Metallurgia

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Fabbricazione del ferro descritta nella "The Popular Encyclopedia" vol.VII, pubblicata nel 1894

La metallurgia è la disciplina tecnica che riguarda essenzialmente lo studio dei metalli, del loro comportamento e dei procedimenti tecnici relativi al loro ottenimento e lavorazione. La tecnica è nata in ambito preistorico, formalmente con l'età del rame, con la lavorazione dell'elemento nativo, ma si possono considerare pienamente tecniche metallurgiche quelle in uso durante l'età del bronzo.

Origini[modifica | modifica wikitesto]

Le prime testimonianze della metallurgia umana risalgono al V e VI millennio a.C., nei siti archeologici di Majdanpek, Yarmovac e Plocnik tutti e tre in Serbia. Ad oggi, la fusione più antica di rame si trova nel sito Belovode; tra gli esempi, vi è un'ascia in rame del 5 500 a.C. appartenenti alla cultura Vinča. Altri segni della metallurgia si trovano dal terzo millennio a.C. a Palmela (Portogallo), Cortes de Navarra (Spagna), e Stonehenge (Regno Unito). Tuttavia, come spesso accade con lo studio della preistoria, nuove scoperte sono continue e in corso.

Nel Medio Oriente antico, nelle aree vicine alla mezzaluna fertile, si estraevano da minerali: arsenico, rame, stagno, ferro, oro, argento piombo.

Argento, rame, stagno e ferro meteorico si possono trovare anche nativi, ciò consentiva un numero limitato di lavorazione dei metalli nelle culture primitive. Armi egiziane in ferro meteorico del circa 3 000 a.C. sono stati definiti "Pugnali dal Cielo". Tuttavia, imparando a estrarre rame e stagno dalle rocce per riscaldamento e combinando questi due metalli a fare una lega denominata bronzo, la tecnologia della metallurgia ha avuto inizio circa 3 500 a.C. con l'età del bronzo.

L'estrazione del ferro da suoi minerali, ossidi o solfuri, in un metallo lavorabile è molto più difficile. Sembra sia stata elaborata dagli Ittiti intorno al 1200 a.C., all'inizio, appunto, dell'età del ferro. Il segreto di estrazione e lavorazione del ferro è stato un fattore chiave per il successo dei Filistei.

Sviluppi storici nella siderurgia si trova in una grande varietà di culture e civiltà del passato. Questo include i regni antichi e medievali e gli imperi del Medio Oriente e Vicino Oriente, Iran antico, antico Egitto, Nubia antica, Anatolia, Nok Antica, Cartagine, i Greci ed i Romani in Europa, poi l'Europa medievale, Cina antica e medievale, India antica e medievale, Giappone antico e medievale, eccetera. Interessante da notare è che molte applicazioni pratiche, quindi apparecchiature connesse o coinvolte nella metallurgia erano diffusi nella Cina antica prima che gli europei ne avessero padronanza.

Un libro del XVI secolo di Georg Agricola chiamato De re metallica descrive i processi altamente sviluppati e complessi: minerari, dell'estrazione dei metalli e della metallurgia del tempo. Agricola è stato descritto come il padre della mineralogia e della metallurgia.

Metallurgia di processo[modifica | modifica wikitesto]

Le materie prime nel ciclo di fabbricazione dei metalli appartengono principalmente a 2 tipologie: i minerali dei metalli e i rottami metallici. Le operazioni che conducono alla produzione di un metallo sono oggetto della metallurgia estrattiva o primaria. I minerali sfruttati industrialmente sono principalmente ossidi, solfuri e silicati.

I trattamenti di preparazione, che iniziano con la frantumazione della roccia, servono a concentrare il minerale. Si aumenta la superficie di contatto, si rendono le particelle equidimensionali e si esegue l'arricchimento:

  • per via magnetica, se il minerale è ferromagnetico;
  • per flottazione: il materiale polverizzato è immerso in una soluzione acquosa contenente un agente schiumogeno, le cui bollicine avvolgono il minerale e lo portano in superficie;
  • per separazione elettrostatica (conducibilità elettrica diversa tra minerale e ganga);
  • per via gravimetrica (diversa velocità di sedimentazione dei componenti del materiale scavato).

A volte sono effettuati i trattamenti estrattivi preliminari, di natura chimico-fisica, per trasformare i minerali in composti più facilmente manipolabili (alcuni esempi: calcinazione, arrostimento).

I processi di estrazione[modifica | modifica wikitesto]

In base alla forma di energia utilizzata per separare il metallo dalle impurezze e dalla ganga si distinguono 3 principali processi metallurgici:

  • pirometallurgici (energia termica)
  • idrometallurgici (energia di dissociazione di natura chimica)
  • elettrometallurgici (energia elettrica)

Nei processi pirometallurgici il caso più comune è quello degli ossidi e dei solfuri. Le reazioni di dissociazione (endotermiche, cioè assorbono calore) sono:

  • 2MeO ↔ 2Me + O2 - ΔHoss
  • 2MeS ↔ 2Me + S2 - ΔHsol

Dove ΔH indica la variazione di entalpia.

Si consideri che la dissociazione avviene spontaneamente solo con la diminuzione dell'energia libera ΔG° del composto. In base a tale principio e alla definizione di energia libera si può calcolare la T*, temperatura minima di dissociazione.

Per un ossido la T* può essere calcolata con la relazione semiempirica di Matignon-Le Chatelier:

 T^* = {\Delta H_{298K(oss)}^o \over 34}

Maggiormente usato è il carbonio, come CO (riduzione indiretta) e come carbone (riduzione diretta):

  • MeO + CO ↔ Me + CO2
  • MeO + C → Me + CO

Con i solfuri si avrebbe teoricamente la dissociazione:
MeS ↔ Me + 0,5 S2

Tuttavia non si ha una corrispondenza univoca tra pressione e temperatura di dissociazione, in quanto i solfuri formano soluzioni solide con i loro metalli e il sistema diventa bivariante, cioè dipendente anche dalla concentrazione.

Nei processi idrometallurgici il minerale, solubile o reso tale, e la ganga sono immersi in soluzione acquosa. La ganga insolubile è separata per filtrazione o decantazione, quindi il metallo è estratto introducendo un sale o un altro metallo (meno importante e recuperabile), che fanno precipitare il metallo principale e non le impurità.

Nei processi elettrometallurgici un sale metallico fuso o in soluzione acquosa è sottoposto a dissociazione elettrolitica, con deposizione al catodo del metallo per riduzione.

Produzione di ferro e sue leghe (acciai e ghise)[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Siderurgia.

Produzione di alluminio e sue leghe[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Metallurgia dell'alluminio.

Produzione di rame e sue leghe[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Metallurgia del rame.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]