Sfondo
Il ferro è uno degli elementi più comuni sulla terra. Quasi ogni costruzione dell’uomo contiene almeno un po ‘ di ferro. È anche uno dei metalli più antichi ed è stato modellato in oggetti utili e ornamentali almeno 3.500 anni fa.
Il ferro puro è un metallo morbido, bianco-grigiastro. Sebbene il ferro sia un elemento comune, il ferro puro non si trova quasi mai in natura. L’unico ferro puro conosciuto per esistere proviene naturalmente da meteoriti caduti. La maggior parte del ferro si trova nei minerali formati dalla combinazione di ferro con altri elementi. Gli ossidi di ferro sono i più comuni. Quei minerali vicino alla superficie della terra che hanno il più alto contenuto di ferro sono noti come minerali di ferro e sono estratti commercialmente.
Il minerale di ferro viene convertito in vari tipi di ferro attraverso diversi processi. Il processo più comune è l’uso di un altoforno per produrre ghisa che è circa 92-94% di ferro e 3-5% di carbonio con piccole quantità di altri elementi. La ghisa ha solo usi limitati e la maggior parte di questo ferro passa a un’acciaieria dove viene convertita in varie leghe di acciaio riducendo ulteriormente il contenuto di carbonio e aggiungendo altri elementi come manganese e nichel per conferire all’acciaio proprietà specifiche.
Storia
Gli storici ritengono che gli egiziani furono le prime persone a lavorare con piccole quantità di ferro, circa cinque o seimila anni fa. Il metallo che hanno usato è stato apparentemente estratto da meteoriti. La prova di quello che si crede sia il primo esempio di estrazione e fusione del ferro indica l’antica cultura ittita in quella che oggi è la Turchia. Poiché il ferro era un materiale di gran lunga superiore per la fabbricazione di armi e strumenti rispetto a qualsiasi altro metallo noto, la sua produzione era un segreto strettamente custodito. Tuttavia, la tecnica di base era semplice e l’uso del ferro si diffuse gradualmente. Per quanto utile rispetto ad altri materiali, il ferro presentava degli svantaggi. La qualità degli strumenti realizzati era molto variabile, a seconda della regione da cui veniva prelevato il minerale di ferro e del metodo utilizzato per estrarre il ferro. La natura chimica dei cambiamenti che avvengono durante l’estrazione non è stata compresa; in particolare, l’importanza del carbonio per la durezza del metallo. Le pratiche variavano ampiamente in diverse parti del mondo. Ci sono prove, per esempio, che i cinesi sono stati in grado di fondere e ghisa implementa molto presto, e che i giapponesi hanno prodotto risultati sorprendenti con l’acciaio in piccole quantità, come evidenziato da spade cimelio incontri secoli fa. Progressi simili sono stati fatti in Medio Oriente e in India, ma i processi non sono mai emersi nel resto del mondo. Per secoli gli europei mancarono di metodi per riscaldare il ferro fino al punto di fusione. Per produrre ferro, bruciavano lentamente il minerale di ferro con il legno in un forno rivestito di argilla. Il ferro si separava dalla roccia circostante ma non si scioglieva mai del tutto. Invece, ha formato una scoria croccante che è stata rimossa martellando. Questo processo ripetuto di riscaldamento e martellamento ha mescolato l’ossigeno con l’ossido di ferro per produrre ferro e rimosso il carbonio dal metallo. Il risultato è stato ferro quasi puro, facilmente sagomato con martelli e pinze ma troppo morbido per prendere e mantenere un buon bordo. Poiché il metallo è stato modellato, o battuto, martellando, è venuto per essere chiamato ferro battuto.
Gli strumenti e le armi riportati in Europa dall’Oriente erano fatti di un ferro che era stato fuso e fuso in forma. Mantenendo più carbonio, la ghisa è più dura del ferro battuto e manterrà un tagliente. Tuttavia, è anche più fragile del ferro battuto. I lavoratori europei del ferro sapevano che gli orientali avevano un ferro migliore, ma non i processi coinvolti nella moda di prodotti in ferro più forti. Intere nazioni hanno lanciato sforzi per scoprire il processo.
La prima svolta europea conosciuta nella produzione di ghisa, che portò rapidamente al primo acciaio pratico, non arrivò fino al 1740. In quell’anno, Benjamin Huntsman ha stipulato un brevetto per la fusione di materiale per la produzione di molle in acciaio da utilizzare nell’orologeria. Nel corso dei prossimi 20 anni o giù di lì, la procedura è diventata più ampiamente adottato. Huntsman ha usato un altoforno per fondere il ferro battuto in un crogiolo di argilla. Ha poi aggiunto quantità accuratamente misurate di carbone puro al metallo fuso. La lega risultante era sia forte e flessibile quando gettato in molle. Dal momento che Huntsman era originariamente interessato solo a fare orologi migliori, il suo crogiolo in acciaio ha portato direttamente allo sviluppo di cronometri nautici, che, a sua volta, ha reso possibile la navigazione globale consentendo ai marinai di determinare con precisione la loro posizione est/ovest. Il fatto che egli aveva anche inventato la metallurgia moderna è stato un effetto collaterale che egli apparentemente non è riuscito a notare.
Materie prime
Le materie prime utilizzate per produrre ghisa in un altoforno sono minerale di ferro, coke, sinterizzazione e calcare. I minerali di ferro sono principalmente ossidi di ferro e includono magnetite, ematite, limonite e molte altre rocce. Il contenuto di ferro di questi minerali varia dal 70% al 20% o meno. Il coke è una sostanza prodotta riscaldando il carbone fino a diventare carbonio quasi puro. Sinterizzazione è fatta di grado minore, minerale di ferro finemente diviso che, è arrostito con coke e calce per rimuovere una grande quantità di impurità nel minerale. Il calcare si presenta naturalmente ed è una fonte di carbonato di calcio.
Altri metalli sono talvolta mescolati con il ferro nella produzione di varie forme di acciaio, come cromo, nichel, manganese, molibdeno e tungsteno.
Il processo di estrazione e raffinazione del minerale
Prima che il minerale di ferro possa essere utilizzato in un altoforno, deve essere estratto dal terreno e parzialmente raffinato per rimuovere la maggior parte delle impurità.
Storicamente, il ferro veniva prodotto con il metodo dell’esplosione a caldo, o successivamente con il forno antracite. In entrambi i casi, l’attività fondamentale nella produzione di ferro ha coinvolto un lavoratore mescolando piccoli lotti di ghisa e cenere fino a quando il ferro separato dalle scorie. Chiamato “puddling”, questo era un lavoro altamente qualificato, ma era anche caldo, faticoso e pericoloso. Ha richiesto molta esperienza e una costituzione abbondante. I Puddlers erano orgogliosi, indipendenti e ben pagati.
Puddlers fondò il primo sindacato dell’industria siderurgica, i Sons of Vulcan, a Pittsburgh nel 1858. Nel 1876, questa unione si fuse con altre tre organizzazioni sindacali per formare l’Associazione amalgamata dei lavoratori del ferro e dell’acciaio. Questa fu l’unione che Andrew Carnegie sconfisse nello sciopero di Homestead del 1892, lasciando l’unione nel caos e l’industria essenzialmente disorganizzata fino agli 1930.
William S. Pretzer
Estrazione
- 1 Gran parte del minerale di ferro del mondo viene estratto attraverso l’estrazione a cielo aperto in cui il
Il ferro puro è un metallo morbido, bianco-grigiastro. Sebbene il ferro sia un elemento comune, il ferro puro non si trova quasi mai in natura. I minerali vicino alla superficie della terra che hanno il più alto contenuto di ferro sono noti come minerali di ferro e sono estratti commercialmente.la superficie del terreno viene rimossa da macchine pesanti, spesso su un’area molto ampia, per esporre il minerale sottostante. Nei casi in cui non è economico rimuovere la superficie, gli alberi vengono scavati nella terra, con gallerie laterali per seguire lo strato di minerale.
Raffinazione
- 2 Il minerale estratto viene frantumato e smistato. I migliori gradi di minerale contengono oltre il 60% di ferro. I gradi inferiori sono trattati, o raffinati, per rimuovere vari contaminanti prima che il minerale venga spedito all’altoforno. Collettivamente, questi metodi di raffinazione sono chiamati beneficiazione e comprendono ulteriore frantumazione, lavaggio con acqua per far galleggiare sabbia e argilla, separazione magnetica, pelletizzazione e sinterizzazione. Poiché la maggior parte della fornitura mondiale di minerali ad alto contenuto di ferro è esaurita, queste tecniche di raffinazione sono diventate sempre più importanti.
- 3 Il minerale raffinato viene quindi caricato su treni o navi e trasportato al sito dell’altoforno.
Il processo di produzione
Carica dell’altoforno
- 1 Dopo la lavorazione, il minerale viene miscelato con altri minerali e va all’altoforno. Un altoforno è una struttura a forma di torre, realizzata in acciaio e rivestita con mattoni refrattari o resistenti al calore. La miscela di materia prima, o carica, entra nella parte superiore dell’altoforno. Nella parte inferiore del forno, l’aria molto calda viene soffiata, o fatta saltare, attraverso gli ugelli chiamati tuye’res. Il coke brucia in presenza dell’aria calda. L’ossigeno nell’aria reagisce con il carbonio nel coke per formare monossido di carbonio. Il monossido di carbonio
reagisce quindi con il minerale di ferro per formare anidride carbonica e ferro puro.
Separando il ferro dalle scorie
- 2 Il ferro fuso affonda sul fondo del forno. Il calcare si combina con la roccia e altre impurità nel minerale per formare una scoria che è più leggera del ferro e galleggia sopra. Man mano che il volume della carica viene ridotto, ne viene continuamente aggiunto di più nella parte superiore del forno. Il ferro e le scorie vengono prelevati separatamente dal fondo del forno. Il ferro fuso potrebbe andare ad un ulteriore processo di lega, o potrebbe essere gettato in lingotti chiamati maiali. La scoria viene portata via per lo smaltimento.
Trattamento dei gas
- 3 I gas caldi prodotti nelle reazioni chimiche vengono prelevati in alto e convogliati in un impianto di depurazione dei gas dove vengono puliti, o strofinati, e rispediti nel forno; il restante monossido di carbonio, in particolare, è utile alle reazioni chimiche in corso all’interno del forno.
Un altoforno funziona normalmente giorno e notte per diversi anni. Alla fine il rivestimento in mattoni inizia a sgretolarsi e il forno viene quindi spento per la manutenzione.
Controllo di qualità
Il funzionamento dell’altoforno è altamente strumentato e viene monitorato continuamente. I tempi e le temperature sono controllati e registrati. Il contenuto chimico dei minerali di ferro ricevuti dalle varie miniere viene controllato e il minerale viene miscelato con altri minerali di ferro per ottenere la carica desiderata. I campioni vengono prelevati da ogni getto e controllati per il contenuto chimico e le proprietà meccaniche come resistenza e durezza.
Sottoprodotti/Rifiuti
Ci sono molti possibili effetti ambientali dall’industria del ferro. Il primo e più ovvio è il processo di estrazione a cielo aperto. Enormi distese di terra sono spogliate di roccia nuda. Oggi, i siti minerari esauriti sono comunemente usati come discariche, quindi coperti e paesaggistici. Alcune di queste discariche diventano di per sé problemi ambientali, poiché nel recente passato, alcune sono state utilizzate per lo smaltimento di sostanze altamente tossiche che sono state lisciviate nel suolo e nell’acqua.
Il processo di estrazione del ferro dal minerale produce grandi quantità di gas velenosi e corrosivi. In pratica, questi gas vengono puliti e riciclati. Inevitabilmente, tuttavia, alcune piccole quantità di gas tossici fuoriescono nell’atmosfera.
Un sottoprodotto della purificazione del ferro è la scoria, che viene prodotta in quantità enormi. Questo materiale è in gran parte inerte, ma deve ancora essere smaltito in discarica.
La produzione di ferro consuma enormi quantità di carbone. Il carbone non viene utilizzato direttamente, ma viene prima ridotto a coke che consiste in carbonio quasi puro. I numerosi sottoprodotti chimici della coke sono quasi tutti tossici, ma sono anche commercialmente utili. Questi prodotti includono l’ammoniaca, che viene utilizzata in un vasto numero di prodotti; fenolo, che viene utilizzato per fare plastica, oli da taglio e antisettici; cresoli, che vanno in erbicidi, pesticidi, prodotti farmaceutici e prodotti chimici fotografici; e toluene, che è un ingrediente in molti prodotti chimici complessi come solventi ed esplosivi.
I rottami di ferro e acciaio—sotto forma di vecchie automobili, elettrodomestici e persino interi edifici in acciaio-sono anch’essi un problema ambientale. Tuttavia, la maggior parte di questo materiale viene riciclata, poiché i rottami di acciaio sono una risorsa essenziale nella produzione dell’acciaio. Il rottame che non viene riciclato alla fine si trasforma in ossido di ferro, o ruggine, e ritorna a terra.
Il futuro
In superficie, il futuro della produzione di ferro—soprattutto negli Stati Uniti—appare turbato. Le riserve di minerale di alta qualità si sono notevolmente esaurite nelle aree in cui può essere estratto economicamente. Molte acciaierie di lunga data hanno chiuso.
Tuttavia, queste apparenze ingannano. Le nuove tecniche di arricchimento del minerale hanno reso l’uso del minerale di qualità inferiore molto più attraente, e c’è una vasta offerta di quel minerale. Molti impianti siderurgici hanno chiuso negli ultimi decenni, ma questo è in gran parte perché sono necessari meno. L’efficienza dei soli altiforni è notevolmente migliorata. All’inizio di questo secolo, il più grande altoforno degli Stati Uniti produceva 644 tonnellate di ghisa al giorno. Si ritiene che presto la possibile produzione di un singolo forno raggiungerà 4.000 tonnellate al giorno. Poiché molti di questi impianti più moderni sono stati costruiti all’estero, in alcuni casi è diventato più economico spedire l’acciaio attraverso l’oceano piuttosto che produrlo in vecchi impianti statunitensi.
Dove saperne di più
Libri
Lambert, Mark. Riflettori puntati su Ferro e Acciaio. Rourke Enterprises, 1988.
Hartley, Edward N. Iron and Steel Works del mondo. Pubblicazione internazionale, 1987.
Lewis, W. David. Ferro e acciaio in America. Museo Hagley, 1986.
Walker, R. D. Metodi moderni di produzione del ferro. Pubblicazione Gower, 1986.
– Joel Simon