От печи к форме: прецизия литья металла

От литейной печи в форму

Литейные цехи — зрелищные места. Огромные печи, светящиеся жаром, превращают куски металла в текучие огненные жидкости. Когда приходит время, их содержимое выливают в ожидающие ковши среди дождя искр. Рабочие направляют поток металла от печи к форме за теплозащитными экранами, оберегаясь от опасностей температуры и материалов. Пол литейного цеха — это место, где дизайн становится реальностью, в необычном процессе, создающем повседневные предметы. Инновации в создании и поддержании температур, необходимых для разных сплавов, являются частью эволюции металлургии. Работа по плавлению и заливке металла выглядит как сцены из исторических книг, но именно здесь происходит одна из самых интересной науки.

Производство литого металла опирается на печи, способные нагреться достаточно, чтобы привести металлы в жидкое состояние. Первые плавки руд в истории человечества были свинцом и оловом: эти мягкие металлы можно расплавить в жара костра. Для создания более прочных металлов металлургам нужно было что-то большее, чем дрова.

Высокие температуры и человеческий прогресс

Бронзовый век опирался на прочность меди. Медь могла быть впервые расплавлена случайно в гончарной печи, которая работает минимум на 200 °C горячее костра. Отсутствие письменных свидетельств того времени затрудняет уверенность. В бронзовый век использовались печи типа гончарных для извлечения различных элементарных компонентов из горных пород, которые плавились при разных температурах, причем медь была главным призовой для изготовления хорошей латуни и бронзы.

Есть доказательства использования человеком железа до Железного века. Однако эти предметы были сделаны из кованого железа, которое буквально пало с неба — метеоритное железо в относительно чистой форме по сравнению с наземным. Его можно было нагреть и ковать в найденном виде. Настоящий Железный век начался, однако, когда люди разобрались, как извлечь полезное железо из руд, и это требует плавления до мягкого, таффообразного, почти жидкого или жидкого состояний. Этот прогресс пришел в разные части мира в разное время, но включал изобретение доменных печей и медленное накопление знаний феррительной металлургии. Доменные печи позволяют железу нагреться достаточно для ковки к чистоте, а не для приведения металла в расплавленное состояние, но они помогли с медленным открытием химии железа. Одна вещь — расплавить железо: для изготовления пригодного прочного металла нужно правильное добавление углерода, и доменные печи были зависимы от углеродного топлива. Когда печи стали достаточно горячими, чтобы плавить железо, металлургам также нужно было развить понимание флюсов — добавок, используемых для очистки конечного металла путем предотвращения образования оксидов.

Прогресс, принесенный инновационным сочетанием печи и химии, продолжался на протяжении всей истории человечества. Металлургический прогресс очевидно ввел Бронзовый и Железный века, основываясь на их названиях. Промышленная революция ввела нас в Стальной век. Двигатель внутреннего сгорания, железные дороги и современные строительные практики не были бы возможны без важного прорыва, называемого бессемеровским процессом, который пускает кислород через расплавленную сталь, позволяя более высокие температуры и более быстрые производственные времена, позволяя массовое производство качественной стали.

Плавление против выплавки

Выплавка — процесс удаления металлического элемента из добытых руд. Большинство металлов находятся в виде жил в скалах или как части других элементов. Выплавка — первый шаг извлечения. Плавление — это то, что делают со сплавами металлов или чистыми металлами. Лом плавится, руда выплавляется. Чугун — грубые чугунные слитки, созданные из выплавки железной руды.

Доменные печи

Доменные печи, которые являются очень высокими печами, инжектируемыми прессовыми газами, используются для выплавки. Доменные печи в основном производят слитки промежуточного сплава, как чугун. Эти слитки затем отправляются в литейные цехи, занимающиеся производством.

Производственные литейные цехи берут сплавы и добавки и плавит их, чтобы сделать специфические марки литого металла в других типах плавильных печей.

Типы плавильных печей литейных цехов

Традиционно, куполные и тигевые печи были самыми распространенными способами плавления металлов для литья; в современную эпоху электродуговые и индукционные печи широко распространены.

Тигевые печи

Тигевые печи — самая базовая форма металлической печи. Тигель — это сосуд из материала, который может выдерживать невероятно высокие температуры, часто из керамики или другого огнеупора. Он помещается в источник тепла, как горшок может сидеть в огне. Тигель заполняют, или заряжают, металлом и добавками. В современную эпоху тигевые печи все еще используются ювелирами, любителями на заднем дворе, некоторыми цветными литейными цехами и литейными цехами, выполняющими очень мелкие партии. Тигли могут варьироваться от очень маленькой чашки, где металлы плавит горелка, как может делаться у ювелира, до больших сосудов, содержащих 23 кг (50 фунтов) материала. Крупные тигли часто помещают внутри печи типа муфлы и могут вынимать для заливки, или сковородкой забирают материал с верха.

Куполные печи

Куполные печи — длинные, трубчатые, наполненные коксом и другими добавками. Топливо внутри купола поджигают, и когда печь достаточно горячая, чугун и стальной лом добавляют напрямую. Процесс плавления железа вокруг кокса и добавок добавляет углерод и другие элементы и производит разные марки железа и стали. Куполные печи больше обычно не используются в производстве, так как электродуговые и индукционные методы более эффективны для производства нужного тепла. Однако есть места, где традиция держит куполные печи работающими, как в этом видео Да Шу Хуа, где китайские литейщики бросают расплавленное железо в стену, чтобы создать драматические искры для встречи Нового года.

Электродуговые печи

(Электродуговые печи, ЭДП) пришли в употребление в конце 1800-х. Электроды пропускают электрический ток через металл внутри печи, что эффективнее внешнего нагрева при плавлении больших объемов за раз. Большая ЭДП, используемая в сталеварении, может вмещать до 400 тонн. «Заряд» этой стали часто состоит из тяжелого железа, как блюмов и балок, измельченного лома из автомобилей и другой переработки, и чугунных слитков из выплавки.

После заполнения бака электроды помещают в металл, и дуга электричества проходит между ними. По мере того как металл начинает плавиться, электроды могут толкать глубже в смесь или раздвигать для создания большей дуги. Тепло и кислород могут добавляться для ускорения процесса. По мере формирования расплавленного металла напряжение можно повысить, так как шлак, образующийся поверх металла, действует как защитное одеяло для крыши и других компонентов ЭДП.

Когда всё расплавлено, вся печь наклоняется, чтобы слить жидкий металл в ковш ниже. Иногда ковши сами могут быть меньшими ЭДП печами, задачей которых является поддержание металла горячим перед заливкой.

Индукционные печи

работают с магнитными полями, а не с электрическими дугами. Металл заряжают в тигель, окруженный мощным электромагнитом из намотанной меди. Когда индукционную печь включают, катушка создает быстро меняющееся магнитное поле путем введения переменного тока. По мере плавления металла электромагнит создает вихри внутри жидкости, которые само-перемешивают материал. Тепло в индукционной печи создается возбуждением молекул в самом железе, означая, что что уходит в тигель, именно то и выходит: нет добавления кислорода или других газов в систему. Это означает меньше переменных для контроля при плавлении, но также означает, что индукционную печь нельзя использовать для очистки стали. Что вошло, то и выходит. Как печь ЭДП, индукционные печи часто сливают наклонением в ковши ниже.

Индукционные печи очень распространены и просты в эксплуатации при качественном сырье. Распространенные модели могут производить 65 тонн стали за один заряд.

Все печи на полу литейного цеха сталкиваются с фатальным врагом: паром. Вода, даже в малых количествах, может вызвать брызги или взрывы, поэтому весь лом и ферросплавы, а также каждый инструмент, используемый в производстве, должны быть сухими перед использованием. Лом не должен иметь закрытых областей, в которых вода или пар могли быть заперты. Даже инструменты, используемые литейщиками, должны быть свободны от конденсата или влаги. Многие литейные цехи имеют сушильные печи, чтобы убедиться, что лом и инструменты абсолютно сухи перед тем, как что-либо коснется литейной печи.

Литейные ковши

После плавления металла его необходимо ввести в форму. В малых литейных цехах это может происходить в одной стадии: наклонный или вынимной тигель может перенести металл от печи к песку. Однако это непрактично, когда печь вмещает много тонн металла. Обычно в черном литейном производстве ковши переносят меньшие порции расплава из основной печи.

В этих системах ковш может принести металл прямо к форме. Однако переносной ковш может взять жидкость в резервуар или вторичную печь. Лечебные ковши — еще один доступный тип, используемый для разделения расплава на порции, как пекарь может разделить базовое тесто для использования в качестве основы для других рецептов. Например, жидкий чугун может иметь добавки в лечебном ковше, чтобы сделать углерод внутри него сферическим по форме, а не пластинчатым, создавая более пластичный металл, называемый высокопрочным чугуном.

Ковши могут быть очень маленькими и поднимаемыми литейщиками или вмещать много тонн металла и требовать механической поддержки. Крупнейшие ковши перемещаются по литейному цеху на ковшовых тележках или крановых путях.

Ковши всех типов спроектированы для защиты рабочего от брызг, пламени или искр при заливке. Некоторые ковши лиют через верхний край или выливную трубку и должны наклоняться: у них часто есть шестеренки, позволяющие литейщику тщательно контролировать скорость заливки. Другие ковши имеют свою выливную трубку внизу ведра, и заливка контролируется удалением и заменой пробки.

Смешивание сплавов

Металлические сплавы состоят из смесей элементов, стандартизированных формулой, указывающей проценты каждого типа, а также этапы их производства. Плавильные печи и лечебные ковши литейного цеха — это места, где эти типы сплавов создаются для отливок.

Литейные цехи часто специализируются либо на феррительных сплавах, содержащих железо, либо на конкретных неферрительных сплавах, как драгоценные металлы, медные или алюминиевые сплавы.

Феррительные сплавы делятся на железо и сталь. Чугунные сплавы включают серый чугун, содержащий кремний, и высокопрочный чугун, имеющий сферический углерод. Марки литой стали определяются процентами углерода и других добавок в смеси. Нержавеющая сталь — это сталь, включающая хром для предотвращения ржавчины через пассивацию.

Неферрительные сплавы включают все остальные металлы, так что неудивительно, что в неферрительных литейных цехах есть дальнейшая специализация. Некоторые места специализируются на цинке, некоторые на алюминии; другие работают в основном с медными сплавами, как латунь и бронза. Однако есть перекрытие. Если конкретный литейный цех работает и с бронзой, и с алюминием, например, они, вероятно, специализируются на определенных марках каждого.

Какими бы сплавами ни работал литейный цех, премьюс создания расплавленного металла и литья в полости для его формирования остается тем же. Идея становится реальностью в тот момент, когда металл течет в форму.