La storia dell'acciaio

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Lo sviluppo di acciaio può essere fatta risalire a 4000 anni dall'inizio dell'età del ferro. Dimostrando di essere più duro e resistente del bronzo, che in precedenza era stato il metallo più utilizzato, ferro cominciò a spostare il bronzo in armi e strumenti.

Per le successive migliaia di anni, tuttavia, la qualità del ferro prodotto dipenderà 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 nel 19 ° secolo, la quantità di ferro consumata dall'espansione delle ferrovie fornita metallurgisti con l'incentivo finanziario per trovare una soluzione alla fragilità del ferro e ai processi di produzione inefficienti.

Indubbiamente, tuttavia, la svolta più importante nella storia dell'acciaio avvenne nel 1856 quando si sviluppò Henry Bessemer un modo efficace per utilizzare l'ossigeno per ridurre il contenuto di carbonio nel ferro: la moderna industria dell'acciaio lo era Nato.

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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, utilizzati per la prima volta dai cinesi nel VI secolo a.C. ma più ampiamente utilizzati in Europa durante il Medioevo, aumentò la produzione di ghisa.

La ghisa è ferro fuso fuoriuscito dagli altiforni e raffreddato nel canale principale e negli stampi adiacenti. I lingotti grandi, centrali e adiacenti più piccoli assomigliavano a una scrofa e ai maialini da latte.

La ghisa è resistente ma soffre di fragilità a causa del suo contenuto di carbonio, che la rende tutt'altro che ideale per lavorare e modellare. Man mano che i metallurgisti si resero conto che l'elevato contenuto di carbonio nel ferro era fondamentale per il problema di fragilità, hanno sperimentato nuovi metodi per ridurre il contenuto di carbonio per rendere più ferro lavorabile.

Alla fine del XVIII secolo, i produttori di ferro impararono a trasformare la ghisa in ghisa in ferro battuto a basso contenuto di carbonio utilizzando forni a pozzanghera (sviluppati da Henry Cort nel 1784). Le fornaci riscaldavano il ferro fuso, che doveva essere agitato dai bagnini usando lunghi strumenti a forma di remo, consentendo all'ossigeno di combinarsi con e rimuovere lentamente il carbonio.

Man mano che il contenuto di carbonio diminuisce, il punto di fusione del ferro aumenta, quindi le masse di ferro si agglomererebbero nel forno. Queste masse sarebbero state rimosse e lavorate con un martello da forgia dal puddler prima di essere rotolate in fogli o rotaie. Nel 1860 in Gran Bretagna c'erano oltre 3000 forni per pozzanghere, ma il processo rimase ostacolato dal suo lavoro e dall'intensità del combustibile.

Una delle prime forme di acciaio, l'acciaio per blister, iniziò la produzione in Germania e in Inghilterra nel XVII secolo ed è stato prodotto aumentando il contenuto di carbonio nella ghisa fusa utilizzando un processo noto come cementazione. In questo processo, le barre di ferro battuto venivano stratificate con carbone in polvere in scatole di pietra e riscaldate.

Dopo circa una settimana, il ferro assorbirebbe il carbonio nel carbone. Il riscaldamento ripetuto avrebbe distribuito il carbonio in modo più uniforme e il risultato, dopo il raffreddamento, sarebbe stato l'acciaio blister. Il contenuto di carbonio più elevato rendeva l'acciaio per blister molto più lavorabile della ghisa, permettendone la pressatura o la laminazione.

La produzione di acciaio blister è avanzata negli anni 1740, quando l'orologiaio inglese Benjamin Huntsman mentre cercava di sviluppare acciaio di alta qualità per il suo orologio molle, ha scoperto che il metallo poteva essere fuso in crogioli di argilla e raffinato con uno speciale flusso per rimuovere le scorie lasciate dal processo di cementazione dietro a. Il risultato è stato un crogiolo, o fusione, di acciaio. Ma a causa del costo di produzione, sia l'acciaio in blister che quello fuso sono stati utilizzati solo in applicazioni speciali.

Di conseguenza, la ghisa prodotta in forni a pozzanghere rimase il principale metallo strutturale nell'industrializzazione della Gran Bretagna durante la maggior parte del 19 ° secolo.

Il processo Bessemer e la moderna produzione di acciaio

La crescita delle ferrovie durante il XIX secolo sia in Europa che in America esercitò un'enorme pressione sull'industria del ferro, che ancora lottava con processi di produzione inefficienti. L'acciaio non era ancora provato come metallo strutturale e la produzione del prodotto era lenta e costosa. Fu fino al 1856 quando Henry Bessemer inventò un modo più efficace per introdurre ossigeno nel ferro fuso per ridurre il contenuto di carbonio.

Ora noto come processo Bessemer, Bessemer ha progettato un recipiente a forma di pera, denominato "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 veloce ed economico, rimuovendo carbonio e silicio dal ferro in pochi minuti ma soffriva di troppo successo. È stato rimosso troppo carbonio e nel prodotto finale è rimasto troppo ossigeno. Bessemer alla fine ha dovuto ripagare i suoi investitori finché non fosse riuscito a trovare un metodo per aumentare il contenuto di carbonio e rimuovere l'ossigeno indesiderato.

Più o meno nello stesso periodo, il metallurgista britannico Robert Mushet acquisì e iniziò a testare un composto di ferro, carbonio e manganese, noto come spiegeleisen. Il manganese era noto per rimuovere l'ossigeno dal ferro fuso e il contenuto di carbonio nello spiegeleisen, se aggiunto nelle giuste quantità, avrebbe fornito la soluzione ai problemi di Bessemer. Bessemer ha iniziato ad aggiungerlo al suo processo di conversione con grande successo.

Rimaneva un problema. Bessemer non era riuscito a trovare un modo per rimuovere il fosforo, un'impurità deleteria che rende fragile l'acciaio, dal suo prodotto finale. Di conseguenza, è stato possibile utilizzare solo minerale privo di fosforo proveniente dalla Svezia e dal Galles.

Nel 1876 il gallese Sidney Gilchrist Thomas trovò la soluzione aggiungendo un flusso chimicamente basico, calcare, al processo Bessemer. Il calcare attirava il fosforo dalla ghisa nella scoria, consentendo la rimozione dell'elemento indesiderato.

Questa innovazione significava che, finalmente, il minerale di ferro proveniente da qualsiasi parte del mondo poteva essere utilizzato per produrre acciaio. Non sorprende che i costi di produzione dell'acciaio abbiano iniziato a diminuire in modo significativo. I prezzi delle rotaie in acciaio sono scesi di oltre l'80% tra il 1867 e il 1884, a seguito delle nuove tecniche di produzione dell'acciaio, che hanno avviato la crescita dell'industria siderurgica mondiale.

Il processo a focolare aperto

Nel 1860, l'ingegnere tedesco Karl Wilhelm Siemens migliorò ulteriormente la produzione di acciaio attraverso la sua creazione del processo a focolare aperto. Il processo a focolare aperto produceva acciaio dalla ghisa in grandi forni poco profondi.

Il processo, utilizzando alte temperature per bruciare il carbonio in eccesso e altre impurità, si basava su camere di mattoni riscaldate sotto il focolare. I forni rigenerativi successivamente hanno utilizzato i gas di scarico del forno per mantenere alte temperature nelle camere di mattoni sottostanti.

Questo metodo ha consentito la produzione di quantità molto maggiori (50-100 tonnellate metriche potrebbero essere prodotte in un forno), periodica collaudo dell'acciaio fuso in modo che possa essere realizzato per soddisfare specifiche particolari e l'utilizzo di rottami di acciaio come grezzo Materiale. Sebbene il processo stesso fosse molto più lento, nel 1900 il processo a focolare aperto aveva principalmente sostituito il processo Bessemer.

Nascita dell'industria siderurgica

La rivoluzione nella produzione di acciaio che forniva materiale più economico e di qualità superiore fu riconosciuta da molti uomini d'affari dell'epoca come un'opportunità di investimento. I capitalisti della fine del XIX secolo, tra cui Andrew Carnegie e Charles Schwab, investirono e guadagnarono milioni (miliardi nel caso di Carnegie) nell'industria dell'acciaio. La Carnegie's US Steel Corporation, fondata nel 1901, è stata la prima società mai lanciata con un valore di oltre un miliardo di dollari.

Produzione di acciaio con forno elettrico ad arco

Subito dopo la fine del secolo, si verificò un altro sviluppo che avrebbe avuto una forte influenza sull'evoluzione della produzione di acciaio. Il forno elettrico ad arco di Paul Heroult (EAF) è stato progettato per far passare una corrente elettrica attraverso il materiale caricato, con conseguente ossidazione esotermica e temperature fino a 3272°F (1800°C), più che sufficiente per riscaldare la produzione di acciaio.

Inizialmente utilizzati per acciai speciali, gli EAF crebbero in uso e, dalla seconda guerra mondiale, furono utilizzati per la produzione di leghe di acciaio. Il basso costo di investimento per la creazione degli stabilimenti EAF ha permesso loro di competere con i principali produttori statunitensi come US Steel Corp. e Bethlehem Steel, soprattutto negli acciai al carbonio o nei prodotti lunghi.

Poiché gli EAF possono produrre acciaio dal 100% di rottami o mangimi ferrosi freddi, è necessaria meno energia per unità di produzione. A differenza dei focolari di ossigeno di base, le operazioni possono anche essere interrotte e avviate con un costo poco associato. 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.

Produzione di acciaio all'ossigeno

La maggior parte della produzione mondiale di acciaio, circa il 66%, è ora prodotta in impianti di ossigeno di base - lo sviluppo di un metodo per la separazione dell'ossigeno dall'azoto su scala industriale negli anni '60 ha consentito importanti progressi nello sviluppo dell'ossigeno basico forni.

I forni a ossigeno di base soffiano ossigeno in grandi quantità di ferro fuso e rottami di acciaio e possono completare una carica molto più rapidamente rispetto ai metodi a focolare aperto. Le grandi navi che contengono fino a 350 tonnellate di ferro possono completare la conversione in acciaio in meno di un'ora.

L'efficienza in termini di costi della produzione di acciaio a ossigeno ha reso le fabbriche a focolare aperto non competitive e, in seguito all'avvento della produzione di acciaio a ossigeno negli anni '60, le operazioni a focolare aperto hanno iniziato a chiudere. L'ultima struttura a focolare aperto negli Stati Uniti è stata chiusa nel 1992 e in Cina nel 2001.

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