Verso la moderna siderurgia
FERRO E POI FERRO
E ANCORA FERRO
Dopo aver scoperto le
antiche tecniche di
estrazione del ferro, Il
signor W le confronta
con le attuali
e si accorge che il
prodotto finale sembra
… peggiorato !
Il signor W è molto fortunato .
Gli basta formulare la domanda
e voilà ecco la risposta!
Il ferro estratto dal
minerale, prodotto in
antichità, era quasi
puro. La siderurgia
moderna produce
ferro molto impuro.
PERCHE’?
Alle basse temperature dei forni antichi
(circa 1300 °C) non si aveva fusione. Le reazioni chimiche
avvenivano allo stato solido e il ferro metallico così prodotto non
poteva inglobare (meglio disciogliere) altri elementi. (Si ricorda
che la solubilità dipende dalla temperatura e subisce un forte
incremento nel liquido rispetto al solido).
Nella siderurgia moderna si raggiungono temperature
superiori a 2000 °C, e il ferro prodotto fonde: nel liquido così
ottenuto gli altri elementi si disciolgono agevolmente, primo
fra tutti il carbonio usato per ridurre il minerale (ossidi).
PERCHE’ è stato
necessario
aumentare tanto la
temperatura in
siderurgia?
Con lo sviluppo tecnologico (in
particolare con la rivoluzione
industriale inglese) la richiesta di
prodotti siderurgici cresce
enormemente, tanto che i vecchi
sistemi per produrre ferro non
erano più in grado di soddisfarla.
Quindi la siderurgia, che per
molti secoli non aveva subito
modifiche tecniche importanti, si
è evoluta verso un incremento
della produzione che può essere
ottenuta accelerando le reazioni
chimiche con un aumento della
temperatura di lavoro dei forni.
COME si fa per
raggiungere
temperature
più elevate?
Bisogna usare più combustibile
(carbone) oppure trovarne uno
più efficiente e soffiare più aria.
1300 d.C.: primi forni con soffiaggio idraulico
bocca
camin
o
refrattari
o
ventre
Schema di forno
siderurgico del
1300
sacca
crogiolo
Tmax= 1300 –
1400 °C
mantici
idraulici
Piano degli
crogioli
STORIA - In Germania vengono costruiti forni di
dimensioni maggiori di quelle dei bassiforni e si utilizzano
mantici azionati da ruote idrauliche: si raggiungono così
temperature elevate (circa 1400 °C al piano dei crogioli).
MA dai forni, oltre alla solita massa spugnosa da martellare,
usciva anche un liquido che solidificava dando origine ad un
prodotto con caratteristiche strane: se martellato si
rompeva invece che deformarsi e perciò venne considerato
come un prodotto di scarto.
In tedesco il nuovo materiale fu chiamato “guss-eisen ”, cioè
“ferro fuso ”; in italiano diventerà “ghisa”. Quando, tempo
dopo, la stessa cosa accadde in Inghilterra, il prodotto si
chiamò “pig iron”, cioè “ferro porco”, forse per la delusione
data la sua scarsa utilità.
1457 d.C.: Introduzione della siderurgia in Inghilterra
STORIA: Nel 1457 Riccardo, duca di Gloucester e fratello del re Edoardo IV, introdusse i
sistemi tedeschi in Inghilterra, dove si fecero molti tentativi per sostituire al carbone di legna
il carbon fossile, di cui è ricco il paese.
Ricostruzione attuale di
un forno siderurgico
medievale
I tentativi falliti perché:
1. il carbon fossile rammollisce, intasa
il forno, impedisce il passaggio
dell’aria e la combustione si blocca;
2. il carbon fossile inquina il ferro e lo
rende fragile (fenomeno dovuto allo
zolfo, sempre contenuto nel carbon
fossile).
Perché
il
carbon
fossile e non
carbone da
legna?
ECONOMIA
Estratto dalle riflessioni di S. Sturtevant, tedesco,
che nel 1612 aveva sperimentato (forse per primo)
l’impiego del carbon fossile: “Ogni innovazione
tecnologica deve garantire una produzione che, per
qualità, quantità e costo, sia almeno pari a quella
sostituita”. Secondo Sturtevant, l’uso del carbon
fossile al posto di quello di legna avrebbe permesso
di realizzare un'economia di combustibile nel
rapporto 1 a 50.
ECOLOGIA
Preservazione del patrimonio forestale. Già nel XVII
sec. l’impiego della legna per fabbricare carbone
aveva generato un importante disboscamento, tanto
che la regina Elisabetta I dovette emanare un decreto
che limitava il numero delle ferriere per evitare che,
in breve, gran parte delle foreste inglesi finisse in
cenere.
Innovazione in siderurgia!!!!
coke
metallurgico
al posto del
carbone di
legna
Dizionario di metallurgia e non
coke = prodotto della “distillazione secca” del carbon fossile nelle cokerie (in
siderurgia
Tipi di
carbone
fossile:
si usa il “litantrace a corta fiamma”)
Per il contenuto di sostanze
per età:
1. Antracite (il più vecchio)volatili:
• se poche: litantrace a corta fiamma
2. Litantrace
• se molte: litantrace a lunga fiamma
3. Lignite
4. torba (il più giovane)
Distillazione secca =
riscaldamento del carbon
fossile in assenza di aria (per
evitare la combustione).
Vengono eliminate le sostanze
volatili (ammoniaca,
idrocarburi gassosi,…) e quelle
che diventano liquide
(idrocarburi a formare
catrame). Usando litantrace a
corta fiamma si ottiene un coke
ottimale per gli impieghi in
siderurgia
Schema di cokeria
Ultima delle originarie cinque
batterie di forni che costituivano
la cokeria dell’impianto
siderurgico di Bagnoli (Na). Non
ha mai funzionato
Composizione del
coke metallurgico
carbonio
88-92%
idrogeno
0,6%
ossigeno
1,8%
zolfo
0,8%
azoto
0,7%
ceneri
5-10%
umidità
1%
Coke
metallurgico
Proprietà fisiche e
meccaniche
del coke metallurgico
Cokeria in
funzione
Potere calorifico: 30 MJ/kg
Massa volumica reale: 1,8-2,2 kg/dm³
Massa volumica apparente: 1 kg/dm³
Resistenza alla compressione: 14002000 N/m²
Pezzatura alla compressione: 20-60 mm
1709: brevetto del processo di produzione del coke di A.
DARBY
STORIA: La saga dei Darby. Molti componenti della
famiglia Darby si chiamarono Abraham. All’inizio del
1700 la famiglia Darby gestiva una ferriera a
Coalbrookdale dove operava un forno già alto e con
mantici idraulici molto potenti. Forse il vero scopritore
del modo di produrre il coke fu Abraham Darby nonno,
il primo Abraham, che però usò un carbone fossile
Un Abraham
inadatto per la siderurgia, che portava ad un metallo di
Darby
scarsa qualità. L’Abraham nipote ottenne notevoli
miglioramenti grazie al carbone fossile scoperto nello
Shropshire, vicino a Coalbrookdale. Questo carbon
fossile era in giacitura con un terreno argilloso, cosa che
si rivelò fondamentale. Infatti se questo carbone, in
commistione col terreno argilloso, era riscaldato ad alta
temperatura generava coke di elevata qualità, cioè
abbastanza puro e con alto potere calorifico. Usando
questo coke aumentava di molto la produttività del
Per conservare l’esclusiva sul loro prodotto i Darby
tennero segreto il processo per molto tempo: fino alla
metà del XVIII sec. rimasero i soli in grado di
produrre ferro in barre facendo uso di coke ricavato
da carbon fossile. Le loro ferriere si estesero
considerevolmente e furono necessarie nuove
tecniche per avere energia sufficiente ad azionare i
mantici idraulici (pompe per generare cascate
artificiali). Nel 1763 Richard Reynolds divenne socio
dei Darby e, da vero imprenditore, impose l’apertura
di numerose succursali in tutta l’Inghilterra.
ferriera a
Coalbrookdale
Abraham Darby III, ereditò le ferriere di
famiglia e si occupò di tramandare nel tempo
la memoria dei Darby. Si occupò della
progettazione e della fabbricazione del “ponte
di Coalbrookdale” in ferro.
Opere di William
Williams
Il ponte fu aperto al traffico il 1 gennaio 1781
ed è tuttora funzionante. Abraham Darby III
promosse l’avvenimento commissionando
quadri e stampe ad artisti locali, fra cui
William Williams.
Iron Bridge in Shropshire 1780
Veduta di Coalbrookdale - 1777
La verità sul “pig iron”
Certamente i siderurgisti inglesi cercavano un metallo diverso da quello che
avevano prodotto: più lavorabile, più resistente! Ma non fu solo per la
delusione che lo chiamarono “porco ferro”. L’origine del nome pare che sia nel
fatto che quando il prodotto fuso usciva dal forno veniva convogliato verso
degli stampi per farne lingotti: era come se una scrofa (il forno) alimentasse i
suoi maialini (le lingottiere)!
STORIA: Uno degli usi per cui richiesto molto pig iron fu nella fabbricazione di
palle da cannone, in particolare per l’artiglieria marina, e ciò portò ad un conflitto
di interessi: il legno necessario per produrre il carbone per la siderurgia serviva
anche per la fabbricazione dei vascelli. Ciò indusse a tentare di usare per la
siderurgia il carbone fossile al posto della legna.
… non tutto il male viene per
nuocere, anzi!
DAL “PIG IRON” ALLA GHISA
applicazioni vecchie e nuove
della ghisa
Fonderia: quando la ghisa 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).
Applicazioni della ghisa nell’arredo urbano…
… nei motori.
CURIOSITA’:
Museo Italiano della Ghisa
Fondazione Neri
Ss. Emilia, 1626
I lampioni della Montagnola di Bologna sono in ghisa
47020 Longiano (FC)
[email protected]
Innovazione in siderurgia!
macchine a
vapore al posto
dei mantici
idraulici (circa
1770)
Le tappe del
l‘energia
termica che
diventa
lavoro.
200 d.C.: Erone di Alessandria – Apertura delle porte dei
templi mediante vapore acqueo prodotto per ebollizione in
recipienti di rame.
1650: Otto von Guericke - Progetto di una pompa pneumatica
basata sulla pressione dell'aria contro un recipiente sotto vuoto.
1679: Denis Papin – Invenzione della pentola a pressione in
grado di cuocere i cibi velocemente. Nasce l'idea di collegare alla
pentola uno stantuffo che si muove a causa della pressione del
vapore.
1698: Thomas Savery – Prima fire-engine, pentola a
pressione capace di gestire una pompa. La macchina Savery trovò
molte applicazioni: prosciugare paludi, drenaggio dell'acqua
dalle miniere, rifornimento idrico delle città e delle abitazioni,
spegnere incendi, far girare le ruote dei mulini.
1720: Thomas Newcomen - fire-engine migliorata in
collaborazione con: Robert Hooke (studi teorici); Humphrey
Potter (automazione dell'apertura dei rubinetti); Henry Beighton
( valvola di sicurezza per evitare l'esplosione
1769: James Watt –
efficiente.
prima installazione di una versione di fire-engine molto più
Biografia di J. Watt (da P. Mantoux “ La rivoluzione
industriale”- Ed. Riuniti, 1971):
Nato a Greenock in Scozia “…. manifestò per lo studio, fin
dall'infanzia, più che una spiccata tendenza, una vera
passione. La sua disposizione per la meccanica si rivelò assai
precocemente, tanto che, già a tredici anni, costruiva modelli
di macchine nell'officina del padre…”. Nell'inverno tra il 1763
ed il 1764 fu incaricato di riparare un modello della
macchina di Newcomen. “… Si accorse, così, che il dispendio
di energia che costituiva il difetto principale della macchina
derivava essenzialmente da due cause: da una parte una
grande quantità di calore andava sprecata per ristabilire,
dopo ogni colpo di pistone, una temperatura elevata
all'interno del cilindro; dall'altra la condensazione restava
incompleta a causa dell'insufficiente raffreddamento…”. La
prima macchina realizzata da Watt, battezzata Beelzebub,
fu installata nel 1769 a Kinneil House, non lontana da
Edimburgo, in Scozia. Funzionava male ed ebbe bisogno di
importanti modifiche. Solo a partire dal 1790, la macchina a
vapore ideata da Watt fu in grado di sostituire l'energia
idraulica: quindi gli impianti industriali potevano
funzionare lontano dai corsi d'acqua ed a tempo pieno.
UN GRANDE PASSO PER
L’UOMO
(prima di quello di N. Amstrong sulla luna)
dalla ghisa all’acciaio
COS’È L’ACCIAIO
Si 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
24
ATTENZIONE!!!!
l’acciaio
NON è
ferro!!
La storia dell’acciaio
NON è
la storia del ferro!!
FINE
Non credo proprio