Perché il ferro spugnoso viene chiamato ferro "spugnoso"?

Il ferro spugnoso è chiamato "spugnoso" perché la rimozione dell'ossigeno dal minerale di ferro solido lascia una microstruttura porosa e alveolare: una rete interconnessa di pareti di ferro metallico e pori aperti che ricorda da vicino la sezione trasversale di una spugna da bagno. Il processo di riduzione diretta rimuove l'ossigeno senza fondere il ferro, pertanto la rete di pori creata dall'ossigeno in uscita rimane permanentemente bloccata nel prodotto. La porosità varia tipicamente dal 20 al 40% in volume [1]. Il nome è una descrizione fisica, non una designazione di marca o di grado.

Questo articolo è complementare a processo di produzione del ferro spugnoso e tratta specificamente la questione della morfologia.

La fisica dello stato solido dietro la rete di pori

La morfologia è una conseguenza diretta del modo in cui l'ossigeno lascia il reticolo dell'ossido di ferro. In una tipica carica di ematite (Fe2O3), gli atomi di ossigeno costituiscono circa il 30% della massa del minerale. Quando CO e H2 sottraggono tali ossigeni dal reticolo a 800-1.050 °C, gli atomi di ferro rimanenti non collassano in un solido denso: si riorganizzano in una struttura cristallina di ferro cubica a corpo centrato (BCC) che occupa un volume inferiore rispetto all'ossido originale. Il volume precedentemente occupato dall'ossigeno diventa vuoto e, poiché il fronte di reazione avanza verso l'interno attraverso il pellet anziché fonderlo, i vuoti rimangono aperti e interconnessi. La perdita di massa è nell'ordine del 27-30% [2] e la risultante porosità del 20-40% in volume [1] è ciò che conferisce al prodotto il suo aspetto spugnoso al microscopio.

La geometria della rete di pori è determinata dalla sequenza di riduzione da Fe2O3 a Fe3O4, a FeO e infine a Fe, che avanza come un fronte in movimento attraverso il pellet. Il gas riducente deve diffondersi verso l'interno attraverso i pori lasciati dagli atomi di ossigeno precedenti, mentre i gas di reazione (CO2 e H2O) devono diffondersi verso l'esterno attraverso gli stessi canali. Questo è il motivo per cui la rete di pori è interconnessa anziché costituita da un insieme di bolle isolate: la geometria è dettata dalla necessità che il gas continui a raggiungere il nucleo non ridotto. Gli studi sulla microstruttura nella letteratura metallurgica mostrano pareti di ferro spesse pochi micron che separano pori della stessa scala, con le dimensioni esterne del pellet originale sostanzialmente preservate.

Perché la struttura è importante per le acciaierie

La geometria porosa è ciò che rende il ferro spugnoso commercialmente prezioso, oltre che metallurgicamente interessante. L'area superficiale interna è ampia, nell'ordine dei metri quadrati per grammo; questo è il motivo per cui una carica di ferro spugnoso fonde più rapidamente e in modo più uniforme in un forno ad arco elettrico (EAF) rispetto a una carica di rottame denso di massa equivalente. La rete di pori fornisce inoltre al carbonio e agli additivi formatori di scoria un rapido percorso di diffusione nel ferro durante la fusione, il che semplifica il controllo chimico tra una colata e l'altra. Per i prodotti laminati piani, dove i residui come rame, stagno e cromo devono rimanere al di sotto di poche centinaia di parti per milione, questa combinazione di bassi residui (il ferro spugnoso è privo degli elementi indesiderati presenti nel rottame) e comportamento di fusione prevedibile è il motivo per cui il DRI è preferito al rottame di alta qualità.

La stessa porosità è la ragione dell'esistenza del ferro bricchettato a caldo (HBI). I pellet di ferro spugnoso sfusi presentano un'elevata area superficiale specifica esposta all'atmosfera e, una volta trasportati attraverso un porto umido, si riossidano lentamente, perdendo ferro metallico e sprigionando calore. La compattazione del DRI caldo a circa 650-700 °C in bricchette a forma di cuscino di circa 50 mm × 30 mm × 110 mm fa collassare gran parte della porosità aperta, riduce l'area superficiale specifica e produce un prodotto più denso (circa 5,0 t/m3 contro 1,6-1,9 t/m3 del DRI freddo) che è classificato a livello internazionale come non pericoloso per il trasporto. Il compromesso è che l'HBI rinuncia ad alcuni dei vantaggi di fusione in EAF della struttura spugnosa originale in cambio di un trasporto marittimo sicuro.

Perché lo stesso nome copre il DRI proveniente da percorsi molto diversi

La descrizione "spugnoso" si applica indipendentemente dal fatto che la riduzione sia stata effettuata in un forno rotativo utilizzando carbone come riducente solido o in un forno a tino utilizzando gas naturale riformato. In entrambi i casi, la chimica è una riduzione allo stato solido dell'ossido di ferro tramite CO e H2; le differenze risiedono nel profilo di temperatura, nel tempo di residenza e nella composizione del gas, piuttosto che nella morfologia risultante. Un pellet a base di carbone proveniente da un forno rotativo da 100 TPD e un pellet Midrex da un forno a tino da 2,5 Mt/anno mostreranno entrambi la struttura a nido d'ape al microscopio, anche se i loro contenuti di carbonio (tipicamente 0,08-0,2% dal forno rotativo e 1,5-2,5% da un forno a tino carburato) e i loro tassi di metallizzazione differiscono. Gli articoli sulla produzione di ferro spugnoso a base di carbone e sulla riduzione diretta DRI a base di gas coprono le specificità dei percorsi. L'India ha prodotto 54,7 Mt di ferro spugnoso nel 2024, il più grande output nazionale a livello globale [3], e la maggior parte di esso proviene da forni rotativi a carbone.

Il ponte commerciale: perché l'integrità delle tenute del forno protegge la spugna

In un impianto DRI operativo, la struttura spugnosa è pulita tanto quanto l'atmosfera riducente che l'ha prodotta. Il tasso di metallizzazione (la frazione di ferro totale presente come Fe metallico, target 88-94% per i gradi destinati all'acciaieria) dipende dal mantenimento del gas del forno prevalentemente composto da CO e H2, con CO2 e H2O mantenuti a livelli sufficientemente bassi affinché l'equilibrio di riduzione continui a favorire il ferro metallico rispetto alla wustite (FeO). L'aria parassita che filtra attraverso le tenute usurate all'ingresso o all'uscita del forno sposta tale equilibrio nella direzione errata: l'ossigeno brucia il riducente, aumenta la pressione parziale di CO2 e riossida parzialmente il prodotto appena ridotto prima che lasci il forno. Il sintomo visibile è un tasso di metallizzazione che scende dal range del 90% verso l'80% e un pellet finito la cui porosità è parzialmente chiusa da bordi di riossidazione attorno a ciascun grano. La soluzione è un sistema di tenuta ermetico su entrambe le estremità del forno, argomento trattato in dettaglio in tenute del forno per impianti DRI.