L’acciaio è una lega ferrosa, ovvero è un metallo ottenuto dall’unione di ferro e carbonio, ma può anche contenere altri elementi in diverse proporzioni a seconda delle specifiche proprietà richieste. L’aggiunta di carbonio al ferro per la produzione dell’acciaio è un processo chiave nell’ingegneria dei materiali e ha fine di apportare miglioramenti significativi nelle proprietà del materiale. La conoscenza dell’acciaio affonda le sue radici nell’antichità: gli antichi egizi e mesopotamici avevano già scoperto che il riscaldamento e la lavorazione del ferro potevano migliorarne le proprietà. Tuttavia, inizialmente l’acciaio era prodotto in piccole quantità e in modo sporadico. Solo durante il Medioevo in Europa l’arte della lavorazione del ferro venne raffinata con la creazione delle prime fucine. Durante la rivoluzione industriale tra il XVIII e il XIX secolo ci furono gli sviluppi più significativi nell’industria siderurgica, fino ad arrivare al giorno d’oggi, epoca in cui la produzione dell’acciaio coinvolge sofisticate tecnologie.
La produzione dell’acciaio e l’importanza del carbonio
La capacità del carbonio di migliorare le qualità del ferro nella produzione dell’acciaio è da imputare al fatto che il ferro, al variare della temperatura, presenta delle fasi polimorfe, ovvero delle modifiche del suo reticolo cristallino, durante le quali varia anche la solubilità del carbonio nel materiale, influenzando in maniera schiacciante le proprietà della lega così ottenuta. Bisogna però sottolineare che l’aggiunta di carbonio durante il processo di produzione dell’acciaio deve essere attentamente controllata per ottenere le proprietà desiderate: infatti, eccessive quantità di carbonio possono portare a fragilità e comportamenti indesiderati del materiale. La scelta della quantità di carbonio da aggiungere è quindi influenzata dall’applicazione finale specifica dell’acciaio e dalle proprietà di cui si necessita. Il carbonio, diffondendosi nella struttura cristallina del ferro, crea legami più solidi e ostacola la deformazione dei cristalli, aumentando la durezza e la resistenza del materiale. Inoltre, la presenza di legami più forti tra gli atomi di ferro e carbonio aumenta la coesione dell’intera struttura, migliorando la resistenza alla trazione rispetto al ferro puro. L’aggiunta del carbonio durante la produzione dell’acciaio contribuisce anche a migliorare la sua capacità di rispondere ai trattamenti termici come la tempra oppure la sua tenacità, proprietà fondamentale importante in applicazioni dove la resistenza agli urti è imprescindibile. Infine, l’aggiunta di carbonio può anche migliorare la lavorabilità dell’acciaio, rendendolo più facile da forgiare, piegare, tagliare e lavorare a freddo.
L’altoforno
L’altoforno è l’apparecchiatura più importante nell’industria siderurgica per la produzione dell’acciaio. Si tratta di un forno continuo alto 30 metri circa, di diametro 8-10 metri, e costruito con mattoni refrattari. Dalla bocca dell’altoforno vengono inseriti i minerali del ferro che nel processo di altoforno vengono combinati con il coke siderurgico e ossigeno, che viene iniettato tramite soffianti ad alta pressione presenti ai lati della struttura. Il coke fornisce il calore necessario per far avvenire le reazioni chimiche e ridurre il minerale di ferro in metallo grezzo reagendo con l’ossigeno e producendo il monossido di carbonio, agente riducente della reazione. Uno dei prodotti dell’altoforno, quello più importante, è la ghisa, una lega di ferro e carbonio con un contenuto di carbonio superiore rispetto all’acciaio. Per trasformare la ghisa in acciaio si passa attraverso una fase chiamata conversione o affinazione, processo che negli anni ha visto la nascita di diverse metodologie, come il metodo Bessemer o Linz-Donawitz. A prescindere dalla tecnica utilizzata, tutti questi processi hanno lo scopo di rimuovere l’eccesso di carbonio e altre impurità dalla ghisa per ottenere l’acciaio con il tenore di carbonio desiderato. Infine, l’acciaio risultante può essere ulteriormente lavorato e utilizzato in una vasta gamma di applicazioni industriali e commerciali.
Fonte immagine in evidenza per l’articolo sulla produzione dell’acciaio: Wikipedia
