Il ferro il rame e l'alluminio Ada Cantivalli e Sciotto Rachele Classe I sez. A Scuola secondaria di I grado. Materia: Tecnologia Prof.ssa Maria Gloria Saporito : “Anche i materiali hanno un’anima”

Il ferro

Storia del ferro Il ferro appare per la prima volta sulla terra intorno al IV millennio a.C. sotto forma di meteoriti piovuti dallo spazio. A questi frammenti di stelle l’uomo attribuisce un valore magico - simbolico e con essi realizza oggetti ornamentali e portafortuna.

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 latini chiamarono Sider = stelle il ferro e quel ch'era ad esso legato siderurgico.

In Italia giunse probabilmente via mare e fu utilizzato innanzitutto da Umbri, Villanoviani e Etruschi.(fine del II millennio). Nella preistoria il ferro veniva ricavato direttamente dal minerale per riduzione in bassifuochi con l'utilizzo del solo carbone di legna. Il metallo scaturiva allo stato pastoso e non liquido; diventava quindi indispensabile fucinarlo per riuscire a liberarlo dalle scorie. Praticamente questo procedimento rimase invariato fino al Medioevo. Alla fine del XIII secolo la metallurgia del ferro si confonde con quella della ghisa e dell'acciaio e soltanto nel secolo successivo comparvero gli altiforni in grado di produrre ghisa liquida.

Ferro :caratteristiche generali Il ferro è un metallo grigio splendente, duttile e malleabile, è ferromagnetico a bassa temperatura e tipicamente polimorfo. Il ferro è un metallo molto reattivo, tuttavia a freddo non reagisce né con l'aria secca né con l'acqua deareata. La presenza di ossigeno e acqua, però, specialmente in presenza di acido carbonico (anidride carbonica sciolta in acqua), porta alla formazione dell'ossido ferrico idrato (ruggine).

A contatto con molti acidi diluiti il ferro passa in soluzione, liberando idrogeno. Non si scioglie, invece, con l'acido nitrico concentrato. Il ferro è resistente alle soluzioni basiche (alcaline) concentrate e alle alte temperature, anche in presenza di ossidanti. Il ferro gioca un ruolo fondamentale nella chimica delle molecole biologiche, basti citare per tutte il suo ruolo nell' emoglobina trasportatrice di ossigeno.

Nella Tavola Periodica degli elementi il ferro viene identificato con il simbolo “Fe" ed ha le seguenti caratteristiche fondamentali: numero atomico: 26 densità a 20°C: 7880 kg/m3 punto di fusione: 1535 °C punto di ebollizione: 3000 ° calore latente di fusione: 3,8 kJ/mol è il metallo più abbondante all'interno della Terra (costituisce il 34,6% della massa del nostro pianeta) e si stima che sia il decimo elemento per abbondanza nell'intero universo.

Il ferro metallico Il ferro forma leghe con quasi tutti gli altri metalli e con alcuni elementi "non-metallici" come carbonio ed azoto. Le leghe ferro-carbonio sono dette "ghise" ed "acciai" a seconda del tenore di carbonio presenti nella lega. Sono detti "acciai" le leghe che contengono al massimo 1.7% di carbonio. Sono dette "ghise" le leghe con tenori di carbonio dal 2.0% al 4.0%. Le leghe "non-ferrose" sono, invece, quelle basate su altri elementi in concentrazioni tali che il ferro, se presente, lo è come impurezza più o meno controllata.

L' estrazione del ferro La preparazione del minerale metallifero è un’importante fase della lavorazione che ha luogo dopo l’estrazione dal giacimento e prima del trattamento metallurgico. Durante il processo di preparazione si frantuma il materiale estratto e si eliminano le sostanze superflue. La frantumazione ha luogo in frantoi, mulini ed impianti di frantumazione. Il processo di separazione del materiale utile da quello sterile sfrutta determinate caratteristiche fisiche del materiale, come ad esempio il peso specifico o il magnetismo. La roccia sterile, ossia la roccia che non contiene minerale, viene eliminata. Dopo questo trattamento il minerale estratto è più ricco e può essere trasportato negli stabilimenti metallurgici.

La produzione Minerali di ferro ottenuti scavando miniere sotterranee o a cielo aperto. La metallurgia del ferro è essenzialmente una metallurgia di riduzione dove l'agente riduttore fondamentale utilizzato in siderurgia è l'ossido di carbonio CO. La trasformazione del minerale di ferro in ferro metallico, o meglio in una lega di ferro e carbonio chiamata ghisa, ha luogo nell'alto forno. L'alto forno è un forno a tino di grandi dimensioni: 8-10 metri di diametro massimo, 30 e più metri di altezza. Sono presenti anche 3 o 4 scambiatori di calore, usati per preriscaldare l'aria, alti circa come il forno. L'altoforno è mantenuto in funzione per 24 ore al giorno, per 7 giorni alla settimana.

L'altoforno è sorretto da una robusta incastellatura esterna di acciaio su cui si scarica il peso della muratura refrattaria. Questa è rivestita nella sua quasi totalità da una lamiera di acciaio dello spessore di pochi millimetri, su cui scorre continuamente un velo di acqua di raffreddamento. Il tino e la sacca sono in refrattario silico-alluminoso a tenore di allumina crescente a mano a mano si scende verso il basso; il crogiolo, e talvolta anche la parte inferiore della sacca, sono in refrattario grafitico.

L'altoforno richiede grosse quantità di coke metallurgico che richiede impianti costosi e attualmente sta scarseggiando. Per cui altri processi di produzione del ferro alternativi stanno emergendo come la riduzione diretta e la fusione di riduzione dove il coke metallurgico può essere sostituito con carbone polverizzato o trattato con altri agenti riducenti. Esempi di produzioni commerciali sono Midrex e Corex.

I materiali scaricati dall'altoforno sono metalli fusi a 1,530 °C, circa 300 kg di scorie fuse per tonnellata di metallo fuso, fumi e polveri di varie impurità. Il metallo fuso, sotto forma di ghisa (ghisa di prima fusione), dove subisce dei pretrattamenti e quindi trasferito nell'acciaieria. Le scorie fuse vengono frantumate, raffreddate e riciclate come materiale per massicciate e per cementi. I fumi che escono dall'alto vengono avviati ad impianti di recupero del calore. Infatti i fumi possiedono un potere calorico di 3600 kJ/mc che viene sfruttato per riscaldare l'aria da soffiare nell'altoforno e per alimentare la centrale termoelettrica.

La lavorazione del ferro battuto La lavorazione del ferro battuto si divide in tre fasi: Prima fase : Prima di procedere alla creazione di un qualsiasi oggetto in ferro battuto, bisogna sempre fare uno schizzo che deve contenere la misura dell'altezza, lunghezza, larghezza e altri dati necessari.

Seconda fase: Il ferro si taglia alle misure desiderate. Si scalda alla forgia (caminetto per scaldare il ferro) alla temperatura di 1000 gradi e vi si inserisce il pezzo di ferro. Quando il ferro è incandescente al punto giusto, viene adagiato sull'incudine e lavorato a mano con il martello oppure con il martello pneumatico con il quale si eseguono le decorazioni più complicate. I pezzi forgiati vengono uniti con la saldatrice o tramite chiodatura e, se il progetto lo richiede, vengono incisi a mano.

Terza fase : Alla struttura ultimata, vengono apportate le ultime rifiniture o modifiche necessarie, come la verniciatura. Infine la struttura in ferro battuto è pronta per essere venduta. Se però la struttura va all'esterno come ad esempio un cancello, quindi è esposto alle intemperie, serve procedere alla metallizzazione (sabbiatura e successiva zincatura) per evitare che si rovini.

Il riciclaggio del ferro La crescita di produzione nei cicli industriali genera due problemi: il consumo delle risorse e la produzione di rifiuti. Il riciclaggio è dunque una necessità perché i cicli lavorativi e le produzioni industriali non devono essere a discapito dell’ambiente. La raccolta e il riciclaggio dei rottami di ferro permettono ai materiali usati di avere un nuovo utilizzo e di essere reintrodotti nel ciclo lavorativo consentendo il risparmio di materie prime e la riduzione dell'impatto ambientale per la loro produzione.

Smaltimento del ferro Trasformazione mediante la riduzione degli sfridi di lamiera provenienti dagli scarti di produzione rottamo - ferrosi. Cernita,a volte manuale a volte con l´ausilio di mezzi meccanici, per selezionare le varie leghe. Cesoiatura e/o pressatura per rendere i prodotti idonei alle esigenze delle acciaierie che sono destinatarie della merce. In certi casi si interviene con il taglio a fiamma per scomporre oggetti di grosso spessore o per recuperare alcune componenti riutilizzabili che altrimenti verrebbero danneggiate.

Il rame

Storia del rame Noto sin dai tempi preistorici,è stato il primo metallo usato dall’uomo: Gli Egizi,più di 6000 anni fa; I Greci lo chiamarono calcòs dalla regione(la Calcide)dove lo trovarono; i Romani aes cyprium o semplicemente cuprum (da cui il simbolo Cu ),dall’isola di Cipro che ne possedeva famose miniere.

Il rame è stato associato alla dea Venere nella mitologia e nell'alchimia per via del suo aspetto lucente, del suo uso nella produzione di specchi e per la sua principale zona estrattiva, l'isola di Cipro. Il simbolo usato dagli alchimisti per rappresentare il rame è identico a quello impiegato dagli astrologi per rappresentare il pianeta Venere.

Rame: caratteristiche generali Il rame è un metallo rosato o rossastro si ricava da numerosi minerali, uno dei più importanti è la calcocite; possiede conducibilità elettrica e termica elevatissime, superate solo da quelle dell'argento; è molto resistente alla corrosione (per via di una patina aderente che si forma spontaneamente sulla superficie, prima di colore bruno e poi di colore verde o verde-azzurro) ; non è magnetico .

Nella Tavola Periodica degli elementi il rame viene identificato con il simbolo “Cu" ed ha le seguenti caratteristiche fondamentali: numero atomico: 29 ; densità a 20°C: 8920 kg/m3 ;  punto di fusione: 1084,6°C; punto di ebollizione: 2567,2°C; calore specifico: 380J/Kg·K ; calore di fusione 13,05 kJ/mol.

È facilmente lavorabile, estremamente duttile e malleabile, ma non è idoneo a lavorazioni con asportazione di truciolo, perché ha una consistenza piuttosto pastosa; Entra facilmente in lega con altri elementi dando vita a numerosi materiali dotati di una vasta gamma di proprietà; Ha elevate caratteristiche meccaniche; E’ batteriostatico, cioè combatte la proliferazione dei batteri sulla sua superficie.

Il rame e le sue leghe

Per le sue doti il rame è diffuso: nell'impiantistica idrotermosanitaria; nella rubinetteria; nelle attrezzature per la nautica; nell'elettrotecnica e nell'elettronica; in lattoneria; in architettura; nella monetazione; nell'artigianato e nell'oggettistica; nei trasporti; in edilizia ; e in molti altri settori.

Processo di estrazione Frantumazione Flottazione Concentrazione Arrostimento Fusione e conversione Raffinazione termica Raffinazione elettrolitica Rifusione e colata

Estrazione I minerali di rame sono ricavati da miniere sia a cielo aperto sia in galleria ed i metodi utilizzati non si caratterizzano in modo particolare rispetto a quelli tradizionalmente usati anche per altri minerali.

Macinazione Flottazione Il minerale, che contiene una rilevante quantità di inerti, (ganga) viene ridotto, per mezzo di potenti mulini, a una polvere di adeguata granulometria al fine di ottimizzare il trattamento successivo. Flottazione Questa operazione consente la separazione delle frazioni contenenti il rame dagli inerti; la polvere, emulsionata con liquidi tensioattivi, viene immessa in grandi vasche da dove si asporta lo strato schiumoso superficiale che contiene le particelle più ricche di rame. La concentrazione di rame ottenibile può variare dal 30 al 50% in funzione del tenore del minerale di partenza.

Concentrazione I fanghi sono essiccati meccanicamente prima dell'immissione nel forno di arrostimento, in quanto una elevata quantità d'acqua produrrebbe uno spreco di energia termica per la sua evaporazione si ottiene così un composto prevalentemente a base di minerali solforati. Arrostimento La concentrazione procede poi per via termica; si diminuisce così il tenore dello zolfo presente sfruttando la sua più elevata affinità chimica con l'ossigeno rispetto al rame. Fusione e conversione Nel forno si procede alla fusione del concentrati in ambiente reso ossidante per mezzo di insufflaggio di aria od ossigeno nel bagno ottenendo la formazione di SO2 gassosa, che si separa dal metallo liquido; l'aggiunta di silicio inoltre permette l'eliminazione del ferro presente; esso forma la scoria, composta prevalentemente da silicati, che galleggia e viene asportata per sfioramento.

Raffinazione termica Il metallo fuso viene trattato nuovamente con insufflaggio di aria od ossigeno e successiva scorifica delle impurezze; in questa fase si riossida parzialmente anche il bagno. Successivamente si procede alla riduzione del tenore di ossigeno introducendo nel forno un tronco verde di pino che, bruciando, sprigiona vapore acqueo ed altri gas riducenti. Questa operazione è chiamata "pinaggio". Questo trattamento generalmente permette di ottenere gli anodi che saranno poi sottoposti alla raffinazione elettrolitica.

Raffinazione elettrolitica Viene effettuata con il processo ad anodo solubile in vasche contenenti una soluzione di solfato di rame ed in cui gli anodi si alternano con i catodi,costituiti da lamierini sottili di rame ad elevata purezza di origine elettrolitica. Tra anodi e catodi, immersi nella soluzione conduttrice elettricamente, viene fatta circolare una corrente elettrica che dissolve l'anodo in ioni, i quali, migrando attraverso la soluzione, vanno a depositarsi sul catodo. Il processo si interrompe con l'esaurimento degli anodi, i catodi vengono così estratti ed inviati alle lavorazioni successive o al commercio.

Rifusione I catodi non possono essere lavorati per deformazione plastica direttamente; essi sono infatti costituiti da materiale incoerente e devono pertanto subire una rifusione. Il metallo liquido periodicamente viene estratto dal forno e conservato in apposite siviere o in forni di attesa per le conseguenti operazioni di colata. Quest'ultima avviene oggi prevalentemente con processi di colata continua, per la vergella, e semicontinua, per billette e placche. La forma del metallo solido è ottimizzata in funzione del semilavorato da produrre: vergella per ottenere fili, billette per tubi e barre, placche per lamiere e nastri.

Processi di colata I processi di colata permettono di produrre, in modo economico, componenti con geometria o dimensioni difficili da ottenere mediante deformazione o asportazione di truciolo. Poiché il rame puro è estremamente difficile da colare a causa della tendenza alla formazione di fratture superficiali, cavità interne o porosità, vengono aggiunti in lega altri elementi quali Sn, Zn, Be, Si, Ni e Cr.

Processi di deformazione plastica L’elevata duttilità del rame e delle sue leghe rende possibile diversi processi di deformazione plastica, quali: Estrusione Trafilatura Laminazione Imbutitura

Produzione di barre e tubi

Produzione di laminati

Produzione di barre sagomate e di fili

Riciclabilita' Il rame risulta riciclabile al 100%. Le nazioni tecnologicamente più avanzate recuperano i prodotti contenenti rame al termine della loro vita utile: ad esempio il rame è la materia prima di cui l’Italia dispone maggiormente, pur non possedendo miniere. Questo contribuisce a ridurre la dipendenza dalle importazioni e rende praticamente trascurabile il contributo del rame all’incremento costante dei rifiuti solidi e industriali. Oltre il 40% del rame attualmente utilizzato in Italia proviene dal riciclo. Tale percentuale è destinata ovviamente a salire, visto che la disponibilità di rottami è strettamente correlata al consumo di 20-30 anni prima e quest’ultimo è andato sempre aumentando.

Si calcola che l’80% circa del rame estratto fin dall’antichità sia ancora in uso sotto varie forme. Solo una piccola parte non viene recuperata: essa è dispersa prevalentemente come composti chimici necessari per l’agricoltura. Il rame riciclato ha le stesse caratteristiche chimico- fisiche e tecnologiche del rame primario e quindi non subisce limitazioni di utilizzo o diminuzione di valore. il riciclo consente un notevole risparmio di energia, in quanto i processi di estrazione e di raffinazione vengono “scavalcati”.

Ed infine... Il rame è quotato presso la borsa di Londra,London Metal Exchange (LME)

L'alluminio

Storia dell'alluminio L’utilizzo su scala industriale dell’alluminio è relativamente recente: risale, infatti, a poco più di 100 anni fa. L’ipotesi dell’esistenza dell’Alluminio risale al 1807 (Sir Davy). I suoi esperimenti non diedero però esito positivo. Solo nel 1825 il fisico danese Hans Cristian Oersted riuscì a produrre alcune gocce di alluminio. Le ricerche furono proseguita in Germania da un suo discepolo, Freidirich Wohler, che dimostrò molte delle proprietà del metallo.

Nel 1854, i francesi Henri Sainte e Claire Deville svilupparono un complesso processo termo-chimico che permetteva una limitata produzione industriale. Occorre arrivare al 1886 perché l'americano Charles Martin Hall e il giovane scienziato francese Paul Heroult, scoprissero contemporaneamente, seppur in modo indipendente, il primo processo di fusione elettrolitica per la produzione di alluminio metallico dall’allumina.

Schema di cella elettrolitica per la produzione di alluminio: 1) refrattario; 2) crosta solida di allumina e criolite; 3) anodo di carbone; 4) elettrolita fuso; 5) alluminio fuso; 6) suola conduttrice di carbone grafitato.

Il metodo di Hall – Heroult, è ancora oggi il sistema utilizzato per la produzione di alluminio ed è stato migliorato dalle successive scoperte, quale quella dell’austriaco Karl Bayer, che nel 1888 brevettò la tecnica per l'estrazione dell'ossido di alluminio dalla bauxite.

Alluminio: caratteristiche generali L'alluminio deriva il suo nome da Alum, più tardi allume, un solfato di alluminio conosciuto ed utilizzato sin dall’antichità per la preparazione di tinture e medicinali. L'alluminio è un metallo bianco-argenteo con tendenza all’azzurrognolo.

Nella Tavola Periodica degli elementi l'alluminio viene identificato con il simbolo "Al" ed ha le seguenti caratteristiche fondamentali: numero atomico: 13; massa atomica: 26.9815 kg/kmol; densità a 20°C: 2.70 kg/dm3 ;  punto di fusione: 659.9°C; punto di ebollizione: 2270°C; calore specifico: 93.9 kJ/(kgK); calore latente di fusione: 394.5 KJ/kg; E’ il terzo elemento più abbondante sulla Terra dopo l’ossigeno e il silicio. Si trova sempre combinato con altri elementi e il principale minerale da cui si ricava è la bauxite, un elemento che costituisce circa l’8% della crosta terrestre.

Ha un campo di applicazione molto vasto poiché a parità di volume, pesa circa 1/3 del rame e dell’acciaio. Questa proprietà permette all’alluminio di essere utilizzato nella costruzione di aeroplani, automobili, navicelle spaziali come nell’arredamento. E’ resistente alla corrosione: si ossida immediatamente a contatto con l’aria creando una protezione superficiale che lo rende resistente all’acqua e ad alcune sostanze chimiche, inoltre non forma sostanze tossiche di alcun genere, per questi motivi è molto utilizzato nella fabbricazione degli imballaggi alimentari (lattine, scatolette, ecc), e degli utensili da cucina.

L’alluminio è inoltre: duttile e malleabile conduttore elettrico, termico, sonoro riflettente amagnetico riciclabile

Perche' riciclare l'alluminio Se il riciclaggio di materiali quali carta, sostanza organica (il cosiddetto umido), significa proteggere l'ambiente in quanto si riduce la quantità di rifiuti da smaltire in discarica il riciclaggio dell'alluminio offre pure il vantaggio di un notevole risparmio energetico ed economico. Il riciclaggio dell’alluminio permette di risparmiare fino al 90% dell'energia richiesta per produrlo partendo dalla materia prima, ma anche perché grazie ed al suo alto valore intrinseco rende conveniente l'utilizzo di tecnologie di recupero da qualsiasi manufatto obsoleto (rottame). L'alluminio ottenuto da "rifiuto" diventa una risorsa economica non indifferente, per l'economia di un Paese. L'Italia è leader europeo in fatto di produzione di alluminio riciclato.

Il riciclaggio dell' alluminio Le fasi principali del processo di riciclaggio sono:

Frantumazione Le balle di lattine provenienti dai centri di raccolta differenziata vengono sballate ed inviate in un trituratore per la frantumazione in modo da agevolare le successive operazioni. Delaccaggio Questa fase prevede la combustione per decomporre la laccatura di rivestimento presente sulla superficie delle lattine. Solitamente, infatti, alla lattina sono applicati fino a 4-5 rivestimenti, (compreso il sottile strato di vernice), il cui tipo e spessore dipendono dal prodotto e dal fabbricante. Compattazione I frammenti delaccati vengono poi compattati in dischetti di 4 pollici di diametro (circa 10 cm) ed aventi una massa di circa 2 libbre (circa 0.9 kg). Questa operazione permette di aumentare l'efficienza di fusione.

Preriscaldamento  Una volta formati, i dischetti di frammenti di lattine non vengono inviati direttamente al forno di fusione; prima passano per il forno di preriscaldamento che porta la loro temperatura da quella ambiente a 600°F (cioè 315°C), grazie ai gas di scarico provenienti dal forno di delaccaggio. L'operazione di preriscaldamento, diminuendo il differenziale di temperatura tra il fuso e i dischetti, riduce la quantità di combustibile richiesta poi in fase di fusione. Inoltre aumenta la sicurezza di processo allontanando ogni miscela organica residua dai dischi prima della fusione.  Fusione Per fondere i dischi di frammenti di lattine viene utilizzato un forno con crogiolo. Prima della fusione e del delaccaggio si provvede a porre il crogiolo, contenente una determinata quantità di sali fondenti, nel forno.

Colata Esistono molti e differenti processi di colata per l'alluminio Colata Esistono molti e differenti processi di colata per l'alluminio. Prima della colata è necessario predisporre la forma in cui verrà colato il fuso. Camera filtri Prima che i gas di scarico escano dal sistema, essi sono filtrati, tramite una camera filtri, per rimuoverne il particolato carbonioso. Sistema di recupero calore ll sistema di recupero del calore serve per incrementare l'efficienza energetica dell'unità. Questo circuito include il forno di delaccaggio, il forno di preriscaldo e quello di fusione.

Come possiamo anche noi contribuire nel riciclaggio dell'alluminio? semplicemente con il riciclaggio delle lattine!!!!!!!!!!!!!

Il riciclaggio dell'alluminio, come già ricordato, necessita solo di un'aliquota (5-10%) di energia notevolmente inferiore a quella richiesta per ottenere alluminio primario da minerale. Inoltre il prezzo di mercato per le lattine usate varia tra i $500 ed i $600 per tonnellata con un costo di processo medio di soli $143,41 per tonnellata, rende la raccolta molto conveniente e la successiva trasformazione relativamente poco costosa. Il riciclaggio delle lattine per bevande usate, è cresciuto rapidamente a causa dell'aumento del consumo di lattine di alluminio e della percentuale di raccolta differenziata.

Il CiAl ( Consorzio Imballaggi Alluminio ) è un consorzio senza fini di lucro costituito dalle aziende che operano nel settore degli imballaggi dell'alluminio. I consorziati considerano elemento imprescindibile dallo sviluppo della loro attività d'impresa la sostenibilità ambientale del materiale e degli imballaggi immessi sul mercato.

FINE