Profilo metallico: proprietà e caratteristiche del ferro

L'uso del ferro da parte dell'uomo risale a circa 5.000 anni fa. È il secondo elemento metallico più abbondante nella crosta terrestre ed è principalmente utilizzato per la produzione acciaio, uno dei materiali strutturali più importanti al mondo.

Prima di approfondire la storia e gli usi moderni del ferro, rivediamo le basi:

• Simbolo atomico: Fe
• Numero atomico: 26
• Categoria di elementi: metallo di transizione
• Densità: 7,874 g / cm³
• Punto di fusione: 2800 ° F (1538 ° C)
• Punto di ebollizione: 5182 ° F (2862 ° C)
• Durezza di Moh: 4

Il ferro puro è un metallo color argento che conduce bene calore ed elettricità. Il ferro è troppo reattivo per esistere da solo, quindi si presenta naturalmente nella crosta terrestre solo come minerali di ferro, come ematite, magnetite e siderite.

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

Il ferro fu probabilmente scoperto ed estratto in origine a seguito della combustione del legno sopra i minerali contenenti ferro.Il carbonio all'interno del legno avrebbe reagito con l'ossigeno nel minerale, lasciandosi alle spalle un malleabile ferro metallo. La fusione del ferro e l'uso del ferro per fabbricare strumenti e armi iniziarono in Mesopotamia (l'attuale Iraq) tra il 2700 e il 3000 a.C. Nel corso dei successivi 2000 anni, la conoscenza della fusione del ferro si diffuse verso est in Europa e in Africa durante un periodo noto come l'età del ferro.

Dal 17 ° secolo, fino a quando fu scoperto un metodo efficiente per produrre acciaio a metà del 19 ° secolo, il ferro veniva sempre più usato come materiale strutturale per costruire navi, ponti ed edifici. La Torre Eiffel, costruita nel 1889, è stata realizzata utilizzando oltre 7 milioni di chilogrammi di ferro battuto.

La caratteristica più problematica del ferro è la sua tendenza a formare la ruggine. La ruggine (o ossido ferrico) è un composto marrone e friabile che viene prodotto quando il ferro viene esposto all'ossigeno. Il gas di ossigeno contenuto nell'acqua accelera il processo di corrosione. Il tasso di ruggine - la velocità con cui il ferro si trasforma in ossido ferrico - è determinato dal contenuto di ossigeno nell'acqua e dalla superficie del ferro. L'acqua salata contiene più ossigeno rispetto all'acqua dolce, motivo per cui l'acqua salata arrugginisce il ferro più velocemente dell'acqua dolce.

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

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

Gli acciai più comuni sono:

• Acciai al carbonio, che contengono tra lo 0,5% e l'1,5% di carbonio: questo è il tipo più comune di acciaio, utilizzato per carrozzerie, scafi di navi, coltelli, macchinari e tutti i tipi di supporti strutturali.
• Acciai a bassa lega, che contengono 1-5% di altri metalli (spesso nichel o tungsteno): L'acciaio al nichel è in grado di resistere a livelli elevati di tensione ed è quindi spesso utilizzato nella costruzione di ponti e nella fabbricazione di catene per biciclette. Gli acciai al tungsteno mantengono la loro forma e resistenza in ambienti ad alta temperatura e sono utilizzati in applicazioni a impatto, rotanti, come punte da trapano.
• Acciai alto legati, che contengono il 12-18% di altri metalli: questo tipo di acciaio viene utilizzato solo in applicazioni speciali a causa del suo costo elevato. Un esempio di acciaio altamente legato è l'acciaio inossidabile, che spesso contiene cromo e nichel, ma può anche essere legato con vari altri metalli. L'acciaio inossidabile è molto resistente e altamente resistente alla corrosione.

La maggior parte del ferro è prodotta da minerali trovati vicino alla superficie terrestre.Le moderne tecniche di estrazione utilizzano altiforni, caratterizzati da alte pile (strutture simili a un camino). Il ferro viene versato nelle pile insieme a coke (carbone ricco di carbonio) e calcare (carbonato di calcio). Al giorno d'oggi, il minerale di ferro normalmente attraversa un processo di sinterizzazione prima di entrare nella pila. Il processo di sinterizzazione forma pezzi di minerale che sono 10-25 mm e questi pezzi vengono quindi miscelati con coke e calcare.

Il minerale sinterizzato, la coca cola e il calcare vengono quindi versati nella pila dove brucia a 1.800 gradi Celsius. Il coke brucia come fonte di calore e, insieme all'ossigeno che viene sparato nella fornace, aiuta a formare il gas monossido di carbonio riducente. 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% e il 4,5% di carbonio,insieme ad altre impurità, ed è fragile e difficile da lavorare. Vengono utilizzati vari processi per ridurre le impurità di fosforo e zolfo nella ghisa e produrre ghisa. Il ferro battuto, che contiene meno dello 0,25% di carbonio, è resistente, 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 globale di minerale di ferro è stata di circa 2,4 miliardi di tonnellate. La Cina, il maggiore produttore, rappresentava circa il 37,5% di tutta la produzione, mentre altri importanti paesi produttori includono Australia, Brasile, India e Russia. L'indagine geologica degli Stati Uniti stima che il 95% di tutto il tonnellaggio di metallo prodotto nel mondo sia ferro o acciaio.

Il ferro era un tempo il materiale strutturale principale, ma da allora è stato sostituito dall'acciaio nella maggior parte delle applicazioni. Tuttavia, la ghisa viene ancora utilizzata in tubi e parti automobilistiche come testate, blocchi cilindri e scatole del cambio. Il ferro battuto viene ancora utilizzato per produrre oggetti di arredamento per la casa, come portabottiglie, portacandele e bastoncini per tende.