METALLI E NON METALLI

Presentazione

metalli e non metalli

Questa sezione esplorerà i principali materiali ferrosi, incluso ferro forgiato, ghisa e acciaio.

Presentazione di Cristian Barboni e Moemen Saddouri

Docente di riferimento: Loreto Grasselli

Anno Scolastico 2023/2024 / IIS "ENRICO MATTEI", Recanati

I METALLI

Le prime prove di uso del ferro vengono dai Sumeri e dagli Ittiti, che già 4000 anni prima di Cristo lo usavano per piccoli oggetti come punte di lancia e gioielli ricavati dal ferro recuperato da meteoriti. Poiché i meteoriti cadono dal cielo, gli antichi greci chiamarono «Sider» (stelle) il ferro e quel ch'era ad esso legato «siderurgico». La metallurgia del ferro, che ha un’importanza particolare, si chiama dunque siderurgia!

LE PROPRIETà DEI METALLI

IL FERRO

Il ferro è uno dei metalli più diffusi ed abbondanti in natura ed il più importante nell’industria. Si trova raramente in natura allo stato libero, e soltanto come ferro meteorico in quei frammenti di materia cosmica che cadono sulla Terra (meteoriti): il ferro viene perciò estratto dai suoi minerali con processi metallurgici. I minerali più ricchi di ferro sono: la magnetite, la limonite, l’ematite, la siderite e la pirite.

il processo siderurgico

L'altoforno

L’altoforno deve il suo nome alle dimensioni, infatti può raggiungere un'altezza di anche 100 metri (con un diametro che può superare i 10 metri). L’altoforno è un forno a tino, la cui forma è costituita da due tratti troncoconici, di cui il "tino" costituisce il cono superiore, il cono inferiore è detto "sacca", uniti da una sezione cilindrica centrale detta "ventre". La carica avviene dall'alto, ed è formata da strati di coke e minerale ferroso che vengono gettati a strati alterni. La struttura del forno è costituita esternamente da una corazza di acciaio speciale, rivestita internamente da mattoni refrattari su un sostrato di cemento refrattario; le pareti del forno sono raffreddate da tubazioni d'acqua nelle zone più termicamente sollecitate.

il processo siderurgico

L'altoforno

È un forno a vento perché per raggiungere tali valori di temperatura è necessario insufflare aria, alla quale può essere addizionato ossigeno, che deve essere preriscaldata. L'iniezione di aria, detta "vento caldo", anch'essa continua, avviene attraverso una corona di tubi in corrispondenza del ventre del forno.

É un forno a funzionamento continuo Gli strati della carica scendono lentamente mentre il forno viene alimentato introducendo nuovi strati a intervalli regolari.

il processo siderurgico

La carica d'ALTOFORNO è costituita da tre elementi:

Il coke è ottenuto dal carbon fossile portato a 1000°C in assenza di ossigeno (distillazione). Il coke ha diversi compiti: • fornisce il calore necessario alla fusione dei minerali; • fornisce il gas necessario alla trasformazione degli ossidi di ferro in ferro metallico; • fornisce il carbonio necessario alla carburazione della ghisa e per la riduzione di alcuni elementi di lega; • sostiene la carica fino alla parte bassa dell’altoforno, essendo l’unico materiale che non fonde.

Agglomerato di minerali di ferro

I fondenti invece, hanno il compito di rendere fusibili le impurità (ganga) contenute nei minerali di ferro e che vanno a costituire la cosiddetta loppa di altoforno. Il fondente più utilizzato è il calcare.

(magnetite, ematite, siderite, pirite) sono i portatori del ferro. Il minerale, prima di essere utilizzato, viene frantumato e lavato.

il processo siderurgico

La produzione di ghisa greggia

Le materie prime che vengono inserite nella parte superiore del forno, detta bocca di carico, sono: i minerali ferrosi, il combustibile (carbon coke), il fondente (calcare). Nella parte centrale del forno, detta ventre, si raggiunge la temperatura di 1500°C. Qui il ferro si separa dal minerale e si combina insieme al carbonio del combustibile, trasformandosi in ghisa e le sostanze non ferrose del minerale si combinano con il fondente, andando a formare le scorie, cioè materiali di scarto utilizzati nella produzione di cemento d'altoforno. Dalla parte inferiore del forno, esce ghisa greggia, allo stato liquido. Le scorie, più leggere della ghisa, escono dal forno da un foro superiore. Una parte viene colata in lingotti e L'altra parte viene colata in carri siluro che la trasportano all'acciaieria, dove viene trasformata in acciaio. Questa ghisa è detta ghisa d'affinazione. in

inviata in fonderia, ovvero allo parte dello stabilimento in cui verrà nuovamente fusa per ottenere la ghisa da fonderia.

i prodotti d'altoforno

La ghisa

È una lega di ferro e carbonio con una quantità di carbonio tra 1,9 e 6,5%; ad esso vengono inseriti altri minerali come silicio, manganese, fosforo e zolfo. È una lega molto dura che resiste bene alla compressione, ma è fragile e non resiste alla trazione o flessione. Resiste molto bene alla corrosione a differenza di altre leghe. Ed ha un elevato peso specifico, infatti i manufatti in ghisa pesano molto di più rispetto a quelli fatto con un altro materiale. La ghisa di seconda fusione è utilizzata nell’industria meccanica ed è creata unendo alla ghisa di prima fusione, rottami di ferro, successivamente si raggiunge il tenore di carbonio voluto soffiando ossigeno che brucia il carbonio in eccesso. A seconda della disposizione chimica del carbonio si ottiene: 1) Ghisa bianca: ghisa in cui il carbonio non è presente sotto forma di grafite, ma pressoché tutto come cementite. E' dura ed è utilizzata per costruire vagoni ferroviari e carrelli locomotori. L’estrema durezza non permette lavorazioni con macchine utensili 2) Ghisa grigia: ghisa contenente lamelle di grafite; la presenza di queste ultime impartisce il colore grigio alle superfici di frattura del materiale, da cui prende il nome questo tipo di ghisa. E’ una ghisa fragile con scarsa resistenza a trazione.

i prodotti d'altoforno

L'acciaio

Il termine acciaio indica in maniera generica una lega tra 2 elementi principali: ferro e carbonio. Altri elementi presenti nell’acciaio sono: manganese, fosforo, zolfo, silicio ed in quantità minore azoto, alluminio ed ossigeno. Il carbonio è l’elemento legante principale nelle leghe ed il suo contenuto percentuale oscilla tra lo 0,002% ed il 2,1%, in termini di peso. Il carbonio ed altri elementi agiscono come agenti indurenti. Cambiando la quantità degli elementi nella lega, si controllano le caratteristiche dell’acciaio: durezza, fragilità, resistenza alla corrosione, resistenza alla trazione. Esistono 4 categorie di acciaio: 1)Acciaio al carbonio: Gli acciai al carbonio rappresentano il 90% della produzione totale di acciaio e sono acciai che non contengono altri elementi all’interno della lega. 2)Acciaio legato: contengono, invece, elementi leganti come manganese, silicio, nichel, cromo, titanio, rame e alluminio. 3)Acciaio inox: come dice il nome stesso, è un materiale altamente resistente all’ossidazione grazie ad un contenuto di cromo tra il 10-20% 4)Acciaio per utensili:in quantità variabili per aumentarne la resistenza al calore e la durabilità, rendendoli ideali per lavorazioni quali il taglio e la perforazione.

i maTERIALI NON METALLICI

Per metallo non ferroso (NF) si intende qualsiasi lega metallica che non includa alcuna percentuale di ferro o che ne includa una percentuale ridotta. Tra questi , il rame, lo zinco, il bronzo o l’ottone e in particolare l’alluminio. A causa dei colori, sono noti anche con il termine “metalli colorati”. Tra questi troviamo: 1) ALLUMINIO, METALLO LEGGERO MA RESISTENTE, MALLEABILE, DUTTILE E FACILMENTE LAVORABILE 2)RAME, METALLO LARGAMENTE UTILIZZATO GRAZIE ALLE SUE PRESTAZIONI RELATIVE ALLA CONDUCIBILITÀ ELETTRICA E TERMICA E PER LA SUA RESISTENZA ALLA CORROSIONE 3)BRONZO, LEGA DI RAME CON UN METALLO 4)OTTONE, LEGA DI RAME E ZINCO 5)PIOMBO , METALLO TENERO, PESANTE, MALLEABILE E MOLTO RESISTENTE ALLA CORROSIONE 6)TITANIO, ELEMENTO METALLICO RESISTENTE ALLA CORROSIONE, DURO, LEGGERO E CON UNA BASSA DENSITÀ

i materiali non metallici

L'alluminio

L' alluminio è un elemento chimico che si trova naturalmente sulla superficie terrestre. È il metallo più abbondante in assoluto, poiché costituisce circa l'8% della crosta del nostro pianeta. È molto versatile e per questo motivo attualmente è il secondo metallo più usato dopo l'acciaio ed è impiegato dalla produzione di automobili alla costruzione di edifici. I vantaggi dell'alluminio sono così numerosi da richiedere una elencazione: -Leggerezza -Durabilità - Riciclabilità -Conducibilità elettrica - Igienicità -Conducibilità termica - Resistenza alla corrosione -Lavorabilità -Versatilità -Estetica

i materiali non metallici

Le leghe dell'alluminio

I criteri di suddivisione delle leghe di alluminio sono diversi, ma essenzialmente riconducibili a due macro famiglie:

leghe da fonderia

leghe da lavorazione plastica

-leghe alluminio-rame, con notevole resistenza meccanica.; -leghe alluminio-magnesio, con discreta resistenza meccanica e buona resistenza alla corrosione; -leghe leggere ad alta resistenza, che presentano alte caratteristiche meccaniche.

-leghe alluminio-rame, che innalza la durezza, la resistenza a trazione e al calore, la lavorabilità all'utensile; -leghe alluminio-silicio, con silicio che migliora la resistenza a trazione e la fusibilità; -leghe alluminio-magnesio, con discreta resistenza a trazione e buona lavorabilità all'utensile; -leghe alluminio-zinco, con buone caratteristiche meccaniche anche senza trattamenti termici.

i materiali non metallici

Il rame

Il rame è un metallo noto e usato fin dalla preistoria, ma ancora molto importante nell'attuale produzione industriale, sia allo stato puro che sotto forma di composti e di leghe. In natura il rame si trova sia puro, sia combinato in minerali sotto forma di ossidi, solfuri e carbonati . Presenta un bel colore rosso fulvo (rosso rame), ottima conduttività elettrica e termica. Si ossida facilmente creando una patina (verderame) che gli conferisce un'ottima resistenza agli agenti atmosferici. È duttile, malleabile e facilmente saldabile; presenta una discreta resistenza a trazione. Il rame è impiegato nel settore elettrico (cavi, fili, awolgimenti, ecc.), nell'edilizia (tubi per impianti termici e sanitari, gronde), nella chimica (elettrodi, scambiatori di calore, ecc.), nell'agricoltura (anti-parassitari come I solfato di rame) e nella meccanica.

i materiali non metallici

Le leghe del rame

Le leghe del rame sono:

I bronzi

L'ottone

Sono leghe rame-stagno con buone caratteristiche meccaniche, notevole lavorabilità plastica e ottima fusibilità; nei bronzi alla crescita del tenore di stagno aumenta la resistenza a trazione e la durezza, ma dimimuisce la duttiità e la saldabilità. I bronzi sono distinti in: -bronzi comuni, utilizzati sia per lavorazioni plastiche sia per fonderia se ne ottengono valvole, ingranaggi ecc. -bronzi speciali, se nella lega entrano anche dementi quali lo zinco, il piombo e il fosforo.

Sono leghe rame-zinco con buone caratteristiche meccaniche, ottima resistenza a corrosione, malleabili, lavorabili all'utensile e per getti di fusione. Sono diffusamente impiegati per rubinetteria, valvole, maniglie,.. Gli ottoni sono distinti in:-ottoni comuni, con stagno e zinco, utilizzati sia per lavorazioni plastiche, sia per fonderia; -ottoni speciali, se nella lega oltre al rame e allo zinco sono presenti il piombo, il silicio, il manganese e il nichel.

i materiali non metallici

Il piombo

Lo zinco

Il magnesio

Il titanio

Lo zinco è un metallo di color grigio , di scarsa resistenza meccanica e durezza, ma malleabile, duttile e resistente alla corrosione, grazie alla formazione di una patina di ossido. Lo zinco è costituente di leghe importanti con l'alluminio e il rame, ma forma anche propria leghe con l'alluminio e il magnesio. Queste leghe, sono impiegate in parti di motori, di elettrodomestici e di apparecchi fotografici.

Il piombo è per antonomasia il metallo pesante,. Ha una bassa temperatura di fusione, è molto malleabile, pieghevole e resistente alla corrosione. Per le sue proprietà è impiegato nei settori: elettrico, edilizio, sanitario, chimico ( bellico). È invece ormai superato il secolare impiego per caratteri da stampa e per tubazioni idrauliche o del gas.

Il titanio è un metallo abbastanza diffuso, ma difficile da separare dai suoi minerali. È di colore argenteo, simile all'acciaio inossidabile, leggero, resistente alla corrosione e di notevoli prestazioni meccaniche quando è legato. Il titanio è abbastanza facilmente lavorabile all'utensile, per laminazione e per stampaggio. Forma leghe con l'alluminio, il vanadio, il cromo, lo zirconio e il molibdeno.

Il magnesio è un metallo diffuso in natura sotto forma di minerale o di cloruro di magnesio nell'acqua marina. Allo stato puro è scarsamente utilizzato per scopi industriali; nelle applicazioni industriali sono diffuse le sue leghe, che per la loro estrema leggerezza sono chiamare leghe ultraleggere

i materiali non metallici

Il molibdeno

Il cromo

Lo stagno

Il nichel

Il cromo, è un metallo duro, inalterabile, di bel colore argenteo splendente. Per la sua durezza e resistenza alla corrosione è ampiamente impiegato per rivestimenti protettivi di altri metalli (cromatura); è inoltre largamente utilizzato nella metallurgia come elemento di lega per ghise, acciai speciali e inossidabili.

Il molibdeno, di buona conducibilità elettrica e alta temperatura di fusione, è utilizzato come elemento di lega per acciai inossidabili, al quali conferisce temprabilità e resistenza all'usura, impiegati per utensili e valvole di impianti ad alte temperature. Come elemento puro trova impiego nel settore elet- trico per resistenze e lampade a incandescenza.

Il nichel è un metallo molto importante nella metallurgia, perché determinante per la produzione di acciai inossidabili. Ha un bel colore argenteo. È duro, resiste alle alte temperature e in modo eccellente agli agenti atmosferici e all'acqua an che marina. É malleabile, duttile e saldabile. Allo stato puro è utilizzato per rivestimenti protettivi di altri metalli , per accumulatori elettrici, usi chimici, monetazione.

Lo stagno è utilizzato nella metallurgia per la produzione del bronzo, lega di ra- me e stagno. Ha colore argenteo; resistente agli agenti atmosferici, ha caratteristiche meccaniche molto modeste, ma è molto malleabile, es- sendo riducibile anche a sottilissimi fogliCome elemento puro viene largamente utilizzato nella produzione industriale di banda stagnata, sottile lamiera di acciaio dolce protetta da uno strato di stagno. Ridotto in lamine è inoltre utilizzato per confezioni alimentari sotto forma di stagnola.

i materiali non metallici

Materiali sintetizzati

Il manganese

Il tungsteno

Il cobalto

Sono materiali ottenuti con un particolare procedimento, chiamato sintetizzazione, che permette di agglomerare materiali difficilmente miscelabili e lavorabili. Con questo procedimento si ottengono principalmente: -miscele di carburi metallici di tungsteno, molibdeno, titano, con altri metalli in funzione di legante; -corpi metallici porosi per cuscinetti autolubrificanti; -pezzi meccanici in bronzo, ottone, leghe leggere, metalli compositi; -unione di metalli e diamante per mole diamantate; - sostanze refrattarie in molibdeno, tungsteno, vanadio, ecc per filamenti di lampade a incandescenza, resistenze di forni

Il tungsteno , noto anche come wolframio, è un metallo pesante e molto resistente al calore.Come metallo puro è impiegato nel settore elettrico per filamenti di lampade a incandescenza, elettrodi di candele, contatti, resistenze di forni ad alte temperature. Come elemento di lega è presente in acciai rapidi per utensili; combinandosi con il carbonio forma carburi di tungsteno durissimi, lavorati come materiali sinterizzati per utensili ad altissima resistenza.

Il manganese è utilizzato in siderurgia come deossidante e come componente di acciai speciali, ghise, bronzi, ottoni e leghe leggere.

Il cobalto è impiegato come elemento di lega per acciai speciali, particolarmente duri e resistenti, per la formazone di placchette sinterizzate in carburi metallici per utensili; ma è anche utilizzato in leghe (tipo alnico) per magneti permanenti di alta intensità.

La tour eiffel

Il progetto

Il progetto di Eiffel fu scelto fra gli oltre 100 presentati al governo francese. Fu scelto proprio l'ingegnere francese perchè era famoso fino a quel momento perlopiù per i ponti che aveva costruito. Le sue opere erano caratterizate da un particolare che avrebbe fatto la fortuna della futura Torre Eiffel: la struttura reticolare. Come materiale da utilizzare Eiffel scelse di utilizzare il ferro forgiato, un materiale con un più basso contenuto di carbonio rispetto all'acciaio, che si carattterizza per la sua flessibilità, elemento a favore della torre eiffel che doveva resistere a forti sollecitazioni da parte del vento.

La tour eiffel

La costruzione

La costruzione della Torre Eiffel iniziò il 28 gennaio 1887 e durò due anni. Per cominciare il terreno sotto lo Champ de Mars fu analizzato. Questo primo strato fu poi ricoperto da sabbia e ghiaia di vari spessori, utili per sorreggere le fondazioni. La costruzione ebbe inizio dai quattro enormi piloni a struttura reticolare. La sagoma della Torre Eiffel non era dovuta a ragioni estetiche, bensì alla fisica e alla matematica, dal momento che la curvatura degli spigoli era calcolata per contrastare la forza del vento. Il suo profilo riesce infatti a convertire le sollecitazioni di flessione e taglio in sollecitazioni di compressione alla base, scaricando a terra non solo il proprio peso, ma anche la spinta orizzontale del vento. Un altro escamotage per ridurre le sollecitazioni fu l'adozione della struttura reticolare: la travatura metallica a maglie triangolari riduce l'area esposta al vento e ripartisce in modo uniforme i carichi sulle singole aste che compongono la struttura.

La tour eiffel

La situazione odierna

Il piano originale era quello di smantellarla dopo circa 20 anni, una durata di tempo necessaria per poter rientrare, attraverso i biglietti, delle spese fatte per costruirla. A salvarla fu l’idea di mettere un’antenna in cima. Posta così in alto si rivelò utilissima per le trasmissioni radio in tempo di guerra, e quindi fondamentale da un punto di vista strategico. A questo si aggiunge ovviamente anche il successo incredibile che ebbe come attrazione turistica. Pensate che dalla sua inaugurazione è stata visitata da oltre 250 milioni di visitatori.

La tour eiffel

Gli ascensori

La Torre Eiffel è un celebre monumento di Parigi ed è un'importante attrazione da quasi 130 anni. La torre è costituita da 3 sezioni principali: il primo piano, il secondo piano, e l'ultimo piano. I visitatori possono salire al secondo piano con le scale o utilizzando uno degli ascensori. Fin dall'inaugurazione della Torre Eiffel nel 1889, in occasione dell'Esposizione Universale di Parigi, gli ospiti hanno potuto accedere ai vari piani del monumento tramite gli ascensori. All'epoca si trattava di un trionfo tecnico, dato che erano pochi gli ascensori progettati per arrivare così in alto. Attualmente la Torre Eiffel dispone di 7 ascensori. Ogni ascensore è composto da due cabine, che fungono da contrappeso l'una dell'altra: quando una cabina sale, l'altra scende. Cavi zincati e dispositivi antighiaccio sulle cabine, consentono agli ascensori di operare tutto l'anno, anche in condizioni climatiche avverse.

SITOGRAFIA E BIBLIOGRAFIA

Per la Tour Eiffel:

Per i metalli e i non metalli:

Materiale fornito dal nostro professore: Loreto Grasseli

www.edatlas.it

www.geopop.it

https;//storiaascensori.org

www.tecnologiaduepuntozero.it

www.iisbernaldaferrandina.edu.it

www.campanologia.it

www.mcurie.edu.it

www.chimica-online.it

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