Resistente ma versatile

GRAZIE a esso i pianoforti producono musica, gli aviogetti producono il bang sonico, gli orologi fanno tic tac, i motori girano, i grattacieli svettano nel cielo e i ponti sospesi rimangono sospesi. Cos’è?

È l’acciaio, materiale senza il quale le grandi costruzioni non potrebbero esistere. Le navi colossali che solcano i sette mari sono di acciaio. E d’acciaio sono le condutture che trasportano petrolio e gas da pozzi distanti centinaia di chilometri. Ma questo materiale dai mille usi entra nella nostra vita in innumerevoli altri modi. Pensate, ad esempio, all’acciaio che rinforza i pneumatici cinturati dell’autobus che prendete per andare al lavoro o al cavo d’acciaio che fa salire o scendere l’ascensore del palazzo dove abitate. E che dire delle cerniere d’acciaio dei vostri occhiali e del cucchiaino d’acciaio con cui girate il caffè? Ci sono migliaia di impieghi per questo materiale resistente eppure delicato. Come si produce l’acciaio e cosa lo rende tanto utile?

Carbonio e cristalli

L’acciaio è una lega, o miscuglio, di due sostanze che non ci aspetteremmo di trovare insieme: ferro e carbonio. Il ferro puro è tenero in paragone con la maggioranza dei metalli, e perciò non è adatto per gli impieghi che richiedono durezza. Il carbonio è un elemento non metallico. Diamanti e fuliggine non sono che forme diverse di questo particolare elemento. Ma se al ferro fuso si unisce una piccola quantità di carbonio, il risultato è un materiale molto diverso dal carbonio e molto più forte del ferro.

Il segreto della produzione dell’acciaio sta nella struttura cristallina del ferro. Sapevate che il ferro è composto di cristalli? * In effetti tutti i metalli solidi lo sono, ed è questa struttura cristallina che li rende lavorabili e conferisce loro lucentezza e altre caratteristiche. Ma i cristalli di ferro hanno qualcosa di più.

L’effetto sull’acciaio

Per produrre l’acciaio il ferro fuso viene mischiato con altri elementi. Allorché questo miscuglio solidifica, i vari elementi si sciolgono nel ferro, il quale in pratica li assorbe e li trattiene nella sua struttura cristallina. Altri metalli si comportano allo stesso modo. Cos’ha di tanto speciale il ferro?

Il ferro è particolare perché se ne può cambiare la struttura cristallina con il calore mentre è ancora allo stato solido. Questa caratteristica permette ai cristalli di ferro di passare da una forma relativamente chiusa a una più aperta e viceversa. Immaginate una casa solida le cui pareti si muovono avanti e indietro e il cui pavimento va su e giù mentre voi ve ne state tranquillamente seduti nel soggiorno. Qualcosa del genere accade all’interno dei cristalli di ferro quando il metallo viene portato a un’alta temperatura senza fondere e poi viene raffreddato.

Se questi cambiamenti avvengono in presenza di carbonio, una lega dura può diventare tenera e viceversa. I produttori di acciaio si avvalgono di questa proprietà e regolano la durezza del prodotto servendosi di trattamenti termici come tempra, rinvenimento e ricottura. * Ma c’è dell’altro.

Quando si mischiano altri elementi — come manganese, molibdeno, nichel, vanadio, silicio, piombo, cromo, boro, tungsteno o zolfo — l’acciaio diventa non solo più o meno duro ma anche forte, tenace, duttile, resistente alla corrosione, lavorabile,  elastico, magnetico, amagnetico... e la lista potrebbe continuare. Come un fornaio cambia gli ingredienti e regola il forno secondo il tipo di pane che deve fare, così si variano le leghe e i trattamenti termici per ottenere migliaia di diversi tipi di acciaio che per versatilità sono senza uguali. I binari di acciaio portano il peso di treni merci di 12.000 tonnellate, e nello stesso tempo cuscinetti d’acciaio non più grandi della capocchia di uno spillo sostengono il bilanciere dell’orologio.

Produzione dell’acciaio: nel passato e oggi

Secoli fa si lavorava il ferro per fabbricare utensili e armi. Si scoprì che il ferro ottenuto per fusione dal minerale grezzo conteneva delle impurità che gli conferivano resistenza e durezza. Si apprese pure che raffreddando bruscamente nell’acqua un arnese di ferro surriscaldato lo si rendeva ancora più duro. Oggi enormi altiforni hanno preso il posto del crogiolo del fabbro, mentre giganteschi laminatoi fanno il lavoro del martello e dell’incudine. Ma si seguono ancora gli stessi passi fondamentali che seguivano i muscolosi fabbri del passato. (1) Il ferro viene fuso e (2) unito ad altri materiali, dopo di che (3) l’acciaio risultante viene lasciato raffreddare e poi (4) laminato o fucinato e sottoposto a trattamento termico.

Si notino le quantità indicate nella tabella accanto. Per quanto le cifre siano sorprendenti, un’acciaieria può lavorare tutto quel materiale in un giorno. Lo stabilimento copre una vasta area, su cui vengono depositate montagne di minerali che ne soddisfano l’insaziabile appetito.

Un metallo meraviglioso dai molteplici impieghi

L’utilità dell’acciaio è evidente in molti luoghi insoliti. Ne troverete sotto il coperchio di un pianoforte a coda. Le corde grazie alle quali si produce bella musica sono fabbricate con uno degli acciai più forti che esistano. L’acciaio Hadfield, a elevato tenore di manganese, viene utilizzato per fabbricare giganteschi frantoi per pietre, e più macigni frantuma, più aumenta la sua tenacità. Con l’acciaio inossidabile si producono bisturi, tini per il vino e gelatiere. Come i capelli che abbiamo in testa, gli impieghi dell’acciaio sono più di quelli che riusciamo a contare.

Ogni anno si producono a livello mondiale quasi 800.000.000 di tonnellate di acciaio. Naturalmente l’acciaio non esisterebbe se non ci fosse il ferro, che è uno degli elementi più abbondanti sulla terra. Dato che abbondano anche carbone e calcare, è chiaro che l’acciaio continuerà a esistere ancora per parecchio tempo.

La prossima volta che cucite con un ago o che gettate l’amo per pescare, che usate una chiave inglese o che aprite un cancello in una recinzione metallica, che viaggiate in automobile o che arate un campo, pensate allo straordinario miscuglio di ferro e carbonio che vi permette di farlo.

[Note in calce]

[Riquadro a pagina 23]

Materiali necessari per produrre 10.000 tonnellate di acciaio

6.500 tonnellate di carbone

13.000 tonnellate di minerale

2.000 tonnellate di calcare

2.500 tonnellate di rottami di acciaio

15.000.000 di ettolitri d’acqua

80.000 tonnellate d’aria

 [Riquadro/Immagini alle pagine 24 e 25]

Come si produce l’acciaio

Alcuni dettagli sono omessi per semplicità

Produrre acciaio richiede calore. Usando un termometro come indicatore, seguiamo il percorso che porta al prodotto finito.

▪ 1.400°C. Si riscalda il carbone in enormi forni a tenuta stagna dove si fanno evaporare i materiali indesiderati senza consumare i pezzi. Il carbone così trattato, che si presenta in grossi tocchi porosi, è detto coke, e fornisce il calore e il carbonio necessari nelle fasi successive del processo.

▪ 1.650°C. Coke, minerali di ferro e calcare scendono in un altoforno e incontrano un muro di fiamma e aria surriscaldata. Il coke brucia, e a motivo dell’elevata temperatura il materiale indesiderato presente nel minerale si combina con il calcare dando luogo alle scorie, dette “loppa”. Il metallo si liquefa e si raccoglie sul fondo del forno sotto forma di ghisa liquida. Le scorie, galleggiando sulla ghisa, vengono estratte e messe in un apposito contenitore. La ghisa liquida cola in “carri siluro” che trasportano il carico bollente alla fase successiva.

▪ 1.650°C. Novanta tonnellate di rottami attentamente selezionati vengono scaricate in un recipiente a forma di pera alto 9 metri rivestito di refrattario basico, detto convertitore a ossigeno. Una siviera o secchia di colata di enormi dimensioni versa la ghisa  liquida incandescente sui rottami, producendo uno scoppio di scintille allorché una lancia (un tubo raffreddato ad acqua) viene introdotta dall’alto nel recipiente. Dalla lancia esce ruggendo un getto supersonico di ossigeno puro, che presto fa ribollire il metallo come brodo su un fornello. Avvengono delle reazioni chimiche. In meno di un’ora il forno ha fatto il suo lavoro e una colata di 300 tonnellate di acciaio liquido si riversa in siviere per il trasporto. Vengono aggiunti elementi di lega. Il fluido incandescente viene colato in lingottiere. L’acciaio comincia a prendere forma.

▪ 1.200°C. L’acciaio incandescente viene assottigliato facendolo passare in mezzo a cilindri finché non raggiunge lo spessore desiderato. Questo procedimento fa indurire il metallo, tanto che non può essere forgiato ulteriormente.

▪ Temperatura ambiente. L’acciaio è stato colato, tagliato, laminato a caldo e a freddo e sottoposto a decapaggio (ripulito in una soluzione acida). È stato scaldato e riscaldato più volte. Alla fine il termometro scende definitivamente. Dall’acciaio liquido si è passati a mucchi di lamierino di acciaio. Nell’apposito reparto quest’ultimo viene trasformato in condutture per un complesso di uffici.

Dato che le parti principali di un’acciaieria sono fatte a loro volta di acciaio, perché non fondono quando sono in funzione? Le pareti interne dei forni, dei carri e delle siviere sono rivestite di materiale refrattario, cioè resistente alle alte temperature. Un rivestimento di questo tipo dello spessore di un metro protegge il convertitore a ossigeno. Ma anche questo materiale risente dell’altissima temperatura e deve essere sostituito regolarmente.

[Diagramma]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

1. PRODUZIONE DELLA GHISA

1.400°C Carbone → Forni per la produzione del coke

↓

1.650°C Calcare

Minerale di ferro → ALTOFORNO

↓

Ghisa fusa

2. PRODUZIONE DELL’ACCIAIO ↓

1.650°C Rottami

Calce e fondente

Ossigeno

↓

CONVERTITORE A OSSIGENO

3. RAFFREDDAMENTO ↓

COLATA CONTINUA

Blumo

Billetta

Slebo

4. FINITURA ↓

1.200°C Laminazione dell’acciaio (sbarre o travi)

Galvanizzazione

Laminazione a freddo

Laminazione a caldo

Temperatura ambiente

[Immagine]

Si notino le dimensioni delle persone

[Fonte dell’immagine a pagina 23]

Tutte le foto alle pagine 23-5 tranne quella dell’orologio: Cortesia della Bethlehem Steel