ALLUMINIO

ALLUMINIO (II, p. 561; App. I, p. 89)

Caratteristiche. - Le caratteristiche fisiche e meccaniche dell'alluminio variano sensibilmente, a parità di trattamento termico e plastico (temperatura di ricottura, grado di incrudimento), con la purezza, cosicché ai titoli più elevati ai quali i recenti progressi nella raffinazione hanno permesso di giungere (oltre 99,99%), il metallo possiede un complesso di caratteristiche che lo rendono notevolmente diverso dal metallo di titolo normale.

Questo comportamento è pienamente giustificato dalla distribuzione che le impurità, o i composti intermetallici che da esse traggono origine, vengono ad assumere nella matrice fondamentale del metallo. La fig. i mostra ad esempio la microstruttura tipica dell'alluminio purissimo e di quello commerciale di diverso titolo, allo stato di getto. Il progressivo aumento statistico delle zone interdendritiche occupate dalle impurezze, è sufficiente a giustificare la proporzionale riduzione degli allungamenti dal più al meno elevato titolo di purezza, nonché il progressivo aumento della durezza e del carico di rottura e la variazione delle altre caratteristiche fisiche.

Le più importanti caratteristiche fisiche dell'alluminio sono state raccolte nella tabella 1; i valori si riferiscono rispettivamente al metallo chimicamente puro (valori "estrapolati") ed alle cinque classi nelle quali il metallo tecnico si può oggi pensare suddiviso. L'ultima colonna raccoglie i dati da impiegare nei calcoli generici (ove non sia a priori conosciuto il titolo del metallo, oppure ove interessino solo dati di massima); in genere, questi dati corrispondono al titolo 99,5 che rappresenta, oggi, il metallo puro tipico di tutte le industrie.

I calcoli più rigorosi debbono logicamente tener conto del titolo del metallo da impiegare e delle possibilità della fabbricazione. In questo caso occorre in generale condurre una serie di verifiche, in quanto, anche a parità di titolo, la storia termica del metallo ed il suo stato cristallino (dimensione dei grani) possono esercitare una influenza decisiva sulle caratteristiche richieste, come avviene, ad esempio, nel caso della resistività elettrica.

Le caratteristiche tensili e la durezza dell'alluminio di varia purezza, sono raccolte nella tabella 2. Particolarmente istruttivi appaiono i dati relativi al materiale laminato, nel quale la minor frequenza dei fattori di variabilità permette una più esatta valutazione delle caratteristiche ed un confronto più attendibile di quanto non si verifichi nel caso dei getti; questi valori corrispondono bene a quelli ottenuti recentemente da ricercatori americani, operando su alluminio 99,996% ricotto o incrudito al 75%, che furono i seguenti:

Su un filo del diametro di mm. 1,5, J. Calvet ha trovato, per il titolo 99,996% ricotto per 113 ore a 130 °C, i seguenti valori:

Sulla vera grandezza del modulo elastico E dell'alluminio le opinioni non sono del tutto concordi; generalmente esso viene assunto nei calcoli come pari a 7000 kg/mm², che corrispondono bene alle 10⁷ lbs × sq. inch. (7031 kg/mm²) della pratica americana; vi sono tuttavia buone ragioni per ritenere questo valore approssimato in eccesso. Alcuni autori pongono infatti il valore di E fra 6200 e 6800 kg/mm²; R. R. Moore trova invece E = 7120 per il titolo 99,2, ed E. Grüneisen E = 7190 per il titolo 99. Secondo R. Gadeau, il modulo di elasticità dell'alluminio di titolo superiore a 99,98 sarebbe di 6700 kg/mm², contro i 6750 kg/mm² del titolo 99,25. Il rapporto di Poisson è per solito ritenuto pari a m = 0,31 ÷ 0,32. Secondo E. Grüneisen i valori sarebbero invece di m = 0,343 per il titolo 99 e m = 0,339 per il titolo 98,4.

Raffinazione (App. I, p. 94). - In pochi anni i progressi realizzati dalla tecnica della elettrolisi ignea dell'allumina, malgrado non si possa parlare di radicali mutamenti, hanno resi abituali i titoli pari e superiori al 99,5, che sembrava il massimo ottenibile per via normale. In Italia, mentre fin dal 1933 la SAVA produceva, per quanto saltuariamente, un metallo di titolo 99,8 garantito, dal 1937 anche la INA incominciò a fornire regolarmente discrete quantità di alluminio di titolo 99,8 ÷ 99,9.

Attualmente sembra che il 99,8 sia appunto il massimo titolo ottenibile per elettrolisi ignea mediante selezione accurata delle materie prime, per quanto taluni autori indichino anche titoli superiori, come il 99,9. Il problema della produzione dell'alluminio purissimo è in ogni modo diverso; non si tratta di avvicinarsi al titolo 99,9 o di superarlo di qualche centesimo di unità, ma di garantire una produzione regolare di titolo superiore al 99,99%. Questo problema, di interesse teorico e pratico di larga portata, è stato risolto già da varî anni, ma soltanto in questo ultimo decennio ha raggiunto un grado sufficientemente elevato di diffusione.

I processi tecnici attuali per la raffinazione elettrolitica dell'alluminio sono basati tutti sull'impiego di un bagno intermedio di sali fusi, tra l'alluminio impuro funzionante da anodo (generalmente sul fondo della cella) e l'alluminio raffinato che si separa dal catodo (fig. 2). Nel processo della Compagnie des Produits Chimiques et Èlectrométallurgiques d'Alais, Froges et Camargue che è tra i più moderni, l'elettrolita è costituito da una miscela di fluoruro di alluminio con fluoruri alcalini e con cloruri alcalino-terrosi. Il rapporto tra fluoruro di alluminio e fluoruri alcalini deve essere maggiore di quello corrispondente alla criolite. Buoni risultati ha fornito un bagno costituito da 23% Al F₃, 17% Na F, 60% Ba Cl₂, bagno che consente di condurre l'elettrolisi a temperatura ridotta (fra 700° e 750°). A tale temperatura i tre strati hanno le seguenti densità: lega anodica con il 33% Cu, 3,0 circa; miscela liquida di sali, 2,7; alluminio fusom 2,3. La differenza che si verifica tra le densità alle dette temperature è abbastanza grande da permettere una netta separazione dei tre strati fusi.

Nella elettrolisi viene dapprima decomposto il cloruro di bario, secondo l'equazione:

Il bario reagisce quindi col fluoruro d'alluminio, secondo la:

L'alluminio e il cloro si combinano all'anodo, formando cloruro di alluminio, secondo la:

Il cloruro di alluminio, possedendo la più bassa tensione di decomposizione, è il sale che più efficacemente prende parte alla elettrolisi; esso è però molto volatile, e in parte sfugge dal bagno; la sua reintegrazione necessita l'elettrolisi del BaCl₂. Ne risulta che la parte fluorurata del bagno tende alla composizione della criolite. Quando questa composizione sia raggiunta, il bario incomincia a passare nell'alluminio raffinato (fino al 3%). Ciò può spiegarsi ammettendo che l'elevato calore di formazione della criolite (da Al F₃ e NaF) ostacoli la reazione del bario libero con Al F₃: basta però aggiungere al bagno una piccola quantità di Al F₃ o di NaF perché il bario ritorni immediatamente in ciclo.

Le celle elettrolitiche lavorano, nella fabbrica di Saint Jean de Maurienne, nelle seguenti condizioni: intensità di corrente, 13.000 A; tensione nomiale, 7 V; densità di corrente, 40 A/dm²; temperatura di regime, 750°-780°; rendimento in corrente anodica, 100%; rendimento catodico in alluminio, 97%. L'alluminio raffinato viene man mano allontanato dalla superficie del bagno e colato in panetti; contemporaneamente, si aggiunge alla cella dell'alluminio normale liquido, per continuare il ciclo.

L'alluminio raffinato così ottenuto presenta un titolo superiore al 99,99. Il metallo più puro finora ottenuto con il descritto metodo presentava, secondo R. Gadeau, la seguente composizione: Al = 99,9986%; Fe = 0,0002%; Si = 0,0009%; Cu = 0,0003%; Mg 〈 0,0001%). Il titolo medio è il seguente: Al = 99,992%; Fe = 0,003%; Si = 0,004%; Cu = 0,001%.

La Aluminium Industrie A.-G. di Neuhausen, ha anche ottenuto dei brevetti per un procedimento elettrolitico di raffinazione, che rientra nel classico schema del processo a tre strati, impiegando però soltanto fluoruri (alcalini, alcalino-terrosi e di alluminio). In Italia lavora con questo sistema la SAVA di Porto Marghera.

Durante la seconda Guerra mondiale, in Germania venne tentata l'applicazione del processo di elettrolisi a tre strati al ricupero dei rottami aeronautici, costituiti per la massima parte di duralluminio. Un impianto di questo tipo funzionava presso lo stabilimento di Grevenbroich, nella valle del Reno, dei Vereinigte Aluminium Werke. La cella usata lavorava con 5 V e consumava 20-24 kWh per kg. di alluminio 99,9 ÷ 99,99 prodotto. La lega intermedia, contenente 28-30% Cu era principalmente ottenuta per rifusione e correzione di rottame aeronautico, dal quale doveva essere separato il magnesio, mediante trattamento preliminare con criolite e cloruro di alluminio. La carica normale delle celle di raffinazione era costituita per il 70% di rottame e per il 30% di alluminio primario di basso titolo. La produzione di ogni cella VAW era di circa 1000 kg. in 24 ore. Il contenuto di Fe e Si nella lega anodica non doveva superare complessivamente l'8%; la perdita di sali dello strato intermedio era di circa il 4%. La cella VAW presentava una bocchetta laterale attraverso la quale risultava facile il periodico caricamento della lega da depurare.

Grazie alla sua eccellente resistenza alla corrosione, l'alluminio purissimo può essere impiegato con successo in quei casi nei quali l'alluminio ordinario non sarebbe indicato. Data poi la sua elevata plasticità, del tutto analoga a quella dello stagno, viene a volte sostituito a questo (anche in ragione dell'economia di costo), nell'imballaggio di certune derrate alimentari, dotate di caratteri di aggressività chimica elevata, per le quali l'alluminio normale non si dimostrerebbe del tutto rispondente.

Produzione e industria. - L'alluminio ha rappresentato, durante la seconda Guerra mondiale, uno dei metalli strategicamente più importanti (v. anche aeroplano: Strutture aeronautiche, e metalliche, costruzioni, in questa App.) non essendo concepibile, per una nazione belligerante, la creazione e il mantenimento di una flotta aerea, senza la disponibilità e il controllo di una adeguata produzione interna di alluminio.

La produzione mondiale di alluminio è, nel suo complesso, aumentata da 3 a 4 volte nel giro di pochi anni: da circa 580 mila tonn. nel 1938, a quasi 2 milioni di tonn. nel 1943. A tale aumento hanno contribuito soprattutto S. U., Canada e Germania, in misura minore l'URSS.

Nel 1938 l'Europa, URSS esclusa, produceva il 55%, del metallo ottenuto nel mondo, l'URSS l'8%, l'Asia (Giappone) il 3,5%, l'America del Nord il 33,5%. Nel 1943, gli S. U. e il Canada hanno ottenuto, insieme, circa il 70% della produzione mondiale. Gli S. U. hanno prodotto durante tale anno circa 834 mila tonn. di alluminio primario e ne hanno consumato 795 mila, cifre che rappresentano un primato assoluto. Ha contribuito in modo decisivo a un così forte e rapido aumento della produzione il governo degli S. U., che ha destinato durante la guerra ingenti capitali alla costruzione di nuovi capaci impianti per l'allumina e l'alluminio, affidati temporaneamente in esercizio alla Aluminium Company of America (Alcoa).

Dal 1945 al 1947, gli stabilimenti statali sono stati in parte smantellati o destinati ad altre attività, in parte ceduti all'industria privata. La potenzialità annua degli impianti per la produzione di allumina è rimasta invariata rispetto al periodo bellico (circa 2,2 milioni di tonn.), mentre è stata ridotta al 67% quella degli stabilimenti per la produzione del metallo. L'Alcoa controlla stabilimenti per la produzione dell'allumina con una potenzialità pari al 44% di quella complessiva nazionale e impianti per la produzione del metallo con una capacità pari al 55%, di quella globale; gli altri stabilimenti per la produzione del metallo sono divisi fra la Reynold's Metals Co. (29%) e il gruppo Kaiser (16%). Il minerale (bauxite) occorrente all'industria statunitense dell'alluminio proviene in gran parte dalle Guiane e in minore misura dai giacimenti nazionali dell'Arkansas, che sono stati intensamente sfruttati durante la guerra.

Per la scarsezza di acciaio, di altri metalli e di materiali diversi la domanda di alluminio è aumentata negli S. U., durante il 1946; infatti l'impiego di questo metallo in America non soltanto si è generalizzato nella costruzione di apparecchi e cavi elettrici, di parti staccate per l'industria automobilistica e aeronautica, di materiale rotabile ferrotranviario e di utensili domestici, ma si sta estendendo anche nell'edilizia, nella produzione di materiali diversi per la costruzione di case prefabbricate, nella costruzione di ponti metallici, ecc. Per mettere il mercato in condizioni di poter fronteggiare una domanda superiore alle previsioni, il governo americano ha dovuto quindi disporre la vendita di una parte delle notevoli scorte statali e la produzione, che era scesa a 377 mila tonn. nel 1946, è stata aumentata del 52% (o nel 1947 (570.000 t.). Gli esperti stimano tuttavia che per soddisfare le esigenze di vecchi e nuovi consumatori, essa debba essere ulteriormente incrementata, fino a stabilizzarsi intorno alle 650 mila t. annue.

Incoraggiata da fattori ambientali eccezionalmente favorevoli nei riguardi dei costi, l'industria dell'alluminio si è sviluppata rapidamente anche nel Canada, pur essendo tale paese praticamente sprovvisto di giacimenti di bauxite. La potenzialità degli impianti canadesi supera le 400 mila tonn. annue ed è stata in buona misura utilizzata durante il 1947. Il consumo interno canadese di metallo è limitato, ciò che consente di destinare gran parte dell'alluminio prodotto all'esportazione.

Fra i produttori europei, l'Inghilterra, che non dispone di giacimenti di bauxite né di energia elettrica in larga misura e a basso costo, ha convenienza a limitare la propria produzione di alluminio primario a circa 30 mila tonn. annue e a sviluppare le seconde lavorazioni con metallo d'importazione. Il consumo inglese oscilla intorno a 150 mila tonn. annue ed è coperto con l'importazione di alluminio dal Canada. La Francia è riuscita ad aumentare notevolmente la sua produzione prebellica (45 mila tonn. nel 1938), raggiungendo nel 1947 circa 76 mila tonn. Gli stabilimenti francesi, che hanno a disposizione grandi giacimenti di ottima bauxite, potrebbero raggiungere una produzione annua di 100 mila tonn., se non difettassero d'energia elettrica particolarmente nel periodo invernale. In Germania parte dell'attrezzatura produttiva è stata danneggiata e asportata e fino al 1947 le autorità militari che controllano le regioni occidentali hanno vietato la riattivazione dell'industria dell'alluminio, fornendo metallo estero per il consumo interno. Il divieto di produzione è stato revocato nella seconda metà del 1947 e le fabbriche tedesche si accingono ora a sviluppare la produzione nei limiti consentiti dalla disponibilità di minerali e di energia elettrica. La Svizzera ha incontrato nel 1945-46 qualche difficoltà negli approvvigionamenti di allumina e di minerali, mentre l'Ungheria, la Svezia e la Norvegia hanno aumentato la loro produzione del metallo rispetto alla cifra prebellica.

In Asia, mentre la produzione giapponese è ridotta al minimo, l'URSS sta sviluppando la propria al di là degli Urali, dove sono stati individuati e posti in sfruttamento importanti giacimenti di bauxite. L'Aluminium Company of Canada ha esteso frattanto la sua attività in India, contribuendo ad aumentare tanto la produzione di minerale quanto quella di metallo di questo paese.

L'Italia, dopo aver raggiunto nel 1941 un primato di produzione con circa 48 mila tonn., è stata costretta nel dopoguerra a limitare l'attività dei suoi stabilimenti a causa della scarsa disponibilità di energia e di contingenti difficoltà nell'approvvigionamento dei minerali. Le miniere istriane di bauxite, situate in posizione favorevole nei riguardi degli impianti italiani che producono l'allumina (Porto Marghera), sono passate nelle mani della Iugoslavia, costringendo una parte dell'industria ad attingere ai più lontani e meno agevoli giacimenti del Gargano. La produzione di alluminio ha toccato circa 10 mila tonn. nel 1946 e circa 23 mila nel 1947. La fornitura di minerali dalle vicine miniere istriane e le maggiori disponibilità di energia elettrica dovrebbero consentire di normalizzare la produzione di metallo entro il 1948.

I prezzi mondiali dell'alluminio sono stati regolati dal 1926 al 1939 dal cartello internazionale dell'alluminio, trasformatosi nel 1931 nell'Aluminium Alliance Corp. Al cartello partecipavano i principali produttori mondiali, eccetto la Russia. Durante tale periodo le quotazioni del metallo sono state mantenute a un livello sensibilmente più alto di quello che esse avrebbero avuto in regime di concorrenza internazionale. La seconda Guerra mondiale ha determinato lo scioglimento del cartello e il mercato mondiale di questo dopoguerra è praticamente dominato dai produttori nordamericani e in particolar modo da quelli canadesi, che realizzano i costi più favorevoli.

Negli S.U. la quotazione dell'alluminio primario in pani è scesa, da 20 cents la libbra nel 1938, ai 15 cents attuali. In Inghilterra, dove i prezzi della produzione locale sono influenzati da sussidî statali, la quotazione dell'alluminio di prima fusione 99% è scesa, da Lst. 110 nel 1939, a Lst. 82 e 10 scellini nel gennaio 1948. In Italia, invece, il prezzo ufficiale dell'alluminio in pani di prima fusione è passato, da circa L. 10 il kg. nel 1939, a L. 300 alla fine del 1947. I costi di produzione italiani sono influenzati dalla svalutazione della moneta, dalla limitata utilizzazione degli impianti e da altri fattori contingenti. In tempi normali essi erano fra i più bassi, grazie ai perfezionamenti dei processi produttivi introdotti dai nostri tecnici che, fra l'altro, hanno consentito di ridurre notevolmente il consumo di carbone.

Bibl.: F. C. Frary, The electrolytic refining of aluminium, in Trans. Amer. electrochem. Soc., XLVII (1925), p. 275; H. Bohner, Die neuzeitlichen hüttenmännischen Verfahren zur Erhöhung des Reinheitsgrades von Aluminum, deren technische Bedeutung und Auswirkung, in Metall. u. Erz., XXX (1933), p. 334; R. Gadeau, Étude sur la fabrication, les propriétés et les emplois de l'aluminium raffiné, in Rev. Métallurg., XXXII (1935), p. 503; A.v. Zeerleder, Die Entwicklung der Aluminium Raffination, in C. R. Congr. int. Appl. électrocalor. électrochim., Scheveningen 1936, p. 127; A. Feldmann, Die physikalische Eigenschaften von Aluminium hohen Reinheitsgrades, in Aluminium XX (1938), p. 73; K. Siedentoff, Aluminium Raffination, in Aluminium, XX (1938), p. 71; A. v. Zeerleder e E. Zurbrügg, La produzione di Raffinal (alluminio purissimo) e le sue applicazioni nella industria chimica, in Atti X Congr. int. Chim., 1938; A.E. van Arkel, in Reine Metalle; Herstellung, Eigenschaften, Verwendung, Berlino 1939; C. Panseri, in L'alluminio e le sue leghe: vol. I, Metallurgia e metallografia, tomo I, Metallurgia e teoria delle leghe, Milano 1945; J. B. De Mille, in Strategic Minerals, New York 1947.