Siderurgia

Con il nome siderurgia si fa riferimento ad un settore specifico della metallurgia, in particolare ai processi di produzione di acciaio, ghisa, ferro e leghe del ferro (ad esempio gli acciai legati).

La storia della metallurgia del ferro cominciò nella preistoria, molto probabilmente tramite l'uso del ferro presente nei meteoriti. Le leghe di ferro cominciarono ad apparire nel XII secolo a.C. in India, Anatolia e nel Caucaso. L'uso del ferro, nelle leghe e nella forgiatura degli strumenti, apparve nell'Africa Sub-Sahariana nel 1200 a.C. L'uso della ghisa era già conosciuto nel I millennio a.C.. Durante il periodo medioevale, furono trovati in Europa i mezzi per produrre il ferro battuto dalla ghisa (in questo contesto era conosciuto come "pig iron", traducibile come "ghisa grezza") usando forni di puddellaggio.

L'acciaio (con un contenuto in carbonio inferiore rispetto alla ghisa grezza, ma più grande di quello del ferro battuto) veniva anch'esso prodotto nell'antichità.       I nuovi metodi per produrlo carburizzando barre di ferro nel processo di cementificazione furono sviluppati nel XVII secolo d.C. L'acciaio si può già ottenere a 750 °C (colore rosso vivo), direttamente dal minerale. Successivamente la massa spugnosa deve essere sottoposta a battitura (pudellaggio), per eliminare le scorie e ripiegata più volte su sé stessa fino ad ottenere il prodotto finito (acciaio a pacchetto) ed eventualmente sottoposto a brusco cambiamento di temperatura (tempera o tempra). Tale operazione è ancora ripetuta in Giappone per ottenere acciai da lama. Infatti furono le armi in "ferro" (acciaio) a prevalere su quelle in bronzo, di più antica tecnologia.

Durante la Rivoluzione industriale, vennero sviluppati nuovi metodi per produrre il ferro in barre senza carbone e questi vennero poi applicati per produrre l'acciaio. Nei tardi 1850, Henry Bessemer inventò un nuovo processo per fabbricare l'acciaio, il quale consisteva nel soffiare aria attraverso la ghisa grezza per produrre acciaio dolce. Questo ed altri processi del successivo XIX secolo hanno fatto in modo che la tecnica del ferro battuto venisse abbandonata nella produzione industriale.

Ferro meteoritico

Meteorite di Willamette, il sesto più grande trovato al mondo, è un meteorite in nickel-ferro.

Il ferro aveva un uso limitato prima che fosse possibile fonderlo. I primi segni dell'uso del ferro vengono dall'antico Egitto e dai Sumeri, dove attorno al 4000 a.C. venivano prodotti piccoli oggetti in ferro meteoritico come ornamenti o come punte delle lance. Tuttavia, il loro uso sembra fosse cerimoniale, e il ferro era probabilmente un metallo costoso, forse anche più dell'oro. Circa il 6% dei meteoriti sono composti di una lega di ferro e nichel, e il ferro recuperato dalle cadute di meteoriti ha permesso agli antichi di fabbricare pochi piccoli artefatti in ferro. Il metallo preso da tali meteoriti è conosciuto come ferro meteoritico e fu una delle prime fonti di ferro utilizzabile per l'uomo.

Nell'Anatolia, il ferro fuso era usato a volte per armi ornamentali. Anche l'imperatore egizio Tutankhamon che morì nel 1323 a.C. fu sepolto assieme ad una daga in ferro con elsa in oro. Furono anche ritrovati negli scavi di Ugarit un'antica spada egizia che portava il nome del faraone Merneptah e un'ascia da guerra con lama in ferro e manico in bronzo decorato con oro. I primi ittiti barattavano ferro con argento, dandone 40 volte il peso in ferro, con gli assiri.

Il ferro meteoritico veniva usato per ornare gli strumenti nell'America settentrionale precolombiana. A partire dall'anno 1000, il popolo groenlandese di Thule (mito) cominciarono a fabbricare arpioni ed altri strumenti affilati da pezzi del meteorite di Cape York. Questi artefatti furono anche usati come bene di commercio con le altre popolazioni Artiche: strumenti fatti dal meteorite di Cape York sono stati trovati in siti archeologici a distanza di oltre 1600 km. Quando l'esploratore americano Robert Edwin Peary portò il più grande frammento del meteorite all'American "museum of natural history" a New York nel 1897, pesava ancora oltre 33 tonnellate.

India

La colonna di Ferro a Delhi è una testimonianza delle metodologie di estrazione e lavorazione del ferro in India. Tale colonna ha resistito alla corrosione per gli ultimi 1600 anni. Essa si erge nel famoso complesso di Qutb. Il pilastro (alto quasi sette metri e pesante oltre sei tonnellate) fu eretto da Chandragupta II Vikramaditya. Il pilastro ha un contenuto in ferro del 98%, ma ha resistito alla corrosione per gli ultimi 1600 anni, nonostante le condizioni meteorologiche avverse.

Siti archeologici in India mostrano utilizzi del ferro nel periodo tra il 1800 a.C. e il 1200 a.C. I primi oggetti in ferro trovati in India possono essere datati al 1400 a.C. impiegando il metodo di datazione del carbonio radioattivo. Punte, coltelli, daghe, punte di freccia, ciotole, cucchiai, padelle, asce, ceselli, pinze, cerniere delle porte, ecc. che vanno dal 600a.C. al 200 a.C. sono state trovate in diversi siti archeologici Indiani. Alcuni studiosi credono che all'inizio del XIII secolo a.C., la fusione del ferro era praticata su larga scala in India, suggerendo che la data di scoperta della tecnologia possa essere anticipata. Lo storico greco Erodoto scrisse la prima testimonianza occidentale dell'uso del ferro in India.

L'acciaio Wootz

Il primo metodo per produrre acciaio vero e proprio è stato il sistema "Wootz", simile al moderno sistema a crogiolo, usato nell'India meridionale almeno dal 300 d.C. (ma alcuni lo fanno risalire al 200 a.C.); il suo nome è la versione anglicizzata del nome indù dell'acciaio. Veniva preparato in crogioli chiusi sigillati, che contenevano minerale di ferro ad alta purezza, carbone e vetro. I crogioli venivano poi messi alla fiamma e riscaldati fino alla fusione del ferro, che si arricchiva di carbonio, e il vetro assorbiva le impurità man mano che fondeva, galleggiando sulla superficie. Il risultato era un acciaio ad alto tenore di carbonio e di elevata purezza, chiamato poi acciaio di Damasco. Questa tecnica si diffuse molto lentamente, arrivando nei paesi confinanti solo nel 900 d.C. circa. La fornace per la produzione degli acciai di Damasco era una fornace a vento, che utilizzava i venti dei monsoni per il suo funzionamento. L'acciaio di Damasco è famoso anche per la sua resistenza e la capacità di mantenere il filo.

Fu originariamente creato da diversi materiali. Era quindi una lega complessa, che aveva il ferro come componente principale. Studi recenti hanno suggerito che nano tubi di carbonio (prodotti in maniera inconsapevole durante il processo) erano inclusi nella sua struttura, il che potrebbe spiegare le sue caratteristiche meccaniche.

La tecnica indiana mise molto tempo ad arrivare in Europa. A partire dal XVII secolo gli olandesi portavano l'acciaio di Damasco dall'India del sud all'Europa, dove in seguito si avviò la sua produzione in larga scala, con il nome di tecnica del crogiolo.

Cina

Un uomo che lavora ad un altoforno

Anche in Cina il primo ferro usato fu di origine meteorica. Manufatti in ferro battuto compaiono in siti archeologici datati attorno all'VIII secolo a.C. La produzione di acciaio, benché presente, soprattutto per la produzione di armi, era limitata.

Negli ultimi anni della dinastia Zhou (attorno all'anno 550 a.C.), nel meridione si sviluppò un'avanzata tecnologia basata su altoforni, operanti a 1130 °C, in grado di produrre ghisa in grandi quantità. A questa temperatura, il ferro si combina con il carbonio. Come liquido, il ferro può essere colato in stampi, un metodo molto meno laborioso rispetto alla forgiatura individuale di ogni pezzo da un fiore.

Scaldando minerali di ferro con carbone a 1200-1300°C si forma ghisa liquida. Questa lega è troppo fragile per essere lavorata, a meno che non venga decarburata per rimuovere la maggior parte del carbonio. La ghisa quindi veniva colata in stampi e decarburata fino allo stato di ferro dolce, arroventandola all'aria per diversi giorni.

In Cina, questi metodi di lavorazione del ferro si diffusero a nord, e nel 300 a.C. il ferro era il materiale più diffuso per gli attrezzi e le armi. Una grande tomba (datata all'inizio del 3° secolo a.C.) contiene diversi soldati sepolti con le loro armi ed altro equipaggiamento. Gli artefatti recuperati da questa tomba sono costruiti in ferro battuto, in ghisa, ghisa malleabile e acciaio temprato, con alcune armi in bronzo, probabilmente ornamentali.

Il ferro rimase un prodotto poco pregiato, usato dai contadini per secoli e non interessò le classi nobiliari, durante la quale la lavorazione del ferro cinese raggiunse una scala ed una sofisticazione non raggiunta dall'Occidente fino al XVIII secolo.

Nel primo secolo, il governo fece diventare la lavorazione del ferro un monopolio di stato e fece costruire una serie di grandi altoforno, ognuno capace di produrre diverse tonnellate di ferro al giorno. In questa epoca, i metallurgici cinesi scoprirono come impastare la ghisa grezza fusa rimescolandola all'aria aperta fino a che non avesse perso il carbonio e non fosse divenuta ferro battuto. Nel primo secolo avanti Cristo, i metallurgici cinesi scoprirono che il ferro battuto e la ghisa potevano essere fusi assieme per formare una nuova lega:l' acciaio. Secondo una leggenda, la spada di Liu Bang, il primo imperatore, fu creata con questa tecnica. Alcuni testi del tempo menzionano l'armonizzazione del duro e del morbido nel contesto della lavorazione del ferro. Assieme ai loro metodi originali per forgiare l'acciaio, i cinesi hanno anche adottato i metodi di produzione per creare l'acciaio Damasco, un'idea importata dall'India alla Cina nel V secolo d.C.

Giappone

Forgiatura di una katana.

In Giappone i costruttori di spade furono gelosi custodi delle loro tecniche di fabbricazione dell'acciaio usato per le spade da samurai. Nessun altro tipo di acciaio, fino alla metà del XX secolo, poté competere in prestazioni con l'acciaio delle spade da samurai. La tecnica era (ed è ancora) simile a quella utilizzata per l'acciaio a pacchetto, ma con alcune differenze sostanziali: la lama veniva realizzata dividendo la battitura a strati prima su una parte esterna di acciaio più morbido, destinata a divenire il dorso della lama, nella quale in seguito veniva parzialmente inserita una barra di acciaio più duro e resistente, la cui parte sporgente era destinata a divenire il tagliente. La katana assumeva in tal modo, dopo la forgiatura, la tempra e la pulizia, un'estrema affilatura, ma anche una certa fragilità, dovuta sia alla durezza del materiale impiegato che all'angolo di affilatura molto acuto. A causa di queste caratteristiche, la tecnica di combattimento alla katana è più tesa a piazzare il colpo utilizzando una grande velocità di esecuzione piuttosto che a realizzare una scherma di colpi portati e parate, che necessitano di lame più elastiche.

Medio Oriente

Preistoria ed antichità

Le prime prove di uso del ferro vengono dai Sumeri e dagli Egiziani, che già 4000 anni prima di Cristo lo usavano per la manifattura di piccoli oggetti, come punte di lancia e gioielli, ricavati dal ferro recuperato dai meteoriti.  Al periodo che va dal 3000 a.C. al 2000 a.C. risalgono molti oggetti di ferro battuto ( distinguibili dagli oggetti in ferro meteorico per la mancanza di nichel nella lega), ritrovati in Mesopotamia, Anatolia ed Egitto; il loro uso sembra essere cerimoniale: il ferro infatti era un metallo costoso, anche più dell'oro. Nell'Iliade la maggior parte delle armi e delle armature menzionate sono in bronzo, e i lingotti di ferro vengono usati per commerciare.

Nel 1500 a.C. circa un numero sempre più grande di oggetti in ferro fuso appare in Mesopotamia, in Anatolia e in Egitto.

Ipotesi sull'ascesa del ferro sul bronzo

Ascia di ferro dell'età del ferro svedese, rinvenuta a Gotland, in Svezia.

All'inizio dell'età del Ferro (dal XII secolo a.C. al X secolo a.C.) il ferro rimpiazzò il bronzo nella produzione di attrezzi e di armi nel Mediterraneo orientale.

Una ormai screditata spiegazione dell'ascesa del ferro si basa sul fatto che gli Ittiti dell'Anatolia si impadronirono della tecnologia del ferro. Seconda questa ipotesi, essi mantenerono un monopolio nella sua lavorazione, e ciò permise loro di costruire un impero basato sulla superiorità del ferro rispetto al bronzo. Le invasioni da parte delle Genti del Mare nella tarda età del bronzo che pose fine all'impero degli Ittiti favorì la diffusione delle conoscenze tecnologiche, come risultato delle loro migrazioni. Anche se sono stati ritrovati alcuni oggetti in ferro dell'Anatolia dell'età del bronzo, il loro numero è comparabile a quello degli oggetti in ferro trovati in Egitto o in altri luoghi dello stesso periodo, e solo una piccola parte di essi sono armi.

In particolare nell'Asia Minore i regni ittiti all'interno dell'Anatolia si trovarono tagliati fuori dal commercio dello stagno: per tale motivo la tribù dei Calibi sviluppò la tecnica di carburazione del ferro con carbonella per sostituire il bronzo. Alcune fonti ipotizzano che il ferro fu inizialmente ottenuto come sottoprodotto della raffinazione del rame.

Una teoria più recente dell'ascesa del ferro riguarda il collasso degli imperi che alla fine della tarda età del bronzo mandò in frantumi le vie del commercio, necessarie per la produzione del bronzo. Si pensa che all'inizio dell'età del ferro il trasporto di queste materie prime non fosse sufficiente a colmare la richiesta da parte di coloro che lavoravano i metalli. Da qui sarebbe potuto nascere l'utilizzo del ferro: quindi l'ascesa del ferro potrebbe essere stata il risultato di una necessità.

Europa

La forgia catalana

Schema di una forgia catalana.

Attorno al IX secolo si diffuse in Europa, dalla penisola iberica, la cosiddetta "forgia catalana" capace di produrre cariche di oltre 100 kg per volta di metallo lavorabile in luogo dei 15-17 kg ottenibili con le primitive fornaci ad affioramento greco-romane, ancora usate nell'Alto Medioevo. Grazie a questa innovazione, anche la quantità di acciaio lavorabile in una volta sola aumentò; questo, unitamente all'apparizione dei primi, economici, metodi di carbocementazione del ferro (che permettevano di ottenere strumenti di ferro con uno strato superficiale di acciaio), portò alla scomparsa del metodo di lavorazione a pacchetto.

L'acciaio a pacchetto

In Europa la principale tecnica utilizzata fino al X secolo fu quella dell'acciaio a pacchetto, che consentiva di controllare più agevolmente il tenore di carbonio del metallo rispetto a quanto si poteva fare usando l'acciaio omogeneo che pure veniva prodotto, in quantità limitate, dai basso forni alto-medioevali.

Consiste nel creare un pacchetto di strati alternati di ferro dolce e ghisa, fatti rammollire e poi martellati insieme per saldarli e far diffondere il carbonio dalla ghisa al ferro dolce, in modo da ottenere la percentuale di carbonio desiderata. Una volta saldati gli strati del pacchetto, si taglia la barra e la si piega su sé stessa, ripetendo il processo: in questo modo si possono creare barre estremamente resistenti composte di centinaia o migliaia di strati sottilissimi.

Il processo è noto in Europa fin dalla tarda epoca dei Celti, dei quali sono rimaste alcune spade che mostrano una stratificazione di questo genere. Alla fine dell'età romana era sicuramente noto ai barbari di stirpe germanica, ed è stato per secoli l'unico modo noto per ottenere acciaio di buona qualità.

Per secoli l'unico modo di ottenere del buon acciaio in Europa fu quindi quello di usare ferro delle miniere svedesi, particolarmente puro e privo di zolfo e fosforo, "ferro di palude", siderite di origine alpina o ematite dell'Isola d'Elba, ed usarlo per confezionare acciaio a pacchetto con ghisa più ricca di carbonio. Era un processo molto lento ed estremamente costoso: per un chilogrammo di acciaio erano necessari circa 100 kg di combustibile. In genere si usava l'acciaio per creare piccoli manufatti, come punte di freccia, bisturi, coltelli ed altri oggetti di piccole dimensioni.

Per questo motivo durante il basso Medioevo in Europa con l'aumentata disponibilità di acciaio omogeneo, che riduceva i tempi di lavorazione, la tecnica dell'acciaio a pacchetto fu progressivamente abbandonata, portando ad un generale scadimento della qualità delle lame europee del periodo. Dal XI secolo al XVI secolo la tecnica cadde completamente in disuso. Venne riscoperta con il Rinascimento, data la maggiore richiesta di lame di qualità superiore e peso inferiore, e in quel periodo molti si convinsero che l'acciaio Damasco, di cui i crociati raccontavano meraviglie, non fosse altro che un tipo di acciaio a pacchetto, ma questa credenza è stata smentita dalle analisi delle nervature visibili nei due tipi di acciaio.

Il processo di "lavorazione a Damasco" è ancora oggi utilizzato per la produzione artigianale di coltelleria e repliche di armi bianche storiche di alta qualità.

                    (disegno di un altoforno moderno)                                             

Lo sviluppo della ghisa (nota fin dall'antichità) iniziò in Europa in relativo ritardo, dato che i forni riuscivano solo saltuariamente a superare i 750 °C (temperatura di fusione della ghisa).

La ghisa era un sottoprodotto indesiderato della produzione della spugna di ferro in basso forni particolarmente efficienti. Trovava un limitato utilizzo, nella produzione dell'"acciaio a pacchetto".

Nei secoli successivi, un progressivo lavoro di affinamento, portò alla realizzazione dei primi forni "a torre" (antenati dei moderni altoforni) in varie forme.

Per buona parte del Medio Evo il ferro era ancora fabbricato lavorando i fiori di ferro in ferro battuto. Alcuni dei primi stampaggi del ferro in Europa avvenne in Svezia in due siti, Lapphyttan e Vinarhyttan, tra il 1150 e il 1350. Alcuni studiosi hanno ipotizzato che la pratica seguisse il viaggio dei Mongoli attraverso la Russia verso questi siti che non spiegherebbe però certo le datazioni pre-mongole di molti di questi centri di produzione del ferro. In ogni caso, nel XIV secolo, cominciò a formarsi un mercato di oggetti in ghisa a seguito della crescente domanda di palle di cannone in ghisa.

Nel 1200 il ferro dalle fornaci di Lapphyttan era raffinato. La ghisa grezza dalla fornace veniva fusa davanti ad un flusso di aria e le gocce venivano catturate su di una staffa, formando una sfera di ferro.

Sviluppo delle fonderie alimentate idraulicamente

A volte, nel periodo medioevale, l'energia dell'acqua era applicata ai processi delle fonderie. È possibile che questo avvenne presso l'Abbazia di Clairvaux dell'Ordine Cisterciense nel 1135, ma fu certamente in uso in Francia e in Svezia all'inizio del XIII secolo. In Inghilterra, le prime chiare prove documentate di questo furono nella contabilità di una forgia del Vescovato di Durham, vicino a Bedburn nel 1408, ma non fu certamente la prima volta che venivano impiegate simili tecniche siderurgiche. Nel distretto inglese di Furness, le fonderie alimentate idraulicamente furono in uso all'inizio del XVIII secolo, e vicino a Garstang fino al 1770 circa.

Nuovi processi di forgiatura

Disegno schematico di una fornace di affinatura.

Fu soltanto dopo questi avvenimenti che cominciarono ad essere concepiti modi attuabili economicamente per convertire la ghisa grezza in ferro. Un processo conosciuto come invasatura e stampaggio fu ideato nel 1760 e migliorato nel 1770, e sembra essere stato ampiamente adottato nelle Midlands occidentali circa dal 1785. Tuttavia, questo metodo fu rimpiazzato dal processo di affinatura di Henry Cort, brevettato nel 1784, ma probabilmente fatto funzionare con ghisa grezza grigia circa nel 1790. Questi processi permisero la grande espansione della produzione del ferro che costituì la Rivoluzione industriale per l'industria del ferro.

All'inizio del XIX secolo, Hall scoprì che l'aggiunta di ossidi di ferro al contenuto dei forni di affinatura provocava una violenta reazione, nella quale la ghisa grezza veniva decarburizzata; questo processo venne chiamato 'affinatura umida'. Si scoprì anche che era possibile produrre acciaio fermando il processo di affinatura prima che la decarburizzazione fosse completa.

L'invenzione del convertitore e l'acciaio inox

Disegno schematico di un convertitore Bessemer ("Discoveries & Inventions of the Nineteenth Century" by R. Routledge, 1900).

A parte una qualche produzione di acciaio affinato, l'acciaio Inglese continuò ad essere fabbricato tramite cementazione, a volte seguita da rifusione per produrre acciaio in crogiolo. Questi erano processi "in lotto" la cui materia prima era il ferro (puro) in barre, in particolare il ferro di Oregrund in Svezia.

Il problema della produzione in massa di acciai economici fu risolto nel 1855 da Henry Bessmer, con l'introduzione del convertitore Bessmer nella sua fabbrica di Sheffield in Inghilterra.Nel convertitore Bessmer, la ghisa grezza fusa proveniente dall'altoforno veniva inserita in un grosso crogiolo e poi veniva soffiata aria dal basso attraverso il materiale fuso, bruciando il carbonio disciolto dal coke. Mano a mano che il carbonio brucia, il punto di fusione del materiale aumenta, ma il calore proveniente dal carbonio in fiamme procura l'energia in più necessaria a mantenere il miscuglio fuso. Dopo che il contenuto in carbonio nella colata ha raggiunto il livello desiderato, il flusso d'aria può essere chiuso. Un tipico convertitore Bessmer poteva convertire un lotto di 25 tonnellate di ghisa grezza in acciaio in mezzora circa. L'invenzione dei convertitori ad aria, primo fra i quali il convertitore Bessmer, permise di abbandonare il metodo del puddellaggio (acciaio al crogiolo), lungo e dispendioso.

Nel 1913 viene scoperto l'acciaio inossidabile.

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