Topituri feroase

8/6/2019 Topituri feroase

1/15

CU P R I N S :

INTRODUCERE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .

3

1 STRUCTURAALIAJELOR FE-C NSTARELICHID . . . . . . . . 4

1.1 SOLUBILITATEACARBONULUINFIER . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 COEFICIENTULDEACTIVITATEALCARBONULUI . . . . . . . . . 4

1.3 INFLUENADIFERITELORELEMENTEASUPRASOLUBILITIICARBONULUI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.4 MODIFICRISTRUCTURALENALIAJELE FE-C . . . . . . . . . . . 5

2 VISCOZITATEAZGURILORLICHIDE . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1DEFINI IE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .

8

2.2 VISCOZITATEAZGURILORDESILICAI, ALUMINAIIFOSFAI . 8

2.3 VISCOZITATEAZGURILORDERAFINAREAOELURILOR . . . . . 122.4 CALCULULVISCOZITIIZGURILOR . . . . . . . . . . . . . . . . . 13


2/15

CERCETAREA AVANSAT A TOPITURILOR FEROASE

STRUCTURA ALIAJELOR Fe-C N STARE LICHIDVISCOZITATEA ZGURILOR LICHIDE

Introducere

Cunoaterea structurii i proprietilor metalelor i aliajelor la temperaturiapropiate de cea de topire este important pentru metalurgie. Lucrrile efectuate nultimele decenii au artat c la aceste temperaturi, lichidele prezint trsturi comune

cu corpurile solide din care provin prin topire, cu meniunea ca ordinea n care suntaranjai atomii n reea este una restrns, care se ntinde pe distane mici (de numaicteva zeci de distane interatomice), denumit ordine apropiat. Deci la temperaturiapropiate de cea de topire, lichidele nu sunt amorfe, ci au o structur, n anumitmsur, asemntoare cu cea a corpurilor solide din care provin.

Lichidele, avnd valori mijlocii ale energiei poteniale i fore de coeziunereduse ntre atomi, nu se caracterizeaz nici prin ordine perfect, ca cea ntlnit lacorpurile solide cristaline, nici prin distribuia haotic a atomilor (moleculelor),caracteristice gazelor. Deci i din punct de vedere structural lichidele ocup un loc

intermediar ntre gaze i corpurile solide.n stare lichid metalele i aliajele au o structur cristalin, caracterizat prin

aranjamentul ordonat al atomilor. Dup topire, structura i proprietile metalelor ialiajelor nu se schimb prea mult, fapt confirmat de urmtoarele cercetriexperimentale:

- variaia densitii la topire este relativ mic; n general metalele imicoreaz densitatea la topire n proporie de 35%, ceea ce nseamn c distanadintre atomi se mrete n medie cu 12%; n cazul fierului pur, densitatea scade latopire cu 3,52%, deci distana medie dintre atomi crete cu 1,52%; la oeluri

densitatea scade la topire cu 4,25,1% n funcie de coninutul de carbon;- la majoritatea metalelor caracterul conductibilitii electrice nu se modific la

trecerea din stare solid n stare lichid, modificarea rezistivitii este mic;- cldura latent de topire i variaia entropiei la topire au valori mult mai mici

dect la vaporizare sau sublimare, deci topirea nu duce la micorarea substanial aforelor de coeziune ntre atomi;

- cldura specific a metalelor sufer modificri foarte mici la topire, deciagitaia termic nu se schimb n mod esenial;

- experienele au artat c n apropierea temperaturii de topire, corpurile

metalice solide posed o anumit fluiditate, iar dup trecerea n stare lichid imenin ntr-o anumit msur proprietile elastice; aceasta arat c topirea isolidificarea conduc la schimbarea calitativ i nu cantitativ a proprietilor


3/15

mecanice ale metalelor.

STRUCTURA ALIAJELOR Fe-C N STARE LICHIDn practic fierul pur se utilizeaz foarte rar. n marea majoritate a cazurilor se

utilizeaz aliaje ale fierului cu diferite elemente acestea constnd n oeluri, fonte,feroaliaje i aliaje speciale.

Pornindu-se de la concepia general asupra strii lichide a metalelor, o serie deautori consider c exist o oarecare asemnare ntre structura aliajelor fierului nstare solid i lichid. Astfel unii autori consider c fonta i oelul nealiat prezint nstare lichid trsturile structurale ale austenitei. J. Chipman a emis prerea coelurile feritice i pstreaz n mare msur caracteristicile structurale i duptopire. V.I. Iavoiski [10] consider c pn la 0,20,3% C oelul lichid aretrsturile structurale ale soluiei solide i , iar la 0,20,3%< [C] < 1,72,0%trsturile soluiei solide (austenita).

1.1 Solubilitatea carbonului n fier

Solubilitatea carbonului n fier, determinat pe baza curbei lichidus posteutectice a diagramei Fe-C, este destul de bine redat de expresia:

[ ] ( CTC 03max 1054,234,1%+= (1)

Dup date mai recente variaia entalpiei de dizolvare a carbonului n fier estegatJH ./280000 = , adic soluia de carbon n fier nu este ideal.

1.2 Coeficientul de activitate al carbonului

Coeficientul de activitate al carbonului n aliajele Fe-C poate fi calculat cuexpresia:

[ ] 196,0;%lg == CCC

CC eCef (2)

ceea ce denot o deviaie negativ fa de legea lui Raoult.Dup unii autori, variaia coeficientului de activitate Raoult al carbonului poate

fi redat prin expresia:

[ ] ( )atCC %049,023,0lg += (3)

Deci sub 5% atomice carbon 1C .


4/15

1.3 Influena diferitelor elemente asupra solubilitii carbonului n fier

Dizolvndu-se n fier, carbonul cedeaz un numr de electroni pentrucompletarea stratului 3d de electroni ai atomilor de fier. Deci solubilitatea carbonuluidepinde de gradul n care electronii si sunt asimilabili de ctre atomii metalici. Deaceea, prezena n aliajele fierului cu carbonul a unor elemente, ca Mn, Cr, V, Ti etc,la care numrul de electroni n substraturile exterioare (de exemplu 3d) este mai micdect la fier, favorizeaz dizolvarea carbonului, deci mrete solubilitatea acestuia,deoarece pot prelua un numr de electroni ai carbonului. Dimpotriv, alte elemente,cum ar fi Co, Ni, Cu etc. care au n substratul 3d un numr mai mare de electronidect fierul, micoreaz solubilitatea carbonului n fier (figura 1 i tabelul 1).

1.4 Modificri structurale n aliajele Fe-CO serie de lucrri experimentale conduc la concluzia c aliajele Fe-C n stare

lichid prezint ntr-adevr unele modificri structurale la circa 0,20,35% C i lacirca 2% C. Astfel, viscozitatea aliajelor Fe-C prezint un minim la la 0,150,20% Ci un maxim la 0,30,4% C. Punctele caracteristice de la 0,150,20% C i 0,30,4% C indic o modalitate a ordinei apropiate n structura acestor aliaje. Concluziade mai sus este confirmat de lucrri privind determinarea altor proprieti alealiajelor Fe-C ntr-un interval de temperatur. Izotermele obinute sunt prezentate nfigura 2.

Se observ c i izotermele altor proprieti ale acestor aliaje prezint douinflexiuni clare: una la 0,150,20% C, iar alta la 0,30,4% C.

Fig. 1 Influena diferitelorelemente asupra solubilitii

carbonului n fier.


5/15

Rezultatele experimentale din figurile 2 i 3 sunt explicate prin prismastructurii microneomogene a topiturilor metalice. Ei presupun c la topire n fierullichid se pstreaz o cvasistructur de tip C.V.C. Procesul de trecere de la structuraC.V.C. la structura C.F.C. se ncheie, se pare, la circa 0,30,5% C.

Comparaia ntre izotermele proprietilor i diagrama Fe-C arat c minimulizotermelor, i corespunde punctului J( 0,17% C) de pe diagrama Fe-C, iarminimul izotermei este apropiat de punctulH(0,09% C).

Dup unii autori aliajele Fe-C cu peste 2% C au o structur coloidal.In sistemele Fe-C-O interaciunea atomic este i mai complex, ceea ce face

variaia proprietilor funcie de compoziie s aib un caracter complicat. Astfel,viscozitatea cinematic la 1600C poate fi calculat cu relaia:

[ ] [ ] [ ][ ] [ ]

[ ] [ ] [ ] [ ][ ] [ ]

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]smOCOCOCOCOCO

COCOC

/10649,110987,11042,1

462,410511,110691,110032,4

65,1210449,110755,239,1834,10

22263337

326244

243

++

+

+++=

(4)

Tabelul 1Influena unor elemente de aliere asupra

solubilitii carbonului n fier

Elementul, E

Configuraia electronic[ ][ ]EC

%

%

N =3 N = 4

s p d s p d

Ti 2 6 2 2 - - + 0.17

V 2 6 3 2 - - + 0,13

Cr 2 6 5 1 - - + 0,09

Mn 2 6 5 2 - - + 0,04

Fe 2 6 6 2 - - 0

Co 2 6 7 2 - - - 0,03

Ni 2 6 8 2 - - - 0,07Cu 2 6 10 1 - - - 0,2

Al 2 1 - - - - - 0,25

P 2 3 - - - - - 0,35

Si 2 2 - - - - - 0,30

S 2 4 - - - - - 0,4


6/15

Din analiza relaiei de mai sus rezult c influena carbonului asupraviscozitii depinde i de coninutul de oxigen i invers. Astfel, la un coninut deoxigen de 0,001% pe izoterma viscozitii se observ un minim la 0,60,7% C, iar la0,00030,0006% O, un minim la 0,30,4% C.

n topiturile cu mai puin de 0,2% C creterea coninutului de oxigen conducela scderea viscozitii, la 2% C oxigenul nu influeneaz practic viscozitatea n timpce la 0250,7% C creterea concentraiei de oxigen determin creterea viscozitiialiajului.

De reinut c i n aceste topituri se evideniaz concentraiile critice de 0,2%C i 0,30,4% C, menionate i n analizarea structurii aliajelor Fe-C.

Fig. 2 Variaia proprietilor aliajelor Fe-Ccu coninutul de carbon: a - densitatea,

b - viscozitatea cinematic, c - energia deactvare a viscozitii, d - tensiunea

superficial, e-susceptibilitatea magnetic,f - diagrama de echilibru Fe-C.

Fig. 3 Variaia cu coninutulde carbon a volumului specific

al aliajelor Fe-C topite.


7/15

2. VISCOZITATEA ZGURILOR LICHIDE

Interaciunea dintre faza metalic i zgur are loc n stare lichid. De aceea pentru siderurgie este foarte important cunoaterea structurii i a proprietilor

zgurilor n stare lichid.Procesele care au loc n agregatele metalurgice depind n mare msur de

mobilitatea ionilor din zgur. Aceasta i are expresia n viscozitatea zgurii. Zgurileviscoase mpiedic difuzia substanelor i transmisia de cldur. n plus, zgurileviscoase se evacueaz dificil din agregatele metalurgice i contribuie la pierdereaunei cantiti nsemnate de metal sub form de picturi nglobate n ele.

2.1 Defini ie

Viscozitatea reflect frecarea interioar dintre straturile fluidului datoritvitezelor diferite cu care acestea se deplaseaz sub aciunea unei fore exterioare.Fora de frecare interioar este dat de ecuaia lui Newton:

dr

dwSF = (5)

unde: F este fora de frecare, n N;S suprafaa de contact ntre straturi, n m2;

dr

dw gradientul de vitez pe normala la curgerea vscoas, 1/s2;

coeficientul de viscozitate dinamic, n Ns/m2.Viscozitatea cinematic este:

= , m2/s (6)

unde este densitatea lichidului, n kg/m3.Se observ c viscozitatea zgurilor este mult mai mare dect a metalelor n

stare lichid i a srurilor topite. n mod normal ea este cuprins ntre 0,02 i 0,8Ns/m2. n unele cazuri, viscozitatea zgurilor acide poate atinge 15 Ns/m2 i chiar maimult.

2.2 Viscozitatea zgurilor de silicai, aluminai i fosfai utilizate laelaborarea aliajelor feroase

Variaia viscozitii majoritii zgurilor silicatice, aluminoase i fosfatice cutemperatura este bine redat de expresia:

2RT

Ev

Ae= , Ns/m2 (7)

unde:A este un factor aproximativ constant pentru un anumit tip de zgur (depinde


8/15

de compoziia zgurii);Ev energia de activare a curgerii vscoase.Reprezentareagrafic a expresiei de mai sus este dat n figura 4.

n relaia(7) temperatura este la ptrat pentru c nsi energia de activare Evdepindede temperatur, care, dup cum se tie, influeneaz asupra formei i mrimiianionilor compleci care au rol determinant n curgerea vscoas. n cazul silicailor,creterea temperaturii duce la micorarea dimensiunilor anionilor compleci, ceea cemicoreaz energia de activareEvi viscozitatea (pe dou ci).

La temperaturi suficient de nalte, viscozitatea zgurilor bazice este mai mic

dect a celor acide. Aceasta se explic prin faptul c zgurile bazice sunt formate dinuniti structurale mai mici i deci mai mobile dect cele acide.

De obicei, pentru a se stabili variaia vscozitii n funcie de compoziiachimic a zgurii, se folosesc izotermele (sau curbele de nclzire egal peste linialichidus a diagramei de echilibru). n momentul de fa exist expresii empirice careexprim variaia vscozitii n funcie de coninutul diferiilor componeni.

n zgurile de tipul silicailor, influena caracteristicilor anionilor compleciasupra viscozitii este determinant, deoarece viscozitatea este determinat demobilitatea elementelor de curgere. n silicai cea mai mic mobilitate o au anionii

compleci. Cu ct zgura este mai acid, cu att anionii compleci au o structur maicomplicat datorit polimerizrii i dimensiunile lor sunt mai mari. Prezena acestoraface ca zgura s aib viscozitate mai mare dect electroliii topii n care anionii attde mari lipsesc.

Influena anionilor simpli i a cationilor nu poate fi neglijat, dar incomparabilmai mic dect a anionilor compleci. Influena cationilor se manifest mai multindirect, adic nu att prin mrimea lor, ct prin fora de interaciune cu anionii,influennd energia de activare,Ev, figura 5.

n zgurile mai bazice dect ortosilicaii (NSiO2


9/15

Variaia viscozitii funcie de compoziia chimic este prezentat n figurile 6i 7,pentru zgurile binare, respectiv complexe.

Alumina acioneaz la fel ca i silicea, fiind tot un oxid formator de reea, darn termeni molari ea nu este echivalent cu silicea, de aceea n privina influenriiviscozitii alumina are un echivalent n silice, Na, care depinde de raportulAl2O3/CaO i de coninutul de Al2O3(fig.8).

In figura 9 este prezentat variaia viscozitii zgurilor din sistemul CaO-Al2O3-SiO2-MgO n funcie de suma NSiO2+Na, la diferite temperaturi. n acelai sistem, FeO

pn la 16 % (mol) acioneaz identic cu CaO, peste aceast valoare FeO micoreazmai mult viscozitatea dect CaO sau MgO (figura 10). In acest grafic NCaO =NCaO+NMgO.

Fig. 6 Variaia viscozitii nsistemul CaO-SiO2.

Fig. 7 Variaia viscozitii zgurilorfuncie de bazicitate(CaO/SiO2).

Fig. 8 Echivalentul n silice al Al2O3 funciede concentraia molar a aluminei i de

raportul concentraiilor molare Al2O3 i CaO.

Fig. 5 Influena cationilorasupra viscozitii


10/15

Fluorina (CaF2) i alte fluoruri micoreaz viscozitatea zgurilor datoritmobilitii cationilor de CaF+. Un exemplu este dat n figura 11 pentru o zgur baziccu compoziia: 51,7% CaO, 3,2% MgO, 12,7% Al2O3, 32,4%SiO2 i altul n fig. 12

pentru o zgur acid cu compoziia: 50% SiO2, 15% Al2O3, 35% CaO.In figurile 13 i 14 sunt prezentate liniile de izoviscozitate n sistemul CaO-

Al2O3-SiO2 caracteristic zgurilor de furnal i CaO-FeO-SiO2 caracteristic zguriloroxidante de la elaborarea oelurilor.

Fig. 10 Influena FeO asupra viscozitii nsistemul CaO MgO - Al2O3 --SiO2 FeO.

Fig. 11 Influena CaF2 i MgF2 asupraviscozitii zgurii bazice.

Fig. 12 Influena CaF2 asupraviscozitii zgurii acide.

Fig. 9 Viscozitatea zgurilor nsistemul CaO - Al2O3SiO2 MgO


11/15

2.3 Viscozitatea zgurilor de rafinare a oelurilor

Aceste zguri se ncadreaz n sistemele CaO-Al2O3 (CaO/Al2O3 =1); CaO-SiO2-CaF2 (tratarea oelului n oal); Al2O3-CaF2 sau CaO- Al2O3-flux (CaF2, Na3AlF6,

NaO etc.); CaO-Al2O3- SiO2-flux (retopirea electric sub zgur) etc. i au n generalviscozitatea mic (0,010,05 Ns/m2). Zgurile pentru retopirea electric cu circa 70%CaF2 au viscozitatea de 0,010,015 Ns/m2.

n sistemul CaO-Al2O3 alumina micoreaz, la coninuturi mici, viscozitatea,dar peste 4345% o mrete(fig. 15).n sistemul CaO-Al2O3-SiO2, silicea mreteviscozitatea zgurilor de rafinare (fig. 16).

In zgurile de rafinare calcoaluminoase pure sau cu puin silice, variaia

Fig. 13 Liniile de izoviscozitate n sistemulCaO - Al2O3 SiO2 la 1450C

Fig. 14 Liniile de izoviscozitate nsistemul CaO FeO SiO2

Fig. 15 Izotermele viscozitiizgurilor CaO Al2O3.

Fig. 16 Izotermele viscozitii zgurilorde rafinare de tip CaO Al2O3 SiO2.


12/15

viscozitii cu temperatura urmeaz legea de baz Eyring-Frenkel:

RT

Ev

eA = (8)

n figura 17sunt prezentate diagramele ternare de izoviscozitate ale zgurilor de

rafinare de tip CaO-SiO2-MgO-Al2O3 (a) i 20% Al2O3 (b). Zona haurat este zgurcu bazicitate optim, cu 712 % MgO. Compoziiile care asigur cel mai micitemperaturi de topire i viscozitate mic sunt prezentate n tabelul 2.

Viscozitatea zgurilor folosite la turnarea continu a oelurilor ca zguri deacoperire i de lubrefiere n cristalizor trebuie s aib viscoziti mici de 0,030,05

Ns/m2.Tabelul 2

Temperaturile lichidus ale unor zguri de rafinareCompoziia chimic, % Temperatura

lichidus, CCaO SiO2 Al2O3 MgO55 - 45 - 145045 25 20 10 150050 20 20 10 1550

2.4 Calculul viscozitii zgurilor

Calculul viscozitii [Ns/m2] n funcie de compoziie se poate face cu formule

empirice:1) Pentru zguri bazice de furnalcu compoziia: 010% MgO, 410%Al2O3,0,11,0%MnO, 0,20,9%FeO, 1,42,3%S i CaO/SiO2=1,42,3, la t=1500C:

( ) ( ) [ ]223232 02,269,2ln31,0%33,562,261,0 BBOAlOAl +++= ; [ ]2/mNs (9)

( ) ( )( )

2%

%%

SiO

MgOCaOB

+= (10)

2)Pentru zguri acide de furnalcu: 3757%SiO2, 1030% Al2O3, 2242%CaOi 727%MgO la temperaturi de 1400C. Coninuturile procentuale reale secalculeaz astfel nct suma lor s fie 100%.


13/15

( ) ( ) ( ) ( )[ ]

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

+

+++=

MC a OM g OOA lC a OOA l

M g OS i OC a OS i OOA lS i O

M g OC a OOA lS i O

%%3 9,1 3%%4 8,1 1 7%%8 8,1 2 8

%%2 2,1 3 7%%4,1 4 8%4 8,5 91 0

%8 3,2 9%1 2,3 6%2 0,4 7%8 0,3 51 0

3232

223224

322

2

(11)

Pentru zgurile acide de furnal cu B=0,71,4 se poate utiliza i relaia:

45,0

49,0

=

B , [ ]2/mNs (11)

unde bazicitatea B se calculeaz cu relaia:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )322

2

%%

%%%%%%%

OA lSiO

FeSCaSONaMnOFeOMgOCaOB = (12)


14/15

3) Pentru zguri bazice de oelrie, oxidante cu: 1825% SiO2, 2848% CaO,918% MnO, 511% Al2O3, 714% FeO, 0,73,5% Fe2O3, 1318% MgO, 13% P2O5, 0,10,3% S, la 1600C.

[ ] ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 88,1%17,1%0232,0%0201,0%0322,0%0165,0

%0455,0%022,0%0178,0%0509,010lg

5232

322

++++

++=

OPSMgOOFeFeO

OAlMnOCaOSiO

[ ]2

/mNs

(13)

4) Pentru zguri folosite la turnarea continu, cu compoziia: 3556% SiO2,1245% CaO, 011% Al2O3, 020%Na2O, 020%CaF2.

T

B

eTA =,

[ ]2/mNs (14)

unde:

Fig. 11 Viscozitatea zgurilor de rafinare de tipCaO SiO2 MgO - Al2O3 la 1550C.


15/15

ONaCaFCaOOAl NNNNA 2232 02,782,573,175,3581,19ln ++++= ; A n KmNs2

/ (67)

....39519463512389668833311402232 ONaCaFCaOOAl

NNNNB += (15)

Relaia (66) se poate utiliza i pentru zgurile de rafinare coninnd fluxuri.Pentru coninuturi mici de MgO i MnO, NCaO se poate lua ca:

NCaO + NMnO + NMgO.

5). Pentru zguri folosite la retopirea electric sub zgur, cu compoziia: 43,668,0% CaF2, 7,440,6% CaO, 14,323,0% Al2O3, 1,51,6% SiO2, se poate utilizarelaia [16] valabil la 1500C:

++=

CaFAlOAlOFSiONNNN 698,0107,0250,1220,1ln

2244

, [ ]2/mNs (16)

iar pentru zguri cu compoziia: 35,845,0% CaF2, 33,334,5% CaO, 11,815,1%Al2O3 i 5,419,1% SiO2, pentru 1500C este:

+ += CaFAlOAlOFSiONNNN 330,1920,0600,0220,1ln

2244

, [ ]2/mNs (17)

6) Pentru zguri cu 6070% CaF2 + 2224% Al2O3 +0,52%SiO2+16%CaO(ANF6), larg utilizate pentru REZ, variaia viscozitii cu temperatura este dat derelaia:

( ) 3 4,1 41

1 02 4,21 0ln 4 = T

, [ ]2/mNs (18)

n zgurile de rafinare din sistemul CaO-Al2O3-SiO2 +flux, energia de activare aviscozitii este de 117156,4 kJ/mol.

Documents

Topituri feroase