Altoforno - Blast furnace

Ex altoforno nel porto di Sagunt, Valencia, Spagna.

Un altoforno è un tipo di forno metallurgico utilizzato per la fusione per produrre metalli industriali, generalmente ghisa , ma anche altri come il piombo o il rame . Blast si riferisce all'aria di combustione che viene "forzata" o fornita al di sopra della pressione atmosferica.

In un altoforno, il combustibile ( coke ), i minerali e il flusso ( calcare ) vengono continuamente forniti attraverso la parte superiore del forno, mentre un getto d' aria calda (a volte con arricchimento di ossigeno ) viene soffiato nella sezione inferiore del forno attraverso un serie di tubi chiamati tuyeres , in modo che le reazioni chimiche avvengano in tutto il forno mentre il materiale cade verso il basso. I prodotti finali sono solitamente metallo fuso e fasi di scoria prelevate dal basso, e gas di scarico (gas di combustione ) che escono dalla parte superiore del forno. Il flusso verso il basso del minerale insieme al flusso a contatto con un flusso ascendente di gas di combustione caldi e ricchi di monossido di carbonio è uno scambio controcorrente e un processo di reazione chimica.

Al contrario, i forni ad aria (come i forni a riverbero ) sono aspirati naturalmente, solitamente per convezione di gas caldi in una canna fumaria . Secondo questa definizione ampia, bloomeries per il ferro, le case che soffia per lo stagno , e mulini odorava di piombo sarebbero classificati come altiforni. Tuttavia, il termine è stato solitamente limitato a quelli utilizzati per la fusione del minerale di ferro per produrre ghisa , un materiale intermedio utilizzato nella produzione di ferro e acciaio commerciale , e i forni ad albero utilizzati in combinazione con impianti di sinterizzazione nella fusione dei metalli di base .

Si stima che gli altiforni siano stati responsabili di oltre il 4% delle emissioni globali di gas serra tra il 1900 e il 2015, ma sono difficili da decarbonizzare.

Ingegneria di processo e chimica

Altiforni di Třinec Iron and Steel Works , Repubblica Ceca
Altoforno di ferro a carbone in Ohio, 1923

Gli altiforni funzionano secondo il principio della riduzione chimica per cui il monossido di carbonio converte gli ossidi di ferro in ferro elementare. Gli altiforni differiscono dai blumi e dai forni a riverbero in quanto in un altoforno, i gas di combustione sono a diretto contatto con il minerale e il ferro, consentendo al monossido di carbonio di diffondersi nel minerale e ridurre l'ossido di ferro. L'altoforno funziona come un processo di scambio controcorrente mentre un bloomery no. Un'altra differenza è che i bloomeries operano come un processo batch mentre gli altiforni funzionano continuamente per lunghi periodi. Si preferisce anche il funzionamento continuo perché l'altoforno è difficile da avviare e arrestare. Inoltre, il carbonio nella ghisa abbassa il punto di fusione al di sotto di quello dell'acciaio o del ferro puro; al contrario, il ferro non si scioglie in un bloomery.

La silice deve essere rimossa dalla ghisa. Reagisce con l'ossido di calcio (calcare bruciato) e forma silicati, che galleggiano sulla superficie della ghisa fusa come "scorie". Storicamente, per prevenire la contaminazione da zolfo, il ferro della migliore qualità veniva prodotto con carbone.

La colonna in movimento verso il basso di minerale, flusso, coke o carbone e prodotti di reazione deve essere sufficientemente porosa per il passaggio dei gas di combustione. Per garantire questa permeabilità, la dimensione delle particelle del coke o del carbone è di grande importanza. Pertanto, il coke deve essere abbastanza forte da non essere schiacciato dal peso del materiale sopra di esso. Oltre alla forza fisica delle sue particelle, il coke deve anche essere povero di zolfo, fosforo e cenere.

La principale reazione chimica che produce il ferro fuso è:

Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2

Questa reazione può essere suddivisa in più fasi, la prima è che l'aria preriscaldata soffiata nel forno reagisce con il carbonio sotto forma di coke per produrre monossido di carbonio e calore:

2 C (s) + O 2 (g) → 2 CO (g)

Il monossido di carbonio caldo è l'agente riducente per il minerale di ferro e reagisce con l' ossido di ferro per produrre ferro fuso e anidride carbonica . A seconda della temperatura nelle diverse parti del forno (più caldo in basso) il ferro viene ridotto in più fasi. Nella parte superiore, dove la temperatura è solitamente nell'intervallo tra 200 °C e 700 °C, l'ossido di ferro è parzialmente ridotto ad ossido di ferro (II,III), Fe 3 O 4 .

3 Fe 2 O 3(s) + CO (g) → 2 Fe 3 O 4(s) + CO 2(g)

A temperature intorno agli 850 °C, più in basso nel forno, il ferro(II,III) si riduce ulteriormente ad ossido di ferro(II):

Fe 3 O 4 (s) + CO (g) → 3 FeO (s) + CO 2 (g)

L'anidride carbonica calda, il monossido di carbonio non reagito e l' azoto dall'aria passano attraverso il forno mentre il materiale di alimentazione fresco scende nella zona di reazione. Mentre il materiale viaggia verso il basso, i gas in controcorrente preriscaldano la carica di alimentazione e decompongono il calcare in ossido di calcio e anidride carbonica:

CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g)

L'ossido di calcio formato dalla decomposizione reagisce con varie impurità acide nel ferro (in particolare silice ), per formare una scoria fayalitica che è essenzialmente silicato di calcio , Ca Si O
3
:

SiO 2 + CaO → CaSiO 3

Man mano che l'ossido di ferro (II) scende nell'area con temperature più elevate, che vanno fino a 1200 ° C gradi, si riduce ulteriormente al metallo di ferro:

FeO (s) + CO (g) → Fe (s) + CO 2 (g)

L'anidride carbonica formata in questo processo viene ri-ridotta a monossido di carbonio dal coke :

C (s) + CO 2 (g) → 2 CO (g)

L'equilibrio dipendente dalla temperatura che controlla l'atmosfera del gas nel forno è chiamato reazione di Boudouard :

2CO ⇌ CO 2 + C

La " ghisa " prodotta dall'altoforno ha un contenuto di carbonio relativamente alto intorno al 4-5% e di solito contiene troppo zolfo, il che la rende molto fragile e di uso commerciale immediato limitato. Un po' di ghisa è usata per fare la ghisa . La maggior parte della ghisa prodotta dagli altiforni subisce un'ulteriore lavorazione per ridurre il contenuto di carbonio e zolfo e produrre vari tipi di acciaio utilizzati per materiali da costruzione, automobili, navi e macchinari. La desolforazione avviene solitamente durante il trasporto dell'acciaio liquido all'acciaieria. Questo viene fatto aggiungendo ossido di calcio , che reagisce con il solfuro di ferro contenuto nella ghisa per formare solfuro di calcio (chiamata desolforazione della calce ). In un'ulteriore fase del processo, la cosiddetta fabbricazione dell'acciaio con ossigeno basico , il carbonio viene ossidato insufflando ossigeno sulla ghisa liquida per formare acciaio grezzo .

Sebbene l'efficienza degli altiforni sia in continua evoluzione, il processo chimico all'interno dell'altoforno rimane lo stesso. Uno dei maggiori inconvenienti degli altiforni è l'inevitabile produzione di anidride carbonica poiché il ferro viene ridotto dagli ossidi di ferro dal carbonio e dal 2016 non esiste alcun sostituto economico: la produzione di acciaio è uno dei maggiori contributori industriali delle emissioni di CO 2 nel mondo (vedi gas serra ). Sono allo studio diverse alternative come i rifiuti di plastica, la biomassa o l'idrogeno come agente riducente, che possono ridurre sostanzialmente le emissioni di carbonio.

La sfida posta dalle emissioni di gas serra dell'altoforno viene affrontata in un Programma europeo in corso chiamato ULCOS (Ultra Low CO 2 Steelmaking ). Diversi nuovi percorsi di processo sono stati proposti e studiati in profondità per ridurre le emissioni specifiche ( CO
2
per tonnellata di acciaio) di almeno il 50%. Alcuni si affidano alla cattura e all'ulteriore stoccaggio (CCS) di CO
2
, mentre altri scelgono di decarbonizzare la produzione di ferro e acciaio, rivolgendosi a idrogeno, elettricità e biomassa. A breve termine, è in fase di sviluppo una tecnologia che incorpori la tecnologia CCS nel processo dell'altoforno stesso e denominata Top-Gas Recycling Blast Furnace, con un ampliamento in scala fino a un altoforno di dimensioni commerciali.

Applicazioni moderne dell'altoforno

Altiforni di ferro

L'altoforno rimane una parte importante della moderna produzione di ferro. I forni moderni sono altamente efficienti, comprese le stufe Cowper per preriscaldare l'aria di scoppio e impiegano sistemi di recupero per estrarre il calore dai gas caldi che escono dal forno. La concorrenza nell'industria determina tassi di produzione più elevati. Il più grande altoforno del mondo si trova in Corea del Sud, con un volume di circa 6.000 m 3 (210.000 piedi cubi). Può produrre circa 5.650.000 tonnellate (5.560.000 LT) di ferro all'anno.

Questo è un grande aumento rispetto ai tipici forni del XVIII secolo, che in media erano di circa 360 tonnellate (350 tonnellate lunghe; 400 tonnellate corte) all'anno. Varianti dell'altoforno, come l'altoforno elettrico svedese, sono state sviluppate in paesi che non hanno risorse di carbone autoctone.

Secondo Global Energy Monitor è probabile che l'altoforno diventi obsoleto per soddisfare gli obiettivi del cambiamento climatico di riduzione delle emissioni di anidride carbonica, ma BHP non è d'accordo. È probabile che abbia successo con un processo alternativo che prevede la riduzione diretta del ferro , ma questo richiede anche l'uso di un altoforno per fondere il ferro e rimuovere la ganga (impurità) a meno che il minerale non sia di qualità molto elevata.

Altoforno ad ossigeno

Questo tipo può essere il più adatto per l'uso con CCS.

Altiforni al piombo

Gli altiforni sono attualmente usati raramente nella fusione del rame, ma i moderni altiforni per la fusione del piombo sono molto più corti degli altiforni del ferro e sono di forma rettangolare. L'altezza complessiva del pozzo è di circa 5-6 m. I moderni altiforni al piombo sono costruiti utilizzando rivestimenti in acciaio o rame raffreddati ad acqua per le pareti e non hanno rivestimenti refrattari nelle pareti laterali. La base del forno è un focolare in materiale refrattario (mattoni o refrattario colabile). Gli altiforni di piombo sono spesso a cielo aperto anziché avere la campana di caricamento utilizzata negli altiforni di ferro.

L'altoforno utilizzato presso la fonderia di piombo di Nyrstar Port Pirie differisce dalla maggior parte degli altri altiforni di piombo in quanto ha una doppia fila di tubicini anziché la fila singola normalmente utilizzata. L'albero inferiore del forno ha una forma a sedia con la parte inferiore dell'albero più stretta di quella superiore. La fila inferiore di tubicini si trova nella parte stretta dell'asta. Ciò consente alla parte superiore dell'albero di essere più larga dello standard.

Altiforni di zinco (forni fusori imperiali)

Gli altiforni utilizzati nel processo di fusione imperiale ("ISP") sono stati sviluppati dall'altoforno di piombo standard, ma sono completamente sigillati. Questo perché lo zinco prodotto da questi forni viene recuperato come metallo dalla fase vapore, e la presenza di ossigeno nel gas di scarico comporterebbe la formazione di ossido di zinco.

Gli altiforni utilizzati nell'ISP hanno un funzionamento più intenso rispetto agli altiforni standard al piombo, con velocità di getto d'aria più elevate per m 2 di superficie del focolare e un consumo di coke più elevato.

La produzione di zinco con l'ISP è più costosa rispetto agli impianti di zinco elettrolitico , quindi diverse fonderie che utilizzano questa tecnologia hanno chiuso negli ultimi anni. Tuttavia, i forni ISP hanno il vantaggio di poter trattare concentrati di zinco contenenti livelli più elevati di piombo rispetto agli impianti di zinco elettrolitico.

Produzione di lana di roccia

La lana di roccia o lana di roccia è una fibra minerale filata utilizzata come prodotto isolante e nell'idroponica . Viene prodotto in un altoforno alimentato con roccia diabase che contiene livelli molto bassi di ossidi metallici. La scoria risultante viene estratta e filata per formare il prodotto in lana di roccia. Vengono prodotte anche quantità molto piccole di metalli che sono un sottoprodotto indesiderato .

Processo di ferro moderno

Altoforno inserito in un impianto
  1. Minerale di ferro + sinterizzazione di calcare
  2. Coca Cola
  3. Ascensore
  4. Ingresso materia prima
  5. Strato di coca cola
  6. Strato di pellet sinterizzato di minerale e calcare
  7. Soffio caldo (circa 1200 °C)
  8. Rimozione delle scorie
  9. Maschiatura della ghisa fusa
  10. Pentola per scorie
  11. Carro siluro per ghisa
  12. Ciclone di polvere per la separazione di particelle solide
  13. Stufe Cowper per getto caldo
  14. Fumaiolo
  15. Aria di alimentazione per stufe Cowper (preriscaldatori d'aria)
  16. carbone in polvere
  17. Forno a coke
  18. Coca Cola
  19. Abbassamento del gas di altoforno
Schema altoforno
  1. Un'esplosione di calore dalle stufe Cowper
  2. Zona di fusione ( bosh )
  3. Zona di riduzione dell'ossido ferroso ( botte )
  4. Zona di riduzione dell'ossido ferrico ( stack )
  5. Zona di preriscaldamento ( gola )
  6. Alimentazione di minerale, calcare e coca cola
  7. Gas di scarico
  8. Colonna di minerale, coke e calcare
  9. Rimozione delle scorie
  10. Maschiatura della ghisa fusa
  11. Raccolta dei gas di scarico

I forni moderni sono dotati di una serie di strutture di supporto per aumentare l'efficienza, come i depositi di minerale in cui vengono scaricate le chiatte. Le materie prime vengono trasferite al complesso di stoccaggio tramite ponti per minerali, tramogge ferroviarie e vagoni per il trasferimento del minerale . I carri su rotaie o le tramogge controllate da computer pesano le varie materie prime per produrre il metallo caldo desiderato e la chimica delle scorie. Le materie prime vengono portate alla sommità dell'altoforno tramite un carrello elevatore azionato da argani o nastri trasportatori.

Esistono diversi modi in cui le materie prime vengono caricate nell'altoforno. Alcuni altiforni utilizzano un sistema a "doppia campana" in cui vengono utilizzate due "campane" per controllare l'ingresso della materia prima nell'altoforno. Lo scopo delle due campane è ridurre al minimo la perdita di gas caldi nell'altoforno. Dapprima le materie prime vengono svuotate nella campana superiore o piccola che poi si apre per svuotare la carica nella campana grande. La campana piccola si chiude quindi, per sigillare l'altoforno, mentre la campana grande ruota per fornire una distribuzione specifica dei materiali prima di erogare la carica nell'altoforno. Un progetto più recente consiste nell'utilizzare un sistema "senza campanello". Questi sistemi utilizzano più tramogge per contenere ciascuna materia prima, che viene poi scaricata nell'altoforno tramite valvole. Queste valvole sono più precise nel controllare la quantità di ciascun costituente aggiunto, rispetto al sistema di salto o convogliatore, aumentando così l'efficienza del forno. Alcuni di questi sistemi senza campana implementano anche uno scivolo di scarico nella gola del forno (come con il piano Paul Wurth) per controllare con precisione dove viene posizionata la carica.

L'altoforno stesso per la produzione del ferro è costruito sotto forma di un'alta struttura, rivestita di mattoni refrattari e profilata per consentire l'espansione dei materiali caricati mentre si riscaldano durante la loro discesa e la successiva riduzione delle dimensioni all'inizio della fusione. Coke, flusso di calcare e minerale di ferro (ossido di ferro) vengono caricati nella parte superiore del forno in un preciso ordine di riempimento che aiuta a controllare il flusso di gas e le reazioni chimiche all'interno del forno. Quattro "captazioni" consentono al gas caldo e sporco ad alto contenuto di monossido di carbonio di uscire dalla gola del forno, mentre le "valvole di sfiato" proteggono la parte superiore del forno da improvvisi picchi di pressione del gas. Le particelle grossolane del gas di scarico si depositano nel "dust catcher" e vengono scaricate in un vagone o camion per lo smaltimento, mentre il gas stesso scorre attraverso uno scrubber venturi e/o precipitatori elettrostatici e un gas cooler per ridurre la temperatura del gas pulito.

La "casthouse" nella metà inferiore della fornace contiene il tubo del trambusto, le tuyeres di rame raffreddate ad acqua e l'attrezzatura per la colata del ferro liquido e delle scorie. Una volta che un "taphole" viene perforato attraverso il tappo di argilla refrattaria, ferro liquido e scoria scorrono lungo un trogolo attraverso un'apertura "skimmer", separando il ferro e la scoria. Gli altiforni moderni e più grandi possono avere fino a quattro fori di colata e due fonderie. Dopo aver toccato la ghisa e la scoria, il foro viene nuovamente tappato con argilla refrattaria.

Tuyeres di altoforno a Gerdau , Brasile

Le tuyeres servono per realizzare un getto caldo , che serve ad aumentare l'efficienza dell'altoforno. Il getto caldo viene diretto nella fornace attraverso ugelli di rame raffreddati ad acqua chiamati tuyeres vicino alla base. La temperatura del getto caldo può variare da 900 °C a 1300 °C (da 1600 °F a 2300 °F) a seconda del design e delle condizioni della stufa. Le temperature con cui si occupano possono essere da 2000 °C a 2300 °C (da 3600 °F a 4200 °F). Petrolio , catrame , gas naturale , carbone in polvere e ossigeno possono anche essere iniettati nel forno a livello della tuyere per combinarsi con il coke per rilasciare energia aggiuntiva e aumentare la percentuale di gas riducenti presenti che è necessaria per aumentare la produttività.

I gas di scarico di un altoforno vengono generalmente puliti nel collettore di polveri, ad esempio un separatore inerziale , un filtro a maniche o un precipitatore elettrostatico . Ogni tipo di depolveratore ha punti di forza e di debolezza: alcuni raccolgono particelle fini, alcuni particelle grossolane, altri raccolgono particelle caricate elettricamente. Un'efficace pulizia dei gas di scarico si basa su più fasi di trattamento. Il calore di scarto viene solitamente raccolto dai gas di scarico, ad esempio mediante l'uso di una stufa Cowper , una varietà di scambiatori di calore .

Il programma IEA Green House Gas R&D (IEAGHG) ha dimostrato che in un'acciaieria integrata, il 70% della CO2 proviene direttamente dal gas d'altoforno (BFG). È possibile utilizzare la tecnologia di cattura del carbonio sul GAV prima che il GGG venga utilizzato per i processi di scambio termico all'interno dell'impianto. Nel 2000, l'IEAGHG ha stimato che l'utilizzo di tale assorbimento chimico per catturare BFG sarebbe costato $ 35/t di CO2 (sarebbero necessari ulteriori $ 8-20/t di CO2 per il trasporto e lo stoccaggio di CO2). Ciò renderebbe l'intero processo di produzione dell'acciaio in un impianto del 15-20% più costoso.

Acchiappapolvere disegno.png

Impatto ambientale

In media la produzione di una tonnellata di acciaio emette 1,8 tonnellate di CO2. Tuttavia, un'acciaieria che utilizza un altoforno a riciclo di gas (TGBRF) che produce una tonnellata di acciaio emetterà da 0,8 a 1,3 tonnellate di CO2 a seconda del tasso di riciclo del TGBRF.

Altiforni dismessi come siti museali

Per molto tempo, era normale che un altoforno dismesso fosse demolito e sostituito con uno più nuovo e migliorato, o che l'intero sito fosse demolito per fare spazio a un successivo utilizzo dell'area. Negli ultimi decenni, diversi paesi hanno compreso il valore degli altiforni come parte della loro storia industriale. Invece di essere demolite, le acciaierie abbandonate furono trasformate in musei o integrate in parchi polivalenti. Il maggior numero di altiforni storici conservati esiste in Germania; altri siti simili esistono in Spagna, Francia, Repubblica Ceca , Gran Bretagna . Giappone, Lussemburgo , Polonia , Romania , Messico , Russia e Stati Uniti .

Galleria


Storia

Un'illustrazione del soffietto della fornace azionato da ruote idrauliche , dal Nong Shu , di Wang Zhen , 1313, durante la dinastia Yuan della Cina
Chiarificazione cinese e altoforno, Tiangong Kaiwu , 1637.

La ghisa è stata trovata in Cina risalente al V secolo a.C., ma i primi altiforni esistenti in Cina risalgono al I secolo d.C. e in Occidente dall'Alto Medioevo . Si diffusero dalla regione intorno a Namur in Vallonia (Belgio) alla fine del XV secolo, venendo introdotti in Inghilterra nel 1491. Il combustibile utilizzato in questi era invariabilmente carbone. La riuscita sostituzione del carbone con il carbone è ampiamente attribuita all'inventore inglese Abraham Darby nel 1709. L'efficienza del processo è stata ulteriormente migliorata dalla pratica del preriscaldamento dell'aria di combustione ( hot blast ), brevettata dall'inventore scozzese James Beaumont Neilson nel 1828.

Cina

L'evidenza archeologica mostra che i fiori apparvero in Cina intorno all'800 aC. In origine si pensava che i cinesi iniziassero a fondere il ferro fin dall'inizio, ma da allora questa teoria è stata smentita dalla scoperta di "più di dieci" attrezzi da scavo in ferro trovati nella tomba del duca Jing di Qin (m. 537 a.C.), la cui tomba si trova nella contea di Fengxiang , Shaanxi (oggi esiste un museo sul sito). Non ci sono tuttavia prove della fioritura in Cina dopo la comparsa dell'altoforno e della ghisa. In Cina, gli altiforni producevano ghisa, che veniva poi convertita in strumenti finiti in un cubilotto o trasformata in ferro battuto in un focolare.

Sebbene gli strumenti e le armi da fattoria in ghisa fossero diffusi in Cina dal V secolo a.C., impiegando una forza lavoro di oltre 200 uomini nelle fonderie di ferro dal III secolo in poi, i primi altiforni costruiti furono attribuiti alla dinastia Han nel I secolo d.C. Questi primi forni avevano pareti di argilla e usavano minerali contenenti fosforo come fondente . Gli altiforni cinesi variavano da circa due a dieci metri di altezza, a seconda della regione. I più grandi sono stati trovati nel moderno Sichuan e nel Guangdong , mentre gli altiforni "nani" sono stati trovati a Dabieshan . Nella costruzione, sono entrambi allo stesso livello di sofisticatezza tecnologica

L'efficacia degli altiforni cinesi alimentati da uomini e cavalli fu migliorata durante questo periodo dall'ingegnere Du Shi (c. 31 dC), che applicò la potenza delle ruote idrauliche ai pistoni - soffietti nella forgiatura della ghisa. I primi reciprocatori ad acqua per il funzionamento degli altiforni furono costruiti secondo la struttura dei reciprocatori a cavallo che già esistevano. Cioè, il movimento circolare della ruota, sia esso a cavallo o ad acqua, è stato trasferito dalla combinazione di una trasmissione a cinghia , una manovella e biella, altre bielle e vari alberi, nel moto reciproco necessario per azionare un mantice. Donald Wagner suggerisce che i primi altiforni e la produzione di ghisa si siano evoluti dai forni utilizzati per fondere il bronzo . Certamente, però, il ferro era essenziale per il successo militare quando lo Stato di Qin aveva unificato la Cina (221 aC). L'uso dell'altoforno e del cubilotto rimase diffuso durante le dinastie Song e Tang . Nell'XI secolo, l' industria siderurgica cinese della dinastia Song trasformò le risorse dal carbone al coke nella fusione di ghisa e acciaio, risparmiando migliaia di acri di bosco dall'abbattimento. Questo potrebbe essere accaduto già nel IV secolo d.C.

Il vantaggio principale del primo altoforno era nella produzione su larga scala e nel rendere gli attrezzi in ferro più facilmente disponibili per i contadini. La ghisa è più fragile del ferro battuto o dell'acciaio, che richiedeva un'ulteriore chiarificazione e quindi cementazione o co-fusione per essere prodotta, ma per attività umili come l'agricoltura era sufficiente. Utilizzando l'altoforno, è stato possibile produrre maggiori quantità di strumenti come i vomeri in modo più efficiente rispetto alla blumiera. Nelle aree in cui la qualità era importante, come la guerra, si preferivano il ferro battuto e l'acciaio. Quasi tutte le armi del periodo Han sono realizzate in ferro battuto o acciaio, ad eccezione delle teste d'ascia, molte delle quali sono in ghisa.

Gli altiforni furono in seguito utilizzati anche per produrre armi a polvere da sparo come proiettili di bombe in ghisa e cannoni in ghisa durante la dinastia Song .

Europa medievale

La fucina più semplice , detta della Corsica, era utilizzata prima dell'avvento del cristianesimo . Esempi di migliori fioriere sono gli Stückofen (a volte chiamati fornace del lupo), che rimasero fino all'inizio del XIX secolo. Invece di utilizzare il tiraggio naturale, l'aria è stata pompata tramite un trompe , ottenendo un ferro di migliore qualità e una maggiore capacità. Questo pompaggio di aria con il soffietto è noto come raffreddore e aumenta l' efficienza del carburante del bloomery e migliora la resa. Possono anche essere costruiti più grandi dei bloomers a tiraggio naturale.

I più antichi altiforni europei

Il primo altoforno in Germania, come raffigurato in una miniatura nel Deutsches Museum

I più antichi altiforni conosciuti in Occidente furono costruiti a Dürstel in Svizzera , nel Märkische Sauerland in Germania, e a Lapphyttan in Svezia , dove il complesso fu attivo tra il 1205 e il 1300. A Noraskog nella parrocchia svedese di Järnboås, tracce anche precedenti sono stati trovati altiforni, forse del 1100 circa. Questi primi altiforni, come gli esempi cinesi , erano molto inefficienti rispetto a quelli usati oggi. Il ferro del complesso di Lapphyttan veniva utilizzato per produrre sfere di ferro battuto note come osmonds , e queste venivano scambiate a livello internazionale - un possibile riferimento si trova in un trattato con Novgorod del 1203 e diversi riferimenti certi nei conti delle dogane inglesi degli anni 1250 e 1320. Altre fornaci del XIII-XV secolo sono state identificate in Westfalia .

La tecnologia richiesta per gli altiforni potrebbe essere stata trasferita dalla Cina o potrebbe essere stata un'innovazione indigena. Al-Qazvini nel XIII secolo e altri viaggiatori successivamente notarono un'industria del ferro nei monti Alburz a sud del Mar Caspio . Questo è vicino alla via della seta , quindi è ipotizzabile l'uso di tecnologie derivate dalla Cina. Descrizioni molto successive registrano altiforni alti circa tre metri. Poiché il popolo della Rus' varangiana dalla Scandinavia commerciava con il Caspio (usando la rotta commerciale del Volga ), è possibile che la tecnologia abbia raggiunto la Svezia in questo modo. Il passo da bloomery a vero altoforno non è grande. Semplicemente costruendo un forno più grande e usando soffietti più grandi per aumentare il volume dell'esplosione e quindi la quantità di ossigeno porta inevitabilmente a temperature più elevate, la fioritura si scioglie in ferro liquido e la ghisa scorre dalle fonderie. I vichinghi sono noti per aver utilizzato un doppio soffietto, che aumenta notevolmente il flusso volumetrico dell'esplosione.

La regione del Caspio potrebbe anche essere stata la fonte per la progettazione della fornace di Ferriere , descritta dal Filarete , che prevedeva un mantice ad acqua a Semogo  [ it ] in Valdidentro nel nord Italia nel 1226. In un processo a due stadi il ferro fuso veniva picchiettato due volte al giorno nell'acqua, granulandola in tal modo.

Contributi cistercensi

Il Capitolo Generale dei monaci cistercensi ha diffuso alcuni progressi tecnologici in tutta Europa. Ciò potrebbe aver incluso l'altoforno, poiché i cistercensi sono noti per essere stati abili metallurgisti . Secondo Jean Gimpel, il loro alto livello di tecnologia industriale ha facilitato la diffusione di nuove tecniche: "Ogni monastero aveva una fabbrica modello, spesso grande quanto la chiesa e distante solo pochi metri, e la forza dell'acqua guidava i macchinari delle varie industrie situate sul suo pavimento." I giacimenti di minerale di ferro venivano spesso donati ai monaci insieme alle fucine per estrarre il ferro, e dopo un po' di tempo le eccedenze venivano offerte in vendita. I Cistercensi divennero i principali produttori di ferro in Champagne , in Francia, dalla metà del XIII secolo al XVII secolo, utilizzando anche le scorie ricche di fosfati delle loro fornaci come fertilizzante agricolo .

Gli archeologi stanno ancora scoprendo la portata della tecnologia cistercense. A Laskill , una stazione esterna dell'Abbazia di Rievaulx e l'unico altoforno medievale finora identificato in Gran Bretagna , le scorie prodotte erano a basso contenuto di ferro. Le scorie di altri forni dell'epoca contenevano una notevole concentrazione di ferro, mentre si ritiene che Laskill abbia prodotto la ghisa in modo abbastanza efficiente. La sua data non è ancora chiaro, ma probabilmente non è sopravvissuto fino a quando Enrico VIII 's dissoluzione dei monasteri alla fine degli anni 1530, come un accordo (subito dopo) riguardante i 'Smythes' con il conte di Rutland nel 1541 si riferisce a fioriture . Tuttavia, i mezzi con cui l'altoforno si è diffuso nell'Europa medievale non sono stati definitivamente determinati.

Origine e diffusione dei primi altiforni moderni

Disegno d'epoca di un altoforno del XVIII secolo
Altoforno moderno raffigurato nell'ex stemma di Lohtaja

A causa della crescente domanda di ferro per la fusione dei cannoni, l'altoforno è entrato in uso diffuso in Francia a metà del XV secolo.

L'antenato diretto di quelli usati in Francia e in Inghilterra era nella regione di Namur, nell'attuale Vallonia (Belgio). Da lì, si diffusero prima nel Pays de Bray sul confine orientale della Normandia e da lì nel Weald of Sussex , dove fu costruita la prima fornace (chiamata Queenstock) a Buxted intorno al 1491, seguita da una a Newbridge nella foresta di Ashdown. nel 1496. Rimasero poco numerosi fino al 1530 circa, ma molti furono costruiti nei decenni successivi nel Weald, dove l'industria del ferro raggiunse forse il suo apice intorno al 1590. La maggior parte della ghisa proveniente da queste fornaci veniva portata alle fucine per la produzione di ferro da stiro .

Le prime fornaci britanniche al di fuori del Weald apparvero durante il 1550 e molte furono costruite nel resto di quel secolo e nei successivi. La produzione dell'industria probabilmente raggiunse il picco intorno al 1620 e fu seguita da un lento declino fino all'inizio del XVIII secolo. Ciò era evidentemente dovuto al fatto che era più economico importare ferro dalla Svezia e altrove piuttosto che produrlo in alcune località britanniche più remote. Il carbone che era economicamente disponibile per l'industria veniva probabilmente consumato tanto velocemente quanto il legno per farlo crescere.

Il primo altoforno in Russia fu aperto nel 1637 vicino a Tula e si chiamava Gorodishche Works. L'altoforno si diffuse da lì alla Russia centrale e poi infine agli Urali .

Altiforni a coke

Gli altiforni originali a Blists Hill, Madeley, Inghilterra
Caricamento dell'altoforno sperimentale, Laboratorio di ricerca sull'azoto fisso, Washington DC, 1930

Nel 1709, a Coalbrookdale nello Shropshire, in Inghilterra, Abraham Darby iniziò ad alimentare un altoforno con il coke invece del carbone . Il vantaggio iniziale della coca era il suo costo inferiore, principalmente perché la produzione di coca richiedeva molto meno lavoro rispetto al taglio degli alberi e alla produzione di carbone, ma l'uso della coca ha anche permesso di superare le carenze localizzate di legno, soprattutto in Gran Bretagna e nel continente. Il coke di grado metallurgico sopporterà un peso maggiore del carbone di legna, consentendo forni più grandi. Uno svantaggio è che il coke contiene più impurità del carbone di legna, con lo zolfo che è particolarmente dannoso per la qualità del ferro. Le impurità del coke erano più un problema prima che il getto caldo riducesse la quantità di coke richiesta e prima che le temperature del forno fossero abbastanza alte da far scorrere liberamente le scorie dal calcare. (Il calcare lega lo zolfo. Il manganese può anche essere aggiunto per legare lo zolfo.)

Inizialmente la ghisa veniva utilizzata solo per lavori di fonderia , per la fabbricazione di pentole e altri prodotti in ghisa. Il lavoro di fonderia era un ramo minore dell'industria, ma il figlio di Darby costruì una nuova fornace nella vicina Horsehay e iniziò a rifornire i proprietari delle fucine da coke di ghisa per la produzione di ferro da stiro. La ghisa da coke era ormai più economica da produrre rispetto alla ghisa da carbone. L'uso di un combustibile derivato dal carbone nell'industria del ferro è stato un fattore chiave nella rivoluzione industriale britannica . L'altoforno originale di Darby è stato scavato archeologicamente e può essere visto in situ a Coalbrookdale, parte dell'Ironbridge Gorge Museums. La ghisa della fornace è stata utilizzata per realizzare le travi per il primo ponte in ferro del mondo nel 1779. L'Iron Bridge attraversa il fiume Severn a Coalbrookdale e rimane in uso per i pedoni.

Esplosione a vapore

Il motore a vapore è stato applicato per alimentare l'aria compressa, superando la carenza di energia idrica nelle aree in cui si trovavano carbone e minerale di ferro. Questo è stato fatto per la prima volta a Coalbrookdale, dove un motore a vapore ha sostituito una pompa a cavalli nel 1742. Tali motori sono stati utilizzati per pompare l'acqua in un serbatoio sopra la fornace. I primi motori utilizzati per cilindri di soffiaggio direttamente è stato fornito da Boulton e Watt per John Wilkinson 's nuovo Willey Furnace. Questo alimentava un cilindro di soffiaggio in ghisa , che era stato inventato da suo padre Isaac Wilkinson . Ha brevettato tali cilindri nel 1736, per sostituire i soffietti in pelle, che si consumavano rapidamente. Isaac ottenne un secondo brevetto, anche per i cilindri di soffiaggio, nel 1757. Il motore a vapore e il cilindro di soffiaggio in ghisa portarono a un grande aumento della produzione di ferro britannica alla fine del XVIII secolo.

esplosione calda

L'esplosione calda è stata il singolo progresso più importante nell'efficienza del combustibile dell'altoforno ed è stata una delle tecnologie più importanti sviluppate durante la rivoluzione industriale . L'esplosione a caldo è stata brevettata da James Beaumont Neilson presso Wilsontown Ironworks in Scozia nel 1828. Entro pochi anni dall'introduzione, l'esplosione a caldo è stata sviluppata al punto in cui il consumo di carburante è stato ridotto di un terzo utilizzando coke o di due terzi utilizzando carbone, mentre anche la capacità del forno è stata notevolmente aumentata. Nel giro di pochi decenni si usava avere una "stufa" grande quanto la fornace attigua nella quale venivano convogliati e bruciati i gas di scarico (contenenti CO) del forno. Il calore risultante è stato utilizzato per preriscaldare l'aria insufflata nel forno.

L'esplosione calda ha permesso l'uso di carbone antracite grezzo , che era difficile da accendere, nell'altoforno. L'antracite fu provata con successo per la prima volta da George Crane presso Ynyscedwyn Ironworks nel sud del Galles nel 1837. Fu ripresa in America dalla Lehigh Crane Iron Company a Catasauqua, Pennsylvania , nel 1839. L'uso dell'antracite diminuì quando furono costruiti altiforni ad altissima capacità che richiedono coke nel 1870.

Guarda anche

Riferimenti

Bibliografia

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