Curs 11 LMMedii lichide de nclzire i rcire. Msuri de prevenire a polurii mediului la operaiile de utilizare a mediilor lichide de nclzire i rcire (bi de topituri de sruri, metale topite). A. Msuri de protecia mediului i a securitaii personalului la operaia de nclzire la tratamentele termice i termochimiceCa medii lichide de incalzire se folosesc metale i sruri topite. Aceste medii sunt mai avantajoase dect cele gazoase deoarece vitezele de ncalzire sunt de 2-4 ori mai mari. Mediile metalice sunt folosite numai pentru nclzire local pentru clire i revenire, avnd n vedere capacitatea lor de incalzire. Cnd este necesar s se inclzeasc numai o parte din volumul piesei (in cazurile de clire local, revenire etc.), nclzirea trebuie s se realizeze ntr-un timp ct mai scurt, pentru a mpiedica nclzirea restului piesei la temperaturi superioare celor admisibile. In acest scop, se folosesc medii care ncalzesc rapid, in primul rand, metalele topite.Utilizarea mediilor lichide (bi de topituri de sruri i metale) pentru nclzire necesit cunoaterea i evitarea pericolelor ce pot aprea n utilizarea lor.

Srurile utilizate pentru formarea bilor (NaCl, NaCN, Na2CO3, NaNO2, NaNO4, K2O3 etc.) se pstreaz n ambalaje speciale, ermetic nchise, n magazii uscate, evitndu-se totodata impurificarea lor cu substane strine. La formarea i remprosptarea bilor se vor utiliza numai sruri uscate; creuzetul bii se va umple cu sruri topite pn la nivelul reprezentnd 3/4 din nlime, pentru a preveni revrsarea i mprocarea topiturii n timpul desfurrii reaciilor chimice. Srurile topite (folosite mai ales la inclzirea in vederea calirii, clirii locale si revenirii) reprezint medii la care viteza de inclzire este de circa dou ori mai mic dect a metalelor topite.La inclzirea pieselor in cuptoare electrice sau cu flacr obinuite, pe lng vitezele reduse de inclzire, au loc fenomene mai mult sau mai putin intense de decarburare i oxidare. De asemenea, in unele cazuri nu se reueste s se evite oxidarea metalului in timpul transportului de la cuptor spre baia de aliere.Inclzirea in bi de sruri topite nu prezint aceste dezavantaje. La fel ca la inclzirea in atmosfere neutre, inclzirea in bi de sruri nu produce oxidare i decarburare. Piesele nu se oxideaz in timpul transportului de la baia de sruri la baia de clire deoarece sunt acoperite cu o pelicul subire, protectoare, de sruri.Pentru tratament termic se folosesc cloruri, carbonai (azotai) ai metalelor alcaline si alcalino-pmntoase ca bariul, sodiul, potasiul i calciul.In funcie de intervalul temperaturilor de lucru, srurile se mpart n trei grupe principale:a) Sruri pentru temperaturi nalte (1000-1300C). Pentru acest interval de temperaturi, folosite de obicei pentru clirea oelurilor rapide, precum i pentru anumite oeluri de matrite, oteluri i aliaje inoxidabile i refractare, se foloseste clorura de bariu, uneori cu un adaos de 5-7% acid boric. Clorura de bariu (BaCl2) are temperatura de topire 960C, putnd fi utilizat la temperaturile prezentate. Clorura de bariu topit dizolv oxigen, care poate provoca decarburarea pieselor de oel care se nclzesc Pentru a preveni decarburarea pieselor, baia se dezoxideaz periodic cu siliciu, la adugarea cruia are loc reacia:2 BaO + Si 2 Ba + SiO2SiO2 se separ gravitaional pe fundul bii. Clorura de bariu, ca i celelalte sruri folosite pentru tratament termic, se dizolv n ap; de aceea peliculele de sruri rmase pe suprafeele pieselor se indeprteaz uor prin splare cu ap.b) Sruri pentru temperaturi medii (750-900C). Acest interval de temperaturi corespunde temperaturilor de inclzire pentru clirea oelurilor carbon, slab i mediu aliate. Pentru temperaturi de lucru de 750-800C, temperatura de topire a srurilor trebuie s fie de 650-700C. Aceast condiie nu este satisfacut de clorurile pure (temperatura de topire a NaCl este 801C, a KCl este 790C, iar a CaCl2 este 780C).Trebuie s se tind ca temperatura de lucru s fie pe ct posibil cu 150-200C mai inalt dect temperatura de topire a amestecului de sruri, deoarece o supranclzire prea mic a srurilor peste temperatura de inclzire nu este suficient ca fluiditatea amestecului s asigure o vitez rapid de nclzire a pieselor.Bile cu compoziia dat pot fi alcatuite din sruri pure (tehnice), ins este foarte important folosirea unor minerale naturale, cum ar fi carnalit sau silvinit; ultimul mineral este mai ieftin fiind alctuit din aproxirnativ o parte KCl i trei parti NaCl.Tabel 1. Cele mai utilizate amestecuri de cloruri binare

Compozitia amestecului de sruriTemperatura de topire complet, CIntervalul temperaturilor de utilizare, C

78% BaCl2 + 22% NaCl640750-900

67% BaCl2 + 33% NaCl670750-900

50% KCl + 50% NaCl670750-900

50% NaCl + 50% K2CO3600700-820

20% KCl + 60% NaCl + 20% Na2CO3700770-900

Viteza de inclzire la peste 800C a tuturor srurilor este practic aceeai. Clorurile sunt medii uor decarburante, dar in procesul de exploatare, prin dizolvarea oxigenului din aer in baia lichid, se formeaz oxizi ai metalelor alcaline i alcalino-pmntoase; baia devine decarburant. Pentru a evita aciunea decarburant a bii, se adaug periodic compui carburani cu aciune intens, de obicei ferocianur de potasiu (K4Fe(CN)6).c) Sruri pentru temperaturi joase (150-600C). Pentru tratamente termice la temperaturi mai coborate se folosesc bi de saruri de azotai (NaNO3, KNO3) i azotii (NaNO2, KNO2) precum i amestecurile lor.

Temperaturile de topire ale amestecurilor de sruri din sistemulNaNO3-NaNO2-KNO2-KNO3 sunt prezentate in figura 1. Din aceast diagram rezult c amestecurile mai uor fuzibile (temperatura de topire la circa 150C) sunt KNO3-NaNO2 sau NaNO3-KNO2, n raport aproximativ de 1:1 (centrul ptratului). Amestecul de azotai cu temperatura de topire cea mai cobort este alctuit din KNO3-NaNO3 (temperatur de topire de circa 220C), la un raport de 1:1.Fig. 1. Diagramele de echilibru ale sistemului NaNO3-NaNO2-KNO2-KNO3 (seciuni izoterme ale suprafeelor lichidus)Tabelul 2. Compoziiile, temperaturile de topire i utilizare ale srurilor folosite uzual in practica industrialCompoziia srurilorTemperatura de topire, CIntervalul temperaturilor de utilizare, C

NaNO3310400-550

50% NaNO3 + 50% KNO3220250-500

50% NaNO2 + 50% KNO2150180-550

50% CaCl2 +30% BaCl2 +20% NaCl430500-650

Srurile de azotati nu pot fi folosite la temperaturi mai mari de 550C ntruct se descompun, reacioneaz cu fierul cu degajare mare de cldur, ceea ce poate duce chiar la explozie. Avnd in vedere c srurile de sodiu sunt mai ieftine dect cele de potasiu, iar azotaii sunt mai ieftini decat azotiii, trebuie s se foloseasc NaNO3 pentru intervalul 400-550C, amestecul NaNO3-KNO2 pentru intervalul 250-400C i amestecul NaNO3-KNO2 pentru intervalul 170-250C; pentru intervalul 500-550C trebuie s se foloseasc un amestec ternar de cloruri.Inclzirea n aceste sruri la temperaturile indicate nu este insoit de fenomene de oxidare i decarburare, de aceea nu sunt necesare msuri de prevenire a acestora.1. Utilizarea bilor de azotai la operaia de nclzireIn cazul n care se utilizeaz azotai (nitrai), trebuie s se in seama de faptul c nu este permis s se nclzeasc azotaii la o temperatur mai mare de 550C, deoarece peste aceast temperatur ei se descompun (550...600C) i exist pericolul s reacioneze cu materialul bii (oel sau font) i s provoace o explozie.Nitratul de amoniu (sau salpetru de amoniu) este o sare care ia natere din amoniac i acid azotic. Nitratul de amoniu face parte din ngrmintele naturale azotate i este parte component a unor explozivi.

La nclzire (T < 300 C) nitratul de amoniu se descompune n ap i oxid de azot:

La nclzire mai intens (T > 300C) se descompune n ap, azot i oxigen:

Ambii atomi de azot au atins pragul de oxidare (0). O astfel de reacie cnd un element este oxidat de acelai element, explic puterea exploziei prin transformarea rapid a nitratului de amoniu din starea de agregare solid direct n cea gazoas (azot, oxigen, i vapori de ap). Recuperarea acidului azotic se realizeaz prin reacia cu acidul sulfuric concentrat i distilare:

Nitratul de amoniu ntreine arderea, iar la supranclzire poate exploda (din aceast cauz este folosit ca ngrmnt numai sub form de amestec cu alte substane).

Nitratul de potasiu (salpetrul de Chile) este o sare a acidului azotic.Nitratul de potasiu se prezint sub form cristale incolore, care se dizolv cu absorbie de temperatur (reacie endoterm) n ap. Prin nclzire la peste 400C se descompune n nitrit de potasiu i oxigen:

Nitratul de potasiu este mult mai higroscopic ca ceilali nitrai.Bile de salpetru se folosesc la tratarea termic a aliajelor de aluminiu i magneziu.Alte utilizri: se folosete n procesul de saramurare al produselor alimentare, la obinerea prafului de puc sau alt produse pirotehnice; este folosit la producerea grenadelor fumigene, la obinerea ngrmintelor chimice. Amestecul de 60% NaNO3 + 40% KNO3 se topete la 222C, este un bun conductor de cldur, fiind folosit la celulele solare.Exist numeroase metode de obinere a azotatului de potasiu din alte sruri combinate cu acidul azotic:

Un alt nitrat frecvent folosit n practica tratamentelor termice este nitratul de sodiu NaNO3.

De exemplu, piesele din oeluri de rulmenti se supun clirii n trepte cu menineri la 150160C n topituri de sruri cu compoziia : 55% KNO3, 45% NaNO3, cu un adaos de 2-3% ap.Alegerea tipurilor de sruri ce urmeaz sa constituie baia de topituri poate fi fcut dup indicaiile din tabelul 3.Ptrunderea apei n baia cu azotai provoac explozie; de aceea, trebuie s se ia toate msurile de precauie, pentru ca umiditatea s nu ptrund n baie (prin capac, prin scule). Azotaii proaspei pot fi adugai n baie numai n stare uscat, de asemenea piesele ce se introduc n baie trebuie s fie uscate. Pentru pstrarea azotailor se folosesc ambalaje metalice, din cauza pericolului de incendiu. In caz de incendiu, nu este permis stingerea azotailor cu spum sau nisip umed, deoarece provoac explozie. De aceea, trebuie s se foloseasc numai nisip uscat.Tabelul 3. Temperaturi de topire i utilizare ale diferitelor tipuri de bi de sruriTipul biiTtopire , [C]Tutilizare, [C]

NaNO2284350-600

NaNO3317350-600

Amestecuri de azotai i azotiiSR 140140160 - 500

SR 220220300 - 550

Cloruri simpleNaCl808850 - 1100

KCl725750 - 1050

Amestecuri de cloruriSC 430430480 - 750

SC 630630700 - 950

SC 9609601050 - 1300

Sare neutr (Carboneutral)9201000 - 1300

Plumb3271050 - 1300

2. Utilizarea cianurilor la operaia de nclzireCianurile sunt substane chimice care conin cel putin un grup cian (CN), care const ntr-un atom de carbon n legtur tripl cu unul de azot. Anionul CN- este deasemenea cunoscut ca ion cianur. Cianurile metalelor alcaline sunt cunoscute ca fiind otrvuri, n acest scop folosindu-se n principal cianura de potasiu (KCN).

Cianura de potasiu are formula chimic KCN, fiind o sare a acidului cianhidric HCN.

Cianura de potasiu se prezint sub form de cristale incolore cu miros de migdale amare. Cu acizi slabi ca acidul carbonic se elibereaz acidul cianhidric. Dac se afl pentru un timp mai ndelungat n contact cu aerul, formeaz cu bioxidul de carbon carbonat de potasiu.

Obinerea se face din acid cianhidric i hidroxid de potasiu:

Trebuie evitat formarea prafului cu orice pre la manipularea substanei. Personalul trebuie s poarte mti i mnui de protecie, deoarece cianura de potasiu se poate absorbi i prin piele. Depozitarea se face n recipiente etichetate, nchise ermetic i n condiii uscate i la temperaturi sczute. Metoda de depistare a ionilor de cianur (CN) se face cu sulfatul de fier care se coloreaz n albastru, prin formarea de albastru de Berlin (Fe7N18C18).Cianura de sodiu este un compus anorganic cu formula NaCN. Aceast sare cu toxicitate ridicat este utilizat n principal n exploatarea aurului, dar are i alte aplicaii.

Utilizarea topiturilor pe baz de cianuri impune luarea unor msuri de precauie deosebit, datorit aciunii foarte toxice a acestor sruri.Trebuie asigurat o ventilaie puternic a locului de munc, piesele introduse s fie uscate, personalul de deservire trebuie s poarte obligatoriu mnui si ochelari, ncrcarea srurilor n baie s se fac n cantiti mici, pentru a se evita revrsarea bii lichide peste creuzet. In fiecare zi trebuie s se spele dispozitivele i sculele ntr-un bazin cu ap cald neutralizat apoi cu sulfat feros, pentru a fi curite de srurile lipite de ele. Depozitarea cianurilor se face n lzi de tabl de otel zincat n interior i depozitate n magazii speciale, utilate cu sistem de ventilaie. Dintre msurile ce trebuie respectate de ctre personalul de deservire se menioneaz urmtoarele: se interzice a se mnca i fuma n sectorul respectiv, se impune splarea ngrijit a minilor nainte de a mnca i fuma; n cazul n care lucrtorii au zgrieturi pe mini, rni deschise etc. nainte de nceperea lucrului trebuie s se adreseze cabinetului medical pentru control i pansament. Dac cei ce lucreaz n sectorul respectiv simt dureri de cap, vjituri n urechi, sufocare etc. trebuie s se adreseze imediat medicului.

Cianurile de sodiu i potasiu se pstreaz i se manipuleaz n condiii stabilite de legislaia n vigoare, operaiile respective fiind efectuate numai de ctre persoanele instruite i autorizate n mod special. Depozitarea cianurilor se face n ncperi separate, sigilate, prevzute cu ventilaie n care nu se mai pstreaza alte materiale. La exploatarea bilor cu cianuri se vor lua msuri pentru a se mpiedica inhalarea gazelor degajate de aceste bi, de ctre operator, fapt pentru care se va lucra numai cu bi ventilate.Dispozitivele i sculele folosite pentru manipularea cianurilor vor fi splate i neutralizate dup fiecare ntrebuinare i nu se vor folosi n alte scopuri. Ele vor fi pstrate n ncaperi bine nchise.In ceea ce privete neutralizarea reziduurilor toxice cu coninut de cianuri rezultate din procesele de tratamente termochimice in bi de sruri., aceasta se poate face prin transformarea cianurilor n cianati prin calcinare oxidativ si descompunerea termic a acestora n carbonati i azot molecular.Procesul se desfoar in cuptoare cu aer atmosferic, la temperaturi cuprinse intre 700-1000C. Se pot utiliza chiar cuptoarele de tratamente termice ale sectiilor generatoare de astfel de reziduuri. Randamentul de neutralizare al cianurilor din reziduuri este de peste 95%. In condiiile alegerii optime a grosimii stratului de reziduu supus calcinarii, randamentul poate fi considerabil imbunatatit chiar la temperaturi mai mici de 1000C.

Avantajele metodei sunt: neutralizarea cianurilor pn la compui netoxici;

posibilitatea recirculrii in procent de 60% a prii inactive a bii;

investiii reduse;

control simplu al procesului.3. Utilizarea bilor metalice la operaia de nclzire

Metalul folosit ca mediu de inclzire trebuie s satisfac anumite condiii: s aib temperatura de topire mai cobort dect temperatura de tratament termic i, in stare lichid, s nu dizolve din materialul metalic al pieselor; de asemenea, s fie cat mai putin toxic in stare lichid.Pb, Bi, Mg pot fi utilizate ca medii de inclzire in diverse intervale de temperatur, prezentnd in raport cu fierul o lips total de miscibilitate n faz lichid i solid. Dintre metalele uzual intlnite n practica industrial numai Pb, Bi i Mg formeaz cu Fe un astfel de echilibru, adic prezint temperaturi de topire suficient de coborte fr a dizolva Fe. Aceste metale pot fi folosite ca medii de inclzire in cazul tratamentelor termice la temperaturi superioare punctelor de topire, adica peste 327, 269 i respectiv 657C. Totui, dintre aceste trei metale, numai plumbul este folosit practic in acest scop; bismutul este prea scump, iar magneziul prezinta pericol de explozie.Plumbul poate servi pentru reveniri locale i pentru clire superficial local. De obicei, temperatura bii de plumb trebuie s fie cu 50-100C mai nalt decat temperatura la care se inclzeste efectiv metalul care se trateaz termic. Preul de cost ridicat, faptul c plumbul este deficitar i eman vapori toxici, consumul mare din cauza pierderilor de plumb care ader la pies la scoaterea din baie fac, ns, ca acest mediu de incalzire s fie din ce in ce mai putin utilizat in practica industrial.In calitate de mediu metalic de nclzire s-a propus i folosit aluminiul i aliajele sale; spre deosebire ins de plumb, bismut i magneziu, aluminiul topit dizolv fierul, fiind necesare unele msuri pentru evitarea acestui fenomen. In afar de aceasta, se recomand coborrea temperaturii de topire a acestui metal folosit ca mediu de incalzire.Prima condiie se satisface prin saturarea topiturii lichide cu achii de fier (pna la 10% Fe), fapt pentru care dizolvarea pieselor in acest mediu scade de 4-6 ori. A doua condiie poate fi satisfcut prin inlocuirea aluminiului pur cu silumin (aliaj Al + 12% Si) cu compoziie apropiat de cea eutectic (577C).Practic, la inclzirea pentru unele tratamente termice (temperatura topiturii 600-750C) nu sunt necesare msuri de protejare a pieselor contra dizolvrii; in cazul unor temperaturi mai mari (de exemplu pentru clire 850-900C), piesele trebuie protejate prin vopsire cu lapte de var sau vopsele refractare.Durata de inclzire a pieselor in bi metalice la temperaturi de peste 200C este practic independent de natura metalului folosit ca mediu de incalzire.La folosirea practic a diferitelor metale drept medii de incalzire lichide, trebuie sa se aib n vedere ca siluminul este de circa 2,5 ori mai ieftin decat plumbul si pentru o baie cu acelai volum se foloseste o cantitate de circa 4,5 ori mai mic de silumin (avand in vedere diferena mare dintre greutile specifice).Utilizarea bilor cu plumb este justificat tehnologic cnd alte procedee nu dau rezultate corespunztoare. In cazul utilizrii acestor bi, trebuie ntocmite instruciuni de lucru pentru a se evita mbolnvirile de saturnism. Praful de plumb, care se depune n ncperile de lucru, va fi colectat i ndeprtat, fr a se mprtia. Se va evita contactul lui cu prile descoperite ale corpului.Bile de plumb topit vor fi prevazute n mod obligatoriu cu instalaie de ventilaie local.In cazul utilizrii plumbului topit, trebuie s se asigure o ventilaie corespunztoare a bii pentru ndeprtarea vaporilor i a prafului de plumb care sunt toxici, iar personalul de deservire a bii s poarte echipamentul de protecie corespunztor muncii.B. Msuri de protecia mediului i a securitaii personalului la operaia de rcire la tratamentele termice i termochimice

Operaia de rcire se face n bazine de rcire sau n instalaii de rcire, folosindu- se ca medii de rcire uleiul sau apa.In cazul rcirii n ulei exist pericolul de aprindere a uleiului. In momentul introducerii pieselor n bazin, uleiul se nclzete puternic, vaporii ating temperatura de autoaprindere i pot s se aprind. Pentru a se evita acest lucru se practic rcirea uleiului cu ap, prin intermediul unor serpentine care se introduc n bazin, sau se prevd capace care se nchid la aprinderea uleiului.C . Msuri de protecia mediului i a securitaii personalului pe parcursul operaiei de curire a pieselor tratate termic1. Curirea prin decapare

Pentru operaia de curire prin decapare se utilizeaz acid sulfuric i acid clorhidric. Acizii sulfuric i clorhidric se evapor la temperatura obinuit i foarte intens la temperaturi mai mari.Reacia de hidratare a acidului sulfuric este puternic exoterm. Dac se adaug ap acidului, acesta poate ncepe s fiarb, stropind persoanele din jur. ntotdeauna se adaug acid n ap i NU invers.

De notat c aceast problem se datoreaz parial i densitilor relative ale celor dou lichide. Apa este mai puin dens dect acidul sulfuric i are tendina s pluteasc deasupra acidului. Pentru c reacia de hidratare este favorabil termodinamic, acidul sulfuric este un excelent agent dehidrator i este folosit la prepararea fructelor uscate.

Vasele cu acid sulfuric i acid clorhidric trebuie umplute pna la maximum 90% i aezate la o distan mare de sursele de cldur.Acidul sulfuric concentrat reacioneaz cu apa degajnd o mare cantitate de cldur. La contactul cu pielea poate da arsuri grave. Inhalarea de cea sau fum de acid poate da leziuni pe termen lung. Reglementrile franceze i americane limiteaz la 1 mg/m3 concentraia medie admisibil la locul de munc.

Pierderile de acid sulfuric pot fi diluate cu o cantitate mare de ap;

Acidul sulfuric nu trebuie s vin n contact cu sulfurile, deoarece rezult hidrogen sulfurat, gaz de toxicitate ridicat.Neutralizarea acidului sulfuric se face cu sod caustic, soluie de hidroxid de sodiu, soluie de amoniac, var etc.Bile pentru decapare trebuie echipate cu sisteme de ventilaie.2. Curirea prin sablare

In cazul operaiei de curire mecanic (sablare) cu jet de nisip trebuie respectate urmtoarele msuri de tehnic a securitii muncii:- aparatele pentru curirea mecanic cu nisip se amplaseaz ntr-o ncpere izolat;- echiparea cu un sistem puternic de ventilaie;- echiparea personalului de deservire cu echipament de protecie specific ;- etanarea ct mai corect a aparatelor pentru curire mecanic cu nisip. D. Msuri de protecie a mediului i a personalului i de prevenire i stingere a incendiilor la deservirea utilajelor pentru rcire

Clirea pieselor se face n bazine, amplasate n apropierea cuptoarelor discontinui i n instalaii speciale (bazine de rcire integrate in linii complexe mecanizate, prese de clire etc.).La bazinele cu ulei, pentru evitarea spumrii uleiului, se face analiza coninutului de ap n ulei; bazinele vor fi prevzute cu posibilitatea de evacuare a apei acumulate.Bazinele cu ulei i de ap vor fi prevzute cu sisteme de prevenire a deversrilor (preaplin).Pentru evitarea formrii unor cantiti excesive de vapori i pentru evitarea aprinderii, temperatura maxim a uleiului din bazin va fi n timpul rcirii arjei cu minimum 100C sub punctul de inflamabilitate a uleiului folosit. In acest scop, bazinele vor fi prevzute cu dispozitive pentru reglarea temperaturii i cu aparate de semnalizare acustic i optic a atingerii temperaturii maxime de lucru.Pentru captarea vaporilor formai n timpul lucrului, bazinele cu ulei, cu ap, ct i de splare vor fi prevzute cu ventilaie.Pentru prevenirea incendiilor sunt necesare urmtoarele msuri: cantitatea de ulei de rcire trebuie s fie de 7 ori mai mare dect masa ncrcturii de piese care se introduce simultan n bazin ; bazinele de clire trebuie prevzute cu capace care prin acoperirea lor s ntrerup flcrile care pot aprea pe piese la contactul cu aerul al uleiului de pe suprafaa pieselor calde nc.PAGE 8