Una breve storia dell'acciaio e del processo di Bessemer

Gli altoforni furono sviluppati per la prima volta dai cinesi nel VI secolo a.C., ma furono usati più ampiamente in Europa durante il Medioevo e aumentarono la produzione di ghisa. A temperature molto elevate, il ferro inizia ad assorbire carbonio, il che abbassa il punto di fusione del metallo, provocando la fusione ferro (2,5 percento al 4,5 percento di carbonio).

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

Moderno produzione di acciaio si è evoluto da questi primi giorni di ferro e successivi sviluppi tecnologici.

Alla fine del XVIII secolo, i fabbricanti di ferro impararono a trasformare la ghisa in ghisa a basso tenore di carbonio usando forni per pudding, sviluppati da Henry Cort nel 1784. La ghisa è il ferro fuso esaurito dagli altiforni e raffreddato nel canale principale e negli stampi adiacenti. Ha preso il nome perché i lingotti più grandi, centrali e adiacenti più piccoli assomigliavano a una scrofa e maialini da latte.

Per produrre il ferro battuto, le fornaci riscaldavano il ferro fuso che doveva essere agitato dai budini usando strumenti lunghi a forma di remo, permettendo all'ossigeno di combinarsi e rimuovere lentamente il carbonio.

Man mano che il contenuto di carbonio diminuisce, aumenta il punto di fusione del ferro, quindi le masse di ferro si agglomerano nella fornace. Queste masse sarebbero state rimosse e lavorate con un martello da fucina dal puddler prima di essere rotolate in fogli o rotaie. Nel 1860 in Gran Bretagna c'erano più di 3.000 forni per cuccioli, ma il processo rimase ostacolato dal suo lavoro e dalla sua intensità di carburante.

Blister in acciaio: una delle prime forme di acciaio—Produce la produzione in Germania e in Inghilterra nel 17 ° secolo e fu prodotta aumentando il contenuto di carbonio nella ghisa fusa usando un processo noto come cementazione. In questo processo, le barre di ferro battuto sono state 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 distribuiva il carbonio in modo più uniforme e il risultato, dopo il raffreddamento, era l'acciaio in blister. Il maggiore contenuto di carbonio ha reso l'acciaio in blister molto più lavorabile della ghisa, consentendone la pressatura o il rotolamento.

La produzione di acciaio blister avanzò nel 1740 quando l'orologiaio inglese Benjamin Huntsman scoprì che il metallo poteva essere fuso in crogioli di argilla e rifinito con un flusso speciale per rimuovere le scorie che il processo di cementazione ha lasciato alle spalle. Huntsman stava cercando di sviluppare un acciaio di alta qualità per le sue molle per orologi. Il risultato fu un crogiolo o un acciaio fuso. A causa dei costi di produzione, tuttavia, sia blister che acciaio fuso sono mai stati utilizzati solo in applicazioni speciali.

Di conseguenza, la ghisa prodotta in forni a budino rimase il principale metallo strutturale nell'industrializzazione della Gran Bretagna per gran parte del XIX secolo.

La crescita delle ferrovie durante il diciannovesimo secolo in Europa e in America ha esercitato una forte pressione sull'industria siderurgica, che era ancora alle prese con processi di produzione inefficienti. L'acciaio non era ancora stato dimostrato come metallo strutturale e la produzione era lenta e costosa. Fu fino al 1856 quando Henry Bessemer trovò un modo più efficace per introdurre ossigeno nel ferro fuso per ridurre il contenuto di carbonio.

Ora noto come Processo di Bessemer, Bessemer progettò un recipiente a forma di pera, indicato come un 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 rapido ed economico, rimuovendo carbonio e silicio dal ferro in pochi minuti, ma ha sofferto di troppo successo. È stato rimosso troppo carbonio e nel prodotto finale è rimasto troppo ossigeno. Alla fine Bessemer ha dovuto rimborsare i suoi investitori fino a quando non ha trovato 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 carbonio manganese- noto come spiegeleisen. Il manganese era noto per rimuovere l'ossigeno dal ferro fuso e il contenuto di carbonio nella spiegeleisen, se aggiunto nelle giuste quantità, avrebbe fornito la soluzione ai problemi di Bessemer. Bessemer iniziò 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, si potevano usare solo minerali privi di fosforo provenienti dalla Svezia e dal Galles.

Nel 1876 il gallese Sidney Gilchrist Thomas trovò una soluzione aggiungendo un flusso chimicamente di base, il calcare, al processo di Bessemer. Il calcare ha attirato il fosforo dalla ghisa nella scoria, consentendo di rimuovere l'elemento indesiderato.

Grazie a questa innovazione, il minerale di ferro proveniente da qualsiasi parte del mondo poteva finalmente 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 calati di oltre l'80% tra il 1867 e il 1884, dando inizio alla crescita dell'industria siderurgica mondiale.

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

Utilizzando temperature elevate per bruciare l'eccesso di carbonio e altre impurità, il processo si basava su camere di mattoni riscaldate sotto il focolare. In seguito i forni rigenerativi hanno utilizzato i gas di scarico del forno per mantenere alte temperature nelle camere di mattoni sottostanti.

Questo metodo ha permesso la produzione di quantità molto maggiori (50-100 tonnellate in un forno), test periodici dell'acciaio fuso in modo che potesse essere realizzato per soddisfare specifiche particolari e l'uso di rottami di acciaio come grezzo Materiale. Sebbene il processo stesso fosse molto più lento, nel 1900 il processo a focolare aperto aveva ampiamente sostituito il processo di Bessemer.

La rivoluzione nella produzione di acciaio che ha fornito materiale più economico e di qualità superiore, è stata riconosciuta da molti uomini d'affari del giorno come un'opportunità di investimento. Capitalisti della fine del XIX secolo, tra cui Andrew Carnegie e Charles Schwab, investì e guadagnò milioni (miliardi nel caso di Carnegie) nell'industria siderurgica. La US Steel Corporation di Carnegie, fondata nel 1901, è stata la prima società mai valutata ad oltre $ 1 miliardo.

Subito dopo la fine del secolo, la fornace ad arco elettrico (EAF) di Paul Heroult è stata progettata per far passare una corrente elettrica attraverso materiale carico, con conseguente ossidazione esotermica e temperature fino a 3.272 gradi Fahrenheit (1.800 gradi Celsius), più che sufficienti per riscaldare l'acciaio produzione.

Inizialmente utilizzati per acciai speciali, gli EAF crebbero in uso e dalla seconda guerra mondiale furono utilizzati per la produzione di leghe di acciaio. I bassi costi di investimento associati alla creazione di stabilimenti EAF hanno consentito loro di competere con i principali produttori statunitensi come US Steel Corp. e Bethlehem Steel, specialmente in acciai al carbonio o prodotti lunghi.

Poiché gli EAF sono in grado di produrre acciaio da rottami al 100% o mangimi ferrosi a freddo, è necessaria meno energia per unità di produzione. A differenza dei focolari di ossigeno di base, anche le operazioni possono essere interrotte e avviate con costi associati. Per questi motivi, la produzione tramite EAF è in costante aumento da oltre 50 anni e ha rappresentato circa il 33 percento della produzione mondiale di acciaio, a partire dal 2017.

La maggior parte della produzione mondiale di acciaio - circa il 66 percento - è prodotta in impianti di ossigeno di base. Lo sviluppo di un metodo per separare l'ossigeno dall'azoto su scala industriale negli anni '60 ha consentito importanti progressi nello sviluppo di forni a ossigeno di base.

I forni a ossigeno di base soffiano ossigeno in grandi quantità di ferro fuso e acciaio di scarto e possono completare una carica molto più rapidamente rispetto ai metodi a focolare aperto. Le navi di grandi dimensioni che possono contenere 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 con ossigeno ha reso le fabbriche a focolare aperto non competitive e, in seguito all'avvento della produzione di acciaio a ossigeno negli anni '60, hanno iniziato a chiudere le operazioni a focolare aperto. L'ultima struttura a focolare aperto negli Stati Uniti è stata chiusa nel 1992 e in Cina, l'ultima è stata chiusa nel 2001.

_fonti:

_{Spoerl, Joseph S. Una breve storia della produzione di ferro e acciaio. Saint Anselm College.}

_{A disposizione: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm}

_{La World Steel Association. Sito web: www.steeluniversity.org}

_{Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metalli al servizio dell'uomo. 11th Edition (1998).}