Caratteristiche del Ferro e metodi di estrazione

Fig. 1 - il ferro
Fig.2 - Forme allotropiche del ferro.
a) forma del ferro alfa e delta.
b) forma del ferro gamma.

Il ferro è un elemento naturale che compare nella tavola periodica tra gli elementi di transizione. È rappresentato dal simbolo chimico Fe; ha numero atomico 26 e peso atomico 55,847. Si presenta come un solido metallico dal colore bianco argenteo.

Considerando tutti i vari composti, il ferro è uno degli elementi più diffusi in natura, costituendo più del 34% della massa del nostro pianeta, con percentuali che variano in base alla profondità, massime nel centro della terra, ove si presume sia il principale componente, via via a diminuire risalendo verso la crosta terrestre, ove è presente per circa il 5,1% della massa superficiale.

Il ferro ha quattro isotopi naturali stabili: in quantità minore troviamo gli isotopi ⁵⁴Fe (5,82%), ⁵⁷Fe (2,19%), ⁵⁸Fe (0,28%). Il restante 91,71% è costituito dall'isotopo ⁵⁶Fe, (stabile con 30 neutroni). Nella sua forma pura il ferro è un metallo morbido, dutile e malleabile a temperatura ambiente. Passa allo stato liquido a 1335°C e bolle a 3000°C. Si presenta in due forme allotropiche (allos=altro, tropos=modo): a temperatura ambiente si presenta nella forma alfa, cubica a corpo centrato. Tra i 912°C e i 1394°C si presenta nella forma gamma, cubica a facce centrate. Oltre i 1934°C si presenta nella forma delta, nuovamente cubica a corpo centrato. Il passaggio da una forma allotropica all'altra è ampiamente sfruttato nella metallurgia sopratutto durante i processi di trasformazione delle leghe di acciaio e ghisa.

Estrazione del ferro

Nelle zone prossime alla crosta terrestre è molto difficile trovare il ferro allo stato puro; più frequentemente lo si trova combinato con altri elementi a formare ossidi, solfuri, carbonati e silicati. Pertanto si rende necessario applicare un processo di raffinazione per separarlo dalle impurità ed ottenere la materia prima.
A partire dal XII secolo avanti cristo, cioè all'inizio dell'età del ferro nel Vicino Oriente, si sono succeduti vari metodi di raffinazione. Agli inizi le zolle di minerale venivano riscaldate in piccoli forni alimentati con carbone di legna eccitato all'incandescenza con aria forzata. Si otteneva una massa spugnosa contenente grandi quantità di scorie che venivano rimosse con un sapiente lavoro di battitura a caldo. Solo nel Medioevo si ebbe un significativo cambiamento nel processo di produzione. Con la comparsa dei primi esemplari di Altoforno, di struttura a tronco di piramide, non molto dissimile a quella dei forni del IV sec a.C., alti poco più di due metri, e larghi circa un metro alla base, ma rivestiti internamente con materiali che consentivano di portare il minerale alla fusione, ottenendo così ferro liquido che veniva colato in forme e reso disponibile per lavorazioni di finitura.

Altoforno moderno

Fig. 3 - Altoforno moderno

Il metodo di estrazione del ferro oggi in uso è ancora basato sull'ALTOFORNO, costituito dalla torre del forno, di altezza oltre i 30 m, larghezza di circa 12 metri; connesso a serbatoi per il preriscaldamento dell'aria. Il minerale ferroso viene introdotto dall'alto, insieme a calcare e coke (un ricavato del carbone). La carica che discende lungo il forno è investita da una corrente ascendente di gas ad alta temperatura, dovuta alla combustione del coke con aria preriscaldata fino a 1000°C, introdotta sotto pressione attraverso ugelli posti alla base del forno. Il monossido di carbonio prodotto dalla combustione del coke riduce gli ossidi di ferro a ferro, mentre il calcare aggiunto come scorificante rimuove le impurezze del minerale. Alla base del forno vengono raccolti da una parte le scorie residue e dall'altra il metallo fuso che viene colato in grandi siviere. Il metallo ottenuto può essere successivamente sottoposto ad ulteriori raffinazioni o a processi di trasformazione in leghe di acciaio e ghisa.

Applicazioni del ferro

La grande disponibilità in natura, il basso costo di produzione e le caratteristiche chimico-fisiche fanno del ferro il materiale più usato in assoluto.

• Il ferro puro viene largamente impiegato grazie alle sue proprietà magnetiche.
• Nelle leghe al carbonio, acciai e ghise, viene impiegato per la costruzione di navi, automobili. In edilizia per la realizzazione di grandi strutture.
• il ferro comune, detto anche ferro dolce, contiene meno dello 0,5% di carbonio. Si tratta tecnicamente di un acciaio dolce, duro e malleabile, largamente impiegato nella produzione artigianale di oggetti in ferro battuto.