materiali eco-compatibili e quali no. Si può ritenere che un materiale abbia un basso impatto globale sull’ambiente se la metodica del suo utilizzo riduce lo sfruttamento di risorse naturali, si pone come alternativa allo smaltimento e non causa un’alterazione negativa dell’ambiente in cui viene inserito o prodotto.

Le scorie siderurgiche sono state viste per un lungo periodo come un problema: un rifiuto che tradizionalmente andava riempire le discariche.

Tale soluzione diventa sempre più difficilmente praticabile, sia per gli aspetti economici che ambientali che coinvolge. Infatti le superfici da poter invadere con le discariche diventano sempre meno e più costose dovendo poi sottostare alle legislazioni ambientali più stringenti. Inoltre la vicinanza ai siti urbani provoca problemi per quanto riguarda la produzione di polveri da tali siti, che facilmente sollevano l’opinione pubblica sulla possibile pericolosità per la salute, oltre che sulle cose, dei componenti delle scorie.

Numerosi test sono disponibili per valutare la capacità delle scorie di liberare i metalli pesanti in esse contenuti, la maggior parte dei quali consistono nel far attraversare uno strato di materiale, più o meno denso, da acqua che viene poi analizzata.

Ovviamente i risultati sono diversi in base al tipo di materiale esaminato, ad esempio gli esperimenti mostrano che dalle scorie d’altoforno non vengono liberate quantità di metalli pesanti pericolose per l’ambiente. Il problema della produzione di scorie nel caso di acciai altolegati, differisce da quello degli acciai al carbonio. A causa delle operazioni metallurgiche necessarie a fabbricare acciai altolegati, considerevoli quantità di metalli di lega come cromo, manganese, titanio ed altri, migrano dal bagno liquido verso la scoria, sia nell’EAF che nel convertitore.

E’ quindi evidente che le scorie provenienti dagli acciai inossidabili, ad esempio,  contengano residui di cromo, in particolare nello stato di ossidazione trivalente  Cr(III). Poiché il cromo si trova in genere legato nella matrice della scoria nei vari silicati, non è rilasciato facilmente. L’utilizzazione e lo stoccaggio di tali materiali non è quindi di particolare pericolosità. Alcuni esperimenti hanno però dimostrato che a causa dell’azione dell’ossigeno atmosferico, una parte del cromo viene ossidato allo stato tossico di Cr(VI). I composti contenenti cromo esavalente sono generalmente considerati più tossici di quelli contenti cromo trivalente. Il primo infatti è considerato addirittura cancerogeno se l’esposizione ai sui effetti è abbastanza lunga.
Non sempre però l’impatto di questi ‘rifiuti’ è dannoso per l’ambiente. In Giappone l’ambiente marino di alcune coste è stato rivitalizzato con l’impiego di scorie d’altoforno che mantengono l’alcalescenza del fondo marino e permettono anche la coltivazione di piante.

biossido di carbonio (CO2), e nella produzione di cemento Portland ne viene rilasciata in atmosfera una tonnellata per ogni tonnellata di cemento prodotta. Un approccio alla riduzione delle emissioni è quello di sostituire, nel calcestruzzo, il cemento Portland con un materiale cementizio  alternativo come la scoria. La figura 8 mostra i benefici della sostituzione della sostituzione della sostituzione con scoria del 50% del materiale in vari tipi di calcestruzzo.

Il cemento  d’altoforno richiede il 90% di energia in meno del cemento Portland a parità di produzione, e la sostituzione di quest’ultimo significa la riduzione di energia contenuta in un volume unitario di calcestruzzo poiché il Portland contiene il 70% di tale energia.

Attualmente i tonnellata di Portland richiede il consumo di 1.6 tonnellate di materie prime, principalmente a causa delle perdite di massa dovute alle emissioni.

Nel 1998 in Europa sono stati utilizzati circa 45.5 Mt di scorie ottenute sia da altoforno che dai processi di acciaieria. L’uso delle scorie di acciaieria e d’altoforno ha una lunga tradizione ed il primo esempio può essere trovato nell’antichità. Il principale campo di applicazione è quello delle costruzioni. Nel 1826 Friedrich Accum descrisse l’uso di scorie d’altoforno come materiale da costruzione e ne notò la resistenza. Inizialmente l’impiego nell’industria delle costruzioni riguardo le. aree limitrofe agli impianti di produzione, ma successivamente, grazie nel cemento e nel calcestruzzo, la loro applicazione divenne sempre più importante.

Attualmente il principale prodotto delle scorie d’altoforno sono quelle granulate o ” ground granulated blastfurnace slag (GGBS)”, per cemento e calcestruzzo. Ciò ebbe inizio con la scoperta delle loro proprietà idrauliche latenti dovuta a Emil Langen nel 1861/62. Le intense attività di ricerca sulle proprietà delle scorie granulate, hanno reso questo prodotto un componente fondamentale di cemento e calcestruzzo. La produzione di questo materiale dalle scorie d’altoforno è andata crescendo anche a causa delle sempre più stringenti normative ambientali. Infatti, rispetto alla scoria cristallizzata, ha il vantaggio di non richiedere fosse all’aperto per il raffreddamento con la conseguente eliminazione dei problemi dovuti alle polveri. Le scorie d’altoforno cristallizzate sono usate nell’industria delle costruzioni stradali, in quanto gli agglomerati prodotti con questi materiali incrementano la capacità di carico delle strade,ed inoltre sono molto stabili.

Gli aggregati costituiti da scorie cristallizzate vengono utilizzati anche nella costruzione delle massicciate ferroviarie, per tutti i tipi di linee, dall’alta velocità a quelle industriali. L’utilizzo in questo settore è dovuto ad un ottimo drenaggio tra gli ampi interstizi che si creano ed all’alta resistenza alla degradazione.

L’utilizzo delle scorie da convertitore a ossigeno è una consuetudine consolidata, le scorie ricche di fosforo sono sempre state usate in agricoltura, ma a causa del cambiamento dei processi tecnologici, le applicazioni sono dovute cambiare a causa del sempre più basso contenuto di fosforo.