La metallurgia di produzione è il ramo della metallurgia che trasforma minerali, concentrati o rottami riciclati in metallo che può essere venduto e utilizzato. Copre tutto tra la miniera e la fonderia: estrazione e frantumazione delle materie prime, separazione di minerali preziosi dai rifiuti, estrazione del metallo dai suoi composti chimici, raffinazione fino a una purezza controllata e infine aggiunta di elementi leganti nella giusta forma e ordine. La disciplina è solitamente suddivisa in tre famiglie di processi e la maggior parte dei diagrammi di flusso industriali li combina tutti e tre.
Cosa copre la metallurgia di produzione
La metallurgia estrattiva e quella di produzione sono spesso usate in modo intercambiabile, ma la produzione ha un significato più ampio: comprende le fasi di conversione che seguono l'estrazione, come la fusione, la collatura e la produzione di leghe madri. Le tre famiglie di processi sono:
Pirometallurgia:trattamento ad alta temperatura, compresa la torrefazione, la fusione, la conversione e la raffinazione a fuoco. Domina la produzione di ferro, acciaio, piombo e ferroleghe.
Idrometallurgia:trattamento in soluzione acquosa, compresa la lisciviazione, l'estrazione con solvente e la precipitazione. È la via standard per lo zinco e per molti metalli rari e refrattari.
Elettrometallurgia:trattamento utilizzando energia elettrica, compresa la raffinazione elettrolitica e l'elettroestrazione. In questo modo vengono prodotti i catodi di rame e zinco e l'alluminio primario.
La scelta tra loro dipende dalla chimica del minerale e dal costo dell'energia. I minerali di solfuro vengono solitamente fusi perché lo zolfo può essere catturato come acido solforico, mentre i minerali di ossido che sono difficili da ridurre termicamente vengono più spesso lisciviati.
Vie dei metalli ferrosi e non-ferrosi
I metalli si dividono innanzitutto in ferrosi, quelli a base di ferro, e non-ferrosi, tutto il resto. La tabella seguente riassume il percorso seguito dai principali metalli industriali.
| Metallo | Materia prima tipica | Principale percorso di produzione | Forma del prodotto primario |
|---|---|---|---|
| Ferro e acciaio | Minerale di ematite e magnetite | Altoforno, forno ad ossigeno basico | Ghisa, acciaio, ferroleghe |
| Rame | Concentrato di solfuro | Flottazione, fusione, elettroraffinazione | Catodo di rame, vergella |
| Zinco | Minerale di solfuro | Tostatura, lisciviazione, elettroestrazione | Zinco speciale di alta qualità |
| Alluminio | Bauxite | Raffinazione dell'allumina, elettrolisi dei sali fusi | Lingotto di alluminio primario |
| Titanio | Rutilo e ilmenite | Clorazione, riduzione del magnesio | Spugna di titanio |
La produzione di ferro ha il tonnellaggio maggiore con un ampio margine ed è anche quella più strettamente collegata all'aggiunta di leghe, poiché quasi tutto l'acciaio viene modificato nella composizione prima della fusione. Le rotte non-ferrose sono più spesso organizzate attorno a un singolo metallo, con i sottoprodotti-recuperati come flusso di entrate secondario.
Dal minerale al metallo: le fasi del processo
Sebbene i diagrammi di flusso differiscano, la maggior parte delle operazioni metallurgiche di produzione seguono la stessa sequenza di passaggi:
Preparazione mineraria e delle materie prime:il minerale viene perforato, fatto saltare e trasportato, quindi miscelato in modo che la qualità alimentata all'impianto rimanga costante.
Comminuzione:la frantumazione e la macinazione liberano i preziosi grani minerali dalla roccia circostante e gli uni dagli altri.
Beneficiamento e separazione:I metodi gravitazionali, magnetici e di flottazione concentrano il prezioso minerale e respingono la ganga come sterili.
Estrazione:il concentrato viene ridotto, fuso o lisciviato in modo che il metallo lasci il composto ospite in forma metallica o disciolta.
Raffinazione:la raffinazione a fuoco, l'elettrolisi o la distillazione rimuovono le impurità residue entro i limiti richiesti dalle specifiche.
Lega e fusione:il metallo raffinato viene modificato, degasato e colato in lingotti, billette o leghe madri per l'ulteriore lavorazione.
A ogni passaggio è associato un valore di recupero e il prodotto di tali dati fornisce il rendimento complessivo. Un impianto che recupera il 92% del metallo in arricchimento e il 94% in fusione restituisce solo circa il 86% del metallo contenuto nel minerale, motivo per cui il controllo delle perdite viene trattato come una funzione produttiva fondamentale piuttosto che un dettaglio contabile.
Ferroleghe: il ponte tra minerale e acciaio
La maggior parte degli elementi leganti non possono essere aggiunti all'acciaio nella loro forma pura: fondono a temperature molto elevate, si ossidano facilmente o costano troppo per essere raffinati. Vengono invece aggiunte come ferroleghe, leghe madri prodotte per riduzione carbotermica dell'ossido insieme al ferro. Sebbene queste leghe rappresentino una piccola frazione del tonnellaggio necessario per la produzione dell'acciaio, senza di esse non è possibile rifinire nessun calore di acciaio.
| Ferrolega | Contenuto tipico dell'elemento principale | Funzione nella produzione dell'acciaio |
|---|---|---|
| Ferrosilicio | Silicio dal 74 all'80%. | Disossidazione e lega del silicio |
| Ferromanganese ad alto-carbonio | Manganese dal 76 all'82%. | Leghe al manganese, controllo dello zolfo |
| Ferrovanadio | Vanadio dal 50 all'80%. | Microlega per acciaio strutturale ad alta-resistenza |
| Ferrotungsteno | Tungsteno dal 70 all'85%. | Acciaio per utensili e acciaio-resistente al calore |
| Ferromolibdeno | Molibdeno dal 55 al 65%. | Temprabilità e resistenza al creep |
I tassi di aggiunta sono stabiliti da un semplice bilancio di massa. Per mettere lo 0,5% di manganese in una tonnellata di acciaio, sono necessari cinque chilogrammi di manganese nella massa fusa; con ferromanganese ad alto-carbonio pari al 78% di manganese e un recupero di circa il 95%, la carica è cinque divisa per 0,78 e poi divisa per 0,95, ottenendo circa 6,7 chilogrammi per tonnellata di acciaio. La stessa aritmetica applicata ad ogni elemento fornisce il bilancio di carica di un calore.
L'ordine di addizione conta tanto quanto la quantità. I disossidanti vengono aggiunti prima degli elementi di lega in modo che l'ossigeno non consumi le aggiunte più costose, mentre gli elementi con un'elevata affinità per l'ossigeno vengono aggiunti più tardi nel processo, sotto una scoria che li protegge dall'atmosfera.
Controllo di qualità, forme di prodotto e standard
La metallurgia di produzione è un settore-guidato dalle specifiche, pertanto l'analisi e il campionamento sono integrati nel processo anziché aggiunti alla fine. La composizione chimica è confermata mediante spettrometria su ogni colata e la distribuzione dimensionale è controllata mediante screening poiché il comportamento di dissoluzione di una ferrolega dipende fortemente dalla dimensione delle particelle. Sistemi di gestione come ISO 9001 e competenze di laboratorio di prova secondo ISO/IEC 17025 sono comunemente richiesti dai clienti, mentre i singoli prodotti vengono acquistati in base a standard nazionali o internazionali come GB/T 2272 per ferrosilicio, GB/T 3795 per ferromanganese e GB/T 3648 per ferrotungsteno.
Le forme del prodotto seguono il processo a valle: materiale in pezzi per l'acciaieria, qualità granulate e in polvere per la colata continua e materiali di consumo per saldatura e forme di filo animato o bricchettato dove è necessaria un'aggiunta controllata e a bassa-perdita nella siviera. L'imballaggio viene scelto per limitare l'assorbimento di umidità, poiché le aggiunte umide possono causare reazioni violente nella massa fusa.
Domande frequenti
D: Qual è la differenza tra metallurgia di produzione e metallurgia estrattiva?
La metallurgia estrattiva si ferma nel punto in cui il metallo viene estratto dal minerale. La metallurgia di produzione comprende questa fase, ma comprende anche la raffinazione, l'alligazione e la fusione in forme vendibili.
D: Quale famiglia di processi è maggiormente utilizzata nell'industria?
In termini di tonnellaggio, la pirometallurgia è in testa, perché ferro, acciaio, ferroleghe e la maggior parte dei metalli di base sono prodotti in forni ad alta temperatura. L'idrometallurgia e l'elettrometallurgia gestiscono materie prime-di qualità inferiore e più complesse.
D: Perché i metalli vengono legati sotto forma di ferroleghe?
Le ferroleghe abbassano il punto di fusione e la densità dell'aggiunta, riducono le perdite per ossidazione e forniscono l'elemento in una forma che si dissolve in modo prevedibile nell'acciaio liquido. Sono anche più economici rispetto alla raffinazione dell'elemento puro.
D: Cosa determina il recupero di un elemento di lega?
Il recupero dipende dall'affinità dell'elemento per l'ossigeno, dalla chimica delle scorie, dalla temperatura di aggiunta e dalla dimensione delle particelle della ferrolega. L'aggiunta tardiva sotto scoria protettiva garantisce il massimo recupero.
D: Come viene verificata la qualità del prodotto nella metallurgia di produzione?
Ogni fusione viene analizzata per la composizione chimica e le dimensioni, l'umidità e la densità apparente vengono confrontate con le specifiche di acquisto. I registri di tracciabilità collegano il lotto consegnato al calore e al lotto di materia prima.
D: I rottami riciclati possono sostituire il minerale nella metallurgia di produzione?
Sì, e nella produzione dell'acciaio svolge già gran parte del lavoro. I percorsi basati sui rottami- aggirano completamente l'attività di estrazione e riduzione, ma dipendono dalla cernita per mantenere elementi indesiderati come rame e stagno fuori dalla fusione.
