Profilo metallico: ferro

L'uso del ferro da parte dell'uomo risale a circa 5000 anni. È il secondo elemento metallico più abbondante nella crosta terrestre e viene utilizzato principalmente per produrre acciaio , uno dei materiali strutturali più importanti al mondo.

Proprietà

• Simbolo atomico: Fe
• Numero atomico: 26
• Elemento Categoria: Transition Metal
• Densità: 7.874 g / cm ³
• Punto di fusione: 2800 ° F (1538 ° C)
• Punto di ebollizione: 5182 ° F (2862 ° C)
• Durezza di Moh: 4

caratteristiche

Il ferro puro è un metallo color argento che conduce bene il calore e l'elettricità.

Il ferro è troppo reattivo per esistere da solo, quindi si trova naturalmente nella crosta terrestre come minerali di ferro, come ematite, magnetite e siderite.

Una delle caratteristiche identificative del ferro è che è fortemente magnetico . Esposto a un forte campo magnetico, qualsiasi pezzo di ferro può essere magnetizzato. Gli scienziati ritengono che il nucleo terrestre sia costituito per circa il 90% da ferro. La forza magnetica prodotta da questo ferro è ciò che crea i poli magnetici Nord e Sud.

Storia

Probabilmente il ferro fu scoperto ed estratto in seguito alla combustione del legno sopra i minerali contenenti ferro. Il carbonio all'interno del legno avrebbe reagito con l'ossigeno nel minerale, lasciando un metallo di ferro morbido e malleabile . La fusione del ferro e l'uso del ferro per fabbricare strumenti e armi sono iniziati in Mesopotamia (l'attuale Iraq) tra il 2700 e il 3000 aC. Nel corso dei 2000 anni seguenti, la conoscenza della fusione del ferro si diffuse verso est in Europa e in Africa durante un periodo noto come età del ferro.

A partire dal XVII secolo, fino a quando fu scoperto un metodo efficiente per produrre acciaio a metà del XIX secolo, il ferro veniva sempre più utilizzato come materiale strutturale per fabbricare navi, ponti e edifici. La Torre Eiffel, costruita nel 1889, è stata realizzata utilizzando oltre 7 milioni di chilogrammi di ferro battuto.

Ruggine

La caratteristica più problematica del ferro è la sua tendenza a formare ruggine.

La ruggine (o ossido di ferro) è un composto bruno e friabile prodotto quando il ferro è esposto all'ossigeno. Il gas di ossigeno contenuto nell'acqua accelera il processo di corrosione . Il tasso di ruggine - quanto velocemente il ferro diventa ossido di ferro - è determinato dal contenuto di ossigeno dell'acqua e dalla superficie del ferro. L'acqua salata contiene più ossigeno dell'acqua fresca, motivo per cui l'acqua salata si arrugginisce più velocemente dell'acqua fresca.

La ruggine può essere prevenuta rivestendo il ferro con altri metalli chimicamente più attraenti per l'ossigeno, come lo zinco (il processo di rivestimento del ferro con lo zinco viene indicato come " zincatura "). Tuttavia, il metodo più efficace per proteggere dalla ruggine è l'uso dell'acciaio.

Acciaio

L'acciaio è una lega di ferro e vari altri metalli, che vengono utilizzati per migliorare le proprietà del ferro (resistenza, resistenza alla corrosione, tolleranza al calore ecc.). La modifica del tipo e della quantità degli elementi legati con il ferro può produrre diversi tipi di acciaio.

Gli acciai più comuni sono:

1. Acciai al carbonio, che contengono tra 0,5-1,5% di carbonio. Questi sono gli acciai più comuni e sono usati per corpi auto, scafi di navi, coltelli, macchinari e tutti i tipi di supporti strutturali.
2. Acciai a bassa lega, che contengono 1-5% di altri metalli (spesso nichel o tungsteno ). L'acciaio al nichel è in grado di sopportare elevati livelli di tensione e, quindi, viene spesso utilizzato nella costruzione di ponti e nella realizzazione di catene per biciclette. Gli acciai al tungsteno mantengono la loro forma e robustezza negli ambienti ad alta temperatura e vengono utilizzati nelle applicazioni rotanti ad impatto come le punte da trapano.

1. Gli acciai altolegati, che contengono il 12-18% di altri metalli, sono utilizzati solo in applicazioni speciali a causa del loro alto costo. Un esempio di acciaio legato è l'acciaio inossidabile, che spesso contiene cromo e nichel, ma può anche essere legato con altri metalli. L'acciaio inossidabile è molto resistente e molto resistente alla corrosione.

Produzione

La maggior parte del ferro viene prodotta da minerali trovati vicino alla superficie terrestre. Le moderne tecniche di estrazione utilizzano altiforni, che sono caratterizzati dalle loro alte pile (strutture simili a camini). Il ferro viene versato nelle pile insieme a coca cola (carbone ricco di carbonio) e calcare (carbonato di calcio). Oggigiorno, il minerale di ferro normalmente attraversa un processo di sinterizzazione prima di entrare nello stack. Questo processo forma pezzi di minerale che sono tra 10-25 mm, che vengono poi mescolati con coca cola e calcare.

Il minerale sinterizzato, il coke e il calcare vengono poi versati nella pila dove brucia a temperature di 1800 ° C. Il coke brucia come fonte di calore e, insieme all'ossigeno che viene sparato nel forno, contribuisce a formare il gas di riduzione del monossido di carbonio. Il calcare si mescola con le impurità nel ferro per formare scorie. Le scorie sono più leggere del minerale di ferro fuso, quindi risalgono in superficie e possono essere facilmente rimosse. Il ferro caldo viene quindi versato negli stampi per produrre ghisa o direttamente preparato per la produzione di acciaio.

La ghisa contiene ancora tra il 3,5-4,5% di carbonio, insieme ad altre impurità, ed è fragile e difficile da lavorare. Vari procedimenti sono usati per ridurre le impurità di fosforo e zolfo nella ghisa per produrre ghisa. Il ferro battuto, che contiene meno dello 0,25% di carbonio, è duro, malleabile e facilmente saldabile, ma è molto più laborioso e costoso da produrre rispetto all'acciaio a basso tenore di carbonio.

Nel 2010, la produzione mondiale di minerale di ferro è stata di circa 2,4 miliardi di tonnellate. La Cina, il più grande produttore, rappresentava circa il 37,5% di tutta la produzione, mentre altri importanti paesi produttori includono Australia, Brasile, India e Russia.

applicazioni

Il ferro era una volta il materiale strutturale primario, ma è stato a lungo sostituito dall'acciaio nella maggior parte delle applicazioni. Tuttavia, la ghisa viene ancora utilizzata nei tubi e per la produzione di componenti automobilistici, come testate, blocchi cilindri e scatole del cambio. Il ferro battuto è ancora usato per produrre oggetti di arredamento per la casa, come portabottiglie per il vino, portacandele e bastoni per tende.

Riferimenti

Street, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metalli al servizio dell'uomo . 11a edizione (1998).
L'International Pig Iron Association.
Fonte: www.pigiron.org.uk
USGS. Riassunti delle materie prime minerali: ferro e acciaio (2011).
Fonte: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/iron_&_steel