Alluminio, un moderno versatile materiale

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1 Alluminio, un moderno versatile materiale L allumino puro è un metallo di color argento, di discreta resistenza e dotato di buona duttilità malleabilità; non si trova in natura sotto forma libera ma è diffusissimo nella crosta terrestre sotto forma di composto nei minerali ( bauxite, criolite e leucite), da cui viene estratto con un costoso procedimento. L alluminio è un materiale molto giovane in quanto la scoperta di un valido ed conveniente metodo di estrazione e produzione è avvenuta solo nel 1886, ad opera Hèrault ed Hall. I due scienziati approdarono a questa scoperta in simultanea, ma fu soltanto pura coincidenza poiché lavoravano indipendentemente e vivevano l'uno in Francia, l'altro nell'ohio. Le proprietà caratteristiche di questo materiale e delle sue leghe, quali la notevole resistenza all'ossidazione, la duttilità, la malleabilità e la leggerezza, la riciclabilità,lo rendono idoneo per una ampia gamma di prodotti. L'alluminio grezzo, inoltre, può essere facilmente lavorato tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la fusione, la forgiatura e lo stampaggio. Pertanto, l alluminio, grazie all'abbondanza della materia prima bauxite ed alla sue proprietà, è il metallo più utilizzato dopo l'acciaio e viene attualmente usato in molte industrie per la fabbricazione di una vasta gamma di prodotti diversi. Ogni anno vengono utilizzati, a livello mondiale, oltre 27 milioni di tonnellate di alluminio. Circa 6 milioni di tonnellate, sono consumate in Europa. INDICE 1 INDICE 8 CELLA ELETTROLISI 2 CARATTERISTICHE 9 APPLICAZIONI 3 I MINERALI 10 DIAGRAMMA PRODOTTI 4 PRODUZIONE 5 IMPIANTO PRODUZIONE ALLUMINA 6 IMPIANTO PRODUZIONE ALLUMINIO 11 DESIGNAZIONE 12 PRINCIPALI LEGHE 13 RICICLO 7 PROCESSO ELETTROCHIMICO 14 IMPIANTO RICICLO

2 Caratteristiche L'alluminio è l'elemento chimico di numero atomico 13. Il suo simbolo è Al. Il reticolo cristallino è di tipo cubico a facce centrate ( C F C ) L'alluminio puro è un metallo tenero, leggero ma di discreta resistenza, con un aspetto grigio argento a causa del leggero strato di ossidazione che si forma rapidamente quando è esposto all'aria e che previene la corrosione. L'alluminio ha una densità di 2700 kg/m 3 e quindi pesa circa un terzo dell'acciaio o del rame; è malleabile, duttile e può essere lavorato facilmente; ha una eccellente resistenza alla corrosione e durata. Inoltre, non è magnetico, non fa scintille, ed è il secondo metallo per malleabilità e sesto per duttilità. Riassumendo le proprietà particolari dell alluminio sono : Bassa densità Buona Malleabilità e Duttilità Elevata conduttività elettrica e termica Buona Plasticità a caldo ed a freddo Insensibilità agli agenti atmosferici Buona fusibilità Scarsa resistenza meccanica allo stato puro E facilmente riciclabile Il recupero di questo metallo dai rifiuti ( attraverso il riciclaggio) è diventato una parte importante dell'industria dell'alluminio. Diversamente da motti altri materiali, l'alluminio può essere riciclato all'infinito senza perdere le sue qualità originali.il riciclaggio dell'alluminio non è una novità, è una pratica comune fin dai primi del Era comunque un'attività a basso profilo fino ai primi anni '60 quando il riciclaggio dell'alluminio delle lattine pose questa pratica sotto l'attenzione pubblica. Le fonti per il riciclaggio dell'alluminio comprendono automobili e serramenti, elettrodomestici, contenitori e altri prodotti. Il riciclaggio è molto conveniente: per produrre un chilo di alluminio pronto all'uso a partire da scarti occorre impiegare circa 1 Kwh, contro i Kwh occorrenti con il procedimento normale a partire dai minerali. Il riciclaggio consente un risparmio del 95% dell'energia richiesta per la fabbricazione dell alluminio

3 I minerali Nella tabella seguente è riportata la quantità relativa del metalli nella crosta terrestre fino ad una profondità dl m, che è stata più volte calcolata dai geologi. L alluminio è il terzo elemento per abbondanza. I METALLI NELLA CROSTA TERRESTRE Ossigeno 46,6 % Tungsteno 0,005 % Silicio 27,7 % Zinco 0,004 % Alluminio 8,13 % Piombo 0,002 % Ferro 5,0 % Berillio 0,001 % Calcio 3,6 % Stagno 0,0001 % Magnesio 2,1 % Antimonio 0,00001 % Titanio 0,63 % Cadmio 0,00001 % Manganese 0,10 % Mercurio 0,00001 % Cromo 0,037 % Bismuto 0, % Nichel 0,020 % Argenta 0, % Rame 0,010 % Platino 0, % Uranio 0,008 % Oro 0, % BAUXITE L alluminio non è presente allo stato libero, ma si trova sotto forma di minerali, dai quali viene estratto con procedimenti complessi e costosi.i minerali più diffusi contenenti alluminio sono bauxite, criolite e leucite. bauxiti Sono costituite da idrossido di alluminio. In Italia sono presenti in Istria, Dalmazia, nell Appennino Abruzzese e nel Matese, sono terre di colore rosato, rosso mattone o bianco. Contengono sempre impurità.e il materiale più usato. crioliti sono costituite da fluoruro di alluminlo e di sodio. Presenti soprattutto in Groenlandia, sono di colore bianco o grigio molto fragili e traslucide. leuciti sono costituite da feldspatoide potassico. Presenti nei vulcani dell italia Centrale, sono rocce vulcaniche alcaline, basiche o neutre; i basalti e le tefriti ne sono un esempio.

4 Produzione dell Alluminio Nonostante l'alluminio sia uno dei più abbondanti elementi della crosta terrestre (8.1%), esso è molto raro in forma libera ed era una volta considerato un metallo prezioso, con un valore superiore a quello dell'oro. In effetti quando venne scoperto come elemento chimico l'alluminio era estremamente difficile da separare dai composti di cui esso faceva parte. Per un periodo l'alluminio costò più dell'oro, ma i prezzi scesero di colpo quando nel 1889 venne scoperto un facile ed economico metodo di estrazione dalla bauxite. Solo in questa data infatti venne messo a punto, in Francia da Heroult e in America da Hall, il metodo elettrolitico di produzione del metallo da allumina ( = ossido di alluminio, Al 2 O 3 ). Per la produzione dell alluminio puro oggi comunemente si usa quale materia prima la bauxite ( le bauxiti sono costituite da idrossido di alluminio (formula chimica Al 2 O 3 nh 2 O ) sono terre di colore rosato, rosso mattone o bianco ). L'alluminio non può essere estratto direttamente dal suo minerale ( bauxite),tramite riduzione con il carbonio. La produzione avviene in due fasi diverse : 1 estrazione dell allumina dalla bauxite ( processo Bayer ) 2 produzione dell alluminio con il procedimento elettrolitico Nella prima fase, mediante un processo chimico, la bauxite ridotta in povere viene attaccata con soluzioni reagenti sino ad ottenere un precipitato sotto di polvere che prende il nome di allumina (= ossido di alluminio, Al 2 O 3 ). Nella seconda fase, l allumina viene immessa in celle elettrolitiche che contengono criolite fusa a circa 900 C che sciogli l allumina ; per effetto del passaggio della corrente elettrica l allumina si scompone in ossigeno e alluminio fuso : l alluminio fuso si deposita al fondo della cella, da cui viene raccolto. L alluminio ottenuto dalla cella elettrolitica è detto alluminio primario o di prima fusione ed è puro al 99,7 %. Con un ulteriore trattamento in un altra cella elettrolitica si può ottenere alluminio puro al 99,999 % Questo processo richiede ancora grosse quantità di energia, e le fabbriche di alluminio hanno normalmente una propria centrale elettrica nelle immediate vicinanze. Attualmente uno dei più grandi produttori di alluminio è il Canada, che grazie ai suoi grandi impianti idroelettrici importa bauxite ed esporta alluminio metallico Nonostante il costo dell'elettrolisi, l'alluminio ottenuto è ha un costo accettabile che ne consente l impiego nei più svariati settori industriali.

5 Schema Impianto Produzione Alluminio Il prodotto di partenza per la produzione dell'alluminio è costituito dal minerale BAUXITE. Nella prima fase la bauxite viene ridotta in povere e attaccata con soluzioni chimiche, fino ad ottenere un precipitato sotto di polvere che prende il nome di ALLUMINA (è un ossido di alluminio, Al 2 O 3 ). Si tratta di un vero e processo chimico e non è in processo metallurgico bauxite allumina SCHEMA IMPIANTI PRODUZIONE DELL ALLUMINA BAUXITE PRIMA FASE ALLUMINA

6 Schema Impianto Produzione Alluminio elettrolitico Nella seconda fase, l allumina viene immessa in celle elettrolitiche che contengono criolite fusa a circa 900 C che scioglie l allumina ; per effetto del passaggio della corrente elettrica l allumina si scompone in ossigeno e alluminio fuso : l alluminio fuso si deposita al fondo della cella, da cui viene raccolto. SCHEMA IMPIANTI PRODUZIONE ALLUMINIO ELETTROLITICO Al 2 O C 2 Al + 3 CO

7 Un po di elettrochimica La bauxite ha un punto di fusione di 2000 C, che è una temperatura troppo alta per essere ottenuta in maniera economica. Pertanto la bauxite viene disciolta nella criolite fusa, che abbassa il punto di fusione a circa 900 C. Attualmente la criolite è stata rimpiazzata da una miscela artificiale di alluminio, sodio, e fluoruro di calcio Gli elettrodi usati nell'elettrolisi della bauxite sono entrambi di carbonio. Una volta che il minerale è fuso, i suoi ioni sono liberi di muoversi. La reazione al catodo negativo è Al e- Al Qui gli ioni di alluminio vengono ridotti (vengono aggiunti elettroni). Il metallo di alluminio quindi affonda e viene separato. L'anodo positivo ossida l'ossigeno della bauxite, che quindi reagisce con carbonio dell'elettrodo per formare anidride carbonica: il 2O 2- O 2 + 2e- O 2 + C CO2 Questo catodo deve essere sostituito spesso perché si consuma trasformandosi in anidride carbonica. Per la produzione di 1 tonnellata di allumina sono necessari tra i e i kwh e circa t di bauxite. Per la produzione di 1 tonnellata di alluminio sono necessari 2 t di allumina e circa kwh di energia

8 Cella Elettrochimica L alluminio si ottiene attraverso l'elettrolisi (o la riduzione) dell'allumina ( Al 2 O 3 ), intendendo con ciò la sua dissoluzione in alluminio e ossigeno. L elettrolisi è un processo che avviene in apposite celle L'allumina, ottenuta dal processo chimico, è ridotta in metallo in celle elettrolitiche collegate in serie ad un generatore di corrente diretta. Schema di cella elettrolitica per la produzione di alluminio: 1) refrattario; 2) crosta solida di allumina e criolite; 3) anodo di carbone; 4) elettrolita fuso; 5) alluminio fuso; 6) suola conduttrice di carbone grafitato. Il processo si svolge in celle costituite da vasche rettangolari di grandi dimensioni, costruite in acciaio e mattoni refrattari su cui è disposta una suola di grafite che funziona da catodo (essendo collegata al polo negativo di un generatore di corrente continua). Queste celle contengono un elottrolita fuso, nel quale avviene la vera e propria dissoluzione dell'allumina, costituito una mistura di criolite (3NaF AlF3) fusa con additivi utilizzati per ridurre la temperatura di funzionamento delle cella elettrolitica a valori accettabili ( C) Barre rettangolari di carbone (grafite) vengono immerse nel fuso fin quasi a contatto con il fondo della cella e funzionano da anodo (sono, infatti, collegate al polo positivo del generatore di corrente continua) ed agiscono come conduttori elettrici: regolando la distanza (circa 5 cm) tra gli elettrodi (anodo e catodo) la corrente elettrica che attraversa il bagno fuso consente di mantenere la temperatura ai valori voluti ( C) per effetto Joule, e provoca la riduzione dell allumina che si dissolve in alluminio e ossigeno. L'alluminio si deposita al catodo (ossia sul fondo della vasca), mentre l'ossigeno che si libera all'anodo reagisce con esso producendo CO e CO2 e provocandone il progressivo consumo per combustione: pertanto essi vanno sostituiti di frequente. Inoltre, poiché le impurezze dell'anodo passano nel bagno, è necessario che esso sia costruito con carbone (grafite) assai puro

9 Applicazioni delle leghe leggere L alluminio per lavorazioni plastiche viene prodotto sotto forma di profilati, barre, lamiere, tubi. Invece per la produzioni di getti l alluminio viene prodotto in pani Negli ultimi decenni, l alluminio e le sue leghe hanno trovato un notevole sviluppo nelle varie applicazioni che coprono tutti i settori produttivi, erodendo fasce di mercato all acciaio, alla ghisa, al rame; praticamente, non esiste settore dove non venga utilizzato questo metallo Nel settore dei trasporti, l alluminio viene impiegato, per le sue buone caratteristiche meccaniche e per la sua leggerezza, in ambito aeronautico, navale, automobilistico, nelle realizzazioni di parti di motori e di parti di carrozzeria. Nel settore delle costruzioni edili, l alluminio è utilizzato per realizzare facciate continue unitamente al vetro, serramenti (porte, finestre), arredamenti di interni, pareti prefabbricate. L alluminio trova anche notevole impiego nel campo elettrotecnico, in particolare per costruire elettrodotti in alternanza al rame, in quanto, pur avendo una conducibilità elettrica inferiore a parità di sezione (63 % in meno), fornisce un migliore rendimento grazie alla sua bassa densità e peso Il costo di un elettrodotto equivalente in rame non solo sarebbe proibitivo, ma il peso maggiore significherebbe piloni più grandi, più pesanti e più ingombranti per sostenerlo. Nel settore dell industria alimentare e conserviera, sfruttando la sua resistenza alla corrosione, dovuta a uno strato di ossido superficiale inerte che si forma rapidamente, l alluminio sta soppiantando gradualmente i contenitori cosiddetti a banda stagnata in acciaio : pensiamo al suo utilizzo nella costruzione di lattine per bevande, contenitori, nella produzione di pellicola utilizzata per avvolgere i cibi, ecc. Per le sue eccellenti proprietà termiche, trova molti impieghi netta costruzione di elementi radianti, radiatori e nell industria del freddo (impianti frigoriferi, celle frigo).

10 Diagramma Applicazioni dell alluminio L'alluminio viene attualmente usato in molte industrie per la fabbricazione di milioni di prodotti diversi ed è molto importante per l'economia mondiale. Componenti strutturali fatti in alluminio sono vitali per l'industria aerospaziale e molto importanti in altri campi dei trasporti e delle costruzioni nei quali sono richiesti leggerezza, durata e resistenza.

11 Designazione delle Leghe di Alluminio Si definiscono leghe di alluminio o leghe leggere le leghe aventi come componente principale l alluminio ed una densità inferiore a 3000 kg/m 3 Dal punto di vista dell'utilizzazione le leghe di alluminio si suddividono in leghe per getti e leghe per lavorazione plastica. La designazione UNI delle leghe primarie di alluminio prevede l uso delle lettere: - G leghe per getti da fonderia - P leghe per lavorazioni plastiche seguite dai simboli chimici degli elementi di lega e da numeri che ne indicano le percentuali. Le percentuali non indicate possono essere ricavate dalle tabelle UNI La designazione completa può comprendere altre sigle relative allo stato di fornitura e al trattamento termico oltre al numero della tabella UNI di riferimento. Esempio: P -Al Cu 4,5 Mg Mn UNI 9002 È una lega alluminio-rame per deformazione plastica con contenuto 4,5% di rame ( Cu ) P - AL Cu 3 Si 1 significa lega di alluminio adatta a lavorazioni plastiche (P), sotto forma di estruso, con contenuto del 3% di rame (Cu) e dell 1% di silicio ( Si ).

12 Principali Leghe di Alluminio Sigla della LEGA Applicazioni G Al Cu 12 pistoni per motori endotermici colati in conchiglia P Al Cu 4,4 MgMn laminati e profilati per strutture molto sollecitate G Al Si 13 G Al Si 10 CuMgNi P Al Mg 0,5 Si 0,4 Fe P Al Si 1 MgMn G Al Mg 7,5 Fe P Al Mg 0,8 G Al Zn 5 MgFe P Al Zn 5,8 MgCuCr getti di forma complessa colati in sabbia a in conchiglia componenti per motori colati in sabbia o in conchiglia profilati estrusi per serramenti e strutture laminati e trafilati resistenti alla corrosione per strutture per getti pressofusi can elevata resistenza alla corrosione laminati per pannellature e coperture resistenti alla corrosione impiegate nell'industria navale e chimica, in edilizia e arredamenti lega per usi generali, con buone caratteristiche meccaniche, migliorabili con la tempra. Le leghe Al-Zn sono impiegate nell'industria medica, elettromeccanica e automobilistica laminati e profilati estrusi per strutture molto sollecitate e pannellature ad alta resistenza, con giunzioni meccaniche

13 Il riciclo dell alluminioo Con il termine "riciclo" si intende il reimpiego dei materiali degli oggetti non più utilizzati. Per quanto riguarda i materiali ferrosi, la tecnologia stessa di produzione fa sì che il riciclaggio sia già una pratica industriale comune (ad esempio, i rottami di ferro sono una delle materie prime del processo di produzione dell'acciaio). Per gli altri materiali, la pratica del riciclo ha cominciato a diffondersi nei Paesi tecnologicamente avanzati solo negli ultimi decenni, sotto la spinta di considerazioni economiche (nessuna materia prima è inesauribile, bisogna risparmiare riutilizzando ciò che è già stato impiegato) ed ecologiche (bisogna ridurre il degrado ambientale provocato dallo smaltimento dei rifiuti, soprattutto quelli inquinanti come la plastica). Il recupero dei materiali riciclabili coinvolge direttamente tutta la società e, per essere efficace, deve iniziare dalla selezione e dalla raccolta differenziata dei rifiuti domestici. Diversamente da motti altri materiali, l'alluminio può essere riciclato all'infinito senza perdere le sue qualità originali. Il riciclaggio consente un risparmio del 95% dell'energia richiesta per produrre L'alluminio partendo dalla materia prima. Per ricavare dalla bauxite 1 kg di alluminio, sono necessari infatti 14 kwh, mentre per ricavare 1 kg di alluminio nuovo da quello già usato bastano 0.7 kwh. L:alluminio ottenuto per mezzo del riciclo viene chiamato alluminio secondario e questo nome è il solo elemento che in molti casi lo distingue da quello primario, ottenuto partendo dalla bauxite. Già oggi, circa il 30% della produzione mondiale di alluminio proviene da metallo recuperato. In Italia, il riciclaggio dell'alluminio è un'attività molto importante per l'economia nazionale (siamo i secondi produttori europei). Basti pensare che non abbiamo rilevanti miniere di bauxite e che l'energia elettrica del nostro Paese è la più cara d'europa Tuttavia, vi sono ancora motti rottami che non vengono raccolti e riciclati, specie quelli derivanti dai consumi dei privati. Il riciclo di questi materiali contribuirebbe a ridurre le importazioni dall'estero (attualmente, nell'ordine del 30%) dei rottami riciclati annualmente e a migliorare l'aspetto esteriore dell'ambiente, alleggerendo il lavoro dei servizi pubblici (nettezza urbana, distruzione dei rifiuti). La raccolta dell'alluminio presente nei rifiuti domestici (soprattutto lattine) viene già effettuata in moltissimi Comuni attraverso scuole, oratori, raccolte specifiche del volontariato laico e/o religioso, mediante appositi contenitori

14 Impianto riciclo alluminio Una grossa fonte per il recupero dell alluminuo è costituita dalle lattine.l alluminio dei barattoli recuperati, pressato in balle, viene frantumato in piccoli pezzi, separando eventuali parti di materiale magnetico (ferroso) e materiali diversi dall'alluminio (vetro, ecc.). Poi il rottame viene trattato a circa 500 C per liberarlo da vernici o altre sostanze aderenti. Seguono due forni fusori, da cui il materiale fuso arriva a un forno oscillante. L:alluminio liquido, degassato e filtrato, viene infine colato in lingotti che saranno trasformati in lamiere sottili per fare nuovi barattoli. Nel luogo di raccolta dei rifiuti di Alluminio, questi sono selezionati e pressati in balle per facilitarne il trasporto all impianto di rifusione Balle di lattine pressate Schema impianto recupero Alluminio dalle lattine