OBIETTIVI DI QUESTA LEZIONE
Conoscere i metalli e le loro proprietà
Conoscere e distinguere le diverse lavorazioni che possiamo eseguire sui metalli
Conoscere il ciclo metallurgico e le sue fasi
Imparare nuove parole e nuovi termini specificiConoscere e distinguere le diverse lavorazioni che possiamo eseguire sui metalli
Conoscere il ciclo metallurgico e le sue fasi
COSA DEVI RICORDARE?
La differenza metallo e lega metallica
Le proprietà dei metalli
La differenza tra risorsa, materia prima e materiale
Cosa è il ciclo produttivo
La differenza tra prodotto e semilavorato
INDICE
1.LE LEGHE METALLICHE. COSA SONO?
2.IL FERRO E LE LEGHE FERROSE
3.LA PRODUZIONE DELLA GHISA E DELL'ACCIAIO. IL PROCESSO SIDERURGICO
4.LE PROPRIETA' DELLA GHISA
5.L'ACCIAIO
6.ALTRI METALLI. IL RAME E LE SUE LEGHE
7.ALTRI METALLI , L'ALLUMINIO E LE SUE LEGHE
8.IL RICICLO DELL'ALLUMINIO
1.LE LEGHE METALLICHE. COSA SONO?
Pochi
metalli si usano puri: la maggior parte degli oggetti metallici attorno a noi è
costituita da leghe cioè da miscele di due o più elementi, dei
quali uno, quello in in percentuale più alta, è sempre un metallo. Un
esempio di lega composta da un metallo ed un altro metallo è il bronzo (rame +
stagno), mentre un esempio di lega composta da un metallo ed un non metallo è
l’acciaio (ferro + carbonio). Leghe metalliche sono usate nelle protesi mediche
(leghe di titanio), nelle otturazioni dentarie, nella produzione delle auto
(acciaio e leghe di alluminio), nella produzione di strumenti musicali (ottone)
e addirittura nei gioelli: l’oro usato in gioielleria, infatti, non è puro, ma
una lega!
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| telaio in alluminio per una bicicletta da competizione |
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| protesi in titanio per l'articolazione dell'anca (a sinistra) e del ginoccchio (a destra) |
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| tromba in ottone |
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| diverse leghe di oro: giallo, rosso (con l'aggiunta di rame) e nero (con l'aggiunta di cromo e zolfo) |
La produzione di leghe metalliche iniziò, come abbiamo visto nella lezione precedente nella più remota antichità: il bronzo, infatti, pur essendo stato la prima lega metallica realizzata dall’uomo in epoca preistorica è ancora oggi una delle più usate.
Le leghe
metalliche vengono prodotte per migliorare alcune caratteristiche dei
metalli di partenza (in particolar modo la resistenza meccanica e la lavorabilità) e ottenere nuovi materiali che sono
più duri o resistenti dei metalli da cui sono composti, oppure che non si
ossidano se esposti alle intemperie o ancora che sono più leggeri ma egualmente
resistenti oppure che possono essere lavorati con meno sforzo.
Per
ottenere una lega occorre riscaldare, fino alla fusione, i singoli componenti
(che non si combinano chimicamente fra loro, ma si disperdono l'uno nell’altro) e
poi lasciarli raffreddare fino a che non tornino allo stato solido.
Probabilmente la lega metallica che incontriamo più spesso nella nostra vita quotidiana è l’acciaio inossidabile (o inox), una lega costituita da ferro, cromo, nichel e carbonio, caratterizzata da durezza e resistenza alla ruggine che rendono gli oggetti realizzati con questo materiale più durevoli nel tempo e meno bisognosi di manutenzione; infatti lo troviamo nei meccanismi degli orologi, negli strumenti chirurgici, nei tali delle biciclette, nelle carrozzerie delle auto e nella struttura degli edifici più alti
2.IL FERRO E LE LEGHE FERROSE
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| il ferro:mappa concettuale |
Il ferro
è uno dei metalli più diffusi ed abbondanti in natura ed il più importante
nell’industria con 500 milioni di tonnellate di ferro prodotte ogni anno alle
quali si aggiungono 300 milioni tonnellate di ferro riciclato. Raramente il
ferro si trova in natura allo stato libero e, in quel caso, soltanto come ferro
meteorico in quei frammenti di materia cosmica che cadono sulla Terra
(meteoriti): il ferro viene perciò prevalentemente estratto dai suoi minerali
con processi siderurgici. I minerali più ricchi di ferro sono: la magnetite,
la limonite, l’ematite, la siderite e la pirite.
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| minerali ferrosi (dall'alto verso il basso Ematite, Magnetite, Pirite, Siderite) |
Il ferro
allo stato puro non è però adatto alla realizzazione di prodotti finiti che
sono composti, in realtà da leghe ferrose. Le principali leghe ferrose sono la GHISA
e l’ACCIAIO, ottenute da una miscela di ferro e carbonio, e si distinguono a
seconda della percentuale di carbonio: si ha la GHISA, se la percentuale di
carbonio è compresa tra l' 1,8 e il 4% e l’ACCIAIO se la percentuale di
carbonio è inferiore all' 1,8%. Questa diversità di composizione determina
profonde differenze tra le proprietà dei due materiali che esamineremo più
avanti.
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| ponte ad arco in ghisa realizzato in Inghilterra nel 1781 |
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| ponte ad arco in acciaio realizzato ad Alessandria nel 2017 |
3.LA PRODUZIONE DELLA GHISA E DELL'ACCIAIO. IL PROCESSO SIDERURGICO
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| impianto siderurgcio ILVA a Taranto |
Le
maggiori industrie del settore siderurgico, cioè quel settore della metallurgia
che lavora il ferro e produce ghisa e acciaio, lavorano a ciclo integrale, cioè
dal minerale fino al semilavorato. Nella maggior parte dei casi gli impianti
sorgono in prossimità di grandi porti, per facilitare il rifornimento della
materia prima, che viene trasportata soprattutto per mare dai luoghi di
estrazione.
Come per
molti metalli, si effettua innanzitutto la frantumazione
dei minerali e la loro successiva macinazione. I minerali quinid vengono lavati da
polveri ed impurità e divisi in base alla concentrazione di metallo che
contengono. Seguono poi le operazioni di arricchimento (flottazione, vagliatura,
calibratura, essicazione, calcinazione e arrostimento) che ripuliscono i
minerali di ferro dalla maggior parte delle impurità preparandoli per essere
fusi negli altiforni.
L’estrazione
vera e propria del ferro dai suoi minerali avviene, infatti, nell’altoforno
con un processo detto di riduzione che consiste nel “togliere” l’ossigeno dal
minerale facendolo combinare con il carbonio. (
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| il ciclo siderurgico |
L’ALTOFORNO
è l'impianto di produzione della ghisa; è una grande torre in muratura refrattaria
(in modo da trattenere il calore e resistere alle elevatissime temperature che
si raggiungono durante il funzionamento dell’altoforno stesso) che può superare
gli 80 m di altezza, formata da due tronchi di cono disuguali, quello superiore
(il TINO) più lungo e quello inferiore (la SACCA) più corto, collegati da un
elemento cilindrico. Il tino termina in alto con un apertura (la BOCCA); la
sacca termina in fondo con un pozzo cilindrico detto CROGIUOLO che poggia su una
base di cemento armato. Si tratta di un impianto di concezione molto antica, i
cui primi esemplari risalgono al XIII secolo.
I
materiali per produrre la ghisa sono i minerali e rottami di ferro e il coke,
(un tipo di carbone artificiale che si ricava dal litantrace) a cui aggiungono
i fondenti (calce o calcare), sostanze che si mescolano con le impurità ancora
presenti nel minerale e formano uno scarto facile da eliminare; essi vengono immessi nella bocca dell’altoforno a strati alterni: uno strato di coke; un
strato di minerale di ferro ed uno strato di fondente e così via.
Il gas che si
sviluppa bruciando il coke attraversa l’altoforno dal basso verso l’alto e a
contatto con i minerali attiva delle reazioni chimiche che separano il ferro
dalle altre sostanze.
Il
ferro, allo stato fuso, si raccoglie nel crogiuolo dove, mescolandosi con il
carbonio superiore dà luogo alla ghisa liquida.
Dal
fondo del crogiuolo due condotti portano all'esterno: attraverso un condotto
esce la ghisa fusa, dall'altro le scorie o loppe (che vengono recuperate per
realizzare isolanti termici). La ghisa fusa in parte è inviata alla fonderia
(per la fabbricazione di tubi e di altri oggetti), in parte è usata per
produrre l'acciaio.
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| il ciclo siderurgico per la produzione della ghisa |
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| schema di un altoforno |
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| altoforno dismesso nell'ex area Italsider di Bagnoli (NA) |
L’attività dell’altoforno, è definita a ciclo continuo perché non viene interrotta mai. Questo è dovuto al fatto che nell’altoforno per raggiungere le temperature necessarie, serve molta energia e tanto tempo, per cui il suo raffreddamento non è possibile; inoltre, un eventuale abbassamento della temperatura interna causerebbe la solidificazione del metallo rendendo inutilizzabile il forno stesso.
4.LE PROPRIETA' DELLA GHISA
La ghisa è prodotta in diversi tipi che hanno composizione e proprietà anche molto differenti fra loro. I due più importanti tipi di ghisa sono quella detta “grigia” e quella “bianca”: la ghisa grigia ha buone proprietà meccaniche e viene usata per produrre oggetti metallici mediante fusione nelle fonderie; la ghisa bianca è invece molto fragile, deve essere raffinata ed è usata esclusivamente per la produzione dell’acciaio.
Le più comuni proprietà delle ghise sono:
buona resistenza alla compressione, all'usura e, se protetta da vernici, anche buona resistenza alla corrosione;
buona conducibilità termica (sono in ghisa stufe, caloriferi, pentole e griglie per cuocere carne e pesce);
ottima fusibilità e facilità di lavorazione per colatura in stampi.
Di contro le ghise sono estremamente RIGIDE e FRAGILI, non resistono alla flessione e non sono né duttili né malleabili.
5. L’ACCIAIO
Con il termine acciaio si intende una famiglia di leghe ferrose, distinte in base al contenuto di carbonio (detto anche tenore di carbonio), che possono avere caratteristiche e proprietà anche molto diverse.Caratteristiche comuni degli acciai sono
buona resistenza meccanica alla compressione e alla trazione;
plasticità (l'acciaio è malleabile e duttile);
saldabilità.
Di contro, rispetto alla ghisa l'acciaio ha una minore fusibilità (infatti viene utilizzato principalmente per lavorazioni di tipo plastico) e ha una minore resistenza alla corrosione.
Per rimediare a questi "difetti" vengono prodotti acciai speciali che contengono, oltre il ferro e il carbonio, anche altri
elementi in grado di fornire all'acciaio diverse proprietà fisiche, chimiche, meccaniche come, ad esempio, l'acciaio inossidabile (o inox), una lega costituita da ferro, cromo, nichel e carbonio, caratterizzata
da durezza e resistenza alla ruggine che rendono gli oggetti realizzati con
questo materiale più durevoli nel tempo e meno bisognosi di manutenzione
La conversione della ghisa in acciaio avviene in impianti chiamati acciaierie dove la ghisa viene trasportata tramite siviere o tramite particolari carri ferroviari chiamati carri siluro. Le siviere, sono dei grandi contenitori con la forma di un bicchiere che trasportati e sospesi tramite carri ponti, versano il contenuto (ghisa) all’interno dei convertitori. I carri siluro hanno lo stesso scopo, ma vengono utilizzati quando il tragitto da compiere verso, l’acciaieria è maggiore. I convertitori sono gli impianti dove avviene la riduzione del tenore di carbonio della ghisa e la sua trasformazione in acciaio e possono essere di due tipi: convertitori LD o forni elettrici.
Il materiale di partenza per la produzione dell'acciaio è la ghisa bianca d'altoforno assieme a rottami ferrosi, minerali di ferro e ad altri metalli in piccole percentuali.
Nei convertitori LD la ghisa fusa viene investita da un forte getto di ossigeno che rimescola il metallo stesso e "brucia" il carbonio riducendone la quantità. La ghisa, impoverendosi di carbonio, si trasforma in acciaio che, a intervalli di circa 30-60 minuti, viene fatto colare nelle lingottiere, dove solidifica. L’utilizzo di ossigeno a grande pressione e in grande quantità fa in modo da eliminare quasi tutte le scorie e produrre un acciaio di elevatissima qualità, motivazione che ha permesso a questo metodo di imporsi sugli altri.
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| schema di un convertitore LD |
Il forno elettrico viene utilizzato per produrre acciaio a partire da rottame di ferro. Il materiale (allo stato solido) viene attraversato da una corrente elettrica che lo riscalda fino alla temperatura di fusione. la parte metallica fusa vien quindi raccolta nelle lingottiere separatamente dalle scorie.
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| schema di forno elettrico |
A questo punto l'acciaio può essere o solidificato in lingotti e inviato alla laminazione primaria, oppure versato nella colata continua. In entrambe i casi verrà trasformato nei semilavorati più importanti: le bramme (sezione rettangolare) i blumi, e le bilette (a sezione quadrata). Questi passano poi nelle industrie di trasformazione dove, con speciali macchine, subiscono ulteriori e differenti processi di laminazione che li trasforma nei prodotti finiti dell'industria metallurgica: le lamiere, le travi e i profilati, i tondini, i fili di acciaio in rotoli, i tubi ecc.
6.ALTRI METALLI. IL RAME E LE SUE LEGHE
Il rame
è il metallo che l’umanità usa da più tempo. Ha un colore rosso chiaro ed è
facilmente lavorabile in fili e lamine (è quindi un materiale duttile e malleabile), ma ha una consistenza piuttosto
pastosa che non lo rende idoneo per lavorazioni come la fresatura o la
piallatura. E’ un ottimo conduttore di elettricità e di calore, è molto
resistente alla corrosione (per via della caratteristica patina verde protettiva che si forma sulla sua superficie quando è esposto all'aria) e non è magnetico: tutte queste caratteristiche lo
rendono molto usato in campo elettrico.
Il ciclo metallurgico del rame è molto complesso: il primo prodotto che si ottiene con le fasi di arricchimento è la cosiddetta metallina nera che contiene rame in percentuale dal 30 al 50%. La metallina nera viene quindi raffinata in forni convertitori (simile a quelli che si utilizzano per trasformare la ghisa in acciaio) e trasformata in rame metallurgico detto anche rame nero che è puro al 95% . e viene impiegato nelle tubazioni dell’acqua e nelle grondaie dei tetti, dove è neceasaria la resistenza alla corrosione.
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| minerale di rame |
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| le fasi di produzione del rame |
Oltre la metà del rame prodotto è utilizzato per realizzare leghe come, ad esempio il bronzo e l’ottone.
IL BRONZO è una lega composta da rame e stagno che presenta buone
caratteristiche meccaniche e grande resistenza alla corrosione ed è lavorabili
plasticamente infatti fin dall'antichità è stato utilizzato per la realizzazione di statue, monete e medaglie.
L'OTTONE è una lega di rame e zinco duttile, malleabile e con una buona resistenza alla corrosione. Ha notevoli proprietà acustiche e quindi
viene impiegato nella produzione di svariati strumenti musicali, tanto è vero
che esiste un’intera famiglia di strumenti a fiato che viene chiamata “ottoni”.
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| David, Donatello, 1430 |
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| gli "ottoni" |
7. ALTRI METALLI. L'ALLUMINIO E LE SUE LEGHE
L’alluminio
è un metallo molto diffuso in natura (è il terzo elemento dopo l’ossigeno e il
silicio) di colore argenteo che di ricava principalmente dai minerali di
bauxite. Nonostante sia uno dei metalli più abbondanti sulla crosta terrestre la produzione industriale dell'alluminio risale a poco più di 200 anni fa. Ciò è dovuto alla complessità del processo di separazione dai minerali in cui è contenuto, essendo molto raro in forma libera. Per tale motivo in passato era considerato un metallo prezioso, con un valore superiore a quello dell'oro.Osserva il VIDEO sull'alluminio
La metallurgia dell'alluminio di compone di due fasi: nella prima dalla bauxite si ricava l'allumina (un materiale molto fragile e poco utilizzabile) e da questa, con un processo di elettrolisi che richiede tempi lunghi e grandi quantità di energia, si ottiene l’alluminio metallico puro al 99%; da esso, con ulteriori trattamenti, si ottiene l'alluminio elettrolitico puro al 99,9%.
La metallurgia dell'alluminio di compone di due fasi: nella prima dalla bauxite si ricava l'allumina (un materiale molto fragile e poco utilizzabile) e da questa, con un processo di elettrolisi che richiede tempi lunghi e grandi quantità di energia, si ottiene l’alluminio metallico puro al 99%; da esso, con ulteriori trattamenti, si ottiene l'alluminio elettrolitico puro al 99,9%.
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| schema del processo di produzione dell'alluminio |
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| bauxite |
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| Allumina |
è leggero (pesa un terzo del ferro), ma ha la resistenza meccanica di un acciaio normale;
è un buon conduttore di elettricità e di calore, quasi come il rame;
resiste bene alla corrosione;
è duttile e malleabile;
non è magnetico.
L’alluminio metallico viene usato come materiale da costruzione per fare semilavorati per porte e finestre, nastri per lattine (osserva il VIDEO sulla produzione delle lattine), fogli per le vaschette degli alimenti (osserva il VIDEO sulla produzione dei fogli di alluminio) e nell'industri automobilistica e aeronautica. L'alluminio elettrolitico, estremamente costoso a causa della sua purezza, viene adoperato per realizzare elementi conduttori in apparecchiature elettriche ed elettroniche, e cavi per l'alta tensione in quanto, a parità di corrente trasportata, pesa la metà del rame.
Le LEGHE LEGGERE Sono formate da alluminio metallico con l’aggiunta di altri elementi. e sono impiegate per l’industria aeronautica, ferroviaria e automobilistica. perché hanno la resistenza meccanica di un acciaio ma sono molto più leggere. In lega con il rame si ottiene anche un’eccellente lavorabilità; in lega con il silicio si ottiene anche un’ottima fusibilità; in lega con il magnesio si ottiene anche un’ottima durezza e resistenza alla corrosione.
Le leghe leggere più importanti sono il duralluminio (particolarmente usato nelle costruzioni aeronautiche), anticorodal, silumin, avional, ecc.
Le leghe leggere più importanti sono il duralluminio (particolarmente usato nelle costruzioni aeronautiche), anticorodal, silumin, avional, ecc.
8.IL RICICLO DELL'ALLUMINIO
La complessità della lavorazione e il prezzo dell'energia sono i due fattori che rendono fondamentale il riciclo dell'alluminio, sia per l'economia sia per l'ambiente.I numeri del risparmio sono notevoli: se per produrre 1 kg di alluminio primario servono 15 kWh, per l'alluminio secondario ne bastano 0,75, con la conseguenza che sempre più oggetti di uso comune sono realizzati con materiale riciclato. È il caso dell'industria automobilistica, dove il 90% dell'alluminio utilizzato per produrre i cerchioni è riciclato, così come il 30% di quello utilizzato nella realizzazione di pistoni e cilindri e il 40% di quello impiegato per la struttura complessiva dell'auto. Per altri oggetti le percentuali sono ancora maggiori: le caffettiere prodotte in Italia sono ormai fatte al 100% di alluminio riciclato, mentre per le pentole siamo al 90%
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| il ciclo di vita e il riciclo dell'alluminio |