TECNOLOGIA DEI METALLI
 tecniche

FABBRICAZIONE DELLA GHISA   
 
Ghisa di 1° e di 2° fusione - Con lo studio della fabbricazione della ghisa s'inizia la siderurgia; la fabbricazione degli altri prodotti siderurgici, che possiamo generalizzare col nome di acciai, dall' acciaio dolcissimo detto anche ferro omogeneo, allo acciaio extraduro, segue dopo quella  della  ghisa, giacché  è da questa che si ottengono gli acciai.
La ghisa si ottiene trasformando speciali materiali che si trovano nelle visceri della terra e che si chiamano minerali di ferro; la ghisa così ottenuta si chiama ghisa di prima fusione.
Una parte della ghisa ottenuta è destinata alla fabbricazione dell' acciaio, un' altra parte viene fusa una seconda volta, per mescolarne le varie  qualità e per  versarla nelle forme onde ottenere pezzi fusi: questa si chiama ghisa di 2" fusione.
Quest'ultima operazione si fa nelle fonderie di ghisa, che costituiscono un'industria a parte dalla fabbricazione della ghisa.    
Reazioni chimiche fondamentali - La fabbricazione della ghisa, come tutti i processi che la trasformano nei vari tipi di acciai, cioè tutta la siderurgia, appartiene alla tecnologia chimica, perché riguarda la trasformazione della materia e non della forma, dei materiali.
Non è quindi possibile fare uno studio della metallurgia senza una profonda conoscenza della chimica: anche per farne uno studio molto elementare come il nostro, occorrono alcune cognizioni che diamo subito.    
Due o più corpi di differente natura messi a contatto ed eventualmente frantumati e mescolati, possono rimanere inerti tra di loro, conservando ognuno la sua natura ed essere visibili separatamente ad occhio nudo o con una lente d'ingrandimento: si ha allora il miscuglio e quindi non si ha  nessuna trasformazione né fisica né chimica.
Può avvenire che i corpi messi a contatto, pur conservando la loro natura, cioè la loro costituzione chimica, si diffondano da sé stessi l'uno nell'altro, da non essere più visibili separatamente, anche esaminati col microscopio: si ha allora una soluzione che rappresenta un nuovo stato fisico dei corpi.
Infine può avvenire che i corpi messi a contatto, con opportune condizioni di temperatura e di pressione, si trasformino per modo da dare origine a corpi di natura diversa, cioè di differente costituzione chimica, in numero che può essere eguale o differente da quello preesistente: si dice allora che è avvenuta una trasformazione o una reazione chimica.    
Tutti i corpi, naturali o artificiali, sono semplici o composti; i primi sono quelli che non è possibile scindere con mezzi fisici o chimici in altri di natura diversa: sono in tutto circa una settantina.
I corpi composti, che sono  gli  infiniti altri, sono quelli che risultano dalla composizione variabile per qualità e quantità dei corpi semplici; questi unendosi si trasformano in modo da dar luogo a corpi perfettamente differenti per le proprietà fisiche e chimiche da quelli da cui provengono; così l'acqua che è un liquido proviene da due corpi semplici, idrogeno e ossigeno, chesono due gas.    
Tutti i corpi semplici si dividono in due classi: metalli, come il ferro, il magnesio, il calcio, il manganese, il rame, lo zinco, lo stagno, ecc. e metalloidi, come il carbonio, il silicio, il fosforo, lo zolfo, ecc.
Varie proprietà fanno differire i metalli dai metalloidi, ma quella che più interessa il nostro studio è che pur combinandosi tutti con l'ossigeno, i primi formano una classe di composti che si chiamano ossidi metallici o basi, cioè ossidi di ferro, di manganese, ossido di calcio, detto anche calce viva, ossido di magnesio, detto anche magnesia calcinata, ecc., i secondi formano conl' ossigeno composti che si chiamano anidridi acide o semplicemente anidridi, e quindi anidride carbonica, anidride silicica detta anche silice, anidride fosforica,  ecc. 
Mentre gli  ossidi a contatto  tra di loro non si trasformano e così pure le anidridi, quando invece un ossido si trova a contatto con un' anidride, a temperatura conveniente, reagiscono tra loro, cioè si trasformano per modo da dar luogo a un solo composto che si chiama sale.
Per esempio l'ossido di ferro  con l'anidride carbonica forma un sale che si chiama carbonato di ferro; l'ossido di calcio con l'anidride silicica forma il silicato di calcio. 
Come  avviene la composizione di un ossido e di un' anidride in un sale, può avvenire inversamente, se le condizioni di temperatura sono convenienti, la decomposizione di un sale in un ossido e in anidride: così per es. il carbonato di calcio, cuocendolo, si trasforma in  ossido di calcio, detto calce viva, e anidride carbonica, e questo è precisamente  il metodo di fabbricazione della calce viva.    
Se poi si trovano a contatto un ossido o un'anidride con un corpo semplice, se questo è più avido d'ossigeno di quanto non sia il metallo  o  il  metalloide che forma l'ossido o l'anidride, allora il corpo semplice gli toglie l'ossigeno trasformandosi in ossido o anidride secondo che è metallo o metalloide e lascia allo stato di corpo semplice il metallo o il metalloide che prima formava l'ossido o l'anidride: si dice allora che è avvenuta una  riduzione oppure che il corpo che prima era semplice ha ridotto l'ossido o l'anidride  preesistente.  
Così per es. il manganese riduce l'ossido di ferro trasformandosi in ossido di manganese e lasciando il ferro puro, il carbonio riduce l'ossido di ferro trasformandosi in anidride carbonica e lasciando il ferro puro, ecc.    
Non bisogna credere che un metallo o un metalloide forma con l'ossigeno un solo ossido o una sola anidride.
Un metallo o metalloide può combinarsi con una quantità maggiore o minore di ossigeno, in proporzioni differenti sì, ma ben definite; si hanno così i protossidi, i biossidi, i sesquiossidi.
Questa è una delle piùimportanti  leggi di  chimica e si chiama legge delle proporzioni definite.
Il carbonio per es. forma con l'ossigeno due composti, uno più ossigenato che è l'anidride carbonica e l'altro meno ossigenato che si chiama ossido di carbonio; questo nome non è dovuto al fatto che esso si comporta come un ossido metallico, ma perché non si comporta come anidride: si forma l'anidride quando il carbonio è poco e l'ossigeno è molto, si forma l'assido nelcaso contrario.    
Minerali di ferro - I minerali di ferro sono i materiali estratti dalle visceri della terra per fabbricare la ghisa.
Essi sono costituiti da vari ossidi di ferro, che danno al minerale nomi diversi, come la magnetite, la limonite,  l'ematite,  oppure da carbonati  come il ferro spatico o siderite.
Mescolate agli ossidi, nei minerali, si trovano delle impurità che sono sostanze terrose, che complessivamente si chiamano ganghe e che sono costituite da sali o da ossidio da anidridi, come carbonato di calcio, di magnesio, anidride silicica detta silice ecc.
Non si trovano in natura l'ossido di calcio o calce viva né l'ossido di magnesio, ma si trovano i corrispondenti carbonati di calcio e di magnesio, i quali introdotti nel forno si decompongono in ossido di calcio o di magnesio, che rimangono, essendo solidi, nel forno, e in anidride carbonica che, essendo un gas, si innalza fino a uscire dalla bocca superiore del forno.    
Alto forno - La fabbricazione della ghisa avviene nell'altoforno; si chiama alto, perché raggiunge l'altezza di 30 metri e anche di più. Schematicamente esso è rappresentato dalla fig. 1: la parte superiore è costituita dal cosidetto tino che prende i tre quarti dell'altezza totale; è un tronco di cono con la base minore in alto, per facilitare la discesa dei materiali solidi che tendono a incastrarsi sulle pareti; la base maggiore ha circa il diametro disei metri e quella  minore di quattro metri.                     
Sotto al tino si ha un tronco cilindrico anche esso del diametro di sei metri e piuttosto corto che si chiama ventre; al disotto si ha la cosidetta sacca che  è  un  tronco  di  cono con la base maggiore in alto per trattenere la discesa dei materiali semifluidi. 
Talvolta il tronco cilindrico manca e si chiama ventre l'incontro del tronco di cono superiore con quello inferiore.
Nella parte più bassa si ha un corpo cilindrico detto crogiuolo.
Dalla bocca superiore dell'alto forno si carica, a strati, minerali di ferro, carbone coke, e il cosidetto fondente. 
Inoltre in prossimità della bocca di caricamento si ha un foro di uscita per i gas che si producono nel forno.
Dalla parte inferiore e precisamente dove la sacca si attacca al crogiuolo viene iniettata  attraverso fori, detti ugelli, disposti  circolarmente,  una sufficiente quantità di aria calda e sotto pressione.
Da un foro, posto nella parte più alta del crogiuolo esce la cosidetta scoria e da un altro foro posto al fondo del crogiuolo, chiuso con un tappo di argilla che si toglie a intervalli di tempo, esce la ghisa.    
Vediamo quello che avviene dentro il forno.
Si ha una corrente discendente di sostanze solide, costituite da  ossido di ferro, da carbone, da ganga e da fondente e inoltre una corrente ascendente di gas.
La temperatura del forno va gradatamente crescendo dalla bocca di caricamento dove essa è di circa 300° fino al piano degli ugelli dove si hanno circa 1500°; la temperatura qui è massima perché la corrente di aria calda a circa 1000°, che viene soffiata nel forno, fa bruciare quella parte di carbone che dalla bocca  di caricamento fino al piano degli ugelli non ha subito trasformazioni nella sua discesa.

L' aria arriva calda al forno per ottenere una più alta temperatura nei prodotti della combustione ed è iniettata alla pressione di circa 2 atmosfere, affinchè i prodotti della combustione possano salire facilmente vincendo la resistenza dei materiali contenuti nel forno.
Per effetto di questa combustione che avviene con abbondanza di aria e quindi di ossigeno si forma anidride carbonica, la quale innalzandosi ed attraversando strati di carbone cede una parte del suo ossigeno a una parte del carbonio del carbone, trasformandola e trasformandosi in ossido di carbonio, che esce dal condotto che trovasi in prossimità della bocca di caricamento.
Vedremo poi come questo gas carico di ossido di carbonio viene utilizzato essendo ancora capace di bruciare e produrre calore.    
Abbiamo detto che solo una parte del carbone caricato arriva fino al piano degli ugelli per essere bruciato, un' altra parte, dopo il caricamento, entra in azione nel tino dove si ha una temperatura da 300° in alto a 800° in basso e la sua azione consiste nel sottrarre all' ossido di ferro l'ossigeno trasformandosi in  ossido di carbonio che si unisce alla colonna ascensionale di gas già carica di ossido di carbonio come abbiamo visto.  L' ossido di ferro che così ha perduto l'ossigeno, o come si suol dire è ridotto allo stato metallico, cioè di corpo semplice, prende il nome di ferro spugnoso a causa del suo aspetto, e la zona del forno dove si ha questa riduzione si chiama zona di riduzione.    
Il  ferro spugnoso continua a scendere ed entra nella sacca, dove, trovando una temperatura ancora più alta, ed essendo ancora accompagnato dal carbonio, che non può ancora bruciare, essendo ancora il piano degli ugelli alquanto più basso, entra in reazione con una parte del .carbonio e forma carburo di ferro, che si scioglie nella parte del ferro spugnoso che non si è combinato col carbone e forma la ghisa.
Questa che ha più bassa la temperatura dì fusione del ferro spugnoso continua a scendere nelle zone più calde, si fonde e gocciola nel crogiuolo. Nella sacca si ha quindi nella parte più alta la zona di carburazione e nella parte più bassa la zona di fusione.    
Il  carbone, riassumendo, compie tre  uffici: riscalda colla combustione il forno e i materiali in esso contenuti, riduce l'ossido di ferro in ferro spugnoso e trasforma quest'ultimo in ghisa.
Vi sono tuttavia gli alti forni elettrici, in cui la funzione del riscaldamento viene esercitata dall'arco voltaico che si genera tra due elettrodi di carbone.     
Esaminiamo ora quello che avviene tra la ganga e il fondente: la ganga, costituita dalle impurità e magnesia, oppure di natura acida se predomina la silice.
Ora mentre le basi e le anidridi sono quasi infusibili da sole, messe insieme fondono facilmente perché si forma un sale che è il silicato di calcio o di magnesia.
Siccome noi vogliamo che le ganghe per sé stesse infusibili escano allo stato liquido, perché l'uscita sia più facile, allora noi carichiamo dalla bocca una speciale aggiunta che si  chiama fondente che ha lo scopo di trasformare la ganga in un sale fusibile, e quindi aggiungiamo la calce se la ganga è acida cioè silicea o la silice se la ganga è basica cioè calcarea:  l'aggiunta è regolata quantitativamente dalla nota legge delle proporzioni definite.
Questi silicati fluidi, che si chiamano scorie o loppe si raccolgono anch'essi nel crogiuolo e galleggiano sulla ghisa perché più leggieri.    
Il  fondente serve anche per far fondere le ceneri del carbone che sono di natura silicea, per modo che le ceneri di carbone passano anch' esse nelle loppe o scorie ed escono allo stato liquido.    
Queste sono le reazioni principali che avvengono nell'altoforno; ma l'azione riduttrice del carbonio si esercita oltre che sull' ossido di ferro anche sugli altri ossidi metallici, come l'ossido dm anganese e sull' anidride silicica, detta anche silice, e così si ottiene nella ghisa insieme al ferro, oltre  il carburo di ferro e la grafite anche una certa quantità di manganese e di silicio provenienti dalla riduzione dell' ossido di manganese e dell'anidride  silicica.(.)     
Per completare la descrizione di un impianto per alto forno  occorre fare un cenno dei forni a coke, che trasformano il litantrace che è un tipo di carbone fossile che si trova in natura, in carbone coke.
Questa trasformazione consiste nel togliere al litantrace le sostanze volatili o gassose che si sprigionano da esso colla cottura cioè col riscaldamento fatto fuori del contatto dell'aria questi gas che non sono altro che il solito gas di riscaldamento o di illuminazione vengono utilizzati per riscaldare i vasi stessi, che hanno forma di celle, in cui avviene la cottura.
Il forno a coke non è altro quindi che una serie di celle completamente chiuse durame la cottura con una sola bocca da cui esce il gas che a sua volta circola all'esterno delle celle e brucia venendo a contatto dell'aria 
Avvenuta la cottura, si aprono le celle e si versa all'esterno il coke arroventato, che viene spento subito sotto l'azione di un potente getto d'acqua, perché non si consumi bruciando all'aria aperta    
II  litantrace non viene utilizzato direttamente nell'altoforno perché forma col calore delle sostanze agglutinanti che ostruirebbero il forno  e  perché il coke, oltre ad essere più compatto è anche molto poroso e così le reazioni che avvengono nel forno sono facilitate
Si adopera anche il carbone di legna; questo riesce più costoso del coke ma ha il vantaggio di non contenere zolfo e fosforo, che passando nella ghisa e poi in parte nell'acciaio, che con essa si fabbrica, lo rendono fragile.
Nella Svezia, dove il carbone di legna riesce non molto più costoso del coke, esso viene usato e perciò le ghise svedesi sono migliori.
L'alto forno funziona a marcia continua, che viene  interrotta soltanto per urgenti riparazioni.
La produzione di un alto forno può raggiungere e anche oltrepassare le 200 tonnellate di ghisa nelle 24 ore; altrettanto è circa il consumo di combustibile.
Dall'altoforno si ottengono ghise grige se la marcia del forno è piuttosto calda; le ghise sono allora ricche di silicio.
Si ottengono invece ghise bianche con una marcia piuttosto fredda; si hanno allora ghise scarse di silicio; la presenza del manganese facilita anche la formazione delle ghise bianche.