Ultimo aggiornamento
16-09-2022 09:12Caratterizzazione dei principali cicli produttivi del settore fonderie
Introduzione
La fonderia è essenzialmente la tecnica e l'arte di dar forma, ossia di forgiare oggetti metallici attraverso il passaggio per lo stato liquido. Caratteristica peculiare di tutti i metalli e di tutte le leghe è appunto quella di essere fondibili e, pertanto, la fonderia può essere applicata come mezzo economico per produrre oggetti metallici di qualsiasi forma, anche la più complicata. Sotto questo aspetto la fonderia risulta molto più economica della fucinatura o della lavorazione meccanica per ottenere pezzi metallici senza limiti di forma e di dimensione. In ogni caso i metalli più diffusamente utilizzati sono: acciaio, ghisa, bronzi, ottoni, leghe d'alluminio, di magnesio, di zinco e di nichel (dotati di sufficiente colabilità, vale a dire di sufficiente fluidità e scorrevolezza allo stato liquido, proprietà che li rende particolarmente adatti a riempire le forme).
Gli oggetti metallici che si ottengono sono prodotti che acquistano la loro forma e dimensione definitiva, salvo eventuali lavorazioni all'utensile, direttamente mediante solidificazione e raffreddamento del metallo liquido. Dopo l'operazione di fusione il materiale viene colato in uno stampo resistente alla temperatura del materiale fuso cosicché, solidificando, in seguito a raffreddamento, ne assuma permanentemente la forma. Il pezzo o getto può essere estratto poi aprendo la forma oppure demolendola.
I getti vengono classificati in base al metodo di preparazione, al materiale impiegato per le forme e al sistema di colata (getti colati per gravità, centrifugati, pressofusi).
Per ottenere un getto si parte da un modello che è la riproduzione fedele del pezzo, ossia dell'oggetto desiderato, costruito con un materiale facilmente lavorabile, come argilla, gesso, legno, cera o metallo. Il modello deve consentire di costruire agevolmente intorno ad esso la forma, generalmente di terra refrattaria o terra da fonderia, in modo che estraendo il modello dalla forma, resti una cavità che riproduca esattamente il negativo del modello avendone tutte le caratteristiche di forma e dimensioni. Se il pezzo è cavo, la forma sarà completata con un'anima dello stesso materiale che riprodurrà le superfici interne dell'oggetto.
Poiché i metalli e le leghe solidificandosi e raffreddandosi fino a temperatura ambiente si contraggono, i modelli devono avere dimensioni maggiori dei pezzi che rappresentano per compensare la contrazione, detta ritiro, propria di ciascuna lega (1% ghisa, 1,5% acciaio, ... ).
Le forme possono essere semipermanenti, in metallo, grafite, etc.; quando si debbano produrre molti pezzi tutti uguali e si denominano allora conchiglie o stampi. Talvolta le forme sono di sabbia agglomerata con resine termoindurenti (formatura a guscio). Si usano anche forme di sabbia agglomerata con cemento, silicato sodico, resine sintetiche, etc.
Le anime sono costituite con gli stessi materiali delle forme o, più spesso, con sabbie speciali agglomerate con leganti organici che reticolano a 200-300 °C in forni ad aria calda e sono formate in appositi stampi detti casse d'anima.
Nel Veneto le fonderie variano per dimensioni dalla piccola azienda artigiana al grande impianto che produce migliaia di tonnellate di getti. La produzione di residui è direttamente in relazione con il tipo di metallo utilizzato (ghisa, acciaio, ottone, bronzo, alluminio) e dipende dai tipi di stampi ed anime impiegati, così come dalla tecnologia usata.
In ogni caso i residui prodotti dalle operazioni di getto in stampi di sabbia sono quantitativamente più importanti di quelli prodotti dai getti in stampi permanenti. Principalmente ci si occuperà quindi della colata in sabbia.
Descrizione del ciclo tecnologico
La fonderia, nel senso di tecnica di fabbricazione di getti, consta essenzialmente delle seguenti operazioni: fusione, formatura, ramolaggio, colata, sformatura, sbavatura e finitura.
Il sistema più comune per costruire una forma è quello che utilizza come materiale di formatura la terra da fonderia. Questa è una miscela, naturale o artificiale, di un materiale altamente refrattario, sabbia silicea, con un legante, generalmente argilla, il quale la rende plastica quando è umidificata con 3-6% di acqua. La terra da fonderia deve possedere refrattarietà per resistere all'alta temperatura di colata senza vetrificare, coesione per assumere la forma voluta intorno al modello e sufficiente compattezza per resistere alla pressione del metallo liquido durante la colata.
Le terre naturali sono sabbie argillose con 6-15% di materiale argilloso; le terre sintetiche sono prodotte artificialmente addizionando bentonite a sabbie silicee di varia granulometria. Talvolta si aggiunge anche polvere di carbon fossile (nero minerale) per aumentare la refrattarietà e per creare una atmosfera riducente e un film gassoso sulla superficie dello stampo per proteggere il metallo dall'ossidazione durante la colata.
Le forme possono essere riempite di metallo senza preventivo essiccamento (colata a verde) in questo caso la coesione è data dall'umidità la quale conferisce all'argilla proprietà plastiche; l'impasto è costituito di sabbia (85-95%), argilla (4-10%), materiali carboniosi (2-10%) e acqua (2-5%). La formatura e la colata a verde vengono impiegate largamente, in quanto risultano economicamente vantaggiose, per getti che hanno peso e spessore limitati, con tendenza ad aumentare questi limiti con il perfezionamento degli accorgimenti tecnici. Per getti di maggiori dimensioni, peso e spessore, si ricorre alla colata a secco, per la quale le forme vengono essiccate in stufe ad aria calda, a temperature fra 200 e 300 °C.
Le anime in genere sono prodotte invece con miscele di sabbia e leganti di varia natura: olii siccativi (lino, olii resinati), melasso, peci, silicato di sodio e, soprattutto, resine sintetiche. Esse devono essere resistenti, dure e inoltre collassabili, devono infatti essere rimosse di solito dal getto attraverso piccole aperture e la sabbia deve collassare dopo la solidificazione del metallo.
Una volta realizzate, forma ed anima devono essere assemblate; tale operazione, più o meno facile e rapida, viene detta ramolaggio e viene realizzata disponendo forma ed anima in opportuni contenitori metallici detti staffe.
Il processo di colata del metallo inizia con la sua fusione, operazione necessaria per poterlo versare all'interno degli stampi. Le materie prime utilizzate, pani di prima fusione, rottami, getti di scarto, leghe sono prelevate dalle zone di stoccaggio e caricate in forni fusori che hanno caratteristiche e campi d'applicazione diversi. Secondo le caratteristiche del contenitore essi si distinguono in forni a manica, a suola, ad induzione, a riverbero ed a crogiolo. Secondo la natura della sorgente di calore usata si distinguono in forni a combustibile solido, liquido, gassoso e forni elettrici.
Il cubilotto (forno a manica) è il più vecchio tipo di forno utilizzato nell'industria della fusione dei metalli ed è usato ancora oggi per la produzione di getti in ghisa. Esso è costituito da un fasciame fisso cilindrico ricoperto di refrattario in cui vengono caricati strati alternati di rottami e ferroleghe insieme a coke siderurgico e calcare o dolomite. Il metallo viene fuso dal contatto diretto con il flusso di gas caldi provenienti dalla combustione del coke. Le ceneri sono eliminate sotto forma di scoria fusa, che viene prodotta introducendo, insieme al combustibile, pietra calcarea ed altri fondenti.
Qualsiasi sia il forno utilizzato, la scorificazione è realizzata aggiungendo alla carica fondenti e altre sostanze ed ha lo scopo di proteggere il metallo fuso (formando uno strato di materiale sulla superficie del metallo che lo separa dall'atmosfera sovrastante), di depurarlo e di aggiustarne la composizione con l'aggiunta di disossidanti, desulfurizzanti, etc...
Il forno elettrico viene usato principalmente da grosse fonderie di acciaio. In esso il calore viene fornito dall'arco elettrico che si viene a creare fra tre elettrodi di grafite.
I forni ad induzione sono divenuti gradualmente i più utilizzati per la fusione di acciaio e di leghe non ferrose. Sono alimentati a corrente alternata e basano il loro funzionamento sull'induzione di una corrente secondaria nel metallo da fondere. Essi sono disponibili in dimensioni che vanno da capacità di pochi chilogrammi a molte tonnellate, hanno un eccellente controllo metallurgico e sono relativamente esenti da inquinamento.
I forni a riverbero vengono utilizzati soprattutto nella fusione di metalli non ferrosi quali l'alluminio, il rame, lo zinco e il magnesio.
Dopo che il metallo è stato fuso e trattato per ottenere le caratteristiche desiderate viene trasferito nell'area di colata in un opportuno contenitore, detto siviera. La scoria viene allontanata dalla superficie del bagno e il metallo è colato negli stampi.
Quando il metallo si è solidificato e raffreddato lo stampo viene aperto: questa operazione viene detta distaffatura. Le terre che costituivano la forma e le anime, a seconda del processo di formatura utilizzato e dei quantitativi in gioco, possono essere scartate e smaltite oppure riutilizzate dopo opportuni trattamenti di rigenerazione (terre a verde) e recupero (terre con leganti sintetici).
Il getto passa alla fase di granigliatura e poi a quelle di sbavatura e finitura. Sbavature e difetti sono rimossi ed il materiale metallico asportato ritorna in ciclo. I pezzi possono infine essere sabbiati.
Le attività economiche nel settore fonderia
Le attività economiche ISTAT (ATECO2002) che individuano il settore delle fonderie sono le seguenti.
Codice Descrizione
275 FONDERIE
2751 FUSIONE DI GHISA
2752 FUSIONE DI ACCIAIO
2753 FUSIONE DI METALLI LEGGERI
2754 FUSIONE DI ALTRI METALLI NON FERROSI
Sono state scelte queste categorie all’interno dell’insieme dell’industria metallurgica (macrocategoria 27) in quanto sono rappresentative del settore. Tali categorie hanno generato, nel 2005, 342.556 t di rifiuti speciali di fonderia su un totale di 782.184 t attribuiti complessivamente al settore metallurgico. La produzione di rifiuti del settore fonderia rappresenta il 4,2% circa della produzione totale di rifiuti speciali in Veneto ed il 6,7% circa della produzione dei rifiuti dell’industria manifatturiera.
Le tipologie di rifiuti nel settore fonderia
Generalità sulla tipologia dei residui prodotti
Principalmente le fonderie generano i seguenti tipi di residui:
- terre di fonderia derivanti da stampi ed anime non riutilizzabili;
- materiali prodotti dalle operazioni di scorificazione;
- polveri e fanghi prodotti dai sistemi di controllo delle emissioni in atmosfera.
Terre di fonderia esauste
Come si è visto le terre di fonderia esauste sono costituite da sabbie legate con argille tipo bentonite e miscelate con vari minerali oppure agglomerate con silicati e cemento o leganti organici. Molte fonderie riutilizzano parte di tali sabbie utilizzate per ottenere anime e stampi. È necessario comunque, per mantenere le proprietà desiderate della sabbia, reintegrare sabbia fresca eliminando una certa quantità di sabbia esausta.
Le terre di formatura a verde infatti nel processo di colata vengono deteriorate e subiscono le seguenti alterazioni:
- perdita irreversibile di plasticità;
- sinterizzazione dei granuli quarzosi;
- vetrificazione delle bentoniti, favorita dalla presenza di fondenti.
Le sabbie con agglomeranti organici subiscono, con la sollecitazione termica, la degradazione della resina per pirolisi, combustione e carbonizzazione. Le componenti organiche degradate vanno a formare una specie di guscio sui granelli di sabbia deteriorandone le caratteristiche al punto da renderle inutilizzabili per un nuovo processo di formatura. Le sabbie esauste poi nel caso di fonderie di ottone e bronzo possono contenere piombo, rame, nichel e zinco.
Scorie
La scoria è una massa vetrosa relativamente inerte di composizione e struttura abbastanza complesse. È composta di ossidi metallici derivanti dal processo di fusione, refrattari fusi, sabbia, ceneri di coke (quando si usa coke) e altri materiali. Scorie pericolose possono essere prodotte nelle operazioni di fusione se i materiali di carica contengono significative quantità di metalli tossici quali piombo, cadmio e cromo. Per ridurre il contenuto di zolfo nell'acciaio alcune fonderie utilizzano il carburo di calcio, le scorie generate da questo processo possono essere considerate reattive.
Residui dagli abbattitori di polveri
Durante i processi di fusione una piccola parte della carica si converte in polveri e fumi e viene raccolta in filtri a maniche o in scrubber ad umido. Nelle fonderie d'acciaio queste polveri contengono diverse quantità di zinco, piombo, nichel, cadmio e cromo. Nella produzione di acciai al carbonio, dato l'uso di rottami galvanizzati, si hanno tenori elevati di zinco e piombo, mentre in quella di acciaio inossidabile si hanno tenori elevati di nichel e cromo. Le polveri associate ai processi di produzione dei metalli non ferrosi possono contenere rame, alluminio, stagno, piombo e zinco.
Si devono inoltre abbattere polveri generate dai processi di formatura e distaffatura ed infine polveri derivanti dalle operazioni di granigliatura, sbavatura, sabbiatura e finitura dei getti.
La classificazione dei rifiuti del settore fonderie
La tabella seguente contiene l’elenco delle tipologie di rifiuti caratteristici del settore fonderie. I codici sono estratti dall’elenco dei rifiuti riportato nell’allegato D alla parte IV del D.Lvo 152/06. Per praticità e per motivi di spazio si rappresentano i rifiuti solo a livello di sottoclasse (codice a 4 cifre).
Sottoclasse CER | Descrizione |
---|---|
10 02 | Rifiuti dell’industria del ferro e dell’acciaio |
10 03 | Rifiuti della metallurgia termica dell’alluminio |
10 04 | Rifiuti della metallurgia termica del piombo |
10 05 | Rifiuti della metallurgia termica dello zinco |
10 06 | Rifiuti della metallurgia termica del rame |
10 07 | Rifiuti della metallurgia termica di argento, oro e platino |
10 08 | Rifiuti della metallurgia termica di altri minerali non ferrosi |
10 09 | Rifiuti della fusione di materiali ferrosi |
10 10 | Rifiuti della fusione di materiali non ferrosi |
Elenco tipologie di rifiuti e classi CER nel settore fonderie.
Per ulteriori approfondimenti sul ciclo tecnologico delle fonderie relativamente al contenimento o alla riduzione degli impatti ambientali si rimanda alla pubblicazione ARPAV: “Produzione e gestione dei rifiuti nel Veneto: Rifiuti urbani – Rifiuti speciali. Anni 2005-2006”.