Calculul incarcaturi metalice

Calculul incarcaturi metalice

La elaborarea aliajelor neferoase, la alcatuirea incarcaturii se folosesc materialele disponibile cele mai ieftine, care permit asigurarea conditiilor de calitate impuse aliajului de elaborat.

La alegerea si calculul incarcaturii trebuie sa se tina seama de caracteristicile diferitelor materiale de incarcare si de proprietatile lor fizico-chimice. In afara de aceasta, trebuie sa se tina seama de metoda de elaborare, de constructia agregatului de topire folosit si de felul combustibilului utilizat, deoarece acestea influenteaza in mare masura asupra pierderilor de metal, la topire.

Pentru calculul incarcaturii trebuie sa se cunoasca urmatoarele date:

- compozitia chimica a aliajului care trebuie elaborat;

- compozitia chimica a materialelor din incarcatura;

- pierderile de metal in timpul elaborarii aliajului.

Compozitia chimica a aliajelor care trebuiesc obtinute si limitele admisibile ale continutului diverselor componenete (impuritati metalice) sunt stabilite in standardele de stat.

In majoritatea cazurilor calculul incarcaturii (sarjei) se face pe baza compozitiei chimice medii. Daca se urmareste in mod deosebit o anumita proprietate a aliajului elaborat (fluiditate, tendinta de crapare, rezistenta la corozine), atunci calculul sarjei se face pe baza compozitiei chimice care asigura valoarea optima a proprietatii respective.

Calculul incarcaturii se face de obicei pentru 100 kg aliaj elaborat, adica din calcul se determina cantitatea necesara de materiale de incarcare care trebuie introduse in cuptor pentru a obtine 100 kg aliaj lichid. In calcule se iau in considerare pierderile ce se produc in timpul elaborarii, asa numitele 'pierderi prin ardere'.

'Pierderile prin ardere' se compun din pierderile prin evaporare, pierderile datorita reactiei metalului lichid cu atmosfera din cuptor (deci oxidarii) si pierderile cauzate de reactia aliajului cu captuseala cuptorului. In general, in practica pierderile prin ardere nu sunt luate in considerare pentru toate elementele aliajului, ci numai pentru unul, care prezinta cele mai mari pierderi prin ardere. Se practica si varianta ca pierderile prin ardere sa fie luate in considere prin efectuarea calculului incarcaturii dupa limita superioara a continutului indicat in standard.

Daca este necesar un calcul mai exact al incarcaturii, trebuie sa se calculeze pierderile separat, pentru fiecare component.

In practica, marimea pierderilor prin ardere se stabileste, in functie de constructia cuptorului, pentru fiecare metal si aliaj in parte.

Valorile minime sunt valabile in cazul elaborarii in cuptoare electrice iar valorile de la limita superioara in cazul utilizarii cuptoarelor cu vatra incalzite cu gaz metan. In acelasi timp, in cazul in care incarcatura metalica este formata din materiale cu o suprafata specifica (suprafata/volum) mare (span, stantatura) valorile indicate in tabelul 7. pentru pierderile prin ardere vor fi majorate cu 50100%.

Pierderile prin ardere ale metalului in timpul eleborarii, in [%] Tabel 2.

Marimea pierderilor depinde de compozitia chimica a aliajului, intensitatea reactiilor, conditiile de mediu in timpul topirii, marimea suprafetei de contact a aliajului lichid cu mediul si de gradul de miscare (agitare) a metalului topit.

Alcatuirea incarcaturii se poate face pe baza urmatoarelor variante:

a.) formata numai din metale primare;

b.) formata din metale primare si prealiaje;

c.) formata din metale primare, prealiaje, aliaje secundare, deseuri (propriu sau din exterior) si metale vechi.

In practica, este mai frecvent cazul al treilea (c) de alcatuire a incarcaturii, deoarece la orice intreprindere se formeaza in timpul productiei diferite deseuri care se utilizeaza ca materiale de incarcare.

In tabelul 3. sunt date exemple de componenti ai incarcaturii pentru elaborarea cuprului.

Proportia orientativa a componentilor din incarcaturile metalice folosite la elaborarea aliajului  Tabel 3

La turnarea pieselor, la formarea incarcaturii metalice, se consuma mai multe deseuri, metale vechi si aliaje secundare (de multe ori proportia lor atinge valoarea de 100%), deoarece in cazul aliajelor de turnatorie, proprietatile tehnologice de turnare precum si caracteristicile de exploatare sunt mai putin sensibile la prezenta impuritatilor metalice si a celor nemetalice, aduse de catre incarcatura metalica de o calitate mai slaba.

In cazul in care in alcatuirea incarcaturii intra materiale secundare, deseuri proprii, deseuri exterioare si metale vechi se vor respecta urmatoarele principii:

- deseurile proprii avand aceasi compozitie ca si aliajul elaborat se vor utiliza in totalitate (in orice proportie) si nu se tine seama de prezenta lor la efectuarea calculului incarcaturii;

- cantitatea de deseuri din incarcatura este limitata numai de conditiile de calitate (de nivelul impuritatilor metalice si nemetalice) impuse aliajului elaborat;

- metalele primare si prealiajele se vor utiliza, de regula, pentru corectarea compozitiei chimice si completarea componentelor deficitare din sarja.

In general cantitatea de materiale recirculate (deseuri) este stabilita prin definitie.

1 Etapele calculului incarcaturii:

I. Pe baza compozitiei chimice medii si avand in vedere pierderile prin ardere, se calculeaza continutul in incarcatura al metalelor cu relatia:

Me kg

unde: Me-reprezinta cantitatea metalului in incarcatura solida;

Me-concentratia metalului in aliajul lichid elaborat si corespunde compozitiei chimice medii;

a-pierderile prin ardere, in [%].

II. In etapa urmatoare se stabileste proportia aliajelor secundare, a deseurilor din incarcatura metalica solida. Calculul lor se face astfel incat sa se completeze in incarcatura componentele de aliere deficitare. Calculul se face pornind de la componentul de aliere, care se gaseste in deseuri in cantitatea cea mai mare (facand exceptie metalul de baza din aliaj) si in aliajul elaborat in cantitatea cea mai mica.

III. In aceasta etapa se calculeaza necesarul de prealiaje, respectand regula de la etapa precedenta, adica calculul se face pornind de la componentul de aliere care se gaseste in prealiaj in cantitatea cea mai mare si in aliajul elaborat in cantitatea cea mai mica.

IV. In ultima etapa se calculeaza necesarul de metale primare rezultate din diferenta dintre cantitatea de metal necesara in incarcatura si suma cantitatilor aduse de deseuri, prealiaje si aliaje primare folosite la alcatuirea incarcaturii.

Compozitia chimica STAS 201/2-80 Tabel 4.

a_Si = 5%,  a_Mg = 3%, a_Zn = 2%, a_Al = 3%.

Deseuri proprii 50% = 50 [kg]

100 kg ATCZn10Si7..........82,8 kg Al

50 kg (Dp)................x

100 kg ATCZn10Si7..........10 kg Zn

50 kg (Dp)...............x

100 kg ATCZn10Si7 ..........0,2 kg Mg

50 kg (Dp)................x

100 kg ATCZn10Si7 ..........7 kg Si

50 kg (Dp)................x

m^Mg _Al-Mg = <Mg> - m^Mg_(Dp) = 0,2 - 0,1 = 0,1 kg Mg

100 kg Al-Mg ..........10 kg Mg

x................ 0,1 kg Mg

m^Al _Al-Mg = m _Al-Mg - m^Mg _Al-Mg = 1 - 0,1 = 0,9 kg Al

m^Si _Al-Si = <Si> - m^Si _(Dp) = 7 - 3,5 = 3,5 kg Si

100 kg Al-Si.........50 kg Si

x.............3,5 kg Si

m^Mn _Cu-Mn = <Mn> - m^Mn _CuZn40(Dp) = 3,5 - 1,75 = 1,8 kg Mn

m^Si _Al-Si = m _Al-Si - m^Si _Al-Si = 7 - 3,5 = 3,5 kg Al

100 kg (Dp)..........10,21 kg Zn

50 kg (Dp).............x

m^Mn _Cu-Mn = <Mn> - m^Mn _CuZn40(Dp) = 3,5 - 1,75 = 1,8 kg Mn

m^Zn = <Zn> - m^Al _(Dp) = 10,21 - 5,11 = 5,1 kg Zn-lingouri

m _Al = <Al> - (m^Al _(Dp) + m^Al _Al-Si + m^Al _Al-Mg)

m _Al = 85,36 - (41,4 + 3,5 + 0,9) = 39,56 kg Al

Al-Si - 7

Al-Mg - 1

Fisa de sarjare  Dp. - 50

L-Zn - 5,11

Al - 39,56

102,66 kg de aliaj

2. Ordinea de introducere a componentelor incarcaturii metalice

Cuptoarele de elaborare se construiesc astfel incat topirea cea mai economica se realizeaza la incarcarea lor completa. Din acest punct de vedere, cel mai indicat ar fi ca toate materialele din incarcatura sa fie introduse simultan in spatiul de lucru, dar acest lucru este imposibil de realizat datorita volumului specific mare a incarcaturii si datorita prezentei unor componenti ce au o afinitate chimica mare fata de gaze.

La stabilirea ordinii de introducere a componentilor incarcaturii in agregatul de elaborare trebuie sa tinem seama de raporturile cantitative ale acestora si de proprietatile lor fizico-chimice.

De asemenea diagrama de echilibru termic a aliajului final sau a prealiajelor este de multe ori utila pentru alegerea ordinei de incarcare si de conducere a topirii.

1. De regula, la inceput se introduce componentul de baza si numai dupa topirea acestuia se adauga si celelalte materiale ce compun incarcatura.

2. Este de recomandat ca incarcarea agregatului de topire sa se realizeze in asa fel incat raportul intre suprafata materialelor componente solide si masa lor sa fie minim, ca pierderile la incalzire si topire, prin oxidari si volatilizari sa fie cat mai mici.

In acest sens prima data sunt incarcate bucatile mai mari, sub forma de lingouri, calupuri si/sau catozi; printr-o topire rapida, cu puterea maxima a cuptorului se realizeaza obtinerea baii metalice in care apoi se scufunda incarcatura marunta si dupa aceea bucatile de dimensiuni mijlocii.

3. In vederea scurtarii la maxim a timpului necesar obtinerii baii metalice si realizarea unor consumuri energetice cat mai reduse, primele vor fi incarcate elementele cu cele mai reduse temperaturi de topire, calduri latente de topire mici, calduri specifice reduse si densitati scazute. Acest principiu de incarcare nu se poate respecta in cazul in care la introducerea componentului greu fuzibil se formeaza compozitii intermediare corespunzatoare unor compusi intermetalici greu fuzibili

. 4. Ordinea de introducere a componentilor este determinata si de proprietatile fizico-chimice ale acestora. In vederea micsorarii pierderilor prin ardere, volatilizare si in scopul diminuarii interactiunilor dintre topitura si componentele gazoase din atmosfera cuptorului precum si cu captuseala acestuia, la inceput se introduc elementele mai inerte, mai putin reactive.

Prin urmare, daca unul din componentii incarcaturii are temperatura de fierbere joasa, se oxideaza usor sau reactioneaza cu gazele din atmosfera, el trebuie introdus cu putin timp inaintea turnarii pentru a se evita pierderile prin volatilizare, oxidare sau chiar aparitia unor accidente.

Procesele de volatilizare si de oxidare conduc la micsorarea concentratiei aliajului in componentul ce prezinta valori mari pentru tensiunea de vapori sau/si afinitati marite fata de oxigen.

Viteza de volatilizare este in functie de nature elementului si natura atmosferei cuptorului. In general in atmosferele oxidante pierderile pe calea volatilizarii sunt mai mici deoarece la suprafata aliajului se formeaza o pelicula de oxizi care impiedica evaporarea elementelor usor volatile.

Astfel, in cazul elaborarii alamelor apar pierderi insemnate de zinc pe calea volatilizarii, figura 9, cand procesul nu este condus in conditii corespunzatoare.

Fig. 9. Variatia cu temperatura a tensiunii de vapori a diferitelor metale neferoase.

Deoarece aliajele neferoase de turnatorie, in majoritatea cazurilor, au compozitii chimice complexe trebuie sa tine seama de fenomenele fizico chimice ce se produc la introducerea elementelor de aliere in stare pura, sub forma de aliaje primare si sub forma de prealiaje.

Ca urmare, la introducerea componentilor incarcaturii trebuie sa se tine cont si de efectele termice ce se produc pe timpul alierii. Efectele termice ale reactiilor de dizolvare pot fi negative sau pozitive si sunt redate pe diagramele din sistemele binare.

Efectul termic de dizolvare trebuie luat in considerare, deoarece in cazul unui efect termic pozitiv, uneori se dizvolta atata caldura, incat aliajul se supraincalzeste, iar aceasta contribuie la o saturare mai intensa cu gaze si la oxidare, ceea ce inrautateste calitatea aliajului si mareste pierderile.

Pentru a evita obtinerea de aliaje cu proprietati inferioare datorita impurificarii acestora cu gaze si incluziuni nemetalice solide, datorita supraincalzirilor provocate de dizolvarea componentilor, in practica se procedeaza in modul urmator:

- aluminiul trebuie introdus in metalul topit pe vatra cuptorului, ca caldura degajata sa fie preluata de toata masa aliajului;

- pentru micsorarea supraincalzirii este bine ca aluminiul sa fie introdus impreuna cu metalul de baza ramas de la incarcarea initiala. Astfel, caldura degajata se va consuma la topirea si supraincalzirea componentilor solide.

In concluzie: - la elaborarea aliajelor pe baza de cupru prima data se introduc in cuptor cuprul electrolitic dupa care deseurile proprii sau exterioare si dupa operatia de dezoxidare elementele de aliere in stare pura sau sub forma de prealiaj;

- la elaborarea aliajelor de aluminiu in situatia in care sunt utilizate si aliaje primare, ordinea de incarcare va fi: aliaje primare, aluminiul pur si numai dupa aceea elementele de aliere sub forma de prealiaje