Prefazione L ALLUMINIO. A.1 Introduzione. A.2 Un giovane metallo in crescita

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1 Prefazione L ALLUMINIO A.1 Introduzione può essere a buon diritto identificato come il metallo con le migliori possibilità di sviluppo del prossimo futuro. Grazie alla sua versatilità e alle sue caratteristiche di assoluta compatibilità con l'ambiente è entrato oggi in competizione con molti materiali nel settore dell'auto, nell edilizia, negli imballaggi e, nonostante il suo utilizzo sia molto recente rispetto a quelli che hanno segnato le tappe fondamentali della civilizzazione dell'uomo e della rivoluzione industriale come il ferro e l acciaio, si è ricavato un posto di notevole rilievo sia come produzione sia come impieghi sostituendo molti materiali ormai tradizionalmente affermati come legno, ferro, rame, PET, PVC e in alcuni campi lo stesso acciaio, diventando il primo nella metallurgia dei materiali non ferrosi. A.2 Un giovane metallo in crescita Le riserve di alluminio sono molto abbondanti sulla crosta terrestre e il ritardo del suo sfruttamento è storicamente dovuto soltanto alla sostanziale difficoltà di estrazione del metallo dal suo minerale, reso possibile solo dopo l avvento dell elettricità. Per dare un idea di come questo metallo giovane stia velocemente crescendo e diventando importante si consideri che la sua produzione, iniziata a livello industriale solo ne l886, nel 1921 era già di t mentre nel 87 era stimata in ben 16 milioni di t con un incremento, a partire dal dopoguerra, del 8% annuo. Il consumo dei semilavorati e laminati, raddoppiato a partire dagli anni 70, ha ulteriormente incentivato questa 1

2 crescita e gli ultimi dati relativi al 2003 indicano una produzione di ben 34 milioni di tonnellate. Il futuro prevede ancora un aumento di circa il 4-5% annuo di consumo globale di alluminio e un ulteriore impennata, e quindi produzione, potrebbe derivare sia dai paesi in rapida crescita economica ( per l area asiatica si pensi che la sola Cina puntava per il 2004 ad una produzione di circa 6.5 milioni di t rispetto alle 4,3 milioni di t del 2002) sia da quelli in via di sviluppo che utilizzerebbero l alluminio direttamente by-passando l utilizzo di altri materiali come ad esempio il rame nel settore elettrico. E riscontrato infatti che il suo consumo aumenta con l aumentare del Prodotto Nazionale Lordo di una stato e l esplosiva crescita economica di molte zone del pianeta può a buon diritto far prevedere questo ulteriore trend di crescita. A conferma di ciò si annoti che il consumo dell alluminio primario è attualmente concentrato per il 90% nelle regioni ad alta industrializzazione nonostante il 90 % delle sue risorse e della sua produzione sia localizzata in paesi in via di sviluppo. La geografia di chi produce alluminio dal minerale si sta infatti spostando verso quelle aree in cui la disponibilità e il costo dell energia elettrica (vuoi per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili vuoi per l abbondanza di combustibili) è più basso. Una via per sopperire alle crescenti esigenze dell'industria bisognosa di quantità sempre maggiori di metallo a buon mercato e che fosse disponibile invece il più vicino possibile rispetto alle lontane zone di produzione del primario, ha permesso di scoprire quella che oggi è forse considerata uno degli attributi di maggior pregio: l attitudine al riciclaggio. Negli ultimi 25 anni questa importante qualità ha contribuito notevolmente al suo successo tanto che oggi, con circa 10 milioni di tonnellate annue, costituisce circa il 30% della produzione mondiale. In una economia di mercato è chiaro che l incentivo e la possibilità di recupero di un bene dimesso è proporzionale al suo valore residuo. Sotto questa ottica l'alluminio e le sue leghe sono dei materiali straordinari, in quanto possono essere riciclati indefinitamente senza apprezzabili penalizzazioni qualitative a costi molto contenuti. La progressione straordinaria di questa consapevolezza, accompagnata dal progresso costante delle tecniche fusorie, ha fatto si che nel 2003 oltre il 50% di tutto l'alluminio grezzo prodotto in Europa Occidentale derivasse da materiale recuperato e riciclato e che addirittura in Italia tale percentuale arrivasse al 75%, con andamento costantemente in crescita. 2

3 Figura A.1 Andamento dei consumi di alluminio in Italia A.3 Processo produttivo: l alluminio primario è il terzo elemento più abbondante (circa 8%) sulle crosta terrestre dopo ossigeno e silicio e si trova legato con questi sotto forma di ossido (l allumina (Al 2 O 3 )) e silicati (ad esempio: albite NaAlSi 3 O 8, anortite CaAl 2 Si 2 O 8 ). Allo stato attuale il minerale più importante per la sua produzione è la bauxite ricca di Al 2 O 3 nh 2 O, un ossido idrato, diffusa come roccia rosso bruno o gialla principalmente nelle regioni subtropicali dell America Centrale, della Guaina, della Giamaica ma con ricchi giacimenti anche in Australia, USA, Russia ed Europa dove fu scoperta nel 1821 a Les Baux, luogo della Francia meridionale da cui prende il nome, Il procedimento che permette di ottenere lo stato metallico dal minerale è noto invece come processo Hall-Herault dai cognomi di coloro che nel 1886 lo misero a punto iniziando di fatto quella che fu la produzione industriale dell alluminio. Una volta estratta l allumina anidra dal minerale separandola dalle impurità di ossido di ferro e silice presenti (processo Bayer) questa viene portata in particolari celle elettrolitiche in grafite in cui ad una temperatura di C viene mescolata con criolite fusa (fluoruro doppio di alluminio e sodio) e, sotto l azione della corrente continua che attraversa il bagno conduttore, si discioglie e si scinde in alluminio e ossigeno. La presenza del bagno salino permette lo svolgersi l elettrolisi ad una temperatura 3

4 notevolmente inferiore a quella di fusione dell allumina (circa 2150 C). Il metallo liquido si raccoglie quindi sul fondo, che è il catodo della cella, mentre l ossigeno liberato si brucia lentamente all anodo. In termini quantitativi per la produzione di 1 tonnellata di alluminio si richiede l utilizzo di 2 tonnellate di allumina ricavabili a loro volta da 4 di bauxite. Il metallo così preparato partendo dal minerale viene detto primario o di prima fusione, ha un titolo compreso tra 99 e 99.9% ( mediamente 99.5%), costituisce il materiale di partenza per la produzione di leghe di alluminio e viene reso disponibile in pani, billette, vergelle e placche a seconda della destinazione successiva. Figura A.1 Lingotti e T-bars A.4 Proprietà fisiche L'alluminio è un metallo appartenente al III gruppo del sistema periodico, di simbolo Al, numero atomico 13, peso atomico 26,98 e valenza normale 3. Cristallizza nel sistema cubico a facce centrate con dimensione reticolare di lato pari a 4.04 Å che gli conferisce una struttura molto duttile e malleabile. E un metallo leggero di peso specifico 2,7 kg/dm 3, durezza 2, si presenta di colore bianco-argenteo con riflessi azzurrini ed è lucente se tagliato di fresco. Fonde a 660,45 C ed è un discreto conduttore di calore e di elettricità. All aria ha la capacità di passivarsi cioè di ricoprirsi di un sottile ma molto compatto strato di ossidi che è capace di proteggerlo dagli agenti atmosferici. E un elemento anfotero in quanto reagisce tanto con gli acidi quanto con 4

5 gli alcali che sciogliendo l ossido superficiale sviluppano idrogeno. Ridotto in polvere o in fogli sottilissimi brucia facilmente producendo una luce vivissima e sviluppando cal/kg. Proprietà Unità Valore Note Numero atomico 13 Massa volumica ρ Kg/m Punto di fusione C 660,45 a bar Punto di ebollizione C 2056 a bar Pressione di vapore Pa 3, a 927 C Energia interna di massa u J/ kg 1 3, Capacità termica di massa C p J/(kg K) 897 a 25 C Conduttività termica λ W/(mK) 237 a 27 C Coefficiente di dilatazione lineare α 10-6 K -1 23,1 a 25 C Resistività elettrica ρ 10-3 µω m 26,548 Suscettibilità magnetica K 0, a 25 C Modulo d'elasticità longitudinale E MPa Coefficiente di Poisson ν 0,33 A.5 Proprietà tecnologiche e impieghi Le caratteristiche di interesse tecnologico che rendono l alluminio e le sue leghe presente in quasi tutti i campi d impiego sono: La leggerezza; La conducibilità termica; La conducibilità elettrica; La resistenza a corrosione; L attitudine ai trattamenti di superficie; La vasta gamma di leghe e semilavorati; La funzionalità dei semilavorati ottenuti per estrusione e fonderia; 1 E' la massa volumica per un metallo avente titolo tra 99,65% e 99,99 %. A 700 C, la massa volumica del metallo liquido avente titolo 99,996 e pari o 2357 kg/m 3, 5

6 La facilità di messa in opera; Il riciclaggio dei rottami; La leggerezza è la prima caratteristica che viene in mente pensando a questo metallo: il suo peso specifico è circa un terzo di quello dell acciaio e una struttura equivalente pesa circa il 50% in meno. Questo lo rende ormai insostituibile nel sistema dei trasporti: aerei, treni, navi, ed in modo sempre crescente anche trasporto su strada oltre che il trasporto dell energia elettrica e le applicazioni meccaniche beneficiano indubbiamente di tale alleggerimento delle strutture. è poi un ottimo conduttore termico dietro solo ad Ag, Au e Cu e questo spiega perché da molto tempo sia diffuso nella costruzione di utensili e articoli casalinghi come il pentolame. Oggi allorché si affrontano i problemi di scambio termico il suo impiego è sempre consigliato quindi lo ritroviamo ad esempio negli scambiatori di calore o negli impianti di condizionamento. Nel settore dell elettronica è il diretto competitore del rame grazie alla sua elevata conducibilità elettrica, al fatto di essere aspinterogno e di non avere comportamento ferromagnetico: qui infatti oltre al già citato impiego per i conduttori aerei per il trasporto dell energia lo ritroviamo anche nei quadri di connessione, nelle barre di distribuzione, nei sezionatori, nella schermatura dei cavi ecc. L esperienza pluridecennale nelle costruzioni edili, nelle istallazioni all aperto e nelle costruzioni navali hanno confermato che la maggior parte delle leghe hanno una buona resistenza alla corrosione atmosferica in ambiente urbano, marino e industriale: questo porta ad una durata media delle istallazioni e delle apparecchiature in genere superiore a quella riscontrabile con altri materiali rendendone una manutenzione molto ridotta e mantenendo superfici inalterate nel tempo. Inoltre la presenza di una breve anodizzazione permette di preservare anche le doti riflettenti e le sue caratteristiche estetiche rendendolo impareggiabile nell impiego per le parabole dei riflettori di illuminazione o nei settori come i pannelli decorativi per l edilizia. Grazie alla buona resistenza a molti aggressivi chimici è di largo impiego nell'industria chimica, nella costruzione di apparecchiature e di serbatoi per la raccolta e trasporto di queste sostanze. Non forma sali tossici, quindi trova diffuso impiego per la produzione di utensili da cucina e largo impiego nell industria degli imballaggi alimentari. In talune circostanze l'alluminio viene scelto, al posto di altri materiali, poiché anche nel caso in 6

7 cui si possa verificare nel tempo della corrosione (ad esempio a contatto con alcali), i sali che si formano sono incolori e non alterano i liquidi o le sostanze a contatto. La vasta gamma di leghe, che la metallurgia dell alluminio ha consentito di formulare a partire dalle otto classificazioni canoniche, permette di scegliere di volta in volta quella migliore che più si adatta agli impieghi voluti rendendo disponibili un ampia gamma di semilavorati che va dai laminati agli estrusi, dagli stampati ai forgiati e ai fusi. Il riciclaggio, di cui si discuterà ampiamente più avanti, è poi una delle caratteristiche che meglio si fa apprezzare al giorno d oggi. 7