L'altoforno

"... Chiamatelo con il suo nome. Afo 4. Storpiatelo in Ufo, lo fanno tutti. L'oggetto non identificato. Anche se intorno impazza la guerra mondiale (era successo davvero nel '44 con la fabbrica invasa dai nazisti), lui resta lì, imperturbabile e operoso.. La sua lunga proboscide aspira-carbone, i testicoli dove cuoce l'acciaio, il muso di tricorno, lo scheletro possente di cattedrale brutale al cominciamento..."

L'altoforno, è un tipo di impianto utilizzato nell'industria metallurgica per produrre ghisa partendo da minerale ferroso, attraverso un processo in cui concorre la combustione di carbone coke, la fusione di minerali e riduzione degli ossidi metallici (ad esempio Fe₂O₃) presenti in natura come minerale ferroso o introdotti come rottame ferroso, attraverso un'atmosfera riducente.

Questo strumento deve il suo nome alle dimensioni, infatti può raggiungere un'altezza di 80 metri (con un diametro che può superare gli 8 metri) e può produrre fino a 4500 tonnellate al giorno.

E’ un forno a tino, la cui forma è costituita da due tratti troncoconici, di cui il "tino" costituisce il cono superiore, il cono inferiore è detto "sacca", uniti da una sezione cilindrica centrale (detta "ventre"). La carica avviene dall'alto, ed è formata da strati di coke e minerale ferroso che vengono gettati  alternativamente . Il funzionamento è continuo: gli strati della carica scendono lentamente mentre il forno viene alimentato introducendo nuovi strati a intervalli regolari. È un forno a vento:  per raggiungere alti valori di temperatura è necessario insufflare aria, alla quale può essere addizionato ossigeno, che deve essere preriscaldata. L'iniezione di aria, detta "vento caldo", anch'essa continua, avviene attraverso una corona di tubi in corrispondenza del ventre del forno. La struttura esterna è costituita da una corazza di acciaio speciale, rivestita internamente da mattoni refrattari su un sostrato di cemento refrattario, le pareti  sono invece  raffreddate da tubazioni d'acqua nelle zone più termicamente sollecitate.

   

http://blog.edidablog.it/edidablog/internetedidattica/files/2011/12/altoforno21.jpg

http://it.wikipedia.org/wiki/Altoforno

Processi di produzione dell'acciaio

".. E' solo quando vai alla stazione che godi. Sali sull'Intercity, guardi fuori dal finestrino e senti lo stridore dell'acciaio, la sua frizione, la scintilla crepitante del tuo viaggio. Ripercorri a memoria tutti i passaggi: dalla cokeria all'altoforno, dall'altoforno in acciaieria, e di qui ai convertitori, ai forni siviera, ai laminatoi..                                                                                 
La rotaia su cui stai correndo: sei tu che l'hai fatta..."

Partendo da questo passo tratto dal romanzo Acciaio, ripercorriamo i principali processi di produzione di questa lega.

COKERIA

La cokeria è l'impianto di distillazione del carbon fossile per la produzione del coke e il riutilizzo come combustibile dei gas derivanti dal processo.

ALTOFORNO

E' un forno a struttura verticale per la produzione di ghisa in cui vengono immessi a strati carbone coke e minerali di ferro. (per approfondire: altoforno)

ACCIAIERIA

La ghisa fusa viene messa in una siviera, che la trasporta al convertitore LD. Questo la trasforma in acciaio fuso ad una temperatura di 1660 °C. L'acciaio viene colato in blumi che vengono trasportati al laminatoio.

CONVERTITORI

 Il convertitore è un recipiente quasi cilindrico formato da un involucro metallico rivestito interamente di un materiale refrattario, che può ruotare su 2 perni. Il convertitore LD è oggi il sistema più utilizzato per trasformare la ghisa in acciaio. Il suo nome deriva da due città austriache, Linz e Donawitz, dove è stato usato per la prima volta. E' costituito da mattoni refrattari rivestiti da una lamiera d'acciaio. E' bucato in cima per consentire di mettere una lancia dove viene soffiato dell'ossigeno che, legandosi con il carbonio, si trasforma in CO2. In questo modo la concentrazione di carbonio presente nel bagno diminuisce e la ghisa diventa acciaio. Sia la ghisa che l'acciaio sono infatti leghe formate da ferro e carbonio. Nella ghisa la percentuale di carbonio si aggira intorno al 2,06-6,67 %, mentre nell'acciaio è inferiore dal 2,06%. Per questo procedimento servono all'incirca 15 minuti. Oggi il convertitore LD viene utilizzato spesso per il basto costo delle materie e del processo. 

LAMINATOI

Qui i blumi vengono trasformati in lamiere (laminatoio a nastri) e tubi profilati. Il laminatoio è formato da diverse sezioni aventi dei cilindri rotanti di distanza sempre più vicina, in modo da assottigliare i blumi, facendoli diventare lamiere. In altri laminatoi si producono anche tubi. I tubi di grosse dimensioni sono ottenuti piegando le lamiere e saldandole, mentre quelli di piccole dimensioni sono ottenuti forando delle barre.

http://it.wikipedia.org/wiki/Centro_siderurgico

Storia di alcuni brevetti

Puddelling

Il termine puddellaggio deriva direttamente dal verbo inglese “to puddle”, il cui primo significato è quello di “rimescolare”.Oggi conosciamo tutti questa definizione come uno dei principali trattamenti del settore siderurgico, quando si provvede a ossigenare elementi come il silicio, il carbonio e la manganese: il passaggio successivo, invece, prevede proprio il rimescolamento della ghisa nei forni, un processo che consente al metallo stesso di divenire maggiormente malleabile. Ma il puddellaggio rappresenta soprattutto uno dei momenti salienti della Rivoluzione Industriale.In effetti, anche se si conosceva questa lavorazione da moltissimo tempo, soltanto nel 1784 fu possibile applicarla a livello industriale: il merito va tutto a Henry Cort, un artigiano inglese del ferro, il quale fu in grado di innovare completamente il sistema grazie a un brevetto che risale al 1804. Il suo impianto di Fontley (nella contea dell’Hampshire) rappresentò un momento di svolta per i processi industriali di allora.Il funzionamento è piuttosto semplice e viene seguito alla lettera ancora oggi, in particolare per ottenere il ferro saldato: in pratica, i forni a riverbero sono dotati di una divisione netta tra il fuoco della fiamma e la camera di cottura, in modo da far arrivare il calore sul soffitto e nel piano. Il riscaldamento, poi, viene concluso grazie agli ossidi di ferro, così da poter introdurre finalmente la ghisa.

                               Schema di un forno per il puddellaggio

Processo Bessemer

Occupandosi di fusione di ghisa per cannoni  Bessemer osservò che, fondendo la ghisa in forno a riverbero a fiamma ossidante, si ottenevano, nel bagno liquido, malgrado l'intenso calore, dei noduli solidi, che lo stesso Bessemer riconobbe essere costituiti dal metallo decarburato. Egli comprese la necessità di innalzare la temperatura del bagno durante il processo di decarburazione, per mantenere liquido l'acciaio che si viene formando, e pensò di sfruttare a questo scopo il calore di reazione che si svolge nella ossidazione del carbonio, del silicio, ecc., contenuti nella ghisa. Il 17 ottobre 1855 venne depositato il primo brevetto, e il nuovo processo di affinazione della ghisa venne comunicato pubblicamente nel 1856 in una riunione della British Association. Accolto dapprima con grande scetticismo, esso venne applicato  in una piccola fonderia sita in un sobborgo di Londra (St. Pancras) e, dopo molti perfezionamenti, nelle grandi officine create dallo stesso Bessemer a Sheffield.

                               Sezione in un convertitore Bessemer

L'Evoluzione dell'industria del ferro,dell'acciaio e della ghisa in Inghilterra

1709: Adam Darby, a Coalbrookdale nello Shropshire in Inghilterra, riesce a fondere il ferro per mezzo del coke.

1720-22: René-Antoine de Ferechault de Réamur, pur non essendo uno specialista di metallurgia, presenta una serie di memorie all’Académie des  Sciences di Parigi sulla produzione della ghisa e dell’acciaio.

1740: Benjamin Huntsman mette a punto un nuovo sistema di produzione dell’acciaio fuso per mezzo del calore intenso prodotto dalla combustione del coke con insufflaggio forzato d’aria.

1747: Prima menzione scritta dell’impiego del coke nella fabbricazione della ghisa.

1760: In Inghilterra sono in funzione solo 17 altoforni a coke.

1760-70: In Inghilterra vengono costruiti altri 14 altoforni a coke.

1770: L’altoforno a coke delle ferriere di Carron è dotato di un mantice a vapore.

1775: In Scozia si costruisce l’ultima fornace a carbone di legna.

1776: a Coalbrookdale la ghisa viene affinata in forni a reverbero.

1783: Henry Cort brevetta il puddelling e le successive operazioni di laminazione dei lingotti di acciaio prodotti. Con il laminatoio di Cort, azionato a vapore, si ottiene una produttività di 15 volte superiore a quella dei metodi tradizionali al maglio.

1788: Sono necessarie sette  tonnellate di carbone per produrne una di ghisa.

1790: Gli altiforni a coke in Inghilterra ammontano a 81; i forni a legna scendono a 25. La produzione di ghisa si concentra nelle regioni dei bacini carboniferi.

1806: La produzione inglese di ghisa quadruplica rispetto al 1788.

1810: Sono necessarie cinque tonnellate di carbone per produrne una di ghisa.

1812: Le esportazioni di acciaio inglese superano le importazioni (soprattutto di acciaio svedesi in lingotti).

1828: Nielsen perfeziona un metodo di preriscaldamento dell’aria insufflata nel forno a coke, aumentandone l’efficienza.

1840: Il rapporto coke/minerale di ferro, nell’altoforno, si riduce all’unità. Con 3,5 tonnellate di carbone se ne produce una di ghisa.  

1855: Bessemer inventa il convertitore per la trasformazione della ghisa in acciaio che brevetterà nel 1860.

1871: L’industria siderurgica inglese assorbe il 25% dell’energia prodotta con il vapore.

Il ferro nella Rivoluzione Industriale

Nell'Inghilterra del Settecento un ruolo decisivo ebbe l’industria del ferro che si sviluppò  e si intrecciò a quella tessile e fu protagonista della Rivoluzione industriale.

Infatti,la crescita continua della domanda di prodotti tessili spinse a intensificare il processo di industrializzazione e di meccanizzazione: si innescò pertanto un processo circolare di sviluppo. 

Benché non fosse povera di miniere di ferro, l’Inghilterra, ancora per buona parte del Settecento, fu costretta a importare ghisa in barre dalla Svezia. La fusione del ferro avveniva in altiforni alimentati con carbone di legna .Il rapido esaurimento delle riserve di legname, l'alto costo dei trasporti e la scarsa purezza della ghisa prodotta, rendevano poco economica la siderurgia nazionale. La svolta si ebbe a partire dal 1783, quando Henry Cort mise a punto una tecnica che permetteva di fondere la ghisa in altiforni per mezzo del coke, carbon fossile sottoposto a una speciale cottura che ne riduceva le impurità. La siderurgia inglese si metteva così in condizione di soddisfare la crescente domanda di prodotti ferrosi che proveniva dall’agricoltura e dal settore tessile, raddoppiando, in meno di vent'anni, la produzione di lingotti di ghisa. Si venne creando un circolo economicamente propulsivo fra il carbone, di cui la Gran Bretagna era ricca, e il ferro: una produzione stimolava l'altra e la rete dei trasporti veniva incessantemente migliorata in modo da sostenere tale sviluppo. Nel corso degli anni le innovazioni continuarono ad aumentare tanto che la produzione di ferro passò dalle 15mila tonnellate del 1750 alle 445mila del 1823, con la conseguente possibilità di ampliare notevolmente la costruzione delle ferrovie, la diffusione dei trasporti e la distribuzione delle merci.

La siderurgia nel periodo medievale

Mentre la metallurgia degli altri metalli rimase virtualmente stazionaria fino al sedicesimo secolo, la produzione del ferro su larga scala e l’utilizzazione dell’energia idraulica condussero alla specializzazione dell’attrezzatura, al raggiungimento di temperature più elevate e all'allestimento di forni che resero possibile la produzione della ghisa.

Sebbene poco sia stato ancora rivelato dai documenti relativi alla metallurgia del primo Medioevo, molto è stato possibile apprendere mediante lavori di scavo. 

Durante il settimo secolo, gli armaioli che lavoravano nella Borgogna si sparsero per la Francia settentrionale e occidentale: essi perfezionarono una tecnica del tutto particolare per la fabbricazione dell'acciaio sagomato . Le armi d’acciaio orientali di questo tipo sono perfettamente omogenee e la sagoma è sviluppata per cristallizzazione, mentre l’acciaio occidentale sagomato era formato saldando insieme delle bandelle di acciaio orientale, che venivano poi tagliate, piegate e fucinate in modo da formare il particolare modello. Gli oggetti di acciaio sagomato di fattura occidentale divennero ricercati anche nei paesi arabi. Tali fatti gettano una luce vivida sulla sopravvivenza di complicatissime tecniche, e dovrebbero renderci cauti nel condannare la metallurgia del cosiddetto evo oscuro. Abbiamo inoltre motivo di ritenere che alcuni tipi di forni per il ferro furono introdotti proprio in questo periodo. 

Un fattore che influì molto più potentemente sull'evoluzione della moderna metallurgia del ferro fu costituito dall'avvento dell’energia idraulica . Secondo Agricola, la prima applicazione dei mantici idraulici risale al 1435, ma certamente essa è da attribuirsi a epoca anteriore. Già nell'undicesimo secolo si fa menzione di mantici e magli idraulici in uso nelle Alpi occidentali e nella Slesia. Nel 1135 il monastero benedettino di Admont, nella Stiria, disponeva a Leoben di un mulino ad acqua, al quale, nel 1175, se ne aggiungeva uno a pestelli; inoltre abbiamo notizie di atri mulini esistenti a Hradish in Moravia. Da queste regioni orientali essi si spostarono nella Germania centrale dove, nelle valli fluviali della regione mineraria dell'Hanz, erano sorte nel tredicesimo secolo delle fonderie per blumi; gli accenni a bacini idrici annessi a tali fonderie sono molto frequenti. Anche in Danimarca troviamo riferimenti ai “mulini per il ferro” di Sorø (1197), costruiti “per estrarne il ferro dal minerale”.

Le prime applicazioni dell’energia idraulica alla metallurgia francese del ferro risalgono anch’esse all’undicesimo e al dodicesimo secolo. Ancora una volta l’iniziativa dell'introduzione fu merito degli ordini monastici. Nel Delfinato, ove nel 1084 era stata fondata la Grande Chartreuse, i mulini ad acqua erano già in uso intorno al 1200. L’ingegnere cistercense Villard de Honnecourt, nel suo taccuino (XIII secolo) tracciò piani relativi a macchinari idraulici di ogni specie, compresa una segheria .

Naturalmente vi fu una tendenza delle ferriere ad allontanarsi dai giacimenti minerari e carboniferi per avvicinarsi ai torrenti e ai ruscelli, tendenza invertita alcuni secoli più tardi dall’avvento della macchina a vapore.

L'Alfabeto della Metallurgia

A come ACCIAIO

Lega di ferro e carbonio (<=2,6 %) utilizzata in numerosi settori. Fu importantissimo nella Rivoluzione Industriale.

B come BRONZO

 Lega costituita da Rame e Stagno, utilizzata fin dall'antichità per la produzione di svariati oggetti.

C come CONDUCIBILITÀ

 I metalli sono ottimi conduttori di calore ed elettricità grazie alla loro particolare struttura chimica.

D come DUTTILITÀ'

Proprietà, tipica dei metalli, che indica la capacità di un materiale a lasciarsi ridurre in fili sottili.

E come ESTRUSIONE

Processo di produzione industriale di deformazione plastica che permette di produrre pezzi a sezione costante (es. tubi,barre,profilati,lastre).

F come FERRO

Metallo estremamente importante per le sue proprietà meccaniche.E' il principale costituente degli acciai.

G come GHISA

Lega costituita da ferro e da una percentuale relativamente alta di carbonio ( fino a quasi il 7%).

H come HF

Simbolo chimico dell'Afnio, un metallo di transizione dall'aspetto lucido e dal colore argenteo, utilizzato in lega con il tungsteno per la produzione di filamenti ed elettrodi.

I come INOX

Termine derivato dal francese inoxidable che indica dei particolari tipi di acciai molto resistenti alla corrosione.Ciò è dovuto alla presenza di elementi come il cromo che ricoprono il metallo con un strato sottile  di ossidi, proteggendolo dagli agenti chimici.

L come LUCENTEZZA

Proprietà dei metalli di riflettere la luce.

M come MALLEABILITÀ'

Proprietà che indica la capacità di un materiale di essere facilmente deformabile e riducibile in lamine sottili. Il metallo più malleabile è l'oro.

N come NICHEL

Metallo bianco argenteo impiegato spesso nella produzione di acciai inossidabili.

O come ORO

Metallo di transizione tenero, pesante, duttile e malleabile.E' inattaccabile dalla maggior parte dei composti chimici.In natura si trova sotto forma di pepite,grani e pagliuzze, nelle rocce e nei depositi alluvionali.


P come PIOMBO

Metallo tenero, denso, duttile e malleabile.E' molto resistente alla corrosione.


Q come QUARZO

Minerale più abbondante sulla superficie terrestre.In natura si trova spesso associato all'oro.


R come RAME

Probabilmente è il primo metallo utilizzato dall'uomo. E' di colore rossastro, di conducibilità termica ed elettrica elevatissima e presenta notevole resistenza alla corrosione.

S come STAGNO

Metallo duttile,malleabile, di colore bianco argenteo, utilizzato per la produzione di numerose leghe
(ad es.  bronzo).

T come TITANIO

Metallo leggero, di colore bianco metallico, lucido e resistente alla corrosione. Viene impiegato nella produzione di leghe leggere.

U come URANIO

Metallo bianco argenteo, tossico e radioattivo.Il suo isotopo 235 trova impiego come combustibile nei reattori nucleari e nella realizzazione di armi nucleari.

V come VANADIO

Elemento raro, tenero e duttile, utilizzato soprattutto in metallurgia per la produzione di leghe.

Z come ZINCO

Metallo moderatamente reattivo, è usato nella galvanizzazione del ferro e nella produzione di leghe come l'ottone.