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I metodi per la produzione dell'acciaio si sono evoluti notevolmente dall'inizio della produzione industriale alla fine del XIX secolo. Tuttavia, i metodi moderni si basano sul procedimento Bessemer.
Secondo la World Steel Association, nel 2011 la produzione di acciaio grezzo ha raggiunto un nuovo record di 1,527 miliardi di tonnellate metriche. Di queste, circa due terzi sono state prodotte utilizzando il procedimento BOS (basic oxygen steelmaking – forno a ossigeno) e un terzo con l'ausilio del EAF (electric arc furnace – forno ad arco elettrico).
Produzione dell'acciaio – il procedimento EAF
A differenza di altri procedimenti, quello che utilizza il forno ad arco elettrico genera temperature elevate grazie alla corrente elettrica. Il primo forno di questo tipo fu progettato da Paul Héroult. Si tratta di una tecnologia che utilizza il 100 % di rottami di acciaio.
Il forno è suddiviso in tre sezioni: il mantello, il fondo e il tetto. Il procedimento inizia con il sollevamento del tetto e degli elettrodi, dopodiché vengono caricati i rottami di acciaio, gli agenti riducenti e gli elementi di lega, quindi vengono inseriti gli elettrodi e riposizionato il tetto.
Grazie a questi tre elettrodi di grafite si crea una temperatura di circa 3500 gradi Celsius e ha luogo il processo di fusione. Una volta fusa l'intera carica, viene prelevato un campione che sarà analizzato per determinare la quantità di ossigeno da insufflare durante l'affinazione. Affinazione durante la quale la composizione chimica viene regolata per soddisfare i requisiti del prodotto. Il forno ad arco elettrico ha una capacità di 300 tonnellate e il processo di produzione dura circa 40-60 minuti.
Questo procedimento ha il vantaggio che il processo può essere fermato e riavviato senza grandi costi associati. Un altro vantaggio è che può utilizzare esclusivamente materiali riciclati. Per questi motivi, il procedimento EAF è cresciuto costantemente negli ultimi 50 anni, arrivando oggi a rappresentare circa il 33 % della produzione mondiale di acciaio.
Metodo di produzione dell'acciaio – BOF
Lo sviluppo di un metodo per la separazione dell'ossigeno dall'azoto su scala industriale nel 1960 ha permesso importanti progressi nello sviluppo del forno a ossigeno. La maggior parte della produzione su larga scala viene realizzata mediante il procedimento di fusione a ossigeno puro.
Il ferro fuso, insieme ai rottami riciclati, viene versato in un grande convertitore rivestito di mattoni refrattari. Successivamente viene inserito un tubo raffreddato ad acqua, finché la sua estremità non si trova sopra il metallo fuso. Attraverso questo tubo viene insufflato ossigeno puro, che reagisce con il carbonio presente nel ferro, producendo calore sufficiente a mantenere la carica allo stato fuso.
Per mantenere una temperatura di 1600 gradi Celsius viene aggiunta gradualmente calce viva. Anche altri materiali fondenti vengono aggiunti a seconda delle necessità. Quando inizia l'insufflazione di ossigeno si sviluppano monossido di carbonio e altri gas, formandosi anche scorie. È necessario un tempo di insufflazione di 20-30 minuti per un convertitore da 400 tonnellate. I gas emessi vengono aspirati da alcuni ventilatori e, al termine del procedimento, le scorie vengono rimosse. L'acciaio così ottenuto viene colato in stampi per la produzione di getti, oppure colato in lingotti che vengono poi laminati. Questo sembra essere il procedimento più vantaggioso, oltre a essere rapido, il consumo di combustibile è molto basso.
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