Metalli

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Pag. da 38 a 51
Argomento interdisciplinare Tecnologia - Scienze - Geografia -Storia
I MINERALI si estraggono dalle ROCCE.
Dalla lavorazione dei Minerali, estratti dalle rocce, si ottengono i METALLI
minerali
rocce
La classificazione e l’origine delle rocce sarà argomento di SCIENZE; voglio però ricordare che
abbiamo rocce costituite da un solo minerale (roccia calcarea costituito da sola calcite, rocce
di oro e rocce d’argento) e rocce che contengono % variabili di diversi minerali.
I MINERALI SI POSSONO CLASSIFICARE IN:
Minerali
METALLIFERI
Minerali
da COSTRUZIONE
Minerali
per la PRODUZIONE di ENERGIA
Minerali FERROSI
Argilla e sabbia
Carbone (roccia sedimentaria)
Minerali NON FERROSI
Marmi e graniti
Petrolio (giacimento)
Dalla Lavorazione dei Minerali metalliferi si ottengono i METALLI. I metalli sono solidi a
temperatura ordinaria tranne il Mercurio (Hg) che è liquido. Sono circa 80 e di questi noi
ne studieremo soltanto alcuni classificandoli in due grandi categorie:
FERROSI
NON FERROSI
Metalli che non contengono Ferro
Metalli che contengono Ferro come :
GHISA
(ferro + carbonio dal 2 al 4%)
ACCIAIO
(ferro + carbonio <2%)
il FERRO si estrae dalle seguenti ROCCE FERROSE:
MAGNETITE (ossido) Fe3O4
EMATITE (ossido) Fe2O3
LIMONITE (ossido) Fe2O3
PIRITE (solfuro) FeS2
SIDERITE (ossido) Fe2O3
METEORITE
RAME Cu
OTTONE Cu + Zn
BRONZO Cu + Sn
ALLUMINIO Al
MERCURIO Hg
72% FERRO
69% FERRO
59% FERRO
46% FERRO
42% FERRO
100% FERRO
ORO Au - ARGENTO Ag *
CROMO Cr
PIOMBO Pb
SCHEDA MINERALE: (Ricerca testo: inserisci il nome del minerale)
* puri
Le riserve di minerali sono in esaurimento e lo sfruttamento intensivo conduce spesso a:
• danni all’ambiente con devastazioni del paesaggio, erosione del suolo durante l’estrazione.
• inquinamento causato dai rifiuti che si producono durante la lavorazione.
• lavoro minorile nei paesi meno sviluppati (es.: Africa).
I maggiori produttori di minerali sono: CINA - RUSSIA - AMERICA (Ricerca di Geografia).
Oggi è quindi opportuno limitare la produzione di minerale vergine (estratto dalla natura)
attraverso alcuni accorgimenti:
1. Riciclare con raccolta differenziata e trasformazione ad opera di consorzi; CIA, CIAL.
2. Sostituire i metalli più dannosi all’ambiente con altri materiali meno inquinanti
(es: rame sostituito nel settore delle telecomunicazioni dalle fibre ottiche ottenute dal
vetro a sua volta prodotto partendo
dalla sabbia-ossido di silicio-quarzo).
3. Imporre un pagamento di un deposito per far si che il consumatore restituisca il prodotto
anziché buttarlo.
4. Costruire prodotti con materiali più resistenti e riparabili.
I METALLI sono materiali di origine NATURALE, NON BIOLOGICA
(non nasce, non si nutre, non cresce, non si riproduce e non muore).
Le Proprietà dei metalli:
CHIMICO-FISICHE
MECCANICHE
TECNOLOGICHE
Alto Peso Specifico
DUREZZA (non si scalfisce facilmente)
DUTTILITÀ (fili)
Alta Temperatura di Fusione
RESILIENZA o TENACITÀ
MALLEABILITÀ (fogli)
Buona Conducibilità Termica
RESISTENZA ALLA
COMPRESSIONE
FUSIBILITÀ
Ottima Conducibilità Elettrica
RESISTENZA ALLA TRAZIONE
SALDABILITÀ
RESISTENZA ALLA FLESSIONE,
TORSIONE, TAGLIO
TEMPRABILITÀ
(non combustibile)
Resistenza alla Corrosione
Dilatazione Termica
Resistenza urti
(aumenta la sua durezza se portato ad alte
temperature e raffreddato velocemente)
Nota: nel libro il termine MASSA VOLUMICA = PESO SPECIFICO Kg/dm3
Il FERRO allo stato puro (simbolo chimico Fe), presenta
molte proprietà scadenti, queste si annullano se lo
mescoliamo al CARBONIO a formare una LEGA
(termine che definisce l’unione tra 2 metalli).
A seconda della % di Carbonio si distinguono due
LEGHE:
• GHISA (Fe + C) dove C > 2 % max 5%
• ACCIAIO (Fe + C) dove C < 1,9%
Quello che noi chiamiamo comunemente ferro, come le gambe dei
vostri banchi, in realtà è Acciaio Dolce a basso tenore di carbonio
(fa la ruggine; per limitare il contatto con l’ossigeno si vernicia).
Per ottenere queste leghe, l’uomo deve procedere
come segue:
1. Escavazione delle rocce nelle miniere
(filone sotterraneo o a cielo aperto).
2. Stabilimento METALLURGICO, dove si estraggono i
metalli dalle rocce.
3. Stabilimento SIDERURGICO, dove si ottiene la
GHISA e l’ACCIAIO (metallurgia del ferro)
Settore della metallurgia che porta alla produzione della GHISA e dell’ACCIAIO.
Il centro siderurgico è composto da:
1. ALTOFORNO (dove si produce la GHISA)
2. ACCIAIERIA (dove si produce l’ACCIAIO)
3. LAMINATOIO (dove si producono i manufatti)
In Italia abbiamo 2 stabilimenti siderurgici:
• PIOMBINO
• TARANTO (ILVA)
STABILIMENTO ILVA TARANTO
È una torre alta (da qui il nome) fino a 100 metri e un diametro superiore ai 10 metri.
E’ costruita in materiale refrattario (resistente alle alte temperature) e suddivisibile in 6 parti:
1. BOCCA dalla quale si carica la materia prima,
rappresentata da :
CARBONE ( coke 1kg – distillazione Litantrace).
CALCARE (CaCO3 1kg).
ROCCE FERROSE (ossidi Fe2-O3) ( 2t ).
•
•
•
Alla Temperatura di 200°C avviene la COMBUSTIONE
2. TINO CILINDRICO dove avviene l’essicazione del
materiale e si raggiungono le T di 300°C. (- H2O).
3. TINO CONICO dove si raggiungono T di 1200°C e il Ferro
perde l’ossigeno (RIDUZIONE FeO -- Fe).
4. VENTRE dove si raggiungono 1400°C e il ferro si
arricchisce di Carbonio (CARBURAZIONE Fe+C--FeC).
5. SACCA dove si raggiungono 1600°C e si ottiene la GHISA.
6. CROGIOLO dove si raccoglie la ghisa fusa; è dotato di più
uscite differenziate dalle quali fuoriesce:
•
•
GHISA FUSA GREZZA (usata come tale o mandata
all’Acciaieria)
SCORIE dette anche GANGHE o LOPPA più leggere, che
possono essere utilizzate nella produzione di cemento a
presa rapida o lana di roccia.
L’altoforno resta acceso per 10 anni a ciclo
continuo, giorno e notte, poi viene
demolito e produce fino a 10.000
tonnellate di ghisa al giorno.
FERRO + CARBONIO (da 2 a 4%)
La Ghisa Grezza in uscita dall’Altoforno si suddivide in:
GHISA BIANCA
d’affinazione
Struttura fine colore chiaro
•Scarsa tenacità
Fonde (1200°C) senza prima
rammollirsi quindi
non è lavorabile
USATA PER PRODURRE
ACCIAIO
GHISA GRIGIA
da fonderia
Si ottiene rifondendo la ghisa grezza
insieme a rottami di acciaio e di ghisa
più altri elementi
Colore scuro
•Durezza elevata ma Fragile
•Resiste poco alla trazione e flessione
•Buona resistenza alla compressione
•Buona resistenza alla corrosione
•Ottima Fusibilità
Fondendo (1200°C) si rammollisce
e può essere lavorabile
USATA PER TUBAZIONI E
TERMOSIFONI E STUFE
da 0,15% a 1,9% di carbonio
In 15 Minuti la ghisa si trasforma in Acciaio
L’ACCIAIO si ottiene dalla DECARBURAZIONE della GHISA BIANCA
in un processo detto AFFINAZIONE
Questa affinazione avviene in ACCIAIERIA per mezzo di CONVERTITORI (Convertitore LD Forno elettrico), il cui principio di funzionamento si basa su una rapida reazione fra
Carbonio e Ossigeno; si immette una corrente d’aria calda o ossigeno puro, che legandosi
al Carbonio diventa anidride carbonica (CO2), gas che fuoriesce dal convertitore, nel quale
resterà l’acciaio.
Fe-C + O2
Fe + CO2
FERRO + CARBONIO (da 0,15 a 1,9%)
Si classifica in base al contenuto in C e agli elementi aggiunti in:
PROPRIETÀ
ACCIAIO ORDINARIO
(solo Acciaio con % variabili di C)
Grande durezza e resistenza
espressa come carico di rottura
da 40 a 200 kg/mm2.
Difficilmente fusibile, saldabile,
malleabile, duttile, elastico ma
resiste poco alla corrosione.
Punto di fusione 1300°-1500°C
extra dolci: carbonio tra lo 0,05% e lo 0,15%;
semidolci: carbonio tra lo 0,15% e lo 0,25%
dolci: carbonio tra lo 0,25% e lo 0,40%;
semiduri: carbonio tra lo 0,40% e lo 0,60%;
duri: carbonio tra lo 0,60% e lo 0,70%;
durissimi: carbonio tra lo 0,70% e lo 0,80%;
extraduri: carbonio tra lo 0,80% e lo 0,85%.
Gli acciai dolci sono i più comuni e
meno pregiati ma più malleabili e
resilienti.
PROPRIETÀ
ACCIAIO SPECIALE (acciaio legato ad altri elementi)
Ha le stesse proprietà elencate nell’acciaio ordinario, con l’aggiunta di proprietà particolari
Acciaio al Nichel (fino 8%)
Aumenta la tenacità. Per pezzi di ingranaggi
es:cuscinetti
Acciaio al manganese (fino 13%)
Aumenta la durezza e la resilienza. Per rotaie e ruote del treno.
Acciaio inossidabile (cromo 18% e nichel 8%)
Molto resistente alla corrosione.
Per molti usi dalle pentole da cucina, rubinetti, posate ai motori a
reazione.
Acciaio extrarapido (tungsteno 18%, cromo 6%, vanadio 1,8%).
Durezza e resistenza alle alte temperature. Per le punte dei trapani.
Acciaio al silicio ( 1% silicio) resistenza ed elevata elasticità.
Per le molle.
Sottile lamina di acciaio ricoperta su entrambi i lati di
stagno fuso.
Lo stagno impedisce la corrosione e l’ossidazione che
avviene a contatto con il cibo, mentre l’acciaio ne garantisce
la robustezza.
Nel 1830 compaiono le prime “scatolette” che mantengono
inalterato il cibo (non entra luce e aria).
Il primo ad averle importate in Italia fu Francesco Cirio
capostipite della famosa industria di conserve italiana.
L’acciaio fuso, LIQUIDO, in uscita dal CONVERTITORE, viene COLATO
(T.1600°C) in un recipiente (SIVIERA) e segue poi due vie:
1.Colato in recipienti a formare LINGOTTI
2.Colato in modo continuo a formare tubi a sezione quadrata o
rettangolare.
In entrambe i casi sono inviati al LAMINATOIO (LAMINAZIONE
PRIMARIA) per essere trasformato in SEMILAVORATI; Il lingotto o la
colata passa tra due rulli che ruotano in senso contrario tra loro.
Successivamente a seconda delle esigenze subiscono una
LAMINAZIONE SECONDARIA per dare origine a :
• LAMINE BARRE e PROFILATI (trafilatura e laminazione)
• TUBI (trafilatura)
• FILI (estrusione)
• PEZZI a STAMPO (fucinatura stampo con martello)
Se in uno stabilimento siderurgico partendo dai minerali di ferro si
arriva ai prodotti finiti si dice A CICLO INTEGRALE.
L’acciaio è un MATERIALE ROBUSTO, IGIENICO ma soprattutto ECOLOGICO in quanto
totalmente RICICLABILE (Consorzio Nazionale Acciaio CNA), il 40% della produzione
mondiale è costituita da materiali di riciclo, con risparmio di materia prima ed
energia. Lo sai che riciclando:
CNA - Il Consorzio Nazionale per il Riciclo
1000/1500
barattoli circa puoi
ottenere un tombino
100/200
tappi corona circa puoi
ottenere una chiave
inglese
100/200
fusti circa puoi
ottenere una
rastrelliera per
biciclette
1000/1200
bombolette circa puoi
ottenere una panchina
1500/2000
scatolette di tonno
circa puoi ottenere il
telaio di una
bicicletta
e il Recupero degli Imballaggi in Acciaio
Video Tutorial
Attualmente dopo il ferro è il minerale più diffuso, con ancora tanti
giacimenti* attivi.
Si estrae dal minerale BAUXITE (da 5kg ottengo 1kg di Al con un
procedimento Elettrolitico).
Proprietà principali:
- leggero (Peso specifico inferiore a 4 Kg/dm3)
- fonde a temperatura 660°C;
- ha colore argenteo;
- ha una notevole resistenza meccanica ma è leggero (basso peso
specifico)
- è resistente alla corrosione
- è capace di non alterare i cibi, igienicamente sicuro, protegge da
luce, aria,odori (stagnola); atossico;
- è duttile (fili), malleabile (lamine);
- ottimo conduttore termico ed elettrico;
- non è attratto dalle calamite; a-magnetico
- è riciclabile al 100% e all’infinito.
* I giacimenti purtroppo sono causa di sfruttamento del lavoro minorile…
I giacimenti purtroppo sono causa di sfruttamento del lavoro
minorile, le condizioni di lavoro non sono salubri e molti adolescenti
perdono la vita, per questo bisogna incentivare il RICICLO (Consorzio
CIAL), si risparmia il 95% dell’energia richiesta per produrlo
partendo dalla Bauxite. L’alluminio riciclato si dice SECONDARIO,
usato per produrre molti prodotti di uso comune per esempio le
caffettiere.
Circa il 90% dell’alluminio prodotto nel nostro Paese proviene dal riciclo e
non differisce per nulla da quello ottenuto dal minerale originale poiché le
caratteristiche fondamentali del metallo rimangono invariate. La raccolta
differenziata, il riciclo e recupero dell’alluminio apportano numerosi benefici
alla collettività in termini di:
- Economia, il riciclo dell’alluminio è un’attività particolarmente importante
per l’economia del nostro Paese, storicamente carente di materie prime.
- Energia, il riciclo dell’alluminio permette di risparmiare il 95% dell’energia
necessaria a produrlo dalla materia prima.
- Materia, il riciclo degli imballaggi in alluminio permette di recuperare
materia prima preziosa, utilizzabile per la realizzazione di nuovi prodotti.
- Ambiente, il riciclo dell’alluminio permette di salvaguardare l’ambiente e le
sue importanti risorse naturali.
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Aumentano la sua resistenza meccanica ma resta leggero,
sono infatti dette LEGHE LEGGERE (Cu, Mg, Si, Mn)
95,0%
4,0%
0,5%
0,5%
Alluminio +
Rame +
Silicio +
Magnesio
98,0% Alluminio +
1,0% Silicio +
0,5% Magnesio
0,5% Manganese
Molto resistente alla corrosione e alta
conducibilità elettrica
LEGHE ULTRALEGGERE
85,0% Magnesio +
0,5% Zinco +
4,0% Alluminio +
0,5% Manganese
Curiosità: Linguetta lattine a strappo nel 1962 USA,
linguetta lattine fissa nel 1978 USA da noi nel 1990.
Trovano im piego nell’industria
Aeronautica e Autom obilistica
Fu il primo metallo ad essere estratto dalle rocce
(5000 anni fa - età del rame 3000 anni a.c.).
Si estrae dai minerali:
• CALCOPIRITE
• CUPRITE
Proprietà principali:
- fonde a temperatura 1083°C.
- ha colore rossastro e lucentezza metallica (si considera
seminobile)
- si ossida facilmente e si ricopre di verderame che lo rende
poi inattaccabile agli acidi organici (es: canale pluviali),
quindi resiste alla corrosione.
- Duttile (es: fili elettrici), malleabile (lamine).
- Ottimo conduttore termico (es: paioli) ed elettrico (es: cavi
elettrici).
- Purtroppo è difficilmente Fusibile ma si può recuperare da
vecchie linee elettriche o elettrodomestici dismessi e
rifondendolo si ottiene rame secondario.
Oggi è stato in larga parte
sostituito dall’acciaio e
dall’alluminio perché nel
processo di estrazione è
causa di inquinamento
ambientale; anche una
bassa concentrazione in un
corso d’acqua risulta
mortale per gli organismi
viventi.
OTTONE
BRONZO
RAME + ZINCO
RAME + STAGNO
Colore giallo, inattaccabile dagli agenti chimici
CUPROALLUMINIO
RAME + ALLUMINIO
CUPRONICHEL
RAME + NICHEL
Colore bruno
ALPACCA (NICHEL-SILVER)
RAME + ZINCO + NICHEL
PIOMBO – MERCURIO – ARSENICO – CROMO
Sono Tossici ed entrano
nella catena alimentare
accumulandosi (dal
plancton ai pesci e poi a
noi; non vengono
metabolizzati, digeriti),
si accumulano
lentamente e
progressivamente negli
organi e nei tessuti
(ossa, fegato, rene,
sistema nervoso
centrale, tessuto
adiposo) dove svolgono
la loro azione dannosa
causando cancro,
immunodeficienze,
autismo, Alzheimer.
Quotazione Oro
Si trova libero (simbolo chimico Au) in pepite o dentro a rocce Quarzifere.
La sua rarità giustifica in parte l’alto costo al grammo che è quotato (oggi) intorno ai 30€/gr
contro lo 0,40€/gr dell’argento e varia a seconda del mercato.
Non si ossida, malleabile, duttile, ottimo conduttore elettrico ma scarsa Durezza e
Resistenza Meccanica. Per aumentare Durezza e Resistenza si creano leghe di Oro e Argento
o Oro e RAME. La percentuale di oro nella lega si esprime in carati:
24 carati (oro puro), 18 carati (750 di oro su 1000), 12 carati (500 di oro su 1000).
NITINOL Nichel + Titanio
Lega a memoria di forma, ossia “memorizzano” la forma ricevuta.
È un materiale dotato di buona biocompatibilità (stent vascolari).
GEOGRAFIA: Ricerca i principali giacimenti di minerali e multinazionali.
STORIA:
Età del rame e del ferro – Rivoluzione industriale del XVIII secolo
SCIENZE:
Simbolo chimico dell’elemento minerale - Orogenesi
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qualcuno volesse negare la loro pubblicazione queste verranno
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