Storia Produzione Acciaio per Utensili

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Storia Produzione Acciaio per Utensili

Messaggioda Aldebaran » 15/04/2017, 20:04

Introdurrò in questo thread delle note storiche sulla produzione dell'acciaio da utensili.

I metodi di fabbricazione dell'acciaio da utensili ( per lavorazioni a freddo ) si possono classificare come segue:

1) Metallo affinato ottenuto allo stato pastoso

a) Affinazione a contatto col combustibile, nei bassi fuochi;

b) Affinazione a contatto con i prodotti della combustione, su suola di forno a riverbero, con rimescolamento o pudellatura.

2)* Metallo affinato ottenuto allo stato liquido ( più omogeneo):

a)* Acciai al crogiolo, per la produzione di altissima qualità

b) Processo Acido ( Bessemer) o basico ( Thomas )

c) Processo Martin-Siemens

Il ferro utilizzato era svedese.

Un altro antico processo è quello della produzione dell'acciaio allo stato solido, che comunque veniva coadiuvato con un raffinamento al crogiolo (2a)* ed era proprio della produzione di acciai duri da utensili per lavorazione a freddo.
Questo procedimento era però molto dispendioso; un forno Bessemer produce in un giorno tanto acciaio quanto ne si produce al crogiolo in un anno con un forno a cementazione. Affinché la raffinazione (fusione) al crogiolo abbia i suoi effetti, bisogna attuare prima una cementazione. Gli acciai saranno cosi più fini e puri a livello di grano. Non è una prerogativa del passato questa tecnica, perché la si utilizzò anche con i forni elettrici.

Il primo a compiere studi sulla produzione dell'acciaio decarburando la ghisa in Europa fu Rèaumur, un fisico francese nel 1722 e il suo procedimento fu perfezionato da Lucas nel 1820. Questo processo viene classificato come Europeo. Si contrappone al metodo cosiddetto americano.

La ghisa veniva decarburata in due modi: usando carbone da legna e carbonato di bario e si muoveva la massa a mano, con degli utensili simili a scope, in modo da far penetrare la sostanza all'interno dell'intera massa di ghisa, oppure veniva utilizzato l'ossido di ferro,mischiandolo alla ghisa, e la particolare struttura dendritica era data dal monossido di carbonio ( che si crea dall'unione di carbonio con ossido di ferro) che è molto volatile e attraversa, propagandosi all'aria aperta tramite i camini, l'intera sostanza.
La prima ipotesi fu pensata da Ledebur ( scopritore della Ledeburite), l'ultima da altri scienziati, e posso dire, avendo creato con Franz Kleber simili acciai, che quest'ultima sia la più veritiera e di più facile attuazione. Sostanzialmente la reazione che si ottiene con l'ossido di ferro e più veloce di quella attuata con carbone da legna e il carbonato di bario. Per la forgiatura dela Tahamagane invece i giapponesi usano carbone da legna al 60% e carbonato di bario al 40% oppure legno di quercia e ferrocianuro potassico (20%).

Verso la fine del 1700, per soddisfare le esigenze dell'industria che si andava sviluppando rapidamente si pensò di affinare la ghisa nel forno a riverbero, che ha potenzialità assai maggiori e che permette di utilizzare il carbon fossile anziché quello a legno ( quest'ultimo tanto caro a Mushet ). Ebbe cosi origine il metodo della pudellatura.

La pudellatura veniva completata da un'altra operazione, la bollitura, i modo da saldare assieme altre parti di ferro, prodotte dal forno, formando cosi masse più pesanti. Si ottiene cosi del ferro saldato, ma di una qualità che andava bene anche per gli acciai da utensili.

Infatti, come ha scritto anni fa anche Andreat63 gli acciai pudellati, i ferri saldati, i ferri acciaiosi o fibrosi Aston non vanno bene per costruire utensili, ma venivano utilizzati per la costruzione di componenti delle navi. Erano costituiti da una "forte" percentuale di manganese e poco carbonio. Tutto ciò fatta eccezione per alcuni tipi di acciai saldati nati dall'unione di acciai con minore quantità di carbonio con altri ad alto contenuto di carbonio.

I crogiuoli oltre che per creare i cosiddetti acciai al crogiolo, servivano anche per affinare gli acciai prodotti dai metodi Bessemer e Martin. Non vi è comunque nessuna sostanziale differenza invece tra gli acciai prodotti al crogiolo e quelli prodotti nei forni elettrici ad arco ad alta frequenza.
Infatti, sia i processi Bessemer che Martin producono acciai inferiori, come qualità, a quelli al crogiolo, ma, per ridurre i tempi di lavorazione, si usava, per raffinare tali acciai, i forni elettrici e non i crogiuoli.
Tra il processo Bessemer e Martin, il primo si può ritenere leggermente migliore del secondo, ma le ghise e gli acciai derivanti contenevano troppo zolfo. Nel 1879 Thomas e Gilchrist crearono un forno che tolgieva il problema dato da questo elemento, eliminando cosi dal processo la raffinazione con i forni elettrici, diminuendo i tempi della procedura di produzione acciaio ad alta qualità.
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Re: Storia Produzione Acciaio per Utensili

Messaggioda Aldebaran » 11/08/2017, 18:29

Buonasera,

suggerisco in merito a questo argomento la lettura della vita dell'Ing. Ernesto Stassano.

E’ l’inventore del forno elettrico per siderurgia, una macchina che trasforma energia elettrica in energia termica utilizzata per fondere del materiale o per far avvenire trasformazioni chimiche, per esempio la decarburazione dell'acciaio.
Possiamo ricostruire la storia della sua invenzione leggendo il dettagliato scritto del Professor Oscar Scarpa
, docente del Politecnico alla fine degli anni ’30, da cui abbiamo tratto spunti integrandoli con vari approfondimenti.
Stassano inventa e realizza nel 1898 un forno elettrico ad arco indiretto, cioè un forno in cui il calore si ottiene grazie ad un arco elettrico che scocca tra due o tre elettrodi disposti in prossimità del metallo, che dunque si scalda per irraggiamento.
Il forno Stassano nasce a seguito di successive modifiche: dapprima Strassano svolge alcune esperienze nel 1896 a Pont Saint Martin (AO) su forni elettrici per la produzione di carburo di calcio e nel 1898 conduce esperimenti volti ad ottenere acciaio direttamente dai minerali di ferro, prima a Roma e poi a Darfo (BS).
Le prove eseguite e i problemi riscontrati portano Stassano a modificare la struttura del forno; ma la grande novità si ha quando l'ingegnere passa da una carica di minerali a una di rottame: in seguito a queste modifiche, nel 1899 riesce ad ottenere produzioni di acciaio di elevata qualità partendo da cariche costituite all'80% di rottame e al 20% di ghisa, a costi concorrenziali rispetto a quelli dell'acciaio di importazione.
Nel 1901 un forno derivato da quello di Darfo viene installato presso l'Arsenale di Torino: è questo il forno della configurazione definitiva.
Nel 1904 Stassano fonda la Società Forni Termoelettrici Stassano e avvia a Torino una fonderia di acciaio ottenuto elettricamente. L'officina inizia la sua attività nel 1905 con due forni da una tonnellata, due forni da due tonnellate e un forno da cinque. Nel 1906-07 entrano in funzione forni Stassano presso la Bonner Faserfabrik di Bonn (Germania), mentre nel 1907 è la volta di St. Polen (Austria) e, a seguire, di Dunston-on-Tyne e Newcastle (Gran Bretagna), Bridgeton e Redondo (USA). Intorno al 1910 vengono installati forni Stassano anche alle acciaierie Ansaldo di Genova e Vanzetti di Milano.
Tra il 1900 e il 1915 sono attivi in campo industriale tre tipi di forni elettrici ad arco: il forno ad arco indiretto di Stassano, quello a suola non conduttrice di Heroult e quello a suola conduttrice di Girod. Tra questi, il forno Heroult è di gran lunga il più adatto a grandi produzioni, tanto che già nel 1915 inizia il lento declino del forno Stassano.
La supremazia del forno Heroult, attualmente il forno elettrico per siderurgia più utilizzato al mondo, fa presto dimenticare il nome dell’inventore italiano nonostante i tanti brevetti realizzati.
Tra gli anni ’30 e ’40 si impone “la ferma volontà del Duce” per rivendicare “agli italiani il posto che ad essi spetta nel mondo”, come troviamo scritto in un articolo
pubblicato verso la fine degli anni ’30 a firma Oscar Scarpa e l’“opera tanto meritevole” del CNR di istituire un “museo delle rivendicazioni Italiane nel campo delle invenzioni”, al quale, sempre il prof. Scarpa scrive una lettera
per offrire materiale documentario relativo al “Maggiore Ernesto Stassano che fu il vero pioniere dell’Elettrosiderurgia”.
Ernesto Stassano muore povero, lottando fino all’ultimo per strappare ancora dei fondi per le sue ricerche volte a svincolare la siderurgia italiana dall’usare un minerale, quello di ferro, e un combustibile, il carbone, di cui il Paese è privo.
Anche oggi rimane sconosciuto ai più, nonostante il forno Stassano abbia ottenuto il prestigioso premio come Pietra Miliare nello sviluppo della metallurgia, assegnato dalla ASM (American Society for Materials) International, nel 1992.
Come spesso accade ai “geni incompresi”, però, Stassano aveva visto giusto: egli vedeva nell’elettrosiderurgia il mezzo per affrancare il nostro paese dai rifornimenti stranieri e, in qualche modo prevedeva l’utilizzazione razionale dei combustibili.
Grazie alle basi poste da Stassano oggi il 30% dell’acciaio prodotto nel mondo, e il 65% di quello prodotto in Italia, proviene da rottame lavorato al forno elettrico, mentre il restante continua ad derivare da minerale lavorato all’altoforno.
Produrre acciaio da rottame, però, permette di risparmiare sull’uso di materia prima vergine, minerale di ferro e carbone, e di energia. Per produrre una tonnellata di acciaio da minerale, infatti, servono 1400 kg di minerale di ferro, 770 kg di carbone, 150 kg di calcare, 120 kg di rottame e 33,31 GJ di energia, mentre per produrre la stessa quantità di acciaio da rottame si usano 880 kg di rottame, 150 kg di carbone, 43 kg di calcare e 10,8 GJ di energia. Per quel che riguarda le emissioni nocive, inoltre, produrre acciaio da rottame evita che quasi 1120 milioni di tonnellate di CO2 vengano emessi in atmosfera ogni anno. Produrre acciaio da rottame inoltre elimina completamente il dispendio energetico e l’emissione di gas legati all’approvvigionamento del minerale vergine.
Oggi l’interesse per l’elettrosiderurgia non è più solo economico ma anche ambientale e sociale, e non più limitato all’Italia ma al mondo intero.


Bibliografia:

http://www.museoscienza.org/voci-della- ... assano.asp
link di discussione e approfondimento al forum:

1
2
Bilbiografia: Libri dell'Ing. Galassini e il Glasstone Chimica Fisica

Ing. Ernesto Stassano
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Re: Storia Produzione Acciaio per Utensili

Messaggioda Aldebaran » 17/08/2017, 21:08

Qualità dell' acciaio usato in passato in relazione ai metodi di produzione. Ipotesi di stima qualitativa secondo le annate.

Cronologia:

Procedimento Europeo- Decarburazione

Si riduce il carbonio della ghisa, a mano a mano che questi si scinde dalla cementite, agendo sul metallo allo stato solido, con sostanze ossidanti ( Fe2 O3 ).
In tal modo il metallo si trasforma lentamente in ferro acciaioso. Processo ideato da Rèamur (1722 ) e perfezionato da Lucas ( 1820 ).
Processo molto lento perché il carbonio dal centro emigra verso la periferia dell'ammasso di ghisa.

Procedimento Americano- Grafitizzazione del Carbonio

Si ricorre al calore e alla sua azione per cambiare il modo di aggregazione del carbonio. Una volta dissociato il Fe3C, il carbonio che si libera assume la forma di grafite, non a larghe lamelle, ma a forma finemente granulare.
E' molto più malleabile di quella creata con il procedimento Europeo.
Periodo: XVIII secolo.

I due prodotti, ghisa malleabile a cuor bianco detta anche Europea e a cuor nero, o Americana, come qualità si equivalgono.
La malleabile a cuor bianco però, specialmente per pezzi sottili, ( 4-5 mm) per i quali la decarburazione è quasi totale, è più facile da saldare di quella americana.

Acciaio ottenuto a basso fuoco-detto anche catalano e bergamasco. ( 1677-1717 )

E' un metodo talmente scarso in materia di qualità del prodotto e tempi di produzione che non lo discuteremo.

Pudellatura ( fine del 1700 )

La prima soluzione industriale del problema, pur sempre molto laboriosa, fu adottata nel 1766 nel Galles e fu la puddellazione (puddling) che consisteva nel caricare i getti di ghisa in speciali contenitori posti in forni a riverbero, usando carbone come combustibile. In questo modo si arrivò a produrre acciaio allo stato pastoso, semi-fuso, che poteva essere separato e solidificato. La tecnica porta il nome di “puddling” perchè lo stato fisico dell’acciaio prodotto ricalca il concetto di “pudding” cioè di massa pastosa. Gli elementi indesiderati venivano eliminati con la scoria che si separava dal metallo fuso e poteva essere rimossa con operazioni meccaniche di laminazione. La tecnica prevedeva delle varianti “a secco” e “a fluido” per cui lo stato dell’acciaio “pudellato” era più o meno liquido prima di essere lavorato per l’espulsione della scoria.
L'acciaio era sostanzialmente una ghisa con poco silicio e forti quantità di manganese.
Non è temprabile.

Ferro saldato

Molto impuro, veniva creato negli stessi forni da pudellatura a fine ciclo, per evitare gli sprechi.

Ferro Acciaioso e ferro fibroso Aston

E' ottenuto tramite pudellatura ed è un acciaio capace di prendere la tempra.
L'Aston è ottenuto solo tramite forni Bessemer Acidi ed è quasi esente da impurità quali zolfo e fosforo, al contrario degli acciai creati con i metodi precedenti.

Ferro saldato a pacchetto ottenuto per rimpasto di rottame

Qualità molto scarsa perché il rimpasto viene fatto a calor bianco, che rovina l'acciaio di partenza, per farlo saldare meglio sotto i laminatoi.

Acciaio fuso al crogiuolo

Nel 1740 Benjamin Huntsman, a Sheffield, riscoprì la tecnica dell'acciaio al crogiolo. Dopo anni di esperimenti in segreto, mise a punto una fornace in grado di raggiungere i 1600 °C in cui metteva una dozzina di crogioli di argilla, ciascuno con 15 kg di ferro, che veniva portato lentamente al calor bianco; a questo punto si aggiungevano pezzi di ghisa, i quali, lasciati fondere, aggiungevano al materiale il carbonio necessario; dopo tre ore circa l'acciaio fuso veniva colato in lingotti.
Nel 1740 Sheffield produceva circa 200 tonnellate di acciaio all'anno; un secolo dopo ne produceva 80000, la metà di tutta la produzione europea, ed era la più grande città industriale d'Europa.
Questo modo di produrre l'acciaio dominò fino all'arrivo del convertitore Bessemer, che produceva acciaio di qualità comparabile ma con costi minori.

Processo di fabbricazione acido Bessemer (1850 )

Il convertitore consisteva in un recipiente a pera che poteva ruotare intorno a due perni; la ghisa calda fusa, così come usciva dall’altoforno, veniva versata nella bocca del convertitore e veniva attraversata da una corrente d’aria preriscaldata; l’ossigeno ossidava la maggior parte del carbonio; il calore di combustione teneva fusa la massa di acciaio così formato che poteva essere fatta uscire inclinando “la pera” sui suoi perni. In questo modo diminuiva il tempo di trasformazione della ghisa in acciaio e quindi il costo dell’acciaio anche perché non c’era bisogno di apporto esterno di calore.
Un convertitore Bessemer, con cui era possibile ottenere da 10 a 20 tonnellate di ghisa per volta, fu presentato all’esposizione di Londra del 1862 e attrasse subito l’attenzione; un primo convertitore fu installato in Italia nel 1865 nelle “Officine Perseveranza” di Piombino dove esisteva un altoforno a carbone di legna. L’impianto funzionò però soltanto due anni.
Ben presto ci si accorse che il convertitore Bessemer aveva alcuni inconvenienti; il suo interno era rivestito con un materiale refrattario siliceo, acido, e non riusciva a ossidare le ghise provenienti da minerali di ferro contenenti fosforo, come quelli della Lorena. La soluzione fu offerta dai cugini Sidney Gilchrist Thomas (1850-1885) e Percy Gilchrist (1851-1935) che nel 1878 brevettarono la sostituzione del rivestimento refrattario siliceo del convertitore Bessemer con un rivestimento refrattario basico di calcare il quale fissava chimicamente il fosforo e anzi, una volta recuperato, rappresentava una fonte di fosfati di calcio adatti come concimi; altro esempio di recupero commerciale di residui di lavorazione, quelli che oggi chiameremmo materie prime seconde.
Un altro inconveniente era che nei convertitori Bessemer il processo di ossidazione era “troppo” veloce: una carica trasformava la ghisa in acciaio in un quarto d’ora e in così poco tempo non era possibile prelevare campioni e analizzare e controllare e eventualmente correggere la composizione della ghisa. Infine il convertitore Bessemer non poteva trattare i rottami di ferro che, nella metà dell’Ottocento, cominciavano a diventare disponibili in grande quantità in seguito all’abbandono di molti manufatti di acciaio.
Per recuperare l’acciaio da questi rottami ci sarebbe voluto un forno fusorio capace di trattare insieme i rottami, la ghisa e eventualmente il minerale di ferro, in modo da ottenere acciaio e leghe di acciaio della qualità voluta...fu cosi che nacque il processo Martin Siemens.

Procedimento Martin - Siemens

Wilhelm Siemens (1823-1883) in Inghilterra aveva inventato, nel 1857, un forno dotato di un recuperatore di calore costituito da una massa di mattoni scaldati dai gas di combustione, un po’ come il “cowper”. Il forno Siemens era stato pensato per la fusione del vetro, ma l’industriale francese, Emile Martin (1794-1871) pensò che avrebbe potuto essere applicato anche alla fusione dei rottami ferrosi e mise a punto il forno che porta il nome Martin-Siemens per la produzione dell’acciaio.
I primi forni entrarono in funzione in Francia nel 1863 e si rivelarono un successo. Il processo di trasformazione in acciaio dei rottami miscelati, in opportuna proporzione, con ghisa e con minerale, si svolgeva lentamente, in circa due ore, il che consentiva di prelevare periodicamente dei campioni del metallo fuso la cui composizione poteva essere corretta a seconda delle esigenze dei produttori; per le analisi furono sviluppati nuovi metodi rapidi il che fece fare dei progressi anche alla chimica analitica. I forni Martin-Siemens, ciascuno dei quali aveva una capacità produttiva molto maggiore di quella dei convertitori Bessemer, potevano così fornire leghe speciali e con essi l’acciaio passò dalla sua infanzia alla maturità industriale: la produzione mondiale annua di acciaio passò dalle 22.000 tonnellate del 1867 a un milione di tonnellate nel 1880 a 28 milioni di tonnellate nel 1900 (nel 2015 è stata di circa 1400 milioni di tonnellate). Il primo forno Martin-Siemens in Italia fu installato nel 1876 a Piombino.
Comunque anche il processo Martin-Siemens ebbe un suo declino e fu sostituito da due processi, quello elettrico per fondere i rottami e quello a ossigeno per decarburare la ghisa, tutti e due orientati ad un ulteriore risparmio energetico, ad una maggiore utilizzazione dei rottami e ad una minore utilizzazione dei minerali e della ghisa e dei relativi processi inquinanti. Ma ormai siamo nel XX secolo.

Bibliografia:

Libri vari del prof. Galassini
chimica e acciaio
http://moodle.units.it/moodle/file.php/ ... Storia.pdf
https://ilblogdellasci.wordpress.com/ta ... -bessemer/
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