+ All Categories
Home > Documents > Notite Curs Procedee de Elaborare Si Turnare Ale Aliajelord

Notite Curs Procedee de Elaborare Si Turnare Ale Aliajelord

Date post: 08-Mar-2016
Category:
Upload: shalo69
View: 254 times
Download: 2 times
Share this document with a friend
Description:
1. NOŢIUNI GENERALE ASUPRA PRINCIPALELOR MATERIALE METALICE PRELUCRABILE PRIN TURNARE2. PROCEDEE DE ELABORARE ALE FONTELOR3. PROCEDEE DE ELABORARE ALE OTELURILOR4. PROCEDEE DE ELABORARE ALE ALIAJELOR NEFEROASE5. OBTINEREA PIESELOR PRIN TURNARE6.TURNAREA IN FORME TEMPORARE DIN AMESTEC DE FORMARE7. TURNAREA IN FORME-COJi8. TURNAREA GRAVITAŢIONALA ÎN FORME PERMANENTE (ÎN COCHILE)9. TURNAREA CONTINUA10. TURNAREA CENTRIFUGALA11. TURNAREA SUB PRESIUNE 12. TURNAREA IN FORME PIERDUTE COMBINATE

of 128

Transcript

Procedee de elaborare si turnare

Conf.dr.ing. Viorel DANProcedee de elaborare si turnare ale aliajelor notite de curs

PARTEA a- I - a

PROCEDEE DE ELABORARE

ALE

ALIAJELOR

1. NOIUNI GENERALE ASUPRA PRINCIPALELOR MATERIALE METALICE PRELUCRABILE PRIN TURNARE

Alegerea materialului metalic din care se toarn piesa se face n funcie de condiiile de mediu i solicitrile la care lucreaz piesa.

n continuare sunt prezentate principalele caracteristici ale aliajelor de turntorie.

1.1 Aliaje feroase prelucrabile prin turnare

1.1.1. Fonte de turntorie

Fontele utilizate n industrie pentru turnarea pieselor pot fi clasificate dup trei criterii mai importante:

(a) - poziia fa de eutectic;

(b) - cantitatea de grafit;

(c).-.forma grafitului.

(a) - Poziia fa de eutectic este dat de gradul de saturaie n carbon : Sc= Ct / Cc

n care :Ct - coninutul de carbon total al fontei determinat pe cale chimic;

Cc - coninutul de carbon eutectic (corespunde punctului C din

diagrama de echilibru Fe-C).

Valoarea lui Cc este influenat de compoziia fontei: Cc = 4,3 0,3 (Si + P) + 0,03 Mn 0,4 S. n funcie de valorile lui Sc fontele de turntorie pot fi

hipoeutectice, Sc 1,0.

(b) - Cantitatea de grafit

Carbonul se poate gsi n font sub form de: carbon legat chimic cementita (Cleg ); carbon liber, nelegat grafit (Cgr ); carbon dizolvat n soluie solid (austenit i ferit) (Csol ).

Carbonul total este Ct = Cleg + Cgr + Csol .

Funcie de valorile lui Cleg i Cgr ntlnim:

fonte cenuii (Fc) la care Cgr >0; 0 C leg Cs , n care Cs este carbonul corespunztor punctului (S) din diagrama Fe-C, respectiv carbonul din perlit;

fonte pestrie (Fp), la care Cs < Cleg < Ct , iar Cgr >0; fonte albe (F a ), la care Cleg = Ct , iar Cgr =0.

(c) Forma grafitului.

Funcie de gradul de compactitate, respectiv raportul dintre suprafa i volum, ntlnim mai multe forme de grafit, (tabelul 1.1).

Dup forma grafitului, fontele cenuii sau pestrie pot fi mprite n: fonte cenuii cu grafit lamelar; fonte modificate cu grafit lamelar modificat, cu grafit nodular i vermicular; fonte maleabile (cu grafit n cuiburi).

Fonte cenuii cu grafit lamelar nemodificate. Fonta cenuie este cel mai ieftin aliaj de turntorie i n plus are proprieti foarte bune de turnare.

Particulariti structurale. Structura primar se formeaz cu participarea direct a fazei lichide, deci la nceperea solidificrii fontei. La fontele hipoeutectice, nti apar dendrite primare de austenit, apoi celule eutectice care cuprind austenit i grafit sub forma unor agregate policristaline, de form apropiat de cea sferic.

Tabelul 1.1 - Caracteristicile principalelor forme de grafitTipul grafituluiAspectul grafituluil/g'

Lamelar> 50

Lamelar modificat3070

Vermicular102

n cuiburi1,52

Nodular1,0

l lungimea; g' grosimea

La fontele cenuii din domeniul eutectic (Sc = 1,0), structura primar va fi constituit numai din celule eutectice iar la cele hipereutectice, apare nti grafitul i apoi celulele eutectice.

Ultimele cantiti de aliaj lichid conin mult fosfor i se vor solidifica sub form de eutectic fosforos cu temperatura de solidificare de 953C.

Structura celulelor eutectice, funcie de viteza de rcire este prezentat n figura 1.1.

Figura 1.1 - Structura celulelor eutectice, funcie de viteza de rcire (VR),(VR1 n ncrctura solid.

Reaciile de oxidare sunt exoterme i de aceea gradul de oxidare a elementelor nsoitoare crete cu scderea temperaturii din incinta agregatului. Oxidarea elementelor nsoitoare din baia metalic se produce n ordinea afinitii lor pentru oxigen care este Si, Mn, P i C.

Oxidarea siliciului sau desilicierea. Siliciul se oxideaz primul la SiO2 iar acesta cnd ajunge n zgur se combin cu FeO i MnO formnd silicai de fier i mangan ((FeO)xSiO2), ((MnO)xSiO2). n procedeul basic silicaii menionai reacioneaz cu CaO folosit ca fondant, rezultnd silicatul de calciu, ce trece n zgur, i regenernd oxidul de fier. Oxidul de fier regenerat i reia funcia oxidant.

Oxidarea manganului. Manganul se oxideaz mai intens prin creterea cantitii de oxid de fier din zgur i scderea temperaturii. Oxidul de mangan format trece n zgur.

Oxidarea fosforului sau defosforarea. Fosforul este adus n agregat de ncrctura metalic, n care se gsete sub form de fosfuri (Fe3P, Fe2P). Prezena sa n oel determin fragilitatea acestuia la rece. Oxidarea fosforului, numit i defosforarea, se desfoar cu formare de fosfat de fier, ce este instabil la temperatur ridicat, i se disociaz regenernd fosforul n baia metalic. Pentru evitarea regenerrii fosforului, se introduce ca fondant CaO (se lucreaz cu zgur bazic) care formeaz fosfai de calciu stabili ce se acumuleaz n zon i elibereaz oxidul de fier. Deci defosforarea este posibil numai la procedeul bazic i la temperaturi sczute.

Oxidarea carbonului sau decarburarea. Oxidarea carbonului, este foarte important pentru elaborare, deoarece determin durata arjei i productivitatea instalaiei. Carbonul este oxidat n baia metalic cu oxigen i FeO, conform reaciilor:

2[C] + [O2] 2{CO} (3.6)[C] + [FeO] [Fe] + {CO} (3.7)

Oxidul de carbon prsete baia metalic sub form de bule, care produc agitarea acesteia, motiv pentru care perioada de decarburare se mai numete i fierbere. Oxigenul necesar decarburrii, n perioada de fierbere este asigurat prin adaos de hematit sau prin insuflarea n agregat a oxigenului sub presiune. Oxidarea carbonului cu oxigen este intens i scurteaz durata arjei, contribuind la creterea productivitii agregatului.

Desulfurarea. n oeluri sulful se gsete sub form de sulfur de fier (FeS) i prezena sa n oel determin fragilitatea acestuia la rou. Procesul desulfurrii se efectueaz cu mangan, care are o afinitate mai mare pentru sulf dect fierul i conduce la formarea sulfurii de mangan. Sulfura de mangan este insolubil i se acumuleaz n zgur, process intensificat de zgurile bazice (bogate n CaO), creterea procentului de Mn i a temperaturii. Desulfurarea este maxim dup fierbere, cnd baia metalic are cea mai mare temperatur.

Dezoxidarea oelului. Dup oxidarea elementelor nsoitoare i a carbonului, oelul lichid conine oxigen n stare dizolvat. Prezena sa n oelul solidificat provoac fragilitatea acestuia la rou. Eliminarea sa dinbaia metalic se numete dezoxidare i se poate face prin precipitare sau difuzie. Dezoxidarea prin precipitare const n legarea oxigenului de un element (D) cu afinitate mare pentru el, dup reacia:

[D] + [O] [DO] (3.8)[DO] (DO) (3.9)

Oxidul format trece n zgur. Masa sa crete odat cu creterea cantitii de element dezoxidant i scderea temperaturii. Elementele dezoxidante folosite sunt Ca, Al, Zr, Ti, Si i Mn. Ele se folosesc sub form simpl (FeMn, FeSi, CaSi, MnSi, Al) sau complex (MnSiAl, CaSiAl). Introducerea dezoxidanilor n agregat se face n ordinea crescnd a afinitii lor fa de oxigen.

La elaborarea oelului, indiferent de materia prim utilizat, pentru ca oelul s fie lichid este necesar o surs de cldur, care s asigure agregatului de elaborare o temperatur mai mare de 1873 K (1600 0 C).

Din acest punct de vedere procedeele de elaborare se mpart n:

(1) Procedee la care cldura este adus din exterior unde cldura necesar este obinut prin transformarea energiei electrice cuptoare electrice cu arc sau cuptoare electrice cu inducie. La aceste cuptoare ncrctura este de regul solid, format in principal din fier vechi, dar se poate folosi i font care poate fi i lichid. Procesele de afinare au loc cu ajutorul minereului de fier i/sau oxigen tehnic.

(2) Procedee la care cldura este dat de procesele de afinare. Oxidarea elementelor nsoitoare (siliciu, mangan, fosfor) ca i oxidarea fierului i a carbonului, este un proces exoterm. Pentru ca aceast cldur s poat asigura o temperatur de peste 1873 K, este necesar ca ncrctura s fie preponderent lichid i s conin elementele nsoitoare n cantitate mare. Aceste condiii se realizeaz cnd se lucreaz cu font lichid (sau cu proporie mare de font lichid) iar afinarea se face cu oxigen gazos. Procesul se numete afinare prin convertizare (cuptoare cu oxigen prin procedeul basic sau acid)..3.1. Elaborarea oelului n cuptorul electric cu arc.

Aproape ntreaga cantitate de oel destinat turnrii pieselor se elaboreaz n prezent n cuptoare electrice cu arc i numai o mic parte n cuptoare Martin sau n cuptoare cu inducie.

Avantajele cuptoarelor electrice cu arc sunt multiple:

sunt agregate simple, cu funcionare discontinu;

asigur obinerea unor caliti superioare de oeluri;

permite folosirea dezoxidrii prin difuziune;

durat de elaborare sczut.

Principalul dezavantaj const n necesitatea unei ncrcturi curate. Din punct de vedere fizic, elaborarea oelului n cuptoare cu vatr (electrice sau Martin) poate fi mprit n dou etape:

topirea oelului;

supranclzirea lui n stare lichid.

Principalele procese metalurgice care au loc n perioada de topire sunt adsorbia gazelor din atmosfer, oxidarea elementelor, formarea zgurei, iar n perioada de supranclzire: oxidarea carbonului (fierberea), dezoxidarea, desulfurarea, alierea i adsorbia gazelor.

La oelurile aliate, supranclzirea urmrete dizolvarea i eliminarea oxizilor i nitrurilor, fiind cu att mai mare durata cu ct gradul de aliere este mai mare.

Perioada de topire a ncrcturii reprezint de obicei 30-65% din durata ntregii arje i consum 60-70% din totalul de energie electric i termic.

Asupra duratei de topire i supranclzire influeneaz mai muli factori:

compoziia i proprietile ncrcturii;

parametrii constructivi ai cuptoarelor;

regimul electric i termic de elaborare.

Folosirea arcului electric pentru elaborarea oelului a fost posibil numai atunci cnd s-a putut produce energie electric mult i la un pre convenabil.

n oelrii se folosesc cuptoare electrice cu arc direct, care funcioneaz cu curent trifazat. Capacitatea cuptoarelor electrice cu arc variaz ntre 500 kg i 400 t

Cele mai des ntlnite fiind cuptoarele de 50 i de 100 t).

Schema de funcionare a unui cuptor electric cu arc.

Cuptorul electric cu arc funcioneaz cu curent trifazat avnd pentru fiecare faz cte un electrod.

Cuptorul propriu zis( figura 3.1) este formatdin: 1-cuv, din tabl de oel cptuit cu material refractar; 2- bolt detaabil prevzut cu trei orificii prin care trec cei trei elctrozi-6, susinui de capetele de prindere -7, care au rolul i de contact electric. Cuva are o deschidere pentru ua de lucru-5 i una pentru orificiu i jgheabul de evacuare a oelului i zgurii -4. Arcul electric se formeaz ntre electrozi i baia metalic-3.

Cuptorul poate fi basculat n timpul elaborrii cu ajutorul unei instalaii electrohidraulice-8, spre ua de lucru cu 150 pentru evacuarea zgurii si cu 45-500 spre jgheabul de evacuare.

Puterea transformatorului se alege funcie de capacitatea cuptorului i de energia electric necesar pentru topirea ncrcturii metalice.

(3.10)

n care: Pt este puterea transformatorului, n kVA;

cos este factorul de putere;

tt timpul de topire, n ore;

P este capacitatea cuptorului, n tone;

q, este cldura consumat de reaciile endoterme, n kWh.

Transformatorul este folosit la puterea maxim numai n perioada de topire. De aceea se alege puterea astfel nct sa se poat lucra cu un factor de putere de 0,8 (130-200 kWh/t capacitate).

In cursul funcionrii, arcurile se ntrerup des, mai ales n timpul topirii, datorit fie scurtcircuitrii electrozilor prin bucile de fier vechi , fie creterii rezistenei ntre electrozi prin ptrunderea unor materiale neconductoare (var, minereu etc.). Aceste ntreruperi duc la mari ocuri de curent care fac ca electrozii s fie sltai din ncrctur. De aceea, cuptorul este prevzut cu instalaie de reglare automat a poziiei electrozilor.

Cuva cuptorului se cptuete cu magnezit (cuptor bazic) sau cu silica (cuptor acid).

Electrozii sunt din grafit sau crbune grafitizat.

3.1.1.Elaborarea oelului n cuptorul electric cu arc cu cptueal bazic.

Acesta este cel mai des folosit procedeu de elaborarea oelurilor (95% din oelul produs n cuptoare electrice).

La aceste cuptoare cuva la vatr este cptuit cu magnezit i la perei cu magnezit sau dolomit, iar bolta din cromo-magnezit.

Elaborarea unei arje de oel presupune mai multe etape: ncrcarea, topirea, afinarea, dezoxidarea i desulfurarea, corecia compoziiei chimice sau alierea, evacuarea.

Datorit condiiilor mai slab oxidante, la cuptorul electric, ncrctura nu trebuie s conin elemente care consum oxigen, ca: siliciu, fosfor etc. Din acest motiv, ncrctura se compune n special din fier vechi i eventual cantiti mici de font (pn la 20% dac nu conine fosfor, iar dac conine deloc).

Pentru formarea zgurii la topire se folosete var proaspt ars, cu granulaia de 25-75 mm.

Incarcarea. La cuptorul electric este important modul de aranjare a ncrcturii n cuv, deoarece trebuie asigurat amorsarea rapid a arcului electric.

Pe vatr se aeaz materialul mrunt i greu pentru protejarea zidriei refractare mpotriva loviturilor produse la ncrcarea bucilor mari i mpotriva aciunii arcului electric n perioada de topire. Peste acesta, se ncarc bucile mari n mijloc, ntre electrozi, astfel nct s nu se deplaseze deoarece pot provoca scurtcircuitri sau ruperea electrozilor. Aceste deranjamente conduc la opriri frecvente deci la prelungirea duratei arjei.

In mijlocul ncrcturii n zona de sub electrozi se aeaz carburantul care poate fi cocs sau sprturi de electrozi.

Pentru a asigura o ct mai bun compactitate a ncrcturii ntre bucile mari se ncarc materialul mrunt. Peste acesta se introduce fierul vechi mijlociu i apoi restul de fier mrunt i uor.

Sub fiecare electrod, pentru a favoriza formarea arcului electric, se recomand aezarea unor buci de cocs sau sprturi de electrozi.

Carburantul se introduce n mijlocul ncrcturii n zona sub electrozi, iar minereul (n proporie de 1,0-1,5%) i varul se aeaz n straturi astfel nct s nu mpiedice formarea i meninerea arcurilor electrice.

Cel mai frecvent ncrcarea se face cu ben (co). Bena are fundul format din segmente ca n figura 3.2. Bena se ncarc n depozit, se aduce deasupra cuvei cuptorului, se coboar n cuv pn aproape de vatr, se deschid segmenii i ncrctura cade n cuptor.

Durata de ncrcare este de cel mult 5 minute. Este preferabil s se ncarce cuptorul cu o singur ben pentru a nu lungi durata unei arje de oel.

nclzirea i topirea.

Pentru nceperea topirii se coboar electrozii pn deasupra ncrcturii i se conecteaz cuptorul la reea de alimentare cu energie electric. Pornirea se face cu tensiune redus (arc scurt). Se regleaz la nceput manual pn se sigur stabilitatea arcurilor electrice i apoi automat. Dup ce electrozii au ptruns n ncrctur se trece pe treapta maxim de tensiune, ceea ce permite utilizarea ntregii puteri a transformatorului.

n timpul topirii reaciile de oxidare depind de cantitatea de oxigen disponibil. Adausurile de oxidani depind de gradul de oxidare dorit, n primul rnd pentru carbon.

Topirea se poate face cu oxidare complet, cu oxidare parial sau fr oxidare. Metoda de topire se alege n funcie de calitatea ncrcturii i mai ales de marca de oel care se elaboreaz.

Metoda de topire cu oxidare complet, se folosete cnd fierul vechi este de calitate inferioar ruginit, uor, cu mult fosfor ns nu mai mult de 0,08 %). Oxigenul din rugina fierului vechi i din atmosfera cuptorului, este suficient pentru a oxida complet, pn la sfritul topirii, siliciul, vanadiul i titanul i pn la 75% manganul. Carbonul se oxideaz puin 5-10% din carbonul iniial. Pentru oxidarea avansat a carbonului (mai ales cnd se lucreaz cu adaos de font) se introduce n ncrctur oxidani n cantiti calculate astfel nct [C]t 0,10%, iar [P]t~0,01%.

Adausurile de var pot ajunge pn la 6%.La sfritul topirii zgura bazic oxidant, bogat n P2O5 i MnO se ndeprteaz (fr a ntrerupe curentul electric) prin bascularea n fa a cuptorului.

Metoda de topire cu oxidare parial, este cea mai rspndit pentru elaborarea oelurilor de calitate, cnd fierul vechi este bun (neoxidat i cu fosfor sub 0,04%).

Cantitile de materiale se calculeaz astfel, nct la topire carbonul s fie cu 0,3-0,6% mai mare dect cel necesar la sfritul afinrii, pentru oelurile de construcii i cu 0,3-0,4% pentru oelurile nealiate de scule. n aceste condiii, siliciul, vanadiul i titanul se oxideaz complet, manganul pn la 50%, iar fosforul scade la 0,02%.

Cnd se adaug minereu, zgura fiind mai activ, pierderile de Mn, Cr, W pot ajunge la 70%. Iar fosforul scade sub 0,02%, dac se adaug var (2-4%) n craterele electrozilor. Pentru fluidificarea zgurii se adaug periodic bauxit sau fluorin.

Metoda de topire fr oxidare se folosete la elaborarea oelurilor bogat aliate, din deeuri neoxidate, cu coninuturi ridicate de elemente de aliere care trebuie recuperate (deeuri de oeluri rapide, inoxidabile, rulmeni etc.) la aceast metod topirea trebuie s se fac repede (transformator puternic). n timpul topirii se limiteaz ptrunderea aerului n cuptor, se mprtie cocs mrunt peste ncrctur pentru a micora oxidarea. n aceste condiii siliciul se oxideaz complet, iar restul elementelor rmn n cea mai mare parte n topitur.

Zgura nu se ndeprteaz din cuptor deoarece conine elemente de aliere.

Gradul de oxidare al fierului, n timpul topirii, depinde de metoda de lucru i de durata topirii. Pentru ca topirea s dureze puin i baia metalic rezultat s fie cald, trebuie: s se foloseasc ncrctur bun, n greutate de 100-125% din capacitatea nominal a cuptorului, s se evite ntreruperea funcionrii cuptorului (deci ncrcare cu o singur ben).

Durata topirii este, n general, de 60-180 de minute, funcie de mrimea cuptorului.

Afinarea. Cnd topirea se face dup metoda cu oxidare parial sau total, la sfritul topirii se controleaz compoziia bii metalice, se evacueaz toat zgura la topirea cu oxidare complet i circa jumtate din zgur la topirea cu oxidare parial, pentru a ndeprta oxizii de fosfor i siliciu formai n timpul topirii, apoi se adaug minereu sau se sufl oxigen, pentru oxidarea carbonului (decarburarea). n paralel cu oxidarea carbonului are loc i oxidarea elementelor nsoitoare (siliciu, mangan fosfor) precum i a unor elemente de aliere cu afinitate mare fa de oxigen (crom, vanadiu, titan). n acest timp se micoreaz tensiunea pentru a se lucra cu arc scurt i gros.

Procesele de afinare.Ordinea n care se oxideaz elementele din baia metalic este dat de afinitatea lor fa de oxigen comparativ cu cea a fierului. Chiar dac afinitatea fa de oxigen a fierului este mai mic dect a multor elemente din baia metalic, procesele de oxidare au loc prin intermediul FeO deoarece indiferent de modul de alimentare a bii metalice cu oxigen, primul element din baie care se oxideaz este fierul, n conformitate cu legea aciunii maselor, deoarece se afl n proporia cea mai mare, n conformitate cu legea aciunii maselor.

Astfel, ordinea de oxidare este:

[Si] + 2[FeO] = (SiO2) + 2[Fe]; H0 = - 10 316 KJ/kg O2 (3.11)

[Mn] + [FeO] = (MnO) + [Fe];

H0 = - 8 435 KJ/kg O2 (3.12)

2[Fe2P] + 5[FeO] = (P2O5) + 9[Fe]; H0 = - 2 499 KJ/kg O2 (3.13)

[C] + [FeO] = {CO}+ [Fe];

H0 = - 1 283 KJ/kg O2 (3.14)

Oxidarea carbonului (decarburarea) i degajarea de CO provoac agitarea bii metalice, fierbere i favorizeaz mrirea suprafeei de contact dintre zgur i baie metalic, se asigur omogenizarea temperaturii i compoziiei bii metalice, se elimin o bun parte din gazele din oel (hidrogen i azot) i dintre incluziunile existente n oel.

La fierberea cu minereu se realizeaz viteze de decarburare de ordinul a 0,36-0,48% C/h (la nceputul fierberii cnd coninutul de carbon i de oxigen este relativ mare chiar 0,5-0,7% C/h), iar cnd se folosete oxigen se obin valori de 3..5 ori mai mari (1,8-2,4%C/h). Aceast perioad se numete fierbere intens. Dup ncetarea introducerii de oxidani n cuptor fierberea continu dar cu viteze mai mici (0,12-0,27 % C/h) pn la atingerea echilibrului ntre carbon i oxigen la temperatura de lucru. Aceast perioad se numete fierbere linitit.

La temperaturi ridicate se pot produce i reacii endoterme, reacii care au rol secundar, dar care sunt posibile i care conduc la regenerarea elementelor uneori nedorite (fosfor) din zgur:

5[C] + ([P2O5]) = 5{CO}+2 [P];

H0 = 11 495 KJ/kg O2 (3.15)

[C] + ([MnO]) = 5{CO}+2 [Mn];

H0 = 16 460 KJ/kg O2 (3.16)

2[C] + ([SiO2]) = 2{CO}+2 [Si];

H0 = 19 913KJ/kg O2 (3.17)

n condiiile de elaborare a oelului, cnd temperatura crete, spre sfritul afinrii, reaciile secundare se intensific, astfel nct, o parte din elementele nsoitoare, care au fost ndeprtate prin oxidare, revin n baie, ca urmare a intensificrii reaciile secundare. Aceast revenire se numete proces de regenerare.

Regenerarea poate avea loc n principiu, la siliciu, mangan, fosfor. Regenerarea siliciului practic este imposibil deoarece silicea un oxid puternic acid formeaz silicai cu oxizii bazici din zgur (FeO, CaO, MgO) care blocheaz sicea n zgur. Cea mai periculoas ar fi regenerarea fosforului care ns nu este posibil sub zgur bazic, deoarece pentaoxidul de fosfor fiind acid formeaz cu oxidul de calciu fosfai de forma ((CaO)n P2O5), care leag fosforul n zgur mpiedicnd revenirea lui n baia metalic. Cu ct zgura este mai bazic cu att n are o valoare mai mare (n poate lua valori de la 1 la 4).

La carbon nu este posibil regenerarea, deoarece CO prsete baia metalic, deci procesul nu poate fi reversibil. Prin urmare, reacia de oxidare a carbonului se produce teoretic pn la consumarea complet a carbonului din baia metalic. Dar oelurile sunt aliaje fier carbon iar unele dintre ele au coninuturi ridicate de carbon, procesul de decarburare se oprete la coninutul dorit. De aceea, momentul la care se ntrerupe (se frneaz) reacia de oxidare a carbonului se numete punct de oprire.

ndeprtarea gazelor din baia metalic inclusiv a oxigenului , depinde de viteza de decarburare, de cantitatea de carbon oxidat i de coninutul de gaze din oel. La cuptorul electric cu arc exist pericolul s creasc coninutul de azot din baia metalic, deoarece sub aciunea arcului electric, moleculele de azot se disociaz n atomi, iar atomii ionizai n arc se dizolv uor n baie. Pentru a nu crete coninutul de azot se recomand ca perioada de afinare s nu depeasc in total 55-60 minute, din care 35-45 min. s fie fierbere intens.

Dezoxidarea. La procedeul de elaborare a oelului n cuptor electric cu arc bazic dezoxidarea se realizeaz n trei etape: predezoxidare prin precipitare,dezoxidare prin difuziune i dezoxidarea final prin precipitare.

nainte de a ncepe dezoxidarea se evacueaz parial sau total zgura de afinare dac aceasta nu conine elemente de aliere care trebuie recuperate i se formeaz o nou zgur.

Predezoxidarea se realizeaz prin adugarea FeMn (calculat pentru limita inferioar a manganului prescris) i FeSi (calculat pentru 0,03-0,07%Si) pe zgura de la afinare dac aceasta nu a fost evacuat n totalitate din cuptor. Se mai poate aduga i aluminiu (circa 0,15 kg/t).

Dezoxidarea prin difuziune. n cuptorul electric cu arc se poate forma zgur dezoxidant (fr FeO sau cu foarte puin), deoarece atmosfera n cuptor este reductoare. Zgura dezoxidant se poate forma din zgura de afinare, dac nu conine P2O5, prin adaos de cocs i var pe zgur sau se formeaz o nou zgur din var, fluorin i cocs dac trebuie evacuat zgura de afinare. n loc de cocs se pot folosi: deeuri de electrozi sau carbid, ferosiliciu cu 75% siliciu sau silico-calciu praf i granule sau strunjituri de aluminiu.

Funcie de gradul de dezoxidare dorit i de marca de oel se pot folosi dou feluri de zguri dezoxidante: zgur alb i zgur carbidic.

Zgura alb se formeaz din amestec de var, praf de cocs i fluorin n proporie de 5:3:1. Dac oelul conine sub 0,25% C sau oprirea afinrii s-a fcut la un coninut mai mare de carbon, jumtate din cocs se poate nlocui cu praf de ferosiliciu. n zgur sub aciunea arcurilor electrice se produce reacia:

3 Ccocs + (CaO) (CaC2) + {CO}

(3.18)

Carbura de calciu reacioneaz cu FeO care iese din baie n zgur prin difuziune conform legii repartiiei, dup reacia:

(3.19)

In funcie de coninutul de CaC2 zgura dezoxidant poate fi zgur alb cu 0,5-1% CaC2 i zgur carbidic cu 1-1,5% CaC2 .

Zgura alb se aplic la dezoxidarea oelurilor cu coninut mediu i sczut de carbon. Durata dezoxidrii cu zgur alb este n medie de 40-50 minute. Coninutul de oxigen din oel scade la 0,004-0,007% (40-70 ppm).

Zgura carbidic se aplic la dezoxidarea oelurilor cu coninut ridicat de carbon, deoarece aceast zgur carbureaz oelul cu 0,03-0,05% C/h.

Zgura carbidic are putere de dezoxidare mai mare dect zgura alb, coninutul de oxigen din oel scznd la 0,003-0,004% (30-40 ppm), dar are dezavantajul c este lipicioas datorit tensiunii superficiale mici, deci ader la oel de care se separ greu, constituind o surs de impurificare a oelului. Di aceste motive, la sfritul dezoxidrii prin difuziune 8cu 20-30 minute nainte de evacuare) zgura carbidic se transform n zgur alb, prin deschiderea uii cuptorului timp de cteva minute, cnd are loc reacia:

(3.20)micorndu-se astfel coninutul de CaC2 . Durata dezoxidrii cu zgur carbidic este de 60-90 minute.

Avantajele i dezavantajele dezoxidrii prin difuziune

Avantajele sunt:

nu impurific oelul cu produi de dezoxidare;

nu necesit dezoxidani n buci;

permite recuperarea unor elemente din zgur (de exemplu cromul).

Dezavantajele sunt:

necesit o perioad mare de timp (zeci chiar sute de minute);

nu asigur dezoxidarea complet a oelului, deci ea trebuie completat cu dezoxidarea prin precipitare.

Dezoxidarea prin precipitare. Dezoxidarea final se face n cuptor sau oala de turnare. Dezoxidanii se introduc n ordinea creterii puterii lor dezoxidante: mangan, siliciu, aluminiu. Manganul i siliciu se folosesc sub form de feroaliaje simple sau complexe, iar aluminiu ca aluminiu metalic. Manganul sub form de FeMn sau SiMn se adaug chiar n timpul dezoxidrii prin difuziune. Siliciul, sub form de FeSi75 sau SiCa se adaug cu pn la 35-45 nainte de evacuarea oelului din cuptor, la oelurile nealiate (sau naintea alierii) i trebuie s asigure 50-80% din coninutul prescris, restul se adaug n oal. Aluminiu se adaug cu 1015 min naintea evacurii. Este preferabil s se introduc toat cantitatea de Al n cuptor pentru ca produii de dezoxidare s aib timp s se elimine din oel.

Feroaliajele trebuie s se calcineze (peste 8000C) nainte de utilizare, pentru a ndeprta umiditatea i parial gazele pe care le conin.

Reacia de dezoxidare prin precipitare n forma general este:

(3.21)

sau mai simplu:

;

(3.22)

unde D este elementul dezoxidant, iar DO este oxidul elementului dezoxidant.

In figura 3.3 este prezentat relaia ntre coninutul de dezoxidani i coninutul de oxigen din oel, la temperatura de 1600 0C.

Dezoxidarea cu mangan

Manganul este cel mai slab dezoxidant. La temperatura de 1600 0C, n echilibru cu 0,5% Mn se afl 0,1% [O], mult mai mult dect este admis ntr-un oel calmat.

;

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

(3.23)

Produii de dezoxidare sunt soluii solide sau lichide, nFeO.mMnO. La concentraii mici de Mn aceste sluii sunt srace n MnO i uor fuzibile, ndeprtndu-se uor din baia metalic. Manganul este utilizat singur ca dezoxidant numai la oelurile necalmate (Si 25 % - negru-cafeniu;

FeO = 2522 % - cafeniu (nchis;

FeO = 2220 % - cafeniu deschis;

FeO = 2017 % - cafeniu deschis-g(lbui;

FeO < 17 % - g(lbui-verde.

n aceast perioad are loc regenerarea siliciului, proces care se desfoar la nceput prin intermediul carbonului iar apoi prin intermediul fierului, conform reaciilor:

(SiO2) + 2[C] = [Si] + 2{CO} (3.34)

(SiO2) + 2[Fe] = [Si] + 2{FeO} (3.35)

Procesul fiind endoterm, aceste reacii se desfoar la temperaturi ridicate (peste 1470 C).

Dac dup terminarea subperioadei de fierbere linitit nu se mai intervine cu adaosuri, datorit temperaturii ridicate are loc regenerarea siliciului pn la valori de 0,22 %, procesul numindu-se cu regenerare complet i are urmtoarele consecine:

micorarea brusc a vitezei de fierbere;

dezoxidarea avansat a oelului;

apariia unei cantiti mai reduse de incluziuni n oel, prin eliminarea ferosiliciului;

datorit reducerii vitezei de fierbere, se reduce productivitatea cuptorului.

Procesul de regenerare complet este mai complex deoarece presupune o reglare precis a temperaturii, a coninutului de carbon i siliciu. Din acest motiv n cele mai multe cazuri se utilizeaz o alt variant numit cu regenerare parial a siliciului, care presupune oprirea procesului de regenerare a siliciului la valori de 0,1012 %, prin adugare de var i o cantitate redus de minereu.

n aceste condiii viteza de decarburare crete din nou, prelungindu-se perioada de fierbere, ceea ce conduce la obinerea unui oel cu un coninut mai redus de gaze dar mai ridicat de incluziuni, datorit necesitii utilizrii ferosiliciului pentru dezoxidare.Dezoxidarea i alierea

La elaborarea oelului n cuptoare acide nu se practic dezoxidarea prin difuzie ci numai dezoxidarea prin precipitare, deoarece prin regenerarea siliciului se realizeaz deja o dezoxidare prin intermediul acestui proces.

La varianta de regenerare parial a siliciului n baia metalic se mai adaug 0,40,6 % mangan (feromangan) iar apoi se corecteaz coninutul de siliciu la cel prescris n oel. La varianta cu regenerare total se corecteaz doar compoziia chimic aducnd elementele la valorile prescrise pentru oelul respectiv.

La oelurile de calitate superioar, turnate n piese, se completeaz dezoxidarea prin adugarea de aluminiu la oal (1,8 kg/t).

Dac este cazul oelul se aliaz cu elementele necesare, conform celor prezentate la capitolul aliere, n funcie de afinitatea elementelor fa de oxigen

3.1.3 Tehnica de elaborare UHP

Puterea electric a cuptoarelor cu arc se exprim n kWh/m2 suprafa de baie sau n kWh/m3 volum de cuptor. Din acest punct de vedere cuptoarele se clasific n: cuptoare clasice, de mare putere (HP-High Power) i de foarte mare putere (UHP- Ultra High Power), aa cum rezult din tabelul 3.1.

Deoarece transformatorul este utilizat la capacitatea lui maxim numai n perioada de topire pentru ca gradul lui de utilizare s creasc (0,8), se prefer utilizarea unor transformatoare puternice care sa lucreze n regim HP sau UHP. Datorit acestei puteri mari funcionarea cuptoarelor UHP este modificat fa de cuptoarele clasice.

Tabelul 3.1 Clasificarea cuptoarelor electrice cu arcCuptoare electrice cu arcCapacitate kWh/tVolum kWh/m3Suprafa kWh/m2

Clasice130 - 200180 - 300650 - 950

De mare putere, HP220- 300320 - 420950 - 1200

De foarte mare putere, UHP330 - 500530 -12001400 - 2000

n acest caz n cuptor are loc topirea i afinarea (se lucreaz cu o singur zgur oxidant), iar dezoxidarea i alierea se fac n afara cuptorului. Pentru intensificarea proceselor, n cursul afinrii se sufl oxigen tehnic n baia metalic, realizndu-se valori ale vitezei de decarburare de pn la 2,5% C/h. Creterea puterii transformatorului presupune i modificri constructive nu numai tehnologice ale cuptorului. Astfel, se mrete rezistena mecanic a instalaiilor auxiliare, se mrete diametrul electrozilor i se mbuntete calitatea electrozilor care s admit densiti mari de curent 25A/cm2 pentru a nu mrii foarte mult diametrul electrozilor. ncrcarea se poate face cu co(ben) dac dureaz doar cteva minute sau continuu printr-o conduct de alimentare. Pentru aceasta, este necesar ca fierul vechi s fie mrunt, sau s se foloseasc fier preredus (burete de fier) sub form de pelete sau brichete. Metoda este folosit n principal pentru fabricarea oelurilor carbon sau a oelurilor aliate dac se folosete un procedeu combinat, cuptor electric i un agregat de rafinare: VOD- Vacuum Oxygen Decarburization, ASEA-SKF, CAB- Calcium Argon Blowing, VAD- vacuum Arc Degassing etc.

Aplicndu-se asemenea tehnologii crete foarte mult productivitatea cuptorului i scad consumurile specifice materiale i energetice. Astfel, durata arjei ntr-un cuptor de 150 t este de circa 2 ore, la un consum de energie electric de 510 kWH/t i un consum de electrozi de numai 3,7 kg/t oel.

3.2.Elaborarea oelurilor n cuptoare cu inducie

Cuptoarele cu inducie sunt cuptoare care funcioneaz pe principiul induciei electromagnetice. Ele se compun (figura 3.4) dintr-un creuzet (1) confecionat din material refractar, acid sau bazic, o eav de cupru (2) nfurat n jurul creuzetului, prin care trece un curent alternativ i o manta metalic (3) ce protejeaz, la exterior, construcia. Pentru a se

putea evacua aliajul lichid, dup elaborare, creuzetul este supranlat la partea superioar, formnd, pe o poriune, un jgheab.

Contactul cu exteriorul, n timpul elaborrii, este mpiedicat prin aezarea deasupra creuzetului, dup ncrcare, a unui capac, cptuit la interior cu material refractar i acionat cu ajutorul unei macarale.

eava din cupru, ce are rol de inductor, prezint la interior un orificiu prin care circul ap de rcire.

La trecerea curentului prin inductor, n jurul su, ia natere un cmp magnetic, ce induce n ncrctur, un curent electric, care o topete.Cuptorul cu inducie este un transformator al crui secundar este ncrctura metalic.

Cantitatea de cldur produs n ncrctur este:

Q = R Ii2 t cos (3.36)

Figura. 3.4 - Cuptorul cu inducie

(1 - creuzet; 2 - eav de cupru; 3 - manta

metalic; 4 - baie metalic; 5 - baterie de

condensatoare; 6 - transformator;

7 - grup racord reea)

unde: R este rezistena electric a ncrcturii;

Ii - intensitatea curentului indus; A

cos - factorul de putere;

t - timpul ct trece curentul electric; h.

Rezistena electric a ncrcturii este egal cu:

R = d / h (3.37)

unde: d este diametrul interior al creuzetului; mm

- rezistivitatea electric a ncrcturii; mm2/n

h - nlimea la care se ridic ncrctura n creuzet; mm

- adncimea de ptrundere a liniilor cmpului magnetic n ncrctur, care se calculeaz cu relaia: = 5.030 / f [cm] (3.38)

unde: este permitivitatea magnetic a materialului ncrcturii

f - frecvena curentului electric utilizat

Instalaia de alimentare a creuzetului cu curent electrice compune din: o baterie de condensare, un transformator monofazic rotativ i un modul de alimentare.

Bateria de condensatoare menine valoarea factorului de putere ct mai aproape de 1, prin micorarea defazajului dintre intensitatea i tensiunea curentului electric ce alimenteaz inductorul.Transformatorul monofazic rotativ modific parametrii curentului electric luat de la reea, n special frecvena i este format dintr-un motor asincron de antrenare, un generator sincron i

o excitatrice, toate montate pe acelai arbore vertical.

Modulul de alimentare uniformizeaz parametrii curentului electric din reeaua industrial. El alimenteaz cu curent electric motorul asincron al transformatorului i circuitele bateriei de condensatoare.

Rcirea diverselor pri ale instalaiei se face cu ap n circuit deschis.

Cuptoarele cu inducie sunt, dup capacitate, mici i mari, iar dup frecvena curentului care alimenteaz inductorul de joas, medie i nalt frecven.

Procesul tehnologic de elaborare a aliajelor n cuptorul cu inducie cuprinde urmtoarele faze: ncrcarea, topirea, alierea, degazarea evacuarea.

ncrcarea cuptorului se efectueaz pe la partea superioar.

ncrctura se compune din masa metalic, feroaliaje, fondani. Masa metalic depinde de aliajul elaborat:

pentru oeluri, ea se compune din oeluri (fier vechi) cu compoziie apropiat de cea final, deoarece n aceste cuptoare nu se poate efectua afinarea;

pentru fonte speciale, ncrctura se compune din font;

pentru aliaje neferoase, ncrctura este format din aliaje cu compoziie apropiat de cea final sau din metalele care compun aliajul, aflate n stare pur.

Topirea.

Dup ncrcare i nchiderea creuzetului, instalaia este pornit i ncepe procesul topirii.

Alierea.

La sfritul perioadei de topire a ncrcturii are loc alierea. Elementele care au afinitate mic pentru oxigen se introduc n ncrctur la nceput; cele cu afinitate mare, dup topire sau la sfritul perioadei de elaborare.

Degazarea bii metalice se realizeaz n medii neutre (argon) un anumit timp, pentru eliminarea gazelor ncorporate n baia metalic n timpul topirii.

Evacuarea.

Aliajul elaborat se evacueaz n oala de turnare i de aici n formele pregtite anterior.

Cuptorul cu inducie se folosete la elaborarea oelurilor aliate i cu destinaie special, care au coninuturi sczute de sulf, fosfor, incluziuni nemetalice i gaze, oelurilor nalt aliate, oelurilor de scule (rapide), oelurilor de rulmeni, oelurilor anticorosive, fontelor speciale (aliate) i aliajelor neferoase.

Pentru creterea puritii i mbuntirea caracteristicilor mecanice, topirea n cuptoarele cu inducie se desfoar n vid (10-3 10-4 mbar) sau n atmosfer de gaz inert.

O instalaie de topire prin inducie n vid se compune dintr-o incint racordat la un sistem de vidare cu pompe. n interiorul incintei, se afl creuzetul cu inductorul i lingotierele sau formele de turnare, ceea ce permite ca topirea i turnarea s se efectueze n vid. Acionarea creuzetului, lingotierelor sau formelor se face automat din exterior. n instalaia vidat, ncrctura se introduce n stare topit, cu ajutorul unui container trecnd printr-o ecluz, pentru meninerea etaneitii incintei. n acelai mod, se introduc i lingotierele sau formele.

3.3 Elaborarea oelului n convertizoare cu oxigen

Convertizorul cu oxigen este un agregat confecionat din tabl de oel avnd la interior o cptueal refractar bazic din magnezit sau dolomit. Construcia sa (figura 3.5) se compune dintr-o parte cilindric, o parte superioar tronconic i partea inferioar sub form de calot sferic.

Corpul convertizorului este suspendat pe doi supori prin intermediul unor fusuri fixate rigid de mantaua exterioar din tabl de oel.

Acest sistem permite bascularea convertizorului la ncrcarea prin gur i golire, printr-un orificiu lateral obturat cu o u.

n convertizoare, sursa de cldur sunt reaciile exoterme de oxidarea elementelor nsoitoare, care au loc sub aciunea oxigenului introdus n cuptor cu o anumit presiune.

Dup direcia de introducere a oxigenului n cuptor, convertizoarele sunt:

convertizoare cu oxigen cu insuflare pe sus (procedeul LD, Linz-Donawitz); convertizoare cu oxigen cu insuflare pe jos;

convertizoare cu oxigen cu insuflare lateral.

Figura 3.5 Convertizorul LD

(1 - lance; 2 - cuptor;3 reazem)

Oxigenul este adus n incinta convertizorului:

- printr-o lance introdus prin gura sa, n cazul convertizoarelor LD. Lancea este executat din trei evi concentrice. Prin eava central circul oxigenul, iar prin urmtoarele dou circul ap de rcire;

- prin orificii, practicate la partea inferioar a convertizorului;

- printr-o lance introdus prin lateral.ncrctura metalic a convertizorului depinde de tipul su:

- pentru procedeul LD, se compune din 70% font, lichid, 30% fier vechi i font solid, (2 3)% din greutatea bii fondani (var i fluorin) dezoxidani i cocs de petrol, pentru recarburare;

- pentru convertizorul cu insuflare pe jos, se compune fie din 100% font lichid i fondani, cnd au coninut mare de fosfor, fie 100% fier vechi, cnd se elaboreaz oeluri cu coninut redus de carbon (0,03 0,04)%C i fondani.

- pentru convertizoarele cu insuflare din lateral, se compune fie din 100% font lichid i fondani, fie font aliat, fier vechi, elemente de aliere i fondani.

Indiferent de tipul convertizorului, fazele procesului tehnologic de elaborare a oelului sunt: convertizorului, ncrcarea, afinarea, evacuarea, dezoxidarea alierea.

Pregtirea convertizorului pentru ncrcare const n verificarea orificiului de evacuare, care se poate nfunda cu zgur, verificarea zidriei, a instalaiei de introducere a oxigenului n convertizor etc.

ncrcarea convertizorului se realizeaz prin nclinri i reveniri repetate ale utilajului, introducnd mai nti partea solid a ncrcturii.

Afinarea. Dup ncrcare, n cazul procedeului LD, se stabilete distana dintre lance i suprafaa bii metalice. La nceput, are valori mici (100250) mm, iar reaciile de oxidare a siliciului i carbonului sunt intense i agitarea bii metalice puternic. Spre sfritul perioadei de elaborare, cnd temperatura are valoarea cea mai mare i se favorizeaz defosforarea i

desulfurarea, distana dintre lance i ncrctura este mai mare de 700 mm.

Presiunea i debitul oxigenului sunt mari la nceput ((1018) at, i (4045)Nm3/mm), iar spre sfritul perioadei de elaborare mici ((710) at i (2025)Nm3/min).

n perioada de afinare, baia metalic se alimenteaz cu var, fluorur de calciu (fluorin) i minereu pentru formarea zgurei, puternic oxidant.

Pentru stabilirea compoziiei oelului, periodic se iau probe.

Coninutul de carbon scade de la 3,5% la 0,1% n (1518) min.

Evacuarea, dezoxidarea i alierea. Cnd compoziia chimic a arjei este cea dorit, oelul se evacueaz n oala de turnare prin bascularea convertizorului. n oal se practic dezoxidarea i alierea oelului. Prima se realizeaz prin precipitare, n urma adaosului de feroaliaje n ordine bine stabilit 20% Al, cocsul pentru recarburare, feromanganul, ferosiliciul i restul de Al. Dezoxidanii se adaug n momentul cnd oala de turnare a fost umplut 1/4 din capacitatea ei.

Convertizoarele sunt folosite pentru obinerea de oeluri moi (cu coninut mic de carbon < 0,1%) nealiate i slab aliate cu crom, mangan i siliciu.

Avantajele elaborrii oelurilor i aliajelor n convertizoarele cu oxigen sunt: productivitatea mare, construcie relativ simpl, calitatea oelului este superioar, costuri de producie mai mici dect la cuptoarele electrice i durata de elaborare a unei arje este mic (4560) min. nedepinznd de capacitatea cuptorului.

Dezavantajele convertizoarelor sunt: consum mare de oxigen, ce necesit construirea de fabrici de oxigen n combinatele siderurgice, evacuarea unei cantiti mari de gaze i praf n hale i nlimi mari pentru procedeul LD.4. PROCEDEE DE ELABORARE ALE ALIAJELOR NEFEROASE

Procesele de elaborare a aliajelor neferoase se realizeaz n agregate metalurgice deschise, la presiune atmosferic, sau n agregate metalurgice nchise, cu vid sau cu atmosfer controlat.

Calitatea aliajelor neferoase i compoziia lor chimic depind de o serie de procese i fenomene fizico-chimice, cum sunt:

nclzirea i topirea metalelor; dizolvarea metalelor n topituri (alierea aliajelor neferoase);

vaporizarea i fierberea metalelor lichide; interaciunea topiturilor metalice cu gazele i cu cptueala agregatelor de elaborare i turnare .a.4.1.Procedee de elaborare a aliajelor de cupru

4.1.1 Elaborarea prealiajelor

Prealiajele pe baz de cupru se obin prin urmtoarele metode de elaborare:

- topirea direct a cuprului i a elementelor de aliere;

- metalotermie;

- topirea minereurilor sau concentratelor complexe (monel-metal);

- electroliz;

- procedee combinate.

Topirea direct. Prin aplicarea acestui procedeu se pot obine urmtoarele prealiaje: Cu-P, Cu-Mg, Cu-Fe, Cu-Si, Cu-Cr, Cu-Ni, Cu-Co, Cu-Mn etc. i const din topirea cuprului ntr-un cuptor de elaborare specific obinerii oricrei mrci de aliaj neferos, dezoxidarea bii metalice i acoperirea acesteia cu un strat de flux de suprafa (flux de protecie) (mangal, praf de cocs, negru de fum, resturi de electrozi sau sprturi de creuzete din grafit, borax, sprturi de sticl, fluorur de calciu, nisip etc.). n etapa urmtoare a elaborrii, se adaug n topitura astfel prelucrat metalurgic, componenii prealiajului, n stare solid sub form de lingouri sau de buci mici. Dup dizolvarea componenilor n baia metalic se vor efectua succesiv, operaiile de rafinare i degazare a topiturii, dup care se trece la etapa de pregtire pentru turnare. n cazul elaborrii prealiajelor ternare, n cuptorul de elaborare se ncarc la nceput prealiajul binar n care, dup topire, se adaug cel de-al treilea component. i n acest caz se respect succesiunea operaiilor tehnologice de prelucrare metalurgic a bii metalice (rafinare, degazare, dezoxidare),obinute prin metoda de topire direct a metalelor pure, i const din pregtirea, n prealabil, a prealiajului binar Cu-Mg, care amestecat cu boraxul (Na2B4O7), fluorura dubl de potasiu i zirconiu, fluorura dubl de potasiu i titan etc, ce sunt nclzite pn la temperatura de 14501500 0C, temperatur la care se desfoar urmtoarele reacii chimice:

K 2TiF 6 + 2 [ Mg ] = 2 KF + 2 MgF 2 + [ Ti ] Cu (4.1)

Na 2B 4O 7 + 6 [ Mg ] = 6 MgO + Na 2O + 4 [ B ] Cu (4.2)

K 2ZrF 6 + 2 [ Mg ] = 2 KF + 2 MgF 2+ [ Zr ] Cu (4.3)

Produsele de reacie cu densitatea mai mic i cu o insolubilitate n topitur, vor decanta la suprafaa bii metalice, iar metalele se vor dizolva n cuprul lichid.

Pentru obinerea prealiajelor prin metalotermie se utilizeaz cuptoare cu vid, iar turnarea n lingouri se va face n lingotiere din grafit. Prealiajele astfel obinute, conin 1015% elemente de aliere. Cantitatea de zgur produs la acest procedeu de elaborare a prealiajelor, reprezint circa 3040% din cantitatea de prealiaj.

4.1.2. Elaborarea aliajelor de cupru

Tehnologia elaborrii cuprului i aliajelor de cupru se caracterizeaz prin particulariti specifice determinate de proprietile lor fizico-mecanice variate i de condiiile speciale pe care trebuie s le ndeplineasc semifabricatele turnate.

Alegerea corect a materialelor ce compun ncrctura, a atmosferei i tipului agregatului de elaborare, a metodelor de rafinare, degazare i modificare sunt cerine obligatorii.

ncrctura

naintea introducerii n agregatul de elaborare, ncrctura alctuit din cupru primar, metale rafinate, prealiaje, deeuri din producia proprie sau din exterior, cupru secundar, bronzuri sau alame de a doua fuziune, trebuie s fie curate de ulei, umiditate, oxizi etc.

Cuprul electrolitic impurificat cu electrolit nu se admite a fi ncrcat n agregatul de elaborare fr un tratament prealabil ce const n nclzirea i meninerea la temperatura de 400500 0C, timp de 45 h, pentru eliminarea electrolitului.

De asemenea, nu se admite introducerea de deeuri de metale sau aliaje neferoase (n special, a panului) sau a metalelor vechi, fr o topire prealabil, n topitur, deoarece umiditatea adsorbit la suprafa, poate constitui o surs de gaze pentru topitur.

n condiiile n care materialele din ncrctur conin o anumit cantitate de umiditate, acestea se vor ncrca pe vatra fierbinte a cuptorului de elaborare, deoarece astfel, se creeaz condiiile n care umiditatea coninut de ncrctur poate fi eliminat nainte de formarea bii metalice.

Ordinea de introducere a componenilor n agregatul de elaborare se stabilete n funcie de raporturile cantitative ale acestora i de proprietile lor fizico-chimice.

n marea majoritate a cazurilor, cu excepia folosirii deeurilor ce conin o anumit cantitate de umiditate, se ncarc n prima faz cuprul n agregatul de elaborare i numai dup topirea lui, se adaug celelalte componente ce compun ncrctura.

Dac ntre componeni exist o solubilitate reciproc mare cu formare de soluii temperaturi de topire sczute, atunci elaborarea ncepe cu topirea componentului mai uor fuzibil n care se dizolv elementul mai greu fuzibil.

Metoda de elaborare a aliajelor neferoase cea mai economicoas se realizeaz atunci cnd cuptorul de elaborare este ncrcat complet cu materialele pentru topire.ncrcarea complet a cuptorului de elaborare cu materialele ce compun ncrctura nu este ns, posibil n mod practic, deoarece trebuie s se ia n considerare afinitatea unor elemente din compoziia chimic a componenilor fa de oxigen (de exemplu: bronzuri cu aluminiu, zirconiu, crom, beriliu etc).

Dac unul din componenii ncrcturii are o temperatur de fierbere sczut, atunci acesta se oxideaz uor sau reacioneaz cu gazele din atmosfer i prin urmare, el se va introduce n topitur cu puin timp naintea dearjrii pentru a se evite pierderile prin volatilizare, oxidare sau chiar pot conduce la producerea de accidente.

Fenomene care se produc la aliere

Supranclzirea bii metalice la elaborarea cuprului i a aliajelor de cupru se realizeaz prin nclzirea la o temperatur apropiat de temperatura minim de volatilizare a unui component din compoziie, astfel nct prin aplicarea cestui procedeu tehnologic s se poat realiza operaiile de rafinare i degazare a topiturii. Prin aplicarea acestei metode se reuete s se elimine incluziunile gazoase i solide din topitur.

n cazul elaborrii alamelor, supranclzirea topiturii poate fi considerat util deoarece odat cu evaporarea elementului volatil din topitur (zincul) se elimin i o parte din gazele dizolvate n topitur.

Supranclzirea aliajelor de cupru lichide este indicat a se realiza n urmtoarele

situaii:

- dac naintea introducerii componenilor de aliere, cuprul a fost complet dezoxidat;

- dac baia metalic nu a adsorbit o cantitate important de gaze n timpul elaborrii aliajului.

n marea majoritate a cazurilor, la formarea unui compus chimic, reaciile de dizolvare a componenilor n baia metalic sunt exoterme, dar pot exista cazuri n care aceste reacii pot avea i un caracter endoterm.Astfel:

La introducerea aluminiului n cupru, se constat c se degaj o cantitate mare de cldur care atinge valoarea maxim, n cazul formrii compusului intermetalic Cu 3Al. n acest caz, chiar dac aluminiul este ncrcat n stare solid i baia metalic de cupru a fost dezoxidat, supranclzirile locale pot ajunge la valori de 200300 0C.

La introducerea siliciului n cupru, efectul termic al dizolvrii este ceva mai mic dect n cazul dizolvrii aluminiului.

Procesul termic exoterm este ceva mai moderat pentru sistemele Cu Zn i Cu Sn, cci acestea au cldura de amestecare mai mic.

Pentru a se evita obinerea de aliaje pe baz de cupru cu proprieti inferioare, ca urmare a supranclzirilor produse la alierea i dizolvarea componenilor solizi n baia metalic i pentru a micora pierderile de metale prin evaporare i volatilizare, trebuie aplicate metode de elaborare care s permit eliminarea condiiilor de producere a supranclzirilor. Aceste msuri practice constau n:

- pentru ca la dizolvarea aluminiului n cupru, cldura degajat s se disipeze n toat masa topiturii, se vor lua msuri ca aluminiul s ajung pn pe vatra cuptorului de elaborare;

- pentru scderea supranclzirilor, cu precderea supranclzirilor locale, la alierea cuprului cu aluminiu este indicat ca cele dou metale s fie ncrcate mpreun n stare solid n cuptor. n acest caz, cuprul din ncrctur nu trebuie s conin oxigen, deoarece aluminiul acioneaz ca dezoxidant, iar n urma reaciei de dezoxidare, temperatura bii metalice va crete i mai mult i compusul format (alumina) va rmne n topir n suspensie ca incluziune nemetalic.

n condiii industriale se produc i procese de volatilizare a elementelor chimice.Astfel, la elaborarea alamelor, structura ( + ) devine monofazic n straturile superficiale a topiturii n urma volatilizrii zincului. Evaporarea zincului se desfoar energic n timpul elaborrii dac nu se folosesc fluxuri de protecie. Mangalul nu este indicat a fi folosit n calitate de flux de suprafa la elaborarea alamelor deoarece acesta cur suprafaa topiturii de oxizi, dar nu mpiedic evaporarea zincului. Viteza de evaporare a zincului este micorat n prezena unor elemente de aliere, ca de exemplu: aluminiu, beriliu, siliciu etc., care prezint proprietatea de formare pe suprafaa bii metalice a unei pelicule fine de oxid ce mpiedic evaporarea zincului. Aceast pelicul de oxid ce acoper suprafaa bii metalice are i rolul de a mpiedica ptrunderea gazelor n topitur.

Felul atmosferei de deasupra topiturii are o influen hotrtoare asupra procesului de evaporare a zincului n timpul elaborrii alamelor. Astfel, elaborarea alamelor n atmosfer reductoare sau oxidant reductoare genereaz pierderi de metal (zinc) mai mari dect varianta elaborrii n atmosfer oxidant. Fenomenul respectiv se explic prin faptul c n atmosfer oxidant topitura se acoper cu acea pelicul fin de oxid ce protejeaz topitura mpotriva evaporrii zincului.

Fluxuri i fondani

Pentru a se evita impurificarea topiturii de cupru sau a aliajelor de cupru cu incluziuni nemetalice solide sau gazoase i pentru a prentmpina sau diminua pierderile de metale prin evaporare, baia metalic se acoper cu substane numite fluxuri. Prin flux se nelege stratul de material ce acoper suprafaa bii metalice i care nu interacioneaz cu topitura, respectiv cu componenii aliajului. n schimb, fondanii sunt substane ce interacioneaz cu componentele ncrcturii i cu elementele din compoziia bii metalice.

Fluxurile utilizate la elaborarea aliajelor neferoase sunt pasive din punct de vedere al proprietilor lor fizico-chimice, n raport cu gazele din atmosfera cuptorului de elaborare i fa de materialele metalice ce compun ncrctura i fa de cptueala agregatelor de elaborare i turnare.

Fluxurile i fondanii utilizate n elaborarea cuprului i a aliajelor pe baz de cupru sunt: mangalul, sprturile de sticl, boraxul, praful de cocs, negrul de fum, sprturile de electrozi i de creuzete din grafit, grafitul + amota, SiO2, CaF2, Na3AlF6, Na2CO3, NaCl, MgCl2, KCl, zguri metalurgice etc.

La elaborarea alamelor, cele mai bune rezultate le asigur eutecticul Na2O-SiO2. Astfel, fluxurile utilizate n practica industrial, au urmtoarea compoziie: 25% Na2O (Na2O se introduce n flux sub form de Na2CO3), 65% SiO2, 10% NaCl, i o temperatur de topire de 300 0C. Aceast categorie de flux se utilizeaz numai dup o topire prealabil i dup mrunire.

Zgurile metalurgice de diferite compoziii (cu intervale mici de solidificare) sunt fluxuri de protecie favorabile pentru elaborarea cuprului i a aliajelor pe baz de cupru.

Alte fluxuri de protecie ce pot fi folosite la elaborarea alamelor pot fi caracterizate prin urmtoarele compoziii:

60% SiO2, 13% Na2CO3, 8% Al2O3, 5% CaF2, 5% Na3AlF6, 8% praf de cocs, 1% MnO;

7% Na2CO3, 3% praf de cocs, 25% NaCl, 20% KCl, 17% Na2B4O7, 12% ZnCl2, 12% Na2SO4, 4% CaO;

50% SiO2, 5% Na2CO3, 6% CaF2, 2% praf de cocs, 1% ZnCl2, 3% NaNO3, 10% Ca(H2PO4)2, 23% CaO;

4% MnO2, 66% CaF2, 20% Na2SO4, 10% Na2CO3 (se folosete atunci cnd se urmrete eliminarea aluminiului din baia metalic).

Cele mai grele probleme tehnologice intervin la elaborarea alamelor cu mangan la care manganul mrete tendina de oxidare i de formare a unor mari cantiti de zgur cu vscozitate ridicat. De aceea, la elaborarea alamelor cu mangan se utilizeaz un flux de protecie compus din mangal, sprturi de creuzete de grafit i praf de cocs. Pentru rafinarea acestor topituri se utilizeaz nichelul, iar pentru mrirea fluiditii, aluminiul (pn la 0,3%).

Pe de alt parte, i elaborarea alamelor cu nichel ridic probleme deosebite deoarece nichelul mrete destul de mult valoarea temperaturii de topire i a temperaturii de turnare. De asemenea, nichelul n alame, mrete considerabil tendina de oxidare i de dizolvare a impuritilor (cu precdere a carbonului, sulfului etc.). Pentru elaborarea alamelor cu nichel nu este admis a se utiliza cuptoare cu creuzete din grafit, cuptoare cu electrozi din crbune sau s se foloseasc scule confecionate din grafit. Nichelul prezint o afinitate ridicat fa de hidrogen i sulf. Din aceast cauz, alamele cu nichel se elaboreaz n atmosfer slab oxidant, utilizndu-se fluxuri de protecie compuse, n cantiti egale, din amestecuri de Na2CO3, Na2B4O7 i cuar sau din Na2CO3 i sprturi de sticl. Rafinarea alamelor cu nichel se realizeaz cu MnO2, Na2CO3 sau Cu2O cu adaos de Na2B4O7, nisip i sticl.

Fluxul de protecie recomandat a fi folosit la elaborarea aliajelor Cu-Ni este compus din: 42% CaCO3, 25% SiO2, 33% CaF2 - amestec ce corespunde compusului CaSiO3 CaF2 - i are temperatura de topire de 1150 0C.

La elaborarea bronzurilor cu siliciu, fluxurile trebuie s aib un caracter oxidant i sunt compuse din: sticl, criolit, fluorin, borax, sod, fluoruri, cloruri etc, putnd s aib urmtoarele compoziii uzuale:

- 40% sod, 40% borax i 20% nisip;

- 5065% nisip, 3040% sprturi de sticl i 510% NaCl sau CaF2;

- 3040% Na2CO3, 3040% Na2B4O7 i adaosuri de sticl, nisip sau CaF2.

La elaborarea bronzurilor cu siliciu, consumul de flux de protecie reprezint 23%, din masa ncrcturii.

Bronzurile cu aluminiu se elaboreaz n mediu neutru sau uor reductor.

Fluxurile de protecie folosite la elaborarea bronzurilor cu aluminiu se compun din: mangal, mangal + NaCl, sprturi de sticl, sprturi de sticl + (23)% MnSO4, Na2B4O7 + NaCl, Na2B4O7 + Na2CO3, Na2CO3 + KOH, 30% NaCl + 62% CaF2, CaF2, Na3AlF6 + ZnCl2, sticl + borax, KF + Na3AlF6, NaF + KF + AlF3.

Bronzurile cu staniu se elaboreaz n mediu neutru sau uor reductor, folosindu-se fluxuri de protecie compuse din: Na2B4O7 + sticl, Na2CO3 + nisip, Na2B4O7 + Na2CO3 + nisip.Bronzurile cu plumb se elaboreaz n mediu reductor, folosind mangalul n calitate de flux de protecie: pe suprafaa bii metalice, stratul de mangal trebuie s aib o grosime de

circa 3040 mm.

Mangalul utilizat la elaborarea cuprului i aliajelor sale, protejeaz bine baia metalic mpotriva oxidrii. n acelai timp, crbunele de lemn poate fi considerat ca o surs suplimentar de producere a gazelor ce ptrund n topitur deoarece conine hidrocarburi i adsoarbe umiditate.

Degazarea

Degazarea cuprului i aliajelor sale se efectueaz prin difuzie, fierbere, barbotare cu gaze inerte sau reactive, n vid, prin oxidare etc.

Degazarea prin difuzie i prin formarea bulelor. Cuprul i aliajele sale prezint tendina de a adsorbi gazele din atmosfera agregatului de elaborare. Hidrogenul adsorbit n topitur provine din disocierea hidrocarburilor, a vaporilor de ap sau ca produs al reaciilor acestora cu baia metalic.

Sursele principale de vapori de ap sunt: produsele arderii combustibililor, umiditatea din atmosfera agregatului de elaborare, componena ncrcturii, compoziia i natura aliajului elaborat etc.

n timpul rcirii aliajului lichid, odat cu scderea temperaturii va scdea i cantitatea de hidrogen din baia metalic.Prin urmare, att hidrogenul ct i alte gaze dizolvate n baia metalic, la rcirea aliajului, se elimin din topitur fie prin difuzie, fie prin degajare din baia metalic sub form de bule. Procesul de eliminare a gazelor din topitura aliajelor de cupru, prin difuzie, se desfoar destul de lent, necesitnd un timp ndelungat i o rcire nceat a aliajului, cerine sunt dificil de realizat n condiii practice.

Prin urmare, eliminarea gazelor din topitur se realizeaz prin formarea bulelor care se produce la o rcire rapid a bii metalice i ncepe s se desfoare n momentul n care topitura este suprasaturat, iar gazele din interiorul topiturii ating o presiune (pg) mai mare dect presiunea exterioar care trebuie s fie nvins.

n intervalul de temperaturi 10961288 0C, dependena de temperatur a entalpiei libere a reaciei de solubilizare a hidrogenului n cupru, se exprim prin relaia:

H2 (g) = [ H ] [ % ] (4.4)

GT0= 10800 + 7,51 T [ cal/atom g H ] (4.5)

n timpul solidificrii aliajului, datorit scderii rapide a fluiditii, apare pericolul rmnerii bulelor gazoase n interiorul aliajului, provocnd apoi, formarea porozitilor n semifabricatele turnate. Pentru a se evita apariia acestui fenomen, se urmrete ca eliminarea gazelor din topitur s se realizeze la o temperatur mai mare cu 3060 0C peste temperatura de topirea metalului, cnd sunt create condiiile evaporrii bulelor de gaz n atmosfera cuptorului.

ndeprtarea gazelor din soluie prin fierbere. Curbele de solubilitate a gazelor n cupru i n aliajele sale arat ca n cazuri individuale se atinge un maxim de solubilitate odat cu creterea temperaturii i a presiunii de vapori. Pe baza acestui considerent, se poate realiza degazarea topiturii prin nclzirea ei la temperaturi foarte ridicate (supranclziri). Temperatura de aliajelor este determinat de temperaturile de fierbere a componenilor.

ndeprtarea gazelor prin barbotarea bii metalice cu gaze inerte. La trecerea gazului inert (N2, Ar) prin baia metalic, se observ o ndeprtare treptat a gazului dizolvat n topitur.

Mecanismul procesului de degazare se bazeaz pe fenomenele care au loc la limita de separaie gaz-metal. n primul moment, n bula de gaz inert barbotat, presiunea gazului dizolvat este egal cu zero. Apoi, o parte din gazul dizolvat va trece n bula de gaz inert barbotat. Deoarece la barbotarea cu gaze inerte a topiturilor metalice, bulele de gaze inerte rmn n interiorul topiturii un timp scurt, nu se reuete saturarea lor complet, pn la egalizarea presiunilor pariale. Pentru realizarea unei degazri avansate a bii metalice trebuie s se obin o suprafa de contact ct mai mare i o vitez de trecere ct mai mic a gazului barbotat prin topitur. Aceste cerine pot fi ndeplinite dac bulele de gaz inert se ridic mai ncet n baia metalic i, datorit raportului mare ntre suprafa i volum, vor adsorbi gazul dizolvat mai repede.

ndeprtarea gazelor dizolvate n topitur prin introducerea de substane

solubile care reacioneaz cu acestea. Dac n cupru i aliajele sale se introduce o substan care formeaz cu hidrogenul o combinaie chimic stabil, insolubil n baia metalic, se realizeaz eliminarea hidrogenului din topitur.

De exemplu, cea mai folosit substan n acest sens este calciul care se dizolv n baia metalic i formeaz cu hidrogenul o combinaie chimic stabil hidrura de calciu conform reaciei:[ Ca ] + 2 [ H ] CaH2 (4.6)

Hidrura de calciu este insolubil i are o greutate specific mult mai mic dect topitura i prin urmare, se ridic la suprafaa bii metalice, de unde este colectat.

Odat cu eliminarea hidrogenului din baia metalic, la introducerea calciului n topitur, se elimin i oxigenul dizolvat, conform reaciei:

2 [ Ca ] + [ O ] + 2 [ H ] CaO + CaH2 (4.7)

Pentru degazarea cuprului i a aliajelor de cupru se poate folosi i litiul, a crui aciune n acest sens, este similar cu cea a calciului, i acioneaz conform reaciilor:

Li + H LiH (4.8)

2 Li + [ Cu2 O ] Li2O + 2 [ Cu ] (4.9)

Li + [ Cu2 O ] + [ H ] LiOH + 2 [ Cu ] (4.10)

Din pcate, litiul poate s ndeprteze parial hidrogenul din topitur, sub form de hidrur sau s-l menin n cupru i aliajele de cupru, dup solidificare.

ndeprtarea gazului prin formarea vidului. Prin formarea vidului sau a unei depresiuni relativ sczute, se poate produce degazarea cuprului i a aliajelor pe baz de cupru. Pentru cupru i aliajele de cupru este suficient s se realizeze o depresiune de 50100 mm col. Hg.

Solubilitatea gazului n baia metalic, funcie de presiune, se exprim pentru un gaz n stare atomic sau n stare molecular, prin relaiile:

S = K p [ cm3/100g ] (4.11)

S = K pn [ cm3/100g ] (4.12)

n care: S este solubilitatea gazului;

K coeficient de proporionalitate;

p presiunea, n N/m3;

n exponentul puterii.

Conform legii lui Sieverts (8.11), dac presiunea hidrogenului deasupra metalului se micoreaz, solubilitatea gazului va scdea. Pe msura scderii depresiunii, temperatura de fierbere a metalului sau a aliajului scade, provocnd n acest fel ndeprtarea gazului dizolvat n topitur.

n cazul degazrii cuprului i a aliajelor pe baz de cupru, la crearea unei depresiuni mici, o influen semnificativ o au scderea solubilitii i micorarea presiunii n exterior. La depresiunile folosite n practic, nu se atinge temperatura de fierbere a bii metalice. Cu toate acestea, n straturile superioare a bii metalice, depresiunea produs este suficient pentru realizarea degazrii.

Degazarea prin oxidare. Metoda oxidrii la degazarea cuprului i aliajelor de cupru se bazeaz pe realizarea reaciei dintre hidrogenul i oxigenul din topitur, ce conduce la formarea vaporilor de ap care se pot elimina uor din baia metalic:

2 H2 + O2 = 2 H2O (v) (4.13)

Pe aceast linie, pentru dezoxidarea bronzurilor se aplic introducerea n topitur a unui dezoxidant, care poate fi compus dintr-un amestec, n cantiti egale, de azotat de potasiu i oxid de cupru sau din oxid de cupru n amestec cu clorur sau fluorur de sodiu i borax, ce oxideaz gazele dizolvate.

Metoda de degazare prin oxidare se aplic, cu precdere, la elaborarea aliajelor de cupru ce conin elemente cu afinitate mic fa de oxigen.

La elaborarea bronzurilor cu aluminiu, se produce reacia:

2 Al + 3 H2O (v) 3 H2 + Al2O3 (4.14)

la introducerea oxigenului n topitur. Produsul degazrii topiturii format poate s rmn n baia metalic sub form de suspensie i se va regsi n semifabricatul turnat sub form de incluziune nemetalic.

Dezoxidarea

n timpul elaborrii, cuprul i aliajele sale se oxideaz ca urmare a procesului de dizolvare a oxigenului din atmosfer i interaciunii cu gazele oxidante. Prezena oxigenului n topitur poate conduce la obinerea unor caliti necorespunztoare a semifabricatelor turnate.

Pentru eliminarea oxigenului din baia metalic, cuprul i aliajele de cupru se trateaz n stare lichid cu un element sau cu un compus, numii dezoxidani, care sunt capabili s reacioneze cu oxigenul, avnd o afinitate mai mare fa de acesta dect cuprul.

Din punct de vedere al modului de acionare, dezoxidanii pot fi mprii n:

dezoxidani de suprafa (insolubili n topitur) i dezoxidani care se dizolv n baia metalic.

Din prima categorie fac parte: carbura de calciu (CaC2), borura de magneziu (Mg3B2), carbonul, zgura boric (Na2B4O6 MgO), hexaborura de calciu ( CaB6). Prin utilizarea acestor dezoxidani, procesul de dezoxidare a topiturilor de cupru i a aliajelor sale se desfoar conform reaciilor:

5 [ Cu2O ] + CaC2 = CaO + 2 CO2 + 10 [ Cu ] (4.15)

6 [ Cu2O ] + Mg3B2 = 3 MgO + B2O3 + 12 [ Cu ] (4.16)

2 [ Cu2O ] + C = CO2 + 4 [ Cu ] (4.17)

[ Cu2O ] + Na2B4O6 MgO( l ) = Na2B4O7 MgO( l ) + 2 [ Cu ] (4.18)

n cazul carburii de calciu i a borurii de magneziu apar compui greu fuzibili care formeaz la limita de separaie dezoxidant topitur o pelicul compact care ncetinete procesul de dezoxidare.

Reducerea cu carbon decurge, de asemenea, relativ ncet din cauza adsorbiei de ctre acesta a dioxidului su i a umiditii din exterior.

n cazul utilizrii zgurii borice, att dezoxidantul ct i produsele de dezoxidare se gsesc n stare lichid. Pentru a mri viteza de dezoxidare a cuprului i aliajelor sale cu zgur boric este necesar s se mreasc suprafaa ei de contact cu metalul, prin amestecare.

Din a doua categorie fac parte dezoxidanii care se dizolv n baia metalic, vin n contact cu oxidul cupros n tot volumul topiturii, realizndu-se o vitez mare de dezoxidare.

Dezoxidanii solubili pot fi mprii n trei categorii:

- dezoxidani care formeaz produse de dezoxidare gazoase (hidrogen, hidrocarburi i oxid de carbon);

- dezoxidani care formeaz produse de dezoxidare gazoase sau lichide (fosfor, plumb, mangan etc.);

- dezoxidani care formeaz produse de dezoxidare solide (calciu, magneziu, aluminiu, siliciu, zinc, titan, bor, lantan etc.).

Dezoxidanii solubili care formeaz produse de dezoxidare gazoase se obin prin distilarea lemnului care este introdus n acest scop n topitur sau prin distilarea unor gudroane. Dac la dezoxidare se folosesc astfel de substane, trebuie s se determine cu precizie timpul necesar pentru eliminarea oxigenului pentru a se evita saturarea cu gaze a bii metalice.

Eliminarea oxigenului, n prezena acestor dezoxidani, se desfoar conform

reaciilor:

[ Cu2O ] + H2 = H2O( v ) + 2 [ Cu ] (4.19)

[ Cu2O ] + CO = CO2 + 2 [ Cu ] (4.20)

4 [ Cu2O ] + CH4 = CO2 + 2 H2O( v ) + 8 [ Cu ] ( 4.21)

Dezoxidanii solubili care formeaz produse gazoase i lichide se introduc sub form de prealiaje sau aliaje. Fosforul se introduce n topitur sub form de cupru fosforos i reacioneaz cu oxigenul, conform reaciilor:

5 [ Cu2O ] + 2 [ P ] = P2O5 + 10 [ Cu ] (4.22)

6 [ Cu2O ] + [ P ] = 2 CuPO3 ( v ) + 10 [ Cu ] (4.23)

Pentaoxidul de fosfor, care se afl n stare de vapori la temperatura de elaborare a cuprului sau a aliajelor de cupru, strbtnd baia metalic incomplet dezoxidat, poate s reacioneze cu oxidul cupros, conform reaciilor:

P2O5 + [ Cu2O ] = 2 CuPO3 (4.24)

sau

P2O5 + 2 [ Cu2O ] = 2 Cu2O P2O5 (4.25)

Plumbul introdus n baia metalic poate interaciona cu Cu2O, dup reacia:

[ Cu2O ] + [ Pb ] = PbO + 2 [ Cu ] (4.26)

Plumbul, ns, nu poate fi folosit n calitate de dezoxidant pentru cupru i pentru aliajele de cupru deoarece:

- are o capacitate de dezoxidare destul de redus;

- tensiunile de disociere ale Cu2O i PbO au valori apropiate;

- plumbul adugat n cupru i n aliajele sale (n special, n alame ) este considerat impuritate.

Dezoxidanii care formeaz produse solide n urma dezoxidrii cuprului i a aliajelor de cupru, pot fi folosii numai pentru ndeprtarea ultimelor cantiti de oxigen din baia metalic. n aceste condiii, astfel de dezoxidani, dei sunt reductori foarte activi ai oxidului cupros, folosirea lor este limitat i din cauz c produsele de reacie sunt greu fuzibile, rmn n baia metalic, i nrutesc substanial caracteristicile mecanice i tehnologice.

Astfel, dezoxidarea bii metalice, folosind aceast categorie de substane pentru

dezoxidarea cuprului i a aliajelor de cupru, se desfoar conform reaciilor:

[ Cu2O ] + Ca = CaO + 2 [ Cu ] (4.27)

[ Cu2O ] + Be = BeO + 2 [ Cu ] (4.28)

[ Cu2O + Mg = MgO + 2 [ Cu ] (4.29)

[ Cu2O ] + Ti = TiO2 + 4 [ Cu ] (4.30)

2 [ Cu2O ] + Si = SiO2 + 4 [ Cu ] (4.31)

3 [ Cu2O ] + 2 Al = Al2O3 + 6 [ Cu ] (4.32) [ Cu2O ] + Zn = ZnO + 2 [ Cu ] (4.33)

3 [ Cu2O ] + 2 Cr = Cr2O3 + 6 [ Cu ] (4.34)

La alegerea dezoxidanilor care formeaz produse de dezoxidare solide trebui s se aib n vedere influena pe care o are acesta asupra caracteristicilor fizice i mecanice ale materialelor elaborate i turnate, n cazul n care rmn ntr-o oarecare cantitate n topitur, dup dezoxidare.

La elaborarea cuprului i a aliajelor sale, pentru dezoxidare se folosete n mod curent fosforul care, dac rmne n topitur dup dezoxidare, mrete plasticitatea i proprietile mecanice, dar influeneaz negativ conductibilitatea electric i termic. Atunci cnd aceste aliaje trebuie s fie caracterizate printr-o conductibilitate termic i electric ridicate, dezoxidarea lor n stare lichid se va realiza cu titan i bor, introduse n topitur sub form de prealiaj ternar Cu Ti B (0,100,25%, din greutatea ncrcturii). Pentru realizarea acestei cerine, mai pot fi folosii i siliciul, magneziul i manganul (sub form de prealiaje), chiar dac produsele de dezoxidare rmn n topitur sub form de incluziuni nemetalice suspensii foarte fine care nrutesc caracteristicile aliajelor. Pentru a se evita acest inconvenient, la dezoxidarea cu aceste substane se iau o serie de msuri, ca de exemplu: adaos de substane zgurifiante, barbotarea cu gaze inerte a topiturii, pentru flotarea impuritilor etc. Tot pentru realizarea acestui deziderat, mai pot fi folosii ca dezoxidani: calciul, bariul, zincul, cadmiul, litiul, beriliul, cromul, zirconiul, precum i dezoxidani de suprafa (CaB6).Efectul dezoxidant al CaB6 este mai redus dect al fosforului sau al litiului, dar acest dezoxidant are o influen mai slab asupra conductibilitii electrice.

Cuprul i aliajele pe baz de cupru pentru industria electrotehnic se recomand a fi elaborate dup urmtorul sistem:

- topirea cuprului n atmosfer oxidant, pentru eliminarea unor impuriti i scderea coninutului de hidrogen;

- acoperirea bii metalice cu sprturi de grafit, pentru scderea coninutului de oxigen i evitarea dizolvrii lui n topitur, dup dezoxidare;

- dezoxidarea preliminar a bii metalice;

- degazarea topiturii prin barbotare cu gaze inerte (azot sau argon purificat);

- dezoxidarea final;

- evacuarea unei pri din grafit i turnarea.

n cazul elaborrii aliajelor Cu Ni, se aplic dezoxidarea combinat, prin tratarea bii metalice cu fosfor i mangan, respectiv i cu magneziu.

Condiiile ce trebuie respectate la efectuarea dezoxidrii cuprului i a aliajelor pe baz de cupru sunt:

- excesul de dezoxidant ce poate rmne n topitur nu trebuie s influeneze negativ caracteristicile fizice i mecanice ale acestora;

- produsele reaciilor de dezoxidare trebuie s se ndeprteze uor i complet din topitur;

- dezoxidanii trebuie s aib o afinitate foarte mare fa de oxigen 8mai mare dect a cuprului).

Rafinarea

Eliminarea incluziunilor nemetalice i a impuritilor metalice din cupru i din aliajele sale se realizeaz practic, prin metode de adsorbie, filtrare, oxidare etc.

Eliminarea incluziunilor nemetalice. Incluziunile nemetalice din topitur sunt produsele reaciilor chimice dintre elementele dizolvate n cupru (incluziuni endogene) sau pot proveni din materialele ncrcturii, din cptuelile agregatelor de elaborare i turnare i din fluxuri i fondani (incluziuni exogene).

n funcie de dimensiuni, fracia volumic i de repartiia incluziunilor, influena lor poate fi pozitiv sau negativ.

Incluziunile dispersate (160m) influeneaz n mod special plasticitatea produselor i finisarea structurii cristaline (mrunirea grunilor), dar nu influeneaz proprietile de rezisten a produselor turnate.

Neomogenitile locale i aniizotropia repartiiei incluziunilor dispersate determin o cretere brusc a rezistenei la rupere i o scdere a plasticitii.

Caracteristic pentru aliajele de cupru este faptul c fracia incluziunilor dispersate este relativ mic. Astfel, circa 2/3 din totalul incluziunilor au dimensiuni cuprinse n intervalul 0,10,7mm. n concluzie, n afar de dependena de compoziie a aliajelor de cupru, creterea concentraiei incluziunilor conduce la scderea valorilor tuturor proprietilor mecanice ale acestora (rezistena la rupere, alungirea, gtuirea). De aceea, grupa incluziunilor exogene trebuie considerat cea mai duntoare. Incluziunile exogene conduc la exfolieri la laminare, la apariia porozitilor n procesul de tratament termic, la recoacerea n atmosfer de hidrogen i amoniac (de exemplu, aliajele Cu-Be, Cu-Be-Ni-Ti .a.).

n aceste condiii, trebuie s se ia msuri de prevenire a ptrunderii incluziunilor exogene n aliaje i de rafinare a aliajelor impurificate.

Incluziunile endogene (disperse), de tipul porilor gazoi, apar i sunt nedorite n cupru, aliajele Cu-Ni i Cu-Ag.

Influena negativ a incluziunilor endogene se manifest numai prin formarea porozitilor, atunci cnd este posibil coagularea lor ceea ce conduce la aglomerarea

incluziunilor i la o neomogenitate local n aliaje.

Principalele incluziuni endogene n cupru i aliajele sale sunt oxizii, sulfurile i porii gazoi, deoarece solubilitatea carbonului i azotului n aceste metale este nensemnat.

Oxizii se formeaz la alierea cuprului oxidat cu elemente ca litiul, siliciul, borul i aluminiul, cea ce conduce la o dezoxidare avansat a topiturii. De aceea, aceast categorie de incluziuni se formeaz n etapa de dezoxidare a cuprului i a aliajelor sale i de aliere a acestora.

Incluziunile formate coaguleaz determinnd formarea conglomeratelor friabile, sub form de fulgi, care nrutesc proprietile mecanice ale cuprului i ale aliajelor de cupru. Formarea aglomeratelor are loc cu att mai intens cu ct este mai mare oxidabilitatea iniial a cuprului, tensiunea interfazic topitur-incluziuni i amestecarea topiturii.

Sulful formeaz cu impuritile din topiturile de cupru i aliajele sale, compui cu o stabilitate mai mic dect oxizii. Totui, stabilitatea sulfurilor de calciu i ceriu este destul de mare. Cea mai mare parte a incluziunilor sulfidice endogene se formeaz n timpul alierii.

Porii influeneaz, n mod deosebit, plasticitatea semifabricatelor n intervalul de temperaturi 3006000C. Cauza principal a formrii porilor o constituie interaciunea chimic a gazelor dizolvate cu elementele chimice, cu formarea vaporilor de ap i a oxidului de carbon. Presiunea gazelor din pori depete limita de rezisten la rupere a cuprului pur. Cu ct concentraia oxigenului n topitur este mai mic, cu att este mai mic i probabilitatea de apariie a porilor.

Hidrogenul determin formarea porilor numai la suprasaturarea topiturii cu gaze.

La cristalizarea dirijat a cuprului elaborat n atmosfer de hidrogen, porozitatea este minim.

Incluziunile exogene se deosebesc prin dimensiuni, forme diferite i compoziie.

Probabilitatea impurificrii aliajelor de cupru cu incluziuni exogene crete pe msura creterii complexitii aliajelor, a concentraiei elementelor de aliere, care sunt active n raport cu materialele cptuelii sau cu atmosfera agregatelor de elaborare i turnare.

Capacitatea mare de dezoxidare a unor elemente, a cuprului, favorizeaz procesul de apariie a incluziunilor exogene, proces ce are un caracter aleator i care ngreuneaz tehnologia de elaborare. n cazul utilizrii unei cantiti mari de deeuri n ncrctur, este necesar rafinarea topiturii. Incluziunile mici (47m) sunt antenate de curentul de metal lichid, perpendicular pe frontul de cristalizare, rmnnd apoi n retasura concentrat, iar cele mari (> 30m), avnd o inerie mare, se separ pe suprafaa de solidificare. Pentru micorarea suprafeei de contact a aliajelor de cupru cu atmosfera agregatelor de elaborare i pentru realizarea unei degazri avansate, este indicat ca elaborarea s se desfoare n cuptoare cu vid, dar aceast variant tehnologic prezint dezavantajul c n timpul turnrii, este imposibil s fie reinui oxizii i compuii oxidici ce ajung astfel, n forme.

Pentru evitarea acestei situaii, se pot folosi fluxuri, dar din pcate, aceast tehnologie nu este ntotdeauna aplicabil.

Prin folosirea cuptoarelor cu plasm pentru elaborarea aliajelor de cupru este posibil utilizarea eficace a fluxurilor de rafinare i a realizrii unui potenial de oxigen convenabil n atmosfera cuptorului.

n aliajele de cupru este posibil apariia incluziunilor de carbon de dou feluri, astfel: macroincluziuni exogene, formate ca rezultat al distrugerii materialelor refractare carbonice ale cptuelii sau ca urmare a ptrunderii n topitur a particulelor de negru de fum i, microincluziuni, care sunt produse ale interaciunii topiturii metalice cu carbonul i care au dimensiuni mai mici de 20m.

Carburile de crom sunt foarte bine umectate de cupru i nichel i prin urmare, se elimin foarte greu din baia metalic.

Concentraia oxigenului (0,00020,002%, greutate) i carbonului (< 0,03%, greutate) n aliajele de cupru, precum i caracteristicile construciei oxizilor (MeO : O2) i a carburilor (MeC : C 10), conduc la concluzia c cea mai mare parte a incluziunilor nemetalice sunt carburi.

Eliminarea impuritilor metalice.

Pentru cupru i pentru aliajele pe baz de cupru, n special bronzurile cu staniu, sunt considerate impuriti urmtoarele elemente: fier, sulf, siliciu i uneori, aluminiu, fosfor, magneziu etc.

Pentru eliminarea impuritilor metalice din topitur, se introduc n baia metalic urmtoarele substane: oxid de cupru, oxid de plumb, oxid de zinc, peroxid de bor i sodiu, sruri ale acidului sulfuric cu bariu i potasiu, clorur de cupru, bioxid de mangan, azotat de sodiu i potasiu etc., care formeaz cu incluziunile metalice compui stabili la temperatura de elaborare a aliajului.

Pentru zgurificarea acestor compui, se folosesc: borax, amestec de sticl cu borax, sod, fluorin etc.

Pentru eliminarea aluminiului din bronzurile cu staniu sau din alame, oxidul cupros se adaug n cantitate de 4% pentru fiecare procent de aluminiu, supranclzit la 11801200 0C. Dar, n cazul bronzurilor cu staniu, aplicarea acestei tehnologii conduce la pierderi nsemnate de staniu (46%). Amestecat cu clorura de sodiu (raport 1 : 1), oxidul de cupru conduce i la eliminarea siliciului din topitur. O aciune similar o prezint i oxidul de zinc (6% oxid de zinc, pentru fiecare procent de aluminiu) care dac, este amestecat cu clorura de sodiu, ndeprteaz doar parial siliciul.

Pentru eliminarea sulfului dizolvat n baia metalic sub form de Cu2S, se utilizeaz un amestec de minereu de cuprit i nisip cuaros (n raport de 4 : 1). La supranclzirea bii metalice, se produce reacia:

Cu2S + 4 Cu2O + 2 SiO2 = 6 Cu + 2 CuSiO3 (zgur) + SO2 (4.35)

Pentru eliminarea impuritilor de fier, sulf i stibiu, se folosesc urmtoarele amestecuri de substane (n raport de 1 : 1): sulfat de potasiu sau de bariu + sod calcinat, CuO i SiO2. Fondantul CuO i SiO2, reacioneaz cu fierul la temperatura de 1250 0C, conform reaciei:

2 [ Fe ] + 2 CuO + SiO2 = 2 FeO SiO2 + 2 [ Cu ] (4.36)

Pentru eliminarea impuritilor de aluminiu i fier din cupru i din aliajele pe baz de cupru se mai poate folosi i un fondant compus din clorur de cupru i clorur de sodiu (n raport de 1 : 1), dar a crei folosire conduce la pierderi nsemnate de staniu i de zinc din aliajele de cupru.

Pentru rafinarea bronzurilor cu aluminiu i a alamelor, se recomand urmtoarele amestecuri de substane: 40% Na3AlF6 + 60% NaCl, 20% Na3AlF6 + 20% CaF2 + 60% NaF, 25% Na3AlF6 + 10% NaCl + 35% KCl + 28% borax + 2% C, 20% Na3AlF6 + 20% CaF2 + 30% NaF + 10% Na2CO3 + 20% Na2SO4, 70% CaF2 + 10% Na2CO3 + 20% Na2SO4, 12% Na3AlF6 + 70% Na2CO3 + 12% K2CO3 + 6% borax.

Modificarea

Cupru i unele aliaje pe baz de cupru (n special, cele cu coninut ridicat de aluminiu prezint tendina de transcristalizare n structura semifabricatelor turnate cristale columnare dezvoltate pe ntreaga seciune a produsului. Aceast structur se caracterizeaz prin proprieti mecanice sczute.

Pentru finisarea structurii ce poate determina mbuntirea caracteristicilor mecanice, este necesar a se aplica procesul de modificare a structurii acestor aliaje. Pentru modificare, se folosete fier, cobalt i chiar, nichel, care se adaug n topitur ntr-o concentraie ce depete concentraia punctului peritectic din diagramele de echilibru binare Cu-Fe, Cu-Co (12%, adaos n topitur).

O influen similar, o prezint i zincul, stibiul i staniul (exceptnd aliajele Cu-Sn), ce favorizeaz obinerea unei structuri cristaline destul de fine.

Vanadiul, la concentraii foarte mici (sutimi, chiar miimi de procente) nu influeneaz procesul de finisare a structurii, dar la concentraii foarte mari determin, chiar, dispariia zonei cu cristale echiaxe i apariia cristalelor columnare.

Titanul, borul i vanadiul nu induc o influen deosebit asupra finisrii structurii cristaline a aliajelor de cupru (n special, n aliajele cuprului cu aluminiul).

Influena favorabil a fierului asupra structurii cristaline a aliajelor cuprului se explic prin faptul c, la introducerea fierului n topitur se formeaz compusul ternar Al-Fe-adaos, caracterizat printr-o temperatur de topire mai ridicat dect a compusului binar Al-adaos.

Influena favorabil a adaosurilor de litiu i cadmiu (0,0050,02%) se evideniaz la modificarea aliajelor Cu-Ni i Cu-Zn.

Calciul asociat cu carbonul, sub form de acetilen, au o influen bun asupra finisrii structurii, dar conduce, ns, la formarea porozitilor i microfisurilor n produse.

n elaborarea aliajelor Cu-Si, mici adausuri de zirconiu, titan i bor determin o finisare bun a structurii.

O modificare intens a structurii cristaline a aliajelor de cupru, o prezint adausurile de titan, vanadiu, fier i bor, o aciune i mai pozitiv obinndu-se la adaosuri combinate de elemente (de exemplu, 0,10,3% Ti + 0,03% V + 0,02% Fe + 0,03% B).

Concomitent cu modificarea structurilor primare ale aliajelor de cupru, adaosurile de elemente modificatoare prezint i o influen nsemnat asupra desfurrii proceselor ulterioare ale transformrilor de faz a aliajelor de cupru (descompunerea soluiilor solide, transformri eutectoide etc.).

Rezultate foarte bune asupra modificrii structurii cristaline a aliajelor de cupru, se obin prin tratarea cu ultrasunete a topiturilor metalice n timpul solidificrii, care pot genera ruperea vrfurilor dendritelor formate din topitur care, la rndul lor, se pot constitui n germeni de cristalizare.

4.1.3 Particularitile de elaborare a cuprului i aliajelor de cupru n diferite agregate

Criteriile de alegere a tipului agregatului de elaborare a cuprului i a aliajelor pe baz de cupru sunt:

- randamentul de topire;

- consumul de energie;

- pierderile prin oxidare i volatilizare;

- posibiliti de evitare a impurificrii bii metalice cu incluziuni nemetalice solide sau

gazoase;

- obinerea de materiale metalice cu o compoziie chimic ct mai apropiat de cea optim;

- condiii favorabile de desfurare a operaiilor de modificare, rafinare, degazare etc.

Elaborarea n cuptoare cu creuzet. ncrctura cuptoarelor cu creuzet este nclzit cu combustibili solizi, lichizi sau gazoi, i ele putnd fi fixe sau mobile, cu o capacitate de 75200kg. De exemplu, pentru elaborarea unui aliaj Cu-Zn poate fi folosit un astfel de agregat de elaborare ce are o productivitate zilnic de 46,5 tone, iar pierderile totale de elemente prin oxidare i n zgur, pot ajunge pn la 67%.

Avantajele folosirii cuptoarelor cu creuzet pentru elaborarea aliajelor de cupru, sunt:

- trecerea uoar de la elaborarea unui tip de aliaj la altul;

- lipsa de contact ntre baia metalic i atmosfer;

- desfurarea uoar a operaiilor de degazare i rafinare a topiturii.

Figura 4.1 - Cuptor cu creuzet pentru elaborarea aliajelor de cupru (1-creuzet; 2-lingouri; 3-cptueal refractar; 4-carcas; 5-arztor ; 6-capac)

Dezavantaje:

- productivitate sczut;

- consum ridicat de combustibil i de creuzete.

O aplicaie cunoscut a cuptoarelor cu creuzet o constituie tehnologia de elaborare a cuprului i a aliajelor de cupru cu ajutorul lingourilor form, tehnologie ce permite obinerea a dou feluri de lingouri: lingouri omogene, care se obin atunci cnd se introduce n lingotier deeuri din producia proprie, peste care se toarn metalul lichid ce are aceeai compoziie chimic cu acestea. Acest procedeu tehnologic permite obinerea uoar a lingourilor din bronzuri.

lingouri neomogene, care se obin atunci cnd peste prealiajele adugate n lingotier se toarn cuprul topit. Acest procedeu tehnologic prezint urmtoarele avantaje:

- folosind o baie de cupru, se pot realiza mai multe compoziii de aliaje n cantiti diferite;

- calitatea semifabricatelor turnate este mai bun deoarece au loc fenomene de oxidare a componenilor cu o mare afinitate chimic (aluminiu, magneziu, siliciu etc.) provocnd apariia incluziunilor nemetalice so


Recommended