Protectia Mediului. Perspective Globale Privind Deseurile Provenite din Echipamente Electrice Si Elec
INTRODUCERE
PROTECTIA MEDIULUI
Un mediu inconjurator sanatos reprezinta o conditie esentiala pentru proprietatea pe termen
lung si pentru calitatea vietii, de aceea un inalt nivel de protectie in acest domeniu este cerut. In viitor, dezvoltarea economica si prosperitatea vor continua sa exercite o presiune puternica asupra capacitatii planetei de a raspunde cerintelor in materie de resurse si de absorbtie a poluarii.
In acelasi timp, standardele ridicate de protectie a mediului reprezinta un motor pentru inovatie si pentru oportunitatile de afaceri. Per ansamblu, societatea trebuie sa faca eforturi pentru a reduce impactul negativ exercitat de cresterea economica asupra mediului inconjurator. Activitatile economice trebuie derulate eficient din punct de vedere ecologic prin fabricarea cu mai putina energie a unei cantitati egale sau mai mari de produse, avand ca rezultat mai putine deseuri. Modelele de consum trebuie sa devina mai sustenabile.
Avand in vedere aspectele mentionate mai sus, politica UE de protectie a mediului se concentreaza pe urmatoarele aspecte:
conservarea, protectia si imbunatatirea calitatii mediului
protejarea sanatatii populatiei
utilizarea corecta si rationala a resurselor naturale cu refolosirea acestora.
Prezentul proiect se incadreaza in directiva 3 si anume utilizarea rationala, in surse limitate a deseurilor provenite din echipamentele electrice si electronice.
Protectia mediului trebuie integrata in definirea si implementarea altor politici de sector, de care este strans legata si care au impact asupra mediului, cum ar fi agicultura, energia, industria, transporturile, protectia consumatorilor.
Ca multe tari din Europa Centrala si de Est, Romania a mostenit din perioada comunista grave probleme de mediu, cauzate de politica industriala bazata pe o productivitate ridicata, care nu a tinut cont de impactul asupra mediului si sanatatii oamenilor. Cele mai grave probleme se intalnesc in urmatoarele sectoare: calitatea apei, gestionarea deseurilor si poluarea aerului si a solului.
In calitate de viitor stat membru al Uniunii Europene, Romania trebuie sa includa intre prioritatile sale, alinierea la standardele Uniunii Europene de protectie a mediului. Acest proces reprezinta una dintre cele mai mari provocari in cadrul procesului de aderare si include doua mari directii de actiune:
armonizarea legislatiei romanesti cu acquis-ul UE in acest sector;
reforma institutionala care necesita dezvoltarea unui mecanism institutional capabil sa aplice si sa monitorizeze punerea in aplicare a legislatiei adoptate.
Initial, Romania a inregistrat mici progrese in directia armonizarii legislative in domeniul protectiei mediului. Primul progres important a fost inregistrat in decembrie 1995, prin adoptarea Legii cadru pentru protectia mediului, care a introdus principii importante in ceea ce priveste legislatia si politica de protectie a mediului, ca de exemplu principiul “ poluatorul plateste”.
In urmatorii ani, s-au inregistrat progrese importante in domeniul legislativ prin: adoptarea legislatiei referitoare la evaluarea impactului asupra mediului inconjurator al anumitor programe cu efecte transfrontaliere, a legislatiei privind deseurile periculoase, gropile de gunoi pentru deseuri, deseurile rezultate din ambalaje, transportul deseurilor, apa potabila, apa menajera, poluarea cauzata de substantele periculoase, identificarea spatiilor si a domeniilor care necesita protectie speciala, controlul poluarii industriale, masuri pentru siguranta campurilor nucleare.
Cu toate ca Romania a transpus o mare parte din legislatie, capacitatea administrativa si resursele financiare dedicate acestui sector raman inadecvate, avand ca rezultat slaba implementare a politicilor Comisiei Europene in domeniul potectiei mediului. Reinfiintarea, in prima parte a anului 2004, a unui minister pentru acest domeniu, Ministerul Mediului si gospodaririi Apelor, constituie un element esential pentru ameliorarea situatiei din acest domeniu.
In plus, trebuie luate in considerare urmatoarele prioritati:
Infiintarea unui Fond operational pentru protectia mediului, care sa aiba rolul unui instrument economic de sprijinire a investitiilor publice importante in acest domeniu;
Realizarea unor estimari de costuri si a planurilor financiare corespunzatoare acestora pentru implementarea principalelor directive.
Toate acestea necesita investitii importante din partea sectorului public si a celui privat, cu sprijin extern din partea Institutiilor Financiare Internationale. Uniunea Europeana reprezinta unul dintre principalii donatori in acest domeniu. [1]
CAPITOLUL I
STADIUL ACTUAL AL RECUPERARII SI VALORIFICARII DESEURILOR METALICE DIN ECHIPAMENTE
ELECTRICE SI ELECTRONICE
Perspective globale privind deseurile provenite din echipamente electrice si electronice
Productia de echipament electric si electronic este intr-o continua crestere in toata lumea. Atat inovatiile cat si expansiunea pietii continua sa accelereze inlocuirea echipamentelor conducand la o crestere semnificativa a deseurilor electrice si electronice.
In 1998, in Europa de Vest au fost generate 6 milioane tone de deseuri provenite din echipamente electrice si electronice iar in 2004, cel putin 1 milion de calculatoare personale au devenit deseuri, de aceea nu e surprinzator ca astazi deseurile provenite din EEE reprezinta 8% din deseurile municipale si e una din categoriile al caror volum se mareste extrem de repede.
Folosirea bunurilor electronice a crescut rapid in ultimele decenii si proportional cu acesta si cantitatea de deseuri constituite din bunuri ca telefoane mobile, calculatoare si electronice. Intre 1994 si 2003 aproximativ 500 milioane de calculatoare au ajuns la sfarsitul ciclului lor de viata.
500 milioane de calculatoare contin aproximativ 2,872 tone de plastic, 718 tone de plumb, 1363 tone de cadmiu si 287 tone de mercur continute in aceste deseuri au o toxicitate ridicata. Astfel, Conventia de la Basel le-au numit substante hazarduoase.
In 2005,130 milioane de telefoane mobile au fost retrase de pe piata la fel cum s-a intamplat si cu toate tipurile de bunuri portabile ca MP3 playere, jocuri electronice si echipamente periferice.
Deseurile electrice si electronice sunt o problema urgenta datorita maririi volumului de deseuri generate dar si a continutului toxic si de materiale valoroase.
Datorita continutului de materiale necunoscute, deseurile provenite din echipamente electrice si electronice poate cauza probleme ecologice in faza de management al deseurilor daca nu sunt corect pretratate.
In timpul arderii sau a reciclarii necorespunzatoare in natura, poluantii ca Cu Au, Al, Fe si a dezvoltat un cadru pentru a controla transportul deseurilor electrice si electronice peste granita.
Substantele foarte toxice din deseurile provenite din EEE sunt Cd, Hg si Pb dar contin de asemenea si substante valoroase ca Au si Cu. Recuperand aceste metale din deseurile EEE a devenit o afacere profitabila.
China si India s-au confruntat cu o crestere rapida a deseurilor EE provenite atat din deseurile casnice dar si din importuri ilegale.
Pentru o economie de emergenta aceste fluxuri de materiale din importurile de deseuri nu numai ca ofera portunitatea unei afaceri dar satisface totodata cererea EEE de mana a-2-a. Lipsa regulamentului national si/sau neaplicarea legii promoveaza cresterea economica informala in tarile industrializate.
In timp ce aceasta e o sursa de supravietuire pentru cei saraci, ea cauzeaza riscuri severe umane dar si asupra mediului. Multi dintre participantii la aceste riscuri nu sunt constienti de riscuri, nu cunosc practici mai bune sau nu au acces la capitalul de investitii pentru a finanta imbunatatiri profitabile.
EEE este pus sub o preocupare speciala in Europa deoarece este atat hazarduos cat si un segment de crestere rapida a fluxului de producere a deseurilor.
In 1998, Europa dispunea de 6 milioane tone de deseuri provenite din echipamentele electrice si electronice adica aproximativ 4 % din totalul cantitatii de deseuri.
Un motiv semnifciativ a tendintei de crestere a deseurilor este uzura tehnologica, acesta fiind rezultatul unei dezvoltari rapide atat a componentelor hardware si software.
Echipamentele provenite de la calculatoare reprezinta cel mai mare procent din cantitatea de deseuri electrice si electronice.
Deseurile electrice si electronice in 1998, in Europa, includeau 27.000 tone de Pb si 8 tone de Hg. Desktopul si monitorul unui calculator include As, Be, Cd, Pb, Hg, Ni, Sb, pe langa alte metale, toate fiind toxice pentru sanatatea oamenilor. Durata de exploatare a unui calculator acum este de 2 ani inainte sa devina uzat din punct de vedere tehnologic.
Produsele care sunt depozitate la gropile de gunoi pot lasa scurgeri de astfel de metale la suprafata sau in apele subterane. Praful se poate de asemenea raspandi in timpul strivirii mecanice sau depunerii pe teren.
In 1999, doar 6% din calculatoare erau reciclate, iar 8% erau donate altor persoane.
In 2004 erau 315 milioane de calculatoare uzate numai in Statele Unite si un numar comparabil in Europa, aproximativ 75% din ele erau pastrate in asteptarea unei depozitari corespunzatoare.
In 2005 era un calculator uzat la fiecare calculator intrat pe piata, deci, incapabilitatea de a folosi un numar semnificativ de masini si toxicitatea calculatoarelor vechi a condus la cautarea unor solutii alternative.
Compozitia deseurilor EEE
Exista urmatoarele categorii de deseuri provenite din EEE:
Aparate electronice de comunicatie, pentru birou si informatica
Aparate de uz casnic
Aparate electronice pentru divertisment
Componente electronice ale aparatelor enumerate mai sus
Tabel 1 – Categoria de deseuri EEE conform Directivei UE privind deseurile EEE
Intarziere 0 ani/ rata 100%
5 ani / 100%
0 ani / 50% 0 ani / 10%
0 ani / 40%
3 ani / 100%
0 ani
50%
0 ani / 50% 3 ani / 100%
0 ani / 100%
0 ani / 50% 0 ani / 50%
Figura 1. un model simplu adaptat de la Matthews in 1997 pentru a calcula deseurile reciclate si /sau depozitarea acestora.
Acest model descrie modul de folosire a calculatoarelor personale urmat de o distrugere finala pentru a recupera materialul si energia. Unele materiale sunt depozitate iar restul este returnat ca material secundar neprelucrat. Transferul de la o etapa la alta este descris cu o intarziere in ani si in rata de transfer in % a volumului total al deseurilor.
Media calculatoarelor devenite rebut intre perioada 1991-2004 e calculata ca o ratie intre deseurile calculatoare si baza celor montate care e aproximativ 11%.
In perioada 1990-1999, cantitatea de deseuri EEE varia intre 3,3 si 3,6 kg/cap de locuitor, iar intre 2000-2010 se preconizeaza ca vor ajunge la 3,9-4,3 kg / cap de locuitor.
Vanzarea de noi calculatoare a crescut substantial de la 20 milioane in 1992 la 180 milioane in 2004. Totusi s-a inregistrat o scadere considerabila la vanzarea de noi calculatoare in 2001-2002 urmata de o recuperare rapida in ultimii 2 ani.
Aproape jumatate din calculatoarele noi le-au inlocuit pe cele devenite deseu, restul adunandu-se la baza instalata ce rezulta din cresterea prezenta.
Calculand numarul calculatoarelor rebut cu totalul celor montate rezulta o rata de rebut intre 2-17%.
In Europa, se genereaza anual 2 kg de deseuri de Cu /cap de locuitor. Deseurile provenite din echipamente electrice si electronice si automobile iesite din uz sunt cele mai importante generatoare de deseuri domestice menajere ce contin Cu. Ele contin 67% din totalul de Cu dar aceasta realizeaza doar 4% din masa totala de deseuri generate.
Eficienta reciclarii in Europa a Cu din toate tipurile de deseuri e de 48%,cu un interval de 5-58% in functie de tara.
Emisiile de Cu in mediu de la incineratoare si gropile de gunoi sunt sub 5Gg/y dar o serie de suare reprezinta cel mai mare procent din cantitatea de deseuri electrice si electronice.
Deseurile electrice si electronice in 1998, in Europa, includeau 27.000 tone de Pb si 8 tone de Hg. Desktopul si monitorul unui calculator include As, Be, Cd, Pb, Hg, Ni, Sb, pe langa alte metale, toate fiind toxice pentru sanatatea oamenilor. Durata de exploatare a unui calculator acum este de 2 ani inainte sa devina uzat din punct de vedere tehnologic.
Produsele care sunt depozitate la gropile de gunoi pot lasa scurgeri de astfel de metale la suprafata sau in apele subterane. Praful se poate de asemenea raspandi in timpul strivirii mecanice sau depunerii pe teren.
In 1999, doar 6% din calculatoare erau reciclate, iar 8% erau donate altor persoane.
In 2004 erau 315 milioane de calculatoare uzate numai in Statele Unite si un numar comparabil in Europa, aproximativ 75% din ele erau pastrate in asteptarea unei depozitari corespunzatoare.
In 2005 era un calculator uzat la fiecare calculator intrat pe piata, deci, incapabilitatea de a folosi un numar semnificativ de masini si toxicitatea calculatoarelor vechi a condus la cautarea unor solutii alternative.
Compozitia deseurilor EEE
Exista urmatoarele categorii de deseuri provenite din EEE:
Aparate electronice de comunicatie, pentru birou si informatica
Aparate de uz casnic
Aparate electronice pentru divertisment
Componente electronice ale aparatelor enumerate mai sus
Tabel 1 – Categoria de deseuri EEE conform Directivei UE privind deseurile EEE
Intarziere 0 ani/ rata 100%
5 ani / 100%
0 ani / 50% 0 ani / 10%
0 ani / 40%
3 ani / 100%
0 ani
50%
0 ani / 50% 3 ani / 100%
0 ani / 100%
0 ani / 50% 0 ani / 50%
Figura 1. un model simplu adaptat de la Matthews in 1997 pentru a calcula deseurile reciclate si /sau depozitarea acestora.
Acest model descrie modul de folosire a calculatoarelor personale urmat de o distrugere finala pentru a recupera materialul si energia. Unele materiale sunt depozitate iar restul este returnat ca material secundar neprelucrat. Transferul de la o etapa la alta este descris cu o intarziere in ani si in rata de transfer in % a volumului total al deseurilor.
Media calculatoarelor devenite rebut intre perioada 1991-2004 e calculata ca o ratie intre deseurile calculatoare si baza celor montate care e aproximativ 11%.
In perioada 1990-1999, cantitatea de deseuri EEE varia intre 3,3 si 3,6 kg/cap de locuitor, iar intre 2000-2010 se preconizeaza ca vor ajunge la 3,9-4,3 kg / cap de locuitor.
Vanzarea de noi calculatoare a crescut substantial de la 20 milioane in 1992 la 180 milioane in 2004. Totusi s-a inregistrat o scadere considerabila la vanzarea de noi calculatoare in 2001-2002 urmata de o recuperare rapida in ultimii 2 ani.
Aproape jumatate din calculatoarele noi le-au inlocuit pe cele devenite deseu, restul adunandu-se la baza instalata ce rezulta din cresterea prezenta.
Calculand numarul calculatoarelor rebut cu totalul celor montate rezulta o rata de rebut intre 2-17%.
In Europa, se genereaza anual 2 kg de deseuri de Cu /cap de locuitor. Deseurile provenite din echipamente electrice si electronice si automobile iesite din uz sunt cele mai importante generatoare de deseuri domestice menajere ce contin Cu. Ele contin 67% din totalul de Cu dar aceasta realizeaza doar 4% din masa totala de deseuri generate.
Eficienta reciclarii in Europa a Cu din toate tipurile de deseuri e de 48%,cu un interval de 5-58% in functie de tara.
Emisiile de Cu in mediu de la incineratoare si gropile de gunoi sunt sub 5Gg/y dar o serie de surse noi, necunoscute nu au fost inca cuantificate.
1.2. Clasificarea si distributia metalelor in echipamentele electrice si electronice
Deseurile provenite din echipamentele electrice si electronice se pot clasifica in 3 grupe:
Bunuri albe
Bunuri maron
Deseuri IT ( information technology)
Bunurile albe sunt constituite in principal din aparate de uz casnic ca frigidere si aragaze cu un continut ridicat de metal si din cauza marimii lor, acestea au o cota de colectare relativ ridicata de aproximativ 90%.
Al 2-lea grup, si anume bunurile maron sunt constituite din aparate electrice ca cd-playere, televizoare, radiouri. In 1998 s-au produs 80 tone in Statele Unite din care doar 50% au fost colectate.
Aceste bunuri incap usor in cosurile de gunoi menajere si de aceea pot fi aruncate cu alte deseuri menajere.
Cat despre deseurile provenite din domeniul informaticii, in 1998 au fost generate 357 tone din care doar 26% au fost colectate.
Tabel 2 – Continutul de substante din EEE
Tabel 3 – Compozitia chimica a echipamentelor electrice si electronice
De exemplu o masina de spalat rufe are o durata de exploatare de 10 ani si se poate prelungi pana la 5 ani.
O masina de spalat contine aproximativ 50% Fe, 2,4% Cu si 2,6% Al la o greutate de apoximativ 75 kg.
Refolosirea masinilor de spalat reduc consumul de Cu cu 1/3( de la 630 kg la 420 kg).[3]
Tabel 4– Durata de exploatare si durata de prelungire a echipamentelor electrice si electronice
CAPITOLUL II
LEGISLATIA PRIVIND RECUPERAREA DESEURILOR METALICE DIN APARATURA ELECTRICA SI ELECTRONICA
2.1. Legislatia in vigoare in Uniunea europeana
Directiva 2002/95/CE – RoHS( Reduction of hazardous substances) privind restrictile de folosire anumitor substante periculoase in echipamentele electrice si electronice( plumb, mercur, cadmiu, crom hexavalent, bifenil polibromurati(PBB) si eteri de difenil polibromurati( DEPB), modificata prin Decizia Comisiei Europene din august 2005.
Directiva 2002/96/CE – WEEE( Waste of Electrical and Electronical Equipments) privind deseurile de echipamente electrice si electronice.
Directiva RoHS privind restrictiile de folosire a anumitor substante periculoase in echipamentele electrice si electronice va intra in vigoare in Unuiunea Europeane la 1 iulie 2006, cand toate produsele introduse pe piata in Europa vor trebui as fie conformitate cu directiva, si anume:
Produse importate in statele membre ale uniunii Europene
Produsele fabricate in statele membre ale Uniunii Europene si disponibile spre vanzare
Directiva nu se aplica in cazul produselor aflate deja pe piata Uniunii Europene inaintea datei de vigoare acesteia, acestea putand fi comercializate in continuare.
Directiva RoHS nu priveste decat Uniunea Europeana. Cu toate acestea, analizand dimensiunea pietei europene ea va deveni in curand o norma (standard) mondiala.
Directiva RoHS este de tip” piata única” ceea ce inseamna ca trebuie pusa in functiune in ansamblul Uniunii Europene.
2.2 Legislatia in vigoare in Romania
In Romania, cele doua directive sunt transpuse prin:
HG 992/ 25.08.2005 privind limitarea utilizarii anumitor substante periculoase in EEE care are ca scop limitarea utilizarii substantelor periculoase in echipamentele electrice si electronice, contribuind astfel la protectia sanatatii umane si al recuperarea si eliminarea ecologica a deseurilor de echipamente electrice si electronice.
HG 448/ 19.05.20005 privind deseurile din EEE
ORDIN nr. 901 / 30.09.2005 privind aprobarea masurilor specifice pentru colectarea deseurilor de echipamente electrice si electronice care prezinta riscuri prin contaminare pentru securitatea si sanatatea personalului din punctele de colectare.
Directiva 2002/ 95/ CE se aplica:
Echipamentelor fabricate in statele member ale UE si disponibile spre vanzare
Echipamentelor importante in statele member ale UE
Directiva 2002/95/CE nu se aplica in cazul:
Produselor introduce deja pe piata Uniunii Europene inaintea datei de intrare in vigoare a acesteia, aceasta putand fi comercializate in continuare
Se considera ca exista 2 principii “cheie” ale Directivei 2002/95/CE:
Produsele introduse pe piata dupa 1 iulie 2006 vor trebui sa fie in conformitate cu directiva; autoritatile competente vor introduce programe de supraveghere si vor efectua controale daca este necesar;
Producatorii trebuie sa fie prompti in adoptarea directivei pentru a asigura conformitatea produselor lor
Directiva 2002/95/CE vizeaza:
In mod direct:
Producatorii de EEE
Distribuitorii de EEE
Societatile sau intreprinderile care se ocupa cu tratarea deseurilor de EEE
In mod indirect:
Producatorii de piese, subansamble si componente destinate integrarii in EEE
Producatorii de aliaje si materii prime
Destinatori de EEE
Autoritatile locale
Aplicarea directivei are efecte asupra:
Societatilor implicate in activitatea de aprovizionare cu EEE
Aspectelor tehnice ale procesului de fabricatie,conceptie a produselor, gestionarea stocurilor, controlul calitatii
Relatiilor cu furnizorii, achizitionarea acestor produse, logistica , gestionarea lantului de aprovizionarea, relatiile cu clientela.
Impactul aplicarii Directivei asupra producatorilor este de diferite tipuri si anume:
Impactul asupra relatiilor cu furnizorii
Impactul asupra conceptiei produselor
Impactul asupra procedeelor de fabricatie si asupra utilajelor si echipamentelor
Impactul asupra materialelor
Impactul economic
Iar obligatile sunt urmatoarele:
Sa gaseasca proceduri de substituire a substantelor periculoase care intra in componenta echipamentelor electrice si electronice
Sa aleaga un mod de conceptie si de producere a echipamentelor electrice si electronice care usureaza dezasamblarea si valorificarea lor.
Directiva 2002/95/CE se aplica la 8 categorii de produse:
Aparate de uz casnic de mari dimensiuni
Aparate frigorifice mari
Frigidere, congelatoare
Masini de spalat rufe, vase, de gatit
Uscatoare de haine
Sobe electrice
Plite electrice
Cuptoare cu microunde
Aparate electrice de incalzit
Radiatoare electrice
Ventilatoare electrice
Aparate de aer conditionat
Aparate de uz casnic de mici dimensiuni
Aspiratoare
Aparate de curatat covoare
Aparate de cusut, tricotat, tesut si alte prelucrari ale textilelor
Fiare de calcat si alte aparate de calact, calandrat si alte forme de intretinere a imbracamintei
Aparate de prajit paine
Friteuze
Masini de macinat cafea, filtre de cafea si echipamente de deschis sau sigilat recipiente ori ambalaje
Cutite electrice
Aparate de tuns parul, uscatoare de par, periute de dinti, aparate de ras, aparate pentru masaj si alte aparate de ingrijire corporala
Ceasuri desteptatoare, ceasuri de mana si alte aparate de masurat timpul
Cantare
Echipamente informatice si de telecominicatii
Prelucrare centralizata a datelor
Unitati centrale
Minicalculatoare
Imprimante
Informatica personala
Calculatoare personale, calculatoare portabile( inclusiv unitate centrala, mouse, monitor si tastatura)
Imprimanta
Fotocopiatoare
Masini de scris electrice si electronice
Terminale si sisteme pentru utilizatori
Faxuri, telexuri
Telefoane, telefoane publice, telefoane fara fir, telefoane celulare
Roboti telefonici
Echipamente de larg consum
Aparate de radio, aparate video, aparate de inalta fidelitate
Televizoare
Amplificatoare audio
Instrumente muzicale
Echipamente de iluminat
Aparate de ilminat pentru lampi fluorescente, cu exceptia aparatelor casnice de iluminat
Lampi fluorescente drepte, lampi fluorescente compacte
Lampi cu descarcare in gaze de inalta intensitate, inclusiv lampi cu vapori de sodiu la inalta presiune si lampi cu halogenuri metalice
Lampi cu vapori de sodiu lla joasa presiune
Alte materiale de iluminat sal echipamente de difuzat ori controlat lumina, cu exceptia becurilor cu filament
Unelte electrice si electronice
Masini de gaurit
Ferastraie
Masini de cusut
Echipamente de strunjit, de frezat, de slefuit, de polizat, de taiat cu ferastaul de taiat, de forfecat, de perorat, de gaurit, de stantat, de indoit sal destinate altor operatiuni de prelucrare a lemnului, metalului
Dispozitive pentru nituit, pentru fixat cuie sau pentru insurubat sau de extragere a niturilor, cuielor, suruburilor sau pentru alte utilizari similare
Dispozitive pentru sudat, lipit
Echipamente pentru pulverizat, de imprastiat de dispersat sal alte operatiuni de tratare a substantelor lichide sau gazoase prin alte mijloace
Unelte de tuns iarba
Jucarii, echipamente sportive si de agrement
Trenuri electrice, masini de cursa in miniatura
Console portabile de jocuri video
Echipamente sportive cu componente electrice si electronice
Calculatoare pentru ciclism, scufundare, cros, canotaj
Automate cu monede
Distribuitoare automate
Distribuitoare automate de sticle sau dozaje calde ori reci
Distibuitoare automate de produse solide
Distribuitoare automate de bani
Toate aparatele care furnizeaza automat o gama larga de produse
Directiva stabileste necesitatea de a se reduce cantitatile de metale grele si produse inflamabile din echipamente electrice si electronice, dar se considera ca si in viitor se vor genera deseuri de metale grele si produse inflamabile si, ca urmare, este necesara restrictionarea pe cat posibil a folosirii lor ca materii prime.
Obiectivele studiului constau in:
Realizarea in mod unitar a activitatilor de restrictionare privind modul de folosire a unor substante periculoase in echipamentele electrice si electronice de catre producatorii romeni in domeniu, la nivel national cu respectarea tuturor criteriilor tehnice care as asigure implementarea unui sistem conform cu cerintele legislative si strategia de mediu
Preluarea standardelor europene si a reglementarior utilizate in EU
Prin studiul de evaluare a impactului se va asigura cadrul legal pentru desfasurarea acestui tip de activitate la nivel decizional, de monitorizare si se vor inventaria tipurile de sustante periculoase in echipamentele electrice si electronice, in scopul minimizarii impactului negativ asupra mediului si sanatatii populatiei.
2.3. Obligatiile producatorilor de EEE
Sunt considerati producatori cei care fabrica si vand EEE sub marca proprie; cei care revand sub marca proprie EEE produse de catre alti furnizori si ceicare importa EEE.
Producatorii de EEE si de componente si sub-ansamble trebuie sa fie deosebit de activi in problemele legate de substuirea substantelor , acestia avand responsabilitatea:
sa gaseasca proceduri de substituire a substantelor periculoase care intra in componenta EEE;
sa aleaga un mod de conceptie si de producere a EEE care usureaza dezasamblarea si valorificarea lor.
Asadar, producatorii si fabricantii de sub-ansamble trebuie sa fie dispusi pentru investitii suplimentare in vederea:
gasirii de materi prime noi(in vederea substituirii)
adaugarii mijloacelor(echipamentelor) de fabricatie
Producatorii trebuie sa :
isi reinventarieze produsele, materialele, partial componente si sub-ansamblele care contin una din cele 6 substante interzise
ia masuri pentru consumarea pieselor cu continut de plumb
contacteze furnizorii de aliaje si de piese componente pentru a se asigura ca acestia pot furniza produse conforme cu noile reglementari
compare diferitele tehnici de inlocuire existente sau in curs de elaborare existente pe piata
compare costurile si avantajele acestor tehnici
analizeze fiabilitatea acestor tehnici
adopte un proces de gestionare durabila a proceselor in perioada de tranzitie
fie in permanenta la curent cu toate informatiile referitoare la cercetarile legate de substantele pe care le folosesc
sa inregistreza pe piata ca intreprinderi care produc EEE
se asigure ca produsele sunt corect marcate si includ coordonatele inregistrate in registrul privind cantitatile de produse si de parti componente introduse pe piata.
Echipamentele electrice si electronice introduse pe piata dupa intrarea in vigoare a legislatiei specifice, trebuie sa fie marcate astfel incat sa se permita identificarea producatorilor.
Producatorii au obligatia de a eticheta EEE astfel:
numele/marca producatorului
indicatii privind modalitatea de scoatere pe piata a EEE
aplicarea simbolului de colectare selectiva
In Uniunea Europeana se foloseste simbolul unei pubele barate care avertizeaza ca deseurile de EEE nu pot fi aruncate impreuna cu celelalte deseuri obisnuite.
Figura 2. Simbol ecologic
Obligatiile distribuitorilor de EEE
Distribuitorii de EEE sunt aceia care furnizeaza aceste echipamente cu titlu comercial unor parteneri utilizatori.
Distribuitorii de componente si piese detasate nu sunt supusi obligatiilor prevazute de directiva RoHS, dar vor fi constransi in practica sa furnizeze produse conforme cu reglementarea.
Distribuitorii de EEE au dreptul de a le cere furnizorilor lor sa le comunice documente care sa asigure faptul ca producatorii indeplinesc toate obligatiile prevazute prin lege in ceea ce priveste aceste echipamente.
2.4. Solutii de reducere a impactului
Obligatia prevazuta in cadrul Directivei RoHS de a renunta la toata gama de substante periculoase in noile produse electrice si electronice pana in acest an a fost motivul cel mai important de a recurge la o noua conceptie a produselor, nu numai in Europa dar si in alte regiuni ale lumii.
Modalitatea cea mai buna de a reduce semnificativ riscurile pe care le prezinta substantele periculoase care intra in compozitia EEE este de a inlocui aceste substante prin materiale noi, mult mai sigure din punct de vedere al protectiei mediului si a sanatatii umane.
Substituirea acestora trebuie sa se realizeze sistematic mai putin periculoase, de preferat, alternative pentru care nu poate fi identificat nici un pericol.
Obiectivul substituirii substantelor cu solutii alternative este acela de a trece progresiv la o conceptie mai sigura a materialelor si a sistemelor, prin urmare decizia privind substituirea precum si un ansamblu de criterii pe baza carora se alege varianta alternativa ce trebuie sa fie clara.
Ca principiu de baza pentru protectia mediului si a sanatatii umane, substiuirea substantelor periculoase are multe avantaje:
stimuleaza inovatia. Autoritatile competente nu trebuie sa prescrie anumite alternative specifice, ci trebuie sa defineasca criterii care sa orienteze cercetarea in acest domeniu.
Foloseste principiul “Precautiei”. Argumentele contra principiului precautiei se focalizeaza, pe gradul de certitudine care este necesar in cazul nocivitatii unei substante inainte de a lua masuri pentru limitarea utilizarii.Cand se aplica principiul sustituirii insa, daca alternativele care au proprietati mai putin periculoase sunt disponibile, atunci utilizarea substantei periculoase nu mai e permisa. Pagubele potentiale sunt astfel reduse sau evitate.
Substituirea prin substante alternative reduce necesitatea efectuarii de evaluari dificile si de lunga durata a riscurilor care sunt de obicei subiective si dispun de putine date.
Substituirea permite stimularea” productiei curate” si conceptiei produselor si a sistemelor durabile.
Substituirea substantelor periculoase prin variante alternative poate interveni in diverse moduri. Substituirea se poate realiza prin inlocuirea simpla a substantei periculoase cu o alta substanta mai putin periculoasa, dar care are aceleasi caracteristici tehnice sau poate consta intr-o conceptie noua a produsului sau a procedeului in ansamblul sau in vederea obtinerii aceluiasi rezultat prin mijloace diferite.
2.5. Evaluarea (analiza) alternativelor
Evaluarea riscurilor este mijlocul cel mai indicat pentru a fi utilizat in luarea deciziei daca utilizarea unei substante este acceptabila sau nu. Aceasta evaluare se bazeaza pe previziunea riscurilor pe care o substanta le poate induce si pe definirea nivelului de risc acceptabil. Evaluarea presupune o serie de estimari si revocari a valorii riscurilor, prin urmare aceasta este o evaluare mai mult subiectiva.
Evaluarea pericolului real este insa o metoda mai obiectiva.proprietatile intrisece pot fi, in general, stabilite si cuantificate de o maniera empirica si constituie cea mai buna baza in luarea unei decizii.
Evaluarea alternativelor se bazeaza pe o diversitate de factori.exista o serie de metode care au fost dezvoltate pentru a compara alternativele disponibile si care permit examinarea completa a proprietatilor chimice ale unei substante.
Pe langa reglementarile care obliga la substituirea obligatorie a anumitor substante periculoase si gasirea de solutii altenative sunt necesare si alte instrumente care sa garanteze implementarea corecta a acestora:
O planificare obligatorie a substituirii
Un suport tehnic si financiar pentru identificarea substantelor alternative
Masuri fiscale si prevederi legislative
Toti producatorii de EEE care folosesc in procesul de productie substante periculoase trebuie sa realizeze un Plan de substituire al acestora, adica o evaluare a alternativelor disponibile.aceasta evaluare trebuie sa cuprinda:
O descriere completa a alternativelor existente
O evaluare comparativa a pericolelor pe care acestea le pot avea
O evaluare a fezabilitatii tehnice.
Prin aceasta evaluare a substituirii substantelor periculoase se poate justifica atat prezenta cat si absenta de alternative mai putin periculoase.
Planul de substituire trebuie sa fie transparent in ceea ce priveste metodele si informatiile utilizate in cercetarea si evaluarea alternativelor.
Costul alternativelor poate fi, initial, superior costului unei continuari a utilizarii substantei periculoase, insa acest cost poate sa scad pe masura ce crete cererea pe piata, iar competitia intre producatori se va intensifica.
Instrumentele economice trebuie folosite pentru:
A obliga producatorii sa gaseasca solutii alternative
A stimula si sustine inlocuirea cu substante sau materiale alternative
Pentru a stimula mai mult adoptarea de solutii alternative mai sigure, poate fi impusa o taxa pentru toti utilizatorii de substante periculoase.acesta taxa va putea finanta centralizarea si difuzarea informatiilor referitoare la solutiile alternative dar si cercetarea in acest domeniu.
Anumite tari din Uniunea Europeana utilizeaza deja taxe ecologice in incercarea de a atinge obiectivele de protectie a mediului.
O “reforma fiscala ecologica” de acest tip poate fi utilizata pentru a taxa producatorii, fondurile colectate putand servi la subventionarea dezvoltarii de substante alternative.
2.6. Sprijinul tehnic in domeniul cercetarii de solutii alternative
In numeroase state membre ale Uniunii Europene, interprinderile care adopta solutii alternative cauta adesea un ajutor din exterior.
Importanta acordat substituirii substantelor periculoase este foarte mare in anumite tari din Uniunea Europeana, unde exista o serie de programe si proiecte de promovare a substituirii substantelor periculoase care vin in sprijinul fabricantilor si importatorilor de EEE.
Exemple de companii
Electrolux este cel mai mare producator mondial de echipamente electrice de uz casnic care a publicat” Declaratii de mediu ale produselor” complete pentru multe din gamele sale de produse.informatii privitoare la aceste produse precizeaza substantele chimice care au fost scoase din productie proportiile si tipurile de materiale utilizate, precum si modalitatile de ameliorare a acestor materiale.de exemplu, componentele de plastic nu contin cadmiu, plumb, mercur sau alti compusi ai acestora. Componentele metalice nu sunt acoperite cu cadmiu, crom sau nichel. De asemenea, vopselele metalizate nu contin pigmenti sau aditivi pe baza de metale grele.
Apple nu mai utilizeaza substante cu proprietat iignifuge care intra sub incidenta Directivei RoHS.
Sony a proiectat placile de circuite imprimate fara halogeni pentru televizoare, aparate video, aparate DVD in Europa, ei inlocuind substantele halogenate cu rasina. Structura rasinei este pe baza de azot prin urmare rezistenta la caldura acestor placi este mult mai ridicata.
De asemenea, firma a inlocuit toate substantele chimice pe baza de clor si brom cu substante alternative excluzand, astfel, riscul formarii de dioxine pe parcursul ciclului de viata al produsului.
In ceec ce priveste plumbul, s-au inlocuit aliajele de lipit cu plumb cu aliaje de Sn-Ag-Bi-Cu (camere digitale,2002).
Panasonic a proiectat cabluri electrice si materiale plastice care nu contin compusi halogenati. In 1999 a comercializat primul televizor din lume fara compusi halogenati, iar in prezent aceasta tehnologie este utilizata cu succes la un numar mare de produse: calculatoare, monitoare, etc.
In 2001, Panasonic a renuntat definitiv la aliajele de llipit cu plumb si le-a inlocuit cu aliaje de Sn-Cu.
Philips a proiectat noi produse e iluminat (Philips HiperVision) care au cu 99% mai putin plumb, pentru industria automobilelor (faruri de masini).
2.7. Notiuni de eco-conceptie a produselor
La 15 aprilie 2005 , Parlamentul european s-a pronuntat in favoarea unei noi directive cadru referitoare la eco-conceptie. Acesta directiva vizeaza reducerea impactului asupra mediului a produselor consumatoare de energie, anuntand conditiile si criteriile riguroase in ceea ce priveste consumul de energie si de apa, productia de deseuri si prelungirea duratei lor de viata. Daca deseurile constituie o problema majora, EEE au un impact asupra mediului pe parcursul tuturor etapelor ciclurilor lor de viata: productie,utilizare, sfarsitul duratei de viata.
In cadrul procesului de fabricatie, exista o serie de substante periculoase si toxice care sunt utilizate pentru circuitele integrate, condensatori, ecrane,etc. pentru fabricarea unui calculator sunt necesare de examplu, 22 kg de produsi chimici, 1,5 tone de apa si o cantitate importanta de plumb, cadmiu si mercur. Aceste substante pot avea efecte nefaste asupra sanatatii umane si a factorilor de mediu in general.
Echipamentele electrice si electronice sunt mari consumatoare de energie, ele solicitand o cantitate considerabila de electricitate pe tot parcursul duratei de viata.
Utilizarea lor necorespunzatoare poate duce la un consum si mai mare de energie.In fiecare na, in domeniul calculatoarelor se consuma atata electricitate cat consuma o tara de aproximativ 155 milioane de locuitori.
Numarul mare EEE si varietatea de deseuri pe care acestea le genereaza complica tratamentul si gestionarea deseurilor din EEE. In plus, progresul tehnologic si noile echipamente ofera in permanenta mai multe servicii si incita consumatorii as isi inlocuiasca rapid vechile aparate. In consecinta, cantitatile de deseuri provenite din EEE sunt considerabile in fiecarean, sunt generate, in lume, circa 20 pana la 50 de milioane de deseuri provenite din EEE ( metale neferoase si feroase, inerte-sticla,lemn, beton, materiale plastice, parti componente periculoase-pile, tuburi catodice, condensatori,ecrane cu cristal lichid, comutatoare cu mercur). Aceste deseuri pot induce riscuri majore pentru sanatatea umana si pentru mediu.
Eco-conceptia(eco-design) produselor electrice si electronice reprezinta un factor de reusita in ceea ce priveste protectia mediului.Obiectivul unui astfel de demers este reducerea impacturilor produsului asupra mediului inconjurator de-a lungul intregului sau ciclu de viata.
Conceptul de baza al eco-conceptiei este modelul ciclului de viata, in care toate intrarile (materiale,energie) si toate iesirile(emisii poluante si deseuri) in/din fazele procesului de fabricatie, precum si cele in/din etapele de distributie, utilizare si eliminare sunt identificate si luate in considerare.
Aceasta permite, printr-o mai buna proiectare, eliminarea impactului de mediu al produselor de acest fel pe toata durata lor de viata, de la asigurarea materiilor lor prime la fabricare si asamblare, pana la utilizare,dezafectare si reciclare a componentelor sub forma de materii prime secundare.
In contextul cresterii continue a productiei industriale, aceasta abordare este tehnologica, deoarece criteriile considerate sunt pur tehnice: alegerea materialelor, durabilitatea produsului, consumul de energie. Nu se urmareste diminuarea cantitatii de produse fabricate, ci reducerea impactului lor asupra mediului inconjurator. In acest caz, se va incerca conceperea de” produse mai putin energofage”, cu un continut mai mic de materiale toxice susceptibile sa reprezinte un pericol pentru utilizatorul sau, mai usor de reparat pentru a creste durata lor de viata.
In cazul echipamentelor electrice si electronice putem vorbi despre:
Ameliorarea produsului(o ameliorare progresiva a produsului) fiind vorba despre o actualizare a produsului, restrictia de mediu fiind administrata punct cu punct in conditiile in care tehnicile de fabricatie si produsul insusi raman in general identice.
Reconceptia produsului in care se vorbeste despre o regandire a unui produs existent. In acest caz proiectul necesita un studiu mai aprofundat al produsului existent si o mobilizare mai importanta a echipei de conceptie. In acst caz, ideal ar fi sa nu se impuna nici o restrictie de cost, de termen si de calitate pentru a facilita activitatea de creativitate.
La acest nivel, tehnologiile pot sa evolueze pentru a minimiza continutul de substante chimice periculoase sau consumul de energie in mai multe etape ale ciclului de viata a produsului. La nivelul produsului componentele sunt schimbate, ca si materialele pentru a creste folosirea materialelor netoxice, pentru a usura dezasamblarea, reutilizarea anumitor piese sau reciclarea materialelor. Un astfel de proiect implica nu numai intreprinderea, care poate sa aiba metodele sale de productie, de asamblare, dar si furnizorii sau antreprenorii care trebuie la randul lor sa modifice tiparele, materialele, tehnologiile de fabricatie.
Producatorii de material electronic ar trebui sa investeasca milioane de euro pentru a reorganiza, la termenul mentionat in directiva, productia de EEE in asa fel incat sa evite substantele periculoase, in special plumbul
Este necesar, de asemenea, ca producatorii si distribuitorii de componente sa furnizeze piese care nu contin aceste substante, si aceasta, in masura in care e posibil, la imp pentru a putea proceda la reorganizarea individuala
Pe de alta parte, ei au nevoie de informatii suficiente pentru a putea pregati productia si, mai tarziu, pentru a o pune in conformitate cu directiva RoHS sau cu textele legislative specifice fiecarei tari
Atunci cand responsabilitatea conformitatii cu directiva RoHS cade in sarcina producatorilor de echipamente, competentele legale sunt, de asemenea, transferate de-a lungul intregului lant de aprovizionare.
2.8. Reconceptia produsului (situatia in Uniunea Europeana)
2.8.1. Cerinte esentiale
Dupa identificarea si estimarea impacturilor pe care echipamentele electrice si electronice le po avea asupra mediului, pe parcursul intregului lor ciclu de viata, producatorul trebuie sa ia in cosiderare profilul ecologic al produsului si sa aleaga o solutie de conceptie a acestuia care sa asigure un echilibru rational intre performanta de mediu si functionarea produsului dar si aspectele economice (fabricatie, marketing).
Aceasta solutie de conceptie trebuie sa se bazeze pe cateva principii:
Protejarea mediului, pe tot parcursul ciclului de viata al produsului
Consum rational de energie si materiale, pe tot parcursul cicllui de viata al produsului
Incurajarea utilizarii de materiale reciclate si reutilizarea componentelor si subsistemelor
Minimizarea eliminarii de substante potential periculoase in mediu, respectand legislatia in vigoare privind vanzarea si utilizarea anumitor substante periculoase
Optimizarea duratei de viata a produselor si conceperea lor astfel incat acestea sa fie durabile, fiabile, usor de dezasamblat, reparat si reutilizat
Facilitatea gestionarii acestora la sfarsitul vietii – reciclare, valorificarea, dezasamblarea
Evitarea transferurilor de poluare intre diferitele etape ale ciclului de viata al produselor
Aptitudinea folosirii produsului plus aspecte privind sanatatea, securitatea si calitatea
Un control intens a conceptiei produsului
Un sistem de asigurare a calitatii mediului [2]
CAPITOLUL III
PROPRIETATILE FIZICE, CHIMICE SI MECANICE
ALE MATERIALELOR METALICE DIN APARATURA
SI ECHIPAMENTELE ELECTRICE SI ELECTRONICE
3.1. METALURGIA CUPRULUI
Proprietăți fizice
Cuprul este un metal de culoare roșie-arămie cu strălucire metalică mare când este bine polizat. În foițe foarte subțiri are culoarea albastru-verzui datorită transparenței. În stare coloidală, culoarea cuprului variază de la verde la violet.
Cuprul cristalizează în rețea cubică cu fețe concentrate cu constanta de rețea la 20C de 3,615310m și numărul de coordinație 12.
Sistemul de cristalizare care se caracterizează printr-un număr mare de plane de densitate atomică ridicată și implicit, printr-un număr mare de sisteme de alunecare, conferă cuprului o capacitate de deformare plastică foarte bună.
Cuprul are masa atomică de 63,542 kg/kmol și are doi izotopi naturali stabili cu numerele de masă 63 respectiv 65 și 8 izotopi instabili cu numerele de masă 58, 59, 60, 61, 62, 64, 66, 67 care dezintegrează cu emisie de pozitroni, radiații gama sau neutroni. Cuprul nu prezintă transformări alotropice în stare solidă. După clasificarea tehnică a metalelor neferoase, cuprul face parte din grupa metalelor grele, având densitatea la 20C de 8960 kg/m iar volumul atomic la 20C de 7,110m/atom.g. Densitatea variază cu temperatura pentru cupru în stare lichidă după cum urmează:
1083C 8,0310kg/ m
1100C 8,0210kg/ m
1200C 7,9410kg/ m
1300C 7,8610kg/ m
1400C 7,7810kg/ m
1500C 7,7010kg/ m
Pentru temperaturi cuprinse între 1083 … 1500C densitatea se poate calcula cu relația:
=, în kg/m. (3.1)
Din punct de vedere al durității, cuprul este un metal relativ moale, respectiv are duritate de 2,5…3 în scara Mohe iar duritatea Brinell este de 37,4…42 kg/mm. Duritatea este în mare măsură influențată de gradul de impurități. Temperatura de topire a cuprului este de 1083C în condiții normale și scade cu mărirea presiunii. Creșterea presiunii cu o atmosferă peste presiunea normală determină o scădere a temperaturii de topire cu 0,086C.
Căldura lentă de topire este de 204,67 kJ/kg. Temperatura de dierbere în condiții normale este de 2595C și scade cu micșorarea presiunii. Astfel, în condițiile unui vid de 10mm/Hg temperatura de fierbere este de 1083C, iar la 5,410 mmHg este de 610C. Căldura lentă de fierbere în condiții normale este de 1813,32 kJ/kg. Căldura specifică a cuprului variază cu temperatura conform relațiilor:
C= 22,65+6,2810T, în kJ/molg (3.2)
C= 31,40 kJ/molg (3.3)
Coeficientul mediu de dilatare liniară la temperaturi între 20-100C este de 16,810C, iar la temperaturi între 80-300C este de 17,710C.
Tensiunea superficială a cuprului lichid, în mediu de hidrogen, este de 1,12 N/m la 1120C, 1,16 N/m la 1200C și 1,225 N/m la 1300C.
Vâscozitatea dinamică a cuprului lichid scade cu mărirea temperaturii după cum urmează: 5,810 Ns/m la 1083C; 3,4110 Ns/m la 1145C; 3,2910 Ns/mla 1179C; 3,2510 Ns/m la 1187C.
Dintre proprietățile fizice ale cuprului de o deosebită importanță practică sunt conductibilitatea electrică și termică. Conductibilitatea electrică a metalelor se poate aprecia prin rezistivitatea electrică care este funcție de temperatura conform relației:
= (1+) (3.4)
în care – reprezintă rezistivitatea la temperatura t;
– rezistivitatea la temperatura t;
– coefficient de variație a rezistivității;
= t-t și reprezintă variația de temperatură
Tabel 5 – Rezistivitatea și coeficientul de variație a rezistivității cuprului comparativ cu diferite metale și aliaje.
Din valorile rezistivității electrice se constată că după argint, cuprul este metalul cu cea mai mică rezistivitate.
Prin convenție internațională sa stabilit că o sârmă de cupru la 20C cu densitatea de 8890kg/m, lungimea de 1m, masa de 1kg și rezistența 0,15328 are conductibilitatea electrică de 100% I.A.C.S. (International Annaled Copper Standard) și corespunde unei rezistivități de 1,72410. Conductibilitatea electrică a cuprului depinde în mare măsură de puritatea și de natura impurităților sau elementelor de aliniere. Astfel, cuprul rafinat termic are conductibilitatea de 100,3% I.A.C.S.; cuprul electrolitic 101,5% I.A.C.S.; iar cuprul fără oxigen 101,7% I.A.C.S.
Din figura 1.2. se constată că Zn, Cd și Ag au o influență redusă asupra conductibilității electrice: Ni, Sn și Al au o influență mai pronunțată , iar P, Si, Fe, As, B scad brusc și într-o măsură foarte însemnată conductibilitatea electrică. Un alt factor care influențează conductibilitatea electrică este temperatura care poate determina o scădere de 100% I.A.C.S. la 20% până la 15% I.A.C.S. la temperatura de topire.
O caracteristică foarte importantă pentru utilizarea cuprului în electrotehnică o constituie faptul că prelucrarea la rece nu influențează, decât în mică măsură conductibilitatea electrică.
Conductibilitatea electrică a cuprului crește foarte mult cu scăderea temperaturii, ceea ce prezintă importanță deosebită în criogenie.
Tabel 6 -Variația rezistivității și conductibilității cuprului pur funcție de temperatură
Conductibilitatea termică se apreciază prin coeficienții de conductibilitate, care pentru unele metale sunt redați funcție de temperatură, tabelul 7.
Tabel 7 – Coeficienți de conductibilitate termică, pentru unele metale, funcție de temperatură
După cum se constată în datele prezentate în tabelul de mai sus după argint, cuprul are conductibilitatea termică cea mai mare. Conductibilitatea termică a cuprului depinde de natura și concentrația impurităților sau elementelor de aliere.
Proprietăți chimice
Din punct de vedere chimic, cuprul este un metal cu reactivitate redusă deoarece tendința de a pierde electronii de valență este mai mică în comparație cu alte metale.
La temperatura mediului cuprul nu se combină cu oxigenul din aer, însă în prezența aerului umed se acoperă cu o peliculă protectoare și aderentă formată dintr-un amestec de hidroxid cupric și oxid cupros conform reacțiilor:
2Cu + O + 2HO = 2Cu(OH)
Cu(OH) + Cu = CuO + HO
Dacă în aerul umed unde se află CO, HS și SO, cuprul se acoperă cu o peliculă, denumită patină, formată din carbonat bazic și sulfat bazic de cupru de culoare verde-albastru, conform reacțiilor:
2Cu + CO + HO + O = Cu(OH)CuCO
3Cu + CO + 2 HO + 3/2 O = 2Cu(OH)CuCO
2Cu + SO + HO + O = = Cu(OH)CuSO
Prin încălzirea la temperaturi de 100…130C în mediu oxidant, cuprul se acoperă cu o peliculă purpurie de CuO iar la temperaturi de peste 200C se formează o peliculă de CuO și CuO. La temperaturi înalte, în prezența aerului sau a oxigenului, cuprul arde cu flacără verde luminoasă și se transformă în CuO. Cuprul reacționează la cald cu fluorul la 500C, cu clorul și bromul la 300C și la rece soluțiile apoase ale iodului. De asemenea, la cald cuprul se combină ușor cu sulful, seleniu și telurul formând compuși. Cuprul se combină direct cu azotul, hidrogenul și carbonul și formează indirect combinații cu aceste elemente.
Cuprul în stare metalică se dizolvă în HNO și HSO concentrat la cald, în soluțiile apoase ale cianurilor alcaline, în amoniac, soluții sau săruri topite de amoniu și în soluțiile sărurilor fierului trivalent, conform reacțiilor:
3Cu + 8HNO = 3Cu(NO) + 2NO + 4HO
Cu + 2 HSO = Cu SO + SO + 2HO
2Cu + 4KCN + HO + 1/2O = 2K[Cu(CN)] + KOH
2Cu + 8KCN + HO + 1/2O = 2K[Cu(CN)] + 2KOH
Cu + 4NHOH + 1/2O = [Cu(NH)](OH) + 3HO
Cu + (NH)CO + 1/2O = [Cu(NH)]CO + HO
2[Cu(NH)]CO + 2HO = CuCOCu(OH) + (NH)CO + 2NH
Cu + 2NHNO = Cu(NO) + 2NH + H
Cu + Fe(SO) = CuSO + 2FeSO
Cu + FeCl = CuCl + FeCl
Cuprul fiind un element electropoyitiv nu ar trebui să se dizolve decât în acizi concentrați și oxidanți (HNO, HSO), totuși se dizolvă și în HCl concentrat cu degajare de hidrogen. Aceasta se explică prin proprietatea cuprului de a forma cu clorul ioni complecși de tipul [CuCl]. Prin urmare, în reacția cu HCl concentrat nu se formează ioni Cu ci ioni complecși:
Cu + 2HCl = H[CuCl] + 1/2H
Cuprul reacționează de asemenea cu acizii organici, atât în soluții apoase cât și în soluții alcoolice, aldehidice, cetonice, în prezența oxigenului sau aerului. De exemplu, cu acidul acetic, cuprul formează acetat bazic de cupru, proces cunoscut sub denumirea de cocleală, conform reacției:
2Cu + 2CHCOOH + O = Cu(CHCOO)Cu(OH)
Datorită potențialului său de electrod pozitiv, cuprul poate fi substituit din soluțiile sărurilor sale de o serie de alte metale, proces cunoscut sub denumirea de cementare. Din punct de vedere biologic, cea mai mare parte a sărurilor cuprului nu sunt toxice. Alimentele, de regulă, conțin mici cantități de cupru (câteva mg la kg), extrase de plante din sol sau provenind din vasele de aramă. Doza toxică de cupru pentru om este de 10g însă, anumite săruri, în doze de 2-3g pot provoca moartea.
Proprietăți mecanice si tehnologice ale cuprului
Tabel 8 – Principalele proprietăți mecanice ale cuprului
După cum s-a menționat anterior, datorită structurii sale cristaline, cuprul prezintă o mare capacitate de deformare plastică, ceea ce a permis obținerea de folii cu o grosime de 2,6 și fire cu diametrul de până la 25 proprietățile sale mecanice și tehnologice sunt influențate în mare măsură de concentrația și natura impurităților, de starea sa (turnat, deformat, recopt) și de temperatură. Temperatura de turnare a cuprului este de 1150…1230C, de prelucrare la cald 900…1050C, de recoacere la 500…700C iar de recristalizare 200…300C.
Baza de materii prime: minerale, minereuri și concentrate de cupru
Cuprul se găsește în natură sub formă de minerale sulfuroase, mai puțin ca minerale oxidice și sulf-oxidice și foarte rar în stare nativă.
Tabel 9 – Compozițiile chimice ale unor concentrate cuproase, din diferite zone miniere din România.
Zăcămintele de cupru nativ sunt extrem de rare, în special în S.U.A. și în Bolivia și au un conținut de peste 95% Cu.
Principalele regiuni cuprifere cunoscute în prezent pe plan mondial sunt următoarele (în ordinea importanței):
regiunea munților din Vestul Americii de Nord și Americii de Sud (S.U.A., Canada, Chile, Peru, Bolivia);
centura cupriferă (Copper-belt) din sudul Africii (Zambia, Zair, Republica Africa de Sud, Zimbabwe, Botswana, Namibia);
regiunile Kosaka și Shikoku (Japonia);
regiunile Australiei orientale și Mount Isa (Australia);
regiunea Munților Carpați (Iugoslavia, România).
O sursă potențială, foarte importanță de materii prime, o constituie materialele recuperabile (deșeurile) rezultate în urma degradării diferitelor ansamble și piese de cupru sau aliaje pe bază de cupru. Din totalul producției mondiale de cupru cca. 30…40% se obține în prezent în urma prelucrării unor astfel de materiale.
În contextul crizei de materii prime, într-o serie de țări, ponderea cuprului obținut din materiale recuperabile a crescut foarte mult comparativ cu producția de cupru obținut din produsele miniere.
Obținerea cuprului din materialele recuperabile se realizează cu un consum de energie de 5…66 ori mai mic față de obținerea acestuia din materii prime miniere.[3]
2.2. NICHELUL
2.2.1. Caracteristici atomice
Tabel 10 – Caracteristici atomice ale Ni
Rețeaua cristalină a nichelului este c.f.c., cu a = 0,35236 nm, cea mai mică distanță interatomică 0,2492 nm, energia de coeziune 4,435 eV/atom și număr de coordinație 12. Nu reprezintă stări alotropice.
În natură există 5 izotopi stabili, dintre care în proporții mai mari sunt cei cu m 58 (68%) și 60 (26%), ceilalți 3 fiind sub 3,5% fiecare.
Secțiunea transversală eficace de captare a neutronilor termici = 4,810m. Lucrul de ieșire al electronilor = 4,5eV.
Densitatea de 20C a nichelului 99,99% = 8,90710kg/m, iar a nichelului lichid (la ) = 7,710kg/m. Ea depinde destul de mult de puritatea lui: Ni 98,5% are = 8,710kg/m iar a Ni 99,5 = 8,8410kg/m.
2.2.2. Proprietatile electrice si magnetice
Rezistivitatea nichelului de înaltă puritate (99,9995% Ni) = 0,06815 iar conductivitatea = 14,67 MS/m. La 4,5K, = 1,510. Rezistivitatea crește iar conductivitatea scade cu gradul de puritate, variind cu temperatura astfel:
Tabel 11- Variatia rezistivitatii si a conductivitatii functie de temperatura
Coeficientul mediu de temperatură al rezistivității între 0 și 100C, a= 0,00692K.
Tensiunea electromotoare a unui cuplu Pt – Ni (99,94%) este de 1,485mV la 100C, sudura de referință fiind 0C.
Coeficientul Hall la 293K, A = -0,5910m/C.
La temperatura obișnuită (până la temperatura Curie 358C) nichelul este feromagnetic, cu permeabilitatea inițială = 1,3810H/m și maximă = 7,5310H/m.
Permeabilitatea relativă = 111…410.
Ecruisajul reduce permeabilitatea magnetică și ridică câmpul coercitiv.
Temperatura Curie a nichelului scade puternic la conținut Si, V, Ti, Cr, Mo, Sb, scade moderat la conținut de Yn, Mn, Cu, Au, Pt, Pd și crește la conținut de fier și cobalt.
3.2.3. Proprietatile termice și termodinamice
Tabel 12 – Proprietati termice si termodinamice
În vacuum de 13 Pa (1mm de Hg) nichelul fierbe la 1907C.
Capacitatea termică masică la 20C c= 446 J/Kg K, variind cu temperatura astfel:
Tabel 13 – Capacitatea termica masica functie de temperatura
Conductivitatea termică a nichelului tehnic între 0 și 100C = 88,5W/(m K), la puritatea de 99,95%, variind cu temperatura astfel:
Tabel 14 – Conductivitatea termica in variatie cu temperatura
Conductivitatea termică variază sensibil cu gradul de puritate:
Tabel 15 – Conductivitatea termica
Coeficientul de temperatură al dilatării liniare creste cu puritatea nichelului. Cu cât este mai pur cu atât prezintă variații mai mari la temperatura Curie (368C). Nichelul cu 99,98% Ni prezintă următoarea variație cu temperatura a coeficientului .
Tabel 16 – Variatia cu temperatura a coeficientului de dilatare liniare α
Dilatarea nichelului la temperaturi joase este foarte mică. Astfel, între 273 și 253K, = 0,2466 mm/m; (253…233) = 0,2405; (233…213) = 0,2317; între 90 și 78 K, = 0,0629.
Dilatarea volumică = (38…39)10 K.
Tabel 17 -Tensiunea de vapori
Tensiunea superficială la 1726K, = 1685 mN/m.
Vâscozitatea dinamică = 40,7 mPas.
3.2.4. Proprietatile optice și acustice
Culoare cenușie – argintie în stare compactă și cenușie în stare pulbere.
Tabel 18 – Factorul de reflexie în funcție de lungimea de undă a radiației:
Viteza undelor acustice longitudinale c = 5630 m/s iar a celor transversale c = 2960 m/s. Impedanța acustică specifică I = 50 MPas/m.
3.2.5. Proprietati chimice
Nichelul are activitate chimică slabă. În aer uscat și umed, la temperatura obișnuită, nu este atacat, deoarece se acoperă cu o peliculă foarte subțire, compactă și rezistentă de oxid de nichel NiO. Este complet stabil în apa dulce sau de mare; totuși, prezența în apă a bioxidului de carbon și a ionilor de clor poate determina apariția coroziunii punctiforme.
Cu azotul nu reacționează chiar până la 1400C., solubilitatea lui în nichelul solid, la 350C fiind mică (0,06%).
Cu oxigenul interacționează la peste 500C, când se acoperă la suprafață cu NiO de culoare verzuie ( = 1090C). Oxidarea în continuare se face încet, nichelul fiind rezistent la temperaturi înalte. Unele metale cresc (Si, Cr, Al) iar altele scad (S, Mn) această rezistență.
Hidrogenul este absorbit în proporție relativ mare, mai ales în nichelul topit. La temperaturi moderate, în atmosfera de hidrogen există pericolul de apariție la nichel a „bolii de hidrogen” datorită reacției hidrogenului difuzat la limita grăunților cu NiO și instabilității hidrurii NiH, eventual formată cu oxid de nichel.
Cu carbonul nichelul nu formează carburi statice la temperatura obișnuită. Carbura NiC formată la 1600C este instabilă și se disociază ușor, carbonul separându-se ca grafit, ce formează la 2,22% C un eutectic (Ni) + grafit cu = 1318C.
Sulful este practic insolubil în nichelul lichid, dar reacționează cu formarea NiS. Nichelul și sulful formează la încălzire eutectice, ușor fuzibile, ceea ce explică fragilitatea la cald a nichelului. Pentru îndepărtarea sulfului în nichel se introduce magneziu, mangan sau litiu, pentru a aduce sulful într-o formă nedăunătoare. Alte combinații Ni –S (NiS, NiS, NiS, NiS) se obțin prin metode chimice, majoritatea dintre ele existând și sub formă de minerale.
Cu borul dă combinațiile NiB, NiB și NiB, cu siliciul NiSi, NiSi, NiSi, iar cu fosforul o serie de fosfuri.
Cu halogenii formează combinațiile NiX, în care X este Cl, F, Br, I.
Acizii sulfuric și clorhidric atacă lent nichelul, acidul fluorhidric mai greu, acidul azotic diluat, rapid, iar acidul azotic concentrat îl pasivizează. Este stabil în soluții alcaline, în alcalii topite, în vapori de amoniac uscat. Se dizolvă în soluții amoniacale, în prezența carbonatului de amoniu, cu formare de amoniacați. Nichelul este slab atacat de acizii acetic, stearic, oleic, în suc de fructe, la temperaturi obișnuite sau ridicate.
Majoritatea sărurilor de nichel se descompun la calcinare peste 500C.
Solubilitatea nelimitată în nichel în stare solidă cu formare de soluții solide au Co, Fe, Mn, Cu ș.a., solubilitate parțială Cr, Mo, Al, Mg, W, V ș.a., iar insolubilitate Pb, Bi, Cd, Ag.
Compușii cu nichelul formează: H, O, N, S, Se, Te și elementele halogene.
Cel mai caracteristic grad de oxidare este 2, însă sunt posibile și gradele 1, 3 și 4. Potențialul de oxidare standard al nichelului în scara de hidrogen la 25C și p = 1 at pentru Ni/Ni este E = 0,250V.
Echivalentul electrochimic E = 0,3041 mg/C.
3.2.6. Proprietati mecanice
Caracteristicele mecanice ale nichelului variază în limite largi în funcție de puritate, stare și mod de prelucrare: R = 350…760 MPa, R = 100…720 MPa, A = 2…45%, Z = 55…95%, HB = 600…1600 MPa.
Tabel 19 – Influenta puritatii nichelului
Starea și modul de prelucrare a nichelului de înaltă puritate influențează în modul următoarele caracteristicile mecanice:
Tabel 20 – Starea și modul de prelucrare a nichelului de înaltă puritate
În cazul nichelului tehnic valorile unor caracteristici mecanice variază astfel cu ridicarea temperaturii:
Tabel 21 – Variatia caracteristicilor mecanice cu temperatura
La creșterea temperaturii sub 10C rezistența de rupere R și HB cresc, , R crește mai puțin vizibil iar A și Z rămân la valori ridicate, după cum rezultă din următorul tabel:
Tabel 22 – Influenta temperaturii asupra rezistentei de rupere si a duritatii
Modului de elasticitate E = (197…220) GPa iar modului de forfecare G = (73…80) GPa.
Coeficientul lui Poisson = 0,34.
Reziliența nichelului tehnic (99,4% Ni) la 298K, KCU = 3200…3600 KJ/m.
Rezistența la oboseală la 10 cicluri este influențată de starea de prelucrare. La 20C, R = 270 Pa pentru nichelul deformat și R = 175 MPa pentru nichelul recopt.
Coeficientul de compresibilitate k = 615 10Pa.
3.2.7. Proprietati tehnologice
Proprietățile tehnologice ale nichelului depind în mare măsură de prezența impurităților, sub formă de gaze sau incluziuni nemetalice.
Nichelul de înaltă puritate are plasticitate ridicată, se prelucrează bine la cald si la rece, prin laminare, forjare, extrudare, tragere, astfel că fără recoacere se pot obține table de 20m.
Tabel 23 – Caracteristici tehnologice
Nichelul se ecruisează puternic prin deformare la rece și de aceea este supus la recoacere de reclistarizare, la temperatură a cărei valoare se stabilește funcție de gradul de puritate.
Influență net defavorabilă asupra plasticității au impuritățile care, prin intermediul unui compus formează eutenice cu temperatură joasă de topire (sub 700C) ce se plasează la limita grăunților (S, As, Pb, Bi, Sb). Dintre ele cel mai periculos este sulful, chiar la 10%. Nichelul cu 10% plumb, bismut sau antimoniu se rupe fragil la temperatura de deformare plastică la cald, deoarece la aceasta eutecticele formate se mențin în stare lichidă.
În combustibili lichizi (motorina) folosiți la cuptoarele de încălzire nu trebuie să existe mai mult de 0,4% sulf, deoarece acesta ajunge la concentrație în produsele de ardere ce favorizează difuzia sulfului în metal.
O altă impuritate periculoasă este hidrogenul, deoarece absorbit în proporții mai mari decât cele admisibile poate determina apariția de fisuri la limita grăunților. O măsură de preîntâmpinare a absorbției hidrogenului este topirea sub jet de electroni deoarece permite absorbția de numai 10% hidrogen, de trei ori mai puțin decât în cazul elaborării în cuptoare electrice cu arc de inducție.[4]
Aluminiul
Generalitati
Aluminiu este cel mai raspândit metal în scoarța tereatrǎ, iar printre elemente ocupǎ locul al treilea în urma oxigenului și siliciului. Datoritǎ activitǎții sale chimice mari, se gǎseste în naturǎ numai sub formǎ de compuși. Împreunǎ cu oxigenul și siliciul formeazǎ 82,58% din scoarța terestrǎ.
Principalul minereu din care se extrage aluminiul este bauxita, conține aproximativ 60% aluminiu.
Bauxita se gasește în munții Bihorului, Grecia, Turcia și în Ungaria.
Principalele elemente de aliaje sunt, Mg, siliciu, cupru, Mn.
În naturǎ se gaseste numai sub formǎ de combinatii într-un numǎr foarte mare de minerale ce conțin oxizi, silicați. Cateva dintre mineralele ce conțin aluminiu sunt: bauxita Al2O3*nH2O, corindonul Al2O3, hidrargilitul Al(OH)3, ortoclazul K(AlSiO8), albitul Na(AlSi3O8), anortitul Ca(Al2Si2O8), alaunitul KAl(SO4)2*2Al(OH)3, nelelinul Na(AlSiO4), criolitul Na3(AlF6).
Industrial aluminiul se obține aproape în întregime prin descompunerea electroliticǎ a aluminei pure dizolvate într-o topiturǎ de criolit cu adaus de fluorurǎ de calciu. Prin electrolizǎ se obține “aluminiul tehnic primar” numit și “aluminiu tehnic pur” care conține de la 0,2% la 1% impuritați metalice (Fe, Si, Ca, Ti, Na) și nemetalice (alumina, electrolit, carbura de aluminiu, gaze). În țara noastra sunt standardizate urmatoarele marci de aluminiu tehnic pur: Al 99,8, Al 99,7, Al 99,6, Al 99,5, Al 99,4, Al 99 si AIE.
“Aluminiul de înaltǎ puritate” se obține din aluminiul tehnic filtrat, spǎlat cu gaz sau degresat, prin rafinarea electroliticǎ cu anod solubil în sǎruri topite cunoscute sub numele de rafinare în trei straturi. Acest aluminiu conține de la 0,05% la 0,1% impuritǎți, in țara noastrǎ fiind stabilizate trei marci Al 99,99, Al 99,95 si Al 99,90.
“Aluminiul extra pur” se obține prin topirea zonarǎ, distilarea halogenurilor inferioare sau electroliza compușilor organici ai aluminiului de înalta puritate, gradul de puritate putând ajunge pânǎ la 99,999995%.
3.3.2. Proprietați fizice și caracteristicile mecanice
Proprietațile fizice și caracteristicile mecanice ale diferitelor sorturi de aluminiu sunt influențate de prezența impuritaților. Cele mai frecvente impuritați din aluminiu sunt fierul si siliciul, elemente care se pot gasi panǎ la 0,5-0,6% fiecare. Fierul este practic insolubil în aluminiu, formând cu acesta eutecticul Al-Al3Fe care conține doar 7% Al3Fe (1,7%Fe). Ca urmare aluminiul impurificat cu fier prezintǎ un aspect microscopic format din cristale poliedrice de aluminiu și precipitate aciculare de Al3Fe. Eutecticul din sistemul Al-Si se formeazǎ la 11,7% Și Si este alcǎtuit din solutie solidǎ α și siliciu. Dacǎ în același timp sunt prezente simultan fierul și siliciul, se formeazǎ douǎ faze noi: faza α(Fe3SiAl3) și faza β (FeSiAl5), care nu existǎ în aliaje binare. Acești compuși, situați în mod obișnuit la limitele cristalelor de aluminiu micșoreazǎ mult plasticitatea acestuia.
Aluminiul face parte din grupa a-III-a a sistemului periodic al elementelor, are un singur izotop stabil 27Al și cinci izotopi radioactivi (24Al,25Al,26Al,28Al) cu perioadele de injumatǎțire cuprinse între 2,10 s și 94 s.
Aluminiul se caracterizeazǎ prin plasticitate foarte mare, rezistențǎ mecanica micǎ, conductibilitate electricǎ și termicǎ ridicatǎ și rezistențǎ mare la coroziune în aer, apǎ și acizi organici.
Principalele proprietǎți ale aluminiului care influențeaza defavorabil sudabilitatea sunt:
-conductibilitatea termicǎ ridicatǎ; deci și temperatura de topire a aluminiului este redusǎ (6500C) totușii, datoritǎ conductibilitǎții de calburǎ și preâncǎlzirea intregii piese la temperaturii ridicate;
-coeficientul mare de dilatare al aluminiului care determinǎ probucerea de tensiunii permanente și deformații mari;
-la încǎlzire, aluminiul nu-și schimbǎ culoarea din care cauzǎ la sudare nu se poate aprecia vizual gradul de încalzire; difilcultatea se mǎrește, deoarece aluminiul se topește în mod brusc;
-fragilitatea aluminiului la temperaturi înalte; deformarea și fisurarea pereților se preântampinǎ prin fixarea piesei pe suporturi cât mai exact;
-îin stare lichidǎ, aluminiul absoarbe cu avilitate oxigenul, reduce rezistenta imbinarii;
-oxidul de aluminiu având punctul de topire ridicat (20500C) formeazǎ o pojghițǎ solidǎ care impiedicǎ sudarea; îndepartarea oxidului se poate realiza pe cale chimica prin utilizarea unor fluxurii carea formeazǎ cu oxidul o zgurǎ ușor fluzibilǎ și care protejeazǎ metalul topit.
Rezistivitatea ρ, respectiv conductivitatea γ a aluminiului variaza cu gradul de puritate, natura impuritatilor, gradul de deformare si temperatura acestuia.
La temperatura obisnuita rezistivitatea si conductivitatea aluminiului recopt variaza astfel cu gradul de puritate:
Tabel 24. Variatia conductivitatii si rezistivitatii cu gradul de puritate
Tabel 25. Cresterea rezistivitatii cu gradul de deformare
3.3.3. Proprietați chimice
Aluminiul este un metal cu inalta activitate chimica.
In aer liber, uscat, la temperatura obisnuita si mai joasa aluminiul se conserva foarte bine deoarece se acopera cu un strat subtire de oxid de aluminiu aderent si compact.
Apa distilata, de ploaie sau potabila, nu il ataca. Incalzirea acestora determina cresterea grosimii stratului initial de oxid. Apa sarata il ataca la suprafata. Cu azotul aluminiul incepe sa reactioneze la peste 650ºC cu formarea de AIN, care hidrolizeaza usor cu formare de hidroxid de aluminiu si amoniac.
Cu oxigenul reactioneaza foarte energic cu formare de Al2O3. In aer uscat se obtine un strat foarte subtire cu proprietati de izolare electrica asociate cu rezistenta la temperaturi inalte. Procesul de oxidare este si mai accelerat la temperaturi peste cea de topire.
Cu hidrogenul nu reactioneaza insa acesta se dizolva in aluminiu lichid si solid.
Cu carbonul reactioneaza in aer la circa 2000ºC, iar in vacuum pana la (1100 +/- 100) ºC cu formare de Al4C3, care peste 2000ºC se descompune cu formare de grafit.
Aluminiul de inalta puritate nu este atacat de acizii azotic, acetic si citric diluat, la rece si este atacat repede de acizii clorhidric, diluat sau concentrat si acetic concentrat.
Elementele de aliere si in special fierul si siliciul scad rezistenta la coroziune a aliajelor aluminiului. De aceea, continutul de fier prezinta un criteriu de determinare a rezistentei la coroziune a aliajelor.
Potentialul normal de electrod al reactiei Al – 3e ↔ Al3+, E0el = – 1,66V.
Echivalentul electrochimic E = 0,09316 mg/C. [4]
CAPITOLUL IV
TEHNOLOGII DE REDUCERE, RECICLARE, RECUPERARE A DESEURILOR DIN APARATURA ELECTRICA SI ELECTRONICA
4.1. Tehnologii generale folosite pentru recuperarea metalelor din deseuri provenite din echipamentele electrice si electronice
Reciclarea deseurilor provenite din echipamentele electrice si electronice e un subiect important nu doar din punct de vedere al tratamentului deseurilor dar si din punct de vedere al recuperarii materialelor valoroase.
Reciclarea deseurilor din echipamente electrice si electronice se pot imparti in 3 faze majore:
dezasamblarea care poate fi selectiva si manuala
imbunatatirea folosind procese mecanice, fizice si/sau metalurgice in scopul imbunatatirii continutului de materiale nedorite
rafinarea – materialele recuperate se reintorc la ciclul lor de viata.
Dezasamblarea inseamna indepartarea unui component sau parte, a unui grup de parti sau subansamblu a unui produs (de exemplu dezasamblare partiala); sau separarea tuturor partilor unui produs pentru un scop dat (dezasamblare completa).
4.1.1. Planificarea procesului de dezasamblare
Obiectivul planificarii procesului de dezasamblare este acela de a dezvolta proceduri si unelte software pentru a forma strategii de dezasamblare si sisteme de configurare a dezasamblarii.
Pentru dezvoltarea acestui proces de dezasamblare au fost propuse urmatoarele faze:
Analiza interna si externa a produsului. In aceasta faza sunt definite componentele valoroase, hazardoase si materialele refolosibile.
Dupa analiza preliminara a costului este definita dezasamblarea optima.
Analiza de asamblare in care se realizeaza o ierarhie a componentelor si secventele asamlarii anterioare.
Analiza rezultatelor incerte. Incertitudinea dezasamblarii este cauzata de partile defectuoase, a imbunatirii sau inrautatirii produsului in timpul utilizarii si de o dezasamblare distructiva.
Stabilirea strategiei de dezasamblare. In faza finala se decide daca sa se foloseasca dezasamblarea distructiva sau cea nedistructiva.
4.1.2. Dezasamblarea in practica
In practica reciclarii deseurilor provenite din echipamentele electrice si electronice, dezasamblarea selectiva e un proces indispensabil de cand:
refolosirea componentelor are prioritate
dezasamblarea selectiva a componentelor hazardoase este esentiala
dezasamblarea selectiva a componentelor valoroase si materialele de grad inalt ca circuitele de bord, cabluri si plastic pentru a simlifica recuperarea pas cu pas a materialelor.
Cel mai folosit mod de reciclare este dezasamblarea manuala, operatie specifica reciclarii electronicelor.
4.1.2.1. Sortare granulometrica
Sortarea granulometrica e necesara deoarece marimea particulei si proprietatile formei metalelor difera de cea a plasticului si a ceramicelor.
Una din metodele de sortare granulometrica folosita pentru recuperarea metalelor, foloseste un ecran rotativ si o unitate folosita atat pentru deseurile de la automobile cat si pentru procesarea deseurilor municipale. Aceasta unitate are o rezistenta ridicata de colmatare, importanta pentru diferitele unghiuri ale formei si marimii particulelor gasite in aceste deseuri.
Sortarea granulometrica prin vibrare e de asemenea des folosita, in special pentru recuperarea materialelor neferoase.
Tehnicile pe baza de separare dupa forma au fost dezvoltate in principal pentru a controla proprietatile particulelor din industria pulberilor.
Principiul acestei tehnici face uz de urmatoarele diferente:(1) viteza particulei; (2) timpul in care particula trece prin ochiul sitei; (3) forta de coeziune a particulei fata de un perete solid; (4) viteza de depunere a particulei in lichid.
Separarea dupa forma este metoda de baza folosita in industria reciclarii.
Pentru a se separa dupa forma particulei si pentru recuperarea cuprului din resturile de cabluri electrice, PCB, televizoare stricate si calculatoare personale se foloseste un conveior inclinat si o banda vibratoare inclinata.
4.1.2.2. Separarea magnetica
Separatoarele magnetice, in particular separatoarele cu tambur de joasa intensitate sunt folosite pentru a recupera metalele feromagnetice de cele neferoase si alte deseuri non-magnetice. In ultimii ani s-au inregistrat imbunatatiri ale designului dar si operarea separatoarelor de intensitate magnetica inalta, in principal datorita introducerii lantanidelor- magneti permanenti capabili sa ofere un camp de putere mai mare.
In tabelul urmator se poate observa ca prin folosirea separatorilor magnetici de inalta intensitate este posibila separarea aliajelor pe baza de cupru de matricea deseu.
O separare de camp magnetic intensa este atinsa cel putin pentru urmatoarele trei grupe de aliaje:
aliaje de cupru cu masa susceptibila relativ ridicata (Al- bronz)
aliaje de cupru cu masa susceptibila medie (Mn-bronz, alame)
aliaje de cupru cu masa susceptibila scazuta si/sau materiale cu comportament diamagnetic(Sn si Sn-bronz, Pb si Pb-bronz, alama cu continut scazut de Fe).
Tabel 26. Susceptibilitatea magnetica a aliajelor de cupru folosite in EEE
4.1.2.3. Separare bazata pe conductivitate electrica
Tabel 27. Susceptibilitatea magnetica, densitatea si conductivitatea electrica a metalelor folosite in echipamentele electrice si electronice
Tabel 28. Procese de separare mecanice bazate pe caracteristicile electrice ale materialelor
Dupa cum se poate observa si in tabel exista trei tipuri de conductivitati electrice bazate pe tehnici de separare si anume:
separarea prin curent Eddy
separarea electrostica Corona
separarea triboelectrica
In ultimii ani cea mai semnificativa dezvoltare in industria reciclarii a fost introducerea separatorilor pe baza de curent Eddy a carei operabilitate e bazata pe folosirea magnetilor permanenti.separatoarele au fost initial dezvoltate pentru a recupera metalele neferoase de la deseurile macinate provenite de la automobile sau de la tratarea deseurilor municipale solide dar acum se aplica cu succes si in alte scopuri cum ar fi pentru recuperarea deseurilor electronice.
Separatorul electrostatic cu rotor care foloseste o incarcare corona e folosit penru a separa materialele neprelucrate in fractii conductive si fractii non-conductive.
Separarea electrostica a fost folosita in special pentru recuperarea Cu/Al din firele si cablurile taiate, mai precis recuperarea cuprului si a metalelor pretioase provenite de la placile de circuite imprimate.
4.1.2.4. Separarea dupa densitate
Tabel 29. Separarea prin densitate a metalelor feroase de cele neferoase
Se intalnesc mai multe metode de separare a materialelor grele de cele usoare, diferenta fiind densitatea acestora.
Sortarea gravitationala separa materialele cu greutate specifica diferita prin miscarea lor relativa ca raspuns a fortei gravitationala si a uneia sau mai multor alte forte. Miscarea particulei in lichid depinde nu numai de densitatea particulei ci si de marimea si forma acesteia, particulele mai mari fiind mai afectate decat cele mici.
4.1.3. Procedeul mecanic de reciclare a particulelor fine
Cantitatea de deseuri care contin particule fine de metal se estimeaza a creste substantial in viitorul apropiat , datorita:
(1) legislatiei mai stricte;
(2) costului mai mare a depozitarii deseurilor cu continut metalic;
(3) continuarii cresterii productiei de deseuri diversificate, in particular a cresterii cantitatii de deseuri electrice si electronice portabile si
(4) preocuparea si constientizarea mai accentuata asupra protectiei mediului.
4.1.3.1 Noi dezvoltari a separatoarelor pe baza de
curent Eddy folosit pentru particule mici
Separatoarele rotative bazate pe curent Eddy au fost utilizate cu succes pana acum pentru sortarea metalelor neferoase si pentru recuperare, cel mai des folosit fiind sortarea metalelor neferoase de la deseurile marunte provenite de la automobilele uzate si de la deseurile municipale.
In cazul reciclarii EEE, folosirea separatoarelor traditionale care folosesc curent Eddy este limitata datorita marimii cerute intrucat sunt necesare particule cu dimensiuni intre 5-10 mm.
Rem si partenerii sai au realizat un model pentru separarea particulelor mici folosind metoda bazata pe curentul Eddy. Acest model a fost realizat pentru particule de dimensiuni mici si medii atat in campurile simetrice cat si cele asimetrice tratand particulele ca dipoli magnetici.
Toba magnetica ar trebui sa se roteasca inainte pentru sortarea particulelor metalice neferoase mici.
Prototipul realizat de “ The Netherlands Organisation” combina un pol mic cu diametru de aproximativ 20 mm cu o zona libera ingusta aflata intre suprafata magnetica si alimentator, si o viteza a rotorului de pan ala 4000 rpm.
Analizele teoretice au aratat ca forta curentului tangential Eddy este de 6 ori mai mare decat cea de la tambur.
Ideea unui separator umed pe baza de curent Eddy provine de la convertirea efectelor de cuplu electromagnetic si cele de separare. E foarte bine stiut faptul ca o particula de filare aflata in miscare intr-un lichid induce o forta perpendiculara atat pe directia sa de miscare cat si pe axa de rotatie. Acesta este efectul Magnus. Rezultatele experimentale obtinute s-au aratat a fi promitatoare.
Un separator vertical rotativ ce foloseste curent Eddy a fost realizat de Schlett et.al. cu scopul maririi eficientei separarii si de a reduce costul echipamentului de separare. Separatorul este prevazut cu o toba magnetica cu magneti permanenti de NeFeB si este condus de un motor electric cu, curent continuu plasat sub toba magnetica.
Un amestec de fire de cupru si particule de plastic cu un diametru de 4 mm si lungime de 5 mm au fost folosite intr-un experiment in laborator pentru a simula deseurile electronice.
4.1.3.2. Separarea electrostatica Corona
Separarea electrostatica Corona este o tehnica importanta potrivita pentru particule fine cu marimi cuprinse intre 0,1-5 mm. Acest procedeu este folosit si in cauzl reciclarii cablurilor. Utilizarea separatoarelor electrostatice Corona pentru recuperarea materialelor din echipamentele electrice si electronice in scopul reciclarii este abia la inceput.
In separarea electrostatica Corona, sistemul de electrozi, viteza rotorului, gradul de umiditate si marimea particulei au un mare efect in determinarea rezultatelor de la separare.in separarea electrostatica, particulele macrogranulare aduna sarcinile specifice si totodata fortele electrice in timp ce au forte centrifugale relativ mari. Optimizarea sistemului de electrozi, marirea tensiuni electrice a electrozilor si micsorand viteza rotorului se poate maximiza aderarea particulelor non-conductive.
Unul dintre avantajele separarii electrostatice in cazul reciclarii cablurilor este obtinerea de produse fara metal.
Tabel 30.Aplicatii ale separatoarelor Corona rotative in industria de tratare a deseurilor
4.1.3.3. Oscilarea
Este una dintre cele mai veci metode de sortare gravitationala foarte mult folosita in industria producatoare de minerale. Acest proces ofera o solutie buna de sortare a bucatilor mici de metal prin separare dupa densitate.
Avantaje: capacitate mare pe unitatea de suprafata, costuri mici de operare si capabilitate de a procesa cantitati mari de particule mici.
Produsele usoare sunt constituite in principal din aluminiu, sticla si piatra iar cele grele din metale ca cupru, plumb, alama si otel inoxidabil.
Una din principalele aplicatii a oscilarii in industria reciclarii este separarea produselor usoare de cele grele provenite din pietrisul de la demolari.
Tabel 31. Procentajul recuperarii si densitatea produselor usoare si grele prin procesul de oscilare ce trateaza amestecul de metale neferoase
4.2. Rezultatele studiilor recente privind tehnologiile de reducere, recuperare a materialelor reciclabile din deseurile provenite din echipamentele electrice si electronice folosind separarea cu vibratie verticala
Directiva 2002/96/EC privind deseurile din EEE are drept scop prevenirea si reducerea acestora prin incurajarea refolosirii, reciclarii si recuperarii materialelor. Tinta acestei directive este de a recupera 75% si de a refolosi si recicla 65% ,incepand din decembrie 2006.
De aceea, trebuie sa recuperam volumul maxim de material reciclabil din deseurile provenite din EEE, care constau in general din metale feroase(47%), plastic(22%), sticla(6%) si metale neferoase( 4%).
Pentru a recupera materialul pretios din deseurile EEE, initial materialul trebuie sa fie eliberat printr-un proces mecanic pentru ca fractiile dorite sa fie separate.
Metodele tipice folosite pentru separarea acestor materiale eliberate includ sortarea manuala, magnetica, separarea in curenti turbionari.
De exemplu, separatorul pe baza de curenti turbionari va separa metalele non-feroase, totusi, alte metale pot fi influentate de campul magnetic si ar afecta puritatea produsului final. Intrucat exista o specificare stricta pentru refolosirea si reciclarea materialelor, o sortare eficienta are o importanta deosebita.
Materialele din EEE cand sunt reduse la marimi mai mici sunt constituite din particule neuniforme cu proprietati ce variaza in functie de marime, densitate, forma si rezilienta particulelor. Diferentele de proprietati din particule pot fi folosite pentru a propaga o separare prin vibrare.
Cea mai comuna separare este segregarea dupa dimensiuni(clasarea) cunoscuta sub denumirea de “ Brazil Nut Effect”(BNE), unde particulele de dimensiuni mai mari apar deasupra celor mici in momentul in care sunt supuse vibrarii.
Williams a propus in 1976 patru mecanisme pentru segregarea dupa marime si anume:
percolarea particulelor fine/mici
segregarea traiectoriei
iesirea la suparfata a particulelor brute prin vibrare
vibrarea prin decantare.
BNE a fost studiat folosind o singura particula mare, cunoscuta sub denumirea de particula intrusa pe un pat de granule fine.
In 1998, Schinbrot si Muzzio au raportat ca la o amplitudine inalta intr-un pat vibrant, o serie de particule grele se misca spre partea de sus a patului dar si o parte egala de particule usoare se scufunda. Acest fenomen ramane neexplicat.
Cand patul vertical cu vibrare se afla deasupra pragului amplitudinii, patul este fluidizat si particulele granulate se misca intr-un curent conventional.
In 2002 si 2003, Burtally a aratat ca un amestec de particule de aceeasi marime de bronz si sfere de sticla se pot separa in doua straturi prin vibrare verticala in prezenta aerului, datorita diferentei de densitate.
S-a descoperit ca materialele mai dense, in acet caz bronzul, a aparut deasupra stratului de sfere de sticla care este material cu densitate joasa.
Separarea tip” sandwich” si segregarea inversa au fost de asemenea observate in functie de frecventa si de acceleratia vibrarii.
In timpul vibrarii verticale, patul este de asemenea influentat de catre componentul orizontal al curgerii fluidului, ceea ce cauzeaza patului o inclinare(cunoscut ca oscilatia lui Faraday).
Mediul in care materialul granulat e vibrat are de asemenea influenta asupra procesului de separare. Desi majoritatea studiilor de pana acum au fost efectuate in aer, mediul poate fi inlocuit cu alte fluide.
Leaper si al.(2005) au inlociut aerul cu apa la temperatura ambianta ceea ce a condus la o scadere a vascozitatii mediului de pana la 50 de ori. Ca rezultat, se asteapta sa se separe particulele mai mari, de aproximativ 1 mm diametru, particule ce sunt de 7 ori mai amri decat daca ar fi separate in aer.
Folosind apa ca mediu de separare, ajuta de asemenea la eliminarea efectului electrostatic, adesea observat la separarea uscata dupa vibrare prelungita. Aceasta ar putea afecta calitatea separarii si ar trebui eliminata.
Deseurile provenite din echipamentele electrice si electronice sunt identificate ca fiind un flux de masa cu un continut ridicat de cupru.
Tehnica vibrarii verticala e descrisa ca fiind folosita pentru a separa un amestec de plastic si bronz, in apa.
Cand un amestec din doua materiale granulare de aceeasi marime sunt vibrate vertical ele se separa in doua straturi distincte. Plasticul si bronzul au fost folosite pentru a sinoptiza situatia materialelor din EEE.
La o frecventa joasa, un strat bogat in bronz se formeaza pe suprafata unui start de plastic, in timp ce la o frecventa mai inalta, bronzul ramane intre cele doua straturi de plastic.
Un rezultat similar a fost obtinut cand materialele macinate provenite din EEE de aceeasi marime au fost vibrate.
4.2.1. Materiale si descrierea metodei folosite
S-a folosit un aparat cu vibrare verticala care consta din doua difuzoare montate intr-un cadru din lemn conectate la o pereche de acceleratoare si la un amplificator care sa controloze vibrarea. Tot acest ansamblu e atasat unui bloc masiv de beton pntru a preveni miscarea orizontala din timpul vibrarii.
Experimentele au fost facute intr-un rezervor rectangular de grosime 10 mm, inaltime 40 mm si latime 40 mm. Rezervorul a fost incadrat cu aluminiu si captusit cu placi de sticla pentru a usura observarea comportamentului materialului.
Cutia de sticla a fost apoi fixata cu suruburi la partea inferioara a cadrului de metal intre cele doua difuzoare.
Pentru a investiga procesul de separare s-au realizat trei seturi de experimente.
Primele doua seturi au fost facute folosind o combinatie de particule de plastic cu o densitate medie b=8900 kg/m3 si cu un diametru mediu al amestecului de 325m.
In primul set de experimente s-a folosit un volum al amestecului de 75% plastic si 25% bronz; iar in al doilea 50% plastic si 50% bronz.
Pentru a se studia separarea cuprului in materialul macinat provenit din EEE, material constituit in principal din fire electrice si placi imprimate.
Deseurile EEE au avut marimi si forme variind de la 100 -150 mm. Acestea au fost reduse in mod graduat la marimi mai mici de 50, 25 si 10 mm. In amestecul prezent nu a fost folosita sticla.
Acest material a fost mai departe macinat, cernut pentru a produce fractii de marimi de 250-400 m, spalate si uscate inante sa fie plasate in celula. Pentru fiecare dintre experimente s-a mentinut adancimea la aproximativ 20 mm pentru a permite compararea.
Experimentele au fost facute sub presiune atmosferica cu frecventa vibratiei incepand de la 10 la 120 Hz si acceleratia vibratiei,
= a 2/ g, = 2f, unde
a – amplitudinea oscilatiei
– viteza unghiulara
g – acceleratia gravitationala
Experimentele au fost facute in apa, la temperatura ambianta, rezervorul rectangular fiind initial umplut cu materiale uscate dupa care acestea au fost umectate.
Rezervorul a fost apoi agitat pentru a se amesteca materialul si pentru a se elibera bulele de aer. S-a reglat nivelul apei la suprafata si apoi celula este atasata la difuzor. Se asteapta ca materialul sa se amestece bine inainte de a incepe experimentul.
O amestecare perfecta nu poate fi garantata datorita sedimentarii materialului in apa cand se agita pentru a se efectua amestecarea.
Intregul proces a fost observat prin peretele de sticla a rezervorului.
4.2.2. Observarea separarii
4.2.2.1. Separarea materialelor din echipamentele electrice si electronice
Un exemplu al comportarii materialelor de la EEE sub vibrare in apa la f = 32Hz si = 8,3 este aratat in figura 3 (a-i.)
a b c
d e f
g h i
Figura 3. comportamentul deseurilor EEE maruntite cu marimi cuprinse intre 250-400m, sub = 8,3 si f = 32 Hz.
Separarea particulelor a aparut dupa trei minute de vibrare iar rezulattele au fost similare cu cele folosite pentru amestecul dintre plastic si bronz.
Patul format s-a miscat dupa forma undei sablon iar dupa 20 de secunde de vibrare, fragmentele de metal formate in principal din Cu, au inceput sa se adune (fig. 3c). In cele din urma un pat inclinat avand un strat bogat din Cu s-a format. Acest pat are forma unui sandwich, aflat intre cele doua staturi de materiale neferoase, deci in stratul inferior inca se mai afla putin Cu (fig.3d). Patul s-a miscat in senn opus acelor de ceasornic fortand materialul de la suprafata sa treaca in stratul inferior. Aceasta face ca patul sa ia forma unei pile pana cand se va echilibra (fig.3.g). Curentul conventional continua sa se miste in sens invers acelor de ceasornic pana cand toate materialele din stratul superior sunt fortate sa coboare prin stratul imbogatit in Cu (fig.3h).
Directia curentului conventional e ilustarata in figura 4.b.
Acest curent conventional duce fragmentele ramase de Cu in stratul superior (fig. 3i).
Figura 4. Directia curentului conventional
4.2.2. Observarea separarii
4.2.2.1. Separarea materalelor din echipamentele electrice si electronice
Conventia curentului poate fi influentata si de densitatea relativa a materialelor.in figurile 4a si 4b este prezentat sablonul acestui curent. Straturile inferioare si superioare s-au miscat in partea opusa stratului “sandwich”. Curentul conventional e considerat a fi unul dintre principalele mecanisme care contribuie la procesul de separare.
S-a observat ca acest curent antreneaza materialele grele si ca in cele din urma se aduna in strat. S-a observat de asemenea ca, curentul conventional este dominant in straturile sandwich si in cel superior.
Dupa o separare completa, curentul conventional ramane in aceeasi directie, dupa cum se arata si in figura 4b iar cele doua straturi nu se mai reamesteca.
Intrucat particulele sunt de diferite densitati, procesul de separare poate fi explicat prin efectul momentului mecanic si fortelor de antrenare asupra particulelor din timpul vibrarii.
Momentul mecanic al particulei e proportional cu masa particulei, deci, cu cat densitatea particulei e mai mare cu atat particulele mai mari sunt aruncate mai sus in timpul vibrarii fata de cele mai mic si apoi antrenate mai departe de catre curentul conventional.
Ca rezultat, cu cat densitatea e mai mica, particulel sunt mai usor antrenate de curentul conventional producand o separare intre cele doua materiale cu densitati diferite.
Cu cat densitatea particulei e mai mare, marimea particulei are un moment mecanic mai mare atunci cand sunt vibrate la frecventa joasa si amplitudine ridicata pentru un dat.
Comparand rezultatele deseurilor din EEE cu amestecurile din plastic si bronz, s-a observat ca comportamentele sunt similare.
Separarea a avut loc cu stratul mai greu situat deasupra celui usor. Stratul de deasupra a fost un strat mai bogat in Cu dar care continea de asemenea si alte fractii mici de alte metale prezente in deseurile din EEE.
Inainte de stabilizarea formei inclinate, patul a urmat unda sablon si apoi a produs un peak la mijlocul acestuia. Acesata se datoreaza faptului ca, Cu s-a adunat in proportii egale in ambele parti ale patului , formand doi curenti conventionali individuali in stratul imbogatit in Cu.
In timpul experimentului, cateva particule fine de praf au ramas in suspensie in apa in timpul vibrarii. Aceste materiale nu au luat parte la procesul de separare.
4.2.3. Concluzii
Folosind tehnica vibrarii verticale s-a observat ca se pot separa componentele metalice din desurile provenite din EEE.atunci cand particulele sunt mai mari se poate folosi apa ca mediu care sa mareasca separarea.
Amestecul din 25% bronz a aratat ca, chiar si la o concentratie joasa, bronzul se poate separa cu succes sub vibrare, astfel ca aceasta poate fi baza unei metode practice de separare a Cu din deseurile provenite din EEE.
CAPITOLUL V
GESTIUNEA SI DEPOZITAREA DESEURILOR
5.1. Gestiunea deseurilor
5.1.1 Necesitatea gestiunii deseurilor
Gospodarirea integrata a deseurilor este o activitate vitala pentru comunitate dictata de urmatoarele imperative:
suprafetele de depozitare scad continuu, construirea de noi zone de depozitare fiind un proces scump si dificil
multe din materialele ce se gasesc in deseuri pot fi o materie prima valoroasa si ieftina pentru unele afaceri
recuperarea unor materiale din deseuri scade presiunea asupra materii prime rare, sau greu regenerabile
utilizarea energiei rezultate prin incinerarea deseurilor, sau din instalatiile de biogaz, reprezinta o sursa alternativa de energie
Principalele obiectiveale gestiunii deseurilor sunt:
– protejarea sanatatii populatiei
protejarea mediului
conservarea resurselor naturale prin politicile de reducere a deseurilor si prin reciclare
mentinerea valorilor estetice a peisajelor naturale si antropizate.
5.1.2. Etapele gestionarii deseurilor
Gestionarea deseurilor cuprinde urmatoarele faze:
Colectarea deseurilor
Transportul deseurilor
Tratarea deseurilor
5.1.2.1 Colectarea deseurilor
In locurile de producere deseurile se colecteaza in recipiente speciale, amplasate in spatii speciale. Deseurile pot fi colectate in mod traditional sau special. Exista situatii cand se realizeaza o preselectie a deseurilor pentru recuperarea materialelor potential reutilizabile sau reciclabile. Pentru aceasta este necesara introducerea unui sistem de colectare diferentiata.
Colectare deseurilor poate fi facuta cu una din variantele urmatoare:
Colectare neselectiva, cand deseurile provenite din activitatile casnice precum si cele de la diferiti agenti economici si institutii publicecontin amestecate in diferite proportii hartii, materiale plastice, sticle, metale, materiale organice. Este modul cel mai frecvent la noi in tara.
Colectarea selectiva are drept scop colectarea materialelor refolosibile direct de la populatie prin dotarea lociuntelor cu saci de plastic si amplasarea la fiecare loc de depozitare a resturilor menajere de containere de receptionare pe diferite tipuri de materiale. Preluarea si transportul materialelor refolosibile direct de la populatie se face prin grija municipalitatii care livreaza aceste materii uzinelor de prelucrare, avantajele fiind atat din partea locuitorilor prin micsorarea cheltuielilor cu gunoiul menajer, cat si din partea municipalitatii prin veniturile realizate din vanzarea materialelor refolosibile, dar mai ales de partea mediului care nu ami este agresat prin volume mari de deseuri ce nu se descompun usor, si prin scaderea presiunii asupra materiilor prime necesare producerii de hartie, sticla, textile.
Transportul deseurilor
Dupa modul in care sunt incarcate si transportate deseurile in prezent se practica doua moduri:
Sistem semi inchis: incarcare deschisa – transport inchis, prezinta un nivel tehnic scazut, inacceptabil in zilele noastre;
Sistem inchis: incarcare inchisa – transport inchis, este cel mai modern sistem ce se bazeaza pe colectarea gunoaielor la locul de producere in recipienti de constructii unitare amplasati in spatii de stocare corespunzatoare sau in saci de hartie sau de plastic.
Cel mai ecologic transport se face cu masini specializate, care sa respecte exigentele riguroase privind protectia sanatatii publice si a mediului, printr-un transport complet inchis, eficient, sigur, cu o incarcare si o descarcare rapida a gunoaielor. In acest sens, Comunitatea Europeana a elaborat norme pentru producatorii de Masini de constructie si Gospodarire Comunala, care contin exigentele fundamentale ce trebuiesc satisfacute.
5.1.2.3 Tratarea deseurilor
Tratarea deseurilor, atat pentru neutralizarea acestora cat si pentru valorificarea unor materiale sau subproduse obtinute se poate face astfel:
Depozitarea controlata a deseurilor
Alegerea gropilor de gunoi se face avand in vedere cateva criterii referitoare la distranta fata de apele de suprafata si subterane, distanta fata de localitati, drumuri de acces. Pregatirea terenului trebuie sa aiba in vedere, acolo unde nu exista un strat impermeabil natural, creearea lui prin: compactarea suprafetei fundului printr-un start de argila compacta de 30 cm, cu mortar de ciment, cu mal de carbid, sau chiar cu folii de material plastic sudabil. Gunoaiele trebuie nivelate, compactate si acoperite cu pamant, moloz sau alte materiale similare, dupa fiecare 1.5 metri grosime. (Figura 7.1). Rampa de gunoi trebuie sa fie imprejmuita cu gard, sa fie prevazuta cu instalatii sanitare necesare personalului muncitor, sa aiba la intrare cantare tip bascula pentru a se tine evidenta volumelor descarcare, sa aiba conducte sau santuri de evacuare a apelor reziduale rezultate spre cursurile de apa cele mai apropiate. Dupa terminarea umplerii gropii de gunoi, suprafata ei trebuie acoperita cu materiale adecvate pentru utilizarea ulterioara a terenului respectiv in agricultura, silvicultura, parcuri sau terenuri sportive, construirea de depozite.
Solutia cea mai raspandita pe plan mondial este depozitarea gunoaielor prin asezarea lor direct pe sol, in gropi care trebuie asanate, aceasta solutie neimplicand practic nici o investitie. Solutia cea mai simpla este depozitarea deschisa a gunoaielor fara nivelare si acoperire. In Romania suprafata ocupate de aceste rampe de depozitare a reziduurilor menajere este de circa 500 de hectare, din care pentru municipiul Bucuresti circa 50 de hectare. Cu exceptia oraselor Cluj si Constanta care au o depozitare controlata a deseurilor urbane, in celelalte centre urbane din Romania depozitarea deseurilor se face in halde mixte care constituie zone periculoase, insalubre cu pericol de purificare a apelor subterane si de suprafata, degajand mirosuri neplacute, favorizand mentinerea si inmultirea unor focare generatoare de boli pentru oameni si animale, afectand confortul si estetica urbana.
Valorificarea deseurilor
Cu exceptia unor deseuri greu valorificabile sau nevalorificabile cum ar fi: sterilul minier, cenusa si zgura de termocentrala, deseurile chimice, deseurile radioactive, deseurile periculoase, o mare parte din deseurile rezultate din sectorul industrial, municipal si agricol pot fi valorificate in diferite moduri.
Unitatile care valorifica in Romania deseurile sunt fie:
Unitatile producatoare, prin reutilizarea in alte procese tehnologice, ceea ce duce la o minimizare a volumelor de deseuri. Din totalul deseurilor valorificate in tara noastra circa 45% au aceasta destinatie.
Alti agenti economici care cumpara de la unitatile producatoare deseurile acestora si le valorifica in diferite procese. Din totalul deseurilor valorificate in tara noastra, circa 30% au aceasta destinatie.
Unitatile specializate (tip REMAT). Din totalul deseurilor valorificate in tara noastra circa 5% au aceasta estinatie.
Dupa caracteristicile lor, deseurile pot fi valorificate prin diferite metode prezentate mai jos:
compostarea deseurilor si transformarea lor in ingrasamant agricol cu selectarea prealabila a unor deseuri de fie, hartie, sticla este o modalitate de valorificare a deseurilor organice. Deseurile organice alimentare si de gradina reprezinta circa 40% din totalul deseurilor menajere. Cand sunt evacuate in rampele de gunoi ele pot creea grave probleme mediului inconjurator deoarece se descompun anaerob, eliberand metan si CO2. Aceste deseuri organice nu ar trebui sa se regaseasca nici in gropile de gunoi, nici in uzinele de incinerare ci ar trebui sa fie reintegrate in circuitul elementelor nutritive, prin utilizarea compostului obtinut din materiile organice, la ingrasarea pamantului. In acest fel, pe de o parte volumul deseurilor se reduce considerabil iar pe de alta parte se poate obtine un ingrasamant de inalta calitate reducand astfel utilizarea ingrasamintelor minerale si poluarea mediului inconjurator legate de producerea si utilizarea lor.
Incinerarea deseurilor cu sau fara recuperarea energiei termice si a fierului reprezinta procesul de ardere al gunoaielor in cuptoare speciale. Acest tratament permite cea mai considerabila reducere a volumului deseurilor, generand cele mai putine reziduuri finale, dar prezinta unele inconveniente, legate de gazele de ardere rezultate.
Metanizarea deseurilor reprezinta degradarea componentelor organice in lipsa oxigenului cu producere de biogaz folosit ca sursa de energie neconventionala.
Recuperarea si reciclarea deseurilor prezinta o foarte mare importanta referitor la modul cum sunt tratate deseurile. Modul risipitor in care sunt astazi aruncate si consumate materialele si energia potential utile generand totodata si o poluare in continua crestere a apei, aerului si solului, reflecta existenta unor modele de consum si practici sociale nedurabile. Principalele grupe de deseuri care se preteaza proceselor de recuperare si reciclare sunt: deseuri de sticla, deseuri de metale feroase, deseuri de metale neferoase, deseuri de hartie sau carton, deseuri lemnoase, deseuri textile.
Recuperarea si reutilizarea resurselor reciclabile reprezinta mijloace de solutionare a contradictiei dintre cerintele procesului de crestere economica si caracterul restrictiv al resurselor. In acelasi timp activitate de reciclare interfera profund cu activitatea de protectie a mediului, intensificarea reciclarii diminuand sensibil presiunea poluanta asupra mediului. In Romania primele unitati de recuperare au aparut in 1949, astazi functioneaza efectiv in domeniul recuperarii circa 250 de firme cu capital de stat si privat. Organizarea si gestiunea mai eficienta a materialelor refolusibile in tara noastra se impune ca o prioritate pornind d ela urmatoarele premise:
potentialul de materiale refolosibile este ridicat, ceea ce este o premisa in asigurarea unei eficiente economice;
nivelul tehnic si tehnologic la nivel national al acestei activitati este modest, dar poate fi imbunatatit fara eforturi investitionale deosebite;
nivelul de sensibilizare al agentilor economici si al populatiei cu privire la importanta si imperativele reciclarii materialelor este redus, dar poate fi imbunatatit prin actiuni concertate de mediatizarea sustinuta si educatie ecologica.
La noi in tara exista posibilitati de a reduce in circuitul productiv cantitati mare de deseuri metalic, zguri metalurgice si cenusa de la centralele energetice care functioneaza cu carbune. Acestea ar putea fi folosite ca materiale de constructie, amendamente in agricultura sau, in cazul deseurilor metalice sa se reduca cantitatile de resurse minerale exploatate. De asemenea organizarea colectarii si valorificarii deseurilor de sticla, a deseuriloe polimerice pot fi cai deosebit de eficace de reducere a presiunii societatii asupra resurselor neregenerabile.
5.2. Depozitarea deseurilor
Problema deseurillor s-a schimbat radical in ultimii 50 de ani, in special in ceea ce priveste continutul acestora. Pana atunci predominante erau resturile de la arderea carbunilor, cenusa si mai putin ambalajele si resturile alimentare. In prezent, dominante sunt ambalajele pentru alimente, hartie carton, materiale plastice, in general deseuri cu un continut ridicat de substante organice. Se constata de asemenea ca volumul deseurilor a scazut, fiind mai putin dense, astfel ca depozitarea si compactare sunt mai utile.
Categorii de deseuri.
Deseuri din activitati comerciale. Sunt in special de natura organica: hartie carton, materiale plastice, deseuri de la magazine alimentare, deseuri de la birouri, restaurante.
Deseuri speciale. Sunt potential periculoase, corozive, toxice sau inflamabile. In genera sunt de origine industriala. Uneori este necesar ca inainte de depozitare sa fie tratate sau pretatate in cadrul unitatii de producere. Cele mai cunoscute in aceasta categorie sunt: slamurile, apele industriale uzate.
Deseuri de natura medicala. Provin din spitale sau cabinete medicale si necesitata tratare inainte de depozitare. Prin continut sunt foarte periculoase: medicamente, pansamente infestate, ace si seringe de unica folosinta, tesuturi umane, alte materiale. Pentru spitale problema este relativ simple, acestea dispunand de regula de mici incineratoare in care unele deseuri pot fi distruse. Probleme deosebite ridica, din acest punct de vedere, cabinetele particulare care nu detin mijloace proprii de neutralizare a deseurilor rezultate.
Deseuri din industria de constructii. Un volum important il reprezinta materialele rezultate din excavatii. Acestea pot fi folosite pentru acoperirea gropilor de deseuri menajere (gropi de gunoi) impiedicand astfel antrenarea acestora de vant, reducant totodata impactul vizual si emisiile de mirosuri.
Deseuri industriale. In aceasta categorie este inclusa o varietate larga de materiale de la cele inerte pana la cele puternic toxice: acizi, cianuri, saruri ale metalelor, PCB. Printre ele se gasesc si substante organice de la fabricile de mobila si de la cele de preparate alimentare. Acestea se pot descompune in timp.
Deseurile nucleare. Constituie o problema producerea intr-o relativa expansiune. Pana nu de mult singurele substante nucleare erau constituite din izotopi radioctivi folositi in medicina sau chiar in industrie, in cantitati mici, care nu au ridicat probleme deosebite legate de depozitarea lor.
5.2.1. Metode de depozitare
5.2.1.1. Gropile de gunoi
In multe tari sunt considerate ca fiind metodele cele mai sigure, ieftine si acceptabile din punct de vedere al mediului, pentru o buna parte din deseurile gospodaresti, din serviccii si netoxice.
In Japonia unde terenul este putin si scump, 2/3 din deseurile casnice sunt incinerate si doar 1/3 ajung la gropi de gunoi. In Anglia 90% din deseuri ajung la gropi de gunoi controlate. Folosirea lor trebuie limitata numai la deseuri controlate: menajere, din servicii, industriale inerte sau industriale organice.
Gropile de gunoi necesita o atenta planificare si proiectare si, mai ales, un control rigoroa al exploatarii lor astfel ca efectele negative asupra mediului sa fie limitate. Utilizarea acestor gropi de gunoi implica o serie de lucrari adiacente:
Lucrari ample de excavatii
Lucrari de drenaj
Lucrari pentru gospodarirea apelor
Elemente de infrastructura
La proiectarea unor astfel de amenajarieste necesar sa se urmareasca, in special, urmatoarele elemente:
Realizarea accesului in zona
Tipul materialelor
Programul de lucru
Prevenirea impactului si daunelor cauzate de aparitia mustelor, insectelor, pasarilor
Reducerea zgomotelor in exploatare
Reducerea impactului vizual
Reducerea emisiilor de mirosuri
Depozitarea in gropi este cea mai ieftina metoda, costul acesteia depinzand de pretul terenului, costul lucrarilor de pregatire, conditiile de functionare.
Exploatarea gropilor de gunoi, se face, de regula, prin disounerea deseurilor in straturi de 2 m grosime, compactarea lor si acoperirea lor cu un strat de pamant. La sfarsitul fiecarei zile este necesar ca stratul depus sa fie acoperit. Compartimentarea in celule a gropilor de gunoi limiteaza imprastierea deseurilor, reduce riscul generarii mirosului, reduce impactul vizual. Gropile atrag pasarile care se hranesc in aceste zone, constituind un pericol prin transmiterea unor boli.
Principalele probleme care privesc depozitarea deseurilor electrice si electronice sunt scurgerile si evaporarea substantelor hazardoase.
Atunci cand anumite aparate electronice sunt distruse au loc scurgeri de Hg, ceea ce ridica o problema care preocupa din ce in ce mai mult.
CAPITOLUL VI
Stadiul actual al cunoasterii bronzurilor cu Aluminiu
Bronzurile cu aluminiu,aliaje de culoarea aurului constituie o familie de aliaje care ofera un camp larg de cercetare datorita proprietatilor care le recomanda in cele mai avansate aplicatii.
Bronzurile cu aluminiu se pot deforma plastic la cald si al rece, se prelucreaza mecanic, se sudeaza, nu sunt feromagnetice decat la continuturi mari de fier si mangan, au o rezistenta la coroziune ridicata si in sfarsit caracteristicile lor mecanice ridicate pot fi comparate cu cele ale otelurilor.
In ultimul timp, bronzurile cu aluminiu au intrat in atentia cercetatorilor datorita unor proprietati speciale cum ar fi: memoria formei, superelasticitate, compozite naturale, aceste din urma fiind materiale care au structura formata din benzi alternante de faze ale eutectoidului cu proprietati de inalta rezistenta mecanica si proprietati de superconductibilitate.
Bronzurile cu aluminiu se impart in doua mari clase, bronzurile monofazice, care au structura formata din solutie solida de aluminiu in cupru – solida solida si bronzurile polifazice care prezinta in structura pe langa faza inac una sau mai multe faze.Pe de alta parte, daca bronzurile cu aluminiu monofazice sau polifazice nu contin decat cupru si aluminiu le putem incadra in categoria aliajelor de cupru – aluminiu binare, daca insa pe langa cupru si aluminiu contin si alte elemente precum nichelul, fierul,etc. ele sunt aliaje complexe.
Avand in vedre cele de mai sus putem incadra aliajele de cupru – aluminiu in patru mari clase:
aliaje monofazice binare
aliaje monofazice complexe
aliaje polifazice binare
aliaje polifazice complexe
1.1. Elemente de aliere in bronzurile cu aluminiu
Fierul imbunatateste proprietatile de rezistenta ale bronzurilor mentinand proprietatile de plasticitate. Astfel alierae cu un procent de fier conduce la cresterea rezistentei mecanice cu 3-4 daN/mm2, proportional pana la 4% Fe. De asemenea fierul favorizeaza o structura de turnare fina datorita particulelor de Fe3Al uniform repartizate in masa aliajului.Alierea cu fier impiedica transformarea (+2), dar scade fluiditatea aliajului la turnare.
Un adaos de 2%Ni intr-un bronz cu 10%Al creste rezistenta mecanica cu 7-9 daN/mm2, imbunatatind proprietatile de elasticitate ale materialului. Impreuna cu aluminiul formeaza faza k care atunci cand este fin dispersata in matricea conduce la o duritate a aliajului mentinand totodata si o anumita ductilitate. Nichelul creste rezistenta la coroziune prin formarea la limita de graunte a unei bariere protectoare.Totodata nichelul mareste compactitatea pieselor turnate si rezistenta la temperaturi inalte.
Manganul largeste domeniul beta, in bronzurile cu aluminiu ceea ce conduce la imbunatatirea prelucrabilitatii la cald. Din punct de vedere al proprietatilor mecanice 1%Mn conduca la cresterea rezistentei mecanice cu circa 6-8 daN/mm2.Manganul finiseaza structura la solidificare dar ca si fierul determina o scadere a fluiditatii materialului in stare topita.
Siliciul are un efect comparabil cu al aluminiului crescand limita de rupere si limita de elasticitate. Un continut 1% Si este echivalent in aliaj cu 1,6%Al ceea ce presupune ca in conditiile in care cantitatea de siliciu din aliaj creste trebuie sa se reduca corespunzator cantitatea de aluminiu.astfel un continut de 2%Si si 7,6%Al conduce la un alij cu proprietati similare unuia cu 10%Al.
Siliciul imbunatateste fluiditatea dar scade compactitatea pieselor turnate.Alierea cu siliciu are de asemenea avantajul ca evita problemele legate de descompunerea fazei beta in eutectoid la viteze lente de racire.Siliciul induce in material un efect durificator prin influenta sa asupra fazei in special la deformarea plastica la rece.
Plumbul cand este fin dispersat in aliaj nu afecteaza proprietatile mecanice cu excepia ductilitatii si a rezilientei, iar in cantitati mici 0.1, 0.2% imbunatateste prelucrabilitatea prin aschiere si antifrictiune dar inrautateste deformabilitatea la cald.
6.2. Stadiul actual al cunostintelor cu privire la influenta compozitiei chimice asupra transformarilor de faza in stare solida si bronzurile cu aluminiu complexe
6.2.1. Influenta fierului si a nichelului
Fierul determina modificari insemnate in diagrama de echilibru Cu-Al prin largirea domeniului .
O crestere de 4% a continutului de fier determina deplasarea punctului Q la 10 % Al in structura facandu-si aparitia o faza k cu morfologie complexa. Faza k bogata in fier absoarbe aluminiul din matricea extinzand domeniul acesteia.( fig.1.1)
La un procent de 5%Fe punctul Q este deplasat de la 9.4% Al la 11% Al(fig.1.2). Faza k care precipita are ca efect o crestere considerabila a proprietatilor mecanice. Transformarea solutiei solide in eutectoidul (+2) este complet inhibata, ceea ce ofera avantajul ca la proprietati mecanice similare, bronzul dobandeste o importanta rezistenta la coroziune.
Alierea cu nichel conduce la aparitia pe diagrame de echilibru ( fig.1.3) a unei curbe de variatie a solubilitatii aluminiului in cupru cu temperatura, indicand o precipitare a aceleiasi faze k dar de data aceasta bogata in nichel si cu o morfologie distincta.
a) Faza k in bronzurile cu aluminiu complexe
Structura bronzurilor cu aluminiu aliate este foarte dificil de interpretat.Aliajele cele mai utilizate contin nichel, fier, mangan si prezinta in structura o serie de precipitate a caror forma si compozitie chimica depinde de cantitatea de elemente de aliere si influenteaza mult proprietatile acestor aliaje.
Astfel un ontinut mai mare de 1% Fe determina aparitia in structura la limita grauntilor a unui precipitat sub forma de rozete maimult sau mai putin fine.Aceste prcipitate isi extind tot mai mult aria, pe masura ce continutul de fier creste astfel ca la 4-5 %Fe ajung si in interiorul grauntilor si conduc la substituirea eutectoidului (+2) crescand totodata rezistenta aliajului la coroziune, proprietatile mecanice ramanand practic neafectate.
Fazele k1 si k2 sunt de fapt niste precipitate bogate in fier, circa 60-80%Fe pe baza compusului Fe3Al si nu apar decat in aliaje a caror continut de fier este mare.
Fig. Diagrama de echilibru Cu-Al
Faza k3 se obtine in urma transformrii +2 si are un aspect similar perlitei globulare din oteluri.Structura sa se baeaza pe compusul NiAl, avand parametrul retelei 2,88/ 0,03 compozitia chimica determinata cu ajutorul microsondei electronice pe un bronz cu 3,6%Ni .
Faza k4 apare sub forma unor perecipitate extrem de fine chiar in interiorul grauntilor de . Din cauza finetii sale faza k4 este greu de puus in evidenta prin metodele microscopiei optice dar o analiza cu microsonda electronica pe un graunte de alfa evidentiaza salturi ale continutului de fier de la 2% la 13,13%Fe.
Aspecte microstructurale ale fazei K in bronzurile cu aluminiu
b) Faza k in bronzurile cu aluminiu turnate
Considerand un bronz cu 5%Ni 5%Fe si 10%Al se obseva ca el solidifica din lichid intr-o singura faza, in care, odata cu scaderea temperaturii germineaza faza . Germinarea incepe la limitele grauntilor de de-a lungul planelor cristalografice dand nastere unei structuri similarestructurii Widmanstatten din oteluri.
Faza k Ni-Fe-Al precipita sub forma unor rozete rotunjite sau dendritice bogate in fier. La temperaturi scazute apare faza k lamelara impreuna cu un fenomen de fragmentare a domeniilor . Rransformarea nu se desfasoara complet deoarece in bronzurile turnate intalnim mici zone de -martensita.
Temperaturile la care au loc transformarile de faza in stare solida sunt redate in tabelul 1.
Tabel 1- Temperaturile la care au loc transformarile de faza
In figura 1.3 sunt prezentate schematic aspectele morfologice ale fazei K in bronz
2.Aliaje cu memoria formei
2.1. Particularitati de obtinere a AMF
AMF cu baza cupru sunt cele mai utilizate in industrie datorita pretului lor de cost (1000 de ori mai mic) decat al AMF din sistemul Ni-Ti.
Dezavantajele se datoreaza microstructurii lor destul de grosolana care provoaca fisuri intergranulare.
Aceste aliaje cu memoria formei se grupeaza in Cu-Al-Ni si Cu-Zn-Al si in sisteme binare cu baza cupru: CuZn, CuAl si CuSn.
Este asemanatoare elaborarii alamelor sau a bronzurilor cu Al dar trebuie acordata o atentie deosebita mentinerii compozitiei in limite foarte stranse (Al sufera o segregatie gravitationala si se concentreaza in partea superioara a lingoului).
Sistemul Cu-Al
Aliajele ternare cu memoria formei din sistemul Cu-Al pot avea ca al treilea element de aliere Ni, Be, Zn sau Mn.
Aliajele cuartenare sunt Cu-Al-Zn-Ni, Cu-Al-Zn-Mn sau Cu-Al-Mn-Ni.
Tehnologia actuala ofera patru posibilitati de elaborare:
obtinerea aliajelor policristaline prin procedeul clasic de topire directa a materiei prime
obtinerea aliajelor prin metoda pulberilor
obtinerea aliajelor prin solidificare rapida
obtinerea aliajelor monocristaline prin procedee neconventionale de crestere a cristalelor
2.1.1. Topirea si turnarea aliajelor de cupru
Se obtine in general prin metode clasice.
Pentru topire se utilizeaza ca agregat un cuptor cu inductie fara miez, de joasa frecventa, cu efect de amestecare a topiturii.Pentru lingouri uni se foloseste un cuptor cu inductie de inalta frecventa (CIF).
AMF cu structura policristalina se pot elabora prin topire directa in cuptorul cu incuctie in: atmosfera obisnuita, vid, atmosfera de protectie, ultimele doua fiind cele mai utilizate.
Instalatiile pot avea recipient orizontal sau vertical cu pereti dubli raciti cu apa racordat la un sistem de pompe in vid. Unitatea de topire e alcatuita din conducta si creuzet. Turnarea se realizeaza in lingotiere.
In cazul aliajelor de Cu-Zn viteza de incalzire e mica, rezulta pierderi mari de Zn prin oxidare, Ms se calculeaza empiric, topirea si turnarea trebuie efectuate cat mai rapid utilizand materii prime de inalta puritate si cantarite cu mare precizie ( intervalul de solidificare in domeniul de compozitie care prezinta interes este foarte ingust-10K), solidificarea este insotita de reduceri importante de volum care conduce la retasuri mari de solidificare ale lingoului turnat, rezulta necesitatea pulberilor exoterme prin obtinerea unei solidificari controlate.
In cazul aliajelor Cu-Al-Ni topirea se realizeaza de obicei in vid sau gaze inerte cu materii prime pure Cu, Al , Ni 99,99%, pot contine elemente de aliere ca Mn, Ti, pentru imbunatatirea caracteristicilor mecanice se pot introduce elemente modificatoare Co, Fe, Ti, V sau Zr (0,5%). Aceste aliaje se caracterizeaza prin deformatii pseudo-elastice relativ mici de apoximativ 1%, au stabilitatea termica cea mai mare si sunt potrivite pentru utilizari la temperaturi mai ridicate.
Efectul de memorie a formei se obtine pentru deformatii plastice mai mic de 3%.
2.2. Aliajele din Cu obtinute prin metalurgia pulberilor
Prin metalurgia pulberilor se pot obtine aliaje cu dimensiuni de graunte stabile.
Pulberile se obtin pulverizare in apa, metoda relativ acceptabila din punct de vedere al pretului de cost. Pulberile se preseaza sub forma de tagla care se extrudeaza la apoximativ 1073K. Bara de extrudare se caleste imediat in apa si se obtine un material de dimensiune de graunte de apoximativ 30 mm.
Structura aliajului in stare calita prezinta particule fine alungite de Al2O3 dispersate omogen in barele extrudate.Aceasta micostructura confera materialului caracteristici imbunatatite de rezistenta la oboseala.
Pentru sistemul Cu-Al-Ni, pulberea cu dimensiuni de 20m si prezinta ductilitate crescuta fata de procedeele clasice, ajungand pana la 5-7% in comparatie cu aliajele turnate prin metode clasice care au o ductilitate de 0,6%
Pentru aliajele obtinute prin metalurgia pulberilor, finisarea dimensiunii grauntilor se realizeaza prin inhibarea cresterii datorita filmului stabil de alumina format pe suprafata particulelor de pulbere, in timpul prelucrarii la rece a materialelor.
3.Aliaje cu memoria formei obtinute prin solidificare rapida
Se pot obtine dimensiuni ale grauntilor de 1m-20m.
Datorita structurii fine si a defectelor induse in stare calita, aliajele cu baza Cu sufera transformari in stare solida la temperaturi mai scazute decat temperatura caracteristica ale acestor materiale obtinute prin tehnici conventionale.
Temperatura de transformare creste odata cu scaderea vitezei de racire si creste odata cu temperatura de topire.
Transformarea initiala este incetinita in acesta tehnica si conduce la obtinerea unui histerezis largit.
4.Obtinerea monocristalelor din aliaje cu baza Cu prin metoda Bridgman
Se pot obtine monocristale cu diferite orientari cristalografice si proprietati mecanice superioare, material obtinut prin procedee clasice.
Monocristalele din sistemul Cu-Zn-Al pot atinge o rezistenta la tractiune de 800 MPa.
Instalatia costa dintr-un cuptor vertical cu un gradient tehnic preferential.Sarja se introduce intr-un tub de cuart care coboara prin cuptor si pe masura ce scade temperatura are loc solidificarea cristalului cu o anumita orientare.
Materia prima consta din aliajul obtinut in cuptor cu inductie cu rezistenta electrica, din elemente cu puritate de 99,95%.
Gradientul de temperatura se obtine prin utilizarea autotransformatoare
Tubul de cuart are dimensiuni standardizate cuprinse intre 5mm si 15mm si este acoperit cu ciment refractar introdus intr-o carcasa cilindrica de otel cu orificiu concentric prin care se manevreaza tubul.
Sarja se intoduce in cuptor in zona de temperatura maxima unde se mentine timp de o ora pentru topire.Temperatura coboara cu o viteza de 3,6 cm/h; intervalul de solidificare fiind cuprins intre 780 si 1060C.
Solidificarea se initiaza la varf si cresterea are loc intr-o singura directie apoximativ 7 ore. Orice vibratie perturbeaza orientarea interfetei solid-lichid si modifica orientarea cristalului. Cristalul modificat se introduce intr-un recipient cu apa la temperatura ambianta unde se realizeaza calirea.
Factorii care influenteaza cresterea monocristalelor sunt:
gradientul de temperatura al cuptorului; influentata de tensiunea alicata in cele 3 zone de incalzire
timpul de mentinere in zona de topire
viteza de coborare a monocristalului si implicit viteza de racire a materialului
TRANSFORMARI MARTENSITICE IN AMF
Caracterizarea transformarii martensitice
Transformarea martensitica este o transformare in stare solida fara difuzie care are loc prin deplasarea cooperanta atomilor si deseori care are loc printr-un mecanism de forfecare.
Faza stabila aflata deasupra transformarii martensitice se numeste faza austenitica sau faza initiala sau faza de temperatura inalta.
Faza stabila aflata sub transformarea martensitica se numeste faza martensitica sau faza de joasa temperatura.
Austenita si martensita au fost preluate din tehnologia otelurilor si nu corespund neaparat structurii cristalografice respective.
Faza initiala este de obicei cubica, iar faza martensitica are o simetrie redusa.
Martensita se compune din elemente de volum din faza initiala identice din punct de vedere cristalografic numite” variante”.
Transformarea martensitica poate fi reprezentata schematic prin modelul din figura.
Figura
La scaderea temperaturii sub temperatura critica, printr-un mecanism de forfecare se produce transformarea martensitica- transformare martensitica directa.
Fazele martensitice A si B au aceeasi structura dar orientari diferite. Fenomenul se numeste corespondenta variantelor.
La temperaturi inalte, martensita devine instabila si se desfasoara TMI; daca din punct de vedere cristalografic martensita este reversibila aceasta revine in faza initiala cu orientarea respectiva. Fenomenul constiutie originea efectululi de memorie a formei.
Efectul de memorie a formei se datoreaza trecerii de la austenita in martensita in mod continuu; in material coexistand simultan mai multe faze.
Deplasarea relativa a atomilor se produce cu distante interatomice deci la nivel macroscopic se observa ca transformarea martensitica este insotita de o modificare a formei, rezulta ca transformarea martensitica este strans legata de efectul de memorie a formei si de superelasticitate.
Transformarea martensitica nu permite difuzia la mare distanta, nu provoaca perturbatii in ordinea atomica si nu modifica compozitia chimica. Se realizeaza cu viteze mari( 300m/s) de ordinul vitezei sunetului printr-un mecanism bazat pe deplasari atomice la distante mult mai micidecat in cazul salturilor difuzive. Viteza de propagare a deformatiei depinde de conductibilitatea termica a materialului. Deformatia atinge 8% si poate dezvolta o forta de pana la 60 kg/mm2; fenomenul nu are nici o legatura cu dilatarea. Pentru dimensiuni reduse, transformarea are loc aproape instantaneu.
Datorita vitezei de transformare foarte mari, ca si in cazul maclarii mecanice, formarea cristalelor de martensita este insotita de propagarea unei perturbatii mecanice care genereaza o unda acustica.
Corespondenta retelelor, variante corespondente si deformari ale retelelor
Mecanismul Bain impune o anumita corespondenta intre directiile cristalografice si planurile cristalografice din faza initila si cea martensitica.
[101]i corespunde cu ( 111)m
(112)i corespunde cu (011)m
(1119i corespunde cu (011)m
Modificarile structurale cele mai numeroase la transformarea martensitica apar in aliajele de faza ( aliaje cu baza Cu, Au, Ag).
Fenomenul de stabilizare a austenitei constituie o caracterizare importanta atat pentru transformarea martensitica la racire cat si pentru TMI la incalzire.
Mentinerea izoterma a fazei initiale la temperatura intre Ms si Mf conduce la blocarea transformarii.Transformarea se continua numai dupa o subracire T.
Efectul are drept cauza segregari de atomi straini dizolvati interstitiali pe dislocatiile implicate in transformare.
Blocarea dislocatiilor reduce mobilitatea interfetelor.
Structurile CVC ordonate sunt de obicei de tipul B2 sal DO3.La temperaturi joase structura se modifica prin transformarea martensitica in structura de impachetare stransa denumite” structura de ordine la mare distanta cu un plan bidimensional de stransa impachetare”(planul bazal).
Forfecarea invarianta a retelei si maclarea prin deformare
Transformarea martensitica este o transformare de ordinul intai caracterizata prin germinare si crestere.
Este insotita de modificare de forma(distorsiune Bain).Distorsiunea Bain contravine unor caracteristici generale ale transformarii martensitice si anume faptul ca deformarea este omogena si planul habitus este invariant.
Mecanismul real al transformarii martensitice trebuie as cuprinda pe langa distorsiuni Bain care genereaza noua retea cristalina si o forfecare suplimentara care as asigure planului habitus distorsiunea nula ( o forfecare invarianta in raport cu reteaua).
In functie de natura aliajului in procesul transformari martensitice este necesara alunecarea sau maclarea.
Prin maclare o portiune a cristalului poate sa modifice orientarea in mod definit si simetric fata de restul cristalului.
Planul de simetrie sau axa de rotatie se numeste plan sau axa de macla.
Pot exista macalari de tipul 1(plan de forfecare este in planul de simetrie al fazei initiale); maclari de tipul 2 (directia trebuie as apara intre cele 2 axe intersectate ale fazei initiale) si maclari compuse.
Din punct de vedere cristalografic scopul teoriei transformarii martensitice il constituie determinarea cantitativa a parametrilor implicati: planul habitus si relatiile de orientare intre faza initiala si cea martensitica.
Exista 2 teorii independente: Wechsler’Leberman-Read si Bowles-Mackenzie.
Prima ne spune ca daca se cunosc parametri retelelor austenita si martensita, corespondenta retelelor si forfecarea invarianta putem calcula toti parametri implicati.
Datele teoriei prin alegerea corespunzatoare a forfecarii invariante se utilizeaza cu succes pentru aliajele Cu-Al-Ni.
Transformarea martensitica se desfasoara la nivel macroscopic conform relatiei:
P1= 1P2B , unde
P1 este matricea de modificare a formei
este matricea de rotatie
P2 este matricea de forfecare invarianta
B este reteaua pentru crearea retelei martensitice
Martensita apare de obicei sub forma de plachete subtiri cu un plan invariant ca plan habitus.
Deformarea planului invariant se descompune intr-o componenta de forfecare si una de dilatare echivalenta cu modificarea de volum( V/V ) care apare la transformarea martensitica.
La transformarea termoelastica modificarea de volum este redusa(0,3%) ceea ce inseamna ca deformarea plana invarianta in aceasta transformare este foarte apropiata de o simpla forfecare.
Autoacomodarea martensitelor
La transformarea martensitica se pot forma 24 de plane habitus dintr-un singur cristal de faza initiala (12 variante corespondente notate cu + si – ).
Acomodarea deformarii se realizeaza prin combinarea favorabila a doua sau paru variante de plane habitus numit fenomen de autoacomodare martensitica.
Autoacomodarea joaca un rol important in reducerea deformatiilor produse prin transformarea martensitica.
Termodinamica transformarii martensitice
Temperaturi caracteristici
Pentru o transformare martensitica reversibila temperatura de inceput de transformare este foarte scazuta, materialul nu trebuie sa contina elemente interstitiale ai caror atomi au mobilitate mai mare chiar la temperaturi scazute.
Transformarea martensitica si transformarea martensitica inversa se desfasoara cu un ciclu de transformare martensitica.
Din punct de vedere termodinamic, in absenta actiunii unei forte exterioare se pot defini urmatoarele temperaturi:
Martensita start( Ms) – cand are loc aparitia martensitei
Martensita finish (Mf) – sfarsitul aparitiei martensitei
Austenita start (As) – inceputul transformarii inverse
Austenita finish (Af) – sfarsitul transformari inverse
Aceste temperaturi sunt influentate de compozitia chimica si de caracteristicile termodinamice ale sistemelor de aliaje.
Datorita aparitiei si disparitiei progresive ale fazei martensitice s-au definit puncte conventionale de transformare: Ms10, Af10, Mf 90, As90.
Temperaturile de transformare sunt usor masurabile prin variatia entalpiei de transformare, rezistenta electrica.
Entalpia libera Gibbs
Transformarea martensitica nu implica o modificare de compozitie de unde rezulta ca Ts este subracirea necesara desfasurarii transformarii martensitice
T0 este temperatura de echilibru termodinamic dintre faze
Gim/ Ms = Gm- Gi forta de activare a germinarii M
Gm si Gi sunt entalpii libere Gibbs
La transformarea martensitica inversa (TMI) fenomenul este similar.
T0 = ½ (Ms+As)
Transformari martensitice termoelastice
Transformarile martensitice pot fi termoelastice si netermoelastice.
Transformarile termoelastice au histerezisul termic mic, interfata foarte mobila la racire si incalzire, transformari reversibile din punct de vedere cristalografic iar forta de activare a transformariimartensitice este foarte mica.
Transformarile netermoelastice au forat de activare mare, histerezis termic mare, interfata imobila si transformare ireversibila.
Efectul de memorie a formei si superelasticitatea sunt proprietati caracteristice transformarii martensitice termoelastica.
Echilibrul termodinamic se stabileste intre energia chimica si cea elastica.
Efectul actiunii tensiunilor asupra transformarii martensitice
Transformarea martensitica este o transformare pe baza unui mecanism de forfecare si este insotita de actiunea unei forte. Se poate calcula lucrul mecanic efectuat asupra sistemului de catre forta respectiva.
La transformarea martensitica lucrul mecanic este pozitiv iar la transformarea martensitica ireversibila este negativ.
Gs = m1 + m1nn in care
este tensiunea de forfecare care actioneaza in planul habitus
este tensiunea normala perpendiculara pe planul habitus
m1n = V/V pentru majoritatea transformarilor martensitice
Forfecarea contribuie la desfasurarea transformarii martensitice
O forta perpendiculara poate contribui sau sa se opuna desfasurarii acestei transformari.
Efectul de memorie a formei
Mecanismul efectului de memorie a formei
Efectul de memorie a formei este fenomenul prin care un material cu o anumita forma initiala, deformat permanent la o temperatura sub As isi redobandeste forma originala printr-o transformare care se desfasoara la incalzire la o temperatura situata deasupra temperaturii Af.
Deformatiile materialului pot fi sub forma de intinderi, compresiuni sau indoiri.
Reprezentarea schematica a EMF
Transformarea martensitica cu inducerea tensiunii (TMIT)
La temperatura peste Ms se pot produce transformari martensitice sub actiunea unei tensiuni rezultand astfel transformarea martensitica cu inducerea tensiunii.
Monocristalul de Cu-Al-Ni supus tractiunii la diferite temperaturi de la temperaturi scazute la temperaturi ridicate rezulta doua tipuri de curbe -:
– cu varfuri ascutite (1 cu structura ordonata de tip DO31’ (2H)
– liniare cu histerezis de tensiune foarte redus (11’ (18R))
crt= f(T) conduce la doua linii drepte cu pante diferite.
Cresterea tensiunii critice cu cresterea temperaturii este datorata stabilizarii fazei initiale in domeniul temperaturii inalte de unde rezulta ca pentru transformarea martensitica indusa cu tensiune este necesara o tesiune mai mare.
Superelasticitatea
Este o caracteristica a aliajelor cu memorie a formei care consta in faptul ca, deformarea produsa prin TMITeste anulata de deformarea produsa la TMI atunci cand este indepartata tensiunea respectiva. Pe curba – apare o bucla inchisa.
Se manifesta la MIT sub actiunea unor sarcini; la incetarea actiunii acestor sarcini desfasurandu-se TMI. In general, se manifesta sub actiunea unei tensiuni la TAf(neinsotit de EMF).
Tensiunea aplicata interactioneaza cu deformarea de forma si formeaza o varianta pentru care componenta de forfecare a deformarii de forma este maxima.
Efectul de memorie a formei si supraelasticitatea
Daca tensiunea critica pentru producerea alunecarii este destul de mare, in acelasi material se pot regasi atat efectul de memoria formei cat si supraelasticitate, in functie de temperatura de incercare.
La temperaturi TAf se manifesta SE
La temperaturi TAs se manifesta EMF.
AsTAf se manifesta partial ambele fenomene.
Pentru obtinerea efectului de memorie a formei si a supraelasticitatii sunt necesare:
reversibilitate cristalografica a transformarii martensitice
evitarea alunecarii in timpul deformarii
Efectul de memorie a formei si termoelasticitate
Aliajele termoelastice au memoria formei si sunt supraelastice datorita:
fortei mici de activare a transformarii( histerezis termic redus se evita introducerea dislocatiilor)
prezenta numeroaselor macle mobile care favorizeaza reversibilitatea cristalografica
Aliajele ordonata au efectul de memorie a formei si supraelasticitate din cauza:
structurii ordonate care asigura reversibilitatea cristalografica pentru evitarea distrugerii retelei ordonate, TMI se poate realiza intr-un singur mod
strctura ordonata este caracterizata printr-o tensiune critica de alunecare mai amre decat structura dezordonata care contribuie la evitarea dislocatiilor.
Efectul memoriei formei si supraelasticitatea se pot imbunatati prin durificarea aliajelor termoelastice prin punere in solutie; precipitare sau prelucrare mecanica.
Aliajele termoelastice prezinta TM reversibila la care se pot indeparta eficient deformatiile. In cazul celor cu structura ordonata, faza martensitica revine la cea initiala cu orientarea originala.
Efectul de memorie in dublu sens
Spre deosebire de efectul de memorie a formei in care se presupune doar memorarea fazei initiale, efectul de memorie in dublu sens presupunene si memorarea fazei martensitice.
La aplicarea unei tensiuni mici in domeniul martensitic acesta isi redobandeste complet forma initiala incalzind peste Af .
Daca tensiune aplicata este foarte mare in domeniul martensitic, materialul nu isi mai redobandeste forma initiala nici la o incalzire peste Af.
Intr-un nou ciclu de racire materialul se deformeaza automat.
Daca se repeta incalzirea si racirea materialul isi modifica forma amintindu-si si forma in starea martensitica.
Acest fenomen se numeste efect de memorie in dublu sens si se explica astfel:
prin deformare accentuata se introduc dislocatii in material si se stabilizeaza configuratia martensitei.
aceste dislocatii raman in faza initiala chiar si dupa TMI desfasurata la incalzire.Campul de tensiune creat in jurul lor induce anumite variante de plane habitus la racire.
Comportarea tip cauciuc
Este un fenomen descoperit in 1930 la aliaje de Au-Cd de Olander. Pseudoelasticitatea de maclare este o caracteristica a materialului care se refera la deplasarea reversibila a limitelor de macle in interiorul cristalelor de martensita.
Un aliaj deformat imediat dupa ce sufera o transformare martensitica are o comportare plstica si prezinta efect de memorie a formei.
Un aliaj imbatranit in stare martensitica 14 ore devine pseudoelastic.
Caracterizarea aliajelor cu memoria formei
Caracteristici principale la aliaje cu memoria formei
Capacitatea de amortizare:
– mai mare cu un ordin de marime la martensita din aliaje pe baza de Cu fata de martensita din otel
– gradul de amortizare cuprins intre (25-60)% este neliniar functie de amplitudinea vibratiei si e in fuctie de temperatura si timp
– este mai mare la temperaturi scazute
– TM este insotita de un maxim de amortizare
– se raelizeaza prin miscarile atomilor, deplasarile dislocatiilor interfetelor si de deplasarea limitei de graunte
Rezistenta electrica specifica variaza cu 40% de la M la A
Puterea de reflexie
– la transformarea martensitica culoarea materialului se modifica
– dezvoltarea unei memorii optice, activata prin caldura generata de o radiatie laser
EMF – deformarea aparent plastica in stare martensitica se indeparteaza in timpul incalzirii ulterioare cand materialul isi redobandeste forma initiala rezulta deci ca materialul isi reaminteste doar forma calda.
Tensiunea de redobandire a formei initiale se genereaza cand se impiedica manifestarea EMF
Producerea lucrului mecanic la incalzire –cand redobandirea formei se face in cazul actiunii unei forte care se opune acestui fenomen
EMFDS – modificarea reversibila spontana i dublu sens a formei la incalzire si la racirea materialului
Superelasticitatea – tensionarea formei calde produce deformatii mari la tensiuni scazute; forma se redobandeste in intregime la incetarea actiunii fortei
Tensiunea de redobandire a formei de joasa temperatura apare atunci cand la racire este impiedicata modificarea formei pentru obtinerea formei reci
ii) Modificarea formei de joasa temperatura are loc si sub actiunea unei forte semnificative care se opun. Materialul care prezinta EMFDS poate efectua lucru mecanic la racire.
Proprietatile sunt strans legate de transformarea martensitica termoelastica si reversibila.
Modificarea macroscopica maxima are loc in monocristalul din varianta martensitica orientata preferential.
Orice deformatie suplimentara genereaza deformatii plastice nerecuperabile care conduc la redobandirea incompleta a formei.
Deformarea reversibila in policristale este mai mica decat in monocristale datorita orientarii diferite a grauntilor si a cerintelor de compatibilitate la deformarea cu grauntii vecini.
Modificarile reversibile de forma necesita crt pentru deformarea plastica. Daca tensiunile sunt prea mari apar deformari plastice ireversibile deci rezulta forma incomplet redobandita.
Faza initiala si faza martensitica sunt faze metastabile. O supraincalzire conduce la transformarea in faze intermediare sau faze stabile si pierderea proprietatilor de memorie.
Caracteristici structurale si morfologice ale transformarii martensitice in aliajele neferoase
Martensita este o faza de echilibru care nu necesita raciri rapide, este ireversibila, are loc in conditii izoterme, sacadat adica perioade scurte de activitate si perioade lungi de inactivitate. Racirea lenta si modul de crestere rapid este specific tarnsformarii martensitice in MP.
Transformarea martensitica in aliajele cu baza Cu cu efect de memoria formei
Avantaje practice: conductivitate electrica si termica remarcabila, deformabilitate accentuata si pret de cost relativ scazut.
Temperatura de transformare este influentata puternic de variatii mici ale compozitiei aliajului.
Temperatura de transformare depinde in principal de compozitia chimica dar si de tratamentul termic, viteza de calire, dimensiunea grauntilor(dimensiuni mici pentru Ms mari), numarul de cicluri de transformare dar si de adaosul de Mn care scade temperatura de transformare si imbunatateste ductilitatea.
Favorizarea formarii variantelor martensitice induse in mod repetat se datoreaza dispunerii dislocatii ce formeaza configuratii de energie mica fata de celelalte variante echivalente. Dislocatiile complexe se obtin prin ciclari termomecanice si termice.
Energia elastica inmagazinata in AMF se datoreaza in cea mai mare masura energiei deformarii elastice datorata tensiunii exterioare( energia interfetei este neglijabila).
In orice punct din frontul de transformare se formeaza variante care corespund maximului a trei termeni referitori la defecte, elasticitate, lucru mecanic.
Explicarea efectului de memorie a formei
Transformarea martensitica incepe in grauntele fazei initiale cu orientarea cea mai favorabila corespunzatoare unui lucru mecanic maxim.
Modificarea de forma care insoteste cresterea variantei preferentiala determina cresterea termenului elastic, lucrul mecanic ramane constant, rezulta cresterea altei variante ceea ce duce la un aranjament de autocomodare a variantei martensitice.
Germinarea martensitei termoelastice ete conditionata de un histerezis foarte mic. In practica apar histerezisuri mai mari in special din motive de frictiune in timpul deplasarii interfetelor martensita-faza initiale determinand contributii ireversibile. In absenta acestora intre A si M se stabileste un echilibru termodinamic bifazic; repercursiunile factorului ireversibil cocnstau in introducerea sensului de deplasare a echilibrului bifazic.
Originea EMFDS
Modificarea spontana a formei se datoreaza anizotropiei structurale determinata de dislocatile generate in timpul ciclarii de educare. Energia acestor zone este minima in variantele cu orientare preferentiala induse repetat la educarea prin ciclare. Aceste variante vor fi favorizate si la urmatoarea ciclare termica.
EMFDS a fost atribuita relaxarii tensiunii reziduale; fenomenul care apare la contribuirea martensitei preferentiale. Distributia macrotensiunii este neomogena si poate sa conduca la formarea martensitei preferentiale insotita de modificarea de forma.
EMFDS trebuie sa fie reproductibila; de aceea abilitatea acestuia de a actiona impotriva tensiunii suplimentare o constituie caracteristica suplimentara.
Tratamente termice si termomecanice aplicate aliajelor cu memoria formei
Aceste tratamente au rol deosebit in tehnologia de obtinere a aliajelor cu memoria formei deoarece contribuie la producerea tansformarii in stare solida cu efect direct asupra propretatilor fizico- mecanice si tehnologice ale materialelor.
Tratamentele termice se aplica pentru obtinerea efectului de memorie a formei.
Principalele tratamente sunt:
Tratamentul de punere in solutie
Materialul se incalzeste pana in domeniul de existenta a solutiei solide in zona temperaturilor inalte, se mentine la aceasta temperatura un anumit interval de timp pana cand aliajul este adus in solutie.
Calirea
Pentru inhibarea precipitatiilor, dupa tratamentul de punere in solutie, AMF se supun in general la calire care consta intr-o racire brusca. Chiar in aceste conditii de racire cu viteze mari, transformarea martensitica sau transformarea ordine-dezordine se poate sau nu desfasura in functie de conditiile existente.
Tratamente de imbatranire se efectueaza pentru stabilizarea fazelor aparute in cursul calirii sau al prelucrarii.
Tratamentul de memorare a formei
Metode de realizare:
Educarea materialului
Incalzire sub sarcina(fortata)
Deformare excesiva
Tratament de imbatranire(fortata) sub sarcina(prin tensionare)
Obtinerea EMF intr-un singur sens consta intr-un tratament termic in timp ce este constrans sa ia o anumita forma pe care trebuie sa o memoreze.
Obtinerea EMFDS este tratamentul la care este supus materialul pentru a obtinerea efectului de memorie in dublu sens. In faza initiala de temperatura inalta se introduce o tensiune interna utilizand: educare, incalzire sub sarcina, deformare excesiva si imbatranire fortata.
d1) Educarea consta intr-operatie de repetare a transformarii martensitice directe si inverse sub actiunea unei tensiuni externe(ciclare sub tensiune).
Repetarea se refera la:
Repetarea operatiei de racire sau incalzire intre Mf-Af sau peste Mf-Af sau peste Af
Repetarea operatiei de racire pana la temperatura sub Ms sau Mf urmat de incalzire la temperatura situate peste Af dupa indepartarea tensiunilor externe. De unde rezulta educarea EMF
Repetarea operatiei pentru obtinerea transformarii martensitice sub tensiune la temperaturi situate peste Af, urmata de indepartarea sarcinii de unde rezulta educarea indusa de tensiune.
d2) Incalzirea sub sarcina este o operatie de mentinere a materialului cu o forma impusa, stabilita pentru memorare la o temperatura de existenta a starii initiale pentru un anumit interval de temperatura.
d3) Deformare excesiva prin utilizarea unui grad mare de deformare pentru obtinerea unei deformatii permanente in material.
d4)Tratamentul de imbatranire fortata folosit pentru producerea de precipitate fine in faza initiala prin aplicarea unui tratament de imbatranire asupra materialului deformat sub actiunea unei forte impuse pentru inducerea EMFDS
Tratamente termice si tratamente termomecanice pentru aliajele cu baza Cu
Aceste tratamente urmaresc doua obiective si nume memorarea unei formei si transformarea structurii aliajului in faza , la limita inferioara pentru a se evita cresterea grauntilor. Dupa mentinerea de scurta durata pe palier, aliajele se calesc in apa pentru accelerarea vitezei de racire folosindu-se bai de KOH. Vitezele mari de calire evita precipitarea fazei .
Ciclarea termica
Ciclarea termica prin care se realizeaza o transformare directa si una inversa poate produce un nummar mare de disclocatii in faza initiala AMF.
Microstructura unui aliaj Cu-Al-Ni obtinut prin microscopie optica prin transmisie arata ca densitatea dislocatiilor creste odata cu cresterea de cicluri termice. Aliajul a fost supus unei ciclari termice care repeta transformarea D03 (sau L21) implica 2H(2O). Ms si Af scad mult odata cu cresterea numarului de ciclari termice. Modificarea in paralel a temperaturii se considera ca fiind datorata temperaturii de echilibru T0 dintre faza initiala si faza martensitica.
Densitatea de dislocatii acumulate prin ciclare termica depinde de modul de transformare. Cantitatea de dislocatii este mai mica in cazul repetarii transformarii D03 (L21) -> 2H(20) decat in cazul D03(L21)-> 18R(6M), tensiunea datorata modificarii de volum nu constituie cauza principala de producere a dislocatiilor. Martensita formata poate reveni la faza initiala sau poate sa se stabilizeze prin tensiuni locale. Dupa un numar mare de ciclari termice intervalele temperaturilor de transformare Ms-Mf si Af-As cresc in general datorita compusilor de tensiune produse prin cantitati mari de dislocatii.
Finisarea grauntilor
Datorita cresterii rapide a grauntilor, aliajele cu memoria formei pe baza de cupru tratate termic au in general marimi de graunte de ordinul milimetric. Sunt fragile si predispuse la distrugeri intergranaulare primature. Au fiabilitate scazuta la ciclarile termomecanice datorita unei degradari rapide a performantei de memorie.
Testarea AMF
Marimi care se modifica in functie de gradul de transformare:
Entalpia de transformare
Rezistivitatea electrica
Puterea termoeleastica
Microstructura materialului
Emisia acustica.
1. Determinarea temperaturii de transformare martensitica prin metoda DSC
2. Caracteristici de recuperare a formei.
– incercarea caracteristicilor mecanice ale sarmelor prin incercari la tractiuni.
3. Transformarea martensitica la racire are loc cu cresterea temperaturii corespunzatoare entalpiei si transformarea martensitica are loc la incalzirea cu scaderea temperaturii corespunzatoare entalpiei de transformare.
4. Determinarea tensiunii de redobandire a formei
5. Determinarea rezistivitatii electrice
Comportarea mecanica a aliajelor cu memoria formei sub influenta unor factori externi.
Generarea tensiunii de revenire in stare tensionata
Daca la incalzirea unui AMF se impiedica redobandirea formei de temperatura inalta in material apar tensiuni de revenire, la o temperatura Td inferioara punctului Mf materialul este supus deformarii sub actiunea unei sarcini. Redobandirea formei este impiedicata prin introducerea unui obstacol extern, o deformatie epsilon C. Incalzirea materialului pana la Tc produce o revenire lilbera.
Recupererare deformatiei epsilon C ramase este impiedicata de obstacolul mecanic extern. Tensiunile de revenire la Tc sunt generate cuo viteza constanta de sigma R / dT. Fenomenul este aplicat la dispozitivele de cuplare a tevilor. Pentru o deformatie suficient de redusa materialul isi poate retransforma forma definandu-se o tensiune de recuperare maxima sigma rm. Dispunerea variantelor martensitice, deformatia si viteza de generare a tensiunilor depinde puternic de istoricul termomecanic al AMF. Deformatia scade cu cresterea fractiei de transformare. Viteza scade cu cresterea temperaturii de contact si cu cresterea tensiunilor de revenire.
Modelul termodinamic al generarii si disparitiei tensiunilor de revenire a formei la incalzire (A-B) respeciv la racire (C-D) in stare tensionata corespund cu datele experimentale obtinute.
Tensiunile de revenire la incalzire corespund echilibrului termodinamic β1->β in domeniul [TA, TB].
Tensiunile de revenire la racire corespund echilibrului termodinamic β->β1 in domeniul [TC, TD]. Apare un histeresis (TB,TC) si (TA, TD) unde σr ramane constanta.
Figura
In cazul materialelor educate se pot obtine tensiuni de revenire si la racire, cand forta externa impiedica materialul sa revina la forma de temperatura joasa.
Se numesc tensiuni de redobandire a formei reci si au sens opus celor anterior prezentate.
Capacitatea de amortizare a AMF.
Comportarea se studiaza in intervalul transformarii martensitice si in stare martensitice. In faza β nu prezinta in general caracteristica de amortizare ci fenomenul de relaxare.
frecarea interna la transformarea martensitica.
In timpul transformarii martensitice apare un maxim de frictiune interna si un modul de elasticitate minim:
unde:
– este termenul referitor la transformare, la incalzire sau racire, este cel mai important termen ce depinde de viteza (dT/dt), frecventa de rezonanta (f) si amplitudine (Sigma ZERO)
– este termenul mecaninsmului transformarii de faza, depinde de mobilitatea interfetelor martensita-martensita, faza initiala-martensita.
– este termenul sumei frecarii interne la fiecare faza.
Aplicatiile in care apar vibratii continue, la temperatura constanta, o fractie volumimca de 100% Martensica asigura o buna amortizare.
Frecarea interna in faza martensitica.
Migrararea reversibila a interfetelor dintre variantele martensitice determina o comportare neliniara. Prin microscopie optica s-a eveidentiat un ansamblu de dislocatii aflate in retea ordonata in zone interfetelor, cu mobilitate mare in faza martensitica, care determina o mai buna amortizare a vibratiilor. Rezulta ca un model cu o singura varianta de martensita fara interfete nu poate fi capabila de amortizare. Ipoteza nu este nici confirmata nici infirmata de studiile facute. Frecarea interna in martensita este determinata de factori externi (temperatura, timp, frecventa, amplitudinea vibratiilor) cat si de factori interni (tipul materialului dimensiunea grauntilor, defecte structurale, densitataea martensitei la interfata).
La amplitudini mari (>10-4) factorul de pierdere este de 6-8%; la impact creste peste 10%. Pentru amplitudini mici (10-5) factorul de perdere scade la 2-4%
Efectele ciclarii, oboseala si degradarea AMF
Fenomenul de oboseala este foarte important pentru proprietatile functionale ale AMF. Acesta poate interveni prin:
distrugerea materialului prin rupere datorata: ciclarii sub tensiune, ciclarii in prezenta deformarii la temperatura constanta;
modificarea proprietatilor fizice datorata ciclarii termica (temperaturi de transformare, histerezis, EMFOS, etc);
degradarea EMF datorata ciclarii: sub tensiune, in prezenta deformarii sau termice, in sau prin domeniul de transformare.
Fiabilitatea globala depinde de temperatura, tensiune si deformare si este o consecinta directa a acumularii defectelor, modificarilor structurale. Toate modificarile vor determina schimbari ale temperaturilor de transformare, histerezisului, reproductibilitatii efectelor de memorie, numarului de cicluri de transformari pana la rupere. Parametrii externi care influenteaza oboseala se refera la timp, temperatura, tensiune deformatie si numar de cicluri. Parametrii interni; sistem aliaj, compozitie, tip transformare, structura retea de cristalizare. Modificarea acestora duce la cresterea fortelor de frictiune, stabilizarea martensitei, generarea sau anihilarea de defecte, aparitia precipitatelor.
Distrugerea prin rupere.
Oboseala clasica imnplica acumularea unor defecte, formarea de fisuri si propagarea lor pana la rupere.
Curbele Wolher arata o dispersie a rezultatelor datorata putinelor cercetari in acest segment. AMF cu graunti mici sre o rezistenta mai buna la oboseala.
Scaderea rezistentei la oboseala este data de prezenta incluziunilor, segregatiilor la limita de graunte si de calitatea suprafetelor.
Aliajele cu baza Cu au o rezistenta la oboseala sporita fata de aliajele Ni-Ti, de altminteri initierea fisurilor si mecanismul de crestere este diferit pentru acest e doua sisteme de aliaje.
La policristale initierea fisurilor multiple apare la limita de graunte. La monocristale se produce la limita interfazica sau interfetele martensita-martensita. Pentru monocristalele Cu-Al-Ni fisurile au crescut paralel cu placheta de martensita indusa sub tensiune. Pragul de oboseala este mai mic in timpul TM decat in fazele stabile (faza intiala si martensitica)
Influenta ciclarii termice
Ciclarea termica prin domeniul de Tm duce la modificarea temperaturilor de transformare si a histerezisului. Cercetarile de pana acum sunt contradictorii, unui cercetatori determinand cresteri ale Ms altii scaderi ale acestui punct. Se considera ca uneori defectele stabilizeaza fazele sau pot functiona cu centre de germinare.
Diagrama de reprezentare a EMF
Efectele de memorie a formei depind de tratamentele termomecanice, procedeele de
educare, tensiune, deformari cat si de sistemul de aliaj, compozitia chimica, tipul transformarii, structura de retea, defecte structurale.
Stalmens a determinat trei tipuri de deformare:
EMFOS ca fiind diferenta de deformare intre forma calda si forma rece
DMOS ca fiind diferenta intre deformarea intre deformarea martensitica dupa n cicluri si cea inainte de ciclare.
DR deformatia reziduala a fazei B dupa n cicluri se datoareaza deformarii plastice reale a retelei si stabilizarii martensitei. Martensita se restaureaza la o temperatura mai mare decat cea maxima din ciclurile de educare.
A fost evidentiata aparitia martensitei locale alfa indusa de tensiunea la ciclare; distruge morfologia martensitei si degradeaza deformarea. Acumularea defectelor la ciclare este una din cauzele cresterii derformatiei reziduale; se distrug germenii initiale determinand cresterea variantelor martensitice corespunzatoare in favoarea celor necorespunzatoare.
Viteza de degradare depinde de EMFDS initial.
Comportarea mecanica a aliajelor cu baza Cu
Efectul de memorie a formei si superelasticitate
AMF monocristaline cu baza Cu prezinta o comportare mecanica neobisnuita total diferita de cea a altor sisteme de aliaje chiar si fata de cele policristaline.
Aliajele Cu-Al-Ni policristaline deformate sub actiunea unei forte de tractiune au deformatii reversibile datorate EMF, mici si ruperea la limita de graunte se produce cu usurinta. Deformatia reversibila datorata superelasticitatii este aproape nula; ruperea la limita de graunte se produce inainte de inducerea prin tensiune a martensitei.
Efectul de memorie in sens invers (reversibil)
Un aliaj cu memoria formei deformat sub sarcina la temperatura apropiata de Ms si incalzit peste Af isi redobandeste incomplet forma prin EMF, din cauza deformatiei permanente provocate prin alunecare. Mentinut un anumit timp, deformatia sufera o deplasare pe directia de aplicare a tensiunii fenomen numit efect de memorie a formei in sens invers.
Modificarea de forma inversa este legata de transformarea bainitica de natura duala (difuzie si fara difuzie). Se presupune ca modificarea macroscopica a formei este legata de influenta tensiuniilor exterioare si interioare asupra deformatiilor produse de transformarea de faza.
Ruperea la limita de graunte
Policristalele cu baza Cu sunt in general fragile, predispuse la fisurari intergranulare chiar si la calire.
Dimensiunile mari de graunte contribuie la concentrarea tensiunilor la limita de graunte datorita deformarii elestice si plastice incompatibile a grauntilor.
Aliajele Cu-Al-Ni au o anizotropie accentuata din punct de vedere al elasticitatii si o limita de curgere mare in cazul structurii ordonate de 03. Principala cauza a fisurarii intergranulare este formarea la calire a MIT de-a-lungul limitei de graunte. La deformari deplasaarea acesteia sau acomodarea tensiunii contribuie la formarea fisurii, a carei adancime depinde de diferenta de orientare dintre doi graunti adiacenti.
Se intampla daca mediul de calire are o temperatura mult sub Ms. Pentru mediul de calire cu temperaturi apropiate de Ms, MIT se formeaza uniform.
Ruperea la oboseala
In materialele policristaline alunecarea contribuie la relaxarea tensiunii la limita de graunte. Chiar si la temperaturi peste Af, MIT se stabilizeaza prin campul de tensiuni al dislocatiilor, la indepartarea sarcinilor ramanand deformatii reziduale. Urmatoare formare de MIT este asistata de campul de tensiune al dislocatiilor si astfel se reduce tensiunea critica de formare a acestora.
Rezistenta la deformare in acest caz depinde de modul de deformare:
deformare elastica in stare initiala;
deformare datorata MIT;
deformare datorata reamenajarii martensitei de tip 2H
Oricare ar fi modul de deformare rezistenta la oboseala este mai mica in stare policristalina decat in stare monocristalina. Pentru un aliaj cu memoria a formei Cu-Al-Ni, rezistenta la oboseala scade in ordinea a, c, b deoarece cel mai nefast efect il are deformarea determinata de deplasarea interfetelor AIM.
Rezistenta mecanica la rupere si oboseala
Imbunatatirea caracteristicilor termice si mecanice in aliajele cu memoria formei cu baza Cu sa facut prin tratamente de preimbatranire sau calire in trepte. In acest caz excesul de vacante este indepartat partial prin recoacere.
Rafinarea grauntilor imbunatateste caracteristicile acestor materiale.
Adaosul cu elemente modificatoare Ti, Zr, V, Pb, B etc intervin in rafinarea grauntilor prin doua efecte:
– Ti scade viteza de difuzie a atomilor constituienti si determinand doua tipuri de precipitate Xl si Xs cu structura L21: (Cu,Ni)2; TiAl si micsorand grauntii de turnare
– Efectul de prindere si fixare a particulelor Xs care suprima cresterea grauntilor cu faza Beta, producand o rafinare finala
Tratamente termecanice, solidifcare rapida, pulverizare catodica si metalurgia pulberii lor.
S-au obtinut AMF din Sistemul Cu-Al-Ni cu dimensiuni de 5μm prin TTM care a condus la tensiuni de rupere de 1200Mpa si o deformatie de rupere de 10%. Aliajele obtinute au stabilitate termica foarte buna dar ductibilitate scazuta. Aceasta scade semnificativ cu cresteri mici ale continutului de Al. S-a trecut la inlocuirea unei parti din Al cu Mn si s-a constatat o imbunatatire a ductilitatii, fara afectarea temperaturilor de transformare. S-a constatat ca AMF din sistemul Cu-Al-Ni-Ti-Mn cu compozitie eutectoida prezinta cea mai buna rezistenta termica. In acest material nu are loc nici o precipitare in cursul imbratranirii la 623K timp de 5 ore.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Protectia Mediului. Perspective Globale Privind Deseurile Provenite din Echipamente Electrice Si Elec (ID: 161557)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.