Materialele metalice feroase sunt: - fontele - oţelurile

Câteva definiţii: FONTELE

- Sunt aliaje fier-carbon cu un conţinut de carbon cuprins între 2,11% şi 6,67%

OŢELURILE

- Sunt aliaje fier-carbon cu un conţinut de până la 2,11% carbon

CLASIFICAREA FONTELOR

FONTE

FONTE BRUTE

(de primă fuziune)

FONTE TURNATE ÎN PIESE

ALIATE NEALIATEFONTE ALBE

FONTE PESTRIŢE

FONTE CENUŞIII

- Cu grafit noduler- Cu grafit lamelar

FONTEMALEABILE

CLASIFICAREA OŢELURILOR

OŢELURI

OŢELURI PT CONSTRUCŢII

OŢELURI PENTRUSCULE

OŢELURI TURNATEÎN PIESE

OŢELURI CARBON OBIŞNUITE

OŢELURI CARBON DE CALITATE

OŢELURI CUDESTINAŢIE

SPECIALĂ

• Se obţin în furnal prin reducerea minereului de Fe cu ajutorul cocsului.• Se folosesc la fabricarea fontelor de turnătorie şi a oţelurilor.• Se clasifică în fonte brute nealiate şi fonte brute aliate (cu peste 5% Si sau Mn), şi se folosesc pentru:

- obţinerea oţelului în cuptoare electrice sau convertizoare – fonte de afânare: FAC; - retopire şi turnare în piese – fonte brute de turnătorie : FK (marcate cu vopsea neagră) şi FX (marcate cu vopsea verde).

FONTELE BRUTE (DE PRIMĂ FUZIUNE)

FONTELE TURNATE ÎN PIESE• Se obţin prin retopirea fontelor brute de turnătorie în cubilouri* sau cuptoare rotative, conţin maxim 4,3% C; 3,5%Si; 1,5% Mn.• În funcţie de conţinutul elementelor însoţitoare se clasifică în:1.Fonte albe, cu C sub formă de cementită, de culoare albă în spărtură, dure (400-600 HB), fragile, nedeformabile şi neprelucrabile prin aşchiere, folosite la fabricarea pieselor rezistente la uzură.2.Fonte pestriţe, cu C legat sub formă de cementită şi liber sub formă de grafit (în spărtură, sunt pestriţe).

* CUBILÓU, cubilouri, s. n. Cuptor vertical cilindric, format dintr-o manta de tablă căptuşită cu cărămidă refractară, în care se încălzește metalul împreună cu combustibilul și cu materialele auxiliare, pentru a obține fuziunea metalului sau pentru topirea şi turnarea lui în forme.

3. Fonte cenuşii Au C sub formă de grafit (în spărtură culoare cenuşie), cu bună rezistenţă şi duritate,

amortizează vibraţiile şi au proprietăţi de autoungere (sunt folosite ca fonte antifricţiune).

Proprietăţi tehnologice: fuzibilitate, fluiditate şi turnabilitate bună, uşor prelucrabile prin aşchiere.

În funcţie de forma grafitului se clasifică în:- Fonte cenuşii cu grafit lamelar (folosite la turnarea carcaselor, ghidajelor, maşinilor unelte).

Exemplu: Fc 200, cu rezistenţa de rupere la tracţiune de 200 N/mm2. - Fonte cenuşii cu grafit nodular, obţinute prin adăugare de Mg în fonta cenuşie (au

caracteristici mecanice superioare şi se folosesc pentru turnarea pieselor pentru autovehicule: arbori cotiţi, axe cu came; în industria metalurgică, cilindri de laminor.

Exemplu: Fgn 400, cu rezistenţa de rupere la tracţiune de 400 N/mm2. Fonte maleabile

Obţinute prin aplicarea tratamentului termic de maleabilizare a fontelor albe, care duce la transformarea cementitei în grafit prin încălzire la 550-970 ºC, menţinere 20-80 ore şi răcire lentă până la 760 ºC, urmată de răcire rapidă la temperatura mediului.

Se folosesc la fabricarea pieselor ce funcţionează cu şocuri şi vibraţii (flanşe, mufe, cârlige, cleme).

Exemplu: Fm 30a (fontă maleabilă cu rezistenţa la rupere de 30 daN/mm2, în spărtură de culoare albă);

Fm 40n (fontă maleabilă cu rezistenţa la rupere de 40 daN/mm2, în spărtură de culoare neagră).

OŢELURI CARBON PENTRU CONSTRUCŢII1.Oţeluri de uz general pentru construcţii – se folosesc sub formă de produse laminate la cald, fără prelucrări prin aşchiere complicate.Simbolizarea se realizează cu reprezentarea OL , urmat de un grup de două litere ce reprezintă rezistenţa minimă de rupere la tracţiune.Exemple: OL 32 – oţel carbon obişnuit cu rezistenţa de rupere la tracţiune de 32 daN/mm2; OL 50 – oţel carbon obişnuit cu rezistenţa la rupere de 50 daN/mm2;Utilizare – funcţie de concentraţia de C (oţel moale sau semidur), pentru construcţii metalice, uşor sudabile şi construcţii de maşini: şuruburi, piuliţe, bride, pene.

2.Oţeluri carbon de calitate –se garantează compoziţia chimică şi proprietăţile mecanice de bază, în stare de tratament termic.Simbolizarea: OLC (oţel carbon de calitate), urmat de un grup de două cifre ce indică concentraţia medie de C în sutimi de procent.Exemple: OLC 45 – oţel carbon de calitate cu 0,45 %C; OLC 60 – oţel carbon de calitate cu 0,60 %C;Utilizare: în construcţiile de maşini la fabricarea pieselor ce urmează a fi sudate, matriţate, a pieselor supuse la uzuri de frecare mari (bolţuri), pentru piese cu proprietăţi elastice (arcuri, bucşe), pentru piese rezistente la uzură (pene, roţi dinţate).

OŢELURI CARBON CU DESTINAŢIE SPECIALĂ

1. Oţeluri prelucrate pe maşini – unelte automate – moi sau semidure, cu conţinut de S între 0,8 şi 0,30 %, pentru a obţine o aşchie fragilă.Simbolizare: AUT, urmat de un grup de două cifre, ce dau conţinutul mediu de C în sutimi.Exemplu: AUT 20 – cu 0,2 %C.2. Oţel fosforos pentru piuliţeExemplu: OLP cu conţinut mediu de fosfor între 0,2 şi 0,4 %.

3. Oţel pentru construcţia cazanelor şi recipientelor sub presiune – se livrează sub formă de tablă groasă şi se prelucrează prin deformare la rece şi prin sudare. Se notează cu K şi are un conţinut mediu de C între 0,09 şi 0,33 %.4. Oţeluri pentru ţevi laminate la cald – sunt oţeluri carbon ce se notează cu OLT (oţel laminat pentru ţevi), urmat de un nr din două cifre ce reprezintă rezistenţa minimă la rupere în daN/mm2.

Exemplu: OLT 35

OŢELURI CARBON PENTRU SCULE

•Sunt dure sau extradure, cu conţinut de C între 0,7 şi 1,4 %, se tratează termic, obţinându-se durităţi foarte mari, ceea ce le fac folosibile pentru piese supuse uzurilor mari prin frecare.• Simbolizare: OSCOSC (oţel de scule carbon), urmat de un număr ce determină conţinutul de C în zecimi de procent.Exemple: OSC 7OSC 7(cu 0,7 %C); OSC 14OSC 14 (cu 1,4% C).• Utilizări: OSC 7 – OSC 9OSC 7 – OSC 9 (pentru scule de prelucrare a materialelor nemetalice, a sculelor de presare, lovire sau tăiere la rece).OSC 10 – OSC 14 OSC 10 – OSC 14 (pentru scule de aşchiere a materialelor cu durităţi mici ca: alame, bronzuri, oţeluri moi).Oţelurile pentru pileOţelurile pentru pile – exemple:OSP 1 OSP 1 – oţel de scule pentru pile cu 0,45 %C;OSP 2 OSP 2 - oţel de scule pentru pile cu 0,85 %C;OSP 3 OSP 3 – oţel de scule pentru pile cu 1 %C.

OŢELURI CARBON TURNATE ÎN PIESE• Sunt moi şi semidure; se notează cu OTOT (oţel turnat), urmat de un grup de două numere, dintre care primul format din două cifre arată rezistenţa minimă de rupere la tracţiune, iar celălalt indică grupa de calitate.Sunt oţeluri uşor turnabile şi se livrează în trei grupe de calitate funcţie de proprietăţile mecanice:Grupa 1 – se garantează rezistenţa la tracţiune şi alungire;Grupa 2 – se garantează şi limita de curgere;Grupa 3 – se garantează gâtuirea şi rezistenţa.Exemple: OT 45-1 OT 45-1 (oţel turnat cu rezistenţa la rupere de 45 daN/mm2 şi alungirea λ18 %OT 45OT 45-3 -3

INSTALAŢII INSTALAŢII PENTRU PENTRU ELABORAREA MATERIALELOR ELABORAREA MATERIALELOR METALICEMETALICE

Construcţia şi funcţionarea furnalului clasic

Furnalul clasic este agregatul cel mai răspândit pentru producerea fontei de primă fuziune prin reducerea oxizilor de fier cu carbon şi, în oarecare măsură, cu hidrogen.

Furnalul este un cuptor vertical cu cuvă, cu funcţionare continuă. Durata între două reparaţii capitale este între 6-12 ani.

Profilul interior al furnalului este compus din cinci parţi (fig. 2): creuzet, etalaj, pântece, cuvă şi gură de încărcare.

Materialele pentru producerea fontei (minereuri, combustibili şi fondanţi) se introduc în furnal prin gura de încărcare, printr-un aparat special care asigură închiderea etanşă, menţinerea presiunii şi captarea gazului format în furnal. În tot timpul funcţionării, furnalul este plin cu materiale solide lichide şi gazoase.

Aerul pentru arderea combustibilului se introduce prin orificii practicate în partea de sus a creuzetului numite guri de vânt.

În urma proceselor care au loc între minereurile şi fondanţii care parcurg furnalul de sus în jos, se obţin ca produse fonta şi zgura, ambele evacuându-se din furnal prin orificii prevăzute în creuzet (fig. 3)

Furnalul este un cuptor masiv din zidărie şi cărămidă refractară, înconjurat de o construcţie metalică complexă, care asigură stabilitatea zidăriei şi susţine instalaţiile de la gura de încărcare.

Pentru asigurarea verticalităţii perfecte a furnalului, furnalul trebuie să se sprijine pe o fundaţie puternică.a) fundaţia furnalului se construieşte din beton armat de stabilitate termică mare, iar în parte de sus a soclului se pune un strat de beton refractar rezistent până la 500 0 C.b) creuzetul 1 (fig.4) este partea cea mai solicitată a furnalului, deoarece în el se aduna fonta şi zgura lichide iar în partea superioară are loc arderea.

Creuzetul trebuie să reziste la temperaturi înalte (1700-1900 0 C, în dreptul gurilor de vânt), la coroziunea chimică a fontei şi a zgurii şi la compresiune.

Pereţii creuzetului se zidesc din cărămidă de şamotă, cu grosime mai mare la bază (0,9-1,5 m) şi mai mică în dreptul gurilor de vânt (circa. 0,7 m). Creuzetul este consolidat cu o manta din tablă groasă din oţel sub care se găsesc plăcile de răcire.

Pentru a permite dilatarea termică a zidăriei, între plăcile de răcire se lasă un rost de dilatare de 70-100 mm care se umple cu masă carbonică.c) Etalajul 2 si pântecele 3 se construiesc cu pereţi subţiri (230-345 mm), răcirea făcându-se intens cu placi de răcire cu nervuri.Etalajul şi pântecele sunt supuse acţiunii corozive a picăturilor de zgură şi fontă care se preling pe pereţi, precum si acţiunii mecanice a coloanei de materiale solide.

Mantaua metalică care înconjoară etalajul este prevăzută la exterior cu şicane care servesc pentru răcire suplimentară în cazul defectării plăcilor de răcire.d) Cuva 4 trebuie să-şi menţină profilul apropiat de cel iniţial, în tot timpul funcţionării. Grosimea zidăriei este de 1000-1500 mm în partea de jos şi 800-900 mm în partea de sus.

Cuva este supusă acţiunii mecanice a materialelor solide şi acţiunii chimice a gazelor a vaporilor de metale neferoase şi a carbonului.

Cuva este înconjurată de o manta din tabla de oţel, răcirea zidăriei făcându-se cu pene de răcire aşezate în zig-zag. Cuva se sprijină pe un inel puternic susţinut de stâlpi metalici 8, care se sprijină la rândul lor pe fundaţia furnalului.e) gura de încărcare 5 trebuie să-şi menţină profilul în tot timpul funcţionării furnalului, pentru a asigura repartizarea corectă a materialelor încărcate în furnal.Gura de încărcare este supusă la acţiuni mecanice puternice, datorită materialelor solide care se încarcă în furnal.f) sistemul de închidere a gurii de încărcare a furnalului şi de captare a gazului. Gura de încărcare a furnalului este închisă de o cupolă 11 din care pornesc 4 conducte verticale pentru captarea gazului de furnal.

Funcţionarea furnalului La punerea în funcţiune a furnalului trebuie să se aibă în vedere ca zidăria şi aparatul de încărcare

să nu se deterioreze iar încărcătura să asigure obţinerea unei fonte de calitate şi o permeabilitate buna pentru gaze. Vatra furnalului se pardoseşte cu un strat de lemne, deasupra cărora se ridica o platforma de lemn sprijinită pe stâlpi de lemn, sub nivelul gurilor de vânt.

Deasupra se încarcă cocs şi calcarul necesar pentru zgurificarea cenuşii cocsului şi legarea sulfului. Pentru uşurarea aprinderii cocsului este bine ca în dreptul gurilor de vânt să se pună mangal. Pornirea se face prin suflare cu aer cald timp de 0,5 h.

Arzând combustibilul din dreptul gurilor de vânt se aprinde şi platforma de lemne, iar cocsul incandescent cade pe vatră. După ce furnalul s-a mai încălzit începe să se încarce în cuvă şi câte puţin minereu.

Prima fonta şi zgura se evacuează după 12-16 h de la pornire, ambele prin orificiul de fontă.

Deranjamente in funcţionarea furnalului Ca urmare a nerespectării condiţiilor normale de încărcare şi suflare a aerului cele mai des întâlnite deranjamente apărute în funcţionarea furnalului sunt:

• mersul rece – având următoarele cauze: schimbarea stării fizice a compoziţiei minereului şi cocsului; repartizarea neuniformă a materialelor la gura de încărcare; dozarea necorespunzătoare a încărcăturii.• mersul greu – constă în încetinirea coborârii încărcăturii, având loc opriri şi căderi ale coloanei de material din furnal.• agăţările – constau în oprirea completa a coborârii încărcării datorită blocării materialelor în etalaj sau în pântecele furnalului.

• mersul înclinat – apare atunci când coloana de material coboară mai repede pe o parte a furnalului.

• lipiturile – depuneri de material pe pereţii cuvei

Fonta se elaborează în cubilouri, în cuptoare rotative cu flacără, cu creuzet şi electrice. Oţelul se elaborează in cuptoare Siemens-Martin, cuptoare electrice cu arc sau cu inducţie şi în convertizoare.

2. Cubilouri şi cuptoare pentru elaborarea fontei

2.1 Construcţia si funcţionarea cubiloului

Cubiloul este un cuptor cu funcţionare continuă şi este construit dintr-o manta de oţel căptuşită cu cărămidă refractară care se sprijină pe nişte picioare. Pe măsură ce se evacuează fonta topită (la 10-15 min), prin gura de încărcare se introduce încărcătura nouă. Pentru elaborarea fontei în cubilou se utilizează următoarele materiale: fonta brută, deşeuri de fontă, deşeuri de oţel, cocsul ca material combustibil, fondantul (fluorura de calciu), folosit pentru formarea zgurei fluide la suprafaţa baii de metal lichid. Părţile principale ale unui cubilou (fig.6) sunt:

• cuva 1 umplută în permanenţă cu încărcătură prin gura 5;

• creuzetul 2 prevăzut cu jgheabul de scurgere 6 pentru fontă şi gura 7 pentru evacuarea zgurei;

• vatra 3 executată dintr-un amestec de nisip de turnătorie şi 12-14% argilă;

mantaua metalică 4 căptuşită cu cărămizi de şamotă; capacul 8 susţinut de stâlpi metalici 9; toba 10, prin care aerul necesar arderii primit de la un ventilator pătrunde în cubilou prin gurile 11; coşul 12 şi parascânteiul 13 platforma de încărcare 14

În vederea elaborări metalului topit cubiloul trebuie pregătit în prealabil, constand în repararea şi uscarea căptuşelii refractare din interior. Construcţiile moderne de cubilouri sunt prevăzute cu ante-creuzete pentru omogenizarea compoziţiei chimice a fontei, cu mai multe guri de aer cu insuflarea de aer preîncălzit la 200-600 oC prin insuflarea de aer îmbogăţit cu circa 25% oxigen tehnic.

Pentru pornirea cubiloului pe vatra se aprinde un foc de lemne peste care se toarnă un strat de cocs, până la 500 mm deasupra zgurilor de aer. Se introduc alternativ straturi de fontă, cocs şi fondant

După ce se aprinde cocsul, se va închide uşa de vizitare şi se suflă aer. Materialele din cubilou se topesc datorită căldurii degajate în timpul arderii cocsului rezultând fonta lichidă, care curge în creuzet. Zgura formata rămâne deasupra metalului fiind mai uşoară decât fonta. Pe la partea de jos a ante-creuzetului se scurge metalul lichid.

.2.2 Cuptorul rotativ cu flacărăCuptorul rotativ (fig.7) este un cilindru de oţel orizontal căptuşit cu

material refractar. Părţile lui principale sunt: arzătorul 1, a cărui flacără vine în contact cu materialele introduse prin capătul opus al cuptorului; orificiu 2, prin care se scurge zgura formata la topire; orificiul 3 prin care se scurge fonta; rolele 4 cu ajutorul cărora se roteşte cuptorul pentru scurgerea metalului lichid.

3 Cuptoare pentru elaborarea oţelului3.1 Cuptorul electric cu arc

Este cel mai răspândit în practica industrială (fig. 8) intre 0,5 tone şi 200 tone. Acest cuptor se bazează pe principiul folosirii căldurii dezvoltate de arcul electric format între metalul de topit 1 şi electrozii 23.2. Convertizorul pentru elaborarea oţelului 

Capacitatea convertizorului (fig.9) este de 1-4 tone, iar otelul se elaborează din fonta lichidă obtinută în cubilou şi din fier vechi în proporţie de 30-70%. Aerul pentru afânarea de metal se sufla printr-un orificiu lateral 1.3.3. Cuptor electric cu inducţie

La aceste cuptoare metalul de topit este introdus în circuitul secundar şi topit de căldura dezvoltată la trecerea curentului electric.