„REVISTA DE TURNĂTORIE” nr. 3-4 din 2011:
VECHI TEHNOLOGII METALURGICE:
Transformarea bronzului de clopote în bronz pentru turnarea tunurilor.
ANCIENT TECHNOLOGIES OF THE METALS: Transforming bronze cast bells in
bronze for cast cannons.
Ing.Duţă
Vasile
Abstract:
In this
paper we present a technology of
transformation for the bronze cast bells in bronze cast cannons used in the
eighteenth century. The process described by Gaspard Monge in 1793 is based on
the high tin affinity of oxygen, in the report with the copper content. It was
intended to decrease Sn content in
bronze wastes from 25% to max. 9- 10%. This is necessary for the high
mechanical properties of the bronze
casting cannons.
Keywords: affinity for oxygen, bronze cast bells, bronze cast cannons.
Rezumat
În
această lucrare se prezintă o tehnologie de transformare a bronzului din
clopote turnate, în bronz pentru fabricarea prin turnare a tunurilor, utilizată
în secolul XVIII-lea. Procedeul descris de Gaspard Monge în 1793 se bazează pe
afinitatea ridicată a staniului față de oxigen, în raport de conținutul de
cupru. S-a avut în vedere scăderea conținutului de Sn din deșeurile de
bronz de la 25%, la max. 9…10%, conținut
care corespunde unor proprietăți mecanice ridicate, necesare bronzului pentru
turnarea tunurilor.
Cuvinte
cheie:
afinitate față de oxigen, bronz pentru clopote turnate, bronz pentru turnarea
tunurilor.
Introducere
În
timpul revoluţiei franceze din 1789, noile autorități revoluționare au luat multiple
măsuri pentru a apăra ţara de atacurile coaliţiei statelor, în frunte cu
Anglia, care intenţionau să înlăture regimul republican. În acest sens
Comitetul de Salvare Publică organul conducător executiv al acestei ţări a luat unele măsuri de
dezvoltare a producţiei de armament, în special tunuri, confecţionate din fontă, oţel şi bronz prin procedeele de
turnare şi forjare. În acest sens au fost înfiinţate comisii formate din cei
mai buni savanţi de care dispunea Franţa în acel moment, savanţi care au trecut
de partea revoluţiei. Marele savant Lavoisier
făcând parte din nobilime a fost executat. Din comisia de supraveghere a fabricării
tunurilor au făcut parte cetăţenii: Hassenfrantz,
Monge şi Perrier. „În 18 Pluviôse, anul doi al Republicii (6
februarie 1793) Comitetul de Salvare Publică
a hotărât:
- Descrierea tuturor procedeelor utilizate în fabricarea tunurilor, descriere însoţită de gravuri care reprezintă planurile şi detaliile tuturor părţilor de fabricaţie.
- Gaspard Monge va fi însărcinat cu această descriere.
- Cheltuielile pentru această activitate ocazională, vor fi plătite din sumele puse la dispoziţia comisiei de arme şi pulberi.” [1]
- aliajul cupru staniu, necesar realizării bronzului pentru tunuri;
- metoda de separare a cuprului din aliajul de clopote.
Iată
cum descria Gaspard Monge necesitatea realizării prin turnare a tunurilor de
bronz: „Am văzut că fierul forjat este
din toate metalele cel mai propice pentru confecţionarea gurilor de foc, însă
sunt dificultăţi de execuţie care au împiedicat această utilizare, că am fost
forţaţi să recurgem la fierul turnat, mai puţin în serviciul marinei. Puţina
tenacitate a acestui metal turnat cere ca
să se dea pieselor grosimi şi greutăţi considerabile, în serviciul terestru,
transportarea lor devine adesea imposibilă, întotdeauna foarte dificilă; în
lipsa fierului forjat, a trebuit utilizat cuprul a cărei tenacitate este mult
mai mare decât a fierului turnat. Însă pentru că în stare pură cuprul este
moale, el nu poate rezista mult timp la compresiunea bilelor care sapă inima piesei şi o
deformează prompt, există obligaţia de aliere cu staniu, care îi dă duritate.
Această operaţie îl face mai casant şi duce la pierderea tenacităţii, dar
într-o anumită proporţie de staniu, există un punct care trebuie să fie atins şi nu trebuie depăşită, o
anumită cantitate, iar experienţa a dus la compoziţia cea mai
avantajoasă, care este formată din zece
părţi de cupru şi o parte de staniu.
Acest aliaj se numeşte bronz. Staniul fiind mai fuzibil decât
cuprul, având proprietatea de a se oxida mai uşor, este clar că dacă se pun
cele două metale simultan în cuptorul cu reverber, staniul se topeşte mult timp
înainte de cupru, se oxidează o parte şi
se volatilizează altă parte, înainte de topirea cuprului, rezultând pierderi de
metal, iar bronzul nu va fi la marca respectivă. Pentru a face un aliaj cupru
staniu se introduce cupru în cuptorul cu reverber, se aşteaptă să fie în plină
topire şi apoi se aruncă staniul; acest metal fiind mai uşor decât cuprul, va
pluti dacă nu se are în vedere să fie bine amestecat. Pentru aceasta se agită
baia cu o prăjină de lemn verde, care
până la aprindere produce o agitare care
conduce la amestecul celor două metale. Se
plimbă prăjina în toată masa de metal, pentru ca amestecul să se producă uniform
în toată masa de topitură. Acesta face să se obţină o bună gură de foc după
turnare.” Turnătoriile de bronz sunt
însoţite de cuptoare unde se tratează separat cele două metale care intră în
compoziţia aliajului. Imensa cantitate
de metal de clopote care este la dispoziţia Republicii poate fi considerată ca
o mină bogată în bronz, abundenţă, care
prezintă resurse superioare acelor de care dispun duşmanii reuniţi.
Metoda separării cuprului din aliajul de
clopote
Calitatea
principală care se cere aliajului din care se toarnă clopotele este de a fi
sonor; pentru aceasta este necesar să aibă o mare rigiditate. Această calitate
se poate obține printr-un aliaj de cupru cu aproximativ 25% staniu.
În cazul realizării tunurilor prin
turnare, acest aliaj este foarte fragil, pentru că trebuie să aibă o anumită tenacitate pentru a rezista exploziei
pulberii,. În acest caz acest aliaj nu se poate utiliza la confecționarea pieselor
de artilerie. În figura 1 sunt
evidențiate proprietățile mecanice superioare ale bronzului pentru turnarea
gurilor de foc, față de bronzul pentru turnarea clopotelor.
Autorul
prezintă două variante tehnologice de
valorificare a deșeurilor de clopote (fig.2) pentru obținerea bronzului utilizat la turnarea tunurilor:
„Va trebui să adăugăm cupru pur, sau să
extragem staniul, de o manieră încât să rămână în compoziție o cantitate de
staniu nu mai mult de a zecea parte din cea de cupru.”
În
prima variantă, din cele două, pentru a fabrica aliajul pentru tunuri, din metalul de clopote, se adaugă un
pic mai mult decât greutatea cuprului din aliaj. Este o metodă a diluării conţinutului de
staniu printr-un exces de cupru. „Acest procedeu dă naștere la un enorm consum
de cupru, însă nu atrage de la metalul clopotelor părțile mai avantajoase,
acest metal nu poate fi privit ca o mină abundentă de cupru și nu va putea
deveni în întregime utilă apărării Republicii când va avea staniul separat,
însă va aduce înapoi cuprul care intră în compoziția sa la o stare de puritate
care va permite să se utilizeze la întrebuințări variate.” Topirea metalului de
clopote se face într-un cuptor cu reverber, însă dacă se ţine în baie un timp
suficient, expus acţiunii aerului, staniul care se găseşte în aliaj se disipă
încet, în parte se volatilizează, în parte se oxidează, în sfârşit cuprul
rămâne singur pe fundul băii cuptorului; însă din cauza marii cantităţi de
staniu conţinută în metalul de clopote, acest procedeu devine costisitor; pe de
altă parte necesită o pierdere de timp care trebuie evitată. Pentru aceasta, se
începe prin a pune metalul de clopote într-un cuptor cu reverber cu vatră
plată, atunci când metalul devine roşu şi începe să se înmoaie, se separă cu o rangă de fier numită ringard [2], se întinde pe toată
suprafaţa vetrei, se mişcă în continuare, pentru a prezenta un mare număr de
suprafeţe la aer, pentru că el se oxidează cu uşurinţă. Dacă câteva părţi se
topesc, se agită cu ranga, se separă, ca să ia oxigenul din atmosfera
cuptorului, ele pierd puţin cu puţin din
lichiditatea lor; se continuă aceste operaţii până când tot metalul va fi
transformat într-o materie brună, aproape în stare pulverulentă, însă care este
un amestec de oxid de staniu, oxid de cupru şi de cupru neoxidat. Această
ultimă parte de metal este încă fuzibilă; ea poate să se topească la
temperatura existentă în cuptor, dar fiind divizată în mici particule, acestea, separate
unele de altele, prin porţiuni oxidate, nu se vor reuni, se adună în baie.
Această porţie de metal a suferit un înalt grad de afinare, pentru că staniul
are o afinitate mai mare pentru oxigen decât cuprul, este printre primele
metale care se oxidează, rămâne cu atât mai puţin o parte care nu a suferit
oxidare. După această operaţie, se pune metalul de clopote într-un alt cuptor
cu reverber cu vatră plată, se face topirea, însă se acoperă baia pe toată
suprafaţa, protejând-o cu jumătate din greutatea de oxid obţinut prin operaţia precedentă; apoi se
amestecă puternic şi rapid în toată masa, până când metalul în baie va fi în
contact într-un mare număr de puncte cu materialul adăugat care îl acoperă.
Părţile de cupru neoxidat care se găsesc în masa protejată intră în fuziune,
agitarea duce la atingerea de către acestea a suprafeţei băii; ele se reunesc
aici; însă, pentru că ele au abandonat deja o parte din staniul cu care erau
aliate, măresc proporţia de cupru care
se găseşte în masa topiturii. Ceea ce contribuie mai mult la afinarea acestui
volum de metal este proporţia de cupru oxidat care abandonează oxigenul pentru
a-l transmite părţilor de staniu; aceasta produce două efecte: rămânerea în
masa de metal a cuprului pur fără staniu şi de retragerea din baie a unei părţi
din staniul care alterează conţinutul aliajului dorit. În această operaţie,
este importantă realizarea unei temperaturi ridicate, astfel ca baia să fie
foarte fluidă, că să piardă cât mai puţin posibil cupru prin oxidare. Dacă
în operaţia de separare, se are în
vedere obţinerea cuprului pur, se continuă afinarea prin procedeele cunoscute
şi descrise; însă, dacă se are ca obiectiv bronzul pentru gurile de foc, de îndată ce metalul este afinat puţin
dincolo de ceea ce convine acestui obiect, se poate turna în saumons. [3] ( cochilă
în formă de prismă) Se adună diferite lingouri de acelaşi titlu (proporție de staniu). Se
face încercarea fiecărei clase şi se reglează cantitatea de metal de clopote pe
care trebuie să o adăugăm pe chintal, pentru a realiza aici proporţia de staniu
pe care trebuie să-o conţină aliajul pentru fabricarea tunurilor. Pentru
conducerea acestei operaţii cu multă economie,
trebuie nu mai puţin de două cuptoare cu reverber destinate, unul pentru
oxidarea metalului de clopote , altul pentru rafinare construite la distanţă
apropiată, unul lângă altul, încălzite în acelaşi timp, ca pe măsură ce oxidul
s-a format în primul, trebuie adus în celălalt, fără să se răcească. Pe
suprafaţa băii care este protejată
pentru păstrarea lichidităţii, lipirea se face mai bine, operaţia de afinare
este mult mai rapidă şi mai economică. Se are în vedere în dozare că este
aproape imposibil ca tot cuprul , atât cel oxidat şi neoxidat, care se găseşte
în oxidul care ecranează metalul de
clopote în fuziune, poate fi purtat să atingă suprafaţa băii şi de a se reuni
în masă. Rămâne întotdeauna o cantitate notabilă, amestecată cu zguri şi deci
se poate de asemenea scoate un folos, fie făcând să condenseze într-un mic
cuptor cu reverber, fie prin spălare după ce au fost pisate, mărunțite. Cu
privire la ceea ce rămâne după una sau alta din aceste operaţii, este un
amestec de oxid de cupru, de zinc şi în principal de staniu, se poate trece
într-un cuptor gen cubilou cu câteva materiale zgurificabile. Astfel carbonul
din cuptor înlătură oxigenul, însă rămâne pe fundul creuzetului un aliaj casant,
din diferite metale albe, care poate fi destinat confecţionării unui mare număr
de obiecte, care nu cer proprietăți de elasticitate.
Considerații științifice
Elementele grupelor 1…10
ale sistemului periodic, elementele din perioadele mari, grupele 13,14,15,
lantanidele şi actinoidele sunt metale. Metalele sunt alcătuite din atomi care
conţin un număr mic de electroni pe ultimul strat electronic. Datorită acestei
structuri atomii metalelor au energie de ionizare mică şi afinitate pentru
electroni mică, adică atomii metalelor se caracterizează prin valori mici ale
electronegativităţii relative. Comportarea chimică a atomilor de metal se
caracterizează prin tendinţa de a ceda electroni (de a se oxida) şi
de a se transforma în cationi metalici, manifestând caracter reducător:
[4] Capacitatea atomilor metalici de a se transforma în ioni este diferită şi
se exprimă prin valoarea potenţialului standard de oxidare, Eox0 .
În tabele este de obicei prezentat potenţialul standard de reducere a metalelor
care este egal şi de semn contrar cu potenţialul standard de oxidare. După
valoarea potenţialului standard metalele se pot clasifica în metale
comune şi în metale nobile:
Li,K, Ba,
|
...,Fe,
Ni, Sn, Pb...
|
H
|
Cu, Ag, Sb, Hg,
|
…..Pt, Au
|
metale comune (active)
|
metale nobile (pasive)
|
|||
E0,
redM
|
< 0
|
0
|
> 0
| |
- scăderea conținutului de staniu din bronzul de clopote de la aproximativ 25% la 9-10% cât este necesar pentru bronzul utilizat la turnarea gurilor de foc prin oxidarea intensă a staniului;
- reducerea oxizilor de cupru formați la retopirea bronzului de clopote;
- recuperarea reziduurilor de cupru, zinc și mai ales de staniu, aflate sub formă de oxizi, prin reducerea lor cu carbonul într-un cuptor separat. Rezultă un aliaj fără proprietăți mecanice deosebite, necesar pentru unele obiecte casnice. (căni, farfurii, castroane etc.)
Bibliografie:
- Monge Gaspard- „Description de l'art de fabriquer des canons”- Paris – An 2 de la République Française -http:///www.bnf.fr.;
- Landrin M.-„Dictionnaire de minéralogie,de géologie et de métallurgie”, pag.423 – Paris,1856,–http:// www.bnf.fr.;
- Ibid. pag.431;
- „Chimie generală”- http://chimiegenerala.3x.ro/Capitolul2/Curs/c2_7.htm;
- Suciu Valeria, Suciu Marcel Valeriu -„Studiul materialelor” Pag.173 – Editura „Fair Partners”,2008;
- „Clopote - Istorie şi contemporanitate", Pag. 297- Editura „Nauka"- Мосova,1985.
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu