La produzione del ferro: processo di ottenimento e processo Bessemer
Per ottenere il ferro dai minerali, vengono impiegati processi siderurgici in cui i minerali vengono ridotti con carbone, di solito il coke metallurgico ottenuto per distillazione secca di litantraci.
Il ferro è il secondo metallo più abbondante nella crosta terrestre, dopo l’alluminio, ed è considerato uno dei componenti principali del nucleo terrestre, insieme al nichel. Presente in natura in diversi minerali come ematite (Fe2O3), magnetite (Fe3O4), limonite (FeO(OH)), siderite (FeCO3) e pirite (FeS2), il ferro è stato conosciuto fin dall’antichità ed è ampiamente diffuso.
Il processo di riduzione avviene in forni alti fino a trenta metri chiamati altiforni. La miscela bilanciata di minerale, coke e fondente viene immessa dall’alto, mentre il metallo fuso viene estratto più volte al giorno dal crogiolo sottostante. Durante questo processo, la temperatura all’interno dell’altoforno raggiunge valori tra i 200 e i 2000°C.
In questo contesto, il carbone reagisce con l’ossigeno production un gas riducente, il monossido di carbonio, che facilita la riduzione del minerale solido e aumenta la temperatura all’interno del forno. Le reazioni avvengono in diverse fasi e contribuiscono ad elevare la temperatura all’interno dell’altoforno.
Il ferro estratto dal processo non è puro e costituisce la ghisa, contenente in media il 4% di carbonio, il 2.5% di silicio, il 2% di fosforo, lo 0.1% di zolfo e fino al 2.5% di manganese. La ghisa viene ottenuta in due forme, la ghisa bianca e la ghisa grigia, con proprietà e utilizzi diversi.
La gran parte della ghisa prodotta viene convertita in acciaio attraverso processi di raffinazione che comportano l’ossidazione del carbonio, l’eliminazione del fosforo e dello zolfo, e l’aggiunta di altri metalli per conferire le proprietà desiderate.
Il processo di ottenimento del ferro e la produzione della ghisa sono fasi fondamentali nella lavorazione del ferro e nella produzione di acciaio, materiali di importanza cruciale per numerose applicazioni industriali.Lavorazioni dell’acciaio: tecniche e proprietà
L’acciaio viene prodotto attraverso varie tecniche, ciascuna delle quali conferisce caratteristiche uniche al prodotto finale. Un metodo tradizionale è il “crogiolo aperto”, in cui la ghisa viene mantenuta fusa in recipienti poco profondi. Un’altra opzione è il “processo Bessemer”, un processo rapido che impiega circa 10-20 minuti per ciclo e produce un prodotto di qualità inferiore. Esistono anche altri processi come i forni Martin e i forni elettrici, utilizzati per produrre acciai speciali. Gli acciai differiscono a seconda del contenuto di carbonio: quelli a basso tenore sono duttili e malleabili, mentre quelli ad alto contenuto di carbonio sono particolarmente duri e utilizzati per costruire utensili. Gli acciai inossidabili contengono cromo e nichel, mentre quelli per utensili includono tungsteno, vanadio e cromo.
Le proprietà meccaniche di un acciaio dipendono non solo dalla composizione chimica, ma anche dai trattamenti termici a cui è sottoposto. Ad esempio, l’acciaio può diventare molto duro e fragile se è riscaldato vicino al punto di fusione e raffreddato rapidamente per immersione in acqua o olio (tempera). La fragilità può essere attutita mediante il processo di ricottura a temperatura intorno ai 300°C. Questi cambiamenti di proprietà sono legati agli equilibri di fase ferro-carbonio e alla stabilizzazione mediante raffreddamento rapido della fase austenitica.
Proprietà dell’acciaio
Il ferro puro esiste in tre modificazioni cristalline: a bassa temperatura è stabile la forma α con reticolo cubico a corpo centrato; a 910 °C si ha la forma γ con struttura cubica a facce centrate; a 1390 °C torna ad essere stabile una forma cubica a corpo centrato, la forma δ; il ferro fonde a 1535 °C. fino a 768 °C è ferromagnetico, ovvero conserva la magnetizzazione anche quando è cessata l’azione del campo magnetizzante.
Il metallo puro è argenteo, duttile e malleabile e si combina con quasi tutti i non metalli a temperature moderate. Si scioglie in acidi non ossidanti dando lo ione Fe2+, mentre in quelli ossidanti dà lo ione Fe3+; in ambiente fortemente ossidante si passiva. I principali stati di ossidazione del ferro sono II e III. Il ferro è un elemento di estrema importanza biologica: è presente infatti nella emoglobina e nella mioglobina oltre che in vari enzimi.