IL FERRO E LE SUE LEGHE

IL FERRO E LE SUE LEGHE

PRODUZIONI E TRASFORMAZIONI

avanti

Materiali

il ciclo di produzione del ferro

Definizione e classificazione

i Metalli e le loro proprità

l'altoforno

Indice

struttura e funzione

caratteristiche

funzionamento dell'altoforno

DISERURGIA: LAVORAZIONE DEL FERRO

fasi e trasformazioni

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la ghisa

il ferro

e caratteristiche

produzione e caratteristiche

l'acciaio

le leghe

proprietà e utilizzi

cosa sono e a cosa servono

I MATERIALI

Con il termine materiale si intende tutto ciò che è costituito da materia. È un termine molto generico nel quale rientrano catalogati ad esempio gli elementi, i composti o anche i miscugli (sia miscugli eterogenei che miscugli omogenei). I materiali possono esistere in tutti e tre gli stati di aggregazione della materia: solido, liquido o gas. In geneale, quindi, con il termine materiali si intendono tutti quegli elementi necessari per costruire oggetti in grado di soddisfare i bisogni e le esigenze dell’uomo. Per poter scegliere il materiale più adatto alla realizzazione di un determinato oggetto è necessario conoscerne le proprietà.

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I metalli sono distribuiti in modo molto diseguale sulla Terra, e raramente si trovano allo stato libero, ma quasi sempre sono in combinazione con altri elementi a formare i minerali. L’insieme delle tecniche e dei procedimenti per l’estrazione dei metalli dai loro minerali costituisce la metallurgia.

METALLI

Dal punto di vista chimico, gli elementi che si trovano in natura si dividono in metalli, non metalli, semimetalli e gas nobili. I metalli sono solidi a temperatura ordinaria (eccetto il mercurio, che è liquido); hanno un aspetto lucente; sono buoni conduttori di calore e di elettricità; sono duttili e malleabili (possono, cioè, essere ridotti in fili e lamine sottili). Gli elementi metallici sono molto numerosi (più di 80). I non metalli sono cattivi conduttori di calore e di elettricità; possono essere gassosi (idrogeno, fluoro, ossigeno…), liquidi (bromo…), solidi (carbonio, zolfo, fosforo…); non sono né duttili né malleabili. I semimetalli sono un gruppo limitato di elementi che hanno un comportamento metallico e non metallico insieme (silicio, germanio…). I gas nobili: presenti in piccole quantità in atmosfera e sono chimicamente inerti; cioè non reagiscono a contatto con altri elementi. Sono: Argo, Neon, Xeno, Elio…

Metallurgia = Lavorazione dei metalli

LAVORAZIONE DEL FERRO: LE SUE ORIGINI

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 le 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.

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 FERRO E LE SUE CARATTERISTICHE

▪ LIMONITE è un miscuglio di ossidi e idrossidi di ferro che non forma veri e propri cristalli, presentandosi solitamente in masse terrose o croste di colore giallo-brunastro. A differenza della magnetite (nera) e della siderite (vitrea), è il principale componente della "ruggine" naturale.

▪ MAGNETITE è un minerale di ferro nero noto per essere il più magnetico in natura e il più ricco di ferro (72,5%). Appartiene al gruppo degli spinelli, si forma in rocce ignee e metamorfiche, e può comportarsi come una calamita naturale.

▪ SIDERITE un minerale composto da carbonato di ferro. Sebbene contenga circa il 48% di ferro, viene utilizzata meno della magnetite per l'estrazione industriale a causa della minore resa.

▪ PIRITE è un solfuro di ferro ed è il minerale più comune del gruppo dei solfuri, famosissimo per il suo colore giallo oro metallico.

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LE LEGHE CHE COSA SONO?

Le leghe possono essere definite come una particolare intima unione tra due o più metalli, o tra metalli e non metalli. Un esempio di lega composta da un metallo ed un altro metallo è il bronzo (rame + stagno), mentre un esempio di lega composta da un metallo ed un non metallo è l’acciaio (ferro + carbonio).

I metalli possiedono la capacità di combinarsi tra loro attraverso la fusione, dando origine alle leghe. Una lega è quindi un materiale ottenuto unendo due o più metalli, oppure un metallo con un elemento non metallico, con l’obiettivo di migliorare le caratteristiche del materiale iniziale. Nella vita di tutti i giorni, la maggior parte delle leghe è composta da metalli solidi, come quelle a base di rame o alluminio. Le leghe del ferro sono particolari perché includono anche un non metallo, il carbonio. Spesso alcuni metalli non vengono utilizzati puri: per esempio, l’oro viene mescolato con il rame per renderlo più resistente, mentre il ferro può essere combinato con elementi come cromo o nichel per aumentare la sua resistenza alla corrosione. Le leghe si ottengono fondendo insieme i componenti: se hanno temperature di fusione simili si fondono insieme, altrimenti si scioglie prima quello che richiede più calore e poi si aggiungono gli altri.

CICLO DI PRODUZIONE DEL FERRO

Il ferro è uno dei metalli più utilizzati e viene ricavato da minerali presenti in natura attraverso un processo industriale a più fasi.

L'ESTRAZIONE DEI MINERALI DI FERRO

TRASFORMAZIONE DEL MINERALE

il ferro è presente in natura sotto forma di minerali, tra cui ematite, magnetite e limonite. Dopo l’estrazione dalle miniere, questi materiali vengono sottoposti a diverse operazioni: frantumazione per ridurre le dimensioni, lavaggio per eliminare terra e residui, e processi di arricchimento per separare le impurità (come la ganga). In questo modo si ottiene un materiale più concentrato in ferro, adatto alle fasi successive della lavorazione.

il MINERALE preparato viene poi riscaldato a temperature molto elevate insieme ad altri materiali che favoriscono le reazioni chimiche. Durante questo processo, il ferro viene separato dall’ossigeno con cui è legato nei minerali e passa allo stato liquido. Contemporaneamente, le sostanze di scarto vengono isolate e rimosse. Il ferro ottenuto in forma fusa rappresenta la base per le successive trasformazioni industriali.

L'ALTOFORNO

L’altoforno è una torre formata da due tronchi di cono, riuniti con le basi maggiori. La parte superiore si chiama “tino”, quella mediana “ventre”, quella inferiore “sacca”. Può misurare fino ad 80 metri di altezza. Nella parte superiore dell’altoforno vi è la bocca di carico, attraverso cui si introducono, a strati alterni, il minerale di ferro, il combustibile e il fondente. L’altoforno viene alimentato, contemporaneamente, dal basso attraverso l’iniezione di aria calda.

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LA GHISA

La ghisa è una lega di ferro e carbonio, in cui la percentuale di carbonio è compresa tra 2% e 4%. Sono presenti anche piccole quantità di altri elementi come silicio, manganese, zolfo e fosforo. La ghisa ha le seguenti caratteristiche: • È dura e fragile • Resiste poco alla trazione ed alla flessione ma ha una buona resistenza alla compressione; • Ha una buona resistenza alla corrosione; • Non è malleabile; quindi non può subire lavorazioni plastiche; • Ha un’ottima fusibilità: fonde a temperature non molto elevate (1100-1200°C), è fluida, e consente una facile realizzazione di pezzi anche complicati. E’ quindi una lega destinata alla produzione di pezzi fusi.

L'ACCIAIO

L’acciaio è una lega di ferro e carbonio che contiene una percentuale di carbonio inferiore al 2%. La materia prima per la produzione dell’acciaio è la ghisa greggia (la materia principale), con l’aggiunta di rottame di ferro e ferroleghe (con silicio, manganese, cromo, nichel). Vi sono poi acciai speciali che contengono, oltre il ferro e il carbonio, anche altri elementi di lega che conferiscono nuove proprietà fisiche, chimiche, meccaniche e tecnologiche. I principali tra questi elementi sono: cromo, cobalto, manganese, molibdeno, nichel, silicio, titanio, tungsteno, vanadio. Fra i numerosissimi acciai speciali ricordiamo gli acciai inossidabili, che contengono cromo e nichel. La loro caratteristica più importante è la resistenza alla corrosione, anche agli agenti corrosivi più violenti.

L’acciaio:

• ha una buona resistenza meccanica ed è meno duro della ghisa;
• è plastico (malleabile e duttile);
• è difficilmente fusibile;
• è facilmente saldabile;
• resiste poco alla corrosione.

Il ferro è caratterizzato da buone proprietà meccaniche, come resistenza, duttilità e malleabilità, che lo rendono facilmente lavorabile e adatto a numerosi impieghi. Possiede inoltre proprietà magnetiche ed è un discreto conduttore di calore ed elettricità. Tuttavia, il ferro puro viene utilizzato raramente perché tende a ossidarsi facilmente a contatto con aria e umidità, formando la ruggine. Per questo motivo, nella maggior parte dei casi viene impiegato sotto forma di leghe, come acciaio e ghisa, che ne migliorano le caratteristiche e lo rendono più resistente e adatto all’uso industriale.

CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

i materiali si classificano in materiali naturali e materiali artificiali. I materiali naturali sono quelli presenti in natura senza intervento dell’uomo e si distinguono in materiali di origine biologica e materiali di origine minerale. I materiali biologici derivano da organismi viventi, sia animali che vegetali, mentre i materiali minerali provengono dalla crosta terrestre. A loro volta, i materiali minerali si suddividono in minerali metalliferi, dai quali è possibile ricavare i metalli, e minerali non metalliferi. I materiali artificiali, invece, sono prodotti dall’uomo attraverso processi di trasformazione delle materie prime naturali. Questi materiali vengono progettati per ottenere caratteristiche specifiche e migliorare le prestazioni rispetto ai materiali naturali. Tra i materiali artificiali rientrano, ad esempio, le plastiche, il vetro e le leghe metalliche come l’acciaio.

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CICLO metallurgico ESTRAZIONE DEI MINERALI PREPARAZIONE DEI MINERALI ESTRAZIONE DEL METALLO PREPARAZIONE DELLA LEGA REALIZZAZIONE DI SEMILAVORATI REALIZZAZIONE DI PRODOTTI FINITI

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Il minerale (introdotto sotto forma di ossido) contiene il ferro che si deve estrarre, insieme ad altri elementi che andranno scartati. Il combustibile impiegato è il coke metallurgico. Il coke contiene anche il carbonio che, liberato, si lega al ferro, nel ventre dell’altoforno. La combustione del coke avviene nella sacca, dove si raggiunge la temperatura massima di 1500°/1900°. Il fondente ha il compito di combinarsi con la ganga (cioè le sostanze di scarto del minerale di ferro) ed essere espulso sotto forma di loppa (fondente+ganga). Nella parte bassa dell’altoforno vengono espulsi la loppa (utilizzata, ad esempio, nella produzione di cemento a presa rapida, detto anche «cemento d’altoforno») e la ghisa greggia (che, una volta rifusa, con l’aggiunta di altri rottami di ghisa, diventa ghisa vera e propria). Se la ghisa greggia viene ulteriormente raffinata, si arriva alla produzione dell’acciaio.