Siderurgia del ferro

La riduzione del ferro estrae il metallo dal minerale scaldato con carbone di legna in un piccolo forno d’argilla alimentato con aria dai mantici. Questo basso fuoco produce normalmente una massa solida e povera di carbonio, il blumo, che il fabbro compatta e lavora fino a ottenere ferro battuto.

Che cos’è

Dentro, un blumo grezzo è una spugna di ferro e scoria. Ore di forgiatura lo trasformano in una barra.

Il ferro è uno degli elementi più comuni della crosta terrestre, eppure quasi mai lo si trova allo stato metallico. Sta nei minerali sotto forma di ossidi: l’ematite rossa, la magnetite nera, il ferro di palude, bruno, scavato negli acquitrini. La riduzione toglie l’ossigeno a questi minerali e trattiene il metallo.

Per quasi tremila anni lo strumento per farlo fu il basso fuoco, un forno d’argilla alto circa un metro in cui il carbone di legna brucia sotto il soffio dei mantici. Ne esce il blumo, una massa spugnosa di ferro mescolato a scoria. Battuto a caldo, diventa ferro battuto, tenace e facile da forgiare. Se ne fecero vomeri, chiodi e spade finché, alla fine del Medioevo, in Europa prese il sopravvento l’altoforno.

Come funziona

Il carbone che brucia davanti all’ugello scalda il forno. Più in alto nel tino, dove l’ossigeno scarseggia, forma monossido di carbonio, e questo gas sottrae ossigeno all’ossido di ferro mentre sale attraverso la carica. Il minerale cede il suo ossigeno per gradi, e sopra i 900 °C circa la reazione diventa rapida.

Il blumo si compatta prima a caldo con colpi leggeri; si può riscaldare tra una serie di colpi e l’altra.

Il forno lavora intorno ai 1.100–1.200 °C e produce normalmente un blumo solido, povero di carbonio. Il ferro puro fonde a 1.538 °C, ma il ferro ricco di carbonio può fondere alle temperature del basso fuoco. La silice e gli altri minerali della carica si combinano con parte dell’ossido di ferro e formano una scoria ricca di ferro, che può scorrere verso i 1.180 °C a seconda della composizione. La scoria scende accanto alla tubiera, l’ugello d’argilla che porta l’aria, mentre poco sotto i granuli di metallo si aggregano nel blumo. La scoria viene fatta uscire dall’apertura ad arco alla base oppure si raccoglie in una fossa sotto il forno.

Il blumo esce dal forno rovente e poroso, pieno di scoria e carbone. Se è fragile, può richiedere colpi leggeri all’inizio, talvolta con un mazzuolo di legno. Si può anche lasciarlo raffreddare e poi riscaldarlo prima di compattarlo; non è indispensabile batterlo subito al calor bianco. Riscaldamenti e passate di forgia successivi compattano il metallo ed espellono gran parte della scoria. La perdita di peso dipende dal blumo e dal metodo di forgiatura. Il carbonio è di solito poco e distribuito in modo irregolare, perciò nello stesso blumo possono esserci ferro dolce e zone d’acciaio.

Come si costruisce

Segue lo schema di una piccola riduzione, senza le misure di un disegno tecnico. Servono argilla impastata con sabbia e paglia, minerale, molto carbone di legna, mantici o un soffiatore e una squadra per un’intera giornata.

Preparare il minerale. Arrostirlo su un fuoco all’aperto per eliminare l’acqua e renderlo fragile, poi spezzarlo in pezzi di circa un centimetro. Ridurre il carbone a circa due centimetri e setacciare via la polvere, così che il gas possa attraversare la carica.

Costruire il tino. Su un terreno asciutto, innalzare un cilindro d’argilla alto circa un metro, con un diametro interno di 25–30 cm e pareti spesse diverse dita. Lasciare un foro vicino alla base per la tubiera e un’apertura ad arco che si possa aprire e richiudere con l’argilla. Farlo asciugare lentamente per diversi giorni, poi completare con un piccolo fuoco all’interno.

Preriscaldare e caricare. Riempire il tino di carbone e immettere aria finché non arde per tutta l’altezza. Negli esperimenti WIRG si aggiungono circa 1 kg di minerale e 1 kg di carbone per carica ogni 10–15 minuti, con un totale dichiarato di 15–20 kg di ciascuno per riduzione. Sono 15–20 cariche doppie, pari a circa 2,5–5 ore a quel ritmo, senza presupporre cinque ore di carica continua. La durata dichiarata di circa cinque ore comprende la combustione finale; il preriscaldamento è a parte. Prevedere altro carbone per preriscaldare e per l’ultima carica di solo carbone: il totale delle cariche doppie non copre tutto il combustibile.

Regolare il soffio. Controllare la temperatura e la discesa delle cariche, regolando l’aria per mantenere la riduzione e il flusso della scoria. L’assorbimento di carbonio dipende dal rapporto tra carbone e minerale, dall’atmosfera del forno, dal tempo di permanenza e dalla chimica della scoria. Più aria, da sola, non permette di prevedere la formazione di ghisa: alcuni esperimenti hanno prodotto ferro meno carburato aumentando il flusso d’aria. Spillare la scoria quando si accumula; il WIRG indica una prima spillatura dopo circa tre ore.

Estrarre e compattare. Quando l’ultima carica si è consumata, aprire il fronte ed estrarre il blumo con le tenaglie. Se è fragile, cominciare con colpi leggeri, per esempio con un mazzuolo di legno, poi aumentare la forza quando tiene meglio. È anche possibile lasciarlo raffreddare e riscaldarlo prima del compattamento. Riscaldarlo in forgia tra le passate finché forma una barra coesa.

Sicurezza. Un basso fuoco supera i 1.100 °C. La scoria liquida causa ustioni profonde e incendi. Lavorare all’aperto su terreno nudo e asciutto, lontano dall’erba secca, con sabbia asciutta a portata di mano. Tenere asciutti gli attrezzi e il terreno su cui cola la scoria. Non lasciare mai che l’acqua tocchi scorie calde o liquide o entri nel forno caldo: la formazione improvvisa di vapore può provocare un’esplosione. Indossare stivali di cuoio, guanti, grembiule e protezioni per gli occhi, e non stare davanti all’arco di spillatura. Dalla bocca esce monossido di carbonio: tenere il viso lontano e non eseguire riduzioni al chiuso. Argilla o minerale umidi possono scoppiare con il calore.

Storia ed evoluzione

Il ferro si lavorava già prima che si sapesse ridurlo. Alcuni dei più antichi oggetti di ferro furono ricavati a martellate da meteoriti, che contengono nichel. Gli indizi rimandano a riduzioni antiche in Anatolia, nell’attuale Turchia, ma il luogo e la data dell’invenzione restano incerti. Tra i frammenti di Kaman-Kalehöyük datati intorno al 1800 a.C. c’è anche dell’acciaio al carbonio, e il carbonio distribuito in modo irregolare fa pensare a fabbri che stavano ancora sperimentando. Intorno al 1250 a.C. il re ittita Hattusili III scrisse una lettera sulla produzione di «ferro buono».

Intorno al 1200 a.C. l’uso del ferro si amplia nel Vicino Oriente, con tempi diversi da una regione all’altra. La riduzione era già conosciuta prima. Intorno al 1100 a.C. era comune a Cipro e nel Levante, gran parte dell’Europa lo usava dall’800 a.C. circa, e nel 500 a.C. i bassi fuochi erano noti dal Mediterraneo alla Scandinavia. A differenza del rame e dello stagno per il bronzo, il minerale di ferro si poteva scavare quasi ovunque.

Mantici a vaso: azionando a turno le coperture di cuoio, il flusso d’aria non si interrompe mai.

L’Africa ebbe tradizioni proprie, con forni in Nubia già nel VII secolo a.C. e in Africa occidentale al più tardi nel VI. La Cina apprese probabilmente la riduzione nel basso fuoco da occidente intorno all’VIII secolo a.C., poi passò presto a forni abbastanza caldi da produrre ghisa liquida.

In Europa i blumi pesarono per secoli circa due chili, abbastanza piccoli da forgiarli a mano. I forni romani, alti fino a due metri, davano blumi di 10–15 kg, e verso il 1500 i magli azionati ad acqua potevano lavorare blumi di 100 kg e oltre. L’altoforno di Lapphyttan, in Svezia, era già attivo dalla metà del XII secolo. Gli altoforni si diffusero maggiormente nei secoli medievali successivi e verso il 1500 producevano ghisa in quantità; i bassi fuochi diminuirono gradualmente. Le fucine catalane di Spagna e Francia meridionale erano ancora in attività alla metà del XIX secolo.