Dozarea carbonului din fonte Si oTeluri

Continutul de carbon din aliajele feroase constituie criteriul de clasificare al acestora in fonte ( C > 1,7 % ) si oteluri ( C < 1,7 % - in general sub 1% ) precum si caracteristica de baza pentru atribuirea marcii otelurilor. Carbonul se gaseste in fonte si oteluri atat in stare libera, cat si legat chimic sub forma de carburi-carbura de fier FeC₃ in fonte si in oteluri carbon si carburi ale elementelor de aliere Cr₃C₂, Cr₅C₂, Cr₇C₂, MoC, Wc etc. in oteluri aliate.

Prin analiza chimica se determina, in general, continutul de carbon total ( carbon liber, legat ) care conditioneaza marca otelului sau se determina continutul de carbon liber, separandu-l de carbonul legat chimic, prin tratare cu acizi diluati : carbonul liber fiind insolubil se filtreaza si apoi se determina printr-una din metodele descrise in continuare.

Determinarea continutului de carbon din diverse materiale (aliaje, metale, minereuri etc) se poate efectua prin doua metode :

Metoda gaz-volumetica in care se foloseste :

- o biureta gradata intre 0-2% C sau 0-4%, pentru continuturi de carbon mai mari decat 0,1% ;

- o microbiureta gradata intre 0-0,25% C pentru continuturi de carbon sub 0,1%

Metoda volumetrica - cu hidroxid de bariu Ba(OH)₂, care recomanda pentru determinarea continuturilor de carbon sub 0,1%, dar se poate extinde si pana la 0,3% ;

Ambele metode se bazeaza pe acelasi principiu : arderea probei in curent de oxigen la temperaturi de 1200-1400^oC, pentru transformarea carbonului in dioxid de carbon .

In metoda A se masoara volumul de CO₂ rezultat si se converteste in procente de carbon.

In metoda B, CO₂ format se absoarbe intr-o solutie titrata de hidroxid de bariu al carei exces, ramas dupa precipitarea carbonatului de bariu, se titreaza cu o solutie de HCl 0,02 n.

In mod curent, in laboratoarele industriale se aplica metoda gaz-volumetrica.

Proba trebuie pregatita pentru analiza aplicand cateva operatii importante si absolut necesare in vederea obtinerii unor rezultate bune :

- proba pentru analizat se obtine sub forma de strujituri sau span ;

- strujirea sau spanul se ia de pe suprafata probei sau a piesei curatita in prealabil cu un disc abraziv pentru a indeparta nisipul aderent, crustele de la turnare sau straturile de oxizi ;

- in timpul luarii strujiturii, nu se admite racirea sculelor aschietoare cu uleiuri si emulsii ;

- impurificarea spanului cu aceste substante, necesita spalari cu solventi - eter etilic, alcool etilic, eter de petrol etc si apoi o uscare perfecta ;

- viteza de aschiere trebuie astfel reglata incat sa se evite oxidarea suprafetei strujiturilor, ceea ce conduce la rezultate mai mici decat cele reale ;

strujiturile de fonta se omogenizeaza prin pisare intr-o piulita de otel si cernere printr-o sita cu tesatura de sarma nr 010 (STAS 1077 - 50), dupa care se ia proba de laborator prin metoda sferturilor. Strujiturile de otel nu se piseaza pentru a le omogeniza, in schimb nu trebuie sa fie mai mari de 0,5 mm. Aceste operatii sunt valabile pentru pregatirea probelor de laborator in vederea determinarii continutului oricarui element component al fontelor si otelurilor.

Determinarea continutului de carbon (total) prin metoda gaz-volumetrica (STAS 1457 - 66)

Durata determinarii circa 5 minute.

Principiul metodei:

Proba de fonta sau otel se arde intr-un curent de oxigen la temperaturi cuprinse intre 1100-1400^oC, in prezenta unui fondant, pentru transformarea carbonului in dioxid de carbon :

C + O₂ CO₂

Gazele de ardere rezultate trec intr-o biureta speciala de gaze unde li se masoara volumul; apoi sunt trecute de 2-3 ori printr-o solutie concentrata de hidroxid de potasiu care absoarbe dioxidul de carbon :

CO₂ + 2KOH K₂CO₃ + H₂O

Restul de gaze se trec din nou in biureta gradata, pentru masurarea volumului. Diferenta dintre prima si a doua citire cu biureta, corespunde volumului sau cantitatii de CO₂ absorbit. Astfel daca biureta este gradata in unitati de masa, se obtine direct continutul de carbon al probei analizate; daca biureta este gradata in unitati de volum, se citeste volumul de dioxid de carbon care se converteste apoi in procente de carbon.

Deoarece volumul gazelor este influentat de temperatura si presiune, in final se procedeaza la corelatia volumului de dioxid de carbon masurat in conditii reale de temperatura si presiune, corespunzand conditiilor de etalonare ale biuretei.

Aparatura:

Instalatia pentru determinarea continutului de carbon este prezentata in figura 1 si este compusa din :

- butelie de oxigen (1) prevazuta cu reductor de presiune ;

- vas de spalare (2) cu solutie de hidroxid de potasiu ;

- vasele de spalare (2) si (3) servesc la purificarea oxigenului si controlul debitului de oxigen;

- cuptor electric tubular (4) ce poate fi incalzit pana la maxim 1400^oC ;

- termocuplu (Pt, Rh) (5) ;

- milivoltmetru pentru termocuplu (6) gradat direct in grade Celsius ;

- transformator pentru reglarea tensiunii (7) ;

- tub de combustie (8), conform STAS 2292-51, din portelan nesmaltuit foarte refractar, lung de cel putin 500 mm; capetele tubului care ies prin ambele extremitati ale cuptorului trebuie sa aiba lungimea de cel putin 150 mm. Ambele capete ale tubului se inchid ermetic cu dopuri de cauciuc perforate (protejate la partea interioara cu rondele de azbest) prin care patrunde cate un tubusor de sticla ce face legatura cu restul aparatului.

(Inainte de utilizare tubul trebuie calcinat pe toata lungimea lui, intr-un mediu oxidant, la temperatura de lucru si trebuie verificata etanseitatea lui la gaze) ;

- nacela de combustie (9)din portelan nesmaltuit ;

(Inainte de utilizare nacelele se calcineaza in curent de oxigen la circa 1000^oC si apoi se pastreaza in exicator) ;

- filtru cu vata de sticla (10) pentru retinerea prafului format in tubul de combustie, in urma arderii ;

- refrigerent (11)pentru racirea gazelor ce vin de la cuptor ;

- robinet cu 2 cai (12) care poate face legatura succesiv intre cuptor si biureta de gaz si intre biureta de gaz si vasul de absorbtie ;

- biureta de gaz (13) (tip Wurtz) avand in partea superioara (largita) un plutitor ce inchide orificiul superior si un termometru; biureta are peretii dubli, spatiul dintre pereti fiind umplut cu apa pentru mentinerea constanta a temperaturii gazului. Partea inferioara ingusta e gradata in mililitri (0-32 ml) la presiunea 760 mm Hg, temperatura de 20^oC ;

- vas pentru absorbtia dioxidului de carbon (14) prevazut cu plutitor ;

- vas de nivel (15) de 500 sau 700 cm³ .

Figura 1 : Instalatia pentru determinarea carbonului

Reactivi :

- oxigen de puritate minima 99% ;

-solutie pentru purificarea oxigenului de urmele de dioxid de carbon in vasul (2) si pentru umplerea vasului (14). Se dizolva 300g KOH in apa distilata si se aduce la 1000 cm³;

- solutie pentru purificarea oxigenului de vaporii de apa in vasul (3) - acid sulfuric concentrat ;

- solutie (lichid de etansare) pentru umplerea biuretei (13) si a vasului(15); la 1000 cm³ solutia NaCl 20% se adauga 2-3 picaturi rosu de metil;

- adaosuri pentru amorsarea arderii; staniul pur pulbere sau strujituri fine de cupru electrolitic.

Modul de lucru:

Se cantareste proba (0,5g pentru otel si 0,25g pentru fonta), se aseaza in strat uniform in nacele si se acopera cu fondantul pentru amorsarea arderii (~ 1g). Inainte de inceperea determinarilor propriu-zise se pregateste aparatul astfel :

- se regleaza debitul de oxigen astfel ca viteza de barbotare a O₂ in vasul (2) sa fie de cateva bule oxigen/minut ;

- temperatura din cuptor se regleaza intre 1200-1250^oC pentru fonte si oteluri carbon slab si mijlociu aliate si intre 1300-1350^oC pentru oteluri inalt aliate;

- prin tubul de combustie se trece timp de 2 minute un curent de oxigen pentru indepartarea unor eventuale resturi de substante organice ;

- se verifica etanseitatea aparatului la presiune, lucrand ca la analiza unei probe, dar fara a introduce proba in cuptor. Daca nivelul lichidului la prima citire difera de cel de la a doua citire, dupa ce gazul a fost trecut de 2 ori in vasul de absorbtie (4), aparatul nu e etans, atunci trebuie verificate toate legaturile ;

- se verifica buna functionare a aparatului prin determinarea continutului de carbon al unei probe etalon.

Aceste operatii de verificare se efectueaza la inceputul si la sfarsitul unei serii de determinari. Daca aparatul functioneaza normal se incep determinarile propriu-zise; la sfarsitul unei determinari si inceputul altei determinari biureta (13)este umpluta cu solutie si robinetul (12) se afla in pozitia intreruperii comunicatiei biuretei atat vasul (14) cat si cu tubul de combustie.

Cu ajutorul unui carlig din sarma greu fuzibila se introduce nacela cu proba in zona centrala cea mai calda si se inchide tubul cu dopul de cauciuc, permitand astfel patrunderea curentului de oxigen in tub.

Observatie. Otelurile aliate si in special cele cu un continut mai ridicat de crom se incalzesc inainte de admisia oxigenului timp de 30-90 secunde.

Se manevreaza robinetul (12) asa ca sa permita intrarea gazelor din tubul de combustie (13), se coboara vasul (15) si se lasa gazele sa patrunda lent in biureta.

Observatie. Umplerea biuretei cu produse gazoase de ardere trebuie sa se faca in aproximativ 3 minute, arderea trebuie sa inceapa inainte ca 1/3 din volum sa fie umplut cu oxigen si trebuie sa se termine pana ce se umple cu gaze max. 2/3 din volumul ei, pentru ca cel putin 1/3 din volumul biuretei sa ramana pentru spalarea aparatului. Daca se umple cu gaz mai mult de 1/3 din volumul biuretei inaintea inceperii arderii, determinarea nu e valabila.

- inainte ca nivelul lichidului din biureta sa scada sub gradatia zero, prin intermediul robinetului (12), se intrerupe patrunderea gazelor in biureta (dar si iesirea acestora) si apoi se deschide tubul prin scoaterea dopului de cauciuc ;

- se inchide robinetul buteliei de oxigen ;

- se scoate nacela din cuptor cu ajutorul carligului de sarma si se controleaza (dupa aspectul spanului) daca arderea a fost completa (span complet topit). Daca arderea nu a fost completa, se repeta determinarea cu o alta proba, dupa o incalzire prealabila sau la o temperatura mai mare ;

- se citeste nivelul lichidului in biureta (13) prin ridicarea sticlei de nivel (15) asa incat nivelul lichidului din sticla si in biureta sa fie acelasi - acesta este nivelul care se citeste ;

- se aseaza robinetul (12) in pozitia care permite comunicarea biuretei cu vasul (14) si se trece gazul din biureta in vas, prin ridicarea sticlei (15) si apoi invers, prin coborarea ei ;a operatie se repeta de 2 ori pentru oteluri si de 3-4 ori pentru fonte, avand grija ca de fiecare data volumul de gaz sa treaca in totalitate

dintr-o parte in alta. In final gazul e trecut integral in biureta, dupa care aceasta se inchide prin intermediul robinetului (12). Se citeste din nou nivelul lichidului din biureta ;

-se citeste temperatura la termometrul biuretei si presiunea la un manometru.

Observatie. Nu se ard in acelasi tub de combustie probe de otel dupa ce au fost arse probe de fonte.

Calculul analizei:

Cand biureta cu care se lucreaza este gradata direct in procente de carbon, continutul de carbon al unei probe se calculeaza astfel :

% C =

unde C₁ - reprezinta gradatia la prima citire ;

C₂ - gradatia la a II-a citire ;

F - factorul de corectie pentru temperatura si presiune, luat din tabele;

m - masa probei luata in lucru .

In cazul utilizarii unei biurete gradate in ml, continutul de C al unei probe se calculeaza in raport cu o proba etalon astfel :

% C =

p - continutul procentual de carbon al probei etalon ;

a - ml de CO₂ absorbiti, cititi pe scara gradata a biuretei, pentru proba etalon ;

b - ml de CO₂ absorbiti, cititi pe scara gradata a biuretei, in aceleasi conditii (temperatura si presiune) cu proba etalon, pentru proba de analizat.