Плавка и заливка металла

Из литейной печи в форму

Литейные драматичны. Огромные печи, пылающие жаром, превращают куски металла в текучие огненные жидкости. Когда все готово, их содержимое выливают в ожидающие ковши под сноп искр. Рабочие направляют поток металла из печи в форму за тепловыми экранами, защищая от опасностей температуры и материалов. Литейный цех — это место, где дизайн становится актуальным в необычном процессе, в ходе которого создаются предметы повседневного обихода. Инновации в создании и поддержании температуры, необходимой для различных сплавов, являются частью эволюции металлургии. Работа по плавке и заливке металла выглядит как сцены из книг по истории, но именно здесь происходят самые интересные научные открытия.

Производство литого металла зависит от печей, которые могут нагреваться до такой степени, чтобы металлы переходили в жидкое состояние. Первыми плавильными рудами в истории человечества были свинец и олово:эти мягкие металлы можно плавить в жару кухонного огня. Для создания более прочных металлов металлургам требовалось нечто большее, чем дровяной огонь.

Высокая температура и человеческий прогресс

Бронзовый век зависел от прочности меди. Медь могла быть сначала случайно выплавлена ​​в гончарной печи, температура которой по крайней мере на 200°C выше, чем у костра. Отсутствие письменных свидетельств того времени затрудняет уверенность. В эпоху бронзы печи, похожие на печи, использовались для извлечения различных химических компонентов из горных пород, которые плавились при разных температурах, при этом медь была высшим призом для изготовления хорошей латуни и бронзы.

Есть свидетельства того, что люди использовали железо до железного века. Однако эти изделия были изготовлены из обработанного железа, буквально упавшего с неба — метеоритное железо находится в относительно чистом виде по сравнению с земным железом. Он мог нагреваться и работать так, как он был найден. Однако настоящий железный век начался, когда люди поняли, как извлекать полезное железо из руд, а для этого требуется плавление до мягкого, похожего на ириску, почти жидкого или жидкого состояния. Этот прогресс пришел в разные части земного шара в разное время, но был связан с изобретением плавильных печей и медленным накоплением знаний в области черной металлургии. Плавильные печи позволяют нагреть железо до чистоты, а не довести металл до расплавленного состояния, но они помогли медленному открытию химии железа. Одно дело плавить железо:чтобы сделать пригодный для использования прочный металл, необходимо правильное добавление углерода, а угольные печи зависели от углеродного топлива. Когда печи стали достаточно горячими, чтобы плавить железо, металлурги также должны были лучше понять флюсы, которые представляют собой добавки, используемые для очистки конечного металла за счет предотвращения образования оксидов.

Достижения, принесенные инновационным сочетанием печи и химии, продолжались на протяжении всей истории человечества. Металлургический прогресс, очевидно, положил начало бронзовому и железному векам, судя по их названию. Промышленная революция ввела нас в стальной век. Двигатель внутреннего сгорания, железные дороги и современные методы строительства были бы невозможны без важного достижения, называемого бессемеровским процессом, который пропускает кислород через расплавленную сталь, обеспечивая более высокие температуры и более быстрое время производства, что позволяет массово производить качественную сталь.

Плавка и плавка

Плавка — это процесс удаления металлического элемента из добытой руды. Большинство металлов находятся в виде прожилок в горных породах или в составе других элементов. Плавление является первым этапом экстракции. Плавление - это то, что делается с металлическими сплавами или чистыми металлами. Лом плавится, руда плавится. Чугун — это слитки необработанного железа, полученные в результате плавки железной руды.

Доменные печи

Для плавки используются доменные печи, представляющие собой очень высокие печи, в которые подаются сжатые газы. В доменных печах в основном производят слитки из промежуточных сплавов, таких как чугун. Затем эти слитки отправляются на литейные заводы, участвующие в производстве.

Производственные литейные цеха берут сплавы и добавки и плавят их для получения определенных сортов литейного металла в других типах плавильных печей.

Типы литейных плавильных печей

Традиционно вагранка и тигельные печи были наиболее распространенными способами ковки металлов для литья; в наши дни широко распространены электродуговые и индукционные печи.

Тигельные печи

Тигельные печи являются самой простой формой металлической печи. Тигель — это сосуд из материала, способного выдерживать невероятно высокие температуры, часто из керамики или другого тугоплавкого материала. Его помещают в источник тепла, как горшок в огонь. Тигель заполняется или загружается металлом и добавками. В современную эпоху тигельные печи все еще используются производителями ювелирных изделий, любителями на заднем дворе, некоторыми литейными заводами цветных металлов и литейными заводами, выполняющими очень мелкие партии. Тигли могут варьироваться от очень маленькой чашки, где металлы плавятся с помощью паяльной лампы, как это может быть сделано в ювелирной мастерской, до больших сосудов, вмещающих 50 фунтов материала. Большие тигли часто помещают в печь, похожую на обжиговую печь, и их можно вынимать для заливки или разливать материал сверху.

Вагранки

Вагранки длинные, трубчатые, заполнены угольным коксом и другими добавками. Топливо внутри вагранки зажигают, и когда печь достаточно нагрета, прямо добавляют передельный чугун и лом. В процессе плавления железа вокруг кокса и добавок добавляется углерод и другие элементы и производятся различные сорта железа и стали. Вагранки обычно уже не используются в производстве, так как электродуговые и индукционные методы более эффективны для получения необходимого тепла. Тем не менее, есть места, где вагранки работают по традиции, как в этом видео Да Шу Хуа, где китайские литейщики бросают расплавленное железо в стену, чтобы создать драматические искры, приветствуя Новый год.

Дуговые электрические печи

(EAF) начали использовать в конце 1800-х годов. Электроды пропускают электрический ток через металл внутри печи, что более эффективно, чем добавление внешнего тепла при плавке больших объемов за один раз. Большая ЭДП, используемая в производстве стали, может вмещать до 400 тонн. «Загрузку» этой стали часто изготавливают из тяжелого железа, такого как плиты и балки, измельченный лом от автомобилей и других отходов, а также слитки чугуна из плавильного завода.

После заполнения бака в металл помещаются электроды, между которыми проходит электрическая дуга. По мере того, как металл начинает плавиться, электроды могут быть протолкнуты глубже в смесь или раздвинуты, чтобы создать большую дугу. Для ускорения процесса могут быть добавлены тепло и кислород. Когда начинает формироваться расплавленный металл, можно повышать напряжение, так как шлак, образующийся поверх металла, действует как защитное покрытие для свода и других компонентов ЭДП.

Когда все расплавится, всю печь наклоняют, чтобы слить жидкий металл в ковш внизу. Иногда сами ковши могут представлять собой печи ЭДП меньшего размера, задачей которых является поддержание металла в горячем состоянии перед заливкой.

Индукционные печи

работать с магнитными полями, а не с электрическими дугами. Металл загружают в тигель, окруженный мощным электромагнитом из скрученной меди. Когда индукционная печь включена, катушка создает быстро меняющееся магнитное поле за счет подачи переменного тока. Когда металл плавится, электромагнит создает в жидкости завихрения, которые самопроизвольно перемешивают материал. Тепло в индукционной печи создается за счет возбуждения молекул в самом железе, а это означает, что все, что попадает в тигель, именно то и выходит:в систему не добавляется кислород или другие газы. Это означает меньшее количество переменных, которые необходимо контролировать во время плавки, но это также означает, что индукционную печь нельзя использовать для рафинирования стали. Что входит, то и выходит. Как и в ЭДП, индукционные печи часто разгружаются путем опрокидывания в расположенные ниже ковши.

Индукционные печи очень распространены и просты в эксплуатации, если исходное сырье высокого качества. Обычные модели могут производить 65 тонн стали за одну зарядку.

У всех печей литейного цеха есть смертельный враг:пар. Вода даже в небольших количествах может вызвать разбрызгивание или взрыв, поэтому весь лом и ферросплавы, а также каждый инструмент, используемый в производстве, перед использованием должен быть сухим. Металлолом не должен иметь закрытых участков, в которых могла бы скапливаться вода или пар. Даже на инструментах, которыми пользуются литейщики, не должно быть конденсата или влаги. На многих литейных предприятиях есть сушильные печи, чтобы убедиться, что лом и инструменты полностью высохли, прежде чем что-либо попадет в литейную печь.

Разливочные ковши

После расплавления металла его необходимо ввести в форму. В небольших литейных цехах все это может происходить в один этап:опрокидывающийся или выдвигающийся тигель может перемещать металл из печи в песок. Однако это нецелесообразно, когда печь вмещает много тонн металла. Как правило, при производстве черных металлов ковши переносят меньшие порции расплава из основной печи.

В этих системах ковш может подавать металл прямо в форму. Однако перегрузочный ковш может подавать жидкость в сборный бак или во вторичную печь. Еще одним доступным типом являются ковши для обработки, которые используются для разбивания расплава на порции, подобно тому, как пекарь может отделить основное тесто, чтобы использовать его в качестве основы для других рецептов. Например, в ковш для обработки жидкого чугуна могут быть добавлены агенты, чтобы сделать углерод внутри него сферической формы, а не чешуйчатой, создавая более ковкий металл, называемый ковким чугуном.

Ковши могут быть очень маленькими и подниматься литейщиками, или они могут вмещать много тонн металла и нуждаться в механической поддержке. Самые большие ковши перемещаются через литейный цех с помощью ковша, мостового крана или гусеничной системы.

Ковши всех видов предназначены для защиты рабочего от брызг, пламени или искр во время заливки. Некоторые ковши разливают через верхнюю кромку или разливочный носик, и их необходимо наклонять:они часто имеют шестерни, которые позволяют литейщику тщательно контролировать скорость разливки. У других ковшей разливной носик находится на дне ковша, а разлив контролируется удалением и заменой заглушки.

Смешивание сплавов

Металлические сплавы изготавливаются из смесей элементов, которые стандартизированы по формуле, в которой указывается процентное содержание каждого типа, а также этапы его производства. В плавильных печах и ковшах литейного производства эти типы сплавов создаются для отливок.

Литейные заводы часто специализируются либо на сплавах черных металлов, содержащих железо, либо на определенных сплавах цветных металлов, таких как драгоценные металлы, сплавы на основе меди или алюминия.

Черные сплавы делятся на железо и сталь. Чугунные сплавы включают серый чугун, в состав которого входит кремний, и ковкий чугун, в состав которого входит сферический углерод. Марки литой стали определяются процентным содержанием углерода и других добавок в смеси. Нержавеющая сталь – это сталь, в состав которой входит хром, помогающий предотвратить ржавление из-за пассивации.

Цветные сплавы включают в себя все другие металлы, поэтому неудивительно, что существует дальнейшая специализация на цветных литейных производствах. Некоторые места специализируются на цинке, некоторые на алюминии; другие работают в основном со сплавами на основе меди, такими как латунь и бронза. Однако есть кроссовер. Например, если конкретный литейный завод работает как с бронзой, так и с алюминием, он, скорее всего, будет специализироваться на определенных сортах каждого из них.

С какими бы сплавами ни работал литейный цех, принцип приготовления расплавленного металла и литья в пустоты для придания ему формы одинаков. Идея становится актуальной в тот момент, когда металл заливается в форму.

Предыдущий пост:CoreMakingMetal Casting ProcessСледующий пост:Встряска и очистка