Verso la moderna siderurgia

1. Verso la moderna siderurgia FERRO e poi FERRO e ancora FERRO

2. 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 ferro estratto dal minerale, prodotto in antichità, era quasi puro. La siderurgia moderna produce ferro molto impuro. PERCHE’? Il signor W è molto fortunato . Gli basta formulare la domanda e voilà ecco la risposta!

3. 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).

4. 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. PERCHE’ è stato necessario aumentare tanto la temperatura in siderurgia?

5. COME si fa per raggiungere temperature più elevate? Bisogna usare più combustibile (carbone) oppure trovarne uno più efficiente e soffiare più aria.

6. 1300 d.C.: primi forni con soffiaggio idraulico bocca Schema di forno siderurgico del 1300 camino refrattario ventre sacca crogiolo Tmax= 1300 – 1400 °C Piano degli crogioli mantici idraulici

7. 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 “pigiron”, cioè “ferro porco”, forse per la delusione data la sua scarsa utilità.

8. 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: • il carbon fossile rammollisce, intasa il forno, impedisce il passaggio dell’aria e la combustione si blocca; • il carbon fossile inquina il ferro e lo rende fragile (fenomeno dovuto allo zolfo, sempre contenuto nel carbon fossile).

9. 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.

10. Innovazione in siderurgia!!!! coke metallurgico al posto del carbone di legna

11. Dizionario di metallurgia e non coke = prodotto della “distillazione secca” del carbon fossile nelle cokerie (in siderurgia si usa il “litantrace a corta fiamma”) • Per il contenuto di sostanze volatili: • se poche: litantrace a corta fiamma • se molte: litantrace a lunga fiamma Tipi di carbone fossile: per età: Antracite (il più vecchio) Litantrace Lignite 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 Ultima delle originarie cinque batterie di forni che costituivano la cokeria dell’impianto siderurgico di Bagnoli (Na). Non ha mai funzionato Schema di cokeria

12. Coke metallurgico Proprietà fisiche e meccaniche del coke metallurgico Potere calorifico: 30 MJ/kg Massa volumica reale: 1,8-2,2 kg/dm³ Massa volumica apparente: 1 kg/dm³ Resistenza alla compressione: 1400-2000 N/m² Pezzatura alla compressione: 20-60 mm Cokeria in funzione

13. 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 inadatto per la siderurgia, che portava ad un metallo di 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 forno e si otteneva un metallo di buona qualità. Un Abraham Darby

14. 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

15. 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. 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. Operedi William Williams Iron Bridge in Shropshire - 1780 VedutadiCoalbrookdale- 1777

16. La verità sul “pigiron” 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 pigironfu 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.

17. … non tutto il male viene per nuocere, anzi! DAL “PIG IRON” ALLA GHISA applicazioni vecchie e nuove della ghisa

18. 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 47020 Longiano (FC) info@museoitalianoghisa.org I lampioni della Montagnola di Bologna sono in ghisa

19. Innovazione in siderurgia! macchine a vapore al posto dei mantici idraulici (circa 1770)

20. Le tappe del l‘energia termica che diventa lavoro.

21. 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– Primafire-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

22. 1769: James Watt – prima installazione di una versione di fire-engine molto più efficiente. 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.

23. UN GRANDE PASSO PER L’UOMO (prima di quello di N. Amstrong sulla luna) dalla ghisa all’acciaio

24. 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

25. ATTENZIONE!!!! l’acciaio NONè ferro!! La storia dell’acciaio NONè la storia del ferro!!

26. FINE Non credo proprio