Molti degli oggetti che usi quotidianamente sono in metallo oppure hanno parti metalliche. Che caratteristiche hanno i metalli? Da cosa si ricavano? Quali sono i più importanti?
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Esercizi interattivi
Rispondi alle seguenti domande:
- Cosa sono l’acciaio e la ghisa?
- Cosa viene introdotto nell’altoforno?
- Cosa si produce nell’altoforno?
- Quali sono le proprietà della ghisa?
- Quali sono le proprietà dell’acciaio?
- Cos’è uno stabilimento siderurgico a ciclo integrale?
- Cosa sono gli acciai speciali?
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La siderurgia
I metalli: antiche tecniche di estrazione
I metalli
Per migliorarne le proprietà, i metalli vengono combinati insieme ad altri elementi. Le miscele composte da due o più elementi tra cui almeno un metallo sono dette leghe metalliche. Ad esempio:
- l’acciaio è una lega ferro-carbonio (metallo + non metallo), ed ha una resistenza meccanica maggiore del ferro, il suo componente principale
- l’ottone è una lega rame-zinco (metallo + metallo), ed è più duro del rame, il suo componente principale
La parola metallo deriva dal greco μέταλλον (métallon), che significa miniera. Infatti, solo pochi metalli (oro, argento, rame e platino) si trovano in natura nella loro forma metallica. Tutti gli altri, sono mischiati insieme ad altri elementi e si trovano sottoforma di minerali, dai quali dovranno essere estratti. Ad esempio: la magnetite è un minerale del ferro, la bauxite dell’alluminio.
Le miniere sono giacimenti da cui è possibile estrarre le rocce metallifere (oppure i combustibili solidi): possono essere giacimenti sotterranei o a cielo aperto.
La metallurgia è l’insieme delle tecniche e dei procedimenti necessari all’estrazione dei metalli dai loro minerali e alla loro lavorazione, per ottenere semilavorati (lingotti, lamiere…).
La metallurgia del ferro si chiama siderurgia.
I metalli ferrosi. La ghisa e l’acciaio.
Il ferro è un metallo che ha avuto un ruolo molto importante nello sviluppo industriale ed economico degli ultimi due secoli. I minerali più ricchi di ferro sono la magnetite e l’ematite.
Il ferro allo stato puro praticamente non viene utilizzato, mentre sono largamente impiegate le due sue leghe in combinazione con il carbonio:
- l’acciaio (carbonio < 2%)
- la ghisa (2% < carbonio < 4%)
Quello che comunemente chiamiamo ferro, in realtà è un acciaio contenente pochissimo carbonio.
Produzione
La produzione di queste due leghe inizia nell’altoforno, cioè un forno costituito da una torre che può raggiungere un’altezza anche di 100 m. La struttura del forno è costituita esternamente da una corazza di acciaio speciale, rivestita internamente da mattoni refrattari, cioè capaci di resistere a lungo ad elevate temperature.
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.
Cosa succede nel ventre?
- il ferro si separa dal minerale e si combina insieme al carbonio del combustibile, trasformandosi in ghisa
- le sostanze non ferrose del minerale si combinano con il fondente, andando a formare le scorie, cioè materiali di scarto utilizzati ad esempio nella produzione di cemento a presa rapida.
Dalla parte inferiore del forno, esce ghisa greggia, allo stato liquido. Le scorie, più leggere della ghisa, escono dal forno da un foro superiore.
Della ghisa greggia prodotta:
- Una parte viene colata in lingotti e inviata in fonderia, ovvero allo parte dello stabilimento in cui verrà nuovamente fusa insieme a rottami di acciaio e ghisa per ottenere la ghisa di seconda fusione, usata per produrre oggetti in ghisa. Questa ghisa è detta ghisa da fonderia
- L’altra parte viene colata in carri siluro che, muovendosi su rotaia, la trasportano all’acciaieria, cioè alla parte dello stabilimento in cui la ghisa viene trasformata in acciaio. Questa ghisa è detta ghisa d’affinazione
Vediamo ora cosa succede nell’acciaieria. La trasformazione della ghisa greggia in acciaio (detta affinazione), consiste nella riduzione del carbonio e delle impurità, e nell’aggiunta delle ferroleghe (leghe metalliche del ferro). Questo processo avviene all’interno di grandi forni, detti convertitori, in cui vengono introdotti:
- ghisa greggia fusa (proveniente dall’altoforno)
- rottami di ferro
All’interno di questi forni viene soffiato dall’alto ossigeno puro a forte pressione, che brucia la maggior parte del carbonio disciolto nella ghisa, trasformando la ghisa in acciaio. Si tratta di una reazione molto violenta. Infatti l’acciaio fuoriesce liquido a 1600°C.
All’uscita dai forni, l’acciaio viene colato in un recipiente, la siviera, e da qui
- in lingottiere, per ottenere lingotti
- oppure in una lingottiera con il fondo aperto: in colata continua l’acciaio semi-solido scende dal fondo della lingottiera e viene tagliato alla lunghezza desiderata
Quello appena descritto è il processo di produzione dell’acciaio in un impianto siderurgico a ciclo integrale. Si tratta di impianti molto grandi, in cui l’acciaieria fa parte dello stesso stabilimento in cui vi è l’altoforno.
L’acciaio può anche essere prodotto in piccole acciaierie. Qui l’acciaio viene prodotto da rottami di ferro, anziché dal minerale. Generalmente si trovano in prossimità di zone altamente industrializzate in cui vi è abbondanza di tali rottami.
Utilizzi
Dalla colata dell’acciaio, si ottengono semilavorati dai quali si ricavano:
- lamiere usate per la fabbricazioni di parti di auto, treni, navi
- tubi e travi impiegati nell’edilizia, tondini (cioè barre) per cemento armato
- profilati per i binari ferroviari
- banda stagnata per la produzione di lattine e bombolette
Proprietà
Ma quali caratteristiche hanno la ghisa e l’acciaio? Sembra impossibile, ma una piccola differenza in percentuale di carbonio determina nei due materiali proprietà molto diverse:
Se entrambi i materiali hanno una buona resistenza alla compressione, l’acciaio ha una buona resistenza a trazione e flessione, al contrario della ghisa.
Invece, la ghisa presenta una durezza maggiore rispetto all’acciaio, resiste meglio alla corrosione, ed ha una migliore fusibilità.
Infine, l’acciaio è duttile e malleabile, ed è più facilmente saldabile, mentre la ghisa non lo è.
Acciai speciali
Oltre agli acciai comuni, vi sono gli acciai speciali, che contengono, oltre il ferro e il carbonio, anche altri elementi che gli conferiscono nuove proprietà. Tra questi, ricordiamo gli acciai inossidabili, che contengono cromo e nichel. La loro caratteristica principale è la resistenza alla corrosione, anche se sottoposti agli agenti corrosivi più violenti
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