METALURGIA FONTEI

Fonta este un aliaj al fierului cu carbonul (C2,06 6,67%). Elaborarea fontei are loc n

cuptoare nalte numite furnale. Materialele necesare elaborrii fontei sunt: minereurile de fier,

cocsul, fondanii i aerul (comburant).

Din furnal se obin fonta, zgura i gazul de furnal (Fig. 1).

Minereu de fier Cocs Fondant Comburant (aer - oxigen) Furnal Font Zgur Gaz de furnal

Fig. 1. Elaborarea fontei

Minereurile pot avea un coninut de Fe cuprins ntre 20-55% cele mai frecvent utilizate

fiind magnetita Fe3O4; hematita Fe2O3; limonita 2 Fe2O3 3 H2O; siderita Fe3CO3 i spirita FeS2.

Cocsul metalurgic este un combustibil solid obinut prin carbonizarea la temperaturi

ridicate, n absena aerului a huilei; trebuie s aib o putere caloric mare, porozitate mare,

rezisten mecanic ridicat, coninut de ap redus, procentaj mic de cenu.

Fondanii dizolv sterilul, antreneaz n zgur impuritile din minereu i cocs, fluidizeaz

zgura pentru a se separa mai uor de font.

Aerul (oxigenul) ntrein arderea, favoriznd reaciile chimice. Se introduce prenclzit la

800-1200C.

Furnalul

Este format din dou trunchiuri de con racordate dup baza mare cu un cilindru, partea

inferioar a conului final racordat tot cu un cilindru.

n fig. 2. este redat o seciune longitudinal printr-un furnal, fiind prezentate i principalele

componente.

Din punct de vedere termic furnalul se mparte n 4 zone: prenclzire, reducere,

carburare i topire.

Fig. 2. Seciune longitudinal prin furnal

Aerul se introduce prin gurile de vnt (duze) 1, aduse printr-o conduct 2, care nconjoar

furnalul ca un bru, fiind debitat de o turbosuflant. Zgura se evacueaz prin orificiul 3, iar fonta

topit prin orificiul 4. Furnalul este construit din tabl din oel groas 25 45mm, fiind cptuit cu

crmid refractar.

Prenclzirea aerului se face n instalaii numite caupere cu ajutorul gazelor de furnal care se

capteaz la partea superioar a acestuia.

Construcia cauperului este redat n fig. 3.

Fig. 3. Construcia cauperului

1. reea de canale din crmid refractar 2. manta din oel 3. cptueal refractar 4. cptueal refractar 5. conduct aer cald spre furnal 6. camera de ardere 7.conduct canal admisie gaze de furnal 8 conduct de aer insuflat rece 9. conduct 10. co

Gazele de furnal intr n cauper se amestec cu aerul se aprind n camera de ardere trecnd

spre co printr-o reea de canale din crmid refractar pe care le nclzesc pn la

1100 1300 K. Se insufl apoi aerul rece cu o turbosuflant prin conducta 8 nclzindu-se, fiind

transmis apoi la furnal prin conducta 5.

Perioada de nclzire a cauperului fiind dubl fa de cea de rcire se impune necesitatea

existenei a cel puin trei caupere.

n fig. 4 este redat schema de funcionare a furnalului i cauperelor.

Fig. 4. Schema de funcionare a furnalului i cauperelor

Procese fizico-chimice n furnal

Furnalul funcioneaz pe principiul contracurentului. Minereul, combustibilul i fondanii

se ncarc pe la partea superioar, dar la partea inferioar se produc gazele fierbini care se ridic

reacionnd cu ncrctura solid n coborre. Temperatura cea mai nalt din furnal se gsete

deasupra creuzetului, n zona de introducere a aerului scznd pe msura ridicrii spre partea

superioar. n fig. 2 se poate observa variaia temperaturii pe nlime. n dreptul gurilor de aer la

insuflarea aerului are loc arderea combustibilului conform reaciei :

C + O2 CO2 + 97650 Kcal

temperatura ridicndu-se la 2173 K.

Ridicndu-se spre partea superioar CO2 este redus de carbonul din stratul de cocs.

CO2 2CO - 7100 Kcal

n zonele cele mai nalte oxidul de carbon se descompune n prezena fierului care este

catalizat:

2CO CO2 + C + 3700 Kcal

Exist deci n furnal un amestec de CO2 i CO ale cror proporii vor depinde de excesul de

aer suflat. Minereul de fier va fi redus pn la fier de ctre oxidul de carbon conform relaiilor

(reducere indirect):

3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2 + 8870 Kcal

2 Fe3O4 + 2CO 6 FeO + 2 CO2 - 9980 Kcal

6 FeO + 6 CO 6 Fe + 6 CO2 + 19500 Kcal

Magnetita i siderita sufer n prealabil o operaie de prjire. Siderita prin calcinare

(prjire simpl) la 873-973 K elimin bioxidul de carbon, devenind mai poroas i uor reductibil.

Magnetita prin prjire oxidant se transform ntr-un oxid mai uor de supus operaiilor din

furnal

4 Fe3O4 + O4 6 Fe2O3

Reducerea oxizilor de fier poate avea loc i pe calea reducerii directe

FeO + C Fe + CO - 34460 Kcal

Se reduc totodat i minereurile de mangan introduse n furnal cu scopul reducerii aciunii

duntoare ale sulfului

MnO + C Mn + CO - 64830 Kcal

Paralel se mai reduce P, Si, S, Ti, K rezultnd zgura.

Evacuarea zgurei i fontei din furnal se face n 2 6 ore nti zgura prin gura de zgur apoi

fonta prin gura de font.

Produsele furnalului

n urma procesului metalurgic din furnal se obine fonta brut, zgura i gazul de furnal.

Fonta brut (fonta de prim fuziune), cu coninut de C cuprins ntre 2,3 5% i o cantitate

mare de impuriti ca Si, Mn, S, P nu poate fi folosit pentru turnarea pieselor. Folosind combustibil

mangalul, se poate utiliza la turnarea pieselor de importan redus.

Se deosebesc deci fonta pentru turntorie, pentru afinare (oelrii) i fonte speciale.

Fonta brut pentru turntorie (font cenuie sau silicioas) este o font cu o bun fluiditate la

temperatura de topire (1450 1700 C) cu greutatea specific 7 7,3 daN/cm2 .

Din cauza coninutului mare de impuriti care afecteaz proprietile, se livreaz sub form

de lingouri.

Fonta brut pentru afinare (font alb sau manganoas) este format din mas metalic de

baz n care s-a dizolvat (teoretic) toat cantitatea de C (2,3 3,5 %).

Pentru a mpiedica separarea carbonului din cementit fonta conine 1 30% Mn. Se topete

la 1460 1600 C are o greutate specific 7,4 7,7daN/dm3 la temperatura de topire prezint o

fluiditate slab. Se utilizeaz la elaborarea oelului.

Fonta brut special este cenuie sau alb. La un coninut de 5 25% Mn se numete font

oglind, cu 5 15% Si fonte silicioase i cu procent ridicat de Si, Mn (>25%) silicomanganoas.

Gazul de furnal captat la partea superioar a furnalului are o putere caloric de cca. 1000

Kcal/cm3 .

Dup epurare (n aa ziii saci de praf), praful antrenat se utilizeaz la prenclzirea aerului

din cauper (cca. 25%), iar restul este utilizat pentru motoare, oelrii i alte necesiti ale

ntreprinderii.

Praful (prafuri suspensie 140g/cm3) rezultat din epurare (aa ziii saci de praf ai furnalului)

se bricheteaz i se reintroduc n furnal cu minereul.

Zgura se utilizeaz la fabricarea cimentului metalurgic a crmizilor pietriului de zgur. La

furnalele care funcioneaz cu mangal zgura se utilizeaz pentru fabricarea vatei de zgur necesar

izolrilor termice.

ELABORAREA SECUNDAR A FONTEI

Prin elaborarea secundar a fontei se nelege procesul metalurgic prin care se obin fonte ce

se vor turna sub form de piese, caracterizate de proprieti chimice i mecanice superioare fontelor

brute, pornindu-se de la fontele de prim fuziune sau de la deeuri metalice (font sau oel).

Elaborarea secundar a fontei se realizeaz, n marea majoritate a cazurilor,

ntr-un cuptor numit cubilou (fig. 1.).

Fig. 1. Schema de principiu a cubiloului:

1 - co de evacuare a gazelor cu

parascntei;

2 - gura de ncrcare;

3 - inel protector din font;

4 - cuva;

5 - cptueal;

6 - strat de nisip;

7 - manta metalic;

8 - guri de vnt;

9 - orificiu de evacuare a zgurii;

10 - creuzet;

11 - stlpi de susinere;

12 - antecreuzet;

13 - orificiu de evacuare a fontei;

14 - postamentul.

ncrctura cubiloului este format astfel: un strat iniial de lemne de foc pentru aprindere,

un strat de cocs, care formeaz patul de reducere-elaborare a fontei i apoi straturi succesive de

material feros, combustibil (cocs) i fondant.

Materialele metalice de prelucrare a cubiloului sunt: fonta veche, n proporie de 20 ... 60%

din ncrctur, deeuri din oe1, n proporie de pn la 70% din ncrctur.

Fondantul cel mai utilizat pentru elaborarea fontei n cubilou este calcarul. Pentru creterea

fluiditii zgurii se utilizeaz dolomita i fluorina.

Pe msur ce coboar, ncrctura cubiloului se nclzete, se topete sub form de picturi

i se transform n font i zgur lichid. Pe parcursul coborrii are loc o oxidare a elementelor

ncrcturii:

COFeOCOFe ++ 2

FeSiOFeOSi 22 2 ++

FeMnOFeOMn ++

iar n zona creuzetului, a patului de cocs, are loc reducerea preponderent direct a oxizilor:

222 COFeCFeO ++

22 COSiCSiO ++

222 COMnCMnO ++

i carburarea fierului:

CFeCFe 33 +

FeOFeSSOFe 23 2 ++

Reaciile de sulfurare a fierului au loc n zonele superioare ale cubiloului, zonele de

prenclzire a ncrcturii.

Principala surs de sulf este cocsul, prin a crui ardere se genereaz bioxidul de sulf.

Principalii factori de reducere a coninutului de sulf din font sunt:

creterea temperaturii de elaborare, care favorizeaz i eliminarea S02 sub form de

gaz din cubilou i aciunea de desulfurare a zgurii formate;

majorarea adaosului de calcar din ncrctur (principalul desulfurant este carbura de

calciu - CaC2);

utilizarea unui cocs cu coninut redus de sulf.

Elaborarea secundar a fontelor n cuptoare electrice cu inducere prezint urmtoarele

avantaje:

fonta este supranclzit i permanent agitat, ceea ce permite creterea vitezei reaciilor din

baia metalic, omogenizarea componenei chimice i controlul mult mai riguros al acesteia;

temperatura mai mare favorizeaz dizolvarea grafitului i apoi separarea sa mult mai fin i

mai omogen, ceea ce conduce la proprieti mecanice superioare ale fontei;

materialele ncrcturii sunt mai diversificate, mai ieftine;

are loc o bun eliminare a gazelor;

pentru reaciile de reducere se folosete n special carbonul din resturile de electroni din

grafit.

Trebuie precizat c ncrctura metalic trebuie s fie "curat", pentru c singurul proces de

afinare ce are loc n cuptorul cu inducie este desulfurarea, care se realizeaz prin adugare

de 0,5 1 % CaC2.

Pentru a se asigura o calitate superioar fontelor obinute n urma elaborrii secundare se

folosesc procedeele combinate (duplex):

elaborarea n cubilou combinat cu un antecreuzet cu inducie este procedeul cel mai des utilizat;

combinaia cubilou - cuptor cu inducie este recomandat pentru producerea unor fonte speciale,

cnd este necesar existena unui stoc tampon de font lichid cu compoziie chimic i

proprieti controlate;

combinaia furnal - cuptor cu inducie este foarte rentabil i se utilizeaz pentru turnarea unor

piese masive n siderurgie; n aceste cazuri este necesar o desulfurare puternic n cuptorul cu

inducie.

n urma elaborrii secundare se pot obine din punct de vedere chimico-structural, fonte cu

grafit lamelar, fonte cu grafit nodular, fonte maleabile i fonte aliate.

Fontele cu grafit lamelar sunt fonte cenuii cu o structur format dintr-o mas metalic de

baz, care poate fi perlitic sau ferito - perlitic i lamele din grafit nativ.

Fontele cu structur perlitic sau proprieti mecanice bune, iar cu ct lamelele de grafit

sunt mai fine i mai uniform dispersate proprietile cresc. Fontele cu structur ferito - perlitic sau

chiar feritic au o tenacitate mai bun i chiar o alungire la rupere mai mare.

Caracteristicile mecanice uzuale sunt:

R = 150...250 MPa; = 1%; HB = 160 220.

Fontele cenuii pot avea proprieti superioare dac se asigur o ct mai fin i uniform

repartiie a grafitului sub form de lamele fine sau sfere (nodule). O astfel de structur se obine prin

modificarea fontei, prin introducerea n masa lichid a unor elemente numite modificatori, care au

rolul de a dirija grafitizarea. Pentru obinerea fontelor cu grafit lamelar fin se utilizeaz ca

modificatori: Ca, Al, Ba, Mg, Ce, Te, La. Modificatorii se introduc n masa lichid de font sub

form de prealiaje mpreun cu elemente purttoare. Cele mai des utilizate, ca elemente purttoare,

sunt ferosiliciul i silico-calciul. Introducerea modificatorilor se poate realiza n jetul de turnare,

n oala de turnare sau n form.

Pentru obinerea fontelor cu grafit nodular se utilizeaz Mn, Ce, Ca, Li n vederea

solidificrii grafitului i Bi, Si pentru mrirea numrului i fineii nodulilor de grafit. Mecanismul

nodulizrii grafitului n formele cu grafit nodular este urmtorul: modificatorul joac un rol de

inhibitor de scurt durat al separrii grafitului; forma se solidific sub form de font alb i apoi,

cnd rolul de inhibitor al modificatorului nceteaz, cementita se descompune, grafitul se

acumuleaz uniform din toate prile sub form de noduli aproape sferici. Masa metalic de baz

este perlitic sau ferito - perlitic.

Caracteristicile mecanice uzuale sunt:

R = 600...700 MPa; = 4 5 %; HB = 220 300.

Fontele maleabile se obin din fontele albe prin tratamentul termic sau termochimic de

maleabilizare. Maleabilizarea prin grafitizare (procedeul american) const n nclzirea pieselor

turnate din font alb, un timp ndelungat, la temperatura de 1223 K, urmat de o rcire lent

(rcirea lent este asigurat de faptul c, n timpul tratamentului piesele sunt mpachetate n cutii cu

nisip sau zgur). n final se obine o font cu structur feritic i cuiburi de grafit. n ruptur

prezint o culoare neagr - font maleabil cu miez negru. Caracteristicile mecanice sunt relativ

bune:

R = 300...400MPa; = 6...18%; HB = 120 160.

Dac, dup nclzire, rcirea pieselor se face n ap sau n ulei, se obine o structur

perlitic, iar fonta se numete font maleabil perlitic.

Caracteristicile fontelor maleabile perlitice sunt:

R = 500 ... 800 MPa; = 3...8%; HB = 170 280.

Maleabilizarea prin decarburare (procedeul european) este un tratament termochimic ce

const n nclzirea pieselor la o temperatur de 1223 K ntr-un mediu oxidant (minereu de fier).

Are loc o decarburare a stratului superficial. Se obin piese cu structur feritic n stratul de

suprafa i perlitic n interior. n ruptur are o culoare alb-sidefie fonta se numete

font maleabil alb.

Caracteristicile fontei maleabile albe sunt:

R = 400 ... 700 MPa; = 5... 10%; HB = 130 160.

Fontele aliate pot fi fonte cenuii, albe sau maleabile. Prin introducerea unor elemente de

aliere se asigur mbuntirea anumitor proprieti. Principalele grupe de fonte aliate sunt:

fonte de nalt rezisten mecanic - sunt aliate cu nichel, crom, vanadiu, molibden i cu

caracteristici asemntoare oelurilor ( R 800 MPa, HRC 60);

fonte refractare - cu un coninut ridicat de nichel sau crom i pot rezista pn la temperaturi

de 923 K;

fonte rezistente la coroziune - sunt aliate cu siliciu, crom, nichel sau cupru, avnd o structur

grafito - austenitic.