Storia del ferro

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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.^[1] 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 pudellaggio. Per tutti questi processi era necessario il Carbone vegetale come carburante.

L'acciaio (con un contenuto in carbonio inferiore rispetto alla ghisa grezza, ma più grande di quello del ferro battuto) veniva anch'esso prodotto in antichità. I nuovi metodi per produrlo carburizzando barre di ferro nel processo di cementificazione furono sviluppati nel XVII secolo d.C.. 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 il ferro battuto non venisse più prodotto.

[modifica] Ferro meteoritico

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

I meteoriti ferrici sono in maggioranza fatti di leghe di nichel-ferro. Il metallo preso da tali meteoriti è conosciuto come ferro meteoritico e fu una delle prime fonti di ferro utilizzabile per l'uomo.

A causa del fatto che i meteoriti cadono dal cielo, alcuni linguisti hanno ipotizzato che la parola inglese iron (inglese antico:i-sern), che ha parenti in molte lingue nordiche ed occidentali, derivi dall'etrusco aisar, che significa "Gli Dei".^[2] Anche se non è così, la parola è più probabilmente presa da lingue pre-Proto-germaniche, celtiche o italiche. Krahe ne compara forme in irlandese antico, illiriano, veneto e messapico.^[3] L'origine meteoritica del ferro nel suo primo utilizzo da parte degli uomini viene anche citato nel Corano: "e Noi mandammo il ferro il quale ha una forza incredibile e porta molti benefici all'umanità".^[4] 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.^[5] 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.

Nell'Anatolia, il ferro fuso era usato a volte per armi ornamentali: una daga con lama in ferro e elsa in bronzo è stata ritrovata da una tomba ittita datata 2500 a.C.. 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 battaglia 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.

[modifica] Metallurgia in 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

Siti archeologici in India, come quello di Malhar, di Dadupur, di Raja Nala Ka Tila e di Lahuradewa nell'attuale Uttar Pradesh mostrano utilizzi del ferro nel periodo tra il 1800 a.C. e il 1200 a.C.^[6] 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, ascie, ceselli, pinze, cerniere delle porte, ecc. che vanno dal 600 a.C. al 200 a.C. sono state trovate in diversi siti archeologici Indiani.^[7] 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.^[6] In Southern India (present day Mysore) iron appeared as early as 11th to 12th centuries BC; these developments were too early for any significant close contact with the northwest of the country.^[8]

L'inizio del I millennio a.C. vide molti sviluppi nella metallurgia del ferro in India. Gli avanzamenti tecnologici e la padronanza della metallurgia fu raggiunta durante questo periodo di colonizzazione pacifica.^[8] Gli anni a venire videro diverse evoluzioni alle tecnologie applicate alla metallurgia durante il periodo politicamente stabile dell'impero Maurya.^[9]

Lo storico greco Erodoto scrisse la prima testimonianza occidentale dell'uso del ferro in India.^[7] The Indian mythological texts, the Upnishads, have mentions of weaving, pottery, and metallurgy as well.^[10]

Daga e relativo fodero, India, XVII-XVIII secolo. Lama: Acciaio di Damasco frapposto a oro; elsa: giada; fodero: acciaio con decorazioni incise, incavi e rilievi.

Forse nel 300 a.C., sicuramente nel 200 d.C., veniva prodotto acciaio di alta qualità nell'India meridionale tramite quella che gli europei avrebbero poi chiamato la tecnica del crogiolo. Con questo sistema venivano mescolati ferro ad alta purezza, carbone e vetro in un crogiolo e scaldati fino a che il ferro fondeva e assorbiva il carbonio.^[11] Iron chain was used in Indian suspension bridges as early as the 4th century.^[12]

L'acciaio di Damasco era prodotto in India e in Sri Lanka dal 300 a.C.. Questo primo metodo di fabbricazione dell'acciaio utilizzava una fornace a vento, che utilizzava i venti dei monsoni.^[11] L'acciaio di Damasco è famoso anche per la sua resistenza e la capacità di mantenere il filo. Fu originariamente creato da diversi materiali inclusi molte tracce di elementi. Era essenzialmente una lega complicata con il ferro come componente principale. Studi recenti hanno suggerito che i nanotubi di carbonio erano inclusi nella sua struttura, il che potrebbe spiegare parte delle sue leggendarie qualità, anche se, data per disponibile tale tecnologia all'epoca, erano prodotti più per casualmente che volutamente.^[13]

La colonna di ferro a Delhi, capitale dell'India è una delle più antiche curiosità metallurgiche del mondo che si erge nel famoso complesso di Qutb. Il pilastro— alto quasi sette metri e pesante oltre sei tonnellate— fu eretto da Chandragupta II Vikramaditya.^[14] Il pilastro è fatto al 98% in ferro puro ed è una testimonianza dell'altissima abilità raggiunta dagli antichi fabbri indiani nell'estrazione e nella lavorazione del ferro. Ha attirato l'attenzione degli archeologhi e dei metallurghi poiché ha resistito alla corrosione per gli ultimi 1600 anni, nonostante le condizioni meteorologiche avverse.

Gli storici della metallurgia sostengono che le fonderie indiane acquisirono conoscenze avanzate e precise sulla produzione del ferro e dell'acciaio, e i dettagli relativi agli aspetti termo-meccanici e dei trattamenti termici. Gli indiani svilupparono l'acciaio di Damasco, che divenne popolare nei mercati internazionali. Gli olandesi portavano tale acciaio dall'India del sud all'Europa dove si diffuse in seguito attraverso la produzione di massa.^[15]

Will Durant scrisse nel suo The Story of Civilization I: Our Oriental Heritage ("La storia della civiltà I: La nostra eredità Orientale"):

• "Qualcosa è stato detto sull'eccellenza chimica della ghisa nell'India antica, e sull'elevato sviluppo industriale del periodo Gupta, quando l'India veniva vista, perfino dalla Roma imperiale, come la più abile delle nazioni in diversi tipi di industria chimica, come quella dei coloranti, della concia, della fabbricazione del sapone, del vetro e del cemento... Dal sesto secolo gli Hindu erano molto più avanti dell'Europa nell'industria chimica; erano maestri della calcinazione, della distillazione, della sublimazione, della cottura a vapore, della fissazione, della produzione della luce senza calore, la preparazione di anestetici e polveri soporifere e della preparazione di sali metallici, composti e leghe. La tempra dell'acciaio in India fu portata ad una perfezione sconosciuta in Europa fino ai nostri tempi; si dice che il Raja Puru abbia scelto, come dono speciale da Alessandro Magno non oro o argento, ma 30 libbre di acciaio. I musulmani portarono molta di questa scienza e industria Hindu nel Vicino Oriente e in Europa; i segreti della fabbricazione delle lame di "Damasco", per esempio, vennero presi dagli arabi dai Persiani, e questi ultimi li presero dall'India."

[modifica] Mediterraneo Orientale

Aree minerarie dell'antico Medio Oriente.

Circa nel 1500 a.C., un numero sempre più grande di oggetti in ferro fuso (distinguibile dal ferro meteoritico dalla mancanza di nichel nei prodotti) appare in Mesopotamia, in Anatolia e in Egitto.^[16]

All'inizio dell'Età del Ferro (dal XII sec al X sec a.C.) il ferro rimpiazzò il bronzo come metallo dominante usato per gli attrezzi e le armi nel mediterraneo orientale (il Levante, Cipro, la Grecia, Creta, l'Anatolia e l'Egitto).^[17] Anche se gli oggetti in ferro sono conosciuti dall'Età del Bronzo lungo il mediterraneo orientale, essi vengono ritrovati solo sporadicamente e sono statisticamente insignificanti comparati alla quantità di oggetti in bronzo di questo periodo ritrovati.^[18]

La spiegazione tradizionale della ascesa del ferro fu il fatto che gli Ittiti dell'Anatolia si impadronirono della tecnologia del ferro durante la tarda Età del bronzo.^[19] Mantenerono un monopolio nella sua lavorazione, il che 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 ruppe il monopolio, con una diffusione delle conoscenze tecnologiche attraverso il mediterraneo orientale come risultato delle loro migrazioni. Questa teoria non viene più insegnata nei programmi scolastici. ^[20] Un problema con essa è che non ci sono prove archeologiche che gli Ittiti possedessero il monopolio sul ferro nell'età del bronzo. Anche se sono stati trovati 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 frazione di essi sono armi.^[21]

Una teoria più recente dell'ascesa del ferro è stata che il collasso degli imperi alla fine della tarda età del bronzo mandò in frantumi le vie del commercio necessarie per la produzione del bronzo.^[22] Il rame e, più importante, lo stagno, non erano molto disponibili e necessitavano di essere trasportati per lunghe distanze. Si crede che durante l'inizio dell'età del ferro il trasporto non fosse possibile nella quantità necessaria a coloro che lavoravano i metalli. Siccome il minerale di ferro è più abbondante in natura, i metallurgi provarono questo metallo universale. Quindi l'ascesa del ferro fu il risultato di una necessità causata principalmente dalla mancanza di stagno. Il problema di questa teoria è che non c'è nulla di archeologico che dimostri una mancanza di rame o stagno nella prima età del ferro.^[23] Gli oggetti in bronzo sono ancora abbondanti e questi oggetti hanno la stessa percentuale di stagno di quelli della fine dell'età del bronzo.

Ascia in ferro datata all'Età del ferro svedese, trovata nel Gotland in Svezia.

La Mesopotamia era già in piena età del ferro nel 900 a.C., l'Europa centrale nell'800 a.C. l'Egitto, d'altra parte, non sperimentò una così rapida transizione dall'età del bronzo a quella del ferro: anche se i fabbri egizi producevano oggetti in ferro, il bronzo rimase largamente diffuso fino alla conquista dell'Egitto da parte degli Assiri nel 663 a.C..

Contemporanea alla transizione dal bronzo al ferro fu la scoperta della carburizzazione, il processo di aggiunta di carbonio al ferro del periodo. Il ferro veniva recuperato dal suo minerale riscaldandolo e ottenendo un miscuglio di ferro e scorie con un po' di carbonio e/o carburi, il quale veniva ripetutamente percosso e ripiegato su se stesso per liberare la massa di scorie e ossidi del suo contenuto in carbonio, creando il ferro battuto, che aveva un basso contenuto in carbonio e non induriva facilmente con il raffreddamento. Le genti del medio oriente scoprirono che un prodotto molto più duro poteva essere creato da riscaldando a lungo un pezzo di ferro battuto su un letto di carbone, raffreddandolo poi in acqua o olio. Il prodotto risultante, che aveva una superficie in acciaio era molto più duro e meno fragile del bronzo che cominciava a rimpiazzare. Anche la tempra era conosciuta in questo periodo.

La fusione del ferro in questo periodo era basata sulla fornace, dove mantici venivano usati per forzare un flusso d'aria attraverso una pila di ferro e carbone ardente. Il monossido di carbonio prodotto dal carbone riduceva gli ossidi del ferro in ferro metallico, ma la fornace non bastava per fondere il ferro. Invece, il ferro veniva raccolto sul fondo della fornace come una massa spugnosa, o fiore, i cui pori erano riempiti di ceneri e scorie. Il fiore doveva poi essere riscaldato nuovamente per ammorbidire il ferro e sciogliere le scorie, poi veniva ripetutamente battuto e ripiegato per forzare l'uscita delle scorie fuse. Il risultato di questo lungo e laborioso processo era il ferro battuto, una lega malleabile ma molto morbida contenente poco carbonio.

[modifica] Cina

[modifica] Primi sviluppi in Cina

Archeologi e storici dibattono se la lavorazione del ferro basata sulla fornace si sia mai diffusa in Cina dal Medio Oriente. Attorno al 500 a.C., tuttavia, i metallurgi dello stato meridionale del Wu svilupparono una tecnologia di fusione del ferro che non fu praticata in Europa fino al tardo Medioevo. Presso Wu, le fonderie del ferro raggiungevano una temperatura di 1130°C, abbastanza per considerarle altoforni, che potevano creare la ghisa.^[24][25][26] A questa temperatura, il ferro si combina con il 4,3% di carbonio e fonde. Come liquido, il ferro può essere colato in stampi, un metodo molto meno laborioso rispetto alla forgiatura individuale di ogni pezzo di ferro da un fiore.

La ghisa è abbastanza fragile e inadatta per impieghi da impatto. Può essere, tuttavia, decarburizzata in acciaio o ferro battuto 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 nella provincia di Hebei, datata all'inizio del terzo secolo a.C., contiene diversi soldati sepolti con le loro armi ed altro equipaggiamento. Gli artefatti recuperati da questa tomba sono fatti in ferro battuto, in ghisa, ghisa malleabile e acciaio temprato, con solo poche armi in bronzo, probabilmente ornamentali.

Durante la Dinastia Han (202 a.C.–220 d.C.), la lavorazione del ferro cinese raggiunse una scala e una sofisticazione non raggiunta dall'Occidente fino al diciottesimo secolo. Nel primo secolo, il governo Han fece diventare la lavorazione del ferro un monopolio di stato e fece costruire una serie di grandi altoforni nella provincia di Henan, ognuno capace di produrre diverse tonnellate di ferro ogni giorno. In questa epoca, i metallurgi 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 (In lingua cinese il processo veniva chiamato chao, letteralmente "saltato e fritto"). Nel primo secolo avanti Cristo, i metallurgi cinesi scoprirono che il ferro battuto e la ghisa potevano essere fusi assieme per formare una lega con contenuto intermedio di carbonio, che era acciaio.^[27][28][29] Secondo la leggenda, la spada di Liu Bang, il primo imperatore Han, fu fatta in questo modo. Alcuni testi dell'era menzionano l'"armonizzazione del duro e del morbido" nel contesto della lavorazione del ferro; la frase potrebbe riferirsi a questo processo. Inoltre, la città antica di Wan (Nanyang) del periodo Han precedente era un grosso centro dell'industria di ferro e acciaio.^[30] 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.^[31]

[modifica] Mantici ad acqua cinesi

I cinesi durante l'antica Dinastia Han furono anche i primi ad applicare l'energia idraulica (da un mulino ad acqua) per fare funzionare i mantici di una fornace. Questo fu annotato nell'anno 31 d.C., come innovazione dell'ingegnere Du Shi, del prefetto di Nanyang.^[32] Dopo Du Shi i cinesi continuarono ad utilizzare l'energia dell'acqua per muovere i mantici delle fornaci. Nel testo del Wu Chang Ji del V secolo il suo autore Pi Ling scrisse che un lago artificiale fu progettato e costruito nel periodo del regno di Yuan-Jia (424–429) per il solo scopo di alimentare le ruote dei mulini aiutando i processi di fusione e stampaggio dell'industria del ferro cinese.^[33] Il testo del V secolo Shui Jing Zhu menziona l'uso dell'acqua corrente di fiume per alimentare i mulini, como ne parla il testo geografico dello Yuan.he Jun Xian Tu Chi della Dinastia Tang, scritto nel 814 d.C..^[34]

Ci sono prove che la produzione dell'acciaio nell'XI secolo nella Cina dei Song avvenisse usando due tecniche: un medodo "berganesque" che produceva un acciaio inferiore e disomogeneo e un precursore al moderno processo Bessmer che utilizzava una decarburizzazione parziale attraverso forgiature ripetute sotto un soffio freddo.^[35] Nell'XI secolo ci fu anche una grossa deforestazione in Cina, a causa delle richieste di carbone dell'industria siderurgica.^[36] Tuttavia, in questo periodo, i cinesi scoprirono come usare il carbon coke al posto del carbone vegetale, e con questa sostituzione molti ettari delle foreste originarie della Cina furono risparmiati.^[36] Questo cambio di risorsa dal carbone vegetale al carbone minerale fu usato in seguito in Europa dal XVII secolo.

Anche se Du Shi fu il primo ad utilizzare l'energia idraulica per alimentare i mantici nella metallurgia, la prima illustrazione disegnata ed illustrata di questa alimentazione idraulica venne nel 1313 d.C., nel testo dell'era della Dinastia Yuan chiamato Nong Shu.^[37] Il testo fu scritto da Wang Zhen (1290-1333 d.C.), che spiegò i metodi usati per l'altoforno con mantici alimentati ad acqua nei periodi precedenti la sua era del XIV secolo:

• "In accordo con gli studi moderni (+1313!), i mantici con sacco in cuoio (wei nang) erano usati ai vecchi tempi, ma ora vengono usati sempre dei ventagli in legno. Il design è il seguente. Viene scelto un luogo vicino a un forte torrente, e un palo viene innalzato verticalmente in una struttura con due ruote orizzontali in modo da avere quella più in basso spinta dalla forza dell'acqua. La più alta è collegata con una cinghia ad una ruota (più piccola) davanti ad essa, la quale ha un manico eccentrico (letteralmente un ingranaggio oscillante). Poi vi è un blocco, che segue la rotazione (della ruota principale), con un ingranaggio collegato al manico eccentrico che tira e spinge il rullo oscillante, le leve a destra e a sinistra del quale assicurano la trasmissione del moto all'ingranaggio del pistone. Quindi questo viene spinto avanti e indietro, azionando i mantici della fornace molto più velocemente di quanto sarebbe possibile con la forza umana.^[38]"

• "Viene usato anche un altro metodo. Alla fine del pistone in legno, lungo circa 3 piedi che viene fuori dalla parte frontale dei mantici, c'è un pezzo incurvato di legno con la forma della luna crescente, e (tutto) questo è sospeso in alto con una corda come quella di una altalena. Poi, davanti ai mantici, ci sono (molle di) bambù colegate ad essi dalle corde; questo controlla il movimento del ventaglio dei mantici. Poi, seguendo la rotazione della ruota (verticale) del mulino, il manico collegato all'asse principale schiaccia e preme la tavola incurvata (collegata al pistone) che corrisponedentemente si muove indietro (letteralmente "in dentro"). Quando il manico è finalmente disceso il bambù (le molle) agisce sui mantici e li riportano nella posizione iniziale. In maniera simile, usando un solo asse principale, è possibile attuare diversi mantici (con estensioni sull'asse), con lo stesso principio dei martelli a caduta (shui tui). Questo è anche molto conveniente e veloce...^[38]"

[modifica] Europa

Fabbricazione del ferro descritta nella "The Popular Encyclopedia" vol.VII, pubblicata nel 1894

Per molti secoli in Europa non ci furono cambiamenti fondamentali nella tecnologia della produzione del ferro. Il ferro continuò ad essere lavorato nelle massellerie. Tuttavia ci furono due sviluppi separati nel periodo Medioevale. Uno fu l'applicazione della forza dell'acqua ai processi delle fonderie (come accennato sopra per la Cina). L'altro fu la prima produzione europea della ghisa.

[modifica] I primi altoforni in Europa

Lo sviluppo della ghisa in Europa arrivò tardi, poiché le fonderie potevano raggiungere temperature di soli 1000 °C; o forse non volevano temperature più alte, perché si cercava di produrre il fiore precursore del ferro battuto, non della ghisa. Attraverso una buona parte del Medio Evo, nell'Europa occidentale, 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, ma non vi sono prove chiare di questa ipotesi, che non spiegherebbe certo le datazioni pre-mongole di molti di questi centri di produzione del ferro. In ogni caso, nel tardo XIV secolo, cominciò a formarsi un mercato di oggetti in ghisa a seguito della crescente domanda di palle di cannone in ghisa.

[modifica] Ferro Osmond

Il ferro dalle fornaci di Lapphyttan era raffinato in ferro battuto dal processo osmond. La ghisa grezza dalla fornace veniva fusa davanti ad un flusso di aria e le goccie venivano catturate su di una staffa (che era imbutita). Questo formava una sfera di ferro, conosciuta come osmond. Questo avveniva probabilmente per comodità di commercio nel 1200.

[modifica] Processi di affinamento

Un metodo alternativo di decarburizzare la ghisa grezza sembra essere stato ideato nella regione attorno a Namur nel XV secolo. Questo processo vallonico si diffuse alla fine del secolo fino al Pay de Bray sul confine orientale della Normandia, e poi verso la Gran Bretagna dove divenne il metodo principale per la fabbricazione del ferro battuto nel 1600. Fu introdotto in Svezia da Louis de Geer all'inizio del XVII secolo e fu usato per fabbricare il ferro di Oreground (dal nome della cittadina Svedese di Oregrund) preferito dai fabbricanti di acciaio inglesi.

Una variazione di questo era il procedimento tedesco. Divenne il metodo principale per produrre il ferro battuto in Svezia.

[modifica] Fabbricazione dell'acciaio in Europa agli inizi dell'epoca moderna

All'inizio del XVII secolo, i siderurgi nell'Europa Occidentale trovarono un modo (chiamato cementazione) per carburizzare il ferro battuto. Le barre in ferro e il carbone venivano messi dentro scatole in pietra, poi mantenute ad una temperatura rossa (la temperatura a cui il ferro diviene leggermente luminescente e "rosso") fino ad una settimana. In questo periodo, il carbonio si diffonde nel ferro, producendo un oggetto chiamato acciaio cemento o acciaio a bolle. Uno dei primi posti in cui fu usato in Inghilterra fu a Coalbrookdale, dove Sir Basil Brooke aveva due fornaci per la cementazione (scoperte di recente). Per un periodo tra il 1610 e il 1620 egli ebbe il brevetto sul processo, ma dovette cederlo nel 1619. Probabilmente usò il ferro della Foresta di Dean come materia prima, ma si scoprì presto che il ferro di Oregrund era molto migliore.

La qualità dell'acciaio poteva essere migliorata lavorandolo tramite la piegatura su se stesso, producendo acciaio a strati. Tuttavia nel periodo tra il 1740 e il 1750 Benjamin Huntsman trovò un modo di fondere l'acciaio cemento, ottenuto dal processo di cementazione, nei crogioli; di solito colato in lingotti. Questo acciaio è più omogeneo di quello a bolle.

[modifica] 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.^[39] In Inghilterra, le prime chiare prove documentate di questo furono nella contabilità di una forgia del Vescovato di Durham, vicino a Bedburn nel 1408,^[40] 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.

La forgia Catalana è un tipo di fonderia alimentata. Le fonderie con il "soffio caldo" erano usate nello stato di New York a metà del XIX secolo.

[modifica] La transizione verso il carbon coke in Inghilterra

[modifica] Inizi

Le prime fusioni del ferro usavano il carbone vegetale sia come sorgente di calore che come agente di riduzione. Nel XVIII secolo la disponibilità di legno per il carbone limitava l'espansione della produzione del ferro e l'Inghilterra divenne sempre più dipendente, per una parte considerevole del ferro richiesto dalle sue industrie, dalla Svezia (dalla metà del XVII secolo) e poi dal 1725 anche dalla Russia.^[41]

La fusione tramite carbon fossile (o il suo derivato carbon coke) era un obiettivo cercato da tempo. La produzione della ghisa grezza con il coke fu probabilmente ottenuta da Dud Dudley nel 1620, e con un mix di carburanti fatto con carbon fossile e legno nel 1670. Questo fu però probabilmente soltanto un successo tecnologico e non commerciale. Shadrach Fox potrebbe aver fuso il ferro con il coke presso Coalbrookdale in Shropshire nel 1690, ma soltanto per fare palle di cannone ed altri prodotti in ghisa come gusci. Tuttavia, nella pace seguita alla guerra dei nove anni, non ci fu una sufficiente domanda di queste.^[42]

[modifica] Abraham Darby e i suoi successori

Nel 1707, Abraham Darby I brevettò un metodo per la fabbricazione di pentole in ghisa; tali pentole erano più sottili e quindi più economiche di quelle della concorrenza. Avendo bisogno di una quantità maggiore di ghisa grezza, egli noleggiò l'altoforno di Coalbrookdale nel 1709. Là, egli fabbricò il ferro utilizzando il coke, stabilendo di conseguenza il primo commercio di successo di questo genere in Europa. I suoi prodotti erano tutti in ghisa, anche se i suoi successori più immediati tentarono (con piccolo successo commerciale) di affinarlo in ferro (puro) in barre.^[43]

Il ferro in barre continuò di conseguenza ad essere fabbricato con ghisa grezza al carbone vegetale fino al 1755. In questo anno Abraham Darby II (e soci) aprirono una nuova fornace funzionante con il coke presso Horsehay in Shropshire e fu presto imitato da altri. Questi procurarono ghisa grezza al coke alle forge di affinatura di tipo tradizionale per la produzione di ferro battuto. La ragione di questo ritardo rimane controversa.^[44]

[modifica] 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.^[45]

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.

[modifica] Soffio caldo

L'efficienza dell'altoforno fu migliorata dall'innovazione del "soffio caldo" (l'aria, prima di entrare nella fornace, veniva preriscaldata), brevettato da James Beaumont Neilson in Scozia nel 1828. Questo ridusse ulteriormente i costi di produzione. Nel giro di poche decadi, l'abitudine divenne quella di avere una 'stufa' grande quanto la fornace vicino ad essa, nella quale i gas di scarico (contenenti CO, monossido di carbonio) provenienti dalla fornace venivano diretti e bruciati. Il calore risultante veniva usato per preriscaldare l'aria soffiata nella fornace.^[46]

[modifica] Fabbricazione industriale dell'acciaio

Disegno schematico di un convertitore Bessmer.

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. (Uno dei primi convertitori è ancora visibile presso il Kelham Island Museum nella città). 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.

Venne poi introdotto, alla Voest-Alpine nel 1952, il processo di ossigenazione di base; una modifica al processo Bessmer base, che lancia ossigeno da sopra all'acciaio (invece che soffiare aria da sotto), riducendo la quantità di azoto incluso nell'acciaio. Questo processo viene usato in tutte le fabbriche di acciaio attuali; l'ultimo convertitore Bessmer degli Stati Uniti venne messo a riposo nel 1968. Inoltre, gli ultimi trenta anni hanno visto un grosso aumento del commercio delle mini fabbriche, dove l'acciaio di scarto viene fuso con un Forno elettrico ad arco. Queste fabbriche producevano solo prodotti in barre all'inizio, ma si sono poi espansi a prodotti piatti e pesanti, una volta dominio esclusivo dei circuiti della fabbricazione dell'acciaio integrata.

Prima di questi sviluppi del XIX secolo, l'acciaio era un lusso costoso e veniva usato solo per un numero limitato di scopi nei quali era necessario un metallo particolarmente duro o flessibile, come nelle parti taglienti degli attrezzi e nelle molle. La grande diffusione di acciaio poco costoso alimentò la seconda rivoluzione industriale e la società moderna come la conosciamo. L'acciaio dolce ha rimpiazzato il ferro battuto per quasi tutti gli scopi, e quest'ultimo non viene più (o quasi più) fabbricato. Con piccole eccezioni, le leghe di acciaio cominciarono ad essere prodotte solo nel tardo XIX secolo. L'acciaio inossidabile fu sviluppato solo all'alba della Prima guerra mondiale e divenne largamente usato soltanto negli anni 1920. Queste leghe di acciaio sono tutte conseguenza della grande disponibilità di ferro ed acciaio a basso costo e della possibilità di legarli a volontà.

[modifica] Note

[modifica] Riferimenti

• (en)Ebrey, Walthall, Palais, (2006). East Asia: A Cultural, Social, and Political History. Boston: Houghton Mifflin Company.
• (en)Needham, Joseph (1986). Science and Civilization in China: Volume 4, Part 2. Taipei: Caves Books, Ltd.
• (en)Needham, Joseph (1986). Science and Civilization in China: Volume 4, Part 3. Taipei: Caves Books, Ltd.
• (en)Pleiner, R. (2000) Iron in Archaeology. The European Bloomery Smelters, Praha, Archeologický Ústav Av Cr.
• (en)Wagner, Donald (1996). Iron and Steel in Ancient China. Leiden: E. J. Brill.
• (en)Woods, Michael and Mary B. Woods (2000). Ancient Machines: From Wedges to Waterwheels. Minneapolis: Twenty-First Century Books.