Metalli: storia, lavorazioni e riciclo per la scuola media

IDATTICA INTEGRATA DIGITALE

ISTITUTO COMPRENSIVO SCANDICCI III "Vasco Pratolini"

METALLI

CLASSI PRIME

PROF. DOMENICO BRUNII METALLI

età preistoriche età storiche -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0

età neolitica (8000-3500 a.C.)

Egitto pre- dinastico

età del bronzo (3000-1200 a.C.)

età del ferro (1200-50 a.C.)

Utensili e strumenti di pietra, osso legno. Prima lavorazione di metalli teneri, trovati allo stato nativo.

Nascita della metallurgia: dai minerali di Au, Ag, Cu e Sn, si estraggono i rispettivi metalli. Utensili di rame e poi di bronzo.

Graduale diffusione della tecnologia del «ferro battuto».

La storia più antica dell'uomo è contrassegnata dalla ricerca di sistemi per estrarre e lavorare i metalli e produrre utensili, oggetti, armi.

Gli storici hanno usato il nome di leghe e metalli per distinguere le grandi epoche dell' umanità: età del rame, età del bronzo, età del ferro.

Oggi i metalli (soprattutto l'acciaio) sono ancora fondamentali in molti settori industriali, ma per molte applicazioni sono sostituiti da materie plastiche e nuovi materiali.

I metalli e le leghe

Caratteristiche e proprietà

Caratteristiche chimico fisiche si riferiscono all' aspetto esterno e alla struttura interna dei materiali.

• Resistenza alla corrosione
• Colore e lucentezza
• Dilatazione termica
• Proprietà magnetiche
• Fusione ed ebollizione
• Conducibilità

Proprietà meccaniche dei metalli

I metalli presentano, in genere, eccellenti proprietà meccaniche.

• Durezza
• Elasticità
• Resilienza
• Resistenza a trazione
• Resistenza a flessione
• Resistenza a rottura
• Resistenza al taglio
• Resistenza a compressione

Proprietà tecnologiche dei metalli

I metalli sono facilmente lavorabili a caldo e, in alcuni casi, anche a freddo.

• Fusibilità
• Saldabilità
• Duttilità
• Temprabilità
• Plasticità
• Malleabilità
• Estrudibilità

I METALLI

PROPRIETA' RIPETO E RIPASSO

Elementi chimici Rocce metallifere

Resistenza a trazione, compressione, flessione; resilienza, durezza, elasticità

Meccaniche

Proprietà

Fisico-chimiche

Peso specifico variabile; ottima conducibilità termica ed elettrica; cattiva resisten-za alla corrosione; dilatazione

Tecnologiche

Fusibilità, duttilità, malleabilità, temprabilità, saldabilità

Estrazione dei metalli

Cave o miniere

Arricchimento del minerale

Produzione Separazione dei metalli

Estrazione del metallo

Raffinazione

Fusione

Lavorazione

Deformazione plastica

Ghisa

Ferro

Leghe

Acciaio

Alluminio

Bronzo

Rame

Leghe

Ottone

METALLI - Proprietà di alcuni metalli

I METALLI PROPRIETA' RIPETO E RIPASSO

METALLO	SIMBOLO CHIMICO	PESO SPECIFICO Kg/dm3	TEMPERATURA di FUSIONE	TEMPERATURA di EBOLLIZIONE
ALLUMINIO	Al	2,7	660 °	2060 °
ARGENTO	Ag	10,5	962°	2212 º
CALCIO	Ca	1,54	842 °	1484 °
CROMO	Cr	7,14	1857 °	2672 °
FERRO	Fe	7,86	1535 °	3000 °
MAGNESIO	Mg	1,74	650 °	1090°
MANGANESE	Mn	7,43	1245 °	1962 °
MERCURIO	Hg	13,6	-38,9 °	357 º
NICHEL	Ni	8,85	1455 °	2732 °
ORO	Au	19,5	1063 °	2900°
PIOMBO	Pb	11,34	328 °	1740°
PLATINO	Pt	21,45	1772 °	3827 °
RAME	Cu	8,93	1083°	2566°
SILICIO	Si	2,42	1410 °	2355 °
STAGNO	Sn	7,28	232 °	2270 °
TITANIO	Ti	4,51	1660 °	3287 °
ZINCO	Zn	7,1	420 °	907 °

Metallurgia

La complessa serie di operazioni per estrarre i metalli dai loro minerali e ricavare semilavorati o prodotti finiti viene chiamata METALLURGIA

1. Metallurgia estrattiva

La metallurgia estrattiva prevede questa serie di operazioni:

• la prospezione mineraria: comprende operazioni per individuare possibili giacimenti sfruttabili;
• l'arricchimento del minerale: separazione della parte di minerale utile dalla parte sterile, chiamata ganga;
• le lavorazioni preliminari: comprendono la frantumazione, lavatura e cernita;
• l'estrazione del metallo dal minerale: il minerale viene sottoposto al trattamento metallurgico consistente nella estrazione del metallo.

2. Metallurgia fisica

Comprende i processi di formatura ed i trattamenti termici.

• la formatura per fusione: il materiale diventa fluidoe scorre nello stampo;
• la sinterizzazione: detta metallurgia delle polveri, consente di ottenere metallo-ceramici;
• la lavorazione plastica: deformazioni in un semilavorato, mediante opportune sollecitazioni esterne;
• i trattamenti termici: modificano struttura e proprietà con di variazioni di temperatura ( ricottura, tempra, rinvenimento);
• i trattamenti superficiali: metalli e leghe, vengono ricoperti da uno strato metallico, che li rende più resistenti alla corrosione (zincatura, cromatura, anodizzazione).

3. Metallurgia secondaria

Metallurgia secondaria o di recupero, che consente di arrivare al prodotto finito (metallo e sue leghe) partendo dal rottame riciclato.

La metallurgia di recupero è assai sviluppata nel settore siderurgico e in quello dell' alluminio.

Oltre a notevoli risparmi energetici, essa favorisce la tutela e il rispetto dell' ambiente, già seriamente minacciato da rifiuti inquinanti di ogni genere.

Video sui metalli

Vediamo alcuni video su YouTube

I metalli: https://youtu.be/7DsWxLSRQQg Tecnologiaduepuntozero: https://youtu.be/3sLXr5dKO8k I Metalli (Prof. Falanga): https://youtu.be/bYvPHn95n9A https://youtu.be/3GXSoq3oDoY Una fabbrica a Udine https://youtu.be/CFdQwB2JxV8 Il dramma di Taranto: https://youtu.be/n7W59Zc2CMs Metalli e non metalli: https://youtu.be/46eeNFR6uWo

Il ferro e le sue leghe

La GHISA è una lega di ferro e carbonio, variabile tra l' 1,9 e il 4 %.

Simbolo chimico Fe Numero atomico 26 Peso atomico 55,84 Peso specifico 7,87 Temp. di fusione 1536 ℃ Temp. di ebollizione 3000 °C ca

a. minerali di ferro: il minerale va frantumato e vagliato;

b. coke siderurgico: carbone artificiale, che fornisce calore e riduce gli ossidi metallici;

c. minerali fondenti silicati o calcari formano una scoria fusibile e separabile dal metallo fuso.

calcare (fondente)

MATERIE PRIME

minerale di ferro

forno da coke

frantumazione

frantumazione

pellettizzazione

caricamento

bocca

uscita gas

tino

ventre

500℃

sacca

aria calda

1800℃

crogiolo

aria

scorie

ghisa liquida

recuperatori di calore (Cowpers)

apparecchi accessori

altoforno

La siderurgia: altoforno, acciaieria e laminatoio

L'altoforno è un forno di dimensioni gigantesche che funziona a ciclo continuo, cioè ininterrottamente 24 ore al giorno anche per diversi anni. Ha una struttura cilindro-conica, con pareti di acciaio rivestite all'interno di materiale refrattario, capace di resistere alle altissime temperature di fusione (fino a 1600 ℃ circa). È alto circa 50 metri, ma se si considerano anche i tubi per il tiraggio dei gas, allora raggiunge un'altezza di quasi 100 metri.

Tech in English: The iron and steel industry

The blast furnace is a gigantic furnace which works on a continuous cycle. i.e. 24 hours a day for several years. It has a cylindrical-conical structure, with steel walls coated on the inside with a fireproof material that can stand very high fusion temperatures (up to around 1.600 ℃). It is around 50 metres tall, but if we also consider the tubes that get rid of the gases, it reaches a height of almost 100 metres.

2 Bocca di carico: da questa apertura viene gettata nell'altoforno la carica di minerale. La bocca è dotata di valvole per non far fuoriuscire il calore.

5 Tubi per il tiraggio dei gas: i gas prodotti dalla combustione vengono convogliati ai depuratori attraverso un sistema di tubi.

7 Recuperatori Cowper: prima di essere rilasciati nell'atmosfera, gas passano nei recuperatori Cowper dove cedono calore per riscaldare l'aria che verrà immessa nuovamente nell'altoforno attraverso gli ugelli (aperture) che si trovano alla sua base; questa aria caldissima serve per alimentare la combustione.

3 Altoforno e crogiolo: all'interno dell'altoforno il ferro comincia a fondere e si lega al carbonio rilasciato dal combustibile, trasformandosi in ghisa. La temperatura diventa più alta verso la base dell'altoforno, dove, nel crogiolo, che ha un diametro di circa 8 metri, si deposita la ghisa fusa, un metallo liquido incandescente.

6 Ghisa madre: da una condotta posta sul fondo del crogiolo esce la ghisa liquida di prima fusione. Essa viene raccolta in un carro chiamato, per la sua forma, carro siluro.

camino

aria calda

Da qui una parte viene portata in fonderia, per ottenere la ghisa di seconda fusione; il resto invece, chiamato ghisa di affinazione, è destinato a diventare acciaio e viene inviato alle acciaierie.

crogiolo

carro siluro

ghisa fusa

loppe

è composta dai minerali ferrosi frantumati, dal fondente (calcio), che aiuta la fusione, e dal carbon coke, un combustibile ricco di carbonio.

le scorie (loppe), che galleggiano sulla superficie della ghisa fusa, fuoriescono da fori posti nella parte alta del crogiolo e vengono recuperate; sono infatti utilizzate come additivo per produrre un cemento molto resistente (cemento siderurgico).

1 Carica:

4 Loppe:

ugelli

Descrizione dell'altoforno

L'altoforno è un recipiente conico-cilindrico di dimensioni imponenti (è alto circa 50 m) con le pareti d'acciaio. L'interno è rivestito di mattoni refrattari che sopportano temperature altissime. L'esterno è ingabbiato in una struttura metallica che lo sostiene (colore grigio).

I tubi per il tiraggio dei gas salgono a oltre 100 m d'altezza. Alla sommità confluiscono in un enorme tubo inclinato verso il basso, che termina in un impianto ausiliario per la depurazione e il recupero dei gas ancora combustibili.

tubi di tiraggio

uscita gas

materie prime

Una valvola formata da due «campane» è situata sulla bocca. L'apertura alternata delle campane permette il caricamento delle materie prime senza far uscire i gas caldissimi della combustione.

tubo di tiraggio

campana piccola

Un crogiolo gigantesco di circa 8 m di diametro è ricavato sul fondo. Attorno ci sono gli ugelli per il soffiaggio dell'aria compressa surriscaldata, che mantiene attiva la combustione.

valvola

campana grande

La ghisa liquida che esce dalla base dell'altoforno viene colata nel carro siluro, un carro ferroviario che ha appunto la forma di un siluro. Esso la trasporta alla «macchina a colare» dove si ottengono i pani di ghisa (ghisa di prima fusione). Oppure la trasporta alla vicina acciaieria per la conversione in acciaio (vedi la pagina accanto).

altoforno

collettore aria

ugelli

crogiolo

scorie

carro porta scorie

carro siluro

SIDERURGIA ALTOFORNO RIPETO E RIPASSO

struttura metallica

guscio di acciaio

rivestimento refrattario

ghisa