Storia della civiltà occidentale II

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25.4.3: Produzione dell’acciaio

Prima del 1860, l’acciaio era costoso e prodotto in piccole quantità, ma lo sviluppo della tecnica dell’acciaio al crogiolo da parte di Benjamin Huntsman negli anni 1740, il processo Bessemer negli anni 1850, e il processo Siemens-Martin negli anni 1850-1860 hanno portato alla produzione di massa dell’acciaio, uno dei progressi chiave della seconda rivoluzione industriale.

Obiettivo di apprendimento

Postulare gli effetti del miglioramento della produzione dell’acciaio sulla progressione dell’industria.

Punti chiave

  • L’acciaio è una lega di ferro e altri elementi, principalmente il carbonio, che è ampiamente utilizzato nella costruzione e in altre applicazioni a causa della sua alta resistenza alla trazione e al basso costo. Il metallo base dell’acciaio è il ferro. Fu prodotto per la prima volta nell’antichità, ma due decenni prima della rivoluzione industriale fu fatto un miglioramento nella produzione dell’acciaio, che a quel tempo era una merce costosa usata solo dove il ferro non andava bene.
  • Benjamin Huntsman sviluppò la sua tecnica di acciaio al crogiolo negli anni 1740. Era in grado di produrre acciaio fuso in modo soddisfacente in crogioli di argilla, ognuno dei quali conteneva circa 34 libbre di acciaio in bolla. Si aggiungeva un fondente, e venivano coperti e riscaldati con il coke per circa tre ore. L’acciaio fuso veniva poi versato in stampi e i crogioli riutilizzati. Per molto tempo Huntsman esportò tutta la sua produzione in Francia, poiché i produttori locali si rifiutavano di lavorare con un acciaio più duro di quello che stavano già usando.
  • L’acciaio è spesso citato come la prima delle diverse nuove aree di produzione industriale di massa che caratterizzano la seconda rivoluzione industriale. Prima del 1860 circa, l’acciaio era ancora un prodotto costoso. Il problema della produzione di massa di acciaio a basso costo fu risolto nel 1855 da Henry Bessemer con l’introduzione del convertitore Bessemer nella sua acciaieria di Sheffield, in Inghilterra. Ulteriori esperimenti di Göran Fredrik Göransson e Robert Forester Mushet permisero a Bessemer di perfezionare quello che sarebbe stato conosciuto come il processo di Bessemer.
  • Anche se inizialmente Bessemer incontrò dei rifiuti e fu costretto a intraprendere da solo lo sfruttamento del suo processo, alla fine le licenze furono richieste in un numero tale che Bessemer ricevette royalties superiori a un milione di sterline. Entro il 1870, l’acciaio di Bessemer era ampiamente utilizzato per la lamiera delle navi. Il processo di Bessemer ha anche reso le ferrovie in acciaio competitivo nel prezzo. L’esperienza dimostrò rapidamente che l’acciaio aveva una forza e una durata molto maggiori e poteva gestire motori e vagoni più pesanti e veloci.
  • Dopo il 1890, il processo Bessemer fu gradualmente soppiantato dalla produzione di acciaio a cielo aperto. Carl Wilhelm Siemens sviluppò il forno rigenerativo Siemens negli anni 1850. Questo forno funzionava ad un’alta temperatura usando il preriscaldamento rigenerativo del combustibile e dell’aria per la combustione. Nel 1865, Pierre-Émile Martin prese una licenza da Siemens e applicò il suo forno rigenerativo per produrre acciaio. Il processo Siemens-Martin era più lento e quindi più facile da controllare. Permetteva anche la fusione e l’affinazione di grandi quantità di rottami d’acciaio, abbassando ulteriormente i costi di produzione dell’acciaio e riciclando un materiale di scarto altrimenti fastidioso.
  • Il processo Siemens-Martin divenne il principale processo di produzione dell’acciaio all’inizio del XX secolo. La disponibilità di acciaio a basso costo permise di costruire ponti, ferrovie, grattacieli e navi più grandi. Altri importanti prodotti siderurgici furono il cavo d’acciaio, la barra d’acciaio e la lamiera d’acciaio, che permisero grandi caldaie ad alta pressione e acciaio ad alta resistenza per i macchinari. Anche l’equipaggiamento militare migliorò significativamente.

Termini chiave

Seconda rivoluzione industriale Una fase di rapida industrializzazione nel terzo finale del XIX secolo e all’inizio del XX, conosciuta anche come rivoluzione tecnologica. Anche se alcuni dei suoi eventi caratteristici possono essere ricondotti a innovazioni precedenti nella produzione, come la creazione di un’industria di macchine utensili, lo sviluppo di metodi per la produzione di parti intercambiabili, e l’invenzione del processo di Bessemer, è generalmente datato tra il 1870 e il 1914 fino all’inizio della prima guerra mondiale. Processo di Bessemer Il primo processo industriale poco costoso per la produzione di massa di acciaio da ghisa fusa prima dello sviluppo del forno a suola aperta. Il principio chiave è la rimozione delle impurità dal ferro tramite ossidazione con aria soffiata attraverso il ferro fuso. L’ossidazione aumenta anche la temperatura della massa di ferro e la mantiene fusa. acciaio al crogiolo Un termine che si applica all’acciaio fatto con due metodi diversi nell’era moderna e prodotto in vari luoghi nel corso della storia. È fatto fondendo ferro e altri materiali. Veniva prodotto nell’Asia meridionale e centrale durante l’epoca medievale, ma le tecniche per la produzione di acciaio di alta qualità furono sviluppate da Benjamin Huntsman in Inghilterra nel XVIII secolo. Tuttavia, il processo di Huntsman utilizzava ferro e acciaio come materie prime piuttosto che la conversione diretta dalla ghisa come nel successivo processo Bessemer. La struttura cristallina omogenea di questo acciaio fuso ne migliorò la resistenza e la durezza rispetto alle forme di acciaio precedenti. cementazione Una tecnologia obsoleta per fare l’acciaio tramite la carburazione del ferro. A differenza dell’acciaieria moderna, aumentava la quantità di carbonio nel ferro. Sembra che sia stata sviluppata prima del 17° secolo. Derwentcote Steel Furnace, costruito nel 1720, è il primo esempio sopravvissuto di un forno che utilizzava questa tecnologia. carburazione Un processo di trattamento termico in cui il ferro o l’acciaio assorbono carbonio mentre il metallo viene riscaldato in presenza di un materiale contenente carbonio, come il carbone o il monossido di carbonio. L’intento è quello di rendere il metallo più duro. A differenza della siderurgia moderna, il processo aumentava la quantità di carbonio nel ferro.

L’acciaio è una lega di ferro e altri elementi, principalmente carbonio, che è ampiamente utilizzato nella costruzione e in altre applicazioni a causa della sua alta resistenza alla trazione e al basso costo. Il metallo di base dell’acciaio è il ferro, che è in grado di assumere due forme cristalline, cubica a corpo centrato (BCC) e cubica a faccia centrata (FCC), a seconda della sua temperatura. È l’interazione di questi allotropi con gli elementi di lega, principalmente il carbonio, che dà all’acciaio e alla ghisa la loro gamma di proprietà uniche. Nella disposizione BCC, c’è un atomo di ferro al centro di ogni cubo, e nella FCC, ce n’è uno al centro di ciascuna delle sei facce del cubo. Il carbonio, altri elementi e le inclusioni all’interno del ferro agiscono come agenti indurenti che impediscono il movimento delle dislocazioni che altrimenti si verificano nei reticoli cristallini degli atomi di ferro.

L’acciaio (con un contenuto di carbonio inferiore alla ghisa ma superiore al ferro battuto) fu prodotto per la prima volta nell’antichità, ma due decenni prima della rivoluzione industriale fu fatto un miglioramento nella produzione dell’acciaio, che a quel tempo era una merce costosa usata solo dove il ferro non andava bene, come per gli utensili da taglio e per le molle. Benjamin Huntsman sviluppò la sua tecnica dell’acciaio al crogiolo negli anni 1740. Dopo molti esperimenti, Huntsman fu in grado di produrre un acciaio fuso soddisfacente in crogioli di argilla, ognuno dei quali conteneva circa 34 libbre di acciaio in bolla. Si aggiungeva un fondente, e venivano coperti e riscaldati con il coke per circa tre ore. L’acciaio fuso veniva poi versato in stampi e i crogioli riutilizzati. I produttori locali di posate si rifiutavano di comprare l’acciaio fuso di Huntsman, perché era più duro dell’acciaio tedesco che erano abituati a usare. Per molto tempo Huntsman esportò tutta la sua produzione in Francia. L’acciaio per blister usato da Huntsman come materia prima era fatto dal processo di cementazione o dalla carburazione del ferro. La carburazione è un processo di trattamento termico, in cui il ferro o l’acciaio assorbono carbonio mentre il metallo viene riscaldato in presenza di un materiale contenente carbonio, come il carbone o il monossido di carbonio. L’intento è quello di rendere il metallo più duro. A differenza della siderurgia moderna, il processo aumentava la quantità di carbonio nel ferro.

Seconda rivoluzione industriale

L’acciaio è spesso citato come la prima delle diverse nuove aree di produzione industriale di massa che caratterizzano la seconda rivoluzione industriale a partire dal 1850 circa, anche se un metodo per la produzione di massa di acciaio non fu inventato fino agli anni 1860 e divenne ampiamente disponibile negli anni 1870 dopo che il processo fu modificato per produrre qualità più uniforme.

Prima del 1860 circa, l’acciaio era un prodotto costoso, fatto in piccole quantità e usato soprattutto per spade, utensili e posate. Tutte le grandi strutture metalliche erano fatte di ferro battuto o di ghisa. Il problema della produzione di massa di acciaio a basso costo fu risolto nel 1855 da Henry Bessemer con l’introduzione del convertitore Bessemer nella sua acciaieria di Sheffield, in Inghilterra. Nel processo di Bessemer, la ghisa fusa dall’altoforno veniva caricata in un grande crogiolo, e l’aria veniva soffiata attraverso il ferro fuso dal basso, accendendo il carbonio disciolto dal coke. Mentre il carbonio bruciava, il punto di fusione della miscela aumentava, ma il calore del carbonio che bruciava forniva l’energia extra necessaria per mantenere la miscela fusa. Dopo che il contenuto di carbonio nella massa fusa scendeva al livello desiderato, il tiraggio dell’aria veniva interrotto. Un tipico convertitore Bessemer poteva convertire un lotto di 25 tonnellate di ghisa in acciaio in mezz’ora. Bessemer dimostrò il processo nel 1856 ed ebbe un’operazione di successo nel 1864.

Convertitore Bessemer, stampa pubblicata nel 1867 in Gran Bretagna.

Anche se il processo di Bessemer non è più utilizzato commercialmente, al tempo della sua invenzione era di enorme importanza industriale perché abbassava il costo di produzione dell’acciaio, portando l’acciaio ad essere ampiamente sostituito alla ghisa.L’attenzione di Bessemer fu attirata dal problema della fabbricazione dell’acciaio nel tentativo di migliorare la costruzione dei cannoni.

Bessemer diede in licenza il brevetto del suo processo a cinque ferraioli, ma fin dall’inizio le aziende ebbero grandi difficoltà a produrre acciaio di buona qualità. Göran Fredrik Göransson, un fabbro svedese, usando la ghisa più pura di quel paese, fu il primo a produrre un buon acciaio con questo processo, ma solo dopo molti tentativi. I suoi risultati spinsero Bessemer a provare un ferro più puro ottenuto dall’ematite del Cumberland, ma ebbe solo un successo limitato perché la quantità di carbonio era difficile da controllare. Robert Forester Mushet, dopo migliaia di esperimenti alla Darkhill Ironworks, aveva dimostrato che la quantità di carbonio poteva essere controllata rimuovendo quasi tutto dal ferro e poi aggiungendo una quantità esatta di carbonio e manganese sotto forma di spiegeleisen (una lega di ferromanganese). Questo migliorò la qualità del prodotto finito e ne aumentò la malleabilità.

Quando Bessemer cercò di indurre i produttori ad adottare il suo sistema migliorato, incontrò un rifiuto generale e alla fine fu spinto a intraprendere lui stesso lo sfruttamento del processo. Costruì delle acciaierie a Sheffield in società con altri, come W & J Galloway & Sons, e cominciò a produrre acciaio. All’inizio la produzione era insignificante, ma gradualmente la grandezza dell’operazione fu ampliata fino a quando la concorrenza divenne effettiva e i commercianti di acciaio si resero conto che la ditta di Henry Bessemer & Co. stava vendendo loro meno di 10-15 sterline a tonnellata. Questo argomento in tasca ha avuto rapidamente il suo effetto, e le licenze sono state richieste in tale numero che, in royalties per l’uso del suo processo, Bessemer ha ricevuto una somma notevolmente superiore a un milione di sterline. Entro il 1870, l’acciaio Bessemer era ampiamente utilizzato per la piastra della nave. Negli anni 1850, la velocità, il peso e la quantità del traffico ferroviario erano limitati dalla resistenza delle rotaie di ferro battuto in uso. La soluzione era quella di passare alle rotaie in acciaio, che il processo Bessemer rendeva competitive nel prezzo. L’esperienza dimostrò rapidamente che l’acciaio aveva una forza e una durata molto maggiori e poteva gestire motori e vagoni più pesanti e veloci.

Tuttavia, Mushet non ricevette nulla e nel 1866 era indigente e in cattiva salute. In quell’anno sua figlia sedicenne, Mary, viaggiò a Londra da sola per affrontare Bessemer nei suoi uffici, sostenendo che il suo successo era basato sui risultati del lavoro di suo padre. Bessemer decise di pagare a Mushet una pensione annuale di 300 sterline, una somma molto considerevole, cosa che fece per oltre 20 anni, forse per evitare ai Mushet un’azione legale.

Dopo il 1890, il processo di Bessemer fu gradualmente soppiantato dalla produzione di acciaio a cielo aperto. Sir Carl Wilhelm Siemens sviluppò il forno rigenerativo Siemens negli anni 1850 e affermò nel 1857 di recuperare abbastanza calore da risparmiare il 70-80% del combustibile. Questo forno funzionava ad alta temperatura usando il preriscaldamento rigenerativo del combustibile e dell’aria per la combustione. Nel preriscaldamento rigenerativo, i gas di scarico del forno vengono pompati in una camera contenente mattoni, dove il calore viene trasferito dai gas ai mattoni. Il flusso della fornace viene poi invertito in modo che il combustibile e l’aria passino attraverso la camera e siano riscaldati dai mattoni. Attraverso questo metodo, un forno a cielo aperto può raggiungere temperature abbastanza alte da fondere l’acciaio, ma Siemens non lo usò inizialmente per questo. Nel 1865, l’ingegnere francese Pierre-Émile Martin prese una licenza da Siemens e applicò per la prima volta il suo forno rigenerativo per produrre acciaio. La caratteristica più interessante del forno rigenerativo Siemens è la produzione rapida di grandi quantità di acciaio di base, usato per esempio per costruire grattacieli.

Fornace Siemens del 1895

La caratteristica più attraente del forno rigenerativo Siemens era la rapida produzione di grandi quantità di acciaio di base, usato ad esempio per costruire grattacieli. Con il metodo di Siemens, un forno a cielo aperto poteva raggiungere temperature abbastanza alte da fondere l’acciaio, ma Siemens non lo usò inizialmente per questo. Fu Martin ad applicare per primo il forno rigenerativo per fare l’acciaio.

Il processo Siemens-Martin completava piuttosto che sostituire il processo Bessemer. Era più lento e quindi più facile da controllare. Permetteva anche la fusione e l’affinazione di grandi quantità di rottami d’acciaio, abbassando ulteriormente i costi di produzione dell’acciaio e riciclando un materiale di scarto altrimenti problematico. Il suo svantaggio peggiore era e rimane il fatto che fondere e raffinare una carica richiede diverse ore. Inoltre, l’ambiente di lavoro intorno a un forno a focolare aperto era e rimane estremamente pericoloso.

Il processo Siemens-Martin divenne il principale processo di produzione dell’acciaio all’inizio del XX secolo. La disponibilità di acciaio a basso costo permise di costruire ponti, ferrovie, grattacieli e navi più grandi. Other important steel products—also made using the open hearth process—were steel cable, steel rod, and sheet steel which enabled large, high-pressure boilers and high-tensile strength steel for machinery, creating much more powerful engines, gears, and axles than were previously possible. With large amounts of steel, it also became possible to build much more powerful guns and carriages, tanks, armored fighting vehicles, and naval ships.

Attributions

  • Steel Production
    • “Carburizing.” https://en.wikipedia.org/wiki/Carburizing. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Industrial Revolution.” https://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_Revolution. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Second Industrial Revolution.” https://en.wikipedia.org/wiki/Second_Industrial_Revolution. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Benjamin Huntsman.” https://en.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Huntsman. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Crucible steel.” https://en.wikipedia.org/wiki/Crucible_steel. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Open hearth furnace.” https://en.wikipedia.org/wiki/Open_hearth_furnace. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Ferrous metallurgy.” https://en.wikipedia.org/wiki/Ferrous_metallurgy. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “History of the steel industry (1850–1970).” https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_steel_industry_(1850%E2%80%931970). Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Cementation process.” https://en.wikipedia.org/wiki/Cementation_process. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Spiegeleisen.” https://en.wikipedia.org/wiki/Spiegeleisen. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Bessemer process.” https://en.wikipedia.org/wiki/Bessemer_process. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Henry Bessemer.” https://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Bessemer. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Steel.” https://en.wikipedia.org/wiki/Steel. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Reverberatory furnace.” https://en.wikipedia.org/wiki/Reverberatory_furnace. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “ConverterB.jpg.” https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ConverterB.jpg. Wikimedia Commons Public domain.
    • “Siemensmartin12nb.jpg.” https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Siemensmartin12nb.jpg. Wikimedia Commons Public domain.