METALLURGIA. anche la presente pagina deve essere riprodotta nelle copie. (versione giugno 2001)

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1 METALLURGIA (versione giugno 2001) Appunti ad esclusivo uso personale degli studenti del corso di Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni tenuto dall ing. Alberto Colombo presso ITIS VARESE specializzazione meccanici. E vietato l impiego diverso da quanto consentito dalla legge italiana sul copyright (n. 633/41 e succ. mod.) anche la presente pagina deve essere riprodotta nelle copie Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Metallurgia Pagina 1 di 6

2 RIDUZIONE INDIRETTA E DIRETTA CON CARBONIO DEGLI OSSIDI METALLICI MEDIAMENTE RIDUCIBILI Il carbonio è il riduttore di gran lunga utilizzato in metallurgia, e può essere usato sia direttamente sia sotto forma di CO (indirettamente) Con espressione simbolica: MeO + CO Me + CO 2 Tale equilibrio può essere studiato dando per ogni temperatura la composizione della fase gassosa in equilibrio col metallo ed il suo ossido. Grafico che da la variazione del rapporto in funzione della temperatura. [ CO] [ CO ] + [ CO ] Per ogni ossido metallico si ha una linea che divide il campo in due parti. Quando il punto che rappresenta le condizioni del sistema (temperatura e composizione dell atmosfera gassosa) si trova sulla linea, l ossido e il metallo possono coesistere in equilibrio. Se il punto è alla sinistra, in condizioni di equilibrio, può coesistere con la data atmosfera gassosa solo l ossido metallico, mentre se il punto è a destra vi può essere solo metallo. Risulta evidente che in un processo industriale finalizzato alla produzione di metallo Me partendo da ossidi MeO, occorrerà operare in un impianto che crei le condizioni della parte destra del grafico. Osservando i grafici relativi agli ossidi di reali metalli, si riscontrano i seguenti casi possibili: Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Metallurgia Pagina 2 di 6

3 - La linea è molto vicina all asse delle ordinate oppure se ne discosta solo alle alte temperature. Si ha un ossido estremamente riducibile, perché basta allontanarsi di poco dallo zero delle ascisse, cioè bastano piccolissime quantità di CO, per avere la riduzione. Il campo di stabilità del metallo si estende a tutto il diagramma. - Man mano che la linea si allontana dall asse delle ordinate occorrono, per la riduzione, atmosfere sempre più ricche in CO; il campo di esistenza del metallo man mano si restringe. - La linea è molto vicina all asse di destra o se ne discosta solo alle alte temperature. L equilibrio è talmente spostato da rendere praticamente impossibile la riduzione con CO, in quanto bastano piccolissime quantità di CO 2 per ossidare il metallo. Non esiste più campo di stabilità del metallo. Nell ipotetico impianto industriale in cui avvengono le reazioni di riduzione degli ossidi metallici, a sua volta, l ossido di carbonio partecipa alla reazione nota come Equazione di Boudouard (dissociazione dell ossido di carbonio) 2CO C + CO 2 I punti della curva sono i soli per i quali alla pressione atmosferica per le varie temperature il carbonio può essere in equilibrio con la fase gassosa Anche in questo caso il grafico risulta suddiviso in due zone. Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Metallurgia Pagina 3 di 6

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5 Sovrapponendo le linee di equilibrio ossido metallo e la linea dell equazione di Boudouard, per la pressione di 1 atmosfera, si hanno sullo stesso grafico gli elementi necessari allo studio degli ossidi metallici sia ad opera dell ossido di carbonio che del carbonio. Si individuano in tal modo quattro zone. I e III non hanno interesse industriale ai fini della metallurgia IV riduzione indiretta con CO MeO + CO Me + CO 2 2CO C + CO 2 II riduzione diretta ad opera del carbonio MeO + CO Me + CO 2 C + CO 2 2CO dalle quali sommando membro a membro si ottiene la reazione complessiva MeO + C Me + CO Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Metallurgia Pagina 5 di 6

6 In tale campo si ha formazione del metallo ed ossidazione del carbonio ad opera dell anidride carbonica con formazione di ossido di carbonio. Al posto del simbolico ossido di un metallo generico si possono considerare gli ossidi del ferro (la siderurgia è la metallurgia del ferro). Analogamente a quanto visto in precedenza, in un unico grafico si possono riportare le linee relative alla riduzione dei vari ossidi di ferro, la curva di Boudouard, e la linea tratteggiata che schematicamente rappresenta la composizione dell atmosfera gassosa (riportata a CO + CO2 = 100) nell altoforno. Capovolgendo il diagramma, lo spostamento del punto rappresentativo sulla linea tratteggiata, corrisponde alla discesa della carica dalla regione alta del tino sotto la bocca fino alla sacca. Dapprima si ha riduzione indiretta, fino all intersezione con la curva di Boudouard, quindi la riduzione diretta. Da notare che la linea tratteggiata diverge dalla linea di equilibrio Feo Fe mentre per la riduzione indiretta è molto vicina alle curve di equilibrio Fe 3 O 4 Fe ed Feo Fe. La riduzione diretta ha quindi scarsa entità: Data la convenienza economica, si cerca di favorire la riduzione indiretta. Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Metallurgia Pagina 6 di 6