acciaio
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
ATTENZIONE: l’acciaio NON è ferro!! La
storia dell’acciaio NON è la storia del ferro!!
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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 prodotto
Modalità di produzione:
1. Mettere in un crogiolo di argilla minerale di
ferro, carbone e vetro.
2. Chiudere il crogiolo con coperchio sigillante
3. Riscaldare il crogiolo con fiamma viva in un forno
4. 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 Delhi
Chandragupta 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 ghisa
Risultato: 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 Huntsman
Problema: trovare un materiale adatto per fabbricare le molle degli orologi.
Soluzione: miscelare e cuocere, in un crogiuolo di argilla, ferro e ghisa
Nel 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 pudellaggio
Una 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 ghisa
APPLICAZIONI della ghisa
1) 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).
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]
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
acciai inossidabili
(1913)
H. Brearly
1925 – Primo
radiatore in inox
indietro
1950- componenti in
inox della Rover
Fig. 9 Cross section of Henry
Bessemer‘s experimental
converter for steelmaking
(1856)
Fig. 6 First German
coke blast furnace,
built in
Gleiwitz/Upper
Silesla in 1796
L’altoforno
Industria siderurgica inglese (1835)
Fonderia russa (1950)