Nichel vs. Ferro-nichel per la produzione di leghe ferrose

In questo post sul blog, condividiamo i principali risultati dello studio "Valore in uso dei prodotti di nichel nella produzione di leghe ferrose" condotto da Rasoul Sadeghi e dal dott. Sebastian Kreft. Lo studio ha analizzato e confrontato gli effetti dell'utilizzo del nichel metallico e del ferro-nichel sul costo totale e sulla qualità delle leghe ferrose prodotte. I risultati principali aiutano sia le operazioni di fonderia che i dipartimenti acquisti a prendere decisioni più informate nella scelta della materia prima ottimale. 

Market Insights

Il nichel è una lega molto importante che trova applicazione in molte ghise e acciai. Il motivo principale per l'aggiunta di nichel nelle leghe ferrose è quello di promuovere una microstruttura austenitica. Il nichel generalmente aumenta duttilità, tenacità e resistenza alla corrosione. Esistono due categorie principali di prodotti di nichel disponibili per le fonderie, il nichel metal, disponibile in una varietà di forme e dimensioni e il ferro-nichel.

In generale, i fonditori preferiscono i metalli puri alle ferroleghe per la loro facilità d'uso. Tuttavia, la produzione di ferroleghe piuttosto che di metalli puri presenta alcuni vantaggi rispetto alla raffinazione di metalli altamente purificati. In effetti, il processo di raffinazione e concentrazione è costoso e non è logico rimuovere il ferro mentre è l'elemento principale nella fusione ferrosa.

Il nichel è un elemento di lega essenziale e ampiamente utilizzato nelle superleghe resistenti alle alte temperature e nei ferri e acciai resistenti al calore, all'ossidazione e alla corrosione. Il nichel è noto per la sua solida soluzione che rinforza e promuove l'elevata tenacità, principalmente a basse temperature. Oltre alla sua principale applicazione in acciaio inossidabile, il nichel è anche ampiamente usato negli acciai e nei ferri a bassa lega.

L'aggiunta di maggiori quantità di nichel favorisce la stabilizzazione dell'austenite a temperatura ambiente insieme alla perdita di ferromagnetismo e all'aumento della resistenza alla corrosione. A causa della sua scarsa o nessuna affinità a reagire con il carbonio, il nichel ha effetti di grafitizzazione nelle leghe ferrose che sono necessarie per la microstruttura di grafite caratteristica della ghisa. Per gli acciai, questo fenomeno deve essere fermato mantenendo il carbonio in basse percentuali o aggiungendo elementi in metallo duro come il cromo. Inoltre, il nichel inibisce la crescita del grano e aumenta la temprabilità nelle leghe ferrose.

Prodotti in nichel per fonderie

Secondo l'International Nickel Study Group (INSG) esistono due classi di prodotti primari di nichel applicabili alle fonderie. Classe I, che contiene prodotti con un contenuto di nichel superiore al 99% in peso e Classe II, che contiene prodotti con un contenuto di nichel inferiore al 99% in peso, come mostrato nella Tabella 1.

Class 1 (Products with nickel content ≥ 99 wt%)Class 2 (Products with nickel content < 99 wt%)

Cathodes

Ferronickel

Pellets

Nickel pig iron (NPI)

Briquettes

Rondelles

Tabella 1 - Classificazione dei prodotti primari di nichel

Ferro-nichel e ghisa al nichel (NPI) sono due alternative al nickel metal. L'NPI contiene in genere dal 4 al 10% in peso di nichel. La sua elevata quantità di carbonio (> 3% in peso), silicio (> 3% in peso) e manganese (> 1% in peso) significa che la sua applicazione nelle fonderie è fortemente limitata. In effetti, i principali consumatori di questo prodotto sono le acciaierie in Cina, a causa della loro capacità di ridurre il carbonio e altri elementi indesiderati [5]. Il ferro-nichel è una ferrolega contenente principalmente ferro e nichel. Viene fornito sotto forma di granuli fluidi con una dimensione tipica delle particelle tra 2 e 50 mm. Parte del processo di produzione è una fase di raffinazione che riduce la quantità di carbonio, silicio, manganese, zolfo e fosforo a un livello accettabile per le fonderie.

La tabella 2 mostra le specifiche chimiche garantite del ferronichel brasiliano e le specifiche chimiche garantite dei catodi nichel tagliati LME da 4 "x4".

Element [wt%]Brazilian ferronickel4"x4" LME grade cut nickel cathodes

Ni

25-35

≥99.8

Co

≤0.85

≤0.15

Cu

≤0.06

≤0.02

Si

≤0.04

<0.005

P

≤0.02

<0.005

S

≤0.08

≤0.01

C

≤0.04

≤0.03

Fe

Balance

≤0.02

Cr

≤0.04

N/A

Tabella 2 - Composizione chimica garantita di un ferronichel brasiliano e catodi di nichel taglio LME di grado 4″x4″

Secondo il diagramma di Ellingham, che è un grafico che mostra la dipendenza dalla temperatura della stabilità per i composti nell'intervallo di temperatura di fusione e fusione delle leghe ferrose (1300-1600 ° C), il nichel ha meno affinità con l'ossidazione rispetto ad altri elementi disponibili nel percorso fuso. Pertanto, non vi è una quantità significativa di perdita di nichel durante la fusione e, a questo proposito, non ci sono differenze tra l'uso di ferronichel o nichel metallo. Tuttavia, ci sono altre tre differenze di cui i reparti di fusione possono essere preoccupati: l'esistenza di ferro, cobalto e altri elementi nel ferronichel.

Conclusione

Da un punto di vista tecnico, il ferronichel e il metallo nichelato possono essere facilmente aggiunti senza una grande perdita a causa dell'ossidazione.

Il cobalto è al centro dell’attenzione perché è stato considerato il motivo principale del rifiuto del ferronickel. Tuttavia, dal punto di vista metallurgico, non è un elemento dannoso per la ghisa e l'acciaio, tranne per le applicazioni di energia nucleare che sono sensibili alle proprietà radioattive del cobalto. È stato segnalato che la presenza anche di piccole quantità di cobalto, come elemento di lega, migliora significativamente le proprietà meccaniche, metallurgiche e di resistenza alla corrosione di ghisa e acciaio. Altri elementi come carbonio, silicio, zolfo, fosforo e rame sono presenti in quantità molto basse e accettabili.

Da un punto di vista finanziario, il ferronichel offre un chiaro vantaggio in termini di costi. Il potenziale di risparmio di circa il 10% per tonnellata di nichel dovrebbe creare un forte incentivo per le altre fonderie ad utilizzare il ferronichel nel loro processo. Inoltre, la ricarica automatizzata del forno consente di risparmiare tempo, il che crea indirettamente ulteriori risparmi per il consumatore a seconda dell'operazione specifica.


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