HOEPLI ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA INFORMATICA E TELECOMUNICAZIONI. STA - Scienze e Tecnologie Applicate

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1 STA - Scienze e Tecnologie Applicate ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA INFORMATICA E TELECOMUNICAZIONI LUIGI CALIGARIS STEFANO FAVA CARLO TOMASELLO PAOLO CAMAGNI RICCARDO NIKOLASSY HOEPLI

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3 STA - Scienze e Tecnologie Applicate ElETTroTEcnicA Ed ElETTronicA informatica E TElEcomunicAzioni

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5 luigi caligaris stefano fava carlo tomasello paolo camagni riccardo nikolassy anna civarelli STA - Scienze e Tecnologie Applicate ElETTroTEcnicA Ed ElETTronicA informatica E TElEcomunicAzioni editore Ulrico Hoepli milano

6 UN TESTO PIÙ RICCO E SEMPRE AGGIORNATO Nel sito sono disponibili: materiali didattici integrativi; eventuali aggiornamenti dei contenuti del testo. Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A Via Hoepli 5, Milano (Italy) tel fax hoepli@hoepli.it Tutti i diritti sono riservati a norma di legge e a norma delle convenzioni internazionali

7 Indice Presentazione... IX modulo A materiali di interesse industriale 1 Verifica dei Prerequisiti, 2 unità A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro... 3 A1.1 I materiali: generalità, 3 A1.2 Proprietà dei materiali, 4 Proprietà fisiche, 4 Proprietà meccaniche, 7 Proprietà tecnologiche, 8 A1.3 Ferro e sue leghe, 10 Materie prime, 12 Altoforno, 12 A1.4 La ghisa, 13 Tipi di ghisa e loro designazione, 14 A1.5 L acciaio, 15 Convertitori Bessemer e Tomas, 15 Convertitore a ossigeno, 15 Forno Martin-Siemens, 16 Forno elettrico ad arco, 16 Semilavorati di acciaio, 17 Classificazione e applicazioni degli acciai, 17 Designazione degli acciai UNI EN e UNI EN 10025, 18 A1.6 Trattamenti termici delle leghe del ferro, 19 Ciclo termico, 19 Principali trattamenti termici, 20 Trattamenti termochimici, 21 esercitazione guidata a1.1, 22 Verifica degli obiettivi di unità, 23 unità A2 Materiali speciali e loro utilizzo A2.1 Materiali metallici non ferrosi, 24 Generalità, 24 Rame e sue leghe: bronzo e ottone, 24 Alluminio e sue leghe leggere, 26 Magnesio e sue leghe ultraleggere, 26 Cromo e nichel, 26 Stagno e sue leghe, 27 Piombo e sue leghe, 27 Titanio e sue leghe, 27 Metalli radioattivi, 27 Materiali sinterizzati, 28 A2.2 Legno, resine, materie plastiche, gomme e materiali compositi, 28 Legno, 28 Resine, 30 Materie plastiche, 30 Gomme, 32 Materiali compositi, 33 A2.3 Materiali nelle tecnologie elettriche ed elettroniche, 34 Tecnologia elettrica, 34 Tecnologia elettronica, 36 A2.4 Materiali per l edilizia, 39 Pietre naturali, 40 Laterizi, 41 Materiali cementanti, 41 esercitazioni guidate a2.1 - a2.4, 43 Verifica degli obiettivi di unità, 47 Verifica degli obiettivi di modulo, 48 modulo B misurazione e controllo 49 Verifica dei Prerequisiti, 50 unità B1 Metrologia B1.1 Le basi della metrologia, 51 Generalità, 51 Sistemi e unità di misura, 52 Sistema Internazionale di misura (SI) CNR-UNI 10003, 52 Multipli e sottomultipli decimali, 52 Unità non SI di uso più frequente, 54 Metro e righe millimetrate, 54 B1.2 Errori nelle misurazioni, 55 Definizione di errore, 55 B1.3 Strumenti campione, 58 B1.4 Strumenti di misura di lunghezza, 61 Metro e righe millimetrate, 61 Nonio, 63 Calibro a corsoio, 64 Micrometro a vite, 66 Comparatore, 67 Goniometro universale a nonio, 68 Attrezzature complementari, 69 esercitazioni guidate b1.1 - b1.4, 72 Verifica degli obiettivi di unità, 76 unità B2 Strumenti di misura per grandezze elettriche B2.1 Grandezze elettriche, 77 Carica elettrica, 77 Campo elettrico e potenziale, 78 Corrente elettrica, 78 Corrente convenzionale, 78 B2.2 Strumenti di misura, 79 Generalità, 79 Caratteristiche principali di uno strumento di misura delle grandezze elettriche, 80 Multimetro Misure di grandezze elettriche, 81

8 VI Istruzioni operative per le misure, 81 Oscilloscopio Misura delle forme d onda, 83 B2.3 Amperometri e galvanometri, 83 Amperometri a bobina mobile, 84 Amperometri a ferro mobile, 85 Amperometri elettrodinamici, 86 Amperometri a filo caldo, 86 esercitazioni guidate b2.1 - b2.2, 87 Verifica degli obiettivi di unità, 89 unità B3 Misure su circuiti elettrici B3.1 Elementi attivi e passivi, 90 B3.2 Resistori, 92 B3.3 Circuiti elettrici, 93 B3.4 Misura di resistenze: la prima legge di Ohm, 94 Misura di resistenza con voltmetro a valle, 96 Misura di resistenza con voltmetro a monte, 97 Conclusioni: quale metodo usare, 97 esercitazioni guidate b3.1 - b3.3, 98 Verifica degli obiettivi di unità, 101 Verifica degli obiettivi di modulo, 102 modulo c elaborazione dei dati 103 Verifica dei Prerequisiti, 104 unità C1 Informatica: evoluzione e software C1.1 Informatica ed energia, 105 C1.2 L evoluzione dell informatica, 107 Le macchine calcolatrici meccaniche, 107 Le valvole, 109 Il transistor e i circuiti integrati, 110 Il microprocessore, 112 C1.3 I linguaggi informatici, 114 C1.4 L evoluzione dei linguaggi di programmazione, 115 C1.5 Le fasi di creazione di un programma, 116 C1.6 Gli ambienti di sviluppo, 116 IDE, 116 Framework, 116 SDK, 117 C1.7 Il ciclo di vita del sofware, 118 Fasi di produzione del sofware, 118 Sviluppo del sofware: il modello a cascata, 120 esercitazione guidata c1.1, 121 Verifica degli obiettivi di unità, 122 unità C2 La codifica dei dati C2.1 Digitale e analogico, 123 C2.2 Codifica e codice, 124 I codici pesati e non pesati, 124 La codifica binaria, 125 La codifica ottale, 126 La codifica esadecimale, 127 C2.3 La codifica delle immagini, 127 La codifica delle immagini raster, 127 La codifica delle immagini vettoriali, 129 C2.4 La codifica dei suoni, 129 C2.5 La codifica dei filmati, 130 esercitazione guidata c2.1, 132 Verifica degli obiettivi di unità, 133 Verifica degli obiettivi di modulo, 134 modulo d sicurezza e salute 135 Verifica dei Prerequisiti, 136 unità D1 Elementi di antinfortunistica e territorio D1.1 Elementi di antinfortunistica, 137 Salute, sicurezza ed ergonomia, 137 D1.2 Primo soccorso e pronto soccorso, 140 Prima regola: Non nuocere, 140 Seconda regola: Garantire la sicurezza, 140 Terza regola: Attivare il pronto soccorso, 141 D1.3 Barriere architettoniche, 141 D1.4 Pianificazione territoriale, 143 Compatibilità ambientale dell industria (risorse ed ecologia), 143 L urbanistica moderna, 146 Conservazione del patrimonio artistico-culturale e restauro, 147 esercitazione guidata d1.1, 149 Verifica degli obiettivi di unità, 150 unità D2 Legislazione sulla sicurezza D2.1 La legislazione antinfortunistica, 151 D2.2 Segnaletica antinfortunistica, 152 D2.3 Sicurezza nell attività lavorativa, 155 Lavorazioni al banco con la lima, 155 Lavorazioni al banco di tracciatura e bulinatura, 155 Lavorazioni al trapano, 155 Lavorazioni alle macchine utensili, 156 Lavorazioni della lamiera, 156 Operazioni di saldatura, 157 D2.4 Il rischio elettrico e il pericolo incendio, 157 Il rischio elettrico, 157 Il pericolo incendio, 158 Norme di prevenzione incendi, 159 D2.5 Il Decreto Legislativo 81/2008 e successive modifiche, 161 Generalità, 161 Obblighi del datore di lavoro, dei lavoratori e fonti di rischio, 161 Valutazione dei rischi, 162 Dispositivi di protezione individuale (DPI), 163 Informazione e formazione, 163 Uso di

9 VII attrezzature munite di videoterminali (VDT), 164 Nuova Direttiva Macchine 2006/42/CE, 164 esercitazioni guidate d2.1 - d2.2, 165 Verifica degli obiettivi di unità, 167 Verifica degli obiettivi di modulo, 168 E2.2 Le telecomunicazioni, 191 Generalità, 191 Le figure professionali delle telecomunicazioni, 191 Conclusioni, 194 esercitazioni guidate e2.1 - e2.4, 195 Verifica degli obiettivi di unità, 199 Verifica degli obiettivi di modulo, 200 modulo e ApplicAzioni e figure professionali 169 Verifica dei Prerequisiti, 170 unità E1 Elettronica ed elettrotecnica E1.1 Storia dell elettronica, 171 E1.2 Le applicazioni dell elettronica, 172 La sensoristica, 172 Il presente (MEMS) e il futuro (bioelettronica), 173 Il microcontrollore, 174 La domotica, 174 E1.3 Le figure professionali dell elettronica, 175 Manutentore meccatronico, 175 Tecnico/Manutentore autronico dell automobile, 176 Responsabile della manutenzione industriale, 176 Progettista di sofware industriale, 176 Collaudatore di sistemi elettromeccanici ed elettronici, 176 Assemblatore di apparecchiature elettromeccaniche ed elettroniche, 176 E1.4 La produzione dell elettricità, 176 Impianti di produzione dell energia elettrica e fonti energetiche, 176 E1.5 Le macchine elettriche, 178 Macchine elettriche statiche Trasformatori, 178 Macchine elettriche Motori, 179 E1.6 Impianti elettrici civili e industriali, 180 E1.7 Le figure professionali dell elettrotecnica, 181 Montatore/Installatore di apparecchiature elettromeccaniche ed elettroniche, 181 Assemblatore di apparecchiature elettromeccaniche ed elettroniche, 181 Elettricista impiantista, 181 esercitazioni guidate e1.1 - e1.2, 182 Verifica degli obiettivi di unità, 184 unità E2 Informatica e telecomunicazioni E2.1 Le applicazioni dell informatica, 185 La filiera produttiva informatica, 186 La produzione dell hardware, 186 La produzione del sofware e le figure professionali coinvolte, 187 Distribuzione e vendita, 190 Installazione e post vendita, 190 Conclusioni, 190 modulo f sistemi di telecomunicazione 201 Verifica dei Prerequisiti, 202 unità F1 Segnali e trasmissione F1.1 La comunicazione e l informazione, 203 Generalità, 203 Le rivoluzioni della comunicazione, 203 Informazione e trasmissione, 205 F1.2 Segnali analogici e digitali, 206 Differenza tra analogico e digitale, 206 Perché il digitale?, 207 Trasmissione con sistema digitale, 209 Digitalizzazione delle immagini, 209 F1.3 Trasmissione dei segnali, 210 Le onde elettromagnetiche, 210 Caratteristiche delle onde elettromagnetiche, 211 La trasmissione dei segnali, 213 La trasmissione di segnali elettrici, 213 La trasmissione di segnali ottici, 214 La trasmissione senza fili o wireless, 215 Modulazione delle onde, 217 esercitazioni guidate f1.1 - f1.3, 220 Verifica degli obiettivi di unità, 223 unità F2 Le reti di computer e Internet F2.1 Le reti di computer, 224 F2.2 Topologie di rete, 226 F2.3 Il cablaggio, 228 F2.4 Le reti wireless, 229 F2.5 Il modello ISO/OSI e Internet, 230 F2.6 I dispositivi di rete, 231 F2.7 Gli indirizzi IP, 232 F2.8 La rete Internet, 233 F2.9 I servizi di Internet, 234 F2.10 DNS, domini e registrazione di siti, 234 esercitazione guidata f2.1, 236 Verifica degli obiettivi di unità, 237 Verifica degli obiettivi di modulo, 238

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11 IX Presentazione L opera costituisce un corso completo della materia Scienze e tecnologie applicate per il secondo anno degli indirizzi Elettrotecnica ed elettronica, Informatica e telecomunicazioni degli Istituti tecnici, settore tecnologico. Il testo, articolato in sei moduli, è nato con l obiettivo di introdurre alla cultura della tecnologia, che verrà poi sviluppata nel successivo triennio, e di fornire un approccio al mondo della produzione attraverso lo studio dei materiali, degli strumenti di misura, dei processi produttivi e dell organizzazione industriale. I contenuti e l articolazione sono stati impostati e scelti in modo da rispettare l acquisizione delle competenze previste dai nuovi programmi ministeriali. I sei moduli, strutturati ognuno in unità didattiche, sono stati progettati e realizzati in modo da consentire un loro uso sia sequenziale sia indipendente, permettendo la scelta di percorsi didattici alternativi. i moduli modulo E applicazioni e figure professionali Ogni modulo si apre con l indicazione delle unità didattiche che lo compongono, dei prerequisiti necessari all apprendimento e degli obiettivi didattici e continua con una verifica dei prerequisiti, costituita da una serie di prove strutturate. E1 Elettronica ed elettrotecnica E2 Informatica e telecomunicazioni Conoscenze Prerequisiti Principi generali della fisica: elettrologia Grandezze fisiche e loro misura Fondamenti di ICT Abilità Saper individuare le parole chiave del linguaggio settoriale Saper ricercare le fonti di informazione Obiettivi Conoscenze I termini caratteristici delle diverse discipline La filiera produttiva delle diverse discipline tecniche I settori di impiego e le attività del tecnico specializzato Abilità Utilizzare i dati per dedurre informazioni Saper confrontare le attività delle varie figure professionali Competenze di riferimento Valutare la tipologia delle possibili alternative di impiego Individuare la figura professionale idonea per una specifica attività modulo E verificadeiprerequisiti 1. La corrente elettrica è un flusso di cariche positive che si spostano dal polo positivo (+) verso il polo negativo ( ). Vero Falso 2. Quale relazione lega la corrente con la tensione in un circuito? 3. Un alimentatore di tensione continua mantiene lo stesso valore di differenza di potenziale al variare del carico. Vero Falso 4. Cosa si intende per tensione periodica (max 20 parole)? 5. In elettrologia, cosa si intende per dispositivo attivo e passivo (max 20 parole)? 8. Cos è un programma (max 30 parole)? 9. Un programma eseguibile viene scritto in formato binario dal programmatore. Vero Falso 10. Indicare le differenze tra segnale analogico e digitale (max 20 parole). 11. Tra i valori di memoria sotto riportati, indicare quello di maggior capacità: a. 360 kb b. 3 GB c. 25 MB d byte 12. A cosa serve un modem (max 20 parole)? 6. Cos è un algoritmo (max 20 parole)? 13. Indicare le operazioni e gli strumenti utilizzati per trasmettere a un amico una pagina di giornale tramite PC (max 30 parole). 7. L hardware e il software sono due componenti fisici del personal computer. Vero Falso UNITÀ F2 LE RETI DI COMPUTER E INTERNET 116 modulo C Elaborazione dei dati le unità OBIETTIVI Conoscenze I dispositivi di rete Le tipologie di rete Internet e i suoi servizi Abilitˆ Riconoscere una rete Valutare pregi e difetti di reti cablate e wireless Scegliere i servizi di rete CONTENUTI F2.1 Le reti di computer F2.2 Topologie di rete F2.3 Il cablaggio F2.4 Le reti wireless F2.5 Il modello ISO/OSI e Internet F2.6 I dispositivi di rete F2.7 Gli indirizzi IP F2.8 La rete Internet F2.9 I servizi di Internet F2.10 DNS, domini e registrazione di siti F2.1 Le reti di computer I computer vengono connessi in rete per comunicare tra di loro e per condividere risorse. Per risorse si intende, per esempio, una stampante oppure una cartella del disco rigido. Per connettere i computer in rete necessario dotarli di una scheda aggiuntiva, la scheda di rete [ gg. F2.1- F2.2], comunemente chiamata scheda Ethernet. Si crea in tal modo una LAN (Local Area Network), ossia una rete locale. Connettore fbra ottica F2.1 Scheda Ethernet per connessione in fibra di vetro. Connettore RJ45 F2.2 Scheda Ethernet per connessione twisted pair. A seconda della dimensione dellõarea geografica in cui sono dislocati i PC, le reti possono essere classificate in reti locali LAN (e MAN) e reti geografiche WAN (e GAN), come mostrato nella tabella F2.1. TABELLA F2.1 Ð Classificazione delle rete in base alla distanza Area coperta Distanza Tipo di rete Stanza 10 metri LAN Edificio 100 metri LAN Campus 1 kilometro LAN Cittˆ 10 kilometri MAN Area metropolitana 100 kilometri MAN Stato o Nazione 1000 kilometri WAN Continente 5000 kilometri WAN Pianeta kilometri GAN C1.5 Le fasi di creazione di un programma Con produzione del sofware si intende il procedimento che porta dall idea dell algoritmo alla sua effettiva codifica ed esecuzione su un computer. La realizzazione di un prodotto sofware viene fatta mediante le seguenti fasi o attività [fig. C1.32]. Editing del programma sorgente Compilazione del programma sorgente Errori? Link del programma oggetto Errori? FALSO FALSO Esecuzione del programma Funziona? VERO VERO VERO FALSO C1.32 Flowchart che mostra le fasi di creazione di un programma. na. Il programma in questa fase prende il nome di programma oggetto. Link: il programma oggetto viene collegato ad altri eventuali programmi oggetto portando alla creazione del prodotto finale, il programma eseguibile. Esecuzione: il computer, tramite il suo hardware e sofware di base, esegue fisicamente le istruzioni del programma. Al termine della compilazione si ottiene appunto il programma eseguibile, che viene memorizzato in un file autonomo con estensione.exe. Questo file potrà essere eseguito ogniqualvolta l utente lo riterrà opportuno, in quanto per funzionare non ha bisogno di avere a disposizione il compilatore e neppure il programma sorgente. C1.6 Gli ambienti di sviluppo Attualmente esistono degli strumenti che coadiuvano il programmatore durante la scrittura dei programmi. Tali strumenti si possono suddividere in: IDE; framework; SDK. IDE Gli ambienti di sviluppo IDE (Integrated Development Environment) sono sofware che aiutano i programmatori nella codifica di un programma. Normalmente consistono in un editor per la scrittura del codice sorgente, un compilatore, un generatore automatico di codice e un debugger. Sebbene siano in uso alcuni IDE multilinguaggio, come Eclipse, NetBeans e Visual Studio [fig. C1.33], generalmente gli IDE sono rivolti a uno specifico linguaggio di programmazione, come per esempio Delphi o Apple Xcode [fig. C1.34]. Framework Ogni unità presenta la pianificazione didattica dell unità con gli obiettivi e i contenuti. I contenuti, scanditi in paragrafi, costituiscono i segmenti fondamentali del percorso didattico. La trattazione, semplice e funzionale, è ricca di riferimenti normativi ed esempi contestuali. Editing: scrittura della codifica del programma tramite un sofware apposito (sofware di sviluppo) oppure tramite un semplice editor (per es.: Blocco note). Il programma scritto in questa fase prende il nome di programma sorgente oppure semplicemente di codice. Compilazione: è una fase nella quale il programma sorgente viene tradotto in linguaggio macchi- I framework vengono usati per descrivere tutta la struttura operativa nella quale viene elaborato un programma. Un framework, a differenza di un IDE, consente al programmatore di realizzare applicazioni senza scrivere neanche una riga di codice. Un tipico esempio di framework è rappresentato dall ambiente.net di Microsof [fig. C1.35] oppure da PHP Zend [fig. C1.36], nel quale si possono disegnare le pagine web senza dover necessariamente scrivere il pro-

12 X 88 modulo B Misurazione e controllo le ESErciTAzioni Informatica: esercitazione guidata B2.2 Individuazione dei componenti di alcuni strumenti di misura di grandezze elettriche Completare i disegni sottostanti inserendo negli appositi riquadri i nomi dei componenti degli strumenti di misura rappresentati. evoluzione e software unità C1 121 esercitazione guidata C1.1 Diverse esercitazioni guidate, fornite di possibili procedure risolutive e di fonti di consultazione, consentono all allievo di acquisire e consolidare le abilità di base. Ordinamento dei dispositivi Ordinare cronologicamente i seguenti dispositivi, collocandoli nella corretta generazione informatica ed elencandone le principali caratteristiche. Dispositivo Ordine Generazione Caratteristiche principali a. prima seconda terza quarta b. prima seconda terza quarta c. prima seconda terza quarta d. prima seconda terza quarta e. prima seconda terza quarta f. prima seconda terza quarta g. prima seconda terza quarta verifca degli obiettivi unità E2 1 Il software pacchettizzato viene sviluppato su commessa per soddisfare le esigenze di uno specifco cliente. Vero Falso 7 Il programmatore di videogames è un tecnico informatico. 2 Indicare le diverse categorie di software: Vero Falso modulo E verifca degli obiettivi le VErificHE In cosa consiste l ERP (max 15 parole)? 4 Cosa si intende per software embedded (max 30 parole)? 5 Cosa si intende per software desktop (max 20 parole)? 6 Indicare ruoli e compiti del programmatore informatico (max 30 parole). 8 Il programmatore di cellulari è un tecnico di telecomunicazioni. Vero Falso 9 In cosa consiste la trasmissione via etere (max 20 parole)? 10 La rete telematica è di esclusiva competenza di un tecnico di TLC. Vero Falso 11 L installatore di impianti di telecomunicazione e reti può svolgere l attività come dipendente di imprese che lavorano per gestori di reti di telefonia fssa o mobile. Vero Falso 12 Indicare almeno sei attività in cui è necessario in ogni istante trasmettere e ricevere informazioni a distanza: Il primo microprocessore prodotto nel 1971 lõlntel Vero Falso 2 Dare una definizione di domotica (max 15 parole). 3 Cosa si intende con la targa di un dispositivo elettrico commerciale (max 15 parole)? 4 Elencare i principali tipi di motori elettrici: Dare una definizione di impianto elettrico (max 20 parole). 6 In cosa consistono il software dedicato e il software pacchettizzato (max 30 parole)? 7 Quali sono le attivitˆ connesse allõhardware (max 15 parole)? 8 Indicare i tre attori della filiera produttiva del software: Indicare le principali differenze tra project manager e product manager (max 20 parole). 10 Indicare tra analista [A] e programmatore [P] chi esegue le seguenti attivitˆ: a. [ ] sviluppa il software nei vari linguaggi b. [ ] crea algoritmi per le singole fasi del programma c. [ ] traduce le esigenze del cliente in un progetto funzionante d. [ ] verifica il funzionamento di un prototipo del programma e. [ ] analizza le esigenze del cliente f. [ ] si occupa del testing e del debugging del programma g. [ ] coordina un gruppo di programmatori h. [ ] scrive la guida al funzionamento sia online sia su carta i. [ ] effettua la manutenzione del software 11 Il web designer costruisce lõarchitettura del sito. Vero Falso 12 Indicare almeno quattro attivitˆ che richiedono la trasmissione a distanza: In quale settore il learning by doing costituisce un requisito di professionalitˆ? 14 Il tecnico manutentore di apparati di telefonia pu svolgere lõattivitˆ come dipendente di imprese che lavorano per gestori di reti di telefonia fissa o mobile. Vero Falso Alla fine di ogni unità è collocata una verifica di unità, consistente in una serie di prove a scelta multipla e di esercizi di completamento, finalizzata a valutare la preparazione sugli argomenti affrontati. Ciascun modulo si chiude con una verifica di modulo che ha lo scopo di testare l acquisizione di competenze specifiche, attraverso l applicazione ragionata di quanto appreso nelle unità. Nel modulo A, Materiali di interesse industriale, sono presi in esame gli elementi di base dei materiali metallici ferrosi e dei materiali non ferrosi. Per quanto riguarda i materiali ferrosi, vengono trattate le proprietà dei materiali, il ferro e le sue leghe, le ghise, gli acciai e i trattamenti termici. Relativamente ai materiali non ferrosi, vengono trattati il legno, le resine, le materie plastiche, le gomme e i materiali compositi. Si propongono, inoltre, elementi di base relativi all uso dei materiali nelle tecnologie elettriche ed elettroniche e nell edilizia. Il modulo B, Misurazione e controllo, affronta nella prima unità le basi della metrologia, gli errori di misurazione, gli strumenti campione e gli strumenti di misura della lunghezza. Nella seconda unità vengono presentati i concetti di grandezza elettrica, gli strumenti di misura per grandezze elettriche, gli amperometri e i galvanometri. La terza unità illustra le metodologie per effettuare le misurazioni sui dispositivi passivi lineari.

13 XI Nel modulo C, Elaborazione dei dati, dopo aver illustrato le tappe principali che hanno segnato l evoluzione dell hardware e del sofware, vengono presentate le caratteristiche dei principali linguaggi di programmazione, degli strumenti e delle tecniche basilari per lo sviluppo di applicazioni informatiche. La seconda unità illustra i principali meccanismi e criteri di rappresentazione dell informazione nel mondo digitale. In particolare, vengono presentate le modalità di codifica dell informazione numerica e non numerica. Il modulo D, Sicurezza e salute, introduce gli elementi di antinfortunistica e presenta la legislazione relativa alla sicurezza. In particolare, nella prima unità si trattano salute, sicurezza, ergonomia, elementi di primo soccorso, barriere architettoniche e informazioni sulla pianificazione del territorio. Nella seconda unità si affrontano elementi di legislazione antinfortunistica, sicurezza negli ambienti di lavoro, rischio elettrico, pericolo di incendio e viene presentato anche il DLgs 81/2008. Nel modulo E, Applicazioni e figure professionali, dopo aver presentato l evoluzione del settore elettrico ripercorrendo cronologicamente le tappe fondamentali che hanno portato all impiego dell elettronica nell automazione, vengono elencate le principali figure professionali che operano nell ambito dell elettronica e dell elettrotecnica. La seconda unità mette in luce le principali applicazioni dell informatica e delle telecomunicazioni, presentando le figure professionali di riferimento per tali discipline. Il modulo F, Sistemi di telecomunicazione, affronta nella prima unità lo studio delle tecniche per la trasmissione a distanza delle informazioni, analizzando le modalità con le quali vengono trasmessi i segnali. Nella seconda unità vengono riportati i concetti fondamentali delle reti considerando sia l aspetto topologico, basato sugli elementi che consentono il cablaggio e la implementazione, sia l aspetto teorico relativo alla progettazione e alla comprensione dei principali protocolli alla base dei modelli ISO/OSI e Internet. Luigi Caligaris Stefano Fava Carlo Tomasello Paolo Camagni Riccardo Nikolassy

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15 modulo a materiali di interesse industriale A1 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro A2 Materiali speciali e loro utilizzo Prerequisiti Conoscenze I simboli chimici dei principali elementi La tecnica di rappresentazione a blocchi Abilità Interpretare formule chimiche Descrivere le differenze principali tra metalli e non metalli Interpretare reazioni chimiche Descrivere le reazioni di ossidazione Obiettivi Conoscenze I fondamenti della struttura della materia Le proprietà dei materiali Abilità Riconoscere i principali materiali di interesse industriale Descrivere le principali caratteristiche dei materiali metallici e non metallici in relazione alle tipologie di impiego Competenza di riferimento Individuare le proprietà dei materiali, i relativi impieghi, i processi produttivi e i trattamenti

16 modulo A verificadeiprerequisiti 1. Dare la definizione di atomo (max 20 parole). 2. Il numero atomico corrisponde al numero di protoni contenuto nel nucleo di un atomo? Vero Falso 3. Il numero di massa atomica si ottiene sommando il numero di... e il numero dei contenuti nel nucleo atomico. 4. Dare la definizione di molecola (max 30 parole). 5. Assegnare a ogni simbolo il relativo elemento chimico. a. H... d. Al... b. Li... e. Cu... c. K... f. Hg Assegnare a ogni elemento il relativo simbolo chimico. a. Ferro... d. Potassio... b. Elio... e. Azoto... c. Argento... f. Piombo Descrivere la differenza fra un elemento metallico e uno non metallico (max 30 parole). 8. Il carbonio è un metallo. Vero Falso 9. Completare le seguenti formule di reazione chimica. a. Cu + S... d. 2Ca + O 2... b. Na + Cl... e. P 2 O 3 + H 2 O... c. C + O 2... f. P 2 O 3 + 2H 2 O Indicare il nome dei seguenti composti chimici. a. FeO... d. H 2 SO 4... b. NaCl... e. HgCl... c. CO 2... f. NaHSO Scrivere la formula chimica dei seguenti composti. a. Acqua... b. Ossido di carbonio... c. Metano... d. Ammoniaca Definire la radioattività (max 30 parole). 13. I due principali componenti dell atmosfera sono l... e l Una reazione endotermica avviene con emissione di calore. Vero Falso 15. Indicare il significato della forma delle caselle utilizzate in un diagramma di flusso. a. Ellisse... b. Parallelogramma... c. Rettangolo... d. Rombo...

17 UNITÀ a1 CaratteristiCHe dei materiali e leghe del FerrO 3 ObIeTTIVI conoscenze Le principali proprietà dei materiali Le fasi fondamentali del processo siderurgico Abilità Descrivere le caratteristiche chimiche e tecnologiche dei principali materiali Descrivere le fasi fondamentali del processo siderurgico Riconoscere i principali trattamenti termici e i loro effetti CONTeNUTI a1.1 I materiali: generalità a1.2 Proprietà dei materiali a1.3 Ferro e sue leghe a1.4 La ghisa a1.5 L acciaio a1.6 Trattamenti termici delle leghe del ferro A1.1 i materiali: generalità La conoscenza delle caratteristiche dei materiali d uso più comune rende possibile la loro applicazione nelle diverse costruzioni, in modo corretto ed economico. La tecnologia è la scienza che studia i materiali, la composizione, le caratteristiche, le lavorazioni necessarie per le trasformazioni e il loro impiego. I materiali, dal punto di vista della composizione, si possono suddividere in tre grandi famiglie [fig. A1.1]: materiali naturali: sono quelli che vengono utilizzati così come si trovano in natura (pietre, sabbia, legno, lana ecc.); materiali naturali modificati: sono quelli che conservano inalterata la loro composizione interna ma sono parzialmente trasformati dall uomo nella forma e nelle caratteristiche (legno compensato, pelle conciata, tessuto, benzina, rame ecc.); materiali artificiali: sono quelli la cui composizione è completamente nuova perché ottenuta attraverso particolari processi di trasformazione (cemento, carta, leghe metalliche, gomma, plastica, tessuti acrilici ecc.). Considerando, invece, le caratteristiche di comportamento più appariscenti, si possono dividere i materiali in quattro categorie [fig. A1.2]: metalli: sono solidi a temperatura ambiente (eccetto il mercurio), buoni conduttori di calore e di elettricità, lucenti, opachi alla luce, deformabili, resistenti a sollecitazioni esterne; per esempio: ferro, argento, oro, nichel, cromo, cobalto, zinco, piombo ecc.; NATURALI Esistenti in natura COMPOSIZIONE DEI MATERIALI NATURALI MODIFICATI Parzialmente modifcati ARTIFICIALI Completamente nuovi a1.1 Suddivisione dei materiali in base alla loro composizione.

18 4 modulo A Materiali di interesse industriale non metalli: sono generalmente di struttura amorfa o gassosa, cattivi conduttori di calore ed elettricità, poco resistenti a sollecitazioni esterne; per esempio: zolfo, fosforo, azoto, ossigeno ecc.; leghe: sono ottenute mediante l unione di più elementi; esse presentano delle caratteristiche migliori degli elementi di partenza; per esempio: ottone (rame e zinco), bronzo (rame e stagno), acciaio (ferro e carbonio) ecc.; miscugli: sono costituiti dalla miscela di più elementi ciascuno dei quali conserva le caratteristiche originali; per esempio: granito (minerali, sabbia e legante), calcestruzzo (cemento, sabbia, ghiaia ecc.). COMPORTAMENTO DEI MATERIALI a1.2 Suddivisione dei materiali in base alle caratteristiche di comportamento. Nella scelta del materiale da utilizzare per costruire un oggetto occorre considerare i seguenti fattori: proprietà: sono caratteristiche di ogni materiale e devono garantire la funzionalità dell oggetto; trasformazioni: servono a soddisfare le esigenze imposte dal progetto; costo: deve essere in rapporto al valore del prodotto finito. Il costo di mercato del materiale incide sempre di meno nella determinazione del valore del prodotto finito, essendo elevato il costo della manodopera e delle attrezzature quasi sempre automatizzate (valore aggiunto). A1.2 proprietà dei materiali METALLI NON METALLI LEGHE MISCUGLI Tutti i materiali hanno delle proprietà caratteristiche che li differenziano notevolmente. La conoscenza di queste ultime consente di utilizzare il materiale più idoneo a ogni specifica applicazione. Le proprietà dei materiali possono essere così classificate [fig. A1.3]: chimiche: riguardano la composizione chimica del materiale e la sua struttura interna; fisiche: esprimono le caratteristiche legate alla natura stessa del materiale e al suo comportamento in relazione agli agenti esterni, quali il calore, la gravità, l elettricità; meccaniche: si riferiscono alla capacità del materiale di resistere alle sollecitazioni (insieme dei carichi esterni) a cui viene sottoposto durante il suo impiego, come pressione, trazione, flessione, compressione, urti e taglio; tecnologiche: rappresentano l attitudine del materiale a essere trasformato mediante lavorazione. proprietà fisiche temperatura di fusione (t f ) Si definisce temperatura di fusione (t f ) la temperatura alla quale, per un determinato materiale, si verifica il passaggio dallo stato solido a quello liquido. In base a questa caratteristica i materiali si dividono nelle seguenti categorie: refrattari: sono quelli per i quali la temperatura di fusione risulta superiore a 2000 C; per esempio: leghe metalliche speciali, ceramiche, refrattari silicoalluminati, refrattari magnesiaci ecc.; normali: materiali con temperatura di fusione compresa fra 500 e 2000 C; per esempio: ferro, ghisa, acciaio, rame, alluminio ecc.; basso fondenti: materiali con temperatura di fusione inferiore a 500 C; per esempio: piombo, stagno ecc. Nella tabella A1.1 sono riportate le temperature di fusione, alla pressione atmosferica, dei principali materiali. Massa volumica (M v ) Si definisce massa volumica (M v ) il rapporto fra la massa di un corpo, espressa in kg, e il suo volume espresso in m 3. massa kg M v = = volume m 3 Prima dell introduzione del Sistema Internazionale di misura (SI), la massa volumica (M v ) veniva chiamata peso specifico. Nella pratica di laboratorio spesso si utilizza la massa volumica espressa in kg/dm 3 = 10 3 kg/m 3. La tabella A1.2 riporta il valore della massa volumica dei principali materiali. Sono chiamate leghe leggere quelle a base di alluminio con massa volumica inferiore a 4000 kg/m 3 e leghe ultraleggere quelle a base di magnesio con massa volumica inferiore a 2000 kg/m 3.

19 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A1 5 CHIMICHE Ossidazione Corrosione PROPRIETÀ DEI MATERIALI FISICHE MECCANICHE Temperatura di fusione Massa volumica Capacità termica massica Dilatazione termica Resistenza alla deformazione Resilienza Resistenza a fatica Durezza Resistenza all'usura TECNOLOGICHE Fusibilità, saldabilità Truciolabilità, plasticità Malleabilità, duttilità Estrudibilità, imbutibilità Piegabilità ecc. a1.3 Proprietà caratteristiche dei materiali. TAbellA A1.1 temperatura di fusione t f dei principali materiali Materiale t f [ C] Materiale t f [ C] Materiale t f [ C] Acciaio ~1500 Ghisa ~1300 Piombo 327 Alluminio 658 Ferro 1535 Platino 1772 Antimonio 630 Magnesio 651 Rame 1083 Argento 960 Mercurio 38,87 Silicio 1420 Bronzo ~950 Nichel 1455 Stagno 232 Carbonio >1600 Oro 1063 Tungsteno 3380 Cromo 1800 Ottone ~900 Zinco 419,4 TAbellA A1.2 Massa volumica M v [kg/m 3 ] dei principali materiali Materiale M v Materiale M v Materiale M v Acciaio 7850 Gomma dura 1200 Piombo Alluminio 2700 Laterizi comuni 2000 Platino Argento 8500 Legno di abete 450 Rame commerciale 8900 Bachelite 1300 Legno di pino 545 Sabbia secca 1500 Bronzo 8000 Legno di quercia 850 Stagno 7280 Calcestruzzo armato 2400 Magnesio 1750 Terreno secco 2580 Carbone coke 600 Mercurio Titanio 4500 Ceramica 2400 Nichel 8800 Tungsteno Ferro 7860 Oro Vetro 2400 Ghisa 7250 Ottone 8500 Zinco 7100

20 6 modulo A Materiali di interesse industriale capacità termica massica (C tm ) Si definisce capacità termica massica (C tm ), a volte detta anche calore specifico (C s ), la quantità di calore, espressa in J, necessaria per innalzare di 1 C la massa di 1 kg di sostanza. calore J C tm = = intervallo di temperatura. massa C. kg Il valore della capacità termica massica varia in funzione della temperatura. Nella tabella A1.3 sono riportati i valori medi, nell intervallo di temperatura da 0 a 100 C, per i principali materiali. Dilatazione termica (α) Si definisce dilatazione termica l attitudine dei materiali di variare il proprio volume al cambiare della temperatura. Nel caso di solidi con una dimensione prevalente sulle altre (fili, barre ecc.), la dilatazione più significativa è quella che si verifica lungo l asse più lungo e viene detta dilatazione lineare [fig. A1.4]. l i Barretta l _ f l i (Allungamento) (Lunghezza iniziale a temperatura t i ) l f (Lunghezza fnale a temperatura t f ) a1.4 Dilatazione termica lineare dei materiali. Si definisce coefficiente di dilatazione lineare (α) l incremento di lunghezza che subisce il materiale (l f l i ) rapportato alla lunghezza iniziale (l i ) e all aumento di temperatura (t f t i ): l f l i m 1 α = = = l i (t f t i ) m C C Nella tabella A1.4 sono riportati i valori medi dei coefficienti di dilatazione lineare dei principali materiali, calcolati nell intervallo di temperatura tra 0 e 100 C. TAbellA A1.3 capacità termica massica C tm [J/ c kg] dei principali materiali Materiale C tm Materiale C tm Materiale C tm Acciaio 519 Carbonio grafitico 1176 Ottone 377 Acqua 4186 Ghisa grigia 540 Piombo 134 Alluminio 938 Ferro 532 Rame 383 Argento 233 Nichel 515 Stagno 226 Bronzo 352 Oro 131 Zinco 385 TAbellA A1.4 coefficienti medi di dilatazione lineare α in un 1/ c nell intervallo c Materiale α 10 3 Materiale α 10 3 Materiale α 10 3 Acciaio 0,0120 Ferro 0,0123 Platino 0,0090 Alluminio 0,0237 Ghisa 0,0090 Rame 0,0166 Argento 0,0189 Manganese 0,0230 Stagno 0,0270 Cemento Portland 0,0140 Nichel 0,0130 Tungsteno 0,0043 Cromo 0,0080 Oro 0,0142 Vetro di quarzo 0,0005 Bronzo - Ottone 0,0180 Piombo 0,0290 Zinco 0,0270

21 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A1 7 proprietà meccaniche Le proprietà meccaniche esprimono la capacità di un materiale di resistere alle azioni provocate dalle forze esterne che tendono a deformarlo. La capacità di contrasto che offre il materiale costituisce la sua caratteristica meccanica e può cambiare in funzione della forza applicata. Si elencano, ora, i diversi tipi di forze [fig. A1.5] per poter definire le corrispondenti caratteristiche meccaniche. Forze statiche: sono applicate in modo costante o variano lentamente nel tempo; per esempio: forze applicate a funi, a macchine di sollevamento [fig. A1.5a]. La capacità dei materiali di contrastare gli effetti delle forze statiche è detta resistenza alla deformazione. Forze dinamiche: sono applicate in tempi brevi (< 0,1 secondi, forze d urto); per esempio: martellatura all incudine, lavorazione al maglio [fig. A1.5b]. La capacità dei materiali di contrastare gli effetti delle forze dinamiche è detta resilienza. Forze periodiche: sono variabili periodicamente con un andamento che si ripete costantemente nel tempo e con frequenza elevata; per esempio: forze applicate alla biella del motore a scoppio [fig. A1.5c]. La capacità di resistere alle forze periodiche è detta resistenza a fatica. Forze concentrate: sono applicate in zone ristrette o puntiformi; per esempio: scalpellatura, punzonatura [fig. A1.5d]. La capacità dei materiali di contrastare gli effetti delle forze concentrate si chiama durezza. Forze di attrito: si manifestano tra le superfici di contatto di due corpi mobili, fra loro striscianti (attrito radente, fig. A1.5e) o rotolanti (attrito volvente, fig. A1.5f); per esempio: pattini a coltello, cuscinetto a sfere. La capacità dei materiali di contrastare le forze di attrito si chiama resistenza all usura. Le forze statiche applicate dall esterno ai corpi si chiamano carichi e generano, nel loro interno, un insieme di sollecitazioni che tendono a deformarli. Prendendo, per esempio, in considerazione un albero (solido cilindrico di forma allungata) si possono considerare i diversi tipi di sollecitazione generati dalle forze esterne applicate. La figura A1.6 riporta la rappresentazione schematica dei tipi di sollecitazioni che di seguito si descrivono. Forza statica (a) Forza dinamica (b) Forza periodica (c) V V Forza concentrata (d) a1.5 Diversi tipi di forze applicate ai corpi. Forza di attrito radente (e) Forza di attrito volvente (f)

22 8 modulo A Materiali di interesse industriale trazione Le forze, applicate esternamente, sono dirette lungo l asse del corpo e tendono ad allungarlo [fig. A1.6a]. compressione Le forze, applicate esternamente, sono dirette lungo l asse del corpo e tendono ad accorciarlo [fig. A1.6b]. Le sollecitazioni di trazione e compressione sono dette anche sollecitazioni assiali. una forma per ottenere un getto di fusione [fig. A1.7]. Questa proprietà risulta influenzata dal punto di fusione, dalla fluidità del materiale allo stato liquido, dall assenza di difetti dei getti (porosità, soffiature ecc.). Sono fusibili le ghise, i bronzi, gli ottoni e le leghe. flessione Le forze esterne agiscono su un piano perpendicolare all asse principale e tendono a flettere il corpo, cioè a piegarlo [fig. A1.6c]. (a) (b) (c) Trazione Compressione Flessione torsione Le forze esterne agiscono su un piano perpendicolare all asse del corpo e tendono a torcerlo, cioè a fare ruotare reciprocamente le diverse sezioni dell albero facendolo torcere [fig. A1.6d]. taglio Le forze esterne applicate agiscono in direzione perpendicolare all asse principale e tendono a recidere due sezioni trasversali adiacenti del corpo [fig. A1.6e]. A questa azione si oppone la durezza del materiale. (d) Torsione a1.6 Diversi tipi di sollecitazioni generate da forze esterne. (e) Taglio proprietà tecnologiche Le proprietà tecnologiche definiscono l attitudine dei materiali a essere trasformati mediante lavorazioni. Le più importanti, riportate nelle figure A1.7 A1.14, sono: fusibilità, saldabilità, truciolabilità, plasticità, malleabilità, duttilità, estrudibilità, imbutibilità e piegabilità. Siviera Pezzo di fusione Materiale fuso Forma fusibilità È l attitudine di un materiale a essere colato allo stato liquido dentro a1.7 Proprietà tecnologica della fusibilità.

23 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A1 9 saldabilità È l attitudine di un materiale a unirsi facilmente con un altro, di uguale o diversa natura, tramite fusione e/o aggiunta di materiale d apporto [fig. A1.8]. Un materiale risulta saldabile quando garantisce una giunzione resistente, compatta e inalterabile. Sono saldabili il ferro, gli acciai dolci e le leghe metalliche in genere. Cordone di saldatura Materiale d apporto Cannello plasticità È la proprietà che manifestano alcuni materiali di deformarsi permanentemente, senza screpolarsi o rompersi, sotto l azione di forze esterne. A seconda dei sistemi di deformazione e della forma finale ottenuta, si distinguono le successive proprietà tecnologiche. Malleabilità È l attitudine di un materiale a lasciarsi ridurre, a caldo o a freddo, in lamine, senza screpolarsi o rompersi, mediante l azione di presse, magli o laminatoi [fig. A1.10]. Sono malleabili i materiali che possono subire un buon allungamento, che presentano una bassa durezza e limitata resistenza a trazione. L operazione che sfrutta questa proprietà si chiama laminazione e i prodotti ottenuti si dicono laminati. Cilindro del laminatoio a1.8 Proprietà tecnologica della saldabilità. Pezzi da saldare truciolabilità È l attitudine di un materiale a subire lavorazioni con asportazione di truciolo, mediante l utilizzo di utensili montati su opportuna macchina (utensili per tornio, frese, punte elicoidali ecc., fig. A1.9). Risultano truciolabili le ghise, gli acciai al piombo (acciai automatici), i bronzi, l alluminio e le sue leghe (leggere), il magnesio e le sue leghe (ultraleggere). a1.10 Proprietà tecnologica della malleabilità. Laminato Trucioli Utensile fresa Duttilità È l attitudine di un materiale a lasciarsi ridurre in fili senza rompersi se costretto a passare (per trazione) attraverso un foro di forma e dimensione opportune [fig. A1.11]. Matrice Pezzo da fresare a1.9 Proprietà tecnologica della truciolabilità. Traflato a1.11 Proprietà tecnologica della duttilità.

24 10 modulo A Materiali di interesse industriale Sono duttili l acciaio dolce, l argento, l oro, l alluminio, il rame, le leghe speciali di acciaio al nichel-cromo e al magnesio. L operazione che sfrutta questa proprietà si chiama trafilatura e i prodotti ottenuti trafilati. estrudibilità È l attitudine di un materiale ad assumere forme determinate se costretto a passare (per spinta) attraverso un foro sagomato [fig. A1.12]. Sono estrudibili gli acciai dolci e le leghe leggere. L operazione che sfrutta questa proprietà è detta estrusione e i prodotti ottenuti estrusi (per esempio, i profilati di alluminio). Forza di spinta della pressa Lamiera imbutita Premilamiera Punzone Lamiera piana Stampo imbutibilità È l attitudine di un materiale a lasciarsi deformare a freddo, ottenendo corpi cavi, senza rompersi o screpolarsi [fig. A1.13]. Sono imbutibili gli acciai extradolci, il rame, l ottone, l alluminio. L operazione che sfrutta questa proprietà si chiama imbutitura e i prodotti ottenuti stampati (per esempio, la carrozzeria dell auto). piegabilità È l attitudine di alcuni materiali a subire l operazione di piegatura senza rompersi o screpolarsi [fig. A1.14]. Sono facilmente piegabili gli acciai dolci e, in generale, tutti i materiali malleabili. a1.13 Proprietà tecnologica della imbutibilità. S D D + 3S R = 25 mm per S²12 mm R = 50 mm per S>12 mm a1.14 Proprietà tecnologica della piegabilità. R Piegatura a 180 con lembi distanziati Forza di spinta della pressa Punzone A1.3 ferro e sue leghe Il ferro è un elemento metallico con simbolo chimico Fe, temperatura di fusione 1535 C, duttile, malleabile, magnetizzabile, che si ossida facilmente (formazione di ossido di ferro, detto comunemente ruggine). Estruso a1.12 Proprietà tecnologica della estrudibilità. Matrice Materiale Per la sua duttilità, il ferro era utilizzato a scopi decorativi e per la produzione di armi fin dalla preistoria. È disponibile in natura sotto forma di minerali costituendo il quarto elemento, in ordine di abbondanza, sulla superficie terrestre, dopo l ossigeno, il silicio e l alluminio. Piccole quantità di composti di ferro sono presenti nelle acque, nelle piante e in quasi tutti gli alimenti. Il ferro, sotto forma di composto, viene somministrato come medicinale tonico e nel trattamento dell anemia, quando la quantità di emoglobina o il numero di globuli rossi nel sangue sono inferiori alla norma.

25 Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro unità A1 11 Attualmente è utilizzato allo stato quasi puro per la produzione della lamiera zincata e di elettromagneti. Più frequentemente lo si trova sul mercato sotto forma di leghe ferro-carbonio che vengono definite in funzione della percentuale di carbonio presente e più precisamente [fig. A1.15]: meno di 0,008% ferro (acciaio extradolce); da 0,008 a 0,1% acciaio dolce; da 0,1 a 2% acciaio; da 2 a 6,67% ghisa. Si chiama siderurgia il settore della metallurgia che studia i minerali da cui si ricava il ferro, le sue combinazioni con il carbonio e i processi tecnologici per la produzione delle leghe ferro-carbonio: ghisa e acciaio. Le fasi che costituiscono il processo siderurgico con il quale si ricava il ferro e le sue leghe sono le seguenti [fig. A1.16]: preparazione: consiste nel preparare in modo adeguato le materie prime che sono: i minerali di ferro, il carbon fossile (coke) e il calcare, usato come fondente; trasformazione: viene effettuata nell altoforno, grande forno verticale dove, dalle materie prime, si ottiene la ghisa di prima fusione (ghisa madre); affinazione: avviene nei convertitori, forni che consentono di ottenere l acciaio dalla ghisa di prima fusione; laminazione: viene eseguita con un complesso di macchinari, detti laminatoi, che consentono di ottenere, mediante deformazione plastica a caldo, i semilavorati (billette, blumi, barre profilate di diversa forma). FERRO (Acciaio extradolce) <0,008% di C ACCIAIO DOLCE da 0,008 a 0,1% di C LEGHE FERRO-CARBONIO ACCIAIO da 0,1 a 2% di C a1.15 Leghe ferro-carbonio in funzione della percentuale di presenza dei carbonio nel ferro. GHISA da 2 a 6,67% di C Materie prime: minerali di ferro coke fondente aria a1.16 Fasi principali del processo siderurgico. Riscaldamento e centrale elettrica Fumi ALTOFORNO Scorie Scambiatori di calore (Cowper) Lana di loppa Cementi d altoforno Aria calda Ghisa di prima fusione Rottami di acciaio Cubilotto Convertitori Ghisa di seconda fusione Acciaio Colata: continua in lingottiera Barre Lingotti Laminatoio Lamiere Proflati Fusioni in ghisa Utilizzazione

26 12 modulo A Materiali di interesse industriale Materie prime I minerali da cui si estrae il ferro sono: magnetite: ossido di ferro (FeO Fe 2 O 3 ) di colore grigio-ferro, aspetto metallico, ferromagnetico; ematite: ossido di ferro (Fe 2 O 3 ), di colore grigionero o rossastro, lamellare o granulare, fragile; limonite: idrossido di ferro (2Fe 2 O 3 3H 2 O), di colore giallo-limone tendente al bruno, fibroso, terroso, opaco; siderite: carbonato di ferro (FeCO 3 ), di colore giallognolo o bruno, lucente, vitreo; pirite: solfuro di ferro (FeS 2 ), di colore giallo-ottone, lucente, fragile. altoforno L altoforno è un grosso forno verticale di altezza pari a m e di diametro massimo di m, sorretto da una robusta incastellatura metallica (mantello) che sostiene una muratura in mattoni refrattari. Con esso si possono produrre, mediamente, tra le 2000 e le 4500 tonnellate di ghisa al giorno. Le parti fondamentali dell altoforno sono [fig. A1.17]: bocca: costituita dai dispositivi di caricamento, apertura, chiusura, raccolta e convogliamento dei fumi; tino: di forma tronco-conica divergente verso il basso per facilitare la discesa dei materiali e tenere conto della loro dilatazione; ventre: parte centrale dell altoforno dove viene raggiunto il diametro massimo; sacca: costruita a forma troncoconica con sezione decrescente per compensare la diminuzione del volume di materiale che comincia a fondere e a precipitare sotto forma di grossi goccioloni liquidi. Nella parte inferiore sono disposti gli ugelli dai quali viene insufflata l aria calda necessaria alla combustione; crogiolo: di forma cilindrica, serve a raccogliere la ghisa fusa; nella parte superiore viene praticato un foro per lo scarico delle scorie e nella parte inferiore un altro per la colata della ghisa. funzionamento dell altoforno Le materie prime opportunamente preparate (pellettizzazione) vengono caricate dalla bocca dove cominciano a riscaldarsi fino a raggiungere la temperatura di 400 C, eliminando l umidità dei materiali (essiccamento, fig. A1.17, zona 1). La carica solida, nel suo cammino di discesa verso il basso, incontra la corrente ascendente dei gas ottenuti dall aria compressa preriscaldata introdotta dagli ugelli ad alta velocità. L ossigeno contenuto nell aria, infatti, reagisce con il carbone (C) generando ossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO 2 ) e sviluppando calore. Nel tino il minerale di ferro (per esempio, l ematite Fe 2 O 3 ) comincia a reagire con l ossido di carbonio riscaldandosi fino a raggiungere la temperatura di 800 C. Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2 + calore Questa reazione si chiama di riduzione indiretta (fig. A1.17, zona 2) perché non ottenuta dal carbonio ma dall ossido di carbonio. Proseguendo nella sua discesa il minerale di ferro subisce una riduzione diretta (fig. A1.17, zona 3) combinandosi con il carbon coke. Fe 2 O 3 + 3C 2Fe + 3CO + calore Questa reazione fornisce ancora calore portando i materiali alla temperatura di 1350 C. PARTI COSTITUENTI ZONE FENOMENI CARATTERISTICI Tramoggia Campana piccola Raccolta fumi Campana grande Bocca Tino Ventre Sacca Vento caldo Uscita scorie Crogiolo Uscita ghisa Caricamento Apertura/chiusura bocca di caricamento Essiccamento e preriscaldamento Riduzione indiretta Riduzione diretta Carburazione Fusione Immissione aria calda Combustione Eliminazione delle scorie Colata della ghisa a1.17 Disegno schematico di un altoforno in sezione: parti fondamentali, temperature e fenomeni.