Ecologie şi protecţia mediului Laborator nr. 3

SURSE DE POLUARE A FACTORILOR DE MEDIU ALE UNEI INSTALAŢII DE

OBŢINERE A PIESELOR DIN MATERIALE CERAMICE

Scopul lucrării: - Identificarea surselor de poluare ale instalaţiei;

- Identificarea agenţilor poluanţi pentru fiecare sursă de poluare.

1. Noţiuni generale1.1. Materialele ceramice sunt de natură anorganică, fiind obţinute prin combinarea unuia sau mai

multor metale cu un nemetal, de unde şi denumirea de ceramice. Din punct de vedere al apariţiei ele pot fi

ceramice tradiţionale sau ceramice tehnice.

Materialele ceramice tradiţionale includ: ceramicele arse, sticla, porţelanul, cărămida şi betonul.

Orice solid anorganic nemetalic utilizat la temperaturi înalte, este un material ceramic tehnic, cu

precizarea că materialele ceramice tehnice cuprind oxizii unor metale, borurile, carburile şi halogenurile

cu utilitate industrială.

Cele mai larg utilizate ceramice avansate sunt sticlele modificate, silicoaluminaţii, bioxidul de

zirconiu şi altele. Folosită ca atare sau înglobată în materiale compozite, ceramica tehnică este considerată

al treilea material din punct de vedere al importanţei; ponderea cea mai mare o deţine industria

electronică, calculatoarele, construcţiile de maşini, aeronautica, tribologia, biotehnica, etc.

1.2. Grupe de materiale ceramice tehnice CarburileObţinute prin tehnici diverse au proprietăţi deosebite: duritate foarte mare, sensibilitate mijlocie la

şocuri termice, temperaturi de topire ridicate. Au rezistenţă scăzută la oxidare, dar au rezistenţă mare la

fluaj, abraziune, conductibilitate termică ridicată ceea ce le face utilizabile cu precădere în fabricaţia

sculelor aşchietoare.

Cunoscute sub denumirea de plăcuţe de carburi, se utilizează datorită preţului modic, a vitezei mari

de aşchiere, a rezistenţei mari la uzură şi stabilităţii termice. Principalul dezavantaj îl constituie fragilitatea

lor în prezenţa şocurilor mecanice şi a vibraţiilor.

OxiziiAu cel mai adesea utilitate tehnică datorită rezistentei mecanice şi chimice foarte bune şi mai ales a

refractarităţii lor. Inconvenientul principal îl constituie dificultatea în prelucrarea şi rezistenţa scăzută la

şocuri termice.

1.3. Proprietăţile materialelor ceramice

Materialele ceramice se caracterizează prin:

- proprietăţi electrice şi magnetice variind de la izolatori la supraconductori, piezoelectrici, feromagnetici;

- stabilitate chimică foarte bună,

- refractaritate.

În plus utilizările din aeronautică au la bază alte proprietăţi cum sunt:

- ecranarea radiaţiilor infraroşii;

- rezistenţă la eroziunea meteoriţilor;

- rezistenţă la presiuni mari de ordinul 104 barri;

- transparenţa la emisia de unde de înalta frecvenţă;

- conductibilitate termică ce le permite constituirea în scuturi termice necesare la intrarea în atmosferă.

a) Proprietăţile mecanice ale ceramicelor atât cristaline cât şi necristaline, sunt legate de fragilitatea la

temperatura ambiantă. Această fragilitate are două cauze majore:

- mobilitatea extrem de redusă a dislocaţiilor sau absenţa planelor de alunecare la materialele cristaline,

cauzate de legăturile interatomice;

- imposibilitatea moleculelor de a se deplasa la temperaturi mai mici decât cea de amorfizare.

Din cauza comportamentului fragil al ceramicelor, acestea sunt sensibile faţă de modul de

distribuire al zgârieturilor şi crestăturilor superficiale. Pentru a mări rezistenţa lor se aplică diverse

procedee de inducere a unor tensiuni de comprimare în stratul superficial; proprietăţile astfel obţinute sunt

superioare celor ale materialelor metalice. La materialele ceramice un rol important îl joacă influenţa

temperaturii asupra rezistenţei la rupere.

b) Proprietăţile termice ale ceramicelor sunt determinate de existenţa legăturilor covalente sau ionice, la

care conducţia căldurii nu se realizează prin intermediul electronilor liberi, ci prin intermediul undelor

elastice. Marea majoritate a ceramicelor vor fi izolatori termici şi vor avea coeficienţi de dilatare termică

liniară scăzuţi. Valorile ridicate ale modulului de elasticitate împreună cu coeficienţii mici de dilatare

termică, fac din ceramice materiale care la şocuri termice vor manifesta scăderi ale rezistenţei la rupere,

atunci când se ating valori critice ale variaţiei de temperatură.

c) Proprietăţile electrice ale ceramicelor sunt legate de conductivitatea electrică, motiv pentru care

majoritatea lor sunt izolatori ( SiO2, Si3N4 azotura (nitrura) de siliciu,), semiconductori (oxizi ai metalelor

de tranziţie) sau conductori.

Ultimul considerent are în vedere performanţele ieşite din comun ale ceramicelor: proprietăţi

electrice şi magnetice variind de la izolatori la supraconductori, piezoelectrici, feromagnetici, stabilitate

chimică foarte bună şi refractaritate.

1.4. Utilizarea materialelor ceramice

În proporţie de 67% din producţia de materiale ceramice se foloseşte în domeniul

microelectronicii, de la fabricaţia pachetelor şi substraturilor de circuite integrate (suporturi plăci pe care

se montează circuitele electronice) la condensatori, traductoare electronice sau filtre electronice.

Spectaculoasă este însă utilizarea ceramicelor în construcţia de maşini în deosebi în fabricaţia

motoarelor termice de la simplii izolatori (bujii) la construcţia pistoanelor, a chiulaselor (piesă care

închide cilindrii unui motor cu ardere internă), motoare cu aprindere prin compresie realizate integral din

materiale ceramice. Se evidenţiază utilizarea lor la echipamentele anexe în fabricaţia navelor aerospaţiale

sau în transporturi navale, terestre, feroviare. Din punct de vedere al comportării lor tribologice,

materialele ceramice au devenit medii protectoare împotriva degradării suprafeţelor, fiind interesante în

fabricaţia lagărelor, ghidajelor, rulmenţilor etc.

Materialele ceramice utilizate pentru creşterea rezistenţei la uzură şi la coroziune sunt oxizii

metalici, utilizaţi în stare pură sau în amestec cu diferiţi oxizi în vederea optimizării proprietăţilor de

exploatare. La realizarea depunerilor ceramice sunt utilizate, pentru pulverizare, produse naturale sau

amestecuri ceramice care să se topească şi să nu se disocieze în produse gazoase la temperaturi înalte şi

care să formeze prin topire picături fine, nu fire.

Oxizii de aluminiu sunt oxizii ceramici cei mai utilizaţi atât pentru protecţia împotriva uzurii, cât şi

împotriva coroziunii. Un adaos de alţi oxizi ceramici la pulberile cu bază Al 2O3, măreşte ductilitatea şi

capacitatea de preluare a şocurilor termice. Temperaturile maxime de exploatare ale acestor amestecuri de

pulberi ceramice oxidice variază în funcţie de tipul şi proporţia de elemente de adaos, între 5040C pentru

amestecurile Al2O3 + TiO2 şi 12000C pentru amestecurile Al2O3 + ZrO2. Oxidul de aluminiu are o paletă

largă de utilizări: de la protecţia discurilor fixe (harddisk) destinate tehnicii de calcul până la straturi

dielectrice (în amestec cu 3...13% TiO2). Dioxidul de titan şi amestecurile sale cu oxizii de crom au

durităţi mai reduse decât amestecurile ce au la bază oxidul de aluminiu. Astfel, amestecurile TiO2 + Cr2O3

se utilizează la realizarea straturilor depuse prin pulverizare în jet de plasmă, obţinându-se straturi cu o

rezistenţă mai redusă la uzare şi la coroziune în diverşi agenţi corosivi (solubile în H2SO4 şi în baze), dar

cu o rezistenţă la oboseală mai ridicată. Oxizii de crom prezintă o rezistenţă la coroziune şi o stabilitate

termică mai redusă decât amestecurile pe bază de oxid de aluminiu, dar rezistenţa la uzare este deosebit de

mare şi prezintă şi o capacitate mărită de preluare a şocurilor termice. Domenii foarte interesante au

devenit pentru ceramice industria metalurgică ce necesita materiale refractare şi tehnologia prelucrării

mecanice a uneltelor şi sculelor.

Producerea ceramicelor are la bază procese chimice de purificare a materiilor prime rezultate sub

formă de pulbere foarte fină şi foarte pură, tehnologiile de obţinere având la bază două etape distincte:

Etapa I: Producerea şi prelucrarea pulberilor cuprinzând:

a) obţinerea pulberilor din materiale naturale,

b) prepararea amestecurilor şi aditivarea pentru sinteza chimică.

În prima etapă se obţin pulberi de puritate avansată, preferându-se procedeele chimice, dar şi

mecanice (măcinare umedă). Pulberile produse sunt amestecate cu aditivi şi supuse presării la cotele finale

sub presiune sau extrudate.

Etapa II: Realizarea microstructurii prin operaţiile de:

a) uscare a produselor presate,

b) sinterizarea cu reacţie,

c) finisarea finală.

În etapa a II-a principala operaţie este sinterizarea produselor presate şi uscate. Instalaţiile sunt

foarte diversificate funcţie de natura materialului, forma şi destinaţia produsului, condiţiile de lucru.

Evidenţierea structurii se face prin tehnici specifice materialelor metalice (microscopie) sau tehnici

specifice, investigaţie acustică (unde acustice, etc.).

2. Descriere procesului tehnologic de obţinere a cărămidei refractare

Cărămida este un material de construcţie artificial, de formă prismatică, obținut dintr-un amestec

de argilă, nisip şi apă sau din alte materiale (beton, zgură de furnal etc.), uscat la soare sau ars în cuptor.

Cărămida refractară

Principalele faze ale procesului de fabricaţie a cărămizilor refractare sunt:

1. Recepţia şi depozitarea materiilor prime - transportul cu materii prime (argilă refractară) se

realizează cu vagoanele CF. Materiile prime sosite sunt depozitate în compartimentele depozitului de

materii prime. Pentru obţinerea unei materii prime cât mai omogene depozitul este prevăzut cu o macara

pentru omogenizarea fiecărui sort de materii prime.

2. Concasarea materiilor prime – materiile prime (deşeuri refractare, rebuturi refractare, argilă

refractară(oxid de aluminiu), etc. ) sunt transportate din depozitul de materii prime la concasor cu

macaraua cu graifăr la utilajele de sfărâmare concasor cu fălci, mori.

3. Dozarea –măcinarea – materiile prime concasate se dozează conform reţetelor de fabricaţie şi

se macină în mori. Materialul preparat se depozitează în buncăre.

4. Umectarea-amestecarea – se realizează în malaxoare, prese melc pentru procedeul plastic şi

în amestecător pentru procedeul semiuscat. Umiditatea materialului este cuprinsă între 6 – 18% în funcţie

de procedeul de fasonare şi de gradul de degresare.

Figura 1: Schema bloc a procesului de obţinere a cărămizilor refractare

Apă industrialăAlţi oxizi

Depozitare

Măcinare

Argilă, bauxita Deşeu refractar

Sfărâmare

Sitare

Umectare

Fasonare

Dezbatere

Control calitate

Ardere

Ambalare

Depozitare

Cărămidărefractară

Amestecare

Presare

Uscare

DozareDozareDozare

Materiale neconforme

Depozitare deşeuri

Sortare

DepozitareDepozitare

Deşeuri, Rebuturi

Apă potabilă,Gaz metan,

Energie electrică şi termică

Europaleţi,Ulei presă,

Uleiuri ungere

5. Fasonarea – se realizează în două variante:

I - presarea cărămizilor pe cale semiuscată se execută pe presele cu fricţiune, acţionate

pneumatic;

II - presarea cărămizilor pe cale plastică se face mecanizat pe presele cu fricţiune acţionate

pneumatic după ce în prealabil pasta a stat la macerat .

6. Uscarea – produsele crude fasonate se usucă natural pe rastele de lemn şi pe cuptor. Uscarea se

realizează cu aer cald provenit de la cuptor.

7. Arderea – produsele uscate se ard în cuptorul de ardere. Combustibilul folosit este gazul metan

8. Depozitarea – produsele conforme se ambalează în boxe metalice sau pe paleţi de lemn de

esenţă tare. Produsele neconforme se reintroduc în totalitate în procesul de fabricaţie ca materie primă.

. 3. Identificarea surselor de poluare şi a poluanţilor

Pentru identificarea surselor de poluare se va ţine cont de următoarele aspecte:

- Agentul economic este situat în zona industrială a oraşului;

- Agentul economic are staţie de preepurare a apelor uzate şi este conectat la canalizarea

orăşenească;

- Aprovizionarea cu argilă şi nisip se realizează cu vagoane CFR;

- Aprovizionarea cu alte materii prime si auxiliare se realizează atât prin intermediul

transportului CFR cât şi auto;

- Depozitarea argilei şi a nisipului se realizează pe platforme betonate neacoperite;

- Produsul finit (cărămizile) este depozitat pe europaleţi. Europaleţii sunt stivuiţi pe platformă

betonată neacoperită;

- Depozitarea rebuturilor şi deşeurilor de fabricaţie se realizează în aer liber pe platformă

betonată neacoperită.

A. Schema generală a procesului tehnologic de obţinere a cărămizilor

refractare

Se vor identifica din prezentarea procesului tehnologic materiile prime, materiile auxiliare,

produsele finite, rebuturile, deşeurile şi se vor trece în schema din Figura 2.

Figura 2: Schema generală a procesului tehnologic de obţinere a cărămizilor refractare

Materii prime de bază:............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................Materii prime auxiliare:............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................Utilităţi:............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................Produse finite: ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................Rebuturi:............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................Deşeuri:....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Obţinerea cărămizilor refractare

Materii prime auxiliare

Utilităţi

Deşeuri

Produse secundare

Rebuturi

Produse finite

Alţi agenţi poluanţi ai factorilor de mediu

Pierderi

Materii prime de bază

B. Surse de poluare

1. Sursa 1.............................................................................................................................

a. Poluanţi ...............................................................................................................

b. ...............................................................................................................................

c. ...............................................................................................................................

2. ...........................................................................................................................................

a. ................................................................................................................................

b. ...............................................................................................................................

c. ...............................................................................................................................

3. ...........................................................................................................................................

a. ...............................................................................................................................

b. ...............................................................................................................................

c. ...............................................................................................................................

4. ...........................................................................................................................................

a. ...............................................................................................................................

b. ...............................................................................................................................

c. ...............................................................................................................................

5. ...........................................................................................................................................

a. ...............................................................................................................................

b. ...............................................................................................................................

c. ...............................................................................................................................

6. ...........................................................................................................................................

a. ...............................................................................................................................

b. ...............................................................................................................................

c. ...............................................................................................................................

7. ...........................................................................................................................................

a. ...............................................................................................................................

b. ...............................................................................................................................

c. ...............................................................................................................................