La storia dei metalli

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1 La storia dei metalli 1. Il primo metallo fu il rame Verso la fine del Neolitico, circa settemila anni fa, si verificarono due fatti importanti: fu inventata la ruota e si iniziò a utilizzare il rame. Abbondanti giacimenti di minerali ricchi di rame, con basso punto di fusione e buona lavorabilità, resero facile la diffusione di questo metallo. Più tardi, verso il 4000 a.c., si scoprì che, mescolando metalli fusi, se ne migliorano le proprietà: fu così ricavato il bronzo, una lega di rame e stagno. Probabilmente questa lega si formò casualmente nel crogiolo di un forno dove si stava fondendo rame, per l aggiunta involontaria di stagno. Questa scoperta ebbe grande importanza tecnica, perché con la lega fu possibile ottenere un metallo più resistente a temperatura di fusione più bassa. Intorno al 1200 a.c. gli Hittiti, popolo della Mesopotamia, misero a punto la prima tecnica metallurgica del ferro: l uso del ferro per armi più resistenti consentì agli Hittiti un periodo di superiorità bellica nei confronti di tutti gli altri popoli dell Asia Minore. 2. Gli Etruschi e il ferro Una grande produzione di ferro si verificò, più tardi, da parte degli Etruschi che sfruttarono le miniere dell isola d Elba. Il ferro veniva ottenuto in piccoli forni a cumulo, costituiti da minerali e carbone di legna, ricoperti con paglia e argilla. Alla base veniva praticata un apertura per l accensione, mentre altri fori servivano per creare le correnti d aria per attivare la combustione. Al termine di essa, nel fondo del forno, si formava una specie di spugna di ferro, che veniva battuta a martello o a mazza per ottenere ferro compatto. A destra: Monete metalliche, realizzate con varie leghe. Antico stampo in pietra per la fusione di un falcetto. 3. La diffusione della metallurgia I metalli non si trovano quasi mai puri in natura, ma mescolati ad altri minerali: necessitano, quindi, di laboriosi e complicati processi di lavorazione che costituiscono la metallurgia. Dagli Etruschi ai giorni nostri, per la metallurgia è stato un susseguirsi di piccole o grandi innovazioni tecnologiche, con la scoperta di nuovi metalli, nuovi giacimenti e tecniche di lavorazione sempre più efficaci. Durante il Rinascimento, oltre a continuare la produzione di attrezzi e utensili, la metallurgia fornì agli scultori nuove tecniche di fusione del bronzo, che permisero la fabbricazione di capolavori artistici che ancora oggi possiamo ammirare. Fucina per la lavorazione dei metalli in un quadro del L industria siderurgica L uso dei metalli ebbe la sua definitiva affermazione con la Rivoluzione industriale, a partire dalla metà del XVIII secolo. L industria siderurgica (ferro, ghisa, acciaio) diede un notevole impulso sia alla meccanica, con la costruzione di macchine utensili più resistenti e potenti, sia all edilizia, con la possibilità di costruire nuove strutture, sempre più alte e complesse, come la Torre Eiffel a Parigi. La disponibilità di grandi quantitativi di minerali metalliferi costituì, per alcune nazioni, l opportunità di accumulare immense fortune economiche e potere politico.

2 DATA TITOLO ARGOMENTO N SCHEDA I MATERIALI METALLICI Un METALLO è un elemento chimico che presenta in generale le seguenti caratteristiche fisiche, meccaniche o tecnologiche: 1) buona conducibilità elettrica e termica 2) lucentezza 3) durezza 4) fusibilità 5) plasticità I metalli sono solidi a temperatura ambiente, ad eccezione del MERCURIO (Hg) (che fonde a -38,87 C) e dell IDROGENO (H) che chimicamente è un metallo e che a temperatura ambiente si trova allo stato gassoso. CLASSIFICAZIONE DEI METALLI: i metalli possono essere classificati in: 1) Metalli LEGGERI 2) Metalli PESANTI 3) Metalli PREZIOSI 4) Metalli SPECIALI METALLI LEGGERI: hanno peso specifico inferiore a 4 kg/dm 3 METALLI PESANTI: hanno peso specifico superiore a 4 kg/dm 3 METALLI COMUNI: sono quelli che hanno maggiore importanza industriale: ferro, rame, piombo, zinco, stagno e alluminio METALLI PREZIOSI: sono quelli che hanno un costo elevato : argento, oro, platino, palladio, rutenio, osmio, iridio, rodio; METALLI SPECIALI: sono difficilmente usati allo stato puro, ma vengono usati in piccole percentuali nelle leghe per conferire particolari caratteristiche fisiche o tecnologiche ad altri metalli (ad esempio inossidabilità o durezza): cromo, nichel, manganese, mercurio, tantalio, tungsteno, magnesio, molibdeno, titanio. I metalli e le loro leghe che hanno importanza industriale si raggruppano in genere in FERROSI e NON FERROSI. I materiali metallici ferrosi sono i più importanti sia per quantità prodotte che per varietà degli impieghi. Fig. 1 Cuscinetto a sfera: è costituito da acciaio di particolare durezza.

3 DATA TITOLO ARGOMENTO N SCHEDA NON METALLI LEGHE - METALLURGIA I NON METALLI I non metalli sono generalmente privi delle caratteristiche che possiedono i metalli: non sono buoni conduttori di calore e di elettricità, non hanno lucentezza metallica e non presentano la durezza dei metalli. A temperatura ordinaria i non metalli possono essere gassosi (come l ossigeno), liquidi (come il bromo) o solidi (come lo zolfo, il silicio e il carbonio). Vi sono poi alcuni elementi che hanno proprietà intermedie tra quelle dei metalli e quelle dei non metalli I SEMIMETALLI. I non metalli più importanti per la moderna tecnologia metallurgica sono: il carbonio, il silicio, lo zolfo, l azoto, il fosforo e il boro. LE LEGHE METALLICHE Per taluni usi i metalli sono adoperati allo stato industrialmente puro ma, nella maggior parte dei casi, essi vengono impiegati sotto forma di leghe. Una lega metallica è una soluzione allo stato solido, ottenuta dall unione di due o più elementi. Almeno uno di essi il principale deve essere un metallo, gli altri possono essere metalli o non metalli. LA METALLURGIA Gran parte dei metalli si trovano in natura combinati con altri elementi o talvolta semplicemente mescolati a sostanze estranee (impurità o ganghe) cioè sotto forma di minerali. In natura soltanto alcuni metalli si trovano allo stato puro e si dicono metalli nativi. Fra gli altri vi sono: rame, ferro, oro, argento, platino, palladio, osmio, iridio, nichel, mercurio. I minerali si trovano nella crosta terrestre distribuiti in ammassi rocciosi chiamati giacimenti, situati a medie o grandi profondità. Si chiama metallurgia, l insieme delle tecniche e dei procedimenti per estrarre i metalli dai loro minerali, fino ad ottenere prodotti finiti o semilavorati. Data l importanza che hanno il ferro e le sue leghe (acciaio e ghisa), lo specifico settore della metallurgia che se ne occupa è un ramo assai specializzato e distinto che è chiamato siderurgia.

4 DATA TITOLO ARGOMENTO N SCHEDA IL FERRO NOME: Ferro SIMBOLO CHIMICO: Fe MINERALI: magnetite, ematite, limonite, siderite, pirite TEMPERATURA DI FUSIONE: 1535 C LEGHE: 1) GHISA 2) ACCIAIO IL FERRO non si trova quasi mai allo stato puro, ma combinato con altri elementi con i quali forma alcuni fra i più diffusi minerali della crosta terrestre. Il ferro non ha importanza allo stato puro, ma ne hanno moltissima le sue leghe: la GHISA e l ACCIAIO, leghe che oltre al ferro contengono carbonio e altri elementi. LE DIFFERENZE TRA GHISA E ACCIAIO L ACCIAO è più importante della ghisa per le applicazioni tecniche grazie alle sue migliori proprietà meccaniche e tecnologiche. L ACCIAO è una LEGA di FERRO contente CARBONIO in quantità inferiore al 2%: il restante 98% è costituito da ferro ed eventualmente altri elementi. La GHISA è una LEGA di FERRO che contiene dal 2 al 4% di CARBONIO. L acciaio è più elastico della ghisa: quest ultima è molto più fragile. L acciaio ha una migliore resistenza meccanica. La ghisa è molto fusibile, mentre l acciaio è difficilmente fusibile; la ghisa viene usata per produrre per FUSIONE pezzi anche complicati che non sono soggetti a sforzi di grande importanza. La ghisa resiste molto meglio a COMPRESSIONE che a TRAZIONE o Fig. 1 - Forgiatura di un ferro di cavallo a FLESSIONE, al contrario dell acciaio che resiste altrettanto bene ai diversi tipi di sforzi. La grande fusibilità della ghisa insieme alla sua cattiva resistenza meccanica alla trazione e alla flessione, ci costringono ad usarla nella produzione di pezzi meccanici che sono soggetti a sforzi di compressione, come è il caso del basamento delle macchine. Anche molti radiatori per termosifone sono fusi in ghisa. IL FERRO METEORICO Il ferro era conosciuto sin dalla più remota antichità a causa delle meteoriti: queste provengono dallo spazio e cadono sulla Terra in gran parte ridotte allo stato di fine polvere, ma alcune conservano un volume molto maggiore che può arrivare a qualche metro cubo. Le meteoriti ferrose (o sideritiche) contengono ferro, nichel e cobalto. La loro composizione è la seguente: ferro: 90,85% nichel: 8,5% cobalto: 0,6% tracce di rame, fosforo, carbonio, magnesio, calcio, manganese, e cromo.

5 L ESTRAZIONE DEL FERRO Il ferro presente nei suoli minerali viene estratto con procedimenti termici che lo separano dagli altri elementi. Questi procedimenti termici portano alla produzione della GHISA, la lega meno importante dell altra lega del ferro: l ACCIAIO. La GHISA deve essere a sua volta trasformata in acciaio secondo il seguente processo: MINERALI DI FERRO GHISA ACCIAIO I MINERALI DEL FERRO I principali minerali del ferro sono i seguenti: Fig. 2 Uno dei principali minerali del ferro è la pirite 1) la MAGNETITE: è un ossido di ferro. Essa ha questo nome perché attrae i pezzi di ferro (o di acciaio o di ghisa). È il migliore minerale di ferro perché in percentuale ne contiene più degli altri. 2) L EMATITE: è un altro ossido di ferro di colore rosso 3) La LIMONITE: è un ossido idrato. È il minerale più diffuso 4) La SIDERITE: è un carbonato di ferro. È il più scadente dei precedenti minerali. 5) La PIRITE: è un solfuro di ferro. Essa viene usata per produrre l acido solforico e da questa lavorazione si ricavano come sottoprodotto le ceneri d pirite, impiegate per estrarre il ferro.

6 DATA TITOLO ARGOMENTO N SCHEDA LA PRODUZIONE DELLA GHISA La GHISA è una lega del ferro che contiene dal 2 al 4% di carbonio e viene prodotta in forni di grandi dimensioni, gli ALTOFORNI. Un altoforno porta questo nome perché è un forno molto alto e in esso sono raggiunte alte temperature. Un moderno altoforno può avere un altezza fino a 100 m. Un altoforno non è un impianto isolato ma è servito da una serie di impianti ausiliari che producono o trattano le MATERIE PRIME che vengono immesse nell altoforno e recuperano i prodotti della fusione. MATERIE PRIME Nell altoforno sono introdotte tre diverse materie prime: 1) Il minerale di ferro 2) Il carbon coke metallurgico 3) Il fondente Il minerale di ferro è la materia prima essenziale, ma non può essere immesso così come viene estratto dalle miniere. Esso viene lavato (per togliere terra e impurità), frantumato e poi asciugato. Le lavorazioni alle quali sono sottoposti i minerali di ferro prima di immetterli nell altoforno non eliminano completamente tutte le impurità: esse vengono trasformate dall azione del calore in scorie. Il calore necessario alla fusione del ferro viene ottenuto dalla combustione del carbon coke metallurgico. Il coke si chiama metallurgico perché viene usato nella fusione dei metalli. Esso è prodotto dalla distillazione del litantrace. Il coke è un carbone duro e compatto, deve essere così per poter resistere alle elevate pressioni all interno dell altoforno. Il fondente serve ad eliminare le impurità del minerale e del coke. Esso è calcare o silice. Fig. 1 - Testata di un motore monocilindrico in ghisa.

7 L ALTOFORNO L altoforno è formato da una torre verticale in muratura, di materiale refrattario all interno e in robusta lamiera di acciaio all esterno (fig. 2). Come potete vedere, la torre ha forma di un doppio tronco di cono. Il materiale refrattario serve ad impedire la dispersione di calore verso l esterno. L altoforno è chiuso: il minerale, il carbon coke e il fondente vengono introdotti dall alto, cioè dalla BOCCA, che si apre per farli entrare e poi si richiude. Il materiale viene introdotto in rapporti quantitativi simili ai seguenti: 400 tonnellate di minerale 200 tonnellate di carbone 50 tonnellate di fondente. Da essi si ricavano 200 tonnellate di ghisa, scorie e molto gas combustibile (gas di altoforno). Dall alto verso il basso (fig. 2) si possono distinguere nell altoforno 5 parti principali: 1) La BOCCA che è chiusa e si apre per far entrare il materiale trasportato dai nastri. Il carbon coke brucia perché il fuoco all interno dell altoforno è già acceso. Un altoforno funziona in continuo, senza mai essere spento, giorno e notte e per diversi anni (campagna dell altoforno). 2) Il TINO ha la forma di un tronco di cono, in esso il minerale di ferro comincia a cedere gli altri elementi e si trasforma in una massa spugnosa 3) Il VENTRE è una parte cilindrica nella quale prosegue la trasformazione del minerale in ferro spugnoso e la temperatura continua ad aumentare 4) Nella SACCA la temperatura è così alta (oltre 1500 C) che il ferro fonde e cola verso il basso, insieme al carbonio 5) Il CROGIOLO è la parte più bassa dell altoforno e in esso si raccolgono la GHISA FUSA e le SCORIE prodotte dall unione dei fondenti, delle impurità del minerale e delle ceneri del carbone. Le scorie sono più leggere della ghisa e galleggiano su di essa. Le scorie (o LOPPE) sono usate per la produzione del cemento e di materiali isolanti. Fig. 2 - Altoforno.

8 LA COMBUSTIONE Nella parte inferiore dell altoforno sono presenti degli ugelli che servono ad insufflare nel forno aria calda sotto pressione. L aria viene riscaldata con il calore contenuto nei gas dell altoforno, recuperati dalla parte superiore del tino. All interno dell altoforno si muovono verso il basso i materiali caricati dall alto e vero l alto si muove l aria calda che passando attraverso il carbon coke ne alimenta la combustione e si arricchisce di carbonio, formando il gas di altoforno. Questi due movimenti sono molto importanti per mescolare i materiali e far fondere il ferro. Il ferro fonde in presenza del carbonio contenuto nel carbon coke e ne scioglie una parte, fino al massimo consentito dalle leggi fisiche e chimiche: viene così prodotta LA GHISA con una percentuale del 4% di carbonio SCHEDA SCIENTIFICA Per sfruttare tutte le energie contenute nei gas prodotti dalle cokerie e dagli altiforni, nei grandi centri siderurgici sono state installate delle centrali termoelettriche alimentate da turbine a gas per produrre quantità rilevanti di energia elettrica. Questa energia elettrica viene in parte utilizzata negli stessi centri siderurgici per tutti i servizi ausiliari: dall illuminazione all azionamento dei montacarichi.

9 DATA TITOLO ARGOMENTO N SCHEDA LA PRODUZIONE DELL ACCIAIO L ACCIAIO viene prodotto per affinamento della ghisa: il processo usato consiste nella riduzione del contenuto di carbonio al di sotto del 2%. Gli impianti di produzione dell acciaio sono collocati nelle vicinanze dell altoforno e, in certi impianti chiamati a CICLO INTEGRALE, la ghisa esce dall altoforno per passare in un altro impianto nel quale avviene la sua trasformazione in acciaio. I due metodi principali oggi usati per la produzione dell ACCIAIO sono il CONVERTITORE LD, a ossigeno, e il FORNO ELETTRICO. Fig. 1 La produzione dell acciaio viene fatta in impianti chiamati acciaierie. In moltissimi impianti l acciaio viene prodotto consumando grandi quantità di combustibili. IL CONVERTITORE LD IL CONVERTITORE LD, a ossigeno, tratta la ghisa liquida e i rottami di acciaio di ogni genere. Per primi sono immessi i rottami (Fig. 2), poi sopra di essi giunge la ghisa liquida. Una LANCIA mobile inietta ossigeno ad alatissima pressione e velocità: esso penetra nella massa e brucia parte del carbonio, del silicio e del fosforo. La loro combustione sviluppa una quantità di calore così grande da mantenere fusa la massa metallica. Quando l acciaio è pronto, la lancia a ossigeno viene ritirata e il recipiente può essere ruotato per procedere alla COLATA nella SIVIERA. I gas di scarico o gas di acciaieria ad ossigeno contengono combustibili gassosi e sono recuperati per produrre energia elettrica. Fig. 2 Il convertitore LD

10 IL FORNO ELETTRICO Anche nel FORNO ELETTRICO (Fig. 3) vengono immessi ghisa e rottami. Il forno è alimentato da tre ELETTRODI di grafite: fra di essi e la massa metallica scocca un ARCO ELETTRICO che sviluppa un calore sufficiente a fondere la massa stessa. Fig. 3 Il Forno Elettrico Il forno è interamente rivestito di mattoni di materiale refrattario ed è montato su una struttura, mossa da un pistone, che può inclinarlo per far fuoriuscire l acciaio fuso. La ghisa viene affinata perché il grande calore provoca la combustione di parte del carbonio. LE QUALITA DI ACCIAIO L acciaio è una LEGA del ferro che contiene fra lo 0,2% e il 2% di carbonio. L ACCIAIO COMUNE contiene soltanto ferro e carbonio. Gli ACCIAI SPECIALI, oltre al ferro e al carbonio contengono altri elementi: nichel, cromo, vanadio, tungsteno. Fra di essi ricordiamo gli ACCIAI INOSSIDABILI (contenti nichel e cromo), gli acciai per utensili e quelli per impieghi magnetici ANALISI TECNICA GLI IMPIANTI SIDERURGICI A CICLO INTEGRALE Un impianto siderurgico a ciclo integrale fabbrica acciaio laminato a partire dalle materia prime occorrenti per produrre ghisa (minerali del ferro, carbon coke, e fondente). L impianto recupera anche: 1) Il gas d altoforno per produrre energia elettrica 2) Le scorie o LOPPE.