ALLUMINIO
ALLUMINIO
(II, p. 561; App. I, p. 89; II, I, p. 140; III, I, p. 72; IV, I, p. 104)
Metallurgia. - Processo Bayer. - Nell'ultimo decennio il processo Bayer ha continuato a essere l'unico processo industriale di produzione dell'ossido di a. (allumina Al2O3) a partire dalla bauxite. Altri procedimenti sono stati studiati per utilizzare minerali diversi dalla bauxite, e sviluppati soprattutto per motivi strategici, quando i paesi industrializzati temevano un possibile forte rincaro del costo della bauxite, in analogia a quanto avveniva per il petrolio e le altre materie prime energetiche. Ma nessuno di questi procedimenti alternativi ha avuto uno sviluppo industriale, sia perché non sono risultati economicamente convenienti, sia perché la disponibilità della bauxite è andata aumentando a seguito dell'individuazione di nuovi importanti giacimenti, tanto da essere oggi considerata uno dei minerali più disponibili; le stime dell'United States Bureau of Mines danno una riserva di bauxite superiore a 25.000 milioni di t, che garantisce la disponibilità del minerale per molte centinaia di anni. Per questi motivi i prezzi del minerale sono rimasti contenuti, e i centri di ricerca hanno lavorato per migliorare ulteriormente il processo Bayer, sia per la riduzione dei consumi energetici e l'aumento della produttività degli impianti, sia per adeguare la qualità del prodotto alle nuove esigenze degli impianti di elettrolisi.
Una spinta particolare allo sviluppo del processo Bayer è derivata, oltre che dall'incremento dei costi energetici, anche dall'aumento dell'uso delle bauxiti tropicali e dalla necessità di produrre allumina di tipo sabbioso (sandy) a granulometria controllata, richiesta dai nuovi impianti di abbattimento dei fumi di elettrolisi che si andavano nel frattempo imponendo.
Le linee fondamentali di sviluppo sono state:
Purificazione del liquido d'impianto: per la riduzione del contenuto di composti organici e altri inquinanti nel liquido d'impianto; ha permesso significativi aumenti di produttività e miglioramenti della qualità del prodotto.
Precipitazione a elevata percentuale di solidi: le fasi di agglomerazione dei cristalli e quella di crescita vengono realizzate distintamente e controllate separatamente con opportuni dosaggi di seme, concentrazione di allumina nel liquido e gradienti di temperatura.
Calcinazione in forni a letto fluido: lo sviluppo delle tecniche di controllo della precipitazione e la conseguente produzione d'idrato caratterizzato da elevato indice di attività e quindi di resistenza alla rottura ha consentito il pieno sviluppo di tecniche di calcinazione a letto fluido in forni stazionari, in alternativa ai forni rotativi tradizionali ad asse orizzontale. Il risparmio di olio combustibile per le ridotte perdite di calore nei fumi e per dispersione dal mantello è del 25% rispetto ai più efficienti forni rotativi.
Controllo di processo: la messa a punto di strumenti di campo poco influenzati da incrostazioni o da solidi abrasivi, nonché dall'elevata concentrazione caustica, ha consentito l'automazione di importanti anelli di regolazione quali la carica di bauxite in autoclave, il controllo continuo della concentrazione di allumina, il controllo della temperatura delle autoclavi di reazione, la gestione dei forni di calcinazione. I risultati sono stati assai interessanti in termini sia di risparmi energetici che di efficienza di estrazione dell'allumina. L'introduzione dei calcolatori di processo costituisce ancora oggi uno dei campi di maggior interesse per lo sviluppo del processo Bayer specie nell'area della precipitazione.
Elettrolisi. - Come per la produzione dell'ossido a partire dal minerale, anche la produzione del metallo a partire dall'ossido non ha registrato nell'ultimo decennio l'introduzione di nuovi processi, ma sono state comunque apportate modifiche sostanziali al classico processo Hall-Heroult (che nel 1986 ha celebrato il suo centenario).
Due sono gli obiettivi tecnici fondamentali, che hanno orientato lo sviluppo dell'elettrolisi: ridurre il consumo specifico di energia elettrica, che è sempre stato uno dei fattori determinanti del costo di produzione e che lo è diventato maggiormente a seguito della crisi petrolifera; ridurre le emissioni di composti fluorurati nell'ambiente esterno e migliorare le condizioni di lavoro nelle sale di elettrolisi.
Per perseguire questi obiettivi, negli ultimi 15 anni sono state progettate nuove celle di elettrolisi e nuovi impianti di servizio, che hanno permesso di ridurre il consumo specifico di energia elettrica dai 14,5 kWh necessari agli inizi degli anni Settanta per produrre un kg di a., ai circa 13 kWh che si richiedono attualmente negli impianti più moderni.
Le aree d'intervento principali per migliorare la tecnologia del processo Hall-Heroult hanno riguardato:
Campi magnetici: i campi magnetici di forte intensità dovuti alla corrente continua di elettrolisi hanno costituito per un lungo periodo un vincolo al miglioramento delle celle, provocando movimenti circolatori del metallo e difficoltà nella gestione delle celle. Con lo sviluppo dei calcolatori si sono raffinate le tecniche di calcolo dei campi magnetici e dei loro effetti fluidodinamici, e si sono sviluppate tecniche di progettazione e modelli di simulazione che consentono di equilibrare molto bene i campi magnetici e ridurre di conseguenza i loro effetti sulla marcia delle celle.
Aumento dell'amperaggio delle celle: se agli inizi degli anni Settanta le celle avevano un amperaggio massimo di circa 150.000 A, si è arrivati ora nelle celle industriali più moderne a 280.000 A e sono in sperimentazione celle ancora più grandi. Ciò è stato reso possibile fondamentalmente dall'acquisita capacità di progettare molto accuratamente i campi magnetici neutralizzando i loro disturbi sul processo.
In queste celle, oltre a ridurre l'incidenza di molte voci di costo (di costruzione o del personale operativo), si è anche ottenuto un notevole miglioramento nel rendimento di corrente Faraday, che è passato dai valori di 87 ÷ 88% usuali agli inizi degli anni Settanta a valori di 93 ÷ 94% dei migliori impianti moderni.
Alimentazione continua di allumina: è stata sviluppata industrialmente una tecnologia che consente di ripristinare quasi con continuità l'allumina disciolta nel bagno di criolite fusa (in pratica tale reintegro viene fatto attualmente negli impianti moderni ogni minuto, anziché ogni 3 ÷ 6 ore come avveniva in precedenza). Ciò consente alle celle di marciare a una concentrazione di allumina praticamente costante (attorno al 3%) senza le forti oscillazioni (dal 2% al 6%) che si avevano in precedenza, e quindi nelle condizioni di processo ottimali.
Chiusura delle celle e sistemi di abbattimento dei gas: le celle di elettrolisi sono state chiuse superiormente con una cappa metallica e tutti i vapori di fluoro emessi dalla cella vengono aspirati e convogliati, mediante imponenti sistemi di condotti metallici, a un impianto di abbattimento in cui il fluoro contenuto nei gas di cella viene adsorbito in allumina fluidificata, la quale viene successivamente inviata alle celle. Questo sistema di chiusura della cella e di captazione dei fumi è stato reso possibile dalle nuove tecniche di rifornimento di allumina alla cella, che hanno ridotto di molto la necessità d'intervenire nella cella con mezzi meccanici (carriponte o carrelli). La chiusura della cella ha consentito anche di far marciare le celle con una composizione di bagno diversa (l'eccesso di AlF3 è passato dal 4 ÷ 6% precedente all'attuale 12 ÷ 14%) e ha contribuito non poco al miglioramento del rendimento Faraday.
I vantaggi della chiusura della cella riguardano quindi: l'ambiente di lavoro interno alle sale celle, con riduzione della polverosità, dell'esposizione al calore e della presenza di fluoro; l'ambiente esterno, che risulta molto meglio protetto contro le emissioni di fluoro (in questi impianti il totale del fluoro emesso nell'ambiente è compreso tra 0,5 e 1,0 kg di fluoro per t di a. prodotto, contro i 5 ÷ 8 kg di fluoro per t di a. usuali con gli impianti di abbattimento dei primi anni Settanta); il bilancio materiali della cella, in cui il consumo di prodotti fluorurati (criolite e fluoruro di a.) è sceso dai 50 kg per t di a. agli attuali 15 kg per t.
Sistemi di controllo computerizzati: tutti gli impianti di produzione dell'a. adottano ormai i calcolatori di processo per il monitoraggio e la regolazione automatica del processo, consentendo così di far marciare le celle sempre nelle condizioni ottimali.
I sistemi hardware hanno subito una rapida evoluzione e si è passati da un calcolatore centrale che gestiva direttamente tutte le celle, a una struttura con hardware distribuito; in pratica nei nuovi impianti ogni cella è dotata di un microcomputer che ne governa il funzionamento, sotto la supervisione di un calcolatore centrale che svolge funzioni di controllo e di sintesi globale. Anche le filosofie di controllo e regolazione delle celle si sono evolute e sono stati sviluppati algoritmi sofisticati per mantenere le celle sempre nelle condizioni di marcia ottimali.
In definitiva la metallurgia dell'a. si basa sempre sul classico processo Hall-Heroult, ma la tecnologia ha segnato miglioramenti sostanziali; la tabella che segue mette a confronto i dati tecnici fondamentali delle celle degli anni 1974-76 con quelli delle celle odierne:
Previsioni di nuovi processi. - Nessuno dei processi alternativi al processo Hall-Heroult sviluppati nel recente passato è arrivato all'industrializzazione. Anche il processo di elettrolisi del cloruro di a., sviluppato dalla Alcoa con un impianto pilota da 15.000 t/anno, è stato abbandonato per le difficoltà connesse alla produzione e alla manipolazione del cloruro di alluminio. Così pure non hanno avuto risultati economicamente positivi i processi di riduzione carbotermica dell'allumina e di minerali diversi dalla bauxite.
Continuano a destare interesse due possibili miglioramenti al processo Hall-Heroult: l'uso di catodi bagnabili; l'uso di anodi dimensionalmente stabili.
Lo sviluppo di materiali, quali il diboruro di titanio sinterizzato, che hanno la proprietà di essere bagnati dall'a. liquido, consentirebbe di modificare la geometria del fondo della cella, che costituisce il catodo, eliminando il deposito di metallo liquido, attualmente spesso da 15 a 25 cm, e riducendolo a un film sottile; ciò annullerebbe del tutto gli effetti magnetici e consentirebbe una marcia della cella a tensioni decisamente più basse, per cui si considera raggiungibile un consumo specifico di energia di circa 11 kWh/kg.
L'altra area di possibile intervento sostanziale nella modifica della cella di elettrolisi riguarda la sostituzione degli anodi di carbone (consumabili) con anodi ceramici dimensionalmente stabili (cioè non consumabili). L'uso di elettrodi non consumabili, oltre a eliminare un grave elemento di disturbo rappresentato dalla necessità di sostituire periodicamente l'anodo consumato, consentirebbe anche di disegnare geometrie del sistema anodico e dell'intera cella del tutto innovative; l'obiettivo finale è una cella multipolare, cioè con una successione di anodi e catodi nella stessa cella, già studiata nel passato, senza successo per le carenze nei materiali disponibili.
Altro elemento che rende estremamente attraente la possibilità di eliminare gli anodi di carbone è il possibile risparmio nei costi (attualmente il costo dovuto agli anodi incide per il 15 ÷ 20% sui costi di produzione del metallo). Per contro questi benefici devono essere tali da compensare l'aumento della tensione della cella dovuto alla maggior tensione di polarizzazione degli anodi (+ 1,0 V).
Sono stati finora sperimentati a lungo anodi costituiti da blocchi di biossido di stagno, che si sono dimostrati non sufficientemente resistenti all'aggressione da parte del bagno criolitico; il consumo, pur modesto per quanto riguarda la durata dell'anodo, è stato finora tale da inquinare l'a. prodotto con percentuali di stagno non tollerabili.
Particolare interesse desta attualmente il processo Cerox sviluppato in laboratorio dalla Moltech. Il processo Cerox si basa sul ricoprimento di elettrodi ceramici o metallici con uno strato di ossido di cerio ottenuto per deposizione elettrochimica o con altre tecniche di deposizione; gli anodi così ricoperti vengono utilizzati con un bagno criolitico contenente circa il 2% di cerio, per cui lo strato protettivo è in equilibrio dinamico col bagno stesso. Questo procedimento è attualmente in fase di verifica industriale da parte di un gruppo di società (Moltech, Alcan, Aluminia).
Considerato il grande impulso che la ricerca sui nuovi materiali, e sui materiali ceramici in particolare, sta avendo in tutto il mondo, è ragionevole pensare che nel prossimo decennio si potranno avere modificazioni sostanziali nella struttura della cella e nel processo produttivo.
Sviluppi della metallurgia applicativa. - Negli anni recenti si è avuto un generale miglioramento delle caratteristiche delle famiglie di leghe note, per quanto concerne la lavorabilità e le prestazioni; sono state così sviluppate nuove leghe da estrusione e da laminazione ad alta resistenza, nuove leghe per imballaggio, per conduttori elettrici, leghe da fonderia modificate.
Con la metallurgia convenzionale sono state studiate, e sono tuttora in corso di sviluppo, nuove tipologie di leghe.
Leghe Al-Li: nelle quali con tenori di litio del 3% si può ottenere una riduzione di densità del 10% circa e un aumento del modulo elastico del 25 ÷ 30%. L'interesse maggiore per queste leghe è nel settore aeronautico, molto sensibile ai problemi di peso; tale interesse è accresciuto dalla possibilità d'impiegare queste leghe con tecnologie di lavorazione e di controllo convenzionali, senza cioè le onerose ristrutturazioni tecnologiche che altri materiali (per es. i compositi) comportano.
Leghe superplastiche: caratterizzate da una struttura metallurgica molto fine che consente un'elevatissima possibilità di deformazione, cioè in pratica la possibilità di realizzare, in un solo passo e con modeste pressioni, pezzi di forma molto complessa o non realizzabili con leghe convenzionali.
Sono altresì oggetto di studio e di sviluppo a vari livelli nuove tecnologie metallurgiche basate su elevatissime velocità di raffreddamento del metallo liquido (dell'ordine dei 100.000 °C/sec.), di cui la più avanzata è la metallurgia delle polveri, che presenta notevoli vantaggi: possibilità d'introdurre nella lega la maggior parte dei metalli, senza limitazioni percentuali; assenza di segregazioni nei prodotti ottenuti e ripartizione molto fine e omogenea delle fasi fuori soluzione.
Con la metallurgia delle polveri si seguono attualmente quattro linee di sviluppo: nuove leghe ad alta resistenza meccanica; nuove leghe a elevato modulo elastico; leghe per temperature elevate (fino a 350 °C); leghe resistenti all'usura.
Il settore in cui si stanno maggiormente intensificando in questi anni gli sforzi dei ricercatori è quello dei compositi a matrice di a., considerati tra i materiali più promettenti per il futuro.
Questi materiali sono costituiti da fibre o particelle di alta resistenza e alto modulo elastico, disperse in una matrice di a.; le fibre utilizzate, corte o lunghe, sono il carburo di silicio, l'allumina, il boro e altre in corso di sviluppo.
L'aspetto più interessante dei compositi a matrice di a. (e in generale dei materiali compositi) è che, oltre a migliorare nettamente le caratteristiche del materiale costituente la matrice, è possibile privilegiare selettivamente una delle proprietà, selezionando opportunamente il tipo delle fibre e la loro disposizione nella matrice. I miglioramenti possono così riguardare: la resistenza meccanica; il modulo elastico; il comportamento a fatica; la resistenza a caldo; la resistenza all'usura e all'abrasione, o altre proprietà; è pertanto consentito al progettista di specificare entro ampi limiti quali devono essere le caratteristiche del materiale composito che deve essere prodotto.
Bibl.: K. Grjotheim, B. J. Welch, Aluminium smelter technology, Düsseldorf 1980; M. Rolin, L'electrolyse de l'aluminium, Villeurbanne 1981; R. Beck, H. Lax, W. Prost e J. Scott, in Aluminium: profile of the industry, a cura di J. Keefe, New York 1982; Aluminium: its properties and physical metallurgy, a cura di J. E. Hatch, Metals Park 1984.
Produzione. - Lo straordinario trend espansivo dell'industria dell'a. si è bruscamente interrotto nella seconda metà degli anni Settanta e solo negli ultimi periodi ha mostrato consistenti sintomi di ripresa. In conseguenza delle crisi petrolifere e delle profonde trasformazioni che ne sono derivate negli apparati produttivi dei paesi industrializzati, si sono ridimensionati i fattori che avevano favorito la crescita del settore. Venuta meno la possibilità di approvvigionamento di fonti di energia a basso costo, anche i prezzi delle materie prime sono lievitati; ne è conseguita una caduta del rendimento degli impianti e una minore attività d'innovazione del prodotto.
La crisi dell'industria dell'a. si è manifestata con il crollo dei consumi verificatosi nel 1975 e riacutizzatosi nel corso del triennio 1980-82. Al contrario, i periodi 1976-79 e la seconda metà degli anni Ottanta rappresentano fasi di recupero produttivo e di ripresa. Questo andamento ciclico, improntato a negatività, ha determinato la contrazione, a partire dal 1975, dell'elasticità dei consumi di a. primario rispetto al reddito, portandolo a valori assai più ridotti che nel periodo precedente.
Prescindendo dalle ripercussioni immediate causate al settore dalla crisi petrolifera, dal concomitante raddoppio del prezzo della bauxite, e da quelle connesse al più generale processo inflattivo, la crisi dell'industria dell'a. è stata indotta dal rallentamento e dalla recessione dell'economia mondiale. Pur considerando il riallineamento generale dei costi comparati delle varie fonti d'energia determinati dall'innalzamento di quelli petroliferi, occorre considerare che il settore dell'a. dipende solo parzialmente dall'energia elettrica derivata dal petrolio. Le risposte alla crisi, che hanno comportato comunque una riduzione della capacità produttiva del metallo primario per circa 1 milione di t (in massima parte negli USA e in Giappone), appaiono dunque diverse a seconda della situazione specifica dei singoli paesi: la principale discriminante è costituita dal tipo di energia utilizzato e dalle scelte complementari operate. La crisi energetica, dunque, non solo ha determinato serie difficoltà al settore ma anche e soprattutto ha provocato forme di rilocalizzazione secondo una nuova divisione internazionale del lavoro.
Nel corso degli anni Ottanta va registrato il maggiore peso assunto nel ciclo produttivo dai paesi produttori di bauxite, che resta la materia prima fondamentale. Le sperimentazioni per il ricorso a minerali più diffusi (e a modesto tenore metallico) non hanno ancora fornito esiti positivi. Inoltre, risulta sostanzialmente immutata la fase centrale del processo industriale, nonostante si vadano sperimentando metodi alternativi alla carboriduzione diretta. L'obiettivo è di evitare l'utilizzazione di fluoruri per problemi di salvaguardia ambientale.
Attualmente, la produzione di bauxite che fa capo all'IBA (il cartello dei paesi produttori costituito nel 1974 allo scopo di aver maggior peso nelle relazioni con i paesi a economia avanzata e con le potenti imprese multinazionali) copre il 70% del totale mondiale, mentre la produzione di a. è attestata sul 40% (nonostante paesi importanti come il Brasile non vi abbiano aderito).
Nel panorama dell'attuale distribuzione mondiale della produzione di bauxite, l'area caribica appare in progressivo regresso, con riserve di minerale in via di esaurimento e una netta dipendenza dallo spazio produttivo nordamericano. L'area africana è invece in espansione grazie alla disponibilità di ingenti riserve di minerali e con la possibilità di acquisire le fasi successive del ciclo produttivo date le grandi potenzialità idroelettriche. Infine, l'area australe, anch'essa in forte espansione e la meno dipendente dall'industria dei paesi occidentali, conta su riserve vastissime e ha avviato una propria capacità produttiva.
A livello quantitativo, nonostante sia aumentato il numero dei paesi produttori, la concentrazione della produzione di bauxite resta molto elevata e anzi si è accentuata: la sola industria australiana contribuisce ormai con più di un terzo a quella totale, mentre i primi cinque produttori rappresentano da soli il 74% della bauxite estratta.
Altro elemento di novità nell'organizzazione del settore è che la situazione di oligopolio si è andata allentando sia per il decollo di attività produttive in alcuni paesi del Terzo Mondo sia, infine, per la progressiva assunzione d'iniziativa da parte della mano pubblica. L'erosione delle condizioni di oligopolio appare dunque il risultato di un intreccio di fattori interni al settore, determinati e/o amplificati da fattori esterni, primi fra tutti la crisi energetica e la successiva recessione dell'economia mondiale. Infatti mentre in alcuni paesi europei, in considerazione del ruolo strategico dell'a., ricevevano un forte impulso le imprese produttrici a partecipazione statale, e mentre in Giappone si è andata consolidando un'industria nazionale, la crisi energetica e ancor più la stasi e la riduzione delle attività economiche che ne è conseguita, hanno creato i presupposti per una redistribuzione delle capacità produttive fra alcuni paesi del Terzo Mondo. Di un certo rilievo appaiono gli incrementi di quota ottenuti nella produzione di a. primario da parte di alcuni paesi petroliferi, la cui produzione è passata dal 2% del 1974 al 9% del 1986.
Del tutto originale la struttura assunta dal settore in Italia. Nel corso di tutti gli anni Settanta e nella prima metà degli anni Ottanta, la produzione di a. di seconda fusione si è dilatata a ritmi molto sostenuti. Questa tende a surrogare, per quanto tecnicamente possibile, la domanda lasciata insoddisfatta dalla prima fusione e quella aggiuntiva generata dalla ripresa produttiva. Il rapporto tra produzione primaria e secondaria si è quindi alterato decisamente a favore di quest'ultima, raggiungendo valori di molto superiori rispetto a quelli di ogni altro paese, escluso il Giappone.