Impara la storia dall'età del ferro alle fornaci ad arco elettrico
Per i pochi millenni seguenti, tuttavia, la qualità del ferro prodotto dipenderebbe tanto dal minerale disponibile quanto dai metodi di produzione.
Nel XVII secolo, le proprietà del ferro erano ben comprese, ma la crescente urbanizzazione in Europa richiedeva un metallo strutturale più versatile.
E dal 19 ° secolo, la quantità di ferro consumata dalle ferrovie in espansione fornì ai metallurghi gli incentivi finanziari per trovare una soluzione alla fragilità del ferro e ai processi di produzione inefficienti.
Indubbiamente, tuttavia, il grande passo avanti nella storia dell'acciaio arrivò nel 1856, quando Henry Bessemer sviluppò un modo efficace per utilizzare l'ossigeno per ridurre il contenuto di carbonio nel ferro: nacque la moderna industria siderurgica.
L'era del ferro
A temperature molto elevate, il ferro inizia ad assorbire il carbonio, che abbassa il punto di fusione del metallo, risultando in ghisa (dal 2,5 al 4,5% di carbonio). Lo sviluppo degli altiforni, usati per la prima volta dai Cinesi nel VI secolo aC ma più diffusi in Europa durante il Medioevo, aumentarono la produzione di ghisa.
La ghisa è un ferro fuso che fuoriesce dagli altiforni e si è raffreddato in un canale principale e in uno stampo contiguo. I grandi lingotti più grandi, centrali e contigui assomigliavano a una scrofa e ai maialini da latte.
La ghisa è forte ma soffre di fragilità a causa del suo contenuto di carbonio, rendendolo meno ideale per lavorare e modellare. Mentre i metallurgisti si rendevano conto che l'alto contenuto di carbonio nel ferro era fondamentale per il problema della fragilità, essi sperimentarono nuovi metodi per ridurre il contenuto di carbonio al fine di rendere il ferro più praticabile.
Verso la fine del XVIII secolo, i produttori di ferro impararono a trasformare la ghisa ghisa in un ferro battuto a basso contenuto di carbonio usando forni a ventaglio (sviluppati da Henry Cort nel 1784). Le fornaci riscaldavano il ferro fuso, che doveva essere mescolato dai puddlers usando un lungo strumento a forma di remo, permettendo all'ossigeno di combinarsi e rimuovere lentamente il carbonio.
Quando il contenuto di carbonio diminuisce, il punto di fusione del ferro aumenta, quindi masse di ferro si agglomerano nella fornace. Queste masse verrebbero rimosse e lavorate con un martello da forgia dal puddler prima di essere arrotolate in fogli o rotaie. Nel 1860, in Gran Bretagna c'erano più di 3000 fornaci per l'acqua, ma il processo rimaneva ostacolato dal lavoro e dall'intensità del carburante.
Una delle prime forme di acciaio, acciaio blister, iniziò la produzione in Germania e Inghilterra nel 17 ° secolo e fu prodotta aumentando il contenuto di carbonio nella ghisa fusa usando un processo noto come cementazione. In questo processo, barre di ferro battuto sono state stratificate con carbone in polvere in scatole di pietra e riscaldate.
Dopo circa una settimana, il ferro assorbirebbe il carbone nel carbone. Il riscaldamento ripetuto distribuirebbe il carbonio in modo più uniforme e il risultato, dopo il raffreddamento, era di acciaio blister. Il più alto tenore di carbonio rendeva l'acciaio blister molto più lavorabile della ghisa, permettendogli di essere pressato o arrotolato.
La produzione di acciaio blister progredì negli anni '40 dell'Ottocento quando l'orologiaio inglese Benjamin Huntsman, mentre cercava di sviluppare un acciaio di alta qualità per le sue molle, scoprì che il metallo poteva essere fuso in crogioli di argilla e raffinato con un flusso speciale per rimuovere le scorie che il processo di cementazione aveva lasciato dietro a. Il risultato è stato il crogiolo o l'acciaio fuso. Ma a causa dei costi di produzione, sia il blister che l'acciaio fuso sono stati utilizzati solo in applicazioni speciali.
Di conseguenza, la ghisa fabbricata in forni di ghiaia rimase il principale metallo strutturale nell'industrializzazione della Gran Bretagna durante la maggior parte del 19 ° secolo.
Il processo di Bessemer e l'acciaio moderno
La crescita delle ferrovie nel diciannovesimo secolo sia in Europa che in America esercitò una forte pressione sull'industria del ferro, che ancora lottava con processi di produzione inefficienti.
Eppure l'acciaio non era ancora provato come metallo strutturale e la produzione era lenta e costosa. Questo fino al 1856, quando Henry Bessemer inventò un modo più efficace per introdurre l'ossigeno nel ferro fuso per ridurre il contenuto di carbonio.
Ora noto come processo Bessemer, Bessemer progettò un ricettacolo a forma di pera, chiamato "convertitore", in cui il ferro poteva essere riscaldato mentre l'ossigeno poteva essere soffiato attraverso il metallo fuso. Quando l'ossigeno passava attraverso il metallo fuso, reagiva con il carbonio, rilasciando anidride carbonica e producendo un ferro più puro.
Il processo è stato rapido ed economico, rimuovendo carbonio e silicio dal ferro in pochi minuti, ma ha sofferto di successo. Troppo carbonio è stato rimosso e troppo ossigeno è rimasto nel prodotto finale. Alla fine, Bessemer dovette ripagare i suoi investitori finché non trovò un metodo per aumentare il contenuto di carbonio e rimuovere l'ossigeno indesiderato.
All'incirca nello stesso periodo, il metallurgo britannico Robert Mushet acquistò e iniziò a testare un composto di ferro, carbonio e manganese, noto come speigeleisen . Il manganese era noto per rimuovere l'ossigeno dal ferro fuso e il contenuto di carbonio nello speigeleisen, se aggiunto nelle giuste quantità, fornirebbe la soluzione ai problemi di Bessemer. Bessemer ha iniziato ad aggiungerlo al suo processo di conversione con grande successo.
Eppure, un problema rimaneva ancora. Bessemer non era riuscito a trovare un modo per rimuovere il fosforo - un'impurita deleterio che rende fragile l'acciaio - dal suo prodotto finale. Di conseguenza, solo il minerale esente da fosforo proveniente dalla Svezia e dal Galles potrebbe essere utilizzato.
Nel 1876 il gallese Sidney Gilchrist Thomas inventò la soluzione aggiungendo un calcare di base chimicamente basico al processo di Bessemer. Il calcare ha estratto il fosforo dalla ghisa nella scoria, consentendo la rimozione dell'elemento indesiderato.
Questa innovazione ha fatto sì che, finalmente, il minerale di ferro proveniente da qualsiasi parte del mondo potesse essere utilizzato per produrre acciaio. Non sorprende che i costi di produzione dell'acciaio abbiano iniziato a diminuire in modo significativo. Tra il 1867 e il 1884 i prezzi della ferrovia in acciaio crollarono di oltre l'80%, come conseguenza delle nuove tecniche di produzione dell'acciaio, dando il via alla crescita dell'industria siderurgica mondiale.
The Open Hearth Process
Nel 1860, l'ingegnere tedesco Karl Wilhelm Siemens incrementò ulteriormente la produzione di acciaio attraverso la sua creazione del processo di focolai aperti. Il processo a cuore aperto produceva acciaio da ghisa in grandi forni poco profondi.
Usando le alte temperature per bruciare il carbonio in eccesso e altre impurità, il processo faceva affidamento su camere riscaldate di mattoni sotto il focolare. I forni rigenerativi hanno in seguito utilizzato gas di scarico dalla fornace per mantenere alte temperature nelle camere di mattoni sottostanti.
Questo metodo consentiva la produzione di quantità molto maggiori (50-100 tonnellate metriche potevano essere prodotte in un forno), test periodici dell'acciaio fuso in modo che potesse essere realizzato per soddisfare specifiche particolari e l'uso di rottame d'acciaio come materia prima . Sebbene il processo stesso fosse molto più lento, nel 1900 il processo del focolare aperto aveva ampiamente sostituito il processo di Bessemer.
Nascita dell'industria siderurgica
La rivoluzione nella produzione di acciaio che ha fornito materiali più economici e di qualità superiore è stata riconosciuta da molti imprenditori del giorno come un'opportunità di investimento. I capitalisti della fine del XIX secolo, tra cui Andrew Carnegie e Charles Schwab, investirono e fecero milioni (miliardi nel caso di Carnegie) nell'industria dell'acciaio. La statunitense Steel Corporation di Carnegie, fondata nel 1901, è stata la prima società mai lanciata con un valore di oltre un miliardo di dollari.
Fornitura di acciaio al forno ad arco elettrico
Subito dopo il volgere del secolo, si è verificato un altro sviluppo che avrebbe avuto una forte influenza sull'evoluzione della produzione di acciaio. Il forno ad arco elettrico (EAF) di Paul Heroult è stato progettato per passare una corrente elettrica attraverso il materiale caricato, con conseguente ossidazione esotermica e temperature fino a 3272 ° F (1800 ° C), più che sufficienti per riscaldare la produzione di acciaio.
Inizialmente utilizzato per gli acciai speciali, gli EAF sono cresciuti e, durante la seconda guerra mondiale, venivano utilizzati per la produzione di leghe di acciaio. I bassi costi di investimento legati alla creazione di mulini EAF hanno permesso loro di competere con i principali produttori statunitensi come US Steel Corp. e Bethlehem Steel, in particolare in acciai al carbonio, o prodotti lunghi.
Poiché EAF è in grado di produrre acciaio da rottame al 100% o da alimentazione a freddo, è necessaria meno energia per unità di produzione. Al contrario dei focolari di ossigeno di base, le operazioni possono anche essere interrotte e avviate con pochi costi associati. Per questi motivi, la produzione tramite EAF è in costante aumento da oltre 50 anni e ora rappresenta circa il 33% della produzione mondiale di acciaio.
Ossigenazione dell'acciaio
La maggior parte della produzione mondiale di acciaio, circa il 66%, viene ora prodotta in strutture di base per l'ossigeno. Lo sviluppo di un metodo per separare l'ossigeno dall'azoto su scala industriale negli anni '60 ha permesso importanti progressi nello sviluppo di fornaci di ossigeno di base.
Forni di ossigeno di base fanno esplodere l'ossigeno in grandi quantità di ferro fuso e acciaio di scarto e possono completare una carica molto più rapidamente dei metodi a cuore aperto. Le navi di grandi dimensioni contenenti fino a 350 tonnellate di ferro possono completare la conversione in acciaio in meno di un'ora.
Le efficienze in termini di costi della produzione di acciaio per ossigeno hanno reso le fabbriche aperte al pubblico non competitive e, in seguito all'avvento dell'acciaio per la produzione di ossigeno negli anni '60, le operazioni di apertura hanno iniziato a chiudere. L'ultima struttura open-hearth negli Stati Uniti ha chiuso nel 1992 e in Cina nel 2001.
fonti:
Spoerl, Joseph S. Una breve storia della produzione di ferro e acciaio. Saint Anselm College.
La World Steel Association. www.steeluniversity.org
Street, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metalli al servizio dell'uomo . 11a edizione (1998).