I Metalli: Proprietà, Leghe e Processo di Siderurgia

Cosa sono i metalli?

I metalli sono elementi chimici dalle proprietà e caratteristiche comuni, tra cui buona conducibilità elettrica e termica, ottima resistenza alle sollecitazioni meccaniche, elevate lavorabilità, duttilità e malleabilità. Questi materiali hanno la capacità di legarsi con altri metalli e non metalli, formando le leghe metalliche. Il processo di estrazione, produzione e lavorazione dei metalli si definisce metallurgia.

L'estrazione dei metalli

La maggior parte dei metalli sono contenuti nei minerali metalliferi, in cui sono legati chimicamente ad altri elementi. Abbiamo la metallurgia estrattiva che si occupa dell'estrazione dei metalli dai minerali in cui sono contenuti, mentre la metallurgia fisica si occupa delle lavorazioni successive. Il primo processo inizia con la prospezione mineraria, ossia la ricerca di giacimenti di sostanze minerali. Da questi minerali viene estratto il metallo liberandolo da elementi estranei come ossigeno, carbonio, zolfo mediante forni a combustione, forni elettrici, elettrolisi.

Le proprietà dei metalli

Se osservi un qualsiasi oggetto di metallo noterai che: - è di colore grigio chiaro (tranne oro, rame) - è lucente e brillante - è difficile da scalfire, duro e pesante Lucentezza, durezza, resistenza agli urti sono alcune delle proprietà dei metalli

Metallurgia fisica: le lavorazioni dei metalli

I processi di formatura sono dei metodi utilizzati per dare forma agli oggetti di metallo. Essi sfruttano la plasticità che i metalli assumono per effetto del calore, possono anche essere fusi e colati in forme o stampi, deformati plasticamente e modellati con processi di laminazione, estrusione e trafilatura. I trattamenti termici migliorano le proprietà meccaniche dei metalli, applicando brusche variazioni di temperatura immergendo il metallo surriscaldato in acqua o olio.

Proprietà fisiche e meccaniche dei metalli

• Peso specifico (Ps). È il peso di un campione di materiale di- viso per il suo volume; è molto variabile, per cui i metalli si divido- no in leggeri (con Ps inferiore a 4), pesanti e pesantissimi.
• Temperatura di fusione. Segna il passaggio del metallo dal- lo stato solido a quello liquido e dipende dal metallo.
• Conducibilità termica ed elettrica. È una caratteristica dei metalli: tutti sono buoni conduttori sia di calore sia di elettricità.
• Resistenza alle sollecitazioni. In genere nei metalli la resi- stenza a trazione è ottima, data la loro elasticità. Anche la capacità di resistere agli urti, cioè la resilienza, è notevole.È la proprietà di un materiale di lasciarsi attraversare dalla corrente elettrica. Questa capacità è elevata nei metalli, mentre è bassa, per esem- pio, nel vetro.

Proprietà tecnologiche dei metalli

• Malleabilità e duttilità. Sono le attitudini a farsi ridurre in lamine o fili sottili; sono tipiche dei metalli.
• Plasticità. I metalli si lasciano deformare e plasmare con facili- tà, conservando poi la deformazione in modo permanente.
• Fusibilità. È la proprietà che consente la colatura in stampi, con la possibilità di ottenere infinite forme diverse.
• Saldabilità. Due pezzi di metallo possono essere uniti per mezzo del calore.
• Temprabilità. È il principale trattamento termico al quale si sottopone l'acciaio, al fine di aumentarne la durezza. Si esegue riscaldando il metallo fino a 760-870 °℃ e quindi lo si raffredda ra- pidamente in acqua o in olio.

Leghe e superleghe

Le leghe si ottengono miscelando e fondendo tra loro due o più metalli e altri elementi, anche non metalli, per ottenere materiali di qualità e caratteristiche superiori. Ad esempio l'acciaio è una lega di ferro e carbonio che può contenere anche altri elementi. Le superleghe sono una categoria ideata per avere una buona resistenza meccanica alla corrosione, a temperature molto elevate (1200 ℃). Vengono utilizzate in campo aeronautico, aerospaziale, chirurgico. Quella più usata ad oggi sono a base di nichel con alluminio o titanio ed altri metalli rari (tungsteno, renio, ecc.).

La siderurgia

Settore della metallurgia che utilizza come materia prima materiali ferrosi (minerali, rottami, ecc.) e, mediante particolari cicli di lavorazione, produce ferro puro e le sue leghe (ghisa e acciaio), da cui si ricavano altri prodotti di diverso tipo e qualità. Il ferro è un metallo di colore bianco lucente, duttile e malleabile ma soggetto a corrosione per l'esposizione all'aria (ruggine). La siderurgia è la metallurgia del ferro ei suoi prodotti più importanti sono la ghisa e l'acciaio.

Il centro siderurgico: dal minerale all'acciaio

è un complesso industriale dove dai minerali ferrosi arriviamo alla ghisa e ai semilavorati d'acciaio. Si articola in tre impianti:

• Parco minerali, cioè il deposito della materia prima (minerali, carbone, calcare).
• Altoforno, un gigantesco impianto per la produzione della ghisa.
• Acciaieria e laminatoio, converte la ghisa degli altoforni in acciaio e produce semilavorati come tubi, barre, lamiere,ecc.

IL CENTRO SIDERURGICO

1 PARCO MINERALI PREPARAZIONE ALTOFORNO calcare 2 minerale carbone 3 ACCIAIERIA E LAMINATOIO convertitore colata continua nastro trasportatore SEMILAVORATI PRODOTTI FINITI barro e tondini blumi billette brammo rotoli lamiere vergelle tubi

L'altoforno

è una torre alta fino a 50m, costruita in materiale refrattario. Esso è composto da una bocca di carico, una parte media detta tino, la sacca e il crogiolo. Il prodotto finale dell'altoforno è la ghisa ossia una lega di ferro - carbonio. Essendo un materiale molto fusibile viene impiegata per ottenere pezzi complicati, come motori, basamenti di macchine. La maggior parte della ghisa viene indirizzata all'acciaieria e convertita in acciaio e nei suoi semilavorati.

L'ALTOFORNO

ALTOFORNO L'altoforno è l'impianto per la produzione della ghisa. È costruito in materiale refrattario per resistere alle alte temperature. Il ciclo di funzionamento è continuo, giorno e notte, e dura anche una decina di anni.

Carica dell'altoforno

2 CARICA La carica è composta da strati alternati di minerale di ferro, fondente (calcare) e coke (un carbone artificiale). Il combustibile è caricato dall'alto con nastri trasportatori. Il materiale viene surriscaldato da aria bollente (fino a 980 °C) che incendia il coke. tramogge coke minerali di ferro e calcare 1 sacca scone

Crogiolo e acciaieria

3 - CROGIOLO La maggior parte della ghisa ottenuta viene inviata all'acciaieria per mezzo dei carri siluro, specie di carri ferroviari, dove verrà convertita in acciaio abbassandone il contenuto di carbonio. L'acciaio sarà utilizzato per la produzione dei semilavorati: barre, profilati, lamiere, tubi ecc. carrello ribaltabile forni di riscaldamento dell'aria gas di scarico dell'altoforno aria rivestimento refrattario aria calda 4 ACCIAIERIA Nel crogiolo si raccoglie la ghisa fusa (1800 °C). Le impurità (ganga) si combinano con il fondente e, poiché sono più leggere, galleggiano sulla ghisa fusa. A intervalli vengono eliminate le scorie e dal foro di colata si scarica la ghisa nelle siviere, enormi secchi d'acciaio rivestiti di refrattario.

La conversione della ghisa in acciaio

Tutto l'acciaio si ottiene dalla ghisa. A differenza della ghisa che possiede un contenuto del carbonio pari al 2,06%, l'acciaio ne possiede di meno. Per ottenerlo dobbiamo ridurre la quantità di carbonio (decarburazione) e, utilizzando dei grossi contenitori a forma di pera (convertitori a ossigeno LD) si passa al processo di conversione (affinazione). Soffiando dall'alto ossigeno puro ad alta pressione, si combina col carbonio generando anidride carbonica bruciando l'eccesso del carbonio stesso ottenendo l'acciaio. 6 C Carbon 12.011 + 02 2 = CO2

Dall'acciaio ai semilavorati: il laminatoio

Dal convertitore esce fuori acciaio fuso che viene colato in siviere (grandi contenitori) mediante colata continua, da cui si ricavano semiprodotti (blumi e bramme) che vengono inviate al laminatoio. Questi ancora incandescenti passano grazie ai rulli attraverso gabbie con cilindri rotanti che ne danno la forma, spessore e sagoma. Il prodotto finale di questi semilavorati sono: lamiere, nastri, tondini, profilati, rotaie, tubi.

LA COLATA CONTINUA

convertitore a ossigeno LD carro ponte lancia ghisa fusa lingottiera dall'altoforno carro siluro colata continua sacca al laminatoio acciaio liquido refrigerazione ad acqua rulli di guida 66

IL LAMINATOIO

I cilindri delle gabbie per lamiere, come in questo schema. sono lisci, quelli per i profilati sono invece sagomati. gabbie bramma lamiere

Tipologia degli acciai

Gli acciai sono leghe dotate di grande tenacità e resistenza. Hanno buona fusibilità, saldabilità, malleabilità e duttilità. Le loro proprietà dipendono dal contenuto di carbonio, dai trattamenti termici e dagli altri elementi in lega. Abbiamo acciai comuni o di uso generale (utensili) e acciai speciali:

• inossidabili (usati nel settore alimentare),
• rapidi (usati per utensili speciali per la lavorazione di metalli),
• al manganese (usati per i binari ferroviari.