acciaio

UN GRANDE PASSO PER L’UOMO (prima di quello di N. Amstrong sulla luna):

dalla ghisa all’acciaio

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COS’È L’ACCIAIOSi chiama acciaio un materiale in cui il ferro è l’elemento predominante, in cui il tenore di carbonio è di regola minore del 2 % e che contiene altri elementi. … tale valore del 2 % è il tenore limite corrente che separa l’acciaio dalla ghisa.

DA UNI EN 10020

ATTENZIONE: l’acciaio NON è ferro!! La storia dell’acciaio NON è la storia del ferro!!

Chi ha inventato l’acciaio?

Non si sa!La scoperta del modo di produrre l’acciaio è stata fatta in molti luoghi indipendentemente. Forse primi sono stati gli indiani, o i cinesi; altri pensano agli africani. In qualche zona del mondo ancora oggi l’acciaio non è conosciuto! Le stesse tecniche per produrre acciaio sono state messe a punto in luoghi diversi e in tempi diversi, quasi sempre allo stesso scopo: disporre di armi più potenti!

TECNICA per produrre acciaio: il pacchetto

Per ottenere oggetti utilizzabili il ferro meteoritico e, più tardi, la spugna di ferro dei bassiforni, doveva essere scaldato e poi battuto. Durante il riscaldamento, il ferro a contatto con legna o carbone poteva disciogliere piccole quantità di carbonio: forse il primo acciaio nacque così, inconsapevolmente. Durante la battitura il metallo veniva rivoltato più volte su se stesso, generando una specie di pacchetto di strati di ferro carburato accanto ad altri pressoché privi di carbonio. Se a fine battitura si eseguiva un raffreddamento brusco, ad esempio in acqua o in liquidi organici, la parte più ricca in carbonio si induriva molto (tempra e cementazione): le armi così ottenute (spade, lame, punte di freccia) erano assai più potenti di quelle di bronzo o ferro quasi puro!

Un esempio: Kopis (lama a falce) di Vetulonia VII sec. a. C.

Un esempio di cementazione: Coltello di Bolsena III sec. a. C.

Sono indicate le fasi di lavorazione secondo W. Nicodemi, C. Mapelli – Archeometallurgia - ed. AIM.Il materiale attivo, oltre che carbone, poteva essere costituito da residui organici (ossa, pelli, escrementi). A fine lavorazione la lama è molto dura per il suo elevato tenore di carbonio (e forse anche di azoto).

TECNICA INDIANA per produrre ACCIAIO

Nome: Wootz, (versione anglicizzata di ukku o urukku, acciaio in lingua indu), talvolta chiamato “acciaio di Damasco”

Luogo e Data di nascita: India, 300 d. C. (forse 200 a.C.);

Caratteristica: primo acciaio volutamente prodottoModalità di produzione:

1. Mettere in un crogiolo di argilla minerale di ferro, carbone e vetro.

2. Chiudere il crogiolo con coperchio sigillante3. Riscaldare il crogiolo con fiamma viva in un forno4. Lasciare bollire per molte ore

Cosa succede durante la produzione?• Il carbonio riduce il minerale a ferro

metallico• Il ferro fonde• Il carbonio si discioglie nel ferro fuso• Il vetro fonde, galleggia e assorbe le impurità

Risultato: acciaio ad alto tenore di carbonio e di elevata purezza

Curiosità: Il forno per la produzione dell’acciaio Wootz era a vento, che utilizzava i venti monsoni irca

Esempio di siderurgia indiana

Colonna di DelhiChandragupta Vikramaditya

circa 400 d.C. Fabbricata per fusione di una lega contenente ferro al 98%, fosforo e poco carbonio. Pur essendo esposta in ambiente aggressivo da 1600 anni non presenta segni evidenti di corrosione.

Attualità: l'acciaio di Damasco è famoso per l’alta resistenza meccanica, sfruttata per produrre lame che mantengono il tagliente. Studi recenti hanno dimostrato che: ha caratteristiche superplastiche (se sollecitato a trazione in modo opportuno può subire altissime deformazioni, fino al 300%, prima di rompersi);

forse (sic!!) nanotubi di carbonio, prodotti in maniera inconsapevole durante il processo, sono inclusi nella sua struttura: ciò spiegherebbe le eccezionali proprietà meccaniche ed aprirebbe nuovi orizzonti alla ricerca metallurgica.

Strutture di nanotubi di carbonio

Il caso Huntsman: acciaio al crogiolo

Benjamin Huntsman = orologiaio di Doncaster , vicino a Sheffield

Problema: trovare un materiale adatto per fabbricare le molle degli orologi e per la coltelleria.

Soluzione: miscelare e fondere, in un crogiuolo di argilla, ferro e ghisaRisultato: acciaio ad alto tenore di carbonio (circa 0,7 %)

Benjamin Huntsman 1704 –1776)

La tecnica: Dai bassiforni escono due prodotti, uno solido (ferro quasi puro chiamato ferro dolce), l’altro liquido (pig iron, ghisa). Già Réamur nel 1722 aveva tentato di fonderli assieme, ma non era riuscito a raggiungere la temperatura necessaria. Huntsman riuscì nell’intento dosando meglio la miscela e aggiungendo piccole quantità di carbonio. Tecnicamente operava introducendo una carica solida di ferro, ghisa e carbone in un crogiolo alto e stretto di argilla refrattaria che veniva scaldato dall’esterno con carbone fossile. Al color bianco si immetteva nel crogiolo un po’ di metallo ossidato (ruggine) e si copriva con un coperchio. Continuando il riscaldamento per circa tre ore si ottenevano circa 20 kg di acciaio.

La storia: Non avendo brevettato il suo processo Huntsman fu oggetto di spionaggio industriale tanto da farsi rubare il segreto dell'acciaio al crogiolo da un certo Walker il quale cominciò a produrre acciaio con lo stesso metodo. Comunque il processo al crogiolo di Huntsman non ebbe immediato successo in patria: l’acciaio prodotto era troppo duro per essere usato dai i coltellinai di Sheffield, i quali prima forgiavano il coltello (e per questo serviva un metallo tenero) e poi cementavano la lama. Huntsman esportò la tecnica in Francia e dopo poco tempo i coltelli francesi invasero l’Inghilterra. I coltellinai inglesi per contrastare la concorrenza si videro costretti a riabilitare ed adottare il processo. Il processo di Huntsman è rimasto l’unico in grado di produrre acciaio ad alta resistenza fino alla metà del XIX sec.

Monumento a B. Huntsman

Benjamin HuntsmanProblema: trovare un materiale adatto per fabbricare le molle degli orologi.Soluzione: miscelare e cuocere, in un crogiuolo di argilla, ferro e ghisaNel 1750 abbandonò il Lincolnshire per stabilirsi vicino a Sheffield, zona di ferriere e ferramenta che produceva lame di alta qualità. Seguendo l'esempio di un certo Réamur, che già nel 1722 aveva provato a Huntsman si armò di pazienza e investì molte sterline nella sperimentazione. Provò a cambiare la miscela, aggiungendo piccole quantità di carbone di legna e vetro smerigliato. Il procedimento trovato da Huntsman, l'acciaio al crogiuolo, ebbe un qualche successo molto più avanti, in particolare nell'Ottocento. Ma immediatamente, come al solito, trovò ostilità. I coltellinai di Sheffield rifiutarono di acquistare l'acciaio prodotto da Huntsman, che trovò migliore accoglienza sul mercato francese. Nulla di meglio, trovarono allora i coltellinai, che chiedere al deputato della Contea presso la Camera dei Comuni, tale sir George Savile, di proporre il divieto di esportazione dell'acciaio fuso. Secondo Mantoux, questi si rifiutò di sostenere interessi di bottega così bassi, e nel frattempo Huntsman trovò una buona accoglienza tra i magnani di Birmingham. Ottenne un brevetto e si vide costretto a prendere rigorose misure contro lo spionaggio industriale di allora per custodire il segreto dell'acciaio al crogiolo. Ma sebbene lavorasse di notte, solo con uomini di fiducia, non riuscì a difendere a lungo l'esclusiva. Ad Attercliffe era nata la prima acciaieria, con un marchio che presto divenne popolare in tutta Europa, nonostante i crescenti tentativi di imitazione. Anche Huntsman, come tutti gli altri inventori, ebbe quindi le solite difficoltà e pochissimi vantaggi dall'ottenimento di una privativa. Quel che riuscì a guadagnare, dopo molte traversie, fu solo frutto del lavoro e del commercio, nonchè della bontà del suo prodotto. Quando ingegneri e tecnici si accorgeranno dell'importanza dell'acciaio, in pieno Ottocento, Huntsman era già morto da un pezzo.

Il pudellaggioUna svolta significativa si ebbe quando Henry Cort mise a punto una tecnica nuova: il pudellaggio della ghisa. Cort fu tanto bravo, quanto sfortunato. La maledizione di Prometeo pare non finire mai. E colpì due volte, perché in realtà, come spesso succede quando una scoperta è "nell'aria", gli inventori della tecnica del pudellaggio furono due, il semiignoto Peter Onions, capo officina di Merthyr-Tydvil, ed Henry Cort, personaggio che aveva entrature addirittura nell'Ammiragliato al quale forniva ferro in quantità. Più svelto ed acculturato del povero signor Cipolle Pietro, che Cort non conosceva, pur knowing his onion (che in inglese vuol dire: sapendo il fatto suo), il nostro ebbe la prontezza di far brevettare il pudellaggio prima dell'operaio. Il pudellaggio della ghisa consiste in questo: ottenuta la ghisa, si arriva ad un ferro più puro spezzettandola ed affinandola ad un fuoco di coke che dovrebbe depurarla da una parte cospicua del carbone che contiene. Introdotta in un forno insieme a scorie ricche di ossido di ferro, si combina con l'ossigeno se si trova il modo di mescolare ed agitare fortemente con un uncino il brodo metallico. Come cuocendo il minestrone, si produce una sorta di ebollizione dalla quale si origina una caratteristica fiamma azzurrognola dovuta alla combustione dell'ossido di carbonio. Continuando a lungo a rimestare, cuocere, alternando l'intensità del fuoco, il ferro puro si addensa in masselli spugnosi, da non toccare perché scottano, ma da prendere con le molle. I masselli vengono battuti con cura per eliminare le ultime scorie e finalmente vengono fatti passare attraverso due cilindri: abbiamo così la lamiera nel formato preferito. Possiamo farne quello che vogliamo, ad esempio la fiancata di un carrello da far scorrere sui binari o il contenitore di una macchina a vapore o persino una tubatura per l'acqua corrente. Inutile dire che il successo del procedimento ideato da Cort, e da mastro Cipolle, fu immediato. Finalmente l'artigianato del ferro usciva dal collo di bottiglia quando correva l'anno 1784. In breve Cort, grazie ai diritti d'autore maturati, venne a guadagnare 2 scellini alla tonnellata, ovvero 250.000 sterline in dieci anni, una cifra da capogiro. Ma, come al solito il diavolo ci mise la coda, e la fortuna di Cort ebbe bruscamente termine quando scoppiò uno scandalo finanziario all'Ammiragliato e Mani Pulite inglese comparve in scena. Cort, nonostante c'entrasse poco o nulla, fu privato di tutti i suoi crediti nei confronti della Royal Navy ed i suoi beni furono posti sotto sequestro. Finì in miseria, appena sussidiato da una pensione al merito che Pitt "il giovane", primo ministro di sua maestà, volle assegnargli.Resta che con il pudellaggio iniziava davvero la rivoluzione del ferro: da allora il mondo è una lamiera, una sequenza di lamiere, una città di metallo con i colori dell'antiruggine, gli stessi dei primi tram trainati da cavalli.

… non tutto il male viene per nuocere, anzi! Dal “pig iron” alla ghisaAPPLICAZIONI della ghisa1) Fonderia: quando è ancora liquida può essere colata in stampi di varia forma (getti), anche molto complessa, per produrre oggetti molto utili (e oggi anche molto moderni).

I lampioni della Montagnola di Bologna sono in ghisa

Applicazioni della ghisa nell’arredo urbano…

… nei motori.

CURIOSITA’:

Museo Italiano della Ghisa Fondazione Neri -

Ss. Emilia, 1626

47020 Longiano (FC) info@museoitalianoghisa.org

2) Si può trasformare la ghisa in acciaio (conversione ghisa-acciaio)

Primo periodo della Rivoluzione industriale (1650-1780)

nuovi brevetti inglesi (circa 100 all’anno dal 1650 al 1750; oltre 450 nel 1780).

1689 macchina a vapore di Thomas Savery per drenare l’acqua dalle miniere

1705 macchina a vapore di Thomas Newcomen, applicata a una pompa per le miniere

1709 Darby utilizza il carbon coke

1733 navetta volante di Kay

1764 filatoio multiplo meccanico (jenny) di James Hargreaves

1765 prima macchina a vapore di James Watt: ne risulta il moto circolare di un asse

1769 telaio idraulico di Richard Arkwright

1774 primi utilizzi industriali della macchina a vapore

1779 macchina filatrice (mule) di Crompton

1784 nuove tecniche di fonderia di Henry Cort

1785 telaio meccanico di Edmund Cartwright che sfrutta l’energia motrice del vapore

1784

Brevetto di H. Cort del forno a riverbero

1856

H. BESSEMER inventa il convertitore

Soffiaggio con aria

Altiforni moderni

Forni elettrici

H. Brearly

                     

1925 – Primo radiatore in inox

                     

1950- componenti in inox della Rover

acciai inossidabili (1913)

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Fig. 6 First German coke blast furnace, built in Gleiwitz/Upper Silesla in 1796

Fig. 9 Cross section of Henry Bessemer‘s experimental converter for steelmaking (1856)

L’altoforno

Industria siderurgica inglese (1835)

Fonderia russa (1950)