3.7.4. DEGAZAREA METALELOR I ALIAJELOR NEFEROASE

Degazarea aliajelor neferoase se reduce de fapt la ndeprtarea hidrogenului din

soluie, deoarece, aa cum s-a artat, acesta reprezint 90...98 % din intreaga cantitate de

gaze dizolvate.

Aprecierea calitativ a gradului de saturaie n hidrogen a unei topituri se poate

efectua cu ajutorul unor probe tehnologice, prezentate n figura 3.41.

Fig.3.41. Aspectul probelor tehnologice n funcie de coninutul de gaze:

a.) coninut mare de gaze; b.) coninut mediu; c.) coninut acceptabil.

Suprafeele convex i neted sunt caracteristice unor coninutui ridicate

(inacceptabile) de gaze, iar suprafaa concav este caracteristic unor coninuturi sczute

(acceptabile) de gaze.

Cnd proba tehnologic sau rezultatele unor msurtori cantitative arat prezena

gazelor, se impune efectuarea operaiei de degazare. Este de menionat c aceast operaie

poate fi de cteva ori mai costisitoare dect msurile profilactice i cele de organizare sever

a controlului procesului de elaborare n vederea obinerii unui coninut redus de gaze.

Metodele de ndeprtare a gazelor din metalele i aliajele neferoase lichide

(metodele de degazare) se mpart n dou mari grupe:

- metode fizice: - suflarea gazelor inerte i a gazelor active;

- tratarea cu fluxuri (tratarea cu substane volatile;

- meninerea n atmosfer de gaze inerte sau vid;

- tratarea cu ultrasunete (prin vibrare);

- prin pendularea temperaturii n jurul temperaturii lichidus;

- pe cale electrolitic;

- prin fierbere;

- pe cale natural;

- metode chimice: - cu substane active;

- prin oxidare.

1. Degazarea aliajelor neferoase prin barbotare cu gaze inerte sau active.

Procesul de degazare prin barbotare presupune introducerea agentului de degazare

la partea inferioar a topiturii, prin intermediul unor duze sau prin dopuri poroase, figura

3.36.

n momentul formrii bulelor de gaz inert n interiorul acestora presiunea parial a

hidrogenului (p H2 ) este zero. Concentraiei hidrogenului dizolvat n aliajul lichid

[H] v corespunde o presiune teoretic (p Ht

2) care se poate calcula prin relaia simplificat a lui

Siewerts : p Ht

2 = [H] v

2 /K 2 .

Deoarece pH

t

2 > p

H2, se produce difuzia hidrogenului din topitur ctre bulele de gaz

neutru, figura 3.42.

Degazarea, n aceste conditii, are la baz urmtorul mecanism:

Fig.3.42. Modul de antrenare a hidrogenului de

ctre bulele de gaz neutru (a) i de gaz activ (b).

- difuzia atomilor de hidrogen din volumul bii

metalice la suprafaa bulelor agentului de degazare: [H] v

[H] i

- adsorbtia atomilor de hidrogen la suprafaa de separaie topitur-agent de

degazare: [H] i [H]ads

- formarea moleculelor de hidrogen la suprafaa interfazic: 2[H]ads{H 2 }ads

- desorbia moleculelor de hidrogen de la suprafaa interfazic i trecerea lor n

interiorul bulelor agentului de degazare: {H2

}ads{H 2 }

- eliminarea bulelor agentului de degazare, purttoare de molecule de hidrogen,

n faza gazoas

n condiiile reale de degazare a aliajelor prin barbotare, intensitatea procesului este

determinat de viteza primei etape, deoarece ea se desfoar cu cea mai mic vitez, ca

urmare, va determina intensitatea ntregului proces. Prin urmare se impune analiza detaliat

a acestei etape.

Conform mecanismului prezentat, n cadrul operaiilor de degazare prin barbotare,

procesele de transfer de mas prezint o importan deosebit.

Viteza de trecere a atomilor de hidrogen, dizolvate n aliajul lichid, din volumul

topiturii spre suprafaa interfazic topitur-bul de gaz neutru se calculeaz cu relaia:

dH

dK

S

VH Hd v i

= ([ ] [ ] ) (3.39)

unde: K d - este coeficientul de transfer de mas, n m/s;

S- suprafaa total de separaie ntre cele dou faze, n m 2 ;

V- volumul metalului lichid;

[H] v - [H] i - fora motrice a procesului de degazare, reprezentnd diferena

ntre concentraiile medii ale hidrogenului n volumul topiturii, respectiv la suprafaa

interfazic bul-topitur, n cm 3 /100 g aliaj.

Deoarece aceast tehnologie de degazare are cea mai mare aplicabilitate la

elaborarea aliajelor neferoase i mai ales a celor pe baz de aluminiu, n continuare se

prezint o analiz detaliat a acestei metode de rafinare.

n vederea efecturii unei analize detaliate asupra procesului de degazare prin

barbotare cu gaze neutre, relatia (3.39) se scrie sub forma:

dm

dK S H HH d v i

= ([ ] [ ] ) (3.40)

unde: m H - reprezint cantitatea de hidrogen transferat din topitur n atmosfera

gazoas prin intermediul bulelor de gaz neutru.

Prin integrarea relaiei (3.40) ntre limitele 0 si m H respectiv 0 si c se obtine:

m K S H HH d Sp c c v i= . ([ ] [ ] ) (3.41)

Relatia (3.41) permite analiza factorilor ce influenteaz intensitatea procesului de

degazare prin barbotare.

n cadrul unei tehnologii date, diferenta [H]v[ ]H i este impus prin concentraia

final [H] v , prescris (dorit) pentru aliajul tratat.

Astfel, se poate aciona asupra termenilor, parametrilor:

c ,-durata de contact ntre topitur i bula de gaz neutru;

S Sp c. .- suprafaa specific de contact ntre topitur i bula de gaz neutru;

K d - coeficientul de transfer de mas.

a.1.) Analiza condiilor de formare a bulelor

Durata de contact ntre topitura metalic i bula de gaz neutru este determinat de

viteza ei de ridicare conform relaiei:

cr

h

v= (3.42)

unde: h- reprezint nlimea topiturii metalice, n m;

v r -viteza de ridicare pentru bula gazoas.

Dup cum este cunoscut viteza de ridicare este determinat de diametrul bulelor de

gaz neutru i de proprietile fizico-chimice ale mediului lichid n care se produce deplasarea

acestora.

n vederea determinrii diametrului bulelor de gaz neutru trebuiesc analizate

condiiile lor de formare.

Diametrul bulei de gaz, care se formeaz prin dispersia unui debit volumic de gaz,

este dependent de:- diametrul orificiului;

- efectul inerial al lichidului;

- densitatea lichidului;

- relaia care exist ntre debitul volumic de gaz i presiunea pe orificiu.

Creterea tensiunii superficiale favorizeaz apariia bulelor de mari dimensiuni, n

timp ce creterea viscozitii i densitii lichidului duc la formarea bulelor de dimensiuni

mici.

n cazul formrii unei bule ntr-un lichid prin insuflarea gazului printr-un tub cu

diametrul orificiului egal cu d 0 , diametrul d b al bulei rezult din echilibrul dintre presiunea

gazului din interiorul bulei (P) i presiunea exterioar format din presiunea atmosferic

(P a ), hidrostatic (gh) i din cea corespunztoare tensiunii superficiale 2

rb

P= P ghr

a

b

+ +2

(3.43)

Pe baza calculelor efectuate rezult c termenul 2

rb, n cazul bulelor cu diametrul,

d b = 1....10 mm, reprezint sub 1% din valoarea lui P, astfel el poate fi neglijat.

Desprinderea bulei de duz (orificiul de insuflare) se produce n momentul n care

fora ascensional va depsi fora de tensiune superficial.

d0 sin = [Vb(- g )g- d

0

2

4

]+

dP0

2

04

(3.44)

unde: P a - este presiunea gazului insuflat;

V b - volumul bulei;

- unghiul de umectare, gaz insuflat- duza de insuflare.

Fora ascensional este compus din trei termeni:

- fora ascensional a lui Arhimede;

- presiunea ce acioneaz asupra bulei de sus n jos i

- presiunea din interiorul bulei, determinat de presiunea agentului de

degazare i care actioneaz de jos n sus.

Din relaia precedent rezult raza bulei gazului insuflat n momentul desprinderii ei

de pe orificiul de insuflare:

rd

g

d P P

gb

g g

=

0 75 0 1903

0

2

0, sin

( )

, ( )

( )

(3.45)

Diferena (P0

-P) reprezint pierderile de presiune n orificiul de insuflare. n cazul

regimului de insuflare bul cu bul (variant preferat n cazul degazrii aliajelor) diferena

(P0

-P) este foarte mic, i se neglijeaz termenul corespunztor din relatia (3.45) i astfel

raza bulelor gazului insuflat va fi numai n funcie de diametrul duzei de insuflare i a

gradului de umectare a materialului duzei de insuflare de ctre aliajul lichid, figura 3.43. n

literatura de specialitate foarte multe concluzii, legiti, relaii privind degazarea aliajelor

prin barbotare au fost stabilite pe baza rezultatelor obinute pentru sistemul ap-aer.

Fig.3.43 Diametrul bulelor de argon la barbotarea

topiturii de aluminiu la 700 C, n funcie de

diametrul orificiului tubului de insuflare valoarea

unghiului de umectare.

Astfel, n cazul insuflrii aerului n ap prin evi din diferite materiale pentru variaia

diametrului bulelor n funcie de diametrul orificiului de insuflare i valoarea unghiului de

umectare s-au obinut valorile prezentate n tabelul 3.7:

Tabelul 3.7

Variaia diametrului bulelor n funcie de condiiile de formare

[] 18 57 90

d 0 [mm] 1,116 1,218 1,102

d b [mm] 3,42 3,72 5,72

S-a demonstrat c n cazul n care valoarea unghiului de umectare este mai mare de

90, diametrul bulelor ce iau natere la captul duzei de insuflare poate s fie de cteva ori

mai mare dect n cazul formrii lor pe un material umectat, deci cu < 90.

Se recomand ca relaia (3.45) s fie utilizat la determinarea bulelor n condiiile n

care < 90, ca de exemplu la insuflarea argonului n aluminiul topit prin duze de oel,

deoarece ele sunt umectate bine de aluminiu (= 40...60).

Trebuie menionat faptul c relaia (3.45) este valabil cnd distanele ntre duzele

(orificiile) de insuflare sunt suficient de mari n vederea evitrii contopirii bulelor n curs de

formare. Trebuie inut seama de aceast observaie n primul rnd la utilizarea din ce n ce

mai larg a dopurilor poroase la insuflarea agentului degazant n aliajele lichid.

S-a ajuns la concluzia c n cazul utilizrii dopurilor poroase diametrul bulelor nu

depinde de porozitatea dopului de insuflare, el este determinat, n primul rnd, de

proprietile fizico-chimice ale topiturii metalice (tensiune interfazic dop-aliaj, viscozitatea

i densitatea topiturii) i de valoarea unghiului de umectare. Dup cum este cunoscut

creterea viscozitii lichidului conduce la formarea bulelor fine iar creterea tensiunii

superficiale favorizeaz apariia bulelor de mari dimensiuni.

a.2.). Micarea bulelor ntr-un mediu lichid

Pentru, calcularea vitezei de ridicare, n literatura de specialitate, sunt prezentate o

serie de relaii n funcie de diametrul bulelor i numrul lui Reynolds.

Din numrul mare de relaii deduse pentru diferitele domenii de valabilitate

(apreciate prin diametrul bulelor i numrul lui Reynolds) vor fi prezentate numai acelea, la a

cror deducere domeniile de valabilitate au fost stabilite numai n funcie de mrimea

bulelor.

Pentru bulele foarte mici cu r b < 0,1 mm, viteza ascensional se calculeaz cu relaia:

vgr

rb=

1

3

2

(3.46)

pentru bulele cu 0,1< r b < 1,4 mm, relaia de calcul este de forma:

vgr

rb= 2

0 9, (3.47)

Pentru bulele de mrime intermediar 1,4< r b < 2 mm, viteza ascensional este dat

de relaia:

vgr

rb=

1

90

2

(3.48)

Pentru bulele mai mari, cu r b > 2 mm, viteza ascensional se determin cu relaia:

vr =2

3( )

/4

3

2

2

1 5

g (3.49)

Dup cum se constat la bulele de dimensiuni mari, viteza ascensional este

independent de raza bulelor i este numai n funcie de proprietile fizico-chimice ale

topiturii.

La o anumit mrime ale bulelor forma sferic dispare i ele iau o form elipsoidal.

Diametrul critic (rcr ) la care bulele trec de la forma sferoidal la cea elipsoidal se

apreciaz cu relaia:

rcr = 1

5

g (3.50)

n cazul bulelor elipsoidale se ia n considerare o raz echivalent (rech

) a crei valoare

se determin cu relaia:

rech = 3

43

Vb

(3.51)

n figura 3.46 sunt prezentate vitezele de ridicare pentru bulele de gaz inert n

aluminiul lichid, s-a considerat: = 0,5.106 m/s; = 0,85 N/m i =2,35 kg/m 3 .

Pe baza figurii 3.46 se poate afirma c n condiiile industriale de degazare prin

barbotare, la diametrele de bul realizate prin metodele obinuite de insuflare, viteza

ascensional este independent de mrimea acestora, rmnnd constant ncepnd de la

diametrul de 3 mm.

Fig. 3.46. Variaia vitezei de ridicare a bulelor de

argon n aluminiul topit n funcie de diametrul

acestora:

pentru insuflare prin:

1. duze rotitoare

2. tub staionar

3. dop poros.

a.3.).Factori care influeneaz suprafaa de contact: topitur - bul.

Un alt parametru din relaia 3.41, care trebuie analizat este suprafaa specific de

contact (Ssp

), ntre topitura metalic i bulele agentului de degazare. Dup cum este

cunoscut mrimea suprafeei de contact topitur-gaz neutru este determinat, n primul

rnd, de diametrul bulelor, fig.3.47.

Fig. 3.47. Mrimea suprafeei

specifice de contact, gaz de

rafinare - metal lichid , n

funcie de diametrul bulelor.

Tehnologiile actuale de

introducere a agentului de degazare n

aliajul lichid prin evi metalice nu asigur

formarea unor bule cu diametre

corespunztoare unei suprafee specifice de contact mare. Astfel, pe baza curbei din

fig. 3.47 rezult c micorarea diametrului bulelor de la 5 la 2 mm, determin creterea

suprafeei specifice de contact cu aproximativ 150 % , ceea ce se manifest n mod

corespunztor i n cantitatea hidrogenului eliminat n timpul procesului de degazare prin

barbotare. n acelai timp observaiile din practica rafinrii aliajelor prin barbotare atrag

atenia asupra dificultilor ce apar la exploatarea instalaiilor de degazare prin utilizarea

unor tuburi de insuflare cu diametre mai mici de 5...3 mm. Tot observaiile efectuate cu

privire la modalitiile de intensificare aplicate tehnologiilor actuale de degazare prin

barbotare au atras atenia asupra ineficienei, chiar efectelor negative ce apar la

introducerea unui debit mai mare de gaz n prezenta unei presiuni mrite. n aceste condiii

se formeaz bule mari, care duc la agitarea exagerat a topiturii ceea ce determin att

oxidarea suprafeei libere a metalului lichid ct i adsorbia hidrogenului n urma reaciei

ntre topitur i vaporii de ap din atmosfera cuptorului.

n aceste condiii, n vederea realizrii unor suprafee specifice mari de contact, se

recomand folosirea dopurilor poroase la insuflarea gazului neutru n aliajul lichid supus

degazrii. Prin aceast metod de insuflare se asigur formarea unor bule de mici

dimensiuni, fig. 3.44, necesare crerii unei suprafee specifice de contact mare att n

vederea intensificrii procesului de degazare ct i n vederea utilizrii eficiente a gazului

neutru folosit la degazare.

a.4.). Metode analitice de determinare a coeficientului de transfer de mas (cu referiri

directe la aliajele pe baz de aluminiu).

Ultimul membru (parametru) din relaia 3.41, care trebuie analizat este coeficientul

de transfer de mas, K d .

Literatura de specialitate ofer o serie de relaii pentru estimarea acestui coeficient

pentru cazul deplasrii bulelor gazoase n lichide vscoase. Prin analiza acestor relaii se

urmrete scoaterea n eviden a principalelor fenomene care au influen major asupra

acestui parametru.

Relaia clasic de estimare a valorii coeficientului de transfer de mas, pe baza

modelului dublului film, se scrie sub forma:

KD

d

c

=

(4.55)

unde: D- este coeficientul de difuzie;

c- grosimea stratului limit al concentraiei hidrogenului n aliajul lichid

din vecintatea bulei de gaz neutru.

Valoarea coeficientului de difuzie este n funcie de temperatura i compoziia

aliajului. Literatura de specialitate ofer o serie de date , sub form de tabele, grafice i

relaii matematice pentru coeficientul de difuzie al hidrogenului n aliajele neferoase lichide.

Este de menionat c toate elementele de aliere duc la micorarea coeficientului de

difuzie. n prezena elementelor de aliere volumul ocupat de clustere crete n detrimentul

zonelor ocupate de ctre atomi liberi, ceea ce determin micorarea coeficientului de

difuzie. De altfel, valoarea coeficientului de difuzie poate fi considerat ca medie ponderat

a coeficienilor de difuzie prin clustere i prin zonele cu aezarea haotic a atomilor.

De exemplu, n sistemul Al-Si coeficientul de difuzie prezint valori minime la 5...8 %

Si. O astfel de modificare a coeficientului de difuzie explic tendina mai pronunat de

formare a porilor intercristalini n aliajele Al-Si hipoeutectice cu 5...8 % Si.

Pentru determinarea grosimii stratului limit al concentraiei, din relatia 3.55, sunt

dou posibiliti.

n prima variant, grosimea stratului limit al concentraiei se determin din curba de

variaie a concentraiei hidrogenului cu distana de la suprafaa interfazic bul-topitur.

Aceast curb se construiete cu ajutorul ecuaiei 3.56, care red variaia concentraiei

elementului ntr-un mediu semiinfinit n regim nestaionar:

[ ] [ ]

[ ] [ ]

H H

H Herf

D

v

i v

c

r

= 1

2

(3.45)

unde: [H] este concentraia la un moment dat, la distana c fa de suprafaa interfazic

bul - topitur;

r - timpul de contact al elementului (bulei) cu suprafa, adic timpul de

refacere (rennoire) a suprafeei de contact, se calculeaz cu relaia: rb

r

d

v=

Rezultatele calculelor sunt prezentate n fig.3.48. Calculele s-au efectuat pentru

aluminiu lichid. n aceste condiii la temperaturile obinuite de lucru: D=1107 m 2 /s, iar n

cazul unor bule cu db=5mm, conform figurii 3.46, vr =0,85m/s.

Fig. 3.48 Variaia

grosimii stratului limit al

concentraiei pentru diferite

valori ale lui [H] v , i [H] i .

Pe baza diagramei din

fig. 3.48, s-a determinat, grafic,

valoarea medie a stratului

limit al concentraiei

hidrogenului: c = 27 3 10 6, m,

pentru cazul [H] i =0 i

[H] v =0,4. Aceste condiii corespund perioadei imediat urmtoare desprinderii bulei de pe

duza de insuflare, de la nceputul procesului de barbotare.

n a doua variant, grosimea stratului limit al concentraiei se determin din

grosimea stratului limit al vitezei.

Calculnd numrul lui Schmidt rezult, N sc =5, deci grosimea stratului limit al difuziei

este mai mic ca grosimea stratului limit al vitezei c

Conform relaiei (3.35) rezult grosimea stratului limit al difuziei:

c x ScN m = = 1 3 654 5 10/ , (3.60)

Aceast valoare se afl ntr-o bun concordan cu valoarea obinut pe cale grafic,

fig.3.48.

Dac pentru grosimea stratului limit al concentraiei se accept valoarea obinut

pe cale grafic, pentru coeficientul de transfer de mas pe baza relaiei (3.55) rezult:

K m sd =

3 66 103

, /

O alt modalitate de calculare a coeficientului de transfer de mas a hidrogenului din

topitur ctre bulele de gaz inert se sprijin pe modelul lui Higbie. Conform acestui model

coeficientul de transfer de mas se calculeaz cu relaia:

KD

d

r

=

2

(3.61)

Cu aceast relaie, folosind datele de baz de la metoda precedent, pentru

coeficientul de transfer de mas se obine valoarea Kd =

4 64 103

, m/s. Aceast valoare se

afl ntr-o bun concordan cu cea obinut pe baza relaiei 3.55, respectiv

Kd =

3 66 103

, m/s.

n vederea aprecierii regimului n care se produce transferul de mas se calculeaz

numrul lui Peclet.

Calculnd numrul lui Peclet, conform relaiei (3.32) rezult NPe= 42.500, deci

transferarea hidrogenului din topitur n interiorul bulelor de gaz inert se produce prin

difuzie turbulent.

Considernd valoarea medie, de 4 10 3m/s, pentru coeficientul de transfer de mas,

pe baza relaiei (3.36) pentru coeficientul difuzivitii turbulente rezult D m st =

199 107 2

/ .

Din aceast analiz rezult c criteriul lui Sherwood (relatia 3.37) este egal cu 200,

altfel spus, transferul de mas prin difuzie turbulent este de aproximativ 200 de ori mai

mare dect cel prin difuzie molecular.

n acelai timp relaiile (3.36) si (3.58) pun n eviden faptul c creterea diametrului

bulei determin intensificarea procesului de transfer de mas pe seama micorrii grosimii

stratului limit al vitezei.

Deci transferul turbulent este mult mai eficace n comparaie cu cel molecular,

datorit maselor mari a purttorilor de proprietate, care pot transporta concentraii ridicate.

Purttorii de proprietate sunt aglomerri de particule din topitur cu volume i

durate de via diferite, care apar datorit unor cauze locale generate de instabilitatea

curgerii, de gradienii de vitez, presiune, concentraie. Aceste aglomerri de particule

parcurg n masa topiturii un drum oarecare i se destram transmind fluidului nconjurtor

sarcina lor de concentraie. Ca urmare efectul de amestecare este cel mai important n

obinerea unor coeficieni maximi de difuzivitate turbulent.

Astfel, la degazarea aliajelor de aluminiu procesul poate fi intensificat prin

amestecarea suplimentar a topiturii metalice, de exemplu cu ajutorul unui cmp

electromagnetic ceea ce contribuie la micorarea grosimii stratului limit al vitezei, deci

implicit la creterea valorii coeficientului de transfer de mas

Efectul de amestecare se poate realiza i prin modul de introducere a gazului neutru

n aliajul lichid. Acest scop servesc unele tehnologii de degazare aprute pe plan mondial:-

procedeul SNIF, care pentru introducerea gazului neutru folosete duze rotitoare

- tehnologia de insuflare prin dopuri poroase dispuse tangenial n peretele

oalei n care se realizeaz degazarea aliajului.

Ambele variante prin modul de dispersare a bulelor de gaz neutru, n volumul

topiturii, urmresc intensificarea procesului de transfer de hidrogen prin difuzie turbulent,

prin micorarea grosimii stratului limit al vitezei.

Micorarea grosimii stratului limit al vitezei se poate realiza i prin alegerea

adecvat a parametrilor de insuflare a gazului neutru prin dopuri poroase dispuse n fundul

oalei de degazare.

Prin urmare eficiena degazrii prin barbotare este determinat, n principiu, de

diametrul bulelor de gaz inert. Aceast concluzie este pus n eviden i de relaia (3.62),

care s-a obtinut prin transformarea relaiei (3.41)

m D hd v

H HHb r

v i=

6 97711 2 2

3 2 3 2, ([ ] [ ]

/

/ / ) (3.62)

unde: h- este nlimea topiturii metalice, n m.

Conform relaiei precedente, cantitatea hidrogenului transferat n bulele de gaz

neutru, este direct proporional cu cantitatea acestuia n aliaj, cu viteza de ridicare a

bulelor, cu nlimea topiturii metalice i invers proporional cu diametrul bulelor.

Pe baza datelor din fig. 3.46, rezult c pentru bulele obinute prin metodele

obinuite de insuflare, viteza ascensional este independent de mrimea acestora i

rmne constant ncepnd de la diametrul de 3 mm.

n concluzie, n cadrul unei tehnnologii de degazare prin barbotare, singurul

parametru asupra cruia putem aciona n vederea creterii eficienei degazrii este

diametrul db al bulelor. Micorarea diametrului bulelor determin, n primul rnd, creterea

suprafeei interfazice, prin care se produce transferul hidrogenului din topitur spre

interiorul bulelor de gaz neutru.

n prezent rafinarea avansat a aliajelor neferoase (de aluminiu) se realizeaz n

instalaii speciale, separate de cuptorul de elaborare i care asigur eliminarea att a

incluziunilor nemetalice solide ct i a gazelor, figura 3.49.

Fig.3.49. Instalaie pentru rafinarea

complex a aliajelor pe baz de aluminiu:

1 - capac cu arztoare; 2 - camera de

barbotare; 3 - camera de evacuare; 4 - perete

despritor;

5 - dop poros;.6 - filtru.

n cazul folosirii unui gaz activ, de exemplu clor, la degazare datorit reaciilor

chimice ce se produc ntre acest gaz i hidrogenul molecular format n bulele de gaz activ, tot

timpul procesului presiunea parial a hidrogenului se va pstra la valoarea zero, ceea ce va

asigura viteze mrite de difuzie a acestuia din topitur ctre bulele de gaz.

3{Cl 2 } + 2[Al] = {AlCl 3 }

{Cl 2 } + {H 2 } = 2{HCl}

3{HCl} + [Al] = {AlCl3

} + 3/2{H2

}

b.) Tratarea aliajului lichid cu fluxuri uor volatile. Srurile uor volatile se ntroduc n

aliajul lichid cu ajutorul unui clopot, se produce volatilizarea fluxului i n continuare

degazarea aliajului se realizaz conform mecanismului prezentat la punctul precedent.

Aceste fluxuri sunt pe baz de :MnCl 2 , ZnCl 2 , AlCl 3 , NH 4 Cl i C 2 Cl 6

De menionat c tratarea aliajelor Al-Mg cu clor sau cu hexacloretan poate determina

pierderi mari (20...60 %) de magneziu datorit formrii compusului MgCl 2 la temperaturi de

peste 800 C.

La aceast tehnologie de degazare o atenie deosebit trebuie acordat temperaturii

la care se realizeaz introducerea fluxului n topitur. Temperatura acesteia va determina

viteza de evaporare a componentului uor volatil din flux, deci implicit, cinetica de formare a

bulelor precum i dimensiunile acestora.

c.) Degazarea aliajelor neferoase prin pendularea temperaturii n jurul temperaturii

lichidus. Aceast tehnologie de degazare duce la micorarea coninutului de hidrogen,

deoarece la solidificarea paril a aliajului se elimin hidrogenul atomar care nu poate fi

reinut n soluia solid, figura 3.51.

Fig. 3.51. Variaia n timp () a

coninutului de hidrogen n aliaje n cazul

degazrii prin pendularea temperaturii n

jurul temperaturii lichidus.

Topirea i supranclzirea ulterioar

efectuat n condiii riguros controlate pot

evita saturarea metalului n hidrogen. Degazarea prin acest metod dureaz mult i este

costisitoare (implic un consum mare de energie). Se utilizeaz la ndeprtarea bioxidului de

sulf din cuprul afinat.

d.) Degazarea aliajelor neferoase prin fierbere. Se realizeaz prin supranclzirea

aliajului pn aproape de temperatura de fierbere, procedeu ce se aplic la aliajele care au o

temperatur joas de fierbere la presiunea atmosferic (aliaje pe baz de zinc, alamele,

bronzurile cu cadmiu i fosfor, aliajele de magneziu). Asfel, la alamele cu 43 % Zn,

temperatura de fierbere este cu numai 170 C mai ridicat dect temperatura lichidus, figura

3.52.

Fig.3.52. Variaia temperaturii de fierbere a

aliajelor Cu-Zn n funcie de compoziia aliajului

(curba ntrerupt).

Prin supranclzirea aliajului pn la

aceast temperatur se poate provoca fierberea

alamei. Vaporii de zinc determin degazarea

aliajului n acelai fel ca i barbotarea acesteia cu gaze neutre.

Este de meninat, c la elaborarea alamelor, degazarea aliajului lichid conform

mecanismului prezentat mai nainte se produce n mod natural, datorit condiiilor

existente.

e.) Degazarea aliajelor neferoase se poate realiza i cu ajutorul vibraiilor mecanice,

sonore i ultrasunetelor. n acelai timp aceast metod de degazare contribuie i la

mbuntirea structurii i la formarea de emulsii de metal nemiscibil n stare lichid.

Sub aciunea vibraiilor orice punct al metalului lichid se gsete supus alternativ la

presiuni pozitive i negative. Perioada de depresiune favorizeaz formarea bulelor gazoase

care se adun n nodurile vibratoare i aglomerndu-se pot urca la suprafa.

f.) Degazarea aliajelor neferoase cu substane active. Procedeul se bazeaz pe faptul

c dac n baia metalic se introduce o substan care este capabil s formeze mpreun cu

hidrogenul o combinaie chimic stabil la temperatura de elaborare a aliajului i insolubil

n topitur, acesta poate fi eliminat.

n calitate de substan activ sunt folosii Ca i Li care formeaz cu hidrogenul

hidruri stabile:

[Ca] + 2[H] = (CaH2

)

i.) Degazarea aliajelor neferoase pe cale natural. Aceast tehnologie de degazare se

bazeaz pe urmtoarele dou fenomene:

- dup cum s-a mai menionat saturarea aliajelor lichide cu hidrogen se

realizeaz datorit reaciei ce se produce ntre vaporii de ap din atmosfera agregatului de

elaborare i topitura metalic;

- presiunea parial a hidrogenului, n atmosfera agregatului de elaborare,

este foarte mic, cel puin din urmtoarele dou motive: datorit concentraiei hidrogenului

n aerul atmosferic i datorit imposibilitii producerii reaciei de disociere a vaporilor de

ap prezeni n atmosfera agregatului de elaborare.

n aceste condiii hidrogenul dizolvat se va difuza treptat din baia metalic n

atmosfera cuptorului. Pentru desfurarea acestui proces se folosesc cuptoare care permit,

pe de o parte meninerea temperaturii n limite foarte strnse, iar pe de alt parte,

mpiedic gazarea topiturii. Cu toate c degazarea poate s se produc n proporie de 90 %,

procedeul are dezavantajul duratei prea mari, peste 3 ore, figura 3.54.

Fig. 3.54. Curba cinetic de degazare a

aliajelor de aluminiu pe cale natural.

Totui acest tehnologie de degazare este

aplicat la elaborarea aliajelor deformabile, n

cuptoare cu vatr, deoarece concomitent cu

eliminarea hidrogenului se produce att eliminarea

incluziunilor nemetalice solide ct i a impuritolor

metalice (tot prin decantare) fr s se produc

impurificarea aliajului cu alte substane (cu fluxuri).

j.) Degazarea aliajelor neferoase sub vid.

La micorarea presiunii deasupra bii metalice, se micoreaz solubilitatea gazelor n

aliaje conform legii lui Siewerts, p H2 = [H] v2 /K 2 .

Degazarea aliajelor neferoase sub vid se produce dup urmtorul mecanism, figura

3.55.:

Fig. 3.55. mprirea stratului superficial

dup tipul regimului de degazare.

I- trecerea atomilor gazului dizolvat din volumul topiturii n stratul superficial de

difuzie;

II- difuzia atomilor gazului dizolvat prin stratul superficial de difuzie;

III- trecerea atomilor gazului dizolvat n stratul superficial activ (de desorbie);

IV- molarizarea atomilor gazului dizolvat n stratul superficial activ:2[H] {H 2 }

V- desorbia moleculelor gazului dizolvat n atmosfera rarefiat a agregatului de

degazare;

VI- ndeprtarea moleculelor desorbite de la suprafaa interfazic topitur-

atmosfer rarefiat.

Prin urmare, procesul de degazare sub vid se realizeaz prin nsumarea a

urmtoarelor dou fenomene:

- prin desorbia bulelor de hidrogen care se formeaz n stratul superficial,

activ, al topiturii. Durata acestei etape este foarte mic, de ordinul secundelor i se produce

cu vitez mare;

- prin difuzia hidrogenului din straturile adnci ale topiturii ctre stratul activ,

ceea ce determin ca viteza de eliminare a hidrogenului s fie foarte mic (stratul n care

concentraia hidrogenului nregistreaz o variaie continu, datorit fenomenelor de difuzie,

poart denumirea de strat superficial de difuzie).

Degazarea aliajului prin intermediul formrii bulelor se produce numai ntr-un strat

superficial de mic grosime, a crei valoare, n cazul aliajelor de aluminiu, variaz ntre

15...30 mm. Grosimea acestui strat activ este influenat de: presiunea remanent n sistem,

adic de cea deasupra topiturii, precum i de densitatea metalului; de raza critic a bulelor

de hidrogen la care acestea devin stabile i de concentraia gazului dizolvat n acest strat

Grosimea stratului de difuzie, din stratul superficial, se poate aprecia prin

determinarea variaiei grosimii stratului limit al concentraiei hidrogenului, cu relaia 3.56.

Fig. 3.57. Variaia grosimii stratului

limit al concentraiei hidrogenului

pentru diferite durate de meninere a

aliajului lichid sub vid.

Pentru diferite durate de meninere a aliajului lichid sub vid, rezult valorile

prezentate n diagrama din figura 3.57. La construirea diagramei s-a considerat concentraia

hidrogenului n volumul topiturii 0,4 cm 3 H 2 /100 g Al, iar n stratul superficial activ, zero.

Prin nsumarea valorilor rezultate pentru cele dou straturi (30 + 20 mm), rezult c

degazarea aliajului lichid sub aciunea direct a vidului, dup 30 de minute de meninere, se

produce numai pe o adncime de 50 mm, ceea ce reprezint o valoare nesemnificativ fa

de nlimea total a bii metalice (0,5...1,2 m).

Prin urmare, n practica degazrii aliajelor neferoase sub vid, n vederea intensificrii

procesului de transfer de mas, se utilizeaz diferite metode n vederea trecerii procesului

din regim de difuzie n cel cinetic, prin amestecarea topiturii mecanic, cu ajutorul unui cmp

magnetic exterior sau prin barbotare.