METALLURGIA ESTRATTIVA

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1 METALLURGIA ESTRATTIVA i metalli si trovano in natura allo stato ossidato come minerali la metallurgia estrattiva si occupa di: 1. preparazione del minerale (trattamenti preliminari) 2. riduzione del metallo dallo stato ossidato 3. purificazione come metallo puro 4. preparazione della lega la siderurgia studia i metodi di estrazione del ferro e la produzione della ghisa e dell acciaio 1

2 Elemento (% in peso) Ossigeno 46.4 Silicio 27.7 Alluminio 8.2 Ferro 5.6 Calcio 4.0 Sodio 2.3 Magnesio 2.2 Potassio 2.1 Idrogeno 0.9 Titanio 0.5 Zinco <0.001 Rame <0.001 Piombo <0.001 Stagno < Mercurio < Argento < Oro < Presenza di alcuni elementi sulla crosta terrestre 2

3 Diagramma temperatura di fusione stabilità dell ossido Nell area bianca i metalli utilizzati in antichità (Zn e Ni inconsapevolmente) 3

4 I sette metalli noti nel mondo antico 4

5 I sette metalli noti nel mondo antico oro e argento Di tutti i metalli, l oro è forse quello che ha attratto per primo l uomo, grazie al suo colore lucente, trovandosi in natura allo stato metallico. La fabbricazione di gioielli utilizzando oro o argento allo stato nativo risale a tempi remoti. Oro e argento (T fusione rispettivamente di 1053 e di 961 C) sono facili da lavorare - per deformazione plastica (martellando a caldo) - con tecniche di fonderia (per colata in stampi) 5

6 I sette metalli noti nel mondo antico rame I progressi nella realizzazione di bassofuochi a tino (con carica solida dall alto ed aria immessa dal basso), consentirono la produzione dei primi oggetti in lega di rame (IV millennio a. C). Tra il IV e il III millennio a.c. si utilizza prima una lega di rame e arsenico (nel Vicino Oriente dal 4000 a.c.) e poi una di rame e stagno, il bronzo, destinata ad eccezionale fortuna. Con il bronzo, dato il basso intervallo di fusione, nacquero le prime tecniche fusorie e la produzione anche di oggetti di alto pregio artistico. 6

7 I sette metalli noti nel mondo antico rame e stagno Il rame puro ha una temperatura di fusione di 1083 C; le sue leghe, i bronzi (rame e stagno) e gli ottoni (rame e zinco), fondono a temperature sotto i 1000 C, in relazione alla loro composizione. Le leghe di rame possono essere lavorate sia con tecniche di fonderia che per deformazione plastica. 7

8 I sette metalli noti nel mondo antico Piombo e stagno La metallurgia estrattiva di piombo e stagno è basata sulla riduzione termica degli ossidi. Essi venivano largamente utilizzati dai Romani: il piombo in applicazioni civili, data la sua notevole lavorabilità per deformazione plastica; lo stagno per rivestimenti (latta o lamiera di ferro rivestita); piombo e stagno insieme in leghe per realizzare manufatti (Peltro: rame, piombo e stagno) o come brasanti per la saldatura. I punti di fusione sono molto bassi: 327 C per il piombo e 231 C per lo stagno. 8

9 I sette metalli noti nel mondo antico mercurio Il mercurio era noto sin dall antichità per essere liquido (T fusione = - 38 C). Il procedimento di estrazione del mercurio dal minerale è molto semplice, dato che il cinabro (solfuro di mercurio) è decomponibile per riscaldamento. Il mercurio era utilizzato per la sua capacità di formare leghe con l oro e l argento (amalgama), molto plastiche e quindi facilmente lavorabili. Le amalgame potevano essere utilizzate come fase intermedia nei processi estrattivi, in quanto oro e argento possono essere successivamente ricavati per distillazione. 9

10 I sette metalli noti nel mondo antico ferro Se si esclude il ferro allo stato metallico (in lega con il nichel) nelle rocce meteoritiche, l età del ferro inizia verso la fine del II millennio a.c. con le tecniche di riduzione dal minerale degli Hittiti. Il ferro era ottenuto allo stato solido dal minerale frantumato e mescolato con legna, in piccole fornaci, nelle quali si attivava il fuoco con il tiraggio dell aria. Diversamente dal la metallurgia del rame, la siderurgia era basata esclusivamente su lavorazioni caldo. 10

11 Gli antichi processi siderurgici rimasero inalterati fino al XII secolo quando l uso di mantici, azionati mediante mulini ad acqua, permise di raggiungere più alte temperature nei forni. 11

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14 I primi forni a tino, di altezza non superiore ai 4-5 m, cominciarono a produrre ghisa (ferro con carbonio > 2.1%) allo stato liquido in quantità notevoli. Il ferro puro ha una temperatura di fusione di 1538 C, temperatura che diminuisce negli acciai in ragione del tenore di carbonio e che nelle ghise presenta un minimo in corrispondenza a C = 4.3% in peso. 14

15 Nel 1684 si cominciò ad ottenere il ferro dalla ghisa col processo di puddellaggio (dall Inglese to puddle = rimescolare). Il processo consisteva nella rifusione parziale della ghisa con un rimescolamento continuo del bagno mediante spranghe di ferro dall esterno. All inizio del XVIII secolo, Abraham Darby introduce il carbon coke (ossia l antracite distillata a secco per eliminare le sostanze che avrebbero inquinato i processi di fusione), anziché il carbone di legna ottenuto per combustione parziale del legno. 15

16 Nel 1784 Henry Cort introduce l uso sistematico del puddellaggio e della laminazione. I laminatoi azionati da macchine a vapore sagomavano il metallo secondo le forme richieste, sostituendo i vecchi metodi artigianali. 16

17 Nella prima metà del 1700, a Sheffield, Huntsmann ideò la lavorazione dell acciaio in recipienti chiusi iniziando il processo al crogiolo, in seguito perfezionato e sviluppato da Krupp senior a Essen nel La vera evoluzione intervenne nel 1856 ad opera di Bessemer con il processo di conversione della ghisa in acciaio mediante insufflazione di aria dal basso del crogiolo. 17

18 L energia elettrica, trasformata in calore mediante arco elettrico, rappresenta una sorgente termica che non interferisce con il processo metallurgico, rendendo possibile sia la fusione del rottame senza modifica chimica della composizione, sia l aggiustamento della composizione attraverso opportune aggiunte di altri elementi. Nel 1888 l italiano Ernesto Stassano costruì un forno elettrico ad arco che permise la rifusione del rottame e la produzione dell acciaio. 18

19 Sviluppo storico dei forni metallurgici dal bassofuoco al forno a tino Bassofuoco a pozzo Forno a tino Altoforno provvisto di mantici 19

20 Processi di metallurgia estrattiva processi pirometallurgici, o per via termica, ottenendo in genere il metallo allo stato liquido processi idrometallurgici, o per via umida, attraverso trattamento con soluzioni acquose capaci di sciogliere il metallo (operazione di lisciviazione), dalle quali si provvede al recupero del metallo mediante precipitazione o per via elettrolitica processi elettrometallurgici, mediante dissoluzione dell anodo, costituito da un composto del metallo, e precipitazione al catodo del metallo da estrarre 20

21 Processi pirometallurgici riduzione termica degli ossidi Reazione di decomposizione di un ossido metallico: endotermica 2MeO 2Me + O 2 La reazione avviene ad una temperatura alla quale la tensione di dissociazione dell ossido raggiunge il valore della pressione ambiente. Come agente riducente, si utilizza il carbonio, sia come ossido di carbonio (riduzione indiretta), sia come carbone (riduzione diretta). 21

22 Processi pirometallurgici riduzione termica degli ossidi Reazione di decomposizione di un ossido metallico: endotermica 2MeO 2Me + O 2 riduzione indiretta (T < 900 C): esotermica MeO + CO Me + CO 2 riduzione diretta (T > 900 C): endotermica MeO + C Me + CO 22

23 Minerali di ferro Ematite: Fe 2 O 3 Magnetite: Fe 3 O 4 Limonite: FeOOH Siderite: FeCO 3 23

24 Processi d altoforno 24

25 Flussi di materia nell altoforno (Blast furnace) 25

26 Fondente: CaCO 3 Ossidi di Fe riduzione indiretta riduzione diretta T = 200 C (bocca) 900 C (tino) 1400 C (ventre) 1800 C (sacca) 2000 C (crogiolo) Scoria: CaSiO 3 Ghisa: Fe + C aria preriscaldata a 1000 C 26

27 Processi d altoforno colata della ghisa 27

28 Processo Bessemer Conversione della ghisa Siviera: colata nel convertitore Convertitore Bessemer Siviera: colata nelle lingottiere 28

29 Processi di acciaeria Colata in lingottiera e colata continua 29

30 Processi di acciaieria laminazione Laminatoi a caldo: Produzione di sbozzati Laminatoi a freddo: Produzione di lamiere 30

31 Processi pirometallurgici riduzione termica dei solfuri Molti metalli si trovano in natura sotto forma di solfuri: Cu 2 S (calcosina), FeS 2 (pirite), CuFeS 2 (calcopirite), ZnS (blenda), PbS (galena). 31

32 Processi elettrometallurgici Consentono la produzione di metalli (partendo da sali o da ossidi) o la loro raffinazione, sfruttando la dissociazione elettrolitica Elettrodeposizione del rame In sol. acquosa di H 2 SO 4 e CuSO 4 Produzione di Zn In sol. acquosa di ZnSO 4 (resa possibili dall elevata sovratensione di H 2 al catodo che consente la deposizione di Zn, nonostante il potenziale negativo) 32