Studii Si Cercetari Asupra Aliajelor de Titan

CUPRINS

1. Titanul ……. 1

1.1. Proprietățile fizice și chimice ale titanului și

compușilor săi ….… 1

1.2. Răspândirea în natură. Minerale. Materii prime ….… 5

1.3. Compușii titanului ….… .8

1.4. Domenii de utilizare ale titanului și compusilor săi ….… 11

2. Metalurgia extractivă a titanului ….… 17

2.1. Producerea titanului si a compusilor cu utilizare

industriala ….. ..17

2.2. Producerea hidrometalurgică a bioxidului de titan din concentrate de ilmenit (procedeul Leverkusen) ….… 19

2.2.1. Dezagregarea concentratelor de ilmenit ….… 19

2.2.2. Hidroliza titanului din solutiile purificate ….… 20

2.2.3. Calcinarea produselor de hidroliză ….… 21

2.2.4. Reducerea bioxidului de titan cu calciu ….… 22

2.2.5. Reducerea bioxidului de titan cu hidrură

de calciu ….… 23

3. Obținerea titanului compact și a aliajelor pe baza

de titan ….… 24

3.1. Cuptor cu arc și electrod consumabil ….… 24

3.2. Cuptor cu arc și electrod neconsumabil ….… 26

3.3. Cuptor cu flux de electroni ….… 28

4. Prelucrarea titanului și a aliajelor sale ….… 30

4.1. Deformarea la cald ….… 30

4.2. Prelucrarea la cald ….… 30

4.3. Sudarea și lipirea ….… 31

4.4. Prelucrarea deșeurilor de titan ….… 31

5. Elemente de proiectare tehnologica ….… 32

5.1. Schema tehnologică de elaborare a aliajelor

pe baza de titan ….… 32

6. Calculul de șarjă ….… 46

6.1. Calculul aliajului TiAl6V4 ….… 46

6.2. Calculul tehnologic de șarjă ….… 52

6.3. Alegerea și calculul cuptorului de elaborare ….… 56

7. Cercetări asupra comportării la coroziune a aliajelor

de titan Ti gr.2 și Ti gr.12 ….… 58

7.1. Metodica testelor de coroziune ….… 58

7.2. Caracteristici structurale și determinãri mecanice.

Rezultate experimentale și interpretarea lor ……..60

8.Concluzii ….… 69

9. Evoluția prețului titanului ….… 70

Bibliografie

=== PROIECT ===

1. Titanul

1.1. Proprietățile fizice și chimice ale titanului și compușilor săi

Titanul are numărul atomic 22, masa atomică 47,9 fiind primul element din grupa IV-a a sistemului periodic al elementelor. Numele său provine de la cuvântul grecesc Titanos (titani).

Titanul a fost descoperit de către chimistul englez William Gregor în anul 1791.

Titanul face parte din grupa metalelor active, caracterizate printr-o afinitate mare față de gaze (oxigen, azot).

Formează combinații în stările de valență4, 3 și 2, (primele fiind cele mai stabile)

Titanul este un metal cristalizat în rețea hexagonală compactă. Are asemănări cu fierul sau cu nichelul. Este dur și casant. În stare foarte pură este maleabil. Conduce bine căldura și electricitatea. Este mai ușor decât alte metale cu proprietăți mecanice și termice similare.

Titanul are o rezistentă excelentă la coroziune. Este stabil în clor gazos umed, în schimb în clor gazos uscat se aprinde și arde cu dezvoltare de caldură.

În mod deosebit de favorabil se comportă față de soluțiile de tipul: clorură de zinc, clorură de staniu, clorură de cupru și fier. Soluțiile de clorit de sodiu, hipoclorit de sodiu și calciu folosite în industria textila și a celofibrei, nu atacă titanul. Titanul nu este atacat de acizii oxidanți de tipul acid azotic rece concentrat până la 98%, acid azotic cald de 60%, acid cromic și apa regală rece. În acid azotic fumans se produce coroziune intergranulară electrochimică, care poate fi împiedicată

printr-un adaos de 1% bromură de sodiu. Reactia dintre titan și acidul azotic fumans în prezenta manganului are loc cu explozie.

Titanul este stabil numai in soluții diluate de acid clorhidric și sulfuric. Prin adăugare de inhibitori (sulfat de cupru, acid cromic, acid azotic) se poate ameliora rezistenta la coroziune în acești acizi precum și în acidul fosforic.

Pulberea de Ti arde în aer, și este singurul element care arde în azot. La temperatură obișnuită, titanul compact este stabil la aer. Când suprafața metalului este pură, titanul se aprinde în oxigen la 25 °C. Încălzit la 600 grade Celsius, titanul reactioneaza cu oxigenul formând dioxid de titan, TiO2.

Clasa de combustie: D , (alături de alte metale inflamabile: magneziu, potasiu, sodiu), in stare de pulbere pura.

La temperatură ridicată, se combină cu carbonul, borul și siliciul. Nitrura, carbura și borura de titan sunt compuși foarte stabili și duri. La temperaturi mai mari de 150 °C reacționează cu fluorul, iar la peste 300 °C reacționează cu clorul. La temperaturi înalte se aliază cu fierul, obținându-se aliajul Fe3Ti.

Apa și acizii diluați atacă titanul, cu excepția acidului fluorhidric. Cu acidul clorhidric diluat, la încălzire, formează TiCl3. Acidul azotic fierbinte transformă titanul în oxid hidratat, greu solubil în acizi și baze.

Pe suprafețele de contact cu mediul de lucru se formează un strat de oxid compact și aderent, fapt care le asigură o viteză de coroziune mică în soluții alcaline, soluții oxidante și în acizi minerali.

Titanul are, mai ales la temperaturi înalte, o mare afinitate pentru oxigen, azot, hidrogen și carbon. De aceea, în general, prelucrarea lui la cald se poate face la o temperatură de cel mult 950°C. În contact cu aerul se oxidează chiar la 250°C, iar viteza de oxidare crește foarte repede odata cu temperatura. La temperaturi de peste 480°C, absoarbe oxigen și azot. Solubilitatea oxigenului și hidrogenului în titan este de 30%, a azotului de 15%, iar a carbonului de 0,2%.

Duritatea Brinell a titanului impur este considerată ca etalon de masură a continutului de oxigen și azot, care fac titanul să devină mai casant și dur.

Tabelul 1.1. Proprietatile fizice ale titanului.

1.2. Răspândirea în natură. Minerale. Materii prime.

Titanul se găsește in scoarta terestra în proporție de 0,63%, ocupand locul al 9-lea dupa oxigen, siliciu, aluminiu, fier, calciu, sodiu, potasiu si magneziu. Se găsește în natură, în special sub formă de bioxid de titan (TiO2), în minereuri de rutil, ilmenit, perowskit, sfen, în amestecuri de pământuri rare, in toate rocile dentritice si sedimentare, argile, bauxite, carbuni, petrol, in multe plante, in sangele si oasele organismelor vii. Apa contine cantitati sensibile de titan. In namolul de pe fundul marilor, in cenusile vulcanice, meteoriti si diferite corpuri ceresti se poate detecta prezenta titanului.

Titanul este foarte raspandit în scoarta terestră, formează numeroase zăcăminte care sunt usor accesibile și se pot exploata. Minerale mai importante sunt ilmenitul și rutilul (tabelul 2.).

Zăcăminte de minereuri titanifere se găsesc în Australia, S.U.A., Canada, Norvegia, Finlanda, Franța, India, Rusia, Japonia, Africa de Sud și Brazilia. Rusia și Japonia sunt exportatoare de titan. În România se găsește ilmenit asociat cu magnetit, la Borlești, Ditrău, Valea Drăganului, etc.

Ilmenitul este un mineral brun sau brun-negru cu luciu metalic, care este un metatitanat de fier(ΙΙ) (FeO.TiO2). Compoziția lui variază, însă foarte mult după conținutul de hematit și magnetit, de obicei, ilmenitul conține circa 52,65% TiO2 și 47,4% FeO. Cele mai importante surse de ilmenit sunt minereurile de fier titano-magnetitice. El se mai găsește în filoane de cuarț sau în nisipuri de râu, roci metamorfice și magmatice. Alți titanați sunt: pseudobrookitul (2Fe2O3.3TiO2), pirofanitul (MnO.TiO2) și perowskitul (CaO.TiO2).

Cristalizează în sistem romboedric.

Oxidul de titan se gasește, în afară de rutil, și în alte doua varietăți: anatasul sau octaedritul și brookitul.

Obținerea ilmenitului și a magnetitului din gangă conținând siliciu a minereului concasat și măcinat se face prin procedeul flotației, fie prin procedeul gravimetric sau magnetic.

Nisipul de mare conținând rutil și ilmenit se concentrează prin flotație sau prin procedeul electrostatic. Din minereul îmbogățit, ilmenitul se poate separa de rutilul nemagnetic printr-un procedeu magnetic.

Zăcăminte mari de ilmenit cu 14% TiO2 se găsesc în munții Ilmen din Urali, de unde și-a luat și numele. Alte zăcăminte mai importante de ilmenit sunt în SUA, Canada, Rodezia și Mozambic.

Titanomagnetitele sunt amestecuri mecanice de ilmenit cu minerale de fier, cum sunt: magnetita(Fe3O4) și parțial hematita(Fe2O3).

Separarea acestor minerale poate fi realizată printr-o măcinare fină și concentrare magnetică bazată pe diferența dintre permeabilitațile magnetice, care sunt pentru magnetit (Fe2O3) = 0,423 PFe, ilmenit (FeTiO3) = 0,247 PFe, rutil (TiO2) = 0,4PFe, silicati<0,2PFe.

La concentrarea magnetică în câmpuri magnetice slabe se obțin concentrate de magnetit, apoi în cele puternice concentrate de ilmenit și cozile, care sunt fracția nemagnetică.

Rutilul este un mineral din grupa oxizilor, de culoare roșie-brună cu variante până la negru, care cristalizează în sistemul tetragonal, având duritatea de 6 – 6,5 pe scara Mohs, prezintă luciu metallic și are densitatea 4,18-4,28 Kg/dm3.

El putând fi întâlnit și în masa rocilor metamorfice, rocilor

magmatice sau sedimentare.

Rutilul este singurul dintre oxizii de titan care este stabil la temperaturi înalte.

Mineralul are un conținut de cca. 60 % metal, fiind, după ilmenit (FeTiO3) cel mai impotant mineral ca sursă de titan.

Rutilul, anatazul și bruchitul sunt modificații alotropice ale bioxidului de titan, care conțin în calitate de impuritați fier. Dintre cele trei minerale importanța industrială o are doar rutilul.

Titanitul numit și sfen, este un mineral din clasa neosilicaților, un silicat de calciu și titan cu formula chimică CaTiSiO5.

Titanitul se găsește în roci metamorfice cum ar fi gnaisul sau șisturile, dar și în calcare granulare și în granit.

Perowskitul este un titanat de calciu și conține 58,7% TiO2 si 41,3% CaO. În zăcăminte include impuritați ca niobiul, itriul, manganul și magneziul. Este de culoare rosu-brun, rosu sau verde, cu densitatea 3,95-4,04 Kg/dm3.

Tabelul 1.2.Compoziția concentratelor miniere de titan.

Pe lângă zăcămintele primare, mai există și zăcăminte aluvionare de nisipuri titanifere. Cele mai mari se găsesc în india, pe o lungime de 130 km de-a lungul coastei Oceanului Indian. Zăcăminte se mai găsesc în Australia, în Malaezia și Noua Zeelandă.

1.3. Compușii titanului

Titanul formează o serie de compuși în stările de oxidare II,III și IV, cele mai stabile și mai importante sunt cele în starea de oxidare IV, care în general sunt compuși covalenți. Caracteristic pentru compușii din această stare de oxidare este tendința de a hidroliza formând specii cu legături Ti-O.

Compușii în stări de oxidare inferioare se oxidează usor în aer, apă sau alți oxidanți. În special compușii Ti(II) sunt putini la număr și nu pot exista în soluție apoasă.

Titanul formează oxizii TiO2, Ti2O3. Bioxidul de titan sau albul de titan, care se găsește în rutil, anataz și bruchit, reprezentând trei modificații ale bioxidului.

Oxidul Ti2O3 este de culoare violet închis, se obține prin reducerea bioxidului cu hidrogen conform reacției:

2TiO2 + H2 = Ti2O3 + H2O

Monoxidul de titan, TiO este de culoare roșcata ca și cuprul, cu luciu metalic, se obține prin calcinare în vid a amestecului format din pulberea de titan după reacția:

TiO2 + Ti = 2TiO

Este un oxid deosebit de stabil care se reduce foarte greu la metal. Temperaturile de topire, densitatea și căldurile de formare ale oxizilor de titan sunt prezentate în tabelul 1.3.

Tabelul 1.3. Temperatura de topire, densitatea si caldura de formare a oxizilor de titan.

Oxizii inferiori ai titanului au caracter bazic, iar bioxidul de titan formează săruri în care titanul este prezent sub forma cationului Ti4+ sau formează cationul bivalent (TiO)2+ numit titanil.

La topirea bioxidului de titan cu alcalii se formează săruri ale acidului titanic –titnații. Se cunosc orto și metatitanatul de sodiu Na2TiO3, Na4TiO4 și deasemenea polititanații în care raportul TiO2:Na2O>1, de exemplu: Na2Ti2O5, Na2Ti3O7, Na4Ti3O8, etc.

La dizolvarea bioxidului de titan sau a acidului titanic în acid sulfuric, în funcție de concentrația acestuia, se formează sulfatul normal Ti(SO4)2 sau sulfatul de titanil (TiO)SO4 care cristalizează sub forma de dihidrat (TiO)SO4·2H2O. Sulfații sunt stabili numai în soluții puternic acide. Prin diluarea sau neutralizarea soluțiilor acide și fierbere are loc hidroliza cu formarea sulfaților bazici insolubili sau a acidului metatitanic H2TiO3, care începe chiar la pH de 1,5. Temperaturile de topire și fierbere pentru sărurile titanului cu halogenii sunt prezentate în tabelul 1.4.

Tabelul 1.4. Temperaturile de topire și fierbere pentru sărurile titanului cu halogenii.

Tetraclorura de titan se obține la acțiunea clorului asupra bioxidului de titan în prezența carbonului. Este un lichid incolor. În apa sau aer umed tetraclorura hidrolizează cu formarea acidului metatitanic alb conform reacției:

TiCl4 + 3H2O = H2TiO3 + 4HCl

În aer umed fumega puternic. Tensiunea de vapori a TiCl4 la diferite temperaturi se prezintă în tabelul 1.5.

Tabelul 1.5. Tensiunea de vapori funcție de temperatură pentru TiCl4.

Tensiunea de vapori a TiCl4 poate fi calculata cu relația:

log P = 7,64433 – (1947,6)/T

Caldura de formare a TiCl4 este egala cu 690 kj/mol, iar căldura latentă de vaporizare este de 37,8 kj/mol. În funcție de temperatură și presiune între cele trei cloruri se stabilesc urmatoarele echilibre:

2TiCl3 ↔ TiCl2 + TiCl4 (reacția de disproporționare) (1)

2TiCl2 ↔ Ti + TiCl4 (2)

În timp ce la 425°C în vid TiCl3 sublimș nedescompusă, la 450°C începe descompunerea dupa reacția (1), iar la 475°C, în vid are loc descompunerea după reacția (2).

Ca și în cazul clorurilor între bromurile titanului au loc reacțiile:

2TiBr3 ↔ TiBr2 + TiBr4

2TiBr2 ↔ Ti + TiBr4

În cazul iodurilor au loc aceleași reacții reversibile:

2TiI3 ↔ TiI2 + TiI4

2TiI2 ↔ Ti + TiI4

Borurile și iodurile titanului disociază la 1100…1200oC cu formarea metalului. Această proprietate este utilizată în cateva procedee industriale de obținere a metalului foarte pur.

1.4. Domenii de utilizare ale titanului și compusilor săi

Titanul se prelucrează ușor sub diferite forme: precum foi de metal, fire de metal, pudră sau tije metalice.

Din cauza prețului său mare, titanul se utilizează numai în scopuri speciale. Tendința de scădere a prețului, favorizeaza producerea de semifabricate, de piese forjate în matrița și de metale placate cu titan pentru tehnica nucleară, industria chimică, industria petrolului și aeronautică.

Peste 90% din producția de titan se consumă în scopuri speciale, în construcțra avioanelor, pentru îmbrăcarea motoarelor și a parților aripilor și fuselajului expuse la temperatuia înalta, precum și la agregatele motoarelor.

Titanul mai găsește întrebuințări și la construcția iahturilor și părților de vapor expuse la coroziunea apei de mare. Deasemenea se mai folosește la construcția dispozitivelor de recul ale tunurilor și proiectilelor teleghidate, piesele interioare ale capsulelor cosmice cu pilot sunt confecționate din titan.

Datorita rezistenței bune la temperaturi joase, utilizarea titanului se extinde și în domeniul tehnicii rachetelor, deoarece rezistența sa mecanica crește cand temperatura scade. La –180oC ea este de două ori mai mare decât la temperatura normală.

Aliajul Ti5A12,5Sn rezista un timp scurt la sarcini mari și de aceea este recomandat ca material pentru rachete. Pentru fuselajul avioanelor și pentru ajutaje de motoare cu reacție se folosește aliajul Ti6A14V.

In industria textilă și a hârtiei, titanul se folosește în instalațiile pentru albit pe baza de clor. Se mai utilizează la confecționarea utilajelor din fabricile de clor și în electroliza sarurilor de clor (electrozi placați cu titan), dacă vin în contact cu clor umed. Spre deosebire de oțeluri, el este atacat de clorul uscat, formand tetraclorură de titan.

Datorita biocompatibilitatii sale remarcabile, aliajele de titan sunt folosite intens in medicina (stomatologie).

Titanul constituie un material excelent în instalatiile de tratare a apei, apoi în baile reci și calde de cromaj și nichelaj, precum și în instalațiile de eloxare. Deoarece nu modifică gustul și culoarea produselor alimentare, este indicat la fabricarea cazanelor, rezervoarelor și sitelor de tip filtru pentru fabricarea sucurilor de fructe și a produselor acide.

Un adaus de 0,1% paladiu dă titanului o stabilitate bună chiar în condiții reducătoare, în special se mărește rezistența sa la coroziune față de acidul sulfuric diluat.

Aliajele de ferotitan sunt dezoxidante și denitrante, excelente pentru topitura de oțel. Titanul favorizează coagularea sulfurilor și împiedica licuația și formarea de goluri, înlesnește eliminarea fosfomlui si îmbunătățește proprietățile mecanice, în special rezistența la tractiune și la oboseala, precum și proprietățile de alunecare ale oțelului. In materialul tratat rămân mici cantitați de titan.

Datorita temperaturii înalte de topire și densității lor reduse, se întrebuințeaza numai aliaje de ferotitan cu 20 – 45,5% Ti, deși se pot elabora și aliaje cu 70 – 80% Ti. Adăugarea ferotitanului în oțeluri se face cu circa 5 – 10 minute înainte de evacuarea aliajului, în baie deschisă, în jgeabul sau oala de turnare. Din cauza densitații mici de 6 kg/dm3, se recomandă ca ferotitanul să se introducă în oțelul lichid cu ajutorul unor dispozitive speciale.

Fabricarea pieselor turnate din oțel cu titan prezintă în general dificultați, deoarece conținutul mare de titan al ferotitanului folosit, de regulă (20 – 45% Ti, 5 – 20% Al) face ca suprafața piesei turnate să fie de calitate foarte proastă și sa arda mult titan. Daca se folosește un ferotitan cu conținut mare de crabon se obțin piese turnate cu structură mai fină și cu suprafață densa. Titanul ca metal de aliere leagă carbonul, marește capacitatea de sudare a oțelului și reduce coroziunea intercristalină. In acest scop, ferotitanul se folosește la elaborarea oțelurilor speciale inoxidabile și rezistente la roșu. Conținutul de titan al oțelului este în majoritatea cazurilor 0,8% iar în aliajele rezistente la temperaturi înalte, conținutul de titan ajunge la 5% sau chiar mai mult. Adausul de ferotitan în acest caz se face în baia metalică, bine dezoxidată.

Aliajele titanului cu metalele neferoase se folosesc din ce în ce mai mult în construcția avioanelor, turbinelor cu gaz, din cauza rezistenței la incandescență. Un compresor de avion din aliaj de titan realizează o economie de greutate de 200 kg față de un compresor din otel de același tip. Alte domenii de întrebuințare se deschid pentru aliajele folsite la fabricarea magneților permanenți.

Bioxidul de titan se folosește în industria coloranților, sub forma de alb de titan, în industria electrozilor, ca adaus la pastele de invelire și în tehnica curenților slabi. Valoarea deosebită a bioxidului de titan ca pigment alb constă în puterea sa de acoperire și de colorare mai mare decât a oricărui alt pigment alb (litopon de zinc, oxid de zinc, sulfură de zinc). El se distinge printr-un indice de refracție bun, densitate mică, fiind netoxic chiar în doză mare. Bioxidul se folosește singur sau în amestec cu alți coloranți albi, la fabricarea obiectelor de cauciuc albe sau colorate, ca substanță de acoperie și colorant în industria materialelor plastice, la fabricarea cernelurilor de tipar, în cosmetică, în ceramică, etc.

Pentru a se impiedica împroșcarea cu metal și a stabiliza arcul format, electrozii de sudură se îmbraca în bioxid de titan preparat cu rutil, ilmenit natural sau un amestec de rutil și bioxid de titan.

Materialele ceramice pe bază de rutil cuprind mase ceramice speciale cu pierderi dielectrice mici și constantă dielectrică mare. Materia prima folosită pentru fabricarea acestor materiale, care conțin până la 94% bioxid de titan, sunt concentratele de rutil și de ilmenit, preparate chimic, având un conținut de 98,5- 99% bioxid de titan.

Titanatul de bariu (BaTiO2) este folosit în tehnica vidului și împreună cu alți titanați la fabricarea condensatoarelor.

El este cel mai important material ceramic piezolelectric, limitat la un domeniu de temperaturi relativ joase, deoarece are punctul Curie la 121°C.

Pentru temperaturi mai înalte se întrebuințeaza un amestec de titanat de plumb (45%) și zirconat de plumb (55%) cu punctul Curie de 400°C.

Materialele piezoelectrice se folosesc la accelerometre, microfoane, echipamnet de semnalizare submarină și pentru sfărâmarea și purificarea cu ultrasunete.

Cristalele de titanat de bariu sau de bariu și strontiu, cu un mic adaus de exemplu 0,003% lantan sau mici cantități de pământuri rare, bismut și toriu, se folosesc la elementele de rezistență, sensibile la căldură (termistori).

Aceste cristale au un coeficient de temperatură pozitiv de 14,4% pentru fiecare grad. Apoi rezistența crește cu temperatura de la 500 Ω.cm la 71°C, la 1.000.000 Ω.cm al 149°C. Termistorii se folosesc la dispozitive de reglare a temperaturii.

Carbura de titan este importantă la fabricarea sculelor așchietoare din aliaje dure, iar borura de titan pentru construcția turbinelor, turboreactoarelor și rachetelor.

Tehnica aliajelor dure a evoluat de la carburile de wolfram înglobate într-o masă de cobalt, trecând prin carburile de tantal și de titan, la azoturi, boruri și siliciuri ale metalelor greu fuzibile din grupele 4 și 6 ale sistemului periodic.

Dintre acești compuși carbura de titan este cea mai dură, are densitate redusă, rezistență relativ bună la oxidare și variații de temperatură. Aliajele dure de carbură de țitan sunt de două tipuri; aliaje dure de carbură de titan – nichel – crom și aliaje dure de carbură de titan – niobiu – nichel (cobalt).

Carburile duble de wolfram și titan au rezistență excelentă la coroziune. Carburile de wolfram cu 10% carbură de titan și 6 – 12% cobalt ca liant se folosesc pentru scule așchietoare pentru materiale tenace, iar cele cu circa 20% carbură de titan și 7% carbură de cobalt, prezintă rezistență maximă la uzură.

Pentru aliajele dure rezistente la arsură, pe bază de carbură de titan, se folosesc adesea adaosuri de carbură de crom, de wolftam și tantal.

Cerneturile pe bază de carbură de titan (materiale obținute din amestec de ceramică și metal) se pot folosi la temperaturi de 800-1100°C, la construcția paletelor de turboreactoare, injectoare de ardere, piese din componeța reactoarelor de rachete.

Cernetele se mai folosesc pentru sculele supuse la temperaturi înalte, la solicitări la uzură, pentru matrițe și poansoane de extrudare, scule presate și ștanțate la cald, matrițe de forjare pentru pulberi metalice.etc.

Combinația oxidului de titan cu oxidul de hafniu (xTiO2yHfO2) are o temperatura de topire foarte înaltă de 2200°C și o dilatație termică redusă. Temperatura maximă de utilizare este de 1760…..1870°C.

Borura de titan are temperatura de topire de 2790°C. Cu lianți metalici se pretează pentru intrebuințări la temperaturi înalte, din cauza rezistenței bune la oxidare și a rezistenței mecanice mari.

Datorită durității sale, ea este folosită ca înlocuitor al prafului de diamant, pentru scule așchietoare și de sfărâmare.

Hidrura de titan este folosită în metalurgia pulberilor, și ca material de lipire între metale și ceramice.

Piesa compusă din metal și substanța ceramică se încalzește în vid sau în atmosferă inertă, astfel că hidrura de titan se descompune, iar oxizii de pe suprafață se reduc. Titanul aderă la suprafața metalului și formează o acoperire metalică, care se aliază cu metalul care urmează a se lipi.

Hidrogenul pus în libertate prin descompunerea hidrurii este aspirat de o pompă de vid. 0 altă lipitură bună între un metal și un material ceramic se poate realiza prin folosirea unui aliaj de titan cu lipitură de argint sau argint-cupru. Hidrura de titan se mai întrebuințează și ca "getter" în vid înaintat.

2. Metalurgia extractivă a titanului

În fluxul tehnologic de obținere a titanului sunt necesare o succesiune de operații piro și hidrometalurgice, un rol important având operațiile de concentrare a minereurilor.

Prin concentrarea minereurilor titano-magnetice cu 8-20% TiO2, 30-40% FeO și Fe2O3 după metode gravimetrice, magnetice și de flotație se ajunge la concentrate ce conțin 37-43% TiO2, 45-55% Fe și Fe2O3.

2.1. Producerea titanului si a compusilor cu utilizare

industriala

Oxigenul, carbonul si azotul, chiar in cantitati mici, influenteaza negativ proprietatile titanului metalic, ceea ce a determinat procedeele de obtinere ale acestuia.

Fig. 2.1. Fluxul tehnologic pentru obtinerea lingourilor din aliaje de titan.

2.2. Producerea hidrometalurgică a bioxidului de titan din concentrate de ilmenit (procedeul Leverkusen)

Cel mai răspândit procedeu industrial de fabricare a albului de titan din concentrate de ilmenit constă din urmatoarele etape: dezagregarea concentratului cu acid sulfuric; purificarea soluțiilor de fier; precipitarea titanului din soluții prin hidroliză sub formă de sulfat bazic; calcinarea precipitatului cu obținerea bioxidului de titan.

2.2.1. Dezagregarea concentratelor de ilmenit

La baza dezagregării concentratelor de ilmenit stau reacțiile:

FeTiO3 + 3H2SO4 = Ti(SO4)2 + FeSO4 + 3H2O

FeTiO3 + 2H2SO4 = (TiO)SO4 + FeSO4 + 2H2O

În funcție de condițiile de realizare a procesului , are loc cu prioritate prima sau cea de a doua reactie.

Toate reacțiile care au loc la dezagregare sunt exoterme.

În practica industrială dezagregarea concentratelor de ilmenit se realizează prin una din urmatoarele procedee: dezagregarea în fază solidă, în fază lichidă sau în fază intermediară.

Procedeul de dezagregare în fază solidă se conduce cu acid sulfuric concentrat. Ca rezultat al reacției se obține produsul solid ce conține (TiO)SO4·2H2O , care se supune apoi leșierii cu apă. Avantajul procedeului constă în dezagregarea rapidă, reacția se desăvârsește în 5-10 minute și gradul de dezagregare este ridicat (95%).

La procedeul în fază lichidă de dezagregare a concentratelor de ilmenit se utilizează acid sulfuric de concentrație 55-65%. În final se obțin soluții care conțin cu prioritate sulfatul normal de titan. Descompunerea durează 12-16 ore, necesitând un consum mare de aburi. Din cauza acestor deficiențe metoda este foarte rar folosită la scară industrială. Avantajul procesului constă în posibilitatea folosirii acidului sulfuric de hidroliză.

Metoda dezagregării în fază intermediară preconizează folosirea acidului sulfuric de concentrație 75-80%, care este mai ieftin decât acidul sulfuric concentrat sau oleumul. Dezagregarea se conduce până la apariția precipitării după care se adaugă apă până la obținerea unei suspensii dense. Procesul dureaza 6-8 ore. Gradul de dezagregare atinge 85-90%.

Filtrarea soluției la scară industrială se realizează pe filtre cilindrice cu vid. Nămolurile reținute pe aceste filtre se spală cu apă. Apele de spălare se recirculă la iesire.

Soluțiile filtrate se introduc la cristalizare în vase plumbuite cu agitator mecanic și serpentine din plumb prin care circulă lichidul de răcire. Precipitatul cristalin se separă din soluții prin centrifugare, se usucă, se ambalează și se trimite la utilizatori.

2.2.2. Hidroliza titanului din solutiile purificate

Procesul de hidroliză constă din interacțiunea sulfatului de titan cu apa cu formarea sulfaților bazici insolubili, sau în cazul limită, a acidului metatitanic.

În prima etapă a hidrolizei are loc formarea sulfatului de titanil, care se poate produce deja la dezagregarea sau lesierea concentratului:

Ti(SO4)3 + H2O = (TiO)SO4 + H2SO4

În continuare hidroliza are loc cu formarea produselor slab solubile cu diferite rapoarte Ti : SO3 sau cu formarea acidului metatitanic:

(TiO)SO4 + 2H2O = H2TiO3 + H2SO4

După încărcarea intregii cantitați de concentrat amestecul se încălzeste timp de 10-15 minute până la temperatura de 120°C cu aburi uscați.

La temperatura de 120°C procesul de dezagregare decurge cu viteză maximă, iar masa de reacție se încălzește pe seama căldurii reacțiilor exoterme până la 200°C. Această etapă durează 5-10 minute. Produsele solide de reacție se decantează în timp de 1,5-2 ore.

Leșierea cu apă se face în același utilaj prin adăugarea apei în mai multe porțiuni și agitare cu aer.

Soluțiile obținute ca rezultat al dezagregării concentratelor de ilmenit cu acid sulfuric conțin sulfat de titanil (TiO)SO4, sulfat normal de titan Ti(SO4)2 și sulfații de fier FeSO4 si Fe2(SO4)3.

Prezența în aceste soluții în special a fierului trivalent este dăunătoare, deoarece sulfatul feric hidrolizează usor din soluții acide la pH>2,5 cu formarea hidroxidului insolubil și al sulfaților bazici.

Purificarea soluțiilor se face prin reducerea fierului trivalent la fier bivalent urmată de cristalizarea sulfatului feros FeSO4·7H2O, prin răcirea soluțiilor la temperaturi sub 0°C (tabelul 2.1.).

Tabelul 2.1. Conținutul de fier în funcție de temperatură.

În procesul de hidroliză distingem urmatoarele etape:

formarea centrilor microscopici de cristalizare;

cresterea centrilor și formarea precipitatului;

variatia compoziției precipitatului pe masura desfășurării hidrolizei din cauza modificării compoziției soluției.

Mărimea particulelor de precipitat este dată de cantitatea centrilor de cristalizare care se formează la început și viteza lor de creștere, ceea ce are o importantă deosebită asupra proprietaților de pigmentare a bioxidului de titan. Din această cauză la producerea pigmenților din bioxid de titan atenția cea mai mare se acorda condițiilor de hidroliză.

2.2.3. Calcinarea produselor de hidroliză

La calcinarea produselor de hidroliză are loc disocierea sulfatului bazic de titan, îndepărtarea SO3 și a H2O cu obținerea TiO2:

10H2TiO3·SO3 → 10TiO2 + 10H2O + SO3

Apa se elimină la 200-300°C, iar SO3 se îndepărtează la 500-800°C. Calcinarea decurge în cuptoare tubulare rotative captușite cu caramidă refractară aluminoasă care să nu contină fier.

Temperatura de calcinare este de 850-950°C. Gazele care părăsesc cuptorul conțin SO2,SO3, vapori de apă și bioxid de titan sub forma unui praf fin. Gazele se spală în scrubere cu apă pulverizată.

Bioxidul de titan care se evacuează din cuptor este trecut prin racitorul cu apă. Oxidul destinat pentru metalurgie se supune macinării uscate.

2.2.4. Reducerea bioxidului de titan cu calciu

Oxidul de titan se caracterizeaza printr-o stabilitate chimica ridicata. El poate fi redus cu calciu metalic, care prezinta cea mai mare afinitate fata de oxigen. Reactia de reducere calcio-termica a bioxidului de titan este:

TiO2 + 2CaO = Ti + 2CaO

Reducerea calciotermica se imbunatateste prin introducerea in sarja a clorurii de calciu sau amestecul de clorura de calciu si de beriliu in calitate de flux. In prezenta clorurilor mentionate reactia de reducere metalotermica decurge linistit fara supraincalziri locale. Este posibil ca mecanismul reactiei de reducere sa fie influentat de cloruri si sa decurga prin etapa intermediara de formare a tetraclorurii de titan:

TiO2 + 2CaCl2 = TiCl4 + 2CaO

TiCl4 + 2Ca = Ti + 2CaCl2

Calciul utilizat la reducerea bioxidului de titan trebuie sa aiba continuturi foarte reduse de azot si carbon. Titanul are afinitate mai mare fata de azot si carbon decat fata de calciu, prin urmare ele trec in titanul metalic rezultat in urma reducerii.

Incarcatura destinata reducerii calciotermice se bricheteaza. Brichetele se incarca in retorte din otel si se incalzesc pana la 1000-1200°C in atmosfera de gaze inerte (heliu, argon), temperatura la care sunt mentinute 1-3 ore. Dupa racire brichetele se macina si se spala cu apa in vederea indepartarii oxidului de calciu si a clorurii de calciu.

Pulberea metalica obtinuta contine circa 98% titan, in rest oxigen si alte impuritati, calitativ fiind inferioara celei obtinute prin reducerea din cloruri.

2.2.5. Reducerea bioxidului de titan cu hidrura de calciu

Hidrura de calciu se formeaza prin actiunea hidrogenului asupra calciului metalic la temperaturi de 400-600°C. La peste 800°C hidrura disociaza in calciu si hidrogen monoatomic:

CaH2 ↔ CaH + H

CaH ↔ Ca + H

Tensiunea de disociere a hidrurii de calciu la 970°C are valoarea de 750 mmHg. Reducerea bioxidului de titan cu hidrura de calciu se descrie cu reactia globala:

TiO2 + 2CaH2 = TiH2 + 2CaO + H2

Ca rezultat al reducerii se obtine hidrura de titan care incalzita la temperatura 1100-1200°C in vid se descompune cu indepartarea aproape totala a hidrogenului.

Pulberea de hidrura se spala cu solutii acide diluate in vederea indepartarii oxidului de calciu, se usuca si se ambaleaza.

3. Obtinerea titanului compact si a aliajelor pe baza de titan

Obtinerea lingourilor compacte de titan si a aliajelor sale, pornind de la masa buretoasa care rezulta la reducere, se face prin topirea in conditii in care sunt excluse posibilitatile de impurificare cu gaze (O2, N2, H2) din atmosfera agregatului, sau cu alte elemente (C, Si, Al) prin reactia metal-creuzet.

Spre deosebire de alte aliaje, la elaborarea aliajelor pe bază de titan, atât cuptorul de topire și elaborare, cât și instalația de turnare formează un singur agregat.

In practică se folosesc trei tipuri de cuptoare de elaborare: cuptoare cu arc cu electrod consumabil (cele mai frecvent folosite); cuptoare cu arc cu electrod neconsumabil; cuptoare cu flux de electroni.

Din punctul de vedere al atmosferei din cuptor, cuptoarele cu arc pot funcționa cu atmosferă protectoare din gaze nobile sau cu vid, în timp ce cuptoarele cu flux de electroni funcționează numai cu vid înaintat.

3.1. Cuptorul cu arc si electrod consumabil

In procesul de topire se încălzește electrodul prin arc până când se depășește temperatura de topire, moment în care, metalul sub formă de picături se colectează în baia lichidă. Simultan se desfășoară și procesul de evaporare a elementelor însoțitoare: hidrogen, magneziu, mangan, aluminiu, crom, etc, care se condensează în partea superioară a cristalizorului în ordinea tensiunii de vapori (Al, Cr, Mn, Mg, MgCl2). In această fază a procesului se intensifică interacțiunea metalului cu gazele, în special cu oxigen și azot, care sunt prezente în special datorită încărcăturii.

Parțial gazele difuzează în zona de topire unde trec în metalul lichid, dar cea mai mare parte se elimină datorită vidului creat.

Hidrogenul se degajă foarte intens din topitură, se elimină împreună cu vaporii de magneziu și clorura de magneziu, dar parțial difuzează în regiunile mai reci unde solubilitatea lui este mai mare și rămâne în lingou.

O influență remarcabilă asupra gradului de impurificare a metalului cu gaze o exercită folosirea argonului.

In aceste agregate nu se pot utiliza încărcături sub formă de bucăți și este dificil de a regla viteza de topire a electrodului consumabil.

Caracteristic pentru acest tip de cuptor (fig. 3.1.) este faptul că un electrod al arcului il constituie baia lichidă de aliaj elaborat 1, iar celălalt electrod este executat chiar din materialul de compoziția aliajului supus topirii, denumit electrod consumabil 2. Un dispozitiv automat 3 avansează portelectrodul răcit cu apă, astfel încât distanța interpolară să rămână permanent de 3…5 cm.

Vidul din cuptor este de circa l0-2 mm suficient pentru a împiedica oxidarea metalului și de a evapora gazele rezultate în cursul topirii.

Cuptorul cu arc cu electrod consumabil în general are creuzetul de solidificare din cupru răcit 4.

La topirea în cuptoare cu arc apare necesitatea îndepărtării coroanei lingourilor de la prima topire și a straturilor de condensat.

Dacă această operație se realizează cu flacără oxiacetilenică, în zonă temperatura ajunge la 3000oC și se creează condiții favorabile interacțiunii titanului cu gazele. In aceste condiții se formează o serie de compuși ai titanului cu oxigenul , azotul, carbonul și hidrogenul. In metalul supus tăierii se formează trei zone distincte, care se deosebesc prin gradul de impurificare:

o zonă poroasă, fragilă de culoare galben-maronie;

strat sfărâmicios;

strat saturat cu gaze.

Toate cele trei faze formate în procesul de tăiere oxiacetilenică pot conduce la formarea de incluziuni în lingouri și semifabricate. Prin urmare, utilizarea tăierii oxiacetilenice a lingourilor de titan și aliaje de titan nu este indicată.

Se recomandă tăierea electrică în argon în jet de plasmă. De asemenea este recomandat ca suprafața din zona de tăiere să se îndepărteze prin strunjire.

Fig.3.1. Cuptor cu arc și electrod consumabil.

. Cuptorul cu arc și electrod neconsumabil

Acest tip de cuptor (fig. 3.2.) formează arcul voltaic între baia topită de metal 1 și un electrod permanent 2 alcătuit dintr-o bară de wolfram sau wolfram acoperit cu toriu și răcit în interior cu apă.

Alimentarea acestui cuptor se face prin intermediul unui alimentator vibrant 3 și a unui jgheab, aruncându-se șarja omogenizată direct în arcul voltaic. Silozul 4 și instalația de alimentare sunt închise etanș având aceeași atmosferă cu cuptorul.

Fig. 3.2. Cuptor cu arc și electrod neconsumabil.

1 – lingou;

2 – electrod neconsumabil;

3 – alimentator vibrant;

4 – siloz cu încărcătură;

5 – creuzet răcit;

6 – dispozitiv de reglat distanța interpolară;

7 – conductă de vid sau butelii de argon.

3.3. Cuptorul cu flux de electroni

Acest tip de cuptor (fig 3.3.) având posibilități largi de reglare devine din ce în ce mai răspândit. Sursa de căldură la acest tip de cuptor o constituie unul sau mai multe tuburi electronice de înaltă tensiune 1 care emit fascicule de electroni ce converg spre extremitatea electrodului 2 supus topirii, precum și asupra oglinzii de metal topit din cristalizator. Metalul topit curge în cristalizorul din cupru răcit 3, unde se solidifică. Un dispozitiv de coborâre 4 sincronizat cu topirea asigură avansul lingoului 5.

Lucrând la un vid foarte înaintat 10-4…10-6 mm Hg, aceste cuptoare permit obținerea unor lingouri de cea mai mare puritate.

Fig. 3.3. Cuptor cu flux de electroni si electrod consumabil.

In fig. 3.4. se prezintă o variantă a acestui tip de cuptor cu alimentarea șarjei sub formă de material mărunțit.

Fig.3.4. Instalație de topire cu bombardament de electroni cu alimentarea încărcăturii sub formă granulată.

Toate cuptoarele cu arc electric in vid pentru elaborarea titanului si zirconiului functioneaza cu curent continuu.

Confectionarea electrozilor fuzibili este relativ complicata si costisitoare.

Pentru topirea bucatilor de deseuri de orice dimensiune se face uz de cuptoare autocreuzet.

La topirea titanului in arc voltaic exista pericolul de perforare al creuzetului de cupru racit cu apa. La aceasta temperatura, apa se descompune in hidrogen si oxigen formand un amestec exploziv.

4. Prelucrarea titanului si a aliajelor sale

4.1. Deformarea la cald

Daca se mentine temperatura intr-un anumit domeniu, titanul se poate prelucra prin deformare la cald prin procedeele cunoscute, cum sunt forjarea, laminarea si presarea.

Forjarea. Titanul si aliajele de titan se forjeaza in domeniul de temperaturi corespunzator metalului cu structura de tip β sau in domeniul superior zonei (α+β), adica in general la 800-1000°C. La temperaturi de forjare sub 750°C se produce durificarea aliajelor de titan, care devin in acelasi timp casante. Calitatea lor se imbunatateste prin recoacere la 300°C, timp de o ora.

Laminarea la cald. Laminarea la cald a titanului pur se face la 750-850°C, iar a aliajelor de titan, intre 900 si 1000°C. Dupa ce se incalzesc in cuptor la 930°C, acestea se lamineaza la cald la 25 mm grosime si apoi se lamineaza definitiv la dimensiunea dorita. Dupa ultima treapta de laminare, tabla se face sul.

Refularea si presarea la cald. Refularea blocurilor se efectueaza spre a se evita formarea fisurilor, la circa 500°C. Desi temperaturile de presare sunt mai joase decat la otel, presiunile necesare de presare sunt adesea mai inalte.

Recoacerea si decaparea. Pentru a se impiedica impurificarea cu hidrogen, titanul se recoace la 700°C intr-o atmosfera uscata, usor oxidanta.

Pentru o decapare rapida, este potrivita o baie cu 20% acid azotic si acid fluorhidric. Baia de decapare obisnuita pentru otel inoxidabil, se face cu 10% acid azotic si 2% acid fluorhidric, dar nu este utilizabila pentru decaparea titanului, deoarece il face casant.

4.2. Prelucrarea la cald

Prelucrarea la cald a titanului comercial este influentata de efectul de calire a oxigenului, azotului si carbonului. De aceea, deformarea la rece este posibila numai in masura limitata si prin recoaceri intermediare limitate.

Prin folosirea unei raciri corespunzatoare, a uner viteze mici, a unor scule cu forme adecvate si cu unghiuri de taiere optime, randamentul de prelucrare poate fi egal cu cel al otelului inoxidabil.

4.3. Sudarea si lipirea

Pe primul plan in domeniul prelucrarii titanului se situeaza sudarea. Titanul se poate suda numai cu el insusi.

Operatia de sudare se executa sub gaz de protectie (argon sau heliu).

Pentru protejarea contra efectului oxigenului se lucreaza de preferinta intr-o camera de sudare umpluta cu argon. A dat rezultate bune asa numitul procedeu cu sac de material plastic, la care sudarea se executa intr-un sac din material plastic umplut cu argon.

4.4. Prelucrarea deseurilor de titan

Reutilizarea deseurilor de titan este o problema greu de rezolvat. Deseurile de titan adesea nu au constitutia potrivita pentru topire. In ele sunt amestecate diferite aliaje de titan, precum si oxizi si azoturi. De aceea prelucrarea deseurilor implica cheltuieli mai mari decat extragerea titanului din minereu. Deseurile sub forma de span de strung, bucatele de tabla subtire rezultate de la prelucrarea titanuluise adauga in proportie de pana la 30% la metalul nou, cu care se aliaza. Aschiile de polizor, precum si materialele de provenienta straina constituie principalul inconvenient.

Cea mai ieftina cale de reutilizare a deseurilor de titan este topirea spanului maruntit intr-un creuzet de grafit in cuptorul cu inductie. In acest caz, absorbtia de carbon este mare, procedeul fiind limitat la fabricarea unor anumite obiecte.

5. EIemente de proiectare tehnologică

Schema tehnologică de elaborare a aliajelor pe bază de titan

Orice schemă tehnologică de obținere a aliajelor pe bază de titan include în mod necesar următoarele operații:

a. pregătirea sarjei;

b. presarea în porții a electrozilor;

c. prima topire;

d. prelucrarea mecanică a lingourilor;

e. retopirea lingourilor;

f. prelucrarea mecanică a lingourilor de la topirea a 4-a;

g. controlul defectoscopic nedistructiv, selectiv;

h. analiza chimică;

i. caracterizarea fizico-mecanică a lingourilor;

Principalii componenti ai sarjei sunt: buretele de titan; prealiajele; elementele de aliere în stare pură; deșeurile de titan și aliajele de titan.

Tipul de burete de titan folosit cel mai larg în producția de lingouri de titan și a aliajelor sale este cel obținut prin procedeul magneziotermic din TiCl4.

Conținutul de impurități din acest burete (O2, N2, Fe, Si, C, Cr, Ni, ete.) este limitat de tehnologia de obținere a lingourilor.

Aceste impurități provin în titan din materiile prime (minereuri, magneziu, cocs) din materialele utilajului și din atmosfera instalației de lucru, în timpul procesului de producție.

Prezența acestor impurități are o importanță majoră deoarece conținutul lor peste o anumită limită influentează puternic caracteristicile titanului și aliajelor de titan.

Astfel, duritatea metalului este dependentă după o anumită lege de conținutul de impurități.

In tabelul următor este prezentată duritatea buretelui de titan, funcție de conținutul procentual al impurităților prezente (ținând cont de faptul că duritatea buretelui de titan este unul din criteriile de sortare a acestuia).

Tabelul 5.1. Compoziția chimica, %.

Buretele de titan se livrează în loturi de mase, funcție de necesitățile beneficiarului. Acesta se transportă și se păstrează în bidoane de aluminiu sau containere de diferite capacități. Acest mod de asamblare permite o conservare îndelungată și transporturi la distanțe mari.

Buretele de titan sortat și măcinat la granulația corespunzătoare este introdus în containere sau buncare vidate (vezi instalația de dozare amestecare din schema secției), pentru a preveni umiditatea acestuia în timpul depozitarii.

Sortarea titanului înainte de a fi introdus la instalația de dozare pote fi făcută și magnetic pentru eliminarea fierului.

Toate operațiile de măcinare, sortare, amestecare-omogenizare pot fi conduse relativ ușor prin calculatoare de proces.

Introducerea elementelor de aliere, ca atare sau sub formă de prealiaje, este determinată de temperatura de topire și de posibilitatea solubilizării acestora în condițiile elaborării.

Se pot introduce sub formă elementară urmatoarele elemente de aliere:AI, Cr, Mn, C, V, Zr, Fe, Si.

Cromul, vanadiul și fierul se introduc și sub formă de prealiaje cu aluminiul.

Molibdenul și staniul se introduc numai sub formă de prealiaje cu aluminiul.

Prealiajele AI-Mo se pregătesc cu diverse conținuturi de molibden, funcție de tipul aliajului (pentru aliajul VT3-1, prealiajul conține 30-35% Mo, pentru aliajul VT14, 60-65% Mo și pentru VT15, 75% Mo). Pregătirea și utilizarea prealiajelor Al-Mo, cu conținut ridicat de molibden, este legată de multe dificultăți, din cauza gradului foarte ridicat de oxidare în timpul topirii, turnării si cristalizării, precum și a solubilității scăzute a molibdenului, ceea ce poate conduce la apariția de defecte interne în lingouri.

Pentru prevenirea oxidării prealiajelor în procesul de turnare, se recomandă realizarea acestuia în vid sau atmosferă controlată.

Prealiajul AI-V (pentru aliaje TiAl6V4) se obțin prin aluminotermie din V2O5 chimic puc. In anumite cazuri, pentru aceste scopuri se utilizează și V2O5 tehnic, cu cantități reduse de Fe, Si și S.

Pentru aliajul Ti5.5Al3Mo1V, vanadiul se introduce sub formă de prealiaj Al-V, obținut din Ti5Al2,5Sn și din alte aliaje cu conținut de staniu, acesta se introduce sub formă de prealiaj Al-Sn sau Al-Ti-Sn, pentru a preveni dificultățile ce apar în procesul de presare a electrozilor și în procesul de topire la temperatură foarte scăzută a staniului.

Inainte de a fi introduse în sarjă, metalele și prealiajele sunt deopotrivă mărunțite, pentru a fi ușor dozate și cât mai uniform răspândite în masa electrodului.

Metalele și prealiajele fragile (Cr, AI-Mo, AI-Mo-Cr, etc) sunt sfărâmate în concasoare cu fălci sau mori cu ciocane în bucăți cu dimensiuni de 3-10 mm, clasate, iar densitatea electrozilor, în condiții echivalente de presare, este proporțională cu presiunea specifică de presare.

Printr-o dependență similară este legată și rezistența electrică a electrodului, ca și rezistența mecanică a fracțiunilor fine ce se presează în brichete sau se împachetează în tablă de aluminiu.

Inainte de sfărâmare, prealiajele nu trebuie să rămână cu straturi de oxizi, zgură sau incluziuni nemetalice în masa lor.

Se permit porozități în masa prealiajului numai în cazul când acestea nu conțin pe suprafața lor straturi de oxizi.

După sfărâmare și sortare, materialele sunt supuse separarii magnetice pentru îndepartarea impurităților cu conținut de fier.

Bucățile de aluminiu și prealiajul Al-Sn sunt transformate în span prin procedee mecanice.

Utilizarea deșeurilor este legată de două probleme:

– măcinarea (sfărâmarea deșeurilor), asigurând posibilitatea introducerii lor în electrodul presat.

– îndepărtarea stratului superficial, puternic impurificat.

Deșeurile suficient de bine sfărâmate (șpan, tăieturi de tabla, etc) în proporție de 35-40% pot fi presate în electrodul consumabil împreună cu buretele de titan.

Prin introducerea în sarjă a deșeurilor, crește conținutul de oxigen din lingou, ceea ce conduce la mărirea durității.

De aceea, problema introducerii deșeurilor în sarjă necesită o analiză aprofundată.

O tehnologie de reutilizare a deșeurilor rezultate de la aliajele de titan poate fi elaborată pe baza evidenței conținutului diferit de gaze a lor și a titanului inițial.

S-a stabilit, din datele experimentale, că oxigenul în deșeuri se găsește în straturile superficiate și ca urmare conținutul său este în funcție de raportul dintre aria suprafeței și volum sau greutate.

Astfel, adâncimea stratului saturat în gaze al deșeurilor rezultate din produsele forjate este de 0,6-2 mm, din produsele presate de cel mult 0,5 mm, din cele laminate de 0,1-0,2 mm. Șpanul de la prelucrarea mecanică a semifabricatelor cu suprafața oxidată este cel mai impurificat.

Sistemul de calcul al încărcăturii (Sicev, Zincov, Andreev) se bazează pe limita de rezistență a buretelui de titan stabilit pentru fiecare tip de aliaj destinat obținerii prin topire a lingourilor fără să se utilizeze deșeuri.

Plecând de la proprietățile optime ale semifabricatelor s-au determinat următoarele limite de rezistențe de calcul pentru aliajele de serie.

Tabelul 5.2.

La introducerea în încărcătură a deșeurilor, calculul se rezumă la determinarea valorii necesare de reducere a rezistenței, care compensează introducerea impurităților cu deșeuri.

Concentrația gazelor în titanul tehnic, în cazul introducerii repetate de deșeuri impurificate, se determină astfel:

Cd = Cbd + [1/(1-n)]·ΔCtop + [n/(1-n)]·ΔCo

unde:

Cd – concentrația oxigenului și hidrogenului în lingourile cu deșeuri, [%];

Cbd – concentrația de O2 și N2 în buretele de titan folosit la elaborarea cu deseuri (%];

ΔCtop – creșterea concentrației de O2 și N2 pentru un ciclu de topire (prima topire + retopire), [%];

ΔCo – creșterea concentrație de O2 si N2 pe seama oxidării suprafeței deșeurilor (conținutul de deșeuri 100%) [%];

n – conținutul de deșeuri în încărcătură, [%].

La topirea lingourilor fără deșeuri, concentrația de O2 și N2 este egală cu :

C = Cb + ΔCtop

Pentru ca la elaborarea cu și fără deșeuri concentrația oxigenului și azotului din lingouri să fie egală, este necesar ca la topirea cu deșeuri să se folosească burete cu conținut mai mic de O2 și N2.

Din condiția de egalitate a concentrațiilor de O2 și N2 în lingouri cu și fără deșeuri rezultă:

Cd = C

Cbd + [1/(1-n)]·ΔCtop + [n/(1-n)]·ΔCo = Cb + ΔCtop

Atunci fie: ΔC = Cb – Cbd = [n/(1-n)] · (ΔCtop + ΔCo)

Intrucât creșterea concentrației oxigenului și azotului în lingou conduce la mărirea limitei de rezistență a metalului, se poate considera că între ele este o legătura directă și proporțională și se poate obține următoarea relație:

ΔR = Rb – Rbd =[ n/(1- n)] · (ΔTtop + ΔRo)

Se notează factorul din paranteza rotundă cu K. Acesta este coeficientul de durificare legat de introducerea deșeurilor.

Coeficientul depinde de tipul și calitatea deșeurilor introduse:

ΔR = Rb-Rbd = [n/(1-n)] · K

Prin urmare pentru obținerea aceleeași rezistențe a lingourilor, obținute prin topire cu și fără deșeuri, în varianta cu deșeuri este necesar să se folosească buretele de titan cu rezistența mai mică.

Micșorarea rezistenței buretelui este proporțională cu ponderea deșeurilor în încărcătura și cu coeficientul de durificare legat de calitatea deșeurilor:

Se obține:

Rbd=Rb-[n/(1-n)] · K

In cazul când se introduc deșeuri de la diverse produse, formula devine:

Rbd = Rb – (n1K1 + n2K2 + …)/(1- n1-n2-…)

unde:

Rb – rezistența buretelui pentru obținerea lingoului fără deșeuri, daN/mm2;

Rbd – rezistența buretelui pentru obținerea lingoului cu deșeuri, daN/mm2;

n1, n2 – ponderea deșeurilor de diferite tipuri, %;

K1, K2 – coficientii respectivi de durificare care depind de metoda de prelucrare a deșeurilor și care se corectează permanent.

Cu ajutorul acestei expresii se stabilește fișa de încărcare pentru fiecare aliaj. Pe baza datelor statistice și experimentale s-au determinat valorile coeficienților de durificare, K, pentru deșeuri de diferite tipuri (MN/ m2);

Șpan neoxidat 216

Tăieturi de tablă decapată 98

Deseuri, în bucăți, curățate de oxizi de la prelucrarea racordurilor 78

De la prelucrarea racordurilor și decapare 59

Compararea valorilor limitelor de rezistență calculate a buretelui prezentate mai sus cu limita minimă de rezistență a buretelui de 354 … 374 MN/ m2, care în prezent poate fi utilizată în producție, a arătat că pentru elaborarea de exemplu, a aliajelor de tip Ti6A12,5MoO,2Cr, Ti3,5AI1,5Mn, Ti5Al și Ti5Al2,5Sn se pot folosi deșeuri în proporție de 35-65% în funcție de coeficientul de durificare.

Există două metode de obținere a electrozilor presați:

– presarea unor blocuri cu secțiune trapezoidală într-o formă închisă, cu unirea de două de astfel de forme, prin sudură cu arc în atmosferă de argon, într-un electrod cu secțiune hexagonală;

– presarea în porții, într-o matriță cilindrică (cu capacitate mică), de electrozi cilindrici.

Blocurile cu secțiune pătrată sau trapezoidală se presează la prese de mare capacitate, cu poansoane cu avans mic, la presiuni specifice mari pe suprafața electrodului. Această metodă este complicată și foarte scumpă.

După a doua metodă, electrozii se presează la prese hidraulice verticale sau orizontale, în matrițe cilindrice sau cu o ușoară conicitate.

Densitatea electrozilor, în condiții echivalente de presare este proporțională cu presiunea specifică de presare. Printr-o dependență similară, este legată și rezistența electrică a electrodului, ca și rezistența mecanică a acestuia de presiunea specifică de presare. Presiunea specifică de presare este data de relația;

p = po + 4 · τfr · Ipor /Del

unde:

po – presiunea specifică la sfârșitul presării;

τfr – forța de frecare dintre materialul de presat și suprafața matriței;

Del – diametrul electrodului;

Experimental s-a determinat că pentru asigurarea unei rezistențe suficiente, este necesar ca presiunea po sa fie minim 137 MN/mm2 (1,37 tf/cm2).

La presarea electrozilor pentru elaborarea prealiajelor sau aliajelor de titan cu aluminiu, forța specifică de frecare pe suprafața interioară a matriței este mai mică decât la presarea buretelui de titan. De exemplu, pentru titan τfr = 68,5 MN/m2, iar pentru aliajul Ti5AI, τfr = 59 MN/m2.

Incălzirea matriței până la 35°C, mărește viteza de lucru a poansonului cu 25-30%, în comparație cu presarea la rece, mărindu-se și rezistența mecanică a electrodului.

In ceea ce privește mărimea unei părți supuse presării, trebuie să se țină cont de obținerea unor electrozi uniformi.

Pentru comoditate în calcul se pot face porții de sarjă de 10 kg sau multiplu de zece. Procesul de alimentare a sarjei în electrod este automatizat, respectiv buretele de titan, elementele de aliere, deșeurile se alimentează în buncăre separate după un program stabilit. Când în dispozitivul de încărcare a fost introdus ultimul component, sarja printr-o conductă de șarjare este introdusă în dispozitivul de primire a matriței.

In procesul de deplasare a poansonului sarja se omogenizează suplimentar.

Sudarea bucaților presate se face într-o instalație specială, separată de platforma de elaborare.

Ea constă în principal dintr-un fel de autoclavă vidată, dar nu prea înaintat în care pe partea axială sunt poziționate bucățile de electrod presate.

Ele se presudează două câte două până se ajunge la lungimea electrodului necesar topirii.

Procesul de sudare are loc cu arc electric realizat între capetele celor două bucați presate. In acest timp, prin duze pozitionate circular în jurul spațiului de sudură se insuflă puternic gaz inert pentru eliminarea impurificărilor posibile fie din atmosfera agregatului fie din bucățile presate.

Deși procedeul pare simplu, el necesită regimuri de lucru foarte precise cum ar fi: obținerea unui electrod drept pentru a nu genera efecte secundare negative la topire, omogenitatea sudurii, rezistența sudurii, etc.

Lingourile finite se obțin după două topiri consecutive în cuptorul cu arc în vid sau cu atmosferă de argon.

Etapele principale ale topirii unui lingou sunt următoarele:

1. Asamblarea electrodului consumabil;

2. Topirea electrodului presat (topirea I);

3. Asamblarea electrodului consumabil pentru a II-a topire;

4. Topirea a II-a a lingoului;

1. Asamblarea electrodului consumabil

Pentru prima topire drept electrod consumabil se utilizează bare presate din burete de titan, prealiaje și metale primare sau deșeuri.

Operația se desfășoară după cum urmează:

– în tija port-electrod mobilă se infiltrează o piesă de legătura denumită "amorsă", confecționată din material de compozițtia celui ce se va topi;

– într-un creuzet de cupru se așează o bară presată care are două cordoane de sudura executate pe generatoarea barei într-o instalație aparte de cuptorul cu arc în vid (în scopul măririi conductibilității electrice a barei).

Bara se centrează cu ajutorul unor inele de lemn. Pentru amorsarea arcului, pe capătul superior al barei se atașează puțin span din materialul ce urmează a fi topit.

Se aduce ansamblul creuzetului sub camera cuptorului și se închide ermetic cuptorul; se face vid si se pomeste curentul de topire.

– după formarea unei mici cantități de topitură, atât pe capătul inferior al amorsei cât și pe capătul superior al barei presate se coboară tija port-electrodului până când cele două bare ajung în scurt circuit, după care se oprește curentul de topire; prin aceasta amorsa se sudează la electrod.

– se răceste în cuptor apoi se deschide cuptorul, se ridica tija port-electrod sudat cu amorsa.

2. Topirea electrodului presat (topirea I)

– se așează pe fundul creuzetului un disc de material (după natura lingoului ce trebuie topit), apoi pe disc se așează puțin span din același material, pentru amorsarea arcului;

– se închide ermetic cuptorul, se cupleaza sistemele de vid și răcire cu apa caldă și apa rece cum a fost descris mai sus la sudarea amorsei;

– se coboara tija cu electrodul consumabil până când acesta atinge discul de la baza creuzetului, apoi se ridică puțin deasupra discului;

– se selectează de la cutia de comanda curentul de topire;

– se închide circuitul curentului de topire și se observă prin dispozitivul de observare formarea arcului electric și aparitia picăturilor de metal topit.

Până la apariția băii topite, lungimea arcului se comanda manual de la cutia de telecomanda (butoanele "electrod sus" și" electrod jos").

Pe partea superioară a creuzetului și pe pereții camerei de topire se depune un strat de material metalic provenit din stropi și vapori de metal condensați.

– pentru terminarea topirii se comută comanda lungimii arcului pe funcționare manuală, se întrerupe curentul de topire și se ridică tija port-electrod.

– se răcește lingoul în vid, după care se oprește pompa Roots, se închide robinetul dintre acesta și pompa de vid preliminar, se introduce aer prin ventilul de aerisire, apoi cu ajutorul dispozitivului acționat hidraulic este coborâtă mantaua de răcire a creuzetului;

– se basculează mantaua de răcire cu creuzetul și prin aceasta se evacuează lingoul din creuzet;

– se curățăa cu peria metalică creuzetul și camera de topire de metalul depus în timpul topirii. Materialul colectat, ce este depus în timpul topirii, se utilizează în operațiile ulterioare de obținere a lingourilor.

Lingoul de prima topire are o suprafață ce prezintă goluri, fisuri, impurificări ce necesită curățire mecanică prin polarizare sau strunjire.

– randamentul operațiilor este de circa 92,5%, majoritatea pierderilor prin stropi pot fi recuperate.

3. Asamblarea electrodului consumabil pentru a doua topire

Pentru obținerea unui lingou finit perfect omogen din punct de vedere al compoziției chimice și lipsit de defecte structurale este necesară retopirea lingourilor de primă topire, care constituie aici electrodul consumabil. Operațiile sunt:

– în tija port-electrod se infiltrează o amorsă;

– într-un creuzet de Cu montat în mantaua de răcire respectivă se introduce lingoul de prima topire;

– pe capătul superior al lingoului se așează span de aceeași compoziție, pentru amorsarea arcului;

– se închide cuptorul și se execută sudarea amorsei de lingou ca și în cazul primei topiri;

– se răcește lingoul sub vid, după care se ridică tija cu electrodul consumabil astfel constituit.

4. Topirea a II-a a lingoului

– se așează pe fundul unui creuzet un disc peste care se pune șpan pentru amorsarea arcului;

– se procedează ca la prima topire cu închiderea cuptorului și aducerea electrodului consumabil în pozitia de start a topirii;

– se începe topirea, iar după ce s-a format baia lichida se crește curentul de topire;

– spre sfârșitul operației se diminuează curentul de topire pentru obținerea unui lingou cu retasura cât mai mică;

– se răcește lingoul în vid, se opresc pompele de vid, se aerisește instalația și se scoate lingoul prin bascularea creuzetului ca mai înainte.

Curățirea creuzetului, a tijei port-electrod și a camerei de topire se face ca și în cazul primei topiri.

Dacă se conduce corect topirea, amorsa înfiletată se utilizează la mai multe cicluri de topiri.

Inainte de începerea topirii propriu-zise se controlează etanșeitatea și vidul care trebuie adus la nivelul normelor stabilite.

Topirea se începe cu o putere scăzută pentru a preveni topirea fundului cristalizatorului. După operația materialului lichid se mărește intensitatea curentului până la valoarea nominală și procesul de topire se desfășoară în condițiile parametrilor optimi.

După topire, cristalizatorul se lasă în cuptor un anumit timp la o temperatură de 400-500°C deoarece la temperaturi mai mari are loc oxidarea suprafeței lingoului.

Totodata, evacuarea lingoului la temperaturi mai joase de 400°C, timpul de răcire este mai mare și se micșorează productivitatea cuptorului. Lingourile încălzite la această temperatură se prelucrează la strung mult mai ușor.

Pentru realizarea celei de-a doua topiri, 2-3 lingouri de la topirea I, după pregătirea corespunzatoare se sudează în cuptor, sau în afara cuptorului, prin sudură electrică în atmosferă de argon.

La retopire, electrozii se sudează în ordinea următoare: partea inferioară a lingoului 1 cu parte superioară a lingoului 2, pentru obținerea unui lingou uniform, din punct de vedere al compoziției chimice.

Pregătirea lingourilor, de la topirea l pentru topirea II constă în următoarele operații:

– imediat după evacuare, încă în stare fierbinte, de la topirea I, lingoul se curăță cu o perie metalică în apa rece, pentru îndepărtarea clorurilor;

– după spălarea lingourilor, pe baza energiei interne, acestea se usucă ușșor și se transmit la prelucrarea mecanică, la strung. Se taie capetele lingourilor și se curăță locurile oxidate.

A doua topire se face în cristalizoare de diametru mai mare decât la prima topire. Ea se conduce în același regim ca și prima topire cu deosebirea că la sfârșitul topirii se schimbă regimul de lucru pentru eliminarea retasurii.

După terminarea topirii electrodului, tensiunea și intensitatea curentului scad de așa manieră încât topirea să se termine, iar puterea care se pune în libertate să asigure pierderile de căldură a suprafeței băii lichide.

Aceasta previne solidificarea suprafeței lingoului înaintea terminării procesului de cristalizare de pe pereții cristalizatorului.

Regimul se mentine până în momentul cristalizării întregii mase a metalului.

Trebuie menționat că un asemanea regim simplu de eliminare a retasurii nu poate fi folosit pentru lingourile cu diametre mari, deoarece se formează o concavitate foarte mare la partea superioară a lingoului. Pentru a nu permite acest lucru în prima perioada a eliminarii retasurii se stabileste un regim care asigură o viteză mică de topire pentru a menține nivelul băii, ceea ce permite obținerea unei suprafețe de turnare uniforme.

Durata de eliminare a retasurii este cu atât mai mare cu cât diametrul lingoului este mai mare.

Astfel, la o intensitate de curent a arcului de 24… 25 KA pentru un lingou cu diametrul de 150 mm, topirea are loc în 4 ore.

Dacă elimenarea retasurii se face în atmosferă de He la presiunea de 10 mm coloana Hg, atunci ca urmare a intensificării răcirii și creșterii vitezei de cristalizare, timpul necesar pentru eliminarea retasurii se reduce la 20%.

Retasura nu este eliminată întotdeauna la a doua topire a lingoului ci numai prin tăiere.

Pentru aliajele care conțin componenți usor volatili, a doua topire se face în atmosferă inertă, la presiuni de 50… 60 mm Hg.

Lingourile proaspăt obținute de la topirea a II – a sunt tăiate în bucăți mai mici și imediat ambalate în vid sau atmosferă inertă pentru a fi protejate de atmosfera impurificatoare.

Deșeurile care se obțin sub formă de șpan, praf, vapori etc sunt trimise la procesul de recirculare. Adică la mărunțire în mori speciale apoi separate pe site și magnetică, apoi degresate și decapate după care sunt recirculate în buncăre speciale la bateria de dozare a electrozilor pentru topire.

Dar numai 30% din încărcătura unui electrod poate fi folosită ca deșeu datorită în special rezistenței mici a acestora dar și conținutului de impurități ridicat.

Mărunțirea se poate face și prin procedeul de hidrogenare – dehidrogenare datorită capacității titanului și aliajelor de titan de a absorbi puternic hidrogenul la temperaturi înalte și a-l desorbi la temperaturi scăzute (300-400°C).

Separarea se poate face pe dimensiuni (cu site) sau cu eliminarea impurităților (separare magnetică).

Deșeurile care provin de la prelucrarea mecanică au suprafețele acoperite cu unsori și uleiuri (la șpan), așchii, strujituri.

Principalele metode de degresare sunt cu solvenți organici de la hidrogenarea hidrocarburilor sau cu detergenți alcalini.

Fiecare metodă are avantajele și dezavantajele sale.

Deșeurile prezintă suprafețe mari oxidate în procesele anterioare de aceea ele necesita și o decapare corespunzătoare. Se înlătură astfel numai stratul oxidat de la suprafață si o parte din stratul interor lui; se face ori în soluții de alcooli ori de acizi (acid azotic + HCl + HF + CaF2).

Prin decapare în astfel de soluții se realizează afânarea stratului oxidat care se exfoliază la prelucrarea ulterioară în soluție acidă: 10% HNO3 și 10% HF sau 5% HNO3, 30% HCI și % HF.

Decaparea este îngreunată de prezența lubrifianților sau altor grăsimi putând apare și coroziuni excesive locale.

Aceste neajunsuri se pot elimina prin decapare electrolitică dar care este mai scumpă.

Fluxul tehnologic de recirculatie a deșeurilor din producția proprie este ilustrat în diagrama din pagina următoare.

70% din deșeurile obținute pot fi ambalate și depozitate sau retopite cu obțineri de lingouri cu o cantitate mare de impurități care pot fi ambalate mai ușor astfel.

Din aceste procente se pot obține și alte produse cum ar fi: titan, alte elemente primare, vopsele pentru industria chimică, prealiaje de titan, etc.

Transportul materialului în secție se face în funcție de etapa fluxului tehnologic asfel:

– de la depozitele de materii prime la concasor (moara de măcinare) cu transportorul cu bandă sau cu cărucioare;

– la fel pentru alimentarea buncarelor cu material;

– de la presă la instalația de sudură cu argon printr-un transportor cu role ca și pentru transportul electrozilor presați la topirea propriu-zisă;

– între topirea 1 și instalația de sudură sau de decojire-tăiere transportul se poate face cu o macara de tip pod rulant care în acelasi timp mai poate servi și la alte operații auxiliare în secție;

– lingourile curățate și tăiate se transportă apoi în cărucioare etanșe la ambalare, depozitare;

– tot fluxul de recirculare a deșeurilor poate fi servit de transportor cu bandă;

Pentru a elimina impurificarea materialului în timpul transportului (mai ales după sortarea lui) se recomandă etanșeitatea acestor utilaje. De asemenea este important ca transportul lingourilor finale să se facă cu containere etanșe, ele dând calitatea ultimă aliajului respectiv.

Procesul de pregătire a sarjei se poate desfășura în regim continuu. In schimb, el trebuie să țină seama de discontinuitatea elaborării șarjei.

De aceea timpii procesului pot fi următorii.

Se alimentează buncărele cu material până la refuz.

Se procedează la pregătirea amestecului de sarjă în porțiile stabilite pentru presare. Presa va funcționa continuu pentru presarea comprimatelor necesare constituirii a electrozilor pentru topire după care se oprește și își reia lucrul cu puțin timp înainte de terminarea procesului de elaborare.

Timpii de funcționare ai presei sunt determinați de timpii de elaborare completă, iar de funcționarea presei depinde alimentarea buncarelor cu material și a pregătirii sarjei. Datorită timpilor morți ai elaborării, procesul de recirculare poate funcționa cu instalații de mică capacitate în regim continuu, după care se pot dimensiona capacitățile de stocare pentru 70% din deșeuri în depozit și în buncare pentru 30% din deșeuri în depozit și în buncare pentru 30% din deșeuri.

Evacuarea depozitelor (livrarea lingourilor) se poate face la diferite intervale de timp, preferabil cât mai scurte pentru a împiedica deprecierea aliajelor obținute.

Pentru a adapta fluxul tehnologic la orarul de muncă (pentru eliminarea schimburilor, etc) se poate creea un depozit intermediar între instalația de sudură și cea de elaborare a sarjei dar cu o capacitate limitată din aceleași motive ca la livrarea lingourilor finale.

Intreg procesul se poate automatiza astfel : procedeul de pregătire a șarjei de la scurgerea din buncare până la presare (inclusiv) poate fi controlat separat de un calculator de proces corespunzator. La fel fluxul tehnologic de recirculare a deșeurilor.

Intregul flux poate fi coordonat direct sau indirect de la un pupitru de control din zona camerei de control a elaborării.

Elaborarea în cuptoarele cu arc este recomandată (prin construcție) să se facă automatizat, în special datorită pericolului extrem de mare al exploziilor în arc cu efecte devastatoare.

Deci, procesul necesită un control în limite destul de stricte.

Controlul automatizat indirect (cu informarea prealabilă a omului asupra timpilor de execuție) în care controlul fluxului tehnologic general este realizat în special de om dar cu ajutorul calculatorului lasă loc la experimentări și decizii de circumstanță ceea ce constituie un avantaj de organizare.

Ambele procedee de control și coordonare a operațiilor pot fi folosite cu succes dacă se creează infrastructura de personal necesară (și diferită) cu sarcinile proprii bine stabilite pentru fiecare munctor în parte.

In funcție de condițiile de funcționare fluxul tehnologic poate comporta câteva modificări.

Astfel, în funcție de tipul de presa cel mai accesibil aleas, cantitatea unei porții de material poate fi mărită sau micșorată eficient dar în limitele stabilite științific.

De asemenea, utilajele care se folosesc în secție sunt adaptate condițiilor exteme, ca de exemplu: tipul de aliaj, tipul de material (impurități, granulații, ete), consumul de energie electrică, etc.

Acest flux tehnologic la investiții sporite poate fi concentrat cu instalații care să satisfacă în același timp mai multe operații. Dar acest lucru nu este avantajos datorită diversității mai mari precum și a controlului de calitate al produsului, importanța anumitor procese crește în detrimentul altora, de exemplu: pentru o calitate mai slabă a lingourilor o importanță mult superioară celorlalte etape o are elaborarea în cuptoarele cu arc.

6. Calculul de șarjă

6.1. Calculul aliajului TiAl6V4

Materiile prime care se folosesc la încărcătura de elaborare a acestui aliaj sunt : buretele de titan, prealiaj AI-V și aluminiu pulbere.

Elaborarea se face într-un cuptor cu arc cu electrod consumabil în atmosferă de argon. Materialul de mai sus se fărâmitează și apoi se presează sub formă unui electrod de anumite dimensiuni.

Buretele de titan s-a ales din standardul ASTM cu următoarele compoziții:

Tabelul 6.1. Compoziția chimică a buretelui de titan.

Buretele de titan este produs prin procedeul magnetoizotermic din TiC4.

Prealiajul AI-V folosit conține 70% V și este preparat prin aluminotermie din V2O5 (pulbere).

El este fragil, sfărâmându-se relativ usor. Compoziția sa este următoarea:

Tabelul 6.2. Compoziția chimică a prealiajului AlV

Prin obținerea acestui prealiaj problema alierii titanului cu vanadiul este practic rezolvată.

S-a ales rezonabil o compoziție mai mare de vanadiu în aliaj decât cea necesară deoarece, în procesele de elaborare, transport, manipulare apar pierderi de material care pot genera neomogenități în aliajul obținut, precum și o compoziție neconformă cu cea standard a aliajului.

De aceea se preferă un prealiaj cu un conținut mai mare de vanadiu, iar restul de aluminiu se poate introduce ușor, separat sub formă de pulbere.

Prealiajul VA130 se dozează în cantitatea necesară și se presează în electrod odată cu buretele de titan și pulberea de aluminiu.

Pulberea de aluminiu folosită este de puritate 99,7 % și se introduce în completare la cantitatea de aluminiu din prealiaj.

In tabelul de mai jos este aratată compoziția limită, atât pentru elementele de aliere (minimă și maximă) cât și pentru impurități (maximă) pentru aliajul TiA16V4.

Tabelul 6.3.

Calculul de sarjă prezent se face pentru cazul când se folosesc deșeuri din producția proprie. Dar datorită pe de o parte a conținutului ridicat de impurități pe care îl conțin iar pe de altă parte a proprietăților de calitate pe care trebuie să le îndeplinească aliajul obtinut, nu este recomandabil folosirea lor la încărcătură. Dacă totuși ele se folosesc, este foarte important ca ele să fie din producția proprie și se vor folosi în procent de 30% maxim din încărcătură.

Calculul pierderilor prin evaporare

Deoarece vom lucra într-un cuptor cu atmosferă inertă (argon), în camera de lucru se adoptă un regim optim:

PAr = 3,99∙103 N/m3

Calculul de sarjă se va face pentru 100 kg de aliaj.

Fie presiunea totala în agregat de:

P = ΣPi + PAr + Prem

unde:

Σ Pi – suma presiunilor vaporilor elementelor volatile;

PAr – presiunea de argon din agregat = 3,99 · 103 N/m2;

Prem – presiunea remanentă a gazelor = 1,33 N/m2;

Trebuiesc calculate presiunile parțiale Pi.

Fie:

Ni – concentrațiile elementetor volatile în aliaj;

Pi – presiunile vaporilor elementelor volatile în stare pură;

Avem:

Pi = Pi0 · Ni

unde

Ni = {{% i}/ Mi} / {S from {j=1} to n {{% j}/ Mj}},

unde:

i = Al, V, Ti, Mg, Fe, Si, Ni.

% i – procente de element în aliaj (electrod);

Mi – masa molară a elementului i;

NV = 0,0359

PV = PV0 · NV = …………..· 0,0359

Considerăm că eliminarea gazelor: H2, O2, N2 s-a făcut la încălzirea și topirea electrodului, foarte rapid și sunt incluse în presiunea remanentă din agregat (de asemenea, se elimină odată cu vidarea agregatului, înaintea introducerii argonului).

Fie:

lg PAlo = 12,40857 – {15992,58 }/T – 0,00000342 · T – 0,99926 · lg T [mmHg];

lg PTi° = 296,01329 – {65632,18 }/T + 0,00787692·T – 85,14729·lg T [mmHg];

lg PMg° = 9,52 – {7840 }/T -1,22 · lg T [mmHg];

lg PFe° = -19773,305 -1/T + 6,4640596 [atm];

lg PSi0 = -23174,453 · 1/T + 6,6407272 [atm];

lg PV° = 1/R(121,92 · 103 · T-1- 5,123 · 10-4 · T + 36,29) [ 105 N/m2 ];

Știind că T = 1953 K și aflând procentele i% : fie compoziția chimică a aliajului aleasă pentru calcul:

90% Ti,

6,125% Al și

4% V, avem :

90/{99,573} · 100 = 90,386 kg burete

4/{69,899} · 100 = 5,7225 kg prealiaj V Al 30

Deci vom avea:

{90,386 }/{100}· 0,11= 0,099 kgFe;

{90,386}/{100} · 0,03 = 0,027 kg Si;

{90,386}/{100} · 0,05 = 0,045 kg Ni;

{90,386}/{100} · 0,04 = 0,036 kg C;

{90,386}/{100} · 0,03 = 0,027 kg N2;

{90,386}/{100} · 0,08 = 0,072 kg Cl2;

{90,386}/{100} · 0,06 =0,054 kg O2;

{90,386}/{100} · 0,027 = 0,0243 kg Mg.

{5,7225}/{100} · 0,15 = 0,00858 kg Si;

{5,7225}/{100} · 0,75 · 10-3 = 0,000043 kg Mg;

{5,7225}/{100} · 0,35 = 0,02 kg Fe;

Deci în final vom avea :

90 kg Ti; 4 kg V; 6,125 kg Al; 0,119 kg Fe (0,099+0,02); 0,035 kg Si (0,027+0,00858); 0,045 kg Ni; 0,02434 kg Mg (0,0243+0,000043); 0,036 kg C; 0,027 kg N2; 0,072 kg Cl2; 0,054 kg O2.

Tabel 6.4.

unde:

%Ni'=Pi/{ Σ Pi}· 100,

unde:

Σ Pi = 179,24615 N/m2

Compoziția vaporilor în procente va fi:

% i = {Ni' · Mi}/{sumNi' · Mi}

Aplicând legea gazelor ideale pentru un amestec obținem:

p · V = m·R· T

unde:

p = ΣPi + PAr + Prem = 179,24615 + 3,99·103 + 1,33 = 4170,576 N/m2

Camera de lucru având o formă cilindrică cu volum V = 0,3 m3 iar în cazul unui amestec de gaze constanta R va fi:

R = {Σ m; Ri}/ m, unde Ri = R /Mi, m = 100 kg

deci:

m={p · V}/{R · T} la T = 2123 K

m = 1,917 g, rezultă că Σ mi = 0,0824 g (din legea proporțiilor maselor)

Pierderile finale prin vaporizare în timpul procesului de elaborare sunt prezentate în tabelul de mai jos.

Tabelul 6.5. Pierderile finale prin vaporizare.

mi pentru elementele de impuritate nu interesează.

In locul legii gazelor ideale se poate folosi pentru mai multa exactitate în calcul, legea Van der Waals pentru gazele reale.

In calculul masei de gaz evaporate s-a luat în considerare o temperatura medie aproximativă neconsiderând procesul fizic respectiv în dimensiunea temporara.

Se va ignora astfel perioada de eliminare a elementelor vaporizate până se ajunge la saturație.

Deoarece mV și mTi sunt foarte mici nu le vom lua în calcul la sarjă.

Deci cantitatea necesară de aluminiu va fi:

mAI = 6,125 + 6,99 · 10 · E-4 = 6,125699 kg pentru o singură sarjă Recalculând vom obține următorul necesar de materie primă (vezi tabelul 4.9).

Nu s-au mai introdus în tabelul de la ieșire impuritățile, individuale, deoarece oricum la intrare ele sunt sub limitele maxim admisibite.

Datele din tabel sunt calculate pentru a obține 100 kg aliaj fără deșeuri. Calculul cu deșeuri se face cu regula de trei simplă, știind procentul maxim admisibil care trebuie introdus.

Astfel, aplicam formula:

Rbd=Rb – n/(1-n)· K,

unde:

Rbd – rezistența electrodului pentru obținerea lingoului cu deșeuri, daN/mm2;

Rb – rezistența electrodului pentru obținerea lingoului fără deșeuri, daN/ mm2

n – conținutul de deșeuri în încărcătură, %.

K – coeficient de durificare care depinde de metoda de prelucrare a deseurilor (la noi K = 216 – adică șpan neoxidabil).

Deci n = (Rb-Rbd )/(K + Rb – Rbd) = (432 – 364)/(216 + 432 – 364) = 0,2394, adică n = 23,94 % din încărcătură.

Limita de rezistența este cuprinsă între 354…374 MN/mm2; am ales la jumătate 364 MN/mm2.

Dacă noi folosim 23% din deșeuri, vom obține 77% încărcătură, deci

100,5537 ………90,386 ………. 5,7225……….. 4,4452

77 ……….X…………..……Y…………………Z

Deci vom avea:

X = 69,214 % (Kg) burete de Ti;

Y = 4,382 % (Kg) prealiaj VAI 30

Z= 3,404% (Kg)Al pulbere

Pentru a calcula ultima coloană a tabelului de mai înainte se va face un calcul de la sfârșit la început astfel: se calculează proporțional cantitățile de încărcătură totală cu impurități, apoi de aliaj VAI, burete de titan și aluminiu pulbere, iar dacă se dorește, în continuare se poate calcula pe orizontală cantitățile de impurități și elemente de aliere introduse cu sarja.

Astfel s-a ajuns la valorile din ultima coloana din ambele subtabele (material ieșit și material intrat).

6.2. Calculul tehnologic de șarjă

Obtinearea lingourilor în cuptorul cu arc electric în vid cu electrod consumabil, schematic se prezinta (figura de mai jos).

astfel:

Lingoul de TiAI6V4 ce se obtine contine 6% Al, 4% V, 90% Ti.

Densitatile titanului, aluminiului si vanadiului sunt:

ρ Ti = 4,51 g/cm3

ρ AI = 2,7 g/cm3

ρ V = 6,1 g/cm3

Sa calculam acum densitatile prealiajului AIV70 si ale aliajului TiAl6V4:

70/100∙1/{6,1}+30/100∙1/{2,7} = 1/{ ρ AIV70} => ρ AIV70 = 4,427 g/cm3

90/100∙1/{4,51}+6/100∙1/{2,7}+4/100∙1/{6,1}= 1/ ρ TiAI6V4 =>

ρ TiAI6V4 = 4,3795 g/cm3

Lingoul de TiA16V4 rezultat în urma decojirii si debitarii amorsei având diametrul Ø 480 mm si lungimea de 2680 mm are volumul urmator:

Vlingou1 = { π ·d2 }/4·l = {π·482}/ 4·268 = 484961,37 cm3;

Masa acestui lingou va fi:

mlingou1 = Vlingou · ρ TiAI6V4 = 2123,888 kg.

Lingoul de TiAI6V4 înaintea decojirii are dimensiunile :

– diametrul lingoului Ø 500 mm,

– lungimea lingoului 2700 mm,

deci volumul acestuia este:

Vlingoul2 = {Ti·d2 }/4·l = { π·502}/ 4·270 = 530143,76 cm2;

iar masa acestui lingou va fi:

m lingoul2 = V lingoul2 · ρ = 2321,764 kg.

La topirea a II-a, randamentul în raport cu metalul topit este 93% (procente în greutate); deci înainte de retopire, lingoul de TiAI6V4 obtinut în urma primei topiri si utilizat ca electrod pentru topirea a ll-a va avea greutatea:

mlingoul3 = {2321,764·100}/93 = 2496,52 kg.

La prima topire randamentul în raport cu metalul topit este 87% (procente în greutate).

Deci masa electrodului utilizat la prima topire este :

m lingoul4 = {2496,52·100}/87 = 2869,56 kg.

In cursul tuturor acestor operatii se recupereaza din materialul utilizat;

se recupereaza spanul în atelierul de strungarie unde se executa decojirea, de asemenea sunt usor de recuperat stropii de aliaj, obtinuti din condensarea vaporilor de aliaj, pe partea superioara a creuzetului si pe peretii camerei de topire.

Indicele de recuperare la operatia de decojire este 8%. Deci la un lingou de 2321,764 kg se recupereaza:

2321,764·8/100=185,74 kg.

La topirea a 11-a indicele de recuperare este 5,5%. Deci, din lingoul de prima topire introdus la retopire, cantitatea de material ce se recupereaza este:

2496,52·5,5/100=137,3 kg.

La prima topire indicele de recuperare este de 10,3% din electrodul introdus la prima topire si se recupereaza :

2869,56·10,3/100 = 295,56 kg.

Materialul recuperat din operatiile de obtinere a lingoului de TiAI6V4 final, material ce se recircula în proces, va avea masa:

mmat.rec = 185,74 +137,3 + 295,56 = 618,6 kg.

Deci din masa de 2869,56 kg a electrodului, 618,6 kg este reprezentata de materialul recirculat în timpul procesului.

Deci necesarul de materie prima pentru obtinerea electrodului la presa hidraulica este 2869,56 – 618,6= 2250,96 kg

Adaugând pierderile de material de la curatire, dozare si amestecare (~0,88%), necesarul de materie prima ce trebuie scos din depozit pentru obtinerea unui lingou este:

2250,96 + 20 (~0,88%) = 2270,96 kg

Din cele 2270,96 kg materie prima,

mTi = 2270,96·90/100 = 2043,864 kg,

reprezinta necesarul de burete de titan pentru obtinerea unui lingou.

La fel

mAI = 2270,96 · 6/100 = 136,26 kg necesaml de aluminiu;

mV = 2270,96 · 4/100 = 90,84 kg necesarul de vanadiu. Deci randamentul în raport cu materia prima este:

{2123 · 100} / {2270,96} = 93,53%

Deci, într-un an, pentru a obtine 500 tone lingouri, necesarul de materie prima este:

{500·100 }/X= 93,53%

unde:

X= 523,4 tone.

Din acest necesar de materie prima avem :

90/100·523,4 = 471,061 burete de Ti;

6/100·523,4 =31,41t aluminiu;

4/100·523,4= 20,94 t vanadiu;

Adica, fie prealiajul AIV70, avem:

{20,94·100}/70 = 29,921 prealiaj AIV70, din care avem :

{29,92·30}/100=8,98t aluminiu.

Deci necesarul de pulbere de aluminiu este:

31,4-8,98= 22,43 tAlpulbere.

Considerând si pierderile cu depozitarea, necesaul de materii prime (0,005% pierderi cu depozitatrea-manipularea) pe un an de zile va fi urmatorul:

23,47 tone Al pulbere;

493 tone burete de titan;

31,31tone prealiaj de AIV70.

Materiale introduse in cuptor sub forma de șarjă.

Material elaborat.

6.3. Alegerea și calculul cuptorului de elaborare

Pentru elaborarea acestor aliaje avem de ales, în special între doua tipuri de cuptoare: cuptor cu flux de electroni si cuptorul cu electrod consumabil. Principalele deosebiri dintre cele duoa cuptoare sunt:

– omogenitatea crescuta a lingourilor la cuptorul cu flux;

– vidul mai înaintat la acesta din urma precum si posibilitatea folosirii atmosferei inerte la cuptorul cu arc;

– capacitatea de elaborare mai redusa precum si controlul mai scazut al procesului la acesta din urma.

In ciuda deficientelor sale a fost ales cuptorul cu arc cu electrod consumabil în special datorita faptului ca cele doua aliaje pe care dorim sa le elaboram contin aluminiu.

Ori stim ca aluminiul are o tensiune mare de vapori ceea ce poate duce la o eliminare excesiva a sa din aliaj la elaborarea în cuptorul cu flux.

Nu ar fi indicata în acest caz folosirea unei cantitati prea mari de pulbere de aluminiu la încarcatura, datorita evaporarii sale foarte rapide stiind ca cuptorul cu flux nu lucreaza decât dincolo de un vid destul de înaintat.

O alta caracteristica importanta este si consumul redus de energie electrica al cuptomlui cu arc.

Celelalte deficiente ale cuptorului cu arc pot fi eliminate sau atenuate considerabil prin luarea de masuri corespunzatoare.

Astfel, omogenitatea scazuta se elimina prin folosirea aceluiasi lingou la doua topiri succesive, ridicarea capacitatii de elaborare prin folosirea în serie a doua cuptoare pentru cele doua topiri (necesare de altfel si la elaborarea în cuptorul cu flux), controlul cu calculator de proces a regimului de functionare a cuptorului cu arc eliminând astfel la minimum probabilitatea de aprindere în arc cu explozie, un accident foarte periculos în astfel de cazuri.

Cresterea ponderii deseurilor introduse în încarcatura se poate face si pe seama maririi presiunii de presare. Procesul de alimentare a sarjei în electrod este automatizat.

Inainte de începerea procesului de topire propriu-zisa se controleaza etanseitatea si vidul care trebuie adus la nivelul normelor stabilite.

Dupa aceasta, se sudeaza electrodul si se începe topirea.

Dupa aparitia metalului topit se mareste intensitatea curentului pâna la valoarea nominala si procesul de topire se desfasoara în conditiile parametrilor optimi. Dupa terminarea topirii, cristalizatorul este lasat în cuptor pentru racire.

Durata racirii depinde de diametrul lingoului si de compozitia aliajului.

De mentionat ca, temperatura trebuie sa fie aproximativ de 400-450°C deoarece la temperatura mai ridicata are loc oxidarea suprafetei lingoului.

Totodata, evacuarea lingoului din cristalizator la temperaturi mai joase de 400°C conduce la micsorarea productivitatii cuptorului, lingourile folosite la aceasta temperatura se prelucreaza prin aschiere mult mai usor.

Pentru realizarea celei de-a doua topiri, 2-3 lingouri de la topirea I, dupa pregatirea corespunzatoare se sudeaza direct în cuptor, sau în afara cuptorului, prin sudura electrica în atmosfera de argon.

La retopire, electrozii se sudeaza în ordinea urmatoare : partea inferioara a lingoului 1 cu parte superioara a lingoului 2, pentru obtinerea unui lingou uniform, din punct de vedere al compozitiei chimice.

Pregatirea lingourilor, de la topirea l pentru topirea II consta în urmatoarele operatii: imediat dupa evacuare, înca în stare fierbinte, de la topirea I, lingoul se curata cu o perie metalica umezita cu apa rece, pentru îndepartarea mecanica (se taie capetele la strung si se curata locurile oxidate).

Retopirea este condusa în acelasi regim ca prima topire, cu exceptia sfârsitului procesului când se schimba regimul de lucru pentru eliminarea retasurii.

A doua retopire pentru aliajele cu componenti usor volatili se face in atmosfera inerta la o presiune de 30…50 mmHg.

7. Cercetari asupra comportarii la coroziune a aliajelor de titan Ti gr.2 si Ti gr.12

7.1. Metodica testelor de coroziune

Cea mai obisnuitã metodã de evaluare a rezistentei la coroziune este metoda gravimetricã, prin care se determinã variatia în greutate a probelor testate pe timpul expunerii la un agent coroziv, în prealabil ales ( unul standard sau unul care sã simuleze conditiile de exploatare a materialelor testate). Din determinãrile variatiilor în greutate se pot calcula vitezele de coroziune respective.

In contrast cu producerea coroziunii uniforme, materialele structurale folosite la depozitarea combustibilului nuclear ars în medii saline pot suferi si o coroziune pitting.

Conditia de bazã pentru aparitia acestui tip de coroziune este existenta unei stãri pasive a metalului în mediul respectiv. Pittingul apare când portiuni din suprafata metalului îsi pierd pasivitatea si se dizolvã rapid. De obicei, acest atac apare pe eterogenitãtile suprafetei, fie ele fizice sau chimice. Pituirea unui material depinde puternic de prezenta speciilor agresive în mediu a unui potential oxidant suficient de mare al acestora (de exemplu ioni de Cl- în solutii aerate aflate în contact cu suprafata metalicã).

In timp ce, viteza coroziunii uniforme poate fi urmãritã prin intermediul variatiei masei probei raportatã la suprafata ei si la timpul de stationare în mediu, pentru evaluarea coroziunii pitting trebuie folosite si alte metode.

Pentru determinarea susceptibilitãtii la coroziune localizatã sunt indicate standardele care folosesc un mediu care atacã preferential anumite structuri (de exemplu: FeCl3 6%, CH3COOH 10 %, NaCl 1 M, H2SO4 5%, functie de aliajul studiat).

Astfel, pentru detectarea coroziunii pitting pot fi folosite douã categorii de teste:

– teste chimice, conform ASTM G-48 si

– teste electrochimice, conform ASTM G-61.

In ASTM G-48 si ASTM G-61 sunt prezentate si principalele metodologii de evaluare a coroziunii pitting si anume determinarea densitãtii piturilor (np = numãrul de pituri/cm2) si a adâncimii acestora. Pentru evaluarea acestor parametri, tehnica cea mai utilizatã este microscopia metalograficã.

Avantajul utilizãrii testelor electrochimice constã în faptul cã investigarea fenomenului de coroziune se poate face atât în solutiile de interes, cât si medii cu diverse agresivitãti, durata investigatiilor si obtinerea rezultatelor facându-se dupã o perioadã de timp mult mai scurtã decât în cazul testelor chimice clasice.

Explicatia proceselor chimice care se petrec pe parcursul testelor chimice executate în solutii 6 % gr.FeCl3 – conform ASTM G-48 este urmãtoarea: testul în solutie de FeCl3 este similar unui test potentiostatic, fiind bazat pe faptul cã sarea fericã formeazã în solutie un cuplu redox Fe3+/Fe2+ al cãrui potential specific este de cca. (+ 0,45)V (SCE). In cazul unui electrod ideal nepolarizabil, concentratia initialã înaltã a ionilor Fe3+ permite ca acest cuplu sã furnizeze un curent mare, fãrã o schimbare apreciabilã în potential. Reactia catodicã – reducerea ionilor ferici la ioni ferosi are loc pe suprafata pasivã expusã. Potentialul înalt autostabilit mãreste probabilitatea de depãsire a potentialului de pitting, ajungând pânã la cca. 1V. In cazul unor solutii concentrate în ioni de clor, fenomenul se accentueazã odatã cu cresterea temperaturii de testare pânã la 50C, pH-ul coborât al acestora (în jur de 1,3) inhibând repasivarea si micsorând implicit stabilitatea filmului pasiv.

Potentialele pitting ale majoritãtii aliajelor imersate în solutii de FeCl3 fiind situate mult sub (+ 0,45)V (SCE), este indicat ca propagarea coroziunii localizate sã fie studiatã în aceastã solutie.

Testul în FeCl3 6% constã în expunerea probelor timp de 72 ore la temperatura de 50 2C, dupã care probele se spalã, se usucã si se cântãresc.

Probele se sustin pe suporti de sticlã, evitându-se atingerea între ele si fierberea violentã a solutiilor de testat. Numãrul probelor testate se calculeazã astfel încât volumul de solutie/unitatea de suprafatã sã fie de 20 ml/cm2. Probele pentru testele de coroziune au avut formã paralelipipedicã si s-au prelevat din placa 5, 6 si 10 pentru aliajul Ti gr.2 si din placa 13, 16 si 17 pentru aliajul Ti gr.12. Probele ce au corespuns îmbinãrilor sudate realizate conform parametrilor de sudurã prezentati în Tabelul 2 au avut dimensiunile de 45x10x6mm si au cuprins zona de sudurã si zona influentatã termic, iar probele în stare de livrare au corespuns materialului de bazã si au avut dimensiuni de 20x10x6 mm.

Dupã prelevare, prin frezare, probele au fost rectificate pentru obtinerea unor suprafete plane, codificate pentru identificare si gãurite pentru prindere pe suporti. Suprafata probelor a fost pregãtitã prin polizare mecanicã finã si degresare în amestec ternar de solventi organici (1/3 acetonã + 1/3 benzen + 1/3 alcool etilic).

Probele au fost mãsurate pentru calculul suprafetelor si cântãrite înainte si dupã testare pentru calcului variatiilor în greutate.

Pentru calculul vitezelor de coroziune s-a folosit formula:

unde:

W – variatia în greutate în g;

d – densitatea aliajului în g/cm3 (4,51 pentru Ti gr.2 si 4,52 pentru Ti gr.12);

A – suprafata probelor în cm2 si

t – timpul de expunere,în ore.

Dupã testare, probele au fost examinate vizual si prin microscopie metalograficã pentru identificarea atacului coroziv în zona de sudurã, influentatã termic si în materialul de bazã.

Aspectul microscopic al zonelor examinate este prezentat în Figurile 6.196.20 pentru probele testate în FeCl3.

Susceptibilitatea la coroziune localizatã (pitting), în solutie de 1 M NaCl, se poate determinat pe baza formei curbelor de polarizare ciclicã si a valorilor determinate pentru potentialele de initiere a coroziunii pitting si de repasivare a piturilor pentru probele testate în stare de livrare si pentru îmbinãrile sudate.

Aliajele de titan au fost elaborate la Institutul de Metale Rare si Neferoase (IMNR-SA) Bucuresti, iar îmbinãrile sudate au fost realizate în SCN, folosind diferiti parametri tehnologici în timpul operatiei de sudurã .

Caracterizarea comportãrii la coroziune a probelor testate s-a fãcut pe baza determinãrilor de încercãri mecanice (duritate, rezistentã la rupere), determinãrilor gravimetrice (viteze de coroziune), determinãrilor prin microscopie metalograficã (caracteristici microstructurale, aspect probe corodate).

Prin interpretarea si corelarea rezultatelor experimentale obtinute s-a determinat susceptibilitatea la coroziune a celor douã aliaje (Ti gr.2 si Ti gr.12) în stare de livrare si în stare sudatã si s-au obtinut date necesare pentru identficarea mecanismului de coroziune, utile pentru a evalua dinamica procesului coroziv.

7.2. Caracteristici structurale și determinãri mecanice. Rezultate experimentale și interpretarea lor

Realizarea îmbinãrilor sudate.

Pentru realizarea îmbinãrilor sudate s-a folosit aceeasi tehnicã de sudurã, dar parametrii de sudurã au fost diferiti. Pregãtirea plãcilor din aliaj Ti gr.2 si Ti gr.12 în vederea efectuãrii operatiei de sudurã s-a efectuat în felul urmãtor:

Plãcile din cele douã aliaje cu dimensiunile de 6x100x100 mm au fost tãiate pe jumãtate, iar muchiile rostului au fost sanfrenate pe frezã la dimensiunile corespunzãtoare realizãrii îmbinãlor sudate. Indepãrtarea grãsimilor si a uleiurilor provenite de la prelucrãrile mecanice s-a fãcut prin degresare în alcool etilic, iar finisarea suprafetelor s-a realizat prin decapare în amestec nitro-fluorhidric (40% HNO3 conc., 4 % HF con. si 56 % apã distilatã) timp de cca.5 minute, urmatã de spãlarea în apã caldã. Materialul de adaos (sârma din cele douã aliaje) a urmat acelasi tratament chimic.

Procedeul de sudurã a fost “cap la cap în V”, cu arc electric în gaz inert – WIG (Wolfram Inert Gaz) cu material de adaos. S-au folosit electrozi de wolfram thoriat cu =2,5 mm. Conductibilitatea termicã redusã a titanului a favorizat obtinerea unui cordon îngust si adânc.

Plãcile bine curãtate au fost fixate într-un dispozitiv special pentru formarea rostului de sudare, asigurându-se curgerea gazului inert (argon) pe toatã perioada procesului de sudare. Primul strat s-a sudat fãrã material de adaos, iar la al doilea strat s-a folosit sârmã de titan, avându-se grijã sã nu se scoatã din zona protejatã cu argon capãtul fierbinte al acestuia.

Parametrii de sudurã, corespunzãtori celor douã aliaje sunt prezentati în Tabelul 7.1.

Tabelul 7.1. Parametrii de sudurã pentru aliajul ti gr.2 si Ti gr.12

Dupã operatia de sudurã plãcile 2, 3 si 5 din Ti gr.2 au fost recoapte. Tratamentul de recoacere pentru stabilizarea structurii s-a efectuat în cuptor sub vid la urmãtorii parametri: vid 10-5 torr., temperatura de recoacere 650C, timp de mentinere în palier 15 min. si rãcire liberã timp de cca.120 minute.

Inainte de efectuarea testelor de coroziune îmbinãrile sudate au fost analizate prin microscopie metalograficã pentru determinarea caracteristicilor metalurgice si s-au efectuat determinãri de încercãri mecanice (duritate si rezistentã la tractiune).

Incercãrile de duritate s-au efectuat pe îmbinãrile sudate din Ti gr.2 si Ti gr.12 conform instructiunii LI-TH-24/94.

Determinãrile s-au fãcut pe cele 3 zone de interes:

zona îmbinãrii sudate – III, IV, V;

zona influentatã termic – II, VI si

zona materialului de bazã – I, VII, conform schitei prezentate în Figura 6.13.

Fig. 7.1. Schita amprentelor de duritate Vickers pe o îmbinare sudatã

Rezultatele determinãrilor de duritate sunt prezentate în Tabelul 7.2.

Determinãrile de duritate s-au efectuat înainte si dupã testarea la coroziune.

Pentru determinarea caracteristicilor mecanice la rupere (F, si ) s-a efectuat ruperea epruvetelor pe o masinã de tip INSTRON, la temperatura ambinatã. S-a urmãrit ca ruperea sã aibã loc în afara îmbinãrii sudate, iar atunci când ruperea a avut loc în imbinarea sudatã, ca tensiunea de rupere sã fie mai mare decât tensiunea minimã de rupere admisã, pentru materialul studiat.

Incercãrile de rezistentã la tractiune s-au efectuat pe epruvete prelevate din plãcile 6, 7 si 10 din aliaj Ti gr.2 si pe placa 16 din aliaj Ti gr.12 si sunt prezentate în Tabelul 4.

Pentru analiza metalograficã s-au examinat probele prelevate din ambele aliaje, corespunzãtoare celor trei zone: materialul de bazã, zonele influentate termic si zonele sudate, cu parametrii diferiti pentru realizarea îmbinãrilor respective. Probele au fost pregãtite în sectiune transversalã prin slefuire pe hîrtie hidrorezistentã de granulatie crescãtoare pânã la 1200, lustruite cu suspensie de oxid verde de crom si atacate chimic conform retetei R-72 din ASTM E-407, pentru evidentierea structurilor corespunzãtoare zonelor testate. Examinarea prin microscopie metalograficã s-a efectuat la mãrimea de (x100) si (x 200).

Examinarea prin microscopie metalograficã a probelor în stare de livrare si sudate a evidentiat urmãtoarele aspecte structurale:

Aliaj Ti gr.2 – placa 5

Structura în zona materialului de bazã (stare de livrare) este formatã din fazã cu aspect poliedric (Fig. 7.2.a), în zona influentatã termic este formatã din fazã cu aspect lamelar (Fig. 7.2.b), iar în zona de sudurã este formatã din fazã cu aspect poliedric si tendintã de maclare (Fig. 7.2.c).

Fig. 7.2. Aspectul structurii probelor prelevate din aliajul de titan gr.2,

placa 5.

Aliaj Ti gr.2 – placa 6

Structura în zona materialului de bazã este formatã din fazã cu aspect lamelar cu lamelele mici si alungite (Fig. 7.3.a), în zona influentatã termic este formatã din fazã cu aspect lamelar cu lamelele mai lungi, pe un fond cu aspect ecruisat (Fig. 7.3.b), iar în zona de sudurã este formatã din fazã cu aspect lamelar cu lamelele lungi, dispuse în coloane, pe un fond de bazã cu aspect ecruisat (Fig. 7.3.c).

Fig. 7.3. Aspectul structurii probelor prelevate din aliajul de titan gr.2, placa 6.

Aliaj Ti gr.2 – placa 7

Structura în zona materialului de bazã este formatã din fazã cu aspect lamelar, cu lamelele mici (Fig. 7.4.a), în zona influentatã termic, este tot structurã formatã din fazã cu aspect lamelar, dar cu lamele mai mari (Fig. 7.4.b), iar în zona de sudurã, structura este formatã din fazã cu aspect poliedric, de culoare albã si grãunti închisi la culoare care ar putea fi fazã (prezenta acestei faze s-ar explica prin faptul cã realizarea sudurii se face în domeniul ) sau tot fazã , dar cu compozitie diferitã de matrice (Fig. 7.4.c).

Fig. 7.4. Aspectul structurii probelor prelevate din aliajul de titan gr.2,

placa 7.

Aliaj Ti gr.2 – placa 10

Structura în zona materialului de bazã este formatã din fazã cu aspect lamelar cu lamelele mici (Fig. 7.5.a), în zona influentatã termic este formatã tot din fazã dar cu lamelele mari (Fig. 7.5.b), iar în zona de sudurã este formatã din fazã cu aspect combinat (lamelar si poliedric), cu lamelele foarte mari si cu posibilitatea de aparitie a fazei (Fig. 7.5.c).

Fig. 7.5. Aspectul structurii probelor prelevate din aliajul de titan gr.2, placa 10.

Aliaj Ti gr.12 – placa 13

Structura materialului de bazã este formatã din faza cu aspect lamelar, cu lamele mici si cu tendintã de asezare în coloanã (Fig. 7.6.a). S-au evidentiat si unele neomogenitãti locale sub forma unor precipitate. Structura zonelor influentate termic este asemãnãtoare cu cea a materialului de bazã, cu deosebirea cã lamelele sunt ceva mai mari, iar neomogenitãtile locale sunt mai evidente (Fig. 7.6.b). In zona de sudurã lamelele fazei sunt mari si asezate în coloanã (Fig. 7.6.c).

Figure 7.6. Aspectul structurii probelor prelevate din aliajul de titan gr.12, placa 13

Mãsurãtorile de duritate efectuate înainte de testarea la coroziunea pitting, au evidentiat cã zonele sudate ale probelor prelevate din ambele aliaje (Ti gr.2 si Ti gr.12) au duritatea cea mai ridicatã. Zonele influentate termic au duritatea în general apropiatã de cea a materialului în stare de livrare (materialul de bazã) (Tabelul 7.2.).

Tabelul 7.2. Valorile determinãrilor de duritate Vickers efectuate pe aliajele Ti gr.2 si Ti gr.12.

A – valorile înainte de testarea la coroziune

B – valorile dupã testarea la coroziune

Dupã testarea la coroziune s-a observat cã pe plãcile 5 si 7 prelevate din Ti gr.2 si pe placa 16 prelevatã din Ti gr.12, duritatea materialului de bazã si a zonei influentate termic, a crescut usor sau a rãmas constantã, în timp ce duritatea în zona centralã a îmbinãrii sudate a crescut cu cca. 2060 de unitãti HV.

In cazul plãcilor 6 si 10 prelevate din Ti gr.2, duritatea materialului de bazã si a zonei influentate termic a scãzut usor sau a rãmas constantã, iar duritatea în zona centralã a îmbinãrii sudate a scãzut cu cca.1530 de unitãti HV. (Tabel 6.13).

Analiza probelor sudate la rupere aratã cã ruperea s-a produs atât în metalul de bazã (MB) cât si în zona influentatã termic (ZIT), Tabelul 7.3.

Tabelul 7.3. Caracteristicile mecanice la rupere determinate

pe probele sudate din aliaje de titan

MB – material de bazã

ZIT – zonã influentatã termic

S – zonã de sudurã

rmin = 350 N/mm2 – Ti gr.2;

rmin = 480 N/mm2 – Ti gr.12;

Pentru aliajul Ti gr.2 ruperea a avut loc la o tensiune de rupere mai mare decât cea minim admisibilã (350 N/mm2), chiar dacã s-a produs în zona influentatã termic,. Valorile cele mai mari pentru tensiunea de rupere s-au obtinut pe placa 10. In cazul aliajului Ti gr.12 ruperea a avut loc, în general, la tensiuni mai mici decât cea minim admisibilã, de 480N/mm2.

8. Concluzii

Caracterizarea comportãrii la coroziune a probelor testate s-a fãcut pe baza determinãrilor de încercãri mecanice (duritate, rezistentã la rupere), determinãrilor gravimetrice (viteze de coroziune), determinãrilor prin microscopie metalograficã pentru a obține rezultatele cat mai exacte.

La ambele aliaje structura se modifica in zona influențată termic si in zona de sudură.

În urma testării la coroziuna pitting la ambele aliaje a rezultat că zonele sudate ale probelor prelevate au diritatea cea mai ridicată.

onele influentate termic au duritatea în general apropiată de cea a materialului de bază.

Dupã testarea la coroziune s-a observat cã pe plãcile 5 si 7 prelevate din Ti gr.2 si pe placa 16 prelevatã din Ti gr.12, duritatea materialului de bazã si a zonei influentate termic, a crescut usor sau a rãmas constantã, în timp ce duritatea în zona centralã a îmbinãrii sudate a crescut cu cca. 2060 de unitãti HV.

In cazul plãcilor 6 si 10 prelevate din Ti gr.2, duritatea materialului de bazã si a zonei influentate termic a scãzut usor sau a rãmas constantã, iar duritatea în zona centralã a îmbinãrii sudate a scãzut cu cca.1530 de unitãti HV.

Pentru aliajul Ti gr.2 ruperea a avut loc la o tensiune de rupere mai mare decât cea minim admisibilã (350 N/mm2), chiar dacã s-a produs în zona influentatã termic,. Valorile cele mai mari pentru tensiunea de rupere s-au obtinut pe placa 10. In cazul aliajului Ti gr.12 ruperea a avut loc, în general, la tensiuni mai mici decât cea minim admisibilã, de 480N/mm2.

9. Evoluția prețului titanului

Deși producția comercială de pigmenți de titan a început în anii 1900, metalul produs comercial nu a fost disponibil decât în 1948.

Oxidul de titan (TiO2) este utilizat în industria coloranților (59%), albirii hârtiei (20%) și a maselor plastice (12%).

Ti este consumat în primul rând în industria aerospațială comercială și militară.

Producții de mare capacitate de burete de titan există în China, Japonia, Kazahstan, Rusia, Ucraina și SUA..

După atacurile asupra WORLD TRADE CENTER din septembrie 2001, industria titanului s-a confruntat o perioadă de timp cu un declin datorat scăderii cererii din industria aeronautică.

Chiar dacă cererea de burete de titan în SUA a scăzut cu 34% în 2002, în absența viitoarelor posibile atentate asupra flotelor comerciale se preconizează o creștere a cereri de titan.

În prezent industria aeronautică, atat secțiunea militară cat și sectiunea aviației civile s-au înviorat. Se estimează creșteri puternice ale cererii de aliaje de titan având în vedere că avionul F 22 – viitorul avion de lupta din dotarea SUA – este confecționat în proporție de 39% din aliaje de titan.

Flota de avioane de peste 100 locuri a Europei de Vest care în 2004 numara 10.800 de aparate de zbor se preconizează să ajungă în 2020 la 30.000 de unitați.

Avionul Airbus 380 utilizează mai mult de 65 t aliaje de titan.

Titanul este folosit în proporții egale în industria aeronautică cât și în celelalte industrii; numai în SUA balanta este mai înclinată spre industria aeronautică.

Buretele de titan este furnizat de 9 producători din 6 țări.

Rusia, Kazakstan și Japonia dețin în prezent 75 % din productia mondială, care era în anul 2003 de 73.000.

De partea cealaltă SUA deține 54% din capacitațile mondiale de obținere a titanului lingou cu 161.000.

Această capacitate este împărțită între cei trei mari producători americani: Timet, Allegheny Tehnologes și RMI Titanium.

Folosirea titanului la construcția de mașini, în construcții și la aparatura medicală este restrictionată în prezent de costurile ridicate de producție. Totuși se fac cercetări la Cambridge și nu numai pentru reducerea costurilor de producție a titanului.

Consumul mondial de Ti și aliaje de Ti au fost în 2003 de 60.000 tone și alte 32.000 tone de Ti au fost consumate mai ales sub formă de fero-titan în oțel și alte aliaje.

Cererea SUA a reprezentat aproape 30% din cererea mondială de pulbere de titan, urmată de Japonia 12%, China 10%. Comertul international de ferotitan estimat la aproape 50.000 tone pe an este dominat de exporturile din Marea Britanie și Rusia spre restul UE, Japonia și SUA.

Producția Rusiei a scăzut simțitor în anii 90, dar a crescut în 2002 la 12.000 t ajungând în 2004 la 24.000 t, în timp ce producția Marii Britanii a rămas constantă între 15-20.000 t pe an.

Rolul grupului Rus Vsmpo-Avisma lider pe piata titanului continua să crească simțitor, ajungând la capacitatea operatională de 24.000 t pe an în 2004. Un recent contract cu Allvac (Allegheny Tehnologies) le-a oferit acestora o bază mult mai stabilă pentru a vinde în SUA, cel mai mare consumator de titan..

De-a lungul timpului prețul titanului a ramas relativ stabil, cererea ramânând constantă, iar prețul buretelui de titan variind foarte puțin în 2001 și 2002.

Deoarece nu a existat o reducere importantă în costurile de recuperare, și în plus deșeurile de titan sunt greu de găsit, prețul anual al buretelui ar putea creste. În mod similar lipsa reciclării și cresterea cererii au dus la cresterea rapidă a prețului pe ferotitan în prima jumătate a anului 2004, de la aproximativ 4$/KG în august 2003 la peste 11$/kg.

Dezvoltarea procedeului continuu FFC Cambridge pentru producerea buretelui de titan în paralel cu cercetarile avansate din domeniul metalurgiei pulberii, vor conduce la scădererea costurilor de formare și turnare, mărind accesibilitatea folosirii acestui metal.

Evenimente importante ce au afectat prețul Ti din anul 1958 până în 2000:

1971 – terminarea cercetărilor pentru transportul supersonic;

1975-1976 – producția militară de avioane (F-14 si F-15);

1977-1981 – creșterea rapidă a comenzilor pentru avioane comerciale;

1982-1984 – căderea pieței pentru avioane comerciale;

1984-1986 – producerea bombardierelor B1- B;

1985-1989 – revenirea pieței de avioane comerciale;

1988-1989 – creșterea prelucrării buretelui în SUA ;

1990-1994 – reducerea spațiului de manevră militar și commercial;

1992 – deschiderea fabricii de la Ashtabula, care reduce buretele cu Na;

1993 – deschiderea fabricii de la Henderson, care reduce buretele cu Mg;

1994-1997 – scăderea comenzilor pentru bunuri de consum și zboruri comerciale;

1997-1998 – anularea unor comenzi de avioane comerciale datorate crizei asiatice;

2001 – atentatele de la WORLD TRADE CENTER, urmate de recesiunea din domeniul aeronautic ;

2006 – lansarea producției Airbus 380.

Spre deosebire de alte metale, titanul nu este vândut pe orice piață. Deși adesea nespecificat, prețurile buretelui sunt în mod normal raportate la un minimum de 93,3% conținut de titan cu o duritate Brinell de mai puțin de 120.

Bibliografie

Edith Beral & Mihai Zapan – Chimie anorganică, Editura tehnică, București, 1977

Casillas, N.; Charlebois, S.; Smyrl, W. H.; White, H. S. (1994). „Pitting Corrosion of Titanium”

CUPRINS

1. Titanul ……. 1

1.1. Proprietățile fizice și chimice ale titanului și

compușilor săi ….… 1

1.2. Răspândirea în natură. Minerale. Materii prime ….… 5

1.3. Compușii titanului ….… .8

1.4. Domenii de utilizare ale titanului și compusilor săi ….… 11

2. Metalurgia extractivă a titanului ….… 17

2.1. Producerea titanului si a compusilor cu utilizare

industriala ….. ..17

2.2. Producerea hidrometalurgică a bioxidului de titan din concentrate de ilmenit (procedeul Leverkusen) ….… 19

2.2.1. Dezagregarea concentratelor de ilmenit ….… 19

2.2.2. Hidroliza titanului din solutiile purificate ….… 20

2.2.3. Calcinarea produselor de hidroliză ….… 21

2.2.4. Reducerea bioxidului de titan cu calciu ….… 22

2.2.5. Reducerea bioxidului de titan cu hidrură

de calciu ….… 23

3. Obținerea titanului compact și a aliajelor pe baza

de titan ….… 24

3.1. Cuptor cu arc și electrod consumabil ….… 24

3.2. Cuptor cu arc și electrod neconsumabil ….… 26

3.3. Cuptor cu flux de electroni ….… 28

4. Prelucrarea titanului și a aliajelor sale ….… 30

4.1. Deformarea la cald ….… 30

4.2. Prelucrarea la cald ….… 30

4.3. Sudarea și lipirea ….… 31

4.4. Prelucrarea deșeurilor de titan ….… 31

5. Elemente de proiectare tehnologica ….… 32

5.1. Schema tehnologică de elaborare a aliajelor

pe baza de titan ….… 32

6. Calculul de șarjă ….… 46

6.1. Calculul aliajului TiAl6V4 ….… 46

6.2. Calculul tehnologic de șarjă ….… 52

6.3. Alegerea și calculul cuptorului de elaborare ….… 56

7. Cercetări asupra comportării la coroziune a aliajelor

de titan Ti gr.2 și Ti gr.12 ….… 58

7.1. Metodica testelor de coroziune ….… 58

7.2. Caracteristici structurale și determinãri mecanice.

Rezultate experimentale și interpretarea lor ……..60

8.Concluzii ….… 69

9. Evoluția prețului titanului ….… 70