Как плавят металл – Какая температура плавления металлов 🚩 железо температура плавления 🚩 Наука 🚩 Другое

  • Home
  • Разное
  • Как плавят металл – Какая температура плавления металлов 🚩 железо температура плавления 🚩 Наука 🚩 Другое

Содержание

Как плавят металл — The Village

Новолипецкий комбинат производит 17% всей российской стали. Его строительство началось в 1931 году, а 7 ноября 1934 года доменная печь дала первую партию чугуна. В годы войны производство эвакуировали в Челябинск, после её окончания завод вернулся обратно и в советские годы активно рос: число доменных печей увеличилось до шести, а в 1986-м заработал крупнейший на тот момент в Европе цех прокатки динамной стали. В ходе приватизации завод перешёл в частную собственность — сейчас группой НЛМК, в которую также входит несколько угольных месторождений в России и заводы за рубежом, владеют структуры Владимира Лисина. В прошлом году на липецкой площадке было произведено 12,4 млн тонн металла. Завод выпускает горячий, холодный и горячеоцинкованный прокат, прокат с полимерным покрытием, чугун, слябы и электротехническую сталь.

 

Новолипецкий металлургический комбинат (НЛМК)

 

 

рАСПОЛОЖЕНИЕ

г. Липецк

дАТА ОТКРЫТИЯ

1934 год

сОТРУДНИКИ

29 000 человек

выручка в 2013 г.

$10,9 млрд (по группе)

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 1.

Площадь предприятия — 28 кв. км. В 2011 году на комбинате открылась новая доменная печь «Россиянка». Всего на предприятии их семь. Доменная печь состоит из пяти элементов: колошника для загрузки сырья, высокой шахты для нагрева материалов и восстановления железа, цилиндрического распара для плавки металла, заплечиков, где образуется восстановительный газ, и горна. Домна работает непрерывно — остановка производства даже на короткое время потребует длительного восстановления.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 2.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 3.

Шихтовые материалы, заполняющие всю печь, непрерывно опускаются вниз под действием силы тяжести, а снизу вверх поднимается горячий газ, который нагревает шихту и участвует в восстановительных процессах металла. В горне  при температуре 1 800–2 000 °С сгорает кокс. Он соединяется с кислородом в воздухе и образует углекислый газ. Под влиянием высокой температуры газ превращается в оксид углерода, который отнимает у железорудных материалов кислород, восстанавливая железо. Так, стекая вниз через слой раскалённого кокса, железо насыщается углеродом и превращается в чугун.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 4.

Чугун скапливается в нижней части печи — горне. На его поверхности собирается шлак — более легкий слой пустой породы. Потом расплавленный металл выпускают через лётки. Чугун разливают в ковши и везут в конвертерный цех, шлак попадает в чаши, которые идут в цех переработки. Потом он может использоваться в строительстве.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 5.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 6.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 7.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 8.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 9.

Для выплавки стали на комбинате используют конвертеры — ёмкости грушевидной формы, обложенные изнутри огнеупорным кирпичом.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 10.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 11.

При производстве стали из чугуна путём окисления удаляются примеси. Через вертикальную водоохлаждаемую фурму вдувается технически чистый кислород, который окисляет примеси (углерод, кремний, марганец, фосфор и серу), переводя их в шлак или газовую фазу. После этого металл поступает в цех горячей прокатки.

Она начинается с предварительного разогрева металлических слитков (слябов) до температуры 1 150–1 250 °С в печах прокатного стана. Затем слябы выдаются на рольганг, который перевозит их к черновой группе из пяти клетей.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 13.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 14.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 15.

Гидросбивы струёй воды под давлением 12,0–16,0 МПа очищают поверхность металла.

Из черновой группы клетей прокат везут к чистовой группе клетей — здесь заготовка приобретает свою конечную толщину.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 16.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 17.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 18.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 19.

Затем полоса поступает на одну из трёх моталок, где металл сматывают в рулон (температура смотки — около 650 градусов). На выходе получается горячекатаный прокат.

Этот металл используется в строительстве, производстве оборудования, энергетическом и сельскохозяйственном машиностроении, производстве труб, автомобилей и бытовой техники.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 21.

Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 22.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 23.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 24.Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 25.
Производственный процесс: Как плавят металл. Изображение № 26.

Фотографии: Иван Гущин

Плавка — Википедия

Электрическая печь для плавки фосфатов на химическом заводе TVA[en] (1942)

Плавление (плавка, выплавка) — это тепловая обработка руды для выделения из неё металла. Является формой добывающей металлургии. Процесс плавления используется для извлечения многих металлов из их руд, в том числе серебра, железа, меди и других неблагородных металлов. В ходе плавления используется тепло и химический восстановитель для разложения руды, удаления других элементов в виде газов или шлака, в результате чего остаётся металлическая основа. Восстановителем обычно является источник углерода, такой как кокс, или, в более ранние времена, древесный уголь.

Углерод (или получаемый из него монооксид углерода) удаляет из руды кислород, оставляя металлические элементы. Таким образом, углерод окисляется в два этапа, производя вначале монооксид углерода, а затем двуокись углерода. Поскольку большинство руд содержат примеси, часто необходимо использовать флюс, такой как известняк, для удаления сопутствующей породы в виде шлака.

Предприятия для электролитического восстановления алюминия также обычно называются алюминиевыми заводами. Рабочие, занятые в плавлении металлов, нередко страдают респираторными заболеваниями, препятствующими их способности выполнять физические задачи, требуемые их работой.

[1]

Из семи металлов, известных в древности, только золото регулярно находили в естественной форме в естественной среде. Остальные — медь, свинец, серебро, олово, железо и ртуть — встречаются прежде всего как минералы, хотя медь иногда встречается в своём природном состоянии в коммерчески значимых количествах. Эти минералы представляют собой прежде всего карбонаты, сульфиды, или оксиды металла, смешанные с другими компонентами, такими как диоксид кремния и оксид алюминия. Обжиг карбонатных и сульфидных минералов в воздухе превращает их в оксиды. Оксиды, в свою очередь, путём плавления дают металл. Угарный газ был (и остаётся) восстанавливающим агентом для плавки. Он легко получается во время нагрева, поскольку газ вступает в тесный контакт с рудой.

В Старом Свете люди научились плавить металлы в доисторические времена, более 8000 лет назад. Открытие и использование «полезных» металлов — меди и бронзы сначала, а несколько тысячелетий спустя и железа — оказали огромное влияние на человеческое общество. Воздействие было настолько важным, что учёные традиционно делят древнюю историю на каменный, бронзовый и железный век.

На американском континенте выплавку меди и серебра освоили цивилизации, существовавшие в центральных Андах и Перу до инков, и по крайней мере за шесть столетий до того, как первые европейцы прибыли в XVI веке, в то время как плавлением металлов, таких как железо, там так и не было освоено.[2]

Олово и свинец[править | править код]

В Старом Свете первыми научились выплавлять олово и свинец. Самые ранние известные современным историкам литые свинцовые бусины были обнаружены на месте древнего поселения Чатал-Хююк в Анатолии (Турция) и датированы примерно 6500 годом до нашей эры, но металл, возможно, был известен ранее. Поскольку открытие произошло за несколько тысячелетий до изобретения письменности, нет никаких письменных отчётов о том, как это было сделано. Тем не менее, олово и свинец — легкоплавкие металлы,[3] их можно плавить просто поместив руду в дровяной огонь, так что возможно люди научились получать их случайно.

Свинец — обычный металл, но его открытие имело относительно небольшое влияние на историю древнего мира. Он слишком мягкий для использования в строительстве или для производства оружия, хотя его высокая плотность по сравнению с другими металлами делает его идеальным в качестве снарядов для пращи. Однако, поскольку свинец легко отливать и формировать, в Древней Греции и Древнем Риме его широко использовали для изготовления труб и резервуаров для хранения воды. Свинец также использовали в качестве раствора при сооружении каменных зданий. Олово было гораздо менее распространено, чем свинец.

Медь и бронза[править | править код]

Следующим после олова и свинца металлом, который люди научились плавить, по-видимому, была медь. Как произошло это открытие, точно неизвестно. Обычные дровяные костры не могли дать необходимую для плавления меди температуру, поэтому некоторые исследователи предполагают, что первая выплавка меди могла произойти в керамических печах. Развитие плавки меди в Андах, которое, как считается, произошло независимо от Старого Света, возможно, произошло таким же образом.[2] Самые ранние данные о плавке меди, датируемые между 5500 до н.э. и 5000 до н.э., были найдены в Плочнике[en] и Беловодье (Сербия).[4][5]

Сплав меди с оловом и / или мышьяком в правильных пропорциях даёт бронзу, сплав, который значительно твёрже меди. Первые бронзовые изделия из сплава меди и мышьяка относятся к 4200 году до н.э. и были обнаружены в Малой Азии. Также бронзовые сплавы независимо от европейцев умели делать инки. Мышьяк часто является примесью в медных рудах, поэтому открытие могло быть сделано случайно. В конечном итоге мышьяковистые минералы были намеренно добавлены во время плавки.

Медь-оловянные бронзы, более твёрдые и долговечные, были разработаны около 3200 г. до н.э., также в Малой Азии. Как кузнецы научились производить бронзу из сплава меди и олова, неизвестно. Однако к 2000 году до нашей эры люди добывали олово специально для производства бронзы, что удивительно, учитывая, что олово является полурезонансным металлом, и даже богатая руда касситерита имеет только 5% олова. Также, олово требует специальных навыков (или специальных инструментов), чтобы найти его. Однако ранние народы узнали об олове и поняли как его использовать, чтобы сделать бронзу уже к 2000 году до нашей эры.

Начало производства меди и бронзы, а также изделий из них, оказало значительное влияние на историю Старого Света. Эти металлы были достаточно тверды, чтобы делать из них оружие, оказавшееся более устойчивым к ударам, чем древесные, костяные или каменные эквиваленты. В течение нескольких тысячелетий бронза была основным материалом для производства оружия, такого как мечи, кинжалы, боевые топоры и копья и стрелы, а также защитного снаряжения, такого как щиты, шлемы, доспехи и прочее. Бронза также вытеснила камень, дерево и органические материалы при производстве инструментов и бытовой утвари, таких как долота, пилы, тесла, гвозди, ножницы, ножи, швейные иглы и булавки, кувшины, кухонные горшки и котлы, зеркала и конская упряжь. Олово и медь также способствовали созданию торговых сетей, которые охватывали большие районы Европы и Азии, и оказали большое влияние на распределение богатства между отдельными лицами и странами.

Железо[править | править код]

Самым ранним свидетельством об изготовлении железа является небольшое количество фрагментов железа с соответствующим количеством углеродной примеси, обнаруженной в протохеттских слоях в Каман-Калехююке[en] (Турция) и датированное 2200-2000 до н.э.[6] Souckova-Siegolová (2001) показывает, что железные орудия были сделаны в Центральной Анатолии в очень ограниченных количествах около 1800 года до н.э. и в основном использовались элитой во времена позднехеттских царств (~ 1400-1200 гг. до н.э.).[7]

Археологи обнаружили признаки работы с железом в Древнем Египте, где-то между третьим переходным периодом и XXIII династией (около 1100-750 гг. до н.э.). Примечательно, однако, что они не нашли доказательств плавки железной руды в любой (pre-modern) период. Возможно, в 1200 году до н.э. в Западной Африке умели плавить и обрабатывать железо.[8] К тому же, очень ранние экземпляры углеродистой стали были созданы примерно за 2000 лет до настоящего времени на северо-западе Танзании на основе сложных принципов предварительного нагрева. Эти открытия важны для истории металлургии.[9]

Наиболее ранние процессы в Европе и Африке включали выплавку железной руды в сыродутной печи, где температура поддерживается достаточно низкой, чтобы железо не плавилось. Это производит губчатую массу железа, называемую «цветком», которую затем надо укреплять молотом для производства кованого железа. Самые ранние доказательства плавки железа на сегодняшний день обнаружены в Телль-Хамме[en] (Иордания) и относятся к 930 году до н.э. (C14-датировка).[10]

В Средневековье процесс выплавки железа значительно изменился. Люди стали использовать доменные печи для производства передельного чугуна, который затем подвергали дополнительной обработке для получения ковкого чугуна. Процессы второго этапа включали в себя очистку металла в кузнечном горне и, после начала промышленной революции, пудлингование. Оба процесса в настоящее время устарели, и кованое железо сейчас редко производится. Вместо этого малоуглеродистая сталь производится с помощью бессемеровского процесса или другими способами, включая процессы с предварительным восстановлением железа, такие как Corex[en].

Руды из неблагородных металлов (они же базовые или промышленные) часто являются сульфидами. В последние столетия для их выплавки использовались реверберационные печи, которые удерживают топливо и плавку раздельно. Традиционно они использовались для выполнения первой стадии: образование оксидного шлака, содержащего большинство примесных элементов, и сульфидный штейн, содержащий сульфид металла с некоторыми примесями. Такие «реверберационные» печи сегодня имеют длину около 40 м, высоту 3 м и ширину 10 м. Топливо сжигается на одном конце, а тепло расплавляет сухие сульфидные концентраты (обычно после частичного обжига), которые подаются через отверстия в крыше печи. Шлак плавает поверх более тяжёлого штейна и удаляется, отбрасывается или рециркулируется. Затем сульфидный штейн отправляется в конвертер. Точные детали процесса варьируются от одной печи к другой в зависимости от минералогии рудного тела.

В то время как реверберационные печи были очень хороши при производстве шлаков, содержащих очень мало меди, они оказались слишком энергозатратны и получали низкую концентрацию диоксида серы в их отходящих газах, что затрудняло её удаление, и были вытеснены новым поколением технологий плавки меди.[12] Более современные печи были спроектированы на основе плавильных ванн с испоьзованием литьевых форсунок, технологии взвешанной плавки[en] и доменных печей. Некоторые примеры плавильных ванн включают в себя печь Норанда, печь ISASMELT[en], реактор Теньенте, печь Ванюкова и технологию SKS. На плавильных заводах приходится более 50% мировых медеплавильных заводов. Существует ещё много разновидностей процессов плавки, включая Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF и BF.

Плавление металлов оказывает серьёзное воздействие на окружающую среду из-за выхода токсичных металлов в атмосферу и производства избыточных отходов, таких как сточные воды и шлаки. Выделение металлов в газообразной форме, таких как медь, серебро, железо, кобальт и селен.[13] Двуокись серы является ещё одним важным газообразным соединением, которое выделяется в процессе плавки и способствует ухудшению окружающей среды, из-за того, что по мере её поступления в атмосферу она может привести к образованию кислотных дождей, что может привести к подкислению почвы и водной среды.[14]

  1. Sjöstrand, Torgny. Changes in the Respiratory Organs of Workmen at an Ore Smelting Works1 (англ.) // Acta Medica Scandinavica (англ.)русск. : journal. — 1947. — 12 January (vol. 128, no. S196). — P. 687—699. — ISSN 0954-6820. — DOI:10.1111/j.0954-6820.1947.tb14704.x.
  2. 1 2 releases/2007/04/070423100437 (неопр.). sciencedaily.com. Дата обращения 26 августа 2015. Архивировано 9 сентября 2015 года.
  3. Пикунов М. В., Десипри А. И. § 34. Легкоплавкие металлы и их сплавы. Олово, свинец и их сплавы // Металловедение. — М.: «Металлургия», 1980. — 256 с. — 30 000 экз.
  4. ↑ Stone Pages Archaeo News: Ancient metal workshop found in Serbia (англ.). stonepages.com. Дата обращения 26 августа 2015. Архивировано 24 сентября 2015 года.
  5. ↑ 201006274431 | Belovode site in Serbia may have hosted first copper makers (англ.). archaeologydaily.com. Дата обращения 26 августа 2015. Архивировано 29 февраля 2012 года.
  6. Akanuma, Hideo. The Significance of Early Bronze Age Iron Objects from Kaman-Kalehöyük, Turkey (англ.) // Anatolian Archaeological Studies : journal. — 2008. — Vol. 17. — P. 313—320.
  7. Souckova-Siegolová, J. Treatment and usage of iron in the Hittite empire in the 2nd millennium BC (англ.) // Mediterranean Archaeology : journal. — 2001. — Vol. 14. — P. 189—193..
  8. ↑ How Old is the Iron Age in Sub-Saharan Africa? Архивировано 13 октября 2007 года. — by Roderick J. McIntosh, Archaeological Institute of America (1999)
  9. ↑ Peter Schmidt, Donald H. Avery. Complex Iron Smelting and Prehistoric Culture in Tanzania Архивировано 9 апреля 2010 года., Science 22 September 1978: Vol. 201. no. 4361, pp. 1085–1089
  10. Xander Veldhuijzen, Thilo Rehren. Slags and the city: early iron production at Tell Hammeh // Metals and Mines: studies in archaeometallurgy / Edited by Susan La Niece, Duncan Hook and Paul Craddock. — London: Archetype Publications & British Museum, 2007. — P. 189-201. — 256 p. — ISBN 978-1904982197. (англ.)
  11. Minet, Adolphe. The Production of Aluminum and Its Industrial Use (англ.). — New York, London: John Wiley and Sons, Chapman & Hall, via Google Books scan of University of Wisconsin — Madison copy, 1905. — P. 244 (Minet speaking) +116 (Héroult speaking).
  12. ↑ W G Davenport, «Copper extraction from the 60s into the 21st century,» in: Proceedings of the Copper 99–Cobre 99 International Conference. Volume I—Plenary Lectures/Movement of Copper and Industry Outlook/Copper Applications and Fabrication, Eds G A Eltringham, N L Piret and M Sahoo (The Minerals, Metals and Materials Society: Warrendale, Pennsylvania, 1999), 55–79.
  13. Hutchinson, T. C.; Whitby, L. M. Heavy-metal Pollution in the Sudbury Mining and Smelting Region of Canada, I. Soil and Vegetation Contamination by Nickel, Copper, and Other Metals (англ.) // Environmental Conservation : journal. — 1974. — Vol. 1, no. 2. — P. 123—132. — ISSN 1469-4387. — DOI:10.1017/S0376892900004240.
  14. Likens, Gene E.; Wright, Richard F.; Galloway, James N.; Butler, Thomas J. Acid Rain (англ.) // Scientific American. — Springer Nature, 1979. — Vol. 241, no. 4. — P. 43—51.
  • Pleiner, R. (2000) Iron in Archaeology. The European Bloomery Smelters, Praha, Archeologický Ústav Av Cr.
  • Veldhuijzen, H.A. (2005) Technical Ceramics in Early Iron Smelting. The Role of Ceramics in the Early First Millennium Bc Iron Production at Tell Hammeh (Az-Zarqa), Jordan. In: Prudêncio, I.Dias, I. and Waerenborgh, J.C. (Eds.) Understanding People through Their Pottery; Proceedings of the 7th European Meeting on Ancient Ceramics (Emac ’03). Lisboa, Instituto Português de Arqueologia (IPA).
  • Veldhuijzen, H.A. and Rehren, Th. (2006) Iron Smelting Slag Formation at Tell Hammeh (Az-Zarqa), Jordan. In: Pérez-Arantegui, J. (Ed.) Proceedings of the 34th International Symposium on Archaeometry, Zaragoza, 3–7 May 2004. Zaragoza, Institución «Fernando el Católico» (C.S.I.C.) Excma. Diputación de Zaragoza.

Плавка металла в домашних условиях: оборудование, инструкция

Уже давно мужчины стали думать о том, как создать собственную печь для плавки металла в домашних условиях. Она должна быть портативной и соответствовать всем условиям. На производстве установлены печи для плавки большого количества металла. В домашних условиях можно собрать печь для плавки до пяти килограмм алюминия. Рассмотрим, как сделать плавильню в домашних условиях.

Плавка металла в домашних условияхПлавка металла в домашних условиях Плавка металла в домашних условиях

Оборудование и материалы, которые понадобятся

Для того, чтобы произвести плавку металла необходимо купить следующие компоненты для изготовления:

  • огнеупорный кирпич;
  • гвозди;
  • трансформатор;
  • медный провод;
  • графит;
  • слюда;
  • асбестовые и цементные плитки;
  • газовая горелка;
  • тигель.

Размеры будут варьироваться от желания собирающего ее. Лучше создать небольшую печь для переплавки металлов, если вы хотите ее использовать только для своих нужд. Вы потратите меньше времени на ее изготовление, и на разогрев ее будет тратиться малое количество киловатт. Если вы делаете ее на солярке или на угле, то не забудьте про установку теплоизоляции и поддува воздуха.

Самодельные тигелиСамодельные тигели

Самодельные тигели

В электропечи плавятся такие металлы, как железо, никель, олово, медь. Напряжение на выходе в электропечи должно быть больше, а значит и расстояние между электродами будет увеличиваться. Щетки от электромотора подойдут вместо электродов.

Пошаговая инструкция

Как сделать плавильную печь в домашних условиях -прочтите в следующей инструкции:

  • Устанавливается высокочастотный генератор переменного тока.
  • Обмотка в виде спирали. Изготавливается из медной проволоки.
  • Тигель.

Все эти элементы помещаются в один корпус. Чашечка для плавления помещается в индуктор. Обмотка подключается к источнику питания. Когда включается ток, то появляется электромагнитное поле. Образовавшиеся вихревые токи проходят сквозь метал в чашечке и нагревают его. Происходит плавление.

Самодельная муфельная печьСамодельная муфельная печь

Самодельная муфельная печь

Положительные свойства индукционной печи в том, что при переплавке металлов получается однородный расплав, не испаряются легирующие компоненты, а плавление происходит довольно быстро. К тому же установка такой печи не вредит экосистеме и безопасна для использующего ее.

Охлаждение можно сделать с помощью вентилятора. Только последний должен располагаться как можно дальше от печи, иначе обмотка его будет служить дополнительным замыканием вихревых потоков. Это понизит качество плавления.

Печь из колесного дискаПечь из колесного диска

Печь из колесного диска

Особенности плавления некоторых металлов

Для того, чтобы расплавить металл в домашних условиях этот элемент необходимо поместить в небольшую чашечку или тигель. Чашка с материалом вставляется в печь. Затем начинается его плавка. Чтобы расплавить драгоценные элементы их помещают в ампулу из стекла. Для того, чтобы сделать сплав из нескольких компонентов следуют такой инструкции:

  • Вначале в чашечку для плавления кладется тугоплавкий элемент – медь или железо.
  • Затем кладется более легкоплавкий компонент – олово, алюминий.
Плавка алюминия в самодельной печиПлавка алюминия в самодельной печи

Плавка алюминия в самодельной печи

Сталь является тугоплавким материалом. Ее температура плавления составляет тысячу четыреста градусов по Цельсию. Поэтому, чтобы расплавить сталь в домашних условиях надо следовать следующей инструкции:

  • Для плавки стали в домашних условиях ввести дополнительные регенераторы. Если печь работает на электричестве, то используется электроэнергия.
  • При индукционном нагреве добавляются шлаки. Они увеличивают быстроту плавки.
  • Постоянно вести наблюдение за показаниями приборов. Если необходимо, то понижать температуру плавления, переходя на более умеренный режим.
  • Всегда верно определять готова ли сталь к работе или к плавлению. Выдерживать все вышеперечисленные шаги. Только тогда металл на выходе будет качественного изготовления.
Плавка металлаПлавка металла

Плавка металла

Для плавки железа в домашних условиях печь необходимо заранее прогреть. Вначале помещается крупный кусок, а потом мелкие. Железо необходимо вовремя переворачивать. А правильно расплавленный металл будет иметь шаровидную форму.

Если вы собираетесь сделать бронзу, то вначале необходимо поместить в лунку для плавления медь. Так как этот компонент более тугоплавкий. Когда медь расплавилась добавляется олово.

Ни в коем случае нельзя плавить такие элементы, как кадмий, свинец или цинк. При выгорании они образуют ядовитый дым желтоватого цвета.

А при плавке алюминия, олово или железа необходимо соблюдать неспешность. Расклепывать медленно и делать это надо небольшим молотком. Часто нагревайте материал до покраснения и остужайте в холодной воде. Только тогда вы получите идеальный сплав на выходе.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Как плавить металл | Metall

Расплав металлов ведут, соблюдая технологические нормы. Процесс требует определённых навыков и специального оборудования. Тигли для плавления выбираются из тугоплавкого материала со сливным каналом. Лучшим нагревательным оборудованием является муфельная печь. В ней задаётся и поддерживается температура.

Особенности плавления

Все металлы и их сплавы представляют собой кристаллы. Атомы удерживаются, и металл находится в твёрдом виде. Если добавить достаточно энергии, кристалл станет подвижным и произойдёт расплав металла. При этом каждый вид материала имеет свою температуру плавления.

Чем выше температура плавления, тем больше энергии затрачивается на расплав. Так, для золота это13600, серебра 9600, а олово плавится при 2320. Поэтому технология плавления для каждого материала своя.

Во время получения расплава, он вступает во взаимодействие с окружающей атмосферой. Для некоторых материалов итогом взаимодействия будет образование твёрдых оксидных шлаков на поверхности. В других получается рыхлая или творожистая плёнка, которая не спасает от дальнейших реакций разрушения металла. Бывает, газ поглощается металлом, что тоже вредно.

Для каждого состава выбирается свой защитный режим плавления. Во всех случаях добиваются сокращения времени расплава. В некоторые материалы необходимо добавлять флюсы или микродозы других ингибиторов. Для наиболее активных металлов используется плавление в среде инертных газов.

Получение сплавов

Для получения сплавов необходимо знать температуру плавления некоторых материалов:

  • олово – 2320;
  • свинец – 3270;
  • цинк – 4190;
  • серебро – 9610;
  • медь – 10850.

Разработчики сплавов используют различные технологии. Одной из них является загрузка материала, имеющего низкую температуру плавления в расплав металла с большей точкой плавления. При этом время образования нового сплава уменьшается. Количество шлаков тоже. Новый компонент надо вводить кусочками примерно одного размера.

Количество составляющих в весовом отношении должно превышать расчётное примерно до пяти процентов. Это неизбежные потери от выгора и шлаков. Не учитывая этих потерь невозможно получить сплав с заданными свойствами.

Перед розливом сплав необходимо несколько перегреть, чтобы заливка в форму была равномерной. От формы опоки, и предусмотренных технологией розлива усадочных процессов при остывании металла, будет зависеть количество дефектов в отливке. Поэтому литейщики учитывают этот фактор и разрабатывают особые технологии для художественного литья. В отливках не должно быть трещин, рыхлости и раковин.

Читайте также

Металлургия — как надо плавить металлы, чтобы они выдерживали любые условия

Развитие топливно-энергетической отрасли было бы совершенно невозможно без параллельного развития металлургии. В свою очередь, металлурги мобилизовывали для решения поставленных задач специалистов самых разных отраслей знания. Наша машинная цивилизация стоит на достижениях металлургов: они создали технику, которая не только использует топливные ресурсы, но и позволяет их добыть, транспортировать и переработать.

История металлургии, и в первую очередь металлургии железа, уходит в седую древность, когда древних энергетиков перестал удовлетворять каменный топор. Его сменил бронзовый, а потом и железный. Поначалу производство железа было примитивным — его выплавляли даже из болотной руды в примитивных плавильных горнах. Это железо было низкого качества.

И у оружейников, и у производителей инструмента тех времен была одна и та же проблема — изделия из твердого железа были крайне хрупкими и постоянно ломались, а те что, из мягкого, стремительно тупились. Над решением этой задачи колдовали веками лучшие кузнецы и алхимики своего времени. Больше всего расстраивал металлургов побочный продукт плавки — чугун. Этот сплав железа и углерода отличается твердостью, но и исключительной хрупкостью, то есть непригодный для производства чего-либо методом ковки — он просто рассыпался на куски. Его столетиями выбрасывали в отвалы. Но в ХIV веке кто-то вновь загрузил чугун в печь и переплавил его вместе с новой рудой. Это позволило наладить производство стали.

В начале XVIII века стали расти требования к качеству стали. Процесс придания стали различных качеств называется легированием, и он был известен достаточно давно, но был весьма сложным и хлопотным делом. То, что годилось для меча правителя, не годилось для заступов лопат, передаточных колес, шестерен и других изделий. В 1740 году Бенджамин Хантсмен в поисках рецепта стали для изготовления пружин и маятников разработал так называемую тигельную технологию изготовления стали, которая позволяла делать сталь разных свойств.

В первой половине XIX века Якоб Берцелиус и Иоганн Карстен смогли сформулировать представления о влиянии фосфора и серы, а также кислорода на свойства стали. Исследования показали также изменения свойств стали при добавке в ее состав других металлов. Чтобы объективно оценивать свойства различных сплавов, пришлось развивать раздел механики о прочностных свойствах, известный как «сопротивление материалов». Многие ученые отметились на этом поприще, в частности, значительный вклад внес в изучение сплавов известный физик Майкл Фарадей.

Во второй половине XIX века появились не только новые способы получения стали, но и новые потребности. В частности, была нужна сталь, которая использовалась бы для изготовления тех же самых труб, которые стали все шире использоваться в поиске и добыче нефти. Пионером в деле создания такого инструмента стал Робер Мюше, который создал в 1864 году легированную вольфрамом сталь, твердость которой не падала при нагревании, а даже росла. Появились сплавы устойчивые к истиранию, как, например, победит — сплав вольфрама и кобальта, созданный в СССР в 1929 году. Победит уже скоро 100 лет как используется для буровых коронок благодаря своей твердости и стойкости. Режущие элементы из победита используются также в пилах по камню и другом инструменте с особо тяжелыми условиями работы.

Таким образом, к началу ХХ века сформировался целый комплекс научных дисциплин, связанных с созданием новых сплавов с заданными свойствами, обусловленными конкретными нуждами промышленности.

Например, свои требования выдвигает буровая индустрия. Собственно бурильные трубы, обсадные, турбобуры и прочий инструмент должны быть изготовлены из соответствующих сплавов. Особые требования предъявляются и к трубам для магистральных нефте- и газопроводов.

Металлургия — как надо плавить металлы, чтобы они выдерживали любые испытания

Так, если до 50-х годов ХХ века трубы производились из обычной, легированной хромом или марганцем, стали, то уже в следующем десятилетии металлурги предложили трубопрокатчикам другую, более качественную, сталь. Причина была проста — обычная сталь склонна к хрупкому разрушению, которое становится тем более вероятным, чем ниже температура.

Именно поэтому сначала появилась новая кремнемарганцевая сталь, трубы из которой могли выдержать гораздо большее давление. А снижение содержания углерода повысило вязкость этой стали. Совершенствовалась также прокатка металла. Однако новые проекты поставили новые требования — трубы должны были быть еще более устойчивыми к низким температурам, металл должен был быть еще более вязким и прочным.

Сейчас российские производители, в частности Челябинский трубопрокатный завод, выпускают трубы из стали нового поколения. Эти новые сорта стали позволяют поднять рабочее давление и прокладывать трубопроводы в условиях Крайнего Севера и в холодных морях.

Ученые тем временем колдуют над новыми сплавами, которые будут востребованы уже очень скоро, — они потребуются для трубопроводов повышенного давления, поскольку повышение давления — это прямой путь и к повышению экономической эффективности трубопроводов. Буровики требуют новых инструментов — жаро- и хладостойких одновременно, прочных, но легких. Отдельная страница — это разработки металлов для установок нефте- и газохимических предприятий.


Плюс турбины тепловых электростанций, котельные и многое другое — все нуждается в своих металлах и их сплавах, которые надо рассчитать, создать, исследовать и только потом отправлять машиностроителям, которые создадут из них нужную продукцию. Так что то, что может показаться «простой железякой», на самом деле является продуктом серьезных научных исследований, конца-краю которым не видно. 


Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+


История производства и использования железа — Википедия

Выплавка железа в Средние века[1]

История производства и использования железа берёт своё начало в доисторической эпохе, скорее всего, с использования метеоритного железа. Выплавка в сыродутной печи применялась в XII веке до н. э. в Индии, Анатолии и на Кавказе. Также отмечается использование железа при выплавке и изготовлении орудий и инструментов в 1200 году до н. э. в Африке южнее Сахары[2][3]. Уже в первом тысячелетии до н. э. использовалось кованое железо (англ. Wrought iron). Об обработке железа упоминается в первой книге Библии (Быт. 4:22).

Диаграмма состояний сплавов железа и углерода

Материал, в обиходе называемый «железом», как правило, является сталью или чугуном и представляет собой сплав железа (Fe), как химического элемента, с углеродом (C). Кроме железа и углерода сплав содержит незначительные количества других химических элементов.

При концентрации углерода в сплаве менее 0,3 % получается мягкий пластичный тугоплавкий (температура плавления железа 1539 °C) сплав, за которым и закрепляется название его основного ингредиента — железа. Представление о том железе, с которым имели дело наши предки, сейчас можно получить, исследовав механические свойства гвоздя.

При концентрации углерода в сплаве от 0,3 до 2,14 % сплав называется «сталью». В первозданном виде сталь походит по своим свойствам на железо, но, в отличие от него, поддается закалке: при резком охлаждении после нагрева до определённых температур сталь приобретает большую твёрдость — замечательное достоинство, однако, почти совершенно сводимое на нет приобретённой в процессе той же закалки хрупкостью.

При концентрации углерода в сплаве свыше 2,14 % сплав называется «чугуном». Чугун — хрупкий легкоплавкий сплав, пригодный для литья, но не поддающийся обработке ковкой. Чугун насыщен графитовыми включениями, делающими его неоднородным и механически непрочным. Температура плавления чугуна варьируется от 1150 до 1300 °C.

Технологии производства и обработки железа и сплавов[править | править код]

Для производства железа исторически применялось несколько технологий, которые сложно расположить в хронологическом порядке.

Метеоритное железо[править | править код]

Использование железа началось намного раньше, чем его производство. Иногда люди находили куски серовато-чёрного металла, попавшие на Землю с метеоритами — метеоритное железо, использовали их для изготовления оружия: перековывали в кинжалы или наконечники копий. Метеоритное железо было более прочным и пластичным, чем бронза, и дольше «держало» остроту лезвия. Поскольку железные метеориты содержали железоникелевый сплав, можно предположить, что качество некоторых уникальных кинжалов могло соперничать с современным ширпотребом[4]. Однако, та же уникальность приводила к тому, что такое оружие оказывалось не на поле боя, а в сокровищнице очередного правителя.

Сыродутная печь[править | править код]

Первым устройством для получения железа из руды стала одноразовая сыродутная печь (сыродутный горн, домница). Несмотря на наличие недостатков способ получения железа с использованием такой печи долгое время оставался единственным способом получения железа из руды. На Руси появление первых домниц относят к IX веку[5].

Впервые железо научились обрабатывать народы Анатолии. Древние греки считали, что открывателями железа был народ халибов. В литературе этот народ назывался устойчивым выражением «отец железа». Слово «сталь» на греческом языке («Χάλυβς») происходит от этого этнонима.

«Железная революция» началась на рубеже I тысячелетия до нашей эры в Ассирии. Железные мечи научились изготавливать представители Гальштатской культуры. С VIII века до нашей эры сварочное железо быстро стало распространяться в Европе, в III веке до нашей эры оно вытеснило бронзу в Галлии, во II веке новой эры появилось в Германии, а в VI веке уже широко употреблялось в Скандинавии; племенами же, проживающими на территории будущей Руси — киммерийцами, а позже скифами и сарматами — железо использовалось ещё до н. э.. В Японии железный век наступил только в VII веке нашей эры.

Известный популяризатор науки Айзек Азимов так описывает историю перехода человечества из бронзового века в железный[6]:

«Где-то около XV—XIV вв. до н. э. техника выплавки и науглероживания железа была разработана в кавказских предгорьях в Урарту. Эта страна находилась тогда под властью Хеттского царства, которое находилось на высшей точке своей мощи. Хеттские цари тщательно охраняли монополию на новую технику, ибо понимали её важность. Вначале получали только маленькие партии железа, и в течение нескольких столетий оно стоило порой в сорок раз дороже серебра. Но ещё до того, как выплавку можно было увеличить, а хеттам — этим воспользоваться, им пришёл конец. Хеттское царство было разрушено во время беспорядков, последовавших за движением «народов моря», и хеттская монополия на железо была нарушена. Технология выплавки железа быстро распространялась в том числе, конечно, в Ассирию, которая граничила с «железным царством» Урарту.

Торговля железом восстановила процветание Ассирии. Открылся путь для новых завоеваний.

Вторгшиеся в Грецию дорийские племена обладали железным оружием, именно поэтому они так легко покорили вооруженных бронзой ахейцев. Было железо и у «народов моря», и, когда филистимляне захватывали ханаанское побережье, в сражениях они использовали железное оружие, Но они были не настолько глупы, чтобы раскрывать секрет выплавки железа. Пока им удавалось хранить эту техническую тайну, израильтянам приходилось обороняться более примитивным оружием. Благодаря железу филистимляне не только легко закрепились на побережье, но и обложили данью ближайшие к ним племена. Около двух веков (до прихода к власти Давида в 1013 году до н. э.) им удавалось господствовать над более многочисленными израильскими племенами.
»

Первым шагом в зарождающейся чёрной металлургии было получение железа путём восстановления его из окиси. Болотная руда перемешивалась с древесным углём и закладывалась в печь. При высокой температуре, создаваемой горением угля, углерод начинал соединяться не только с атмосферным кислородом, но и с тем кислородом, который был связан с атомами железа.

После выгорания угля в печи оставалась так называемая «крица» — комок пористого восстановленного железа с примесью большого количества шлаков. Крицу потом снова разогревали и подвергали обработке ковкой, выколачивая шлак из железа. Полученный брусок железа (в котором всё же оставалось 2—4 % шлака) назывался «кричной болванкой». Долгое время ковка была основным процессом в технологии производства железа, причём, с приданием изделию формы она была связана в последнюю очередь. Ковкой получался сам материал.

Сварное оружие[править | править код]

Сталь производилась уже из готового железа путём насыщения углеродом последнего. При высокой температуре и недостатке кислорода углерод, не успевая окисляться, пропитывал железо. Чем больше было углерода, тем твёрже оказывалась сталь после закалки.

Как можно было заметить, ни один из перечисленных выше сплавов не обладает таким свойством, как упругость. Железный сплав может приобрести это качество, только если в нём возникает чёткая кристаллическая структура, что происходит, например, в процессе застывания из расплава. Проблема же древних металлургов заключалась в том, что расплавить железо они не могли. Для этого требуется разогреть его до 1540 °C, в то время как технологии древности позволяли достичь температур в 1000‑1300 °C. Вплоть до середины XIX века было невозможно расплавить железо и сталь с содержанием углерода менее 0,4 %, так как плавкость железных сплавов снижается по мере уменьшения концентрации углерода.

Таким образом ни железо, ни сталь сами по себе для изготовления оружия не годились. Орудия и инструменты из чистого железа выходили слишком мягкими, а из чистой стали — слишком хрупкими. Потому, чтобы изготовить, например, меч, приходилось делать «бутерброд» из двух пластин железа, между которыми закладывалась стальная пластина. При заточке мягкое железо стачивалось и появлялась стальная режущая кромка.

Такое оружие, сваренное из нескольких слоёв с разными механическими свойствами, называлось сварным. Общими недостатками этой технологии являлись излишняя массивность и недостаточная прочность изделий. Сварной меч не мог пружинить, вследствие чего неизбежно ломался или гнулся при ударе о непреодолимую преграду.

Отсутствием упругости недостатки сварного оружия не исчерпывались. В дополнение к упомянутым недостаткам, его, например, невозможно было «толком» заточить. Железу можно было придать какую угодно остроту (хотя и стачивалось оно быстро), но и тупилась мягкая режущая кромка из железа почти мгновенно. Сталь же точиться не желала — режущая кромка крошилась. Здесь налицо полная аналогия с карандашами — мягкий грифель легко сделать острым, но он сразу затупится, а твёрдый до особой остроты не доведёшь — десять раз сломается. Так что, бритвы приходилось делать из железа и затачивать заново ежедневно.

В целом же сварное оружие не превосходило остротой столовый нож. Уже одно это обстоятельство требовало делать его достаточно массивным для придания удовлетворительных рубящих свойств.

Единственной мерой, позволяющей достичь сочетания остроты и твёрдости в рамках технологии сварки, была закалка изделия уже после его заточки. Применим же этот метод становился в случае, если стальная режущая кромка приваривалась просто к железному обуху, а не заключалась в «бутерброд» из железа. Либо после заточки могли быть закалены клинки, у которых железный сердечник покрывался снаружи сталью. Недостатком такого метода было то, что заточка оказывалась возможна лишь однажды. Когда стальное лезвие повреждалось и тупилось, весь клинок приходилось перековывать.

Тем не менее именно освоение техники сварки — несмотря на все её недостатки — произвело настоящий переворот во всех сферах человеческой деятельности и привело к огромному возрастанию производительных сил. Сварные орудия были вполне функциональны и, при том, общедоступны. Только с их распространением каменные орудия оказались окончательно вытеснены, и наступил век металла.

Железные орудия решительно расширили практические возможности человека. Стало возможным, например, строить рубленные из брёвен дома — ведь железный топор валил дерево уже не в три, как медный, а в 10 раз быстрее, чем каменный. Широкое распространение получило и строительство из тёсаного камня. Он, естественно, употреблялся и в эпоху бронзы, но большой расход сравнительно мягкого и дорогого металла решительно ограничивал такие эксперименты. Значительно расширились также и возможности земледельцев.

Булатная сталь и дамаск[править | править код]

Увидеть железо жидким металлурги смогли только в XIX веке, однако ещё на заре железной металлургии — в начале I тысячелетия до нашей эры — индийские мастера сумели решить проблему получения высокоуглеродистой стали с композитной структурой. Такую сталь называли булатом, но из-за сложности изготовления и отсутствия необходимых материалов в большей части мира эта сталь так и осталась индийским секретом на долгое время.

Более технологичный путь получения упругой стали, при котором не требовались ни особо чистая руда, ни графит, ни специальные печи, был найден в Китае во II веке нашей эры. Сталь перековывали до двенадцати раз, при каждой ковке складывая заготовку вдвое, в результате чего получался отличный оружейный материал, называемый «дамаском», из которого, в частности, делались японские катаны (мечи). Количество слоёв стали рассчитывается по формуле A=2Nx{\displaystyle A=2^{N}x}, где N{\displaystyle N} — количество проковок, а x{\displaystyle x} — изначальное количество видов (слоёв) стали, сковываемой в «бутерброд». При каждой ковке количество слоёв удваивалось, а после 12 проковок количество слоёв достигало 4096, и слои становились неразличимы.

Штукофен[править | править код]

Более высокую, по сравнению с сыродутной печью, ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи, называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь — с четырёхметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена «качались» уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица.

Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.

Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи — в день он давал до 250 кг железа, а температура в нём оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.

Иногда, впрочем, штукофенному чугуну пытались найти какое-то применение. Например, древние индусы отливали из грязного чугуна гробы, а турки в начале XIX века — пушечные ядра. Трудно судить, сколь хорошими были гробы, но ядра из него получались невысокого качества.

Ядра для пушек из железистых шлаков в Европе отливали ещё в конце XVI века. Из литой брусчатки делались дороги. В Нижнем Тагиле до сих пор сохранились здания с фундаментами из литых шлаковых блоков[7].

Блауофен[править | править код]

Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта — чем выше была температура, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому рано или поздно им приходила мысль улучшить штукофен — добавить предварительный подогрев воздуха и увеличить высоту трубы. В середине XV века в Европе появились печи нового типа — блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз.

Более высокая температура действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна. Теперь уже не 10 %, как в штукофене, а 30 % выхода составлял чугун — «свиное железо», ни к какому делу не годное. В итоге, выигрыш часто не окупал модернизации.

Блауофенный чугун, как и штукофенный, застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья. Чугун, получаемый из блауофенов, оказывался уже достаточно прочен, но оставался ещё очень неоднородным. Из него выходили только предметы простые и грубые — кувалды, наковальни, пушечные ядра.

Кроме того, если в сыродутных печах могло быть получено только железо, которое потом науглероживалось, то в штукофенах и блауофенах внешние слои крицы оказывались состоящими из стали. В блауофенных крицах стали было даже больше, чем железа. С одной стороны, это было хорошо, но вот отделить сталь от железа оказалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой можно было добиться однородности его распределения.

В своё время, столкнувшись с этими затруднениями, индусы не стали двигаться дальше, а занялись тонким усовершенствованием технологии и пришли к получению булата. Но индусов в ту пору интересовало не количество, а качество продукта. Европейцы, экспериментируя с чугуном, скоро открыли передельный процесс, поднявший металлургию железа на качественно новый уровень.

Доменная печь[править | править код]

Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи всё железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным — печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась — но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков.

Хотя найденные в Китае чугунные изделия восходят к V веку до нашей эры[8], самые ранние доменные печи, производящие чугун в «чушках» (слитках), который мог переплавляться в очищенный чугун в вагранках, датируются III—II веками до нашей эры. Подавляющее большинство обнаруженных ранних мест доменного производства относятся к периоду после введения государственной монополии на соль и железорудную промышленность в 117 году до нашей эры (период правления императора У-ди, 141—87 до н. э.) в эпоху династии Хань (202 год до нашей эры — 220 год нашей эры). Большинство железоделательных мест, открытых до 117 года до нашей эры, занимались лишь литьём из заготовок, выплавленных в доменных печах в других районах, отдалённых от населённых пунктов[9][10].

В Европе доменные печи впервые были применены на рубеже XV—XVI веков. На Ближнем Востоке и в Индии эта технология появилась только в XIX веке (в значительной степени, вероятно, потому, что водяной двигатель из-за характерного дефицита воды на Ближнем Востоке не употреблялся). Наличие в Европе доменных печей позволило ей обогнать в XVI веке Турцию если не по качеству металла, то по валу. Это оказало несомненное влияние на исход борьбы, особенно когда оказалось, что из чугуна можно лить пушки.

Георгий Агрикола так описывает средневековую технологию плавки[11]:

«Обычай выдающихся плавильщиков, умеющих управлять четырьмя элементами (имеются в виду земля, воздух, огонь и вода — вне цитаты), таков. Они смешивают в правильных пропорциях руды, содержащие земли, и загружают их в печи. Затем льют нужное количество воды и умело управляют движением воздуха, поступающего из мехов, забрасывая руду туда, где огонь горит с наибольшей силой. Мастер равномерно обрызгивает водой внутреннее пространство печи, слегка увлажняя древесный уголь с тем, чтобы к нему приставали мелкие частицы руды; иначе эти частицы приводятся в движение силой дутья и огня и уносятся вместе с дымом.»

Также Агрикола верно объясняет необходимость изменения конструкции печи в зависимости от типа руд[11]:

«Так как природа руд, подлежащих плавке, бывает различной, плавильщикам приходится устраивать горн то выше, то ниже и устанавливать трубу, куда вводятся насадки мехов под меньшим или большим углом для того, чтобы дутье при надобности было более или менее сильным. Если руды нагреваются и плавятся легко, то для работы плавильщиков необходим низкий горн, а труба должна быть установлена под небольшим углом, чтобы дутье было легкое. Наоборот, если руды нагреваются и плавятся медленно, то требуется высокий горн, а труба должна быть установлена с крутым уклоном, чтобы обеспечить сильное дутье. Для руд этого рода нужна весьма горячая печь, в которой сначала расплавляются шлаки, штейны или легкоплавкие камни для того, чтобы руда не могла пригореть к поду горна и закрыть выпускное отверстие.»

Передельный процесс[править | править код]

С XVI века в Европе получил распространение так называемый передельный процесс в металлургии — технология, при которой железо ещё при получении за счёт высокой температуры плавления и интенсивного науглероживания перегонялось в чугун, а уже затем, жидкий чугун, освобождаясь от лишнего углерода при отжиге в горнах, превращался в сталь.

Из передельной стали уже можно было изготавливать кривые мечи (например, сабли), чего не позволяла сделать сварная технология.

Применение угля, коксование, пудлингование, горячее дутьё[править | править код]

С начала XVII века европейской кузницей стала Швеция, производившая половину железа в Европе. В середине XVIII века её роль в этом отношении стала стремительно падать в связи с очередным изобретением — применением в металлургии каменного угля.

Прежде всего надо сказать, что до XVIII века включительно каменный уголь в металлургии практически не использовался — из-за высокого содержания вредных для качества продукта примесей, в первую очередь — серы. С XVII века в Англии каменный уголь, правда, начали применять в пудлинговочных печах для отжига чугуна, но это позволяло достичь лишь небольшой экономии древесного угля — большая часть топлива расходовалась на плавку, где исключить контакт угля с рудой было невозможно.

Потребление же топлива в металлургии уже тогда было огромно — домна (доменная печь) пожирала воз угля в час. Древесный уголь превратился в стратегический ресурс. Именно изобилие дерева в самой Швеции и принадлежащей ей Финляндии позволило шведам развернуть производство таких масштабов. Англичане, имевшие меньше лесов (да и те были зарезервированы для нужд флота), вынуждены были покупать железо в Швеции до тех пор, пока не научились использовать каменный уголь. Его ввёл в употребление в XVII веке Клемент Клерк и его мастера кузнечных дел и литья.

С 1709 году в местечке Коулбрукдейл Абрахам Дарби, основатель целой династии металлургов и кузнецов, использовал кокс для получения чугуна из руды в доменной печи. Из него поначалу делали лишь кухонную утварь, которая отличалась от работы конкурентов лишь тем, что её стенки были тоньше, а вес меньше. В 1750-х годах сын Дарби (Абрахам Дарби II) построил ещё несколько домен, и к этому времени его изделия были ещё и дешевле, чем изготовленные на древесном угле. В 1778 году внук Дарби, Абрахам Дарби III, из своего литья построил в Шропшире знаменитый Железный мост, первый мост в Европе, полностью состоящий из металлических конструкций.

»

Для дальнейшего улучшения качества чугуна в 1784 году Генри Корт разработал процесс пудлингования. Среди многих металлургических профессий того времени, пожалуй, самой тяжелой была профессия пудлинговщика. Пудлингование было основным способом получения железа почти на протяжении всего XIX века. Это был очень тяжёлый и трудоёмкий процесс. Работа при нём шла так. На подину пламенной печи загружались чушки (слитки) чугуна; чушки расплавляли. По мере выгорания из металла углерода и других примесей температура плавления металла повышалась, и из жидкого расплава начинали «вымораживаться» кристаллы довольно чистого железа. На подине печи собирался комок слипшейся тестообразной массы. Рабочие-пудлинговщики приступали к операции накатывания крицы при помощи железного лома. Перемешивая ломом массу металла, они старались собрать вокруг лома комок, или крицу, железа. Такой комок весил до 50—80 кг и более. Крицу вытаскивали из печи и подавали сразу под молот — для проковки с целью удаления частиц шлака и уплотнения металла[7].

Рост производства и улучшение качества английского металла к концу XVIII века позволило Великобритании полностью отказаться от импорта шведского и российского железа. Развернулось сооружение каналов, позволявших перевозить уголь и металлы.

С 1830 по 1847 год производство металла в Англии возросло более чем в 3 раза. Применение горячего дутья при плавке руды, начавшееся в 1828 году, втрое сократило расход топлива и позволило использовать в производстве низшие сорта каменного угля, С 1826 по 1846 год экспорт железа и чугуна из Великобритании увеличился в 7,5 раза[12].

Конвертерное производство и мартеновские печи[править | править код]

В 1856 году Генри Бессемер получил патент на новую технологию производства стали (бессемеровский процесс). Он изобрёл конвертер — устройство, в котором сквозь жидкий чугун, получаемый в доменных печах, продувался воздух. В конвертере происходит выгорание углерода, растворённого в железе, что позволяет получать сталь в существенно больших количествах, чем это было ранее доступно.

Альтернативой применения конвертера на протяжении XX века являлась мартеновская печь, в которой также происходило дожигание углерода. К концу XX века мартеновские печи стали очевидно устаревшей технологией и были вытеснены кислородно-конвертерным производством стали.

В середине XX века был изобретён турбодетандер, позволяющий снизить затраты на производство кислорода. Кислород стал достаточно дешёвым, чтобы получить массовое применение в сталелитейной промышленности. Продувка расплавленного чугуна кислородом существенно разогревает металл, что упрощает производство (железо не «вымораживается», а остаётся жидким), позволяет также в конвертер сбрасывать металлолом для переплавки, а также в ряде случаев улучшает качество металла за счёт отсутствия растворённого в металле азота.

Электрометаллургия[править | править код]

Способность постоянного электрического тока восстанавливать металлы была обнаружена ещё в самом начале XIX века, однако отсутствие мощных источников электроэнергии ограничивало применение этих процессов лабораторными исследованиями. Появление в начале XX века мощных электростанций позволило создать промышленные технологии электрометаллургии. Изначально такие процессы применялись для производства цветных металлов, но к середине XX века пришли и в чёрную металлургию. Широкое применение нашли процессы электрической рудовосстанавливающей плавки, при которой железная руда, смешенная с незначительным количеством углерода, подвергается воздействию мощной электрической дуги, где происходит электрическое восстановление железа на катоде и выгорание примесей на аноде. Таким способом удаётся получить чугун высокого качества, сократить расход кислорода и снизить уровень выбросов углекислого газа. Передельные электрометаллургические процессы дают возможность плавить чугун в вакууме, в среде защитного газа, в присутствии химически активных легирующих элементов, что позволяет получать легированные стали высокого качества и специальные стали (жаропрочные, радиационно стойкие). Стали, получение которых возможно только электрометаллургическими процессами называют электросталями.

Восстановление водородом[править | править код]

Доменные печи и конвертерное производство является достаточно современным, но весьма грязным для экологии процессом. При том, что большая часть железа получается в кислородно-конвертерном производстве, велики и выбросы углекислого и угарного газов в атмосферу. Модной альтернативой становится прямое восстановление железа из руды водородом. При этом образующиеся частички железа расплавляются в электрических печах, после чего добавляется углерод и получается сталь.

Кузнецы-любители[править | править код]

Первыми производство железных изделий организовали кузнецы-любители — обычные крестьяне, промышлявшие таким ремеслом в свободное от обработки земли время. Кузнец сам находил «руду» (болотная руда вблизи ржавого болота или красный песок), сам выжигал уголь, сам строил сыродутную печь и выплавлял железо, сам ковал, сам обрабатывал.

Умение мастера на данном этапе закономерно было ограничено выковыванием изделий самой простой формы. Инструментарий же его состоял из мехов, каменных молота и наковальни и точильного камня. Железные орудия производились с помощью каменных инструментов.

Если удобные для разработки залежи руды имелись поблизости, то и целая деревня могла заниматься производством железа, но такое было возможным только при наличии устойчивой возможности выгодного сбыта продукции, чего практически не могло быть в условиях натурального хозяйства.

При такой организации производства железа, никогда не удавалось за его счёт полностью покрыть все потребности в самом простом оружии и самых необходимых орудиях труда. Из камня продолжали изготавливаться топоры, из дерева — гвозди и плуги. Металлические доспехи оставались недоступными даже для вождей. Концентрация железных изделий составляла всего порядка 200 граммов на душу населения[источник не указан 1081 день].

На таком уровне доступности железа находились в начале нашей эры наиболее отсталые племена среди бриттов, германцев и славян. В XII‑XIII веке прибалты и финны сражаясь с крестоносцами пользовались ещё каменным и костяным оружием. Все эти народы умели уже делать железо, но ещё не могли получить его в необходимом количестве.[источник не указан 1081 день]

Профессиональные кузнецы[править | править код]

Следующим этапом развития чёрной металлургии были профессиональные кузнецы, которые всё ещё сами выплавляли металл, но на добычу железоносного песка и выжигания угля чаще уже отправляли других мужиков — в порядке натурального обмена. На этом этапе кузнец, обычно, уже имел помощника-молотобойца и как-то оборудованную кузницу.

С появлением кузнецов концентрация железных изделий возрастала в 4‑5 раз. Теперь уже каждый крестьянский двор мог быть обеспечен персональным ножом и топором. Возрастало и качество изделий. Кузнецы профессионалы, как правило, владели техникой сварки и могли вытягивать проволоку. В принципе, такой умелец мог получить и дамаск, если знал как, но производство дамаскового оружия требовало такого количества железа, что не могло ещё быть сколько-то массовым.

В XVIII-XIX веках деревенские кузнецы умудрялись даже изготовлять стволы к нарезному оружию, но в этот период они уже пользовались оборудованием, которое сделали не сами. Некоторого масштаба перенос ремесленного производства из города в деревню становился возможным на таком этапе развития города, когда стоимость даже довольно сложного оборудования оказывалась незначительной.

Средневековые же деревенские кузнецы сами делали свои орудия труда. Как умели. Поэтому рядовой мастер обычно преуспевал в изготовлении предметов простой плоской формы, но положительно затруднялся, когда требовалось изготовить трёхмерное изделие, или состыковать несколько изделий между собой — что, например, требовалось для создания надёжного шлема. Изготовить же такое сложное изделие, как спусковой механизм для арбалета, деревенскому кузнецу было непосильно — для этого ведь потребовались бы даже измерительные устройства.

Не было у кустарных кузнецов и специализации — и мечи, и иголки, и подковы делал один и тот же мастер. Более того, во все времена сельские кузнецы были заняты в первую очередь именно изготовлением наиболее необходимых односельчанам простейших производственных и бытовых орудий, но не оружия.

Впрочем, последнее отнюдь не отменяет того обстоятельства, что в примитивных культурах даже самый заурядный кузнец считался несколько сродни колдуну, хотя, более адекватно его можно уподобить художнику. Выковывание даже обычного меча было настоящим искусством.

Теоретически всё выглядело просто: надо только наложить одна на другую три полоски металла, проковать их, и клинок готов. На практике, однако, возникали проблемы — с одной стороны надо было добиться прочной сварки и даже взаимопроникновения слоев, а с другой, нельзя было нарушать равномерность толщины слоя (а она-то и была — с лист бумаги) и, тем более, допустить, чтобы слой разорвался. А, ведь, обработка производилась тяжёлым молотом.

До разделения труда между городом и деревней годовое производство железа не превышало 100 граммов в год на человека, форма изделий была очень простой, а качество — низким, и, когда описывается вооружение какого-нибудь варяга, систематически упускается из вида, что речь идёт об оружии вождя, откопанном в его кургане. Варвары, которым курганы не полагались, вооружались существенно проще. На данном уровне развития производительных сил (характерном, например, для галлов, франков, норманнов, Руси X века) тяжёлое вооружение могло иметься только у аристократии — не более одного воина в броне на 1000 человек населения.

На новый уровень металлообрабатывающая промышленность вступила только тогда, когда стало возможным разделение труда и возникновение специальностей. Мастер железо покупал, причём уже нужного качества, покупал инструменты, необходимые по его профилю, и нанимал подмастерьев. Если уж он и делал ножи, то сдавал их на реализацию ящиками. Если делал мечи, то не по два в год, а по четыре в неделю. И, естественно, обладал большим опытом в их изготовлении.

Но для возникновения специализации непременно требовался город — хоть на несколько тысяч жителей — чтобы мастер мог всё купить и продать. Даже очень крупные призамковые посёлки (а их население тоже иногда достигало нескольких тысяч человек) не давали такой возможности — ведь в них не только ничего не производилось на продажу в другие поселения, но и отсутствовал даже внутренний товарообмен.

Чем более был развит обмен, тем больше могло быть мастеров и их специализаций, сформироваться разделение труда. Но для значительного развития обмена требовались деньги и сравнительная стабильность.

Ещё больший прогресс мог быть достигнут организацией мануфактуры, но вокруг неё требовалось выстроить уже 50-тысячный город, и наличие ещё нескольких таких же поблизости.

Тем не менее, даже после сосредоточения ремесленного производства в городах, колоритная фигура кузнеца оставалась непременным элементом пасторального ландшафта вплоть до начала, а кое-где и до середины XX века. Долгое время крестьяне просто не имели возможности покупать городские изделия. На ранних этапах развития обмена квалифицированные ремесленники обслуживали только господствующие классы — в первую очередь военные сословия.

После распространения штукофенов[править | править код]

Кустарное производство железа, однако, перестало практиковаться сразу после распространения штукофенов. Кузнецы начали покупать железо в слитках, а ещё чаще — железный лом, на предмет перековки мечей на орала.

Когда же развитие товарности хозяйства сделало ремесленные изделия доступными широким массам, кузнецы ещё долго занимались починкой сделанных в городах орудий.

Параллельно с решением организационных моментов улучшение методов обработки металлов требовало и совершенствования техники. Поскольку же основным методом была ковка, то усовершенствованию подлежали в первую очередь молоты.

Дело было в том, что, если ковка осуществлялась ручным молотом, то и размер изделия оказывался ограничен физическими возможностями кузнеца. Человек был способен отковать деталь весом не более нескольких килограммов. В большинстве случаев этого оказывалось достаточно, но при изготовлении, скажем, деталей осадных машин без механического молота, приводимого в движение водяным колесом, мулами или рабочими, было уже не обойтись.

Проблема выковывания массивных (до нескольких центнеров) деталей была решена ещё в античности, но в период средних веков она обрела новую остроту, так как крицы, получаемые из штукофенов, тоже нельзя было отковать кувалдой.

Конечно, можно было делить их на небольшие части, но, при этом, в каждой оказалось бы своё, причём неизвестное, содержание углерода, а потом, для изготовления мало-мальски крупного изделия полученные куски пришлось бы сковывать обратно.

Всё это было крайне невыгодно. Ковать крицу надо было целиком. Потому, штукофен по-хорошему требовалось комплектовать даже не одной, а тремя водяными машинами — одна качала мехи, другая — орудовала молотом, третья — откачивала воду из шахты. Без третьей тоже было никак — кустарными заготовками штукофен рудой было не обеспечить.

Впрочем, объёмы производства зависели не столько от технологий, сколько от организации труда. Если металлург не отвлекался на другие задачи, то и сыродутных печей он мог наделать куда больше. Так, в Риме производство достигло 1.5 килограмма на человека в год, и

Плавка металла

Поступающие для плавки частицы одного или нескольких металлов загружаются в специальные плавильные печи, под влиянием высокой температуры доводятся до жидкой однород­ной массы, которая отливается в формы для получения слитков.

Материал, поступающий в плавку, называется шихтовым, или шихтой. Шихта может быть в виде чистых металлов, брако­ванных слитков и изделий, лома, обрезков, стружки и опилок и других отходов ювелирного производства.

Шихтовый материал в зависимости от степени и характера загрязнения подвергается различной обработке.

Возвратные отходы от переработки драгоценных металлов своего производства (литники, высечка, стружка, обрезки и др.), не вызывающие сомнения в отношении содержания основных и легирующих компонентов, поступают в плавку без предваритель­ной подготовки.

Отходы драгоценных металлов (опилки, мелкие обрезки, стружка), загрязненные в процессе работы, проходят очиститель­ную обработку и только после этого поступают в плавку.

Шихтовые материалы, загрязненные вредными примесями (металлами, не отвечающими составу сплава; материалами, отрицательно влияющими на свойства сплава, и т.д.), подверга­ют предварительной плавке, а затем отправляют на аффинаж­ные заводы или на заводы вторичных драгоценных металлов.

Очистка шихты. Отходы драгоценных металлов, возвращаю­щиеся от рабочих (опилки, стружка, мелкие обрезки и т.д.), не могут быть не загрязнены. Очистительной обработкой этих отходов занимаются сами рабочие. Собранные опилки прокали­вают в муфельной печи для удаления всех сгорающих примесей (дерева, воска, щетины от щеток, бумажной и другой пыли). Остывшую шихту разрыхляют и тщательно промагничивают для извлечения стальных примесей (опилок, обломков лобзиковых пилок и сверл, окалины). Очищенные таким образом отходы драгоценных металлов можно считать подготовленными к плавке для определения слитка на пригодность к дальнейшему исполь­зованию.

Сплавляют для различных целей — соединения частей одного металла в один слиток, приготовления сплавов и припоев (легко­плавких, легкотекучих сплавов), освежения сплава и т. д.

Плавку драгоценных металлов производят в индукционных печах с графитовым тиглем.

Шихтовый материал загружается в тигель — огне­упорный сосуд плавильной печи, в котором расплавляют металл. Последовательность загрузки зависит от величины и состояния шихты (крупные куски, слитки или мелкие обрезки, стружка и т.д.), состава и температурных характеристик компонентов, входящих в сплав.

Порядок загрузки и плавки шихты. При плавке однородного металла шихту можно загружать в тигель одновременно, если плавильная печь обеспечивает быстрый нагрев шихты. В против­ном случае, сначала загружают крупные куски или брикеты, а по мере их расплавления  добавляют мелкие обрезки и другие от­ходы. Расплав из золота нагревают до 1200…1250°С, серебра — до 1100…1150оС.

Для приготовления двойных золотосеребряных сплавов за­грузку шихты начинают с серебра. Его загружают на дно тигля, а сверху засыпают золото и расплавку ведут одновременно, если куски шихты приблизительно одного размера. Если же величина шихтовых материалов различна, то загружают сначала крупные куски, а по мере их расплавки добавляют мелкие, серебряные или золотые. Температура нагрева расплава для золотых сплавов с содержанием до 30 % Ag- 1200…1250°С, для сплава с содер­жанием 40…70 % Ag- 1180…1240°С, для сплава с содержанием 80% Ag- 1170…1230°С.

При легировании золота медью (приготовление двойных золотомедных сплавов) плавку шихты начинают с золота. Если величина шихтовых материалов различна, то плавят раньше слитки и крупные куски золота, а затем догружают мелочь. Медь загружают только после того, как полностью расплавится золо­тая шихта. Для всех сплавов с содержанием меди в качестве медной лигатуры используют прокат марок не ниже M1. Расплав, содержащий до 2 % Сu, нагревают до 1190…1250°С; 8,4 % Сu- до 1180… 1240°С; 42,7% Сu- до 1150…1230°С.

При приготовлении тройных золотосеребряномедных сплавов сначала загружают золото и серебро, а затем в золотосеребряный расплав — медь. Нагрев расплава производится: для сплава 958-й пробы до 1180…1240°С; 750-й — до 1180…1200 °С; 583-й — 1080…1200°С; 500-й — 1070…1160°С; для сплавов 375-й пробы до 1120…1230 °С.

Загрузку золотоникелевомедного сплава начинают с золота. После его расплавления догружают никель и медь. Тигель нагре­вают на 150…250° выше температуры полного расплавления.

При плавке серебряных сплавов загрузку тигля начинают с серебра и после полного расплавления загружают медь. Для сплавов серебра 875-й пробы и выше температура нагрева 1090…1140°С.

Плавку золотых припоев с содержанием легкоплавких метал­лов цинка и кадмия можно производить двумя способами: 1) цинк и кадмий вводят в расплав в последнюю очередь подо­гретыми до температуры 150°С; 2) сначала создают промежу­точные лигатуры легкоплавких металлов с медью при постепен­ном нагревании металлов, а затем сплавляют весь набор сплава.

Защитные покровы, флюсы, раскислители.  При плавке драго­ценных металлов и сплавов для предохранения расплавов от окисления, насыщения кислородом и другими газами из окру­жающей среды, а также для верхней теплоизоляции расплавов (для сокращения расходов, теплоты на плавку) применяют сле­дующие защитные покровы: древесный уголь, буру, борную кис­лоту, хлористый кальций, хлористый натрий, хлористый калий, хлористый барий.

Флюсы очищают расплавы от нежелательных компонентов, загрязнений и примесей путем окисления и перевода оксидов в шлаки. В большинстве случаев в качестве флюсов используются те же вещества, что и для защитных покровов.

Раскислители восстанавливают окисленные компоненты рас­плава до металлов для повышения его жидкотекучести и качест­ва отливаемых слитков. Для драгоценных сплавов раскислителями являются цинк, фосфористая медь и марганцовокислый калий.

При выборе защитных покровов, флюсов и раскислителей необходимо учитывать характер их взаимодействия с расплава­ми и отдельными компонентами расплавов. Например, древесный уголь, один из лучших защитных покровов для серебра и его сплавов, не пригоден для платины, так как платина, металлы платиновой группы и никель, а также сплавы с содержанием этих металлов при плавке подвержены науглероживанию. Недо­пустимо также применение угля совместно с калиевой селитрой и поташом, так как эти флюсы при нагревании в присутствии углерода образуют взрывоопасные соединения.

Древесный уголь может выполнять роль  как защитного по­крова, так и флюса. Для плавок драгоценных металлов и спла­вов лучшим считается хорошо прокаленный березовый уголь. Температура вспышки угля 250…300°С. Уголь прокаливается без доступа воздуха до вишнево-красного цвета. Хранится в су­шильных шкафах при температуре на 20…50° выше температуры окружающей среды. В качестве защитного покрова может быть применен при плавке серебра, серебряно-медных сплавов, золота и золотых сплавов без содержания платины, металлов платино­вой группы и никеля.

Бура (плавленая) используется в качестве флюса и защит­ного покрова при плавке драгоценных металлов. Обладает свой­ством хорошо отшлаковывать оксиды многих металлов и шлако­вых включений. Расплавленная бура обладает хорошей смачи­ваемостью. Находясь в шихте, она обволакивает нерастворимые тугоплавкие включения и оксиды и поднимает их на поверхность. Переплавленную, мелкоистолченную и прокаленную при темпе­ратуре 450°С буру хранят в сухой посуде с притертой пробкой. В качестве флюса и защитного покрова бура может применяться для всех драгоценных металлов и сплавов, как самостоятельно, так и в сочетании с другими флюсами. Для лучшего скольжения расплава по стенкам бурой покрывают рабочую часть тигля.

Борная кислота (плавленая) используется в качестве флюса при плавке золотых сплавов.

Буру или борную кислоту засыпают на дно прогретого тигля до загрузки шихты, таким образом, смачивая частицы металла до начала их окисления.

Смесь поташа с бурой (1:1 по массе) применяют как флюс при очистительных плавках. Смесь должна быть прокалена. Флюс вводят порциями. При загрязнении шихты нежелательны­ми металлами применяют смесь буры с калиевой или натриевой селитрами.

При плавке драгоценных сплавов с селитрой можно повысить пробу сплава до 20 ед. При плавке с селитрой шихту нагревают под покровом буры до температуры отливки и в расплав двумя- тремя приемами вводят селитру.

Другие флюсы — хлористый кальций, хлористый барий, хло­ристый натрий, хлористый калий — также применяют при очис­тительных плавках. Свойства и действие флюсов однотипны. Температура плавления 772…925°С. Образуют хорошие защит­ные покровы для сплавов с температурой плавления до 1300°С. Хлористый кальций, хлористый барий, хлористый натрий или хлористый калий, как и буру, применяют в переплавленном, измельченном и прокаленном виде.

Лучший раскислитель для золотых сплавов — цинк. Его вво­дят из расчета 0,05…0,1 % от массы шихты. Для серебряных сплавов используют фосфористую медь.

Процесс плавки. Перед загрузкой шихты в тигель следует проверить исправность плавильной системы и подготовить для отливки слитка изложницы. Тигель перед загрузкой в него метал­ла прогревают, на дно прогретого тигля засыпают флюс из рас­чета 1 % от массы шихты. Затем в тигель загружают шихту и задают нужную температуру. После расплавления шихты рас­плав покрывают небольшим количеством свежего флюса и пере­мешивают. Не понижая температуры нагрева, расплаву дают отстояться, чтобы флюс отшлаковал ненужные оксиды и приме­си, вводят раскислитель. В расплавы припоев и сплавов, содер­жащих цинк, раскислитель не вводится в связи с достаточным количеством компонентов, выполняющих роль раскислителя. Из­ложницы, нагретые до 100°С для удаления следов влаги, нати­рают технологической смазкой и устанавливают для отливки. После этого расплав отливают через сливной желоб тигля в изложницы, и после полной кристаллизации и выдержки слиток извлекают.

На предприятиях, оборудованных плавильными комплексами, плавку и отливку производят в центробежных или вакуумных установках.

В условиях мастерских, не оборудованных плавильными печа­ми, шихту нагревают газопламенной горелкой. Плавку проводят в специальных тигельках (плошках), рассчитанных для массы металла не более 30 г. Плошки изготовляют из смесей на основе огнеупорной глины, каолина, графита, шамота. В этих же целях можно использовать шамотный кирпич или кусок древесного угля, обмазанного огнеупорной глиной. Используют также плош­ки из кварцевого стекла. Но самой доступной в любых условиях является плошка, изготовленная из асбестового картона толщи­ной 6…8 мм. Обрезанный по размеру картон увлажняют и при­дают ему форму легкого прогиба (углубление не должно превы­шать 6…7 мм, чтобы не создать эффект отраженного пламени), сушат и перед плавкой глазуруют бурой. Асбестовый тигелек выдерживает 3…4 плавки. Однако все эти тигельки недолговечны, застывающая бура отслаивает глиняную обмазку, а кварцевый тигелек сразу после отливки резко охлаждают в воде, иначе, бура, остывая, разрывает поверхность кварца. Плавку припоя в плошках осуществляют с добавлением легкоплавкого компонента под слегка пристывший слиток с продолжением плавки.

Слитки трехкомпонентных сплавов «золото — медь — сереб­ро» при охлаждении ниже 450°С сохраняют первоначальную кубическую гранецентрированную решетку и свойства твердого раствора, поэтому слитки необходимо подвергать резкому охлаж­дению. Это придает им мягкость и пластичность.

Для отливки слитков драгоценных металлов используют чу­гунные и стальные изложницы (рис. 3). Изложница, или ингус, представляет собой металлический брусок с выфрезерованным пазом по форме будущего слитка. Нерабочая стенка изложницы делается выше, она служит экраном, направляющим расплав в паз. Размеры изложниц и толщина их стенок зависят от разме­ров слитка. Изложницы для горизонтальной отливки делают сплошными. Они могут иметь несколько ячеек. Для вертикальной отливки изготовляют разъемные изложницы, с заливной ворон­кой с торца. Изложницы рекомендуется делать из серого гематитового чугуна с малым содержанием примесей серы и фосфора или низкосортных сталей (как правило, разъемные).

Изложницы прокаливают до температуры 500…550°С с техно­логическими смазками. Роль технологических смазок — обеспе­чить хорошее качество отливаемых слитков, т. е. хорошее расте­кание расплава по ячейке, препятствовать образованию раковин и наплывов и пригоранию расплава к стенкам изложницы. В ка­честве смазок употребляют: льняное, конопляное, подсолнечное, веретенное и машинное масла, пчелиный воск и водную эмуль­сию молотого мела.

Перечисленные масла рекомендуются для отливки слитков из серебра, золота и припоев. Если смазку производят непосред­ственно перед отливкой, то перед использованием масло обяза­тельно обезвоживают кипячением на водяной бане при 110… 120°С в течение 2 ч. Смазку наносят тонким слоем на рабочую поверхность изложницы, подогретой до температуры не более 100 °С.

Пчелиный воск — одна из лучших смазок. Используется в тех же случаях, что и масла. Наносится на рабочую поверхность изложницы, нагретой до 50…70оC.

Водная эмульсия молотого мела применяется при отливке высокотемпературных металлов и сплавов — золота, платины, палладия. После нанесения слоя эмульсии на рабочую поверх­ность изложницы, нагретой до 150…200°С, ее тщательно просу­шивают до полного удаления влаги. Просушенную изложницу рекомендуется прокаливать при температуре 550°С, тогда изложница выдерживает более 100 заливок. Делают это заранее, так чтобы к моменту отливки изложница имела рабочую темпе­ратуру 150…200°С.

Плавка и отливка металлов — один из наиболее опасных процессов, при котором несоблюдение мер безопасности труда может вызвать серьезные травмы. Выполнять плавку можно только на полностью исправном и налаженном оборудовании. Вся плавиль­ная оснастка должна быть заранее подготовлена и разложена на удобных для работы участках. Плавку следует проводить в защитных очках и с предельной осторожностью. Загружать ших­ту в нагретый тигель нужно при помощи специального жестяного совочка, размеры которого позволяют безопасно провести опера­цию. Помешивание расплава и снятие шлака осуществляют специальной графитовой или кварцевой мешалкой, длина кото­рой обеспечивает удобство работы и надежную защиту рук от ожогов. Особой осторожности требует разлив металла в излож­ницы. Кроме того, что необходим навык, надо убедиться в пра­вильности установки изложницы и степени смазки ее. Лишняя смазка может вызвать разбрызгивание сплава. Плавильщик обя­зан работать в защитном фартуке из кожи, брезента или войло­ка. Выброс слитков из изложниц и охлаждение их производят в рукавицах.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.