井盖

背景

一个主要城市的地下充斥着地下公用设施：下水道、雨水渠、蒸汽隧道和公用设施走廊。定期在这些地下管道中挖出称为检修孔的通道，以便维护人员能够到达。需要人孔，以便人们可以清洁、检查或修理地下公用设施。在纽约市第三条供水隧道中，检修孔可以很浅，也可以深达 70 层。井盖是嵌入街道和人行道的圆形铁板，可防止路人掉入井盖。

检修孔盖的直径必须至少为 22 英寸（56 厘米），但直径可以高达 60 英寸（1.5 米）。平均封面重量在 250 到 300 磅（113-136 公斤）之间。下水道井盖必须很重，因为下水道会产生甲烷气体，将轻质井盖推开，让有毒气体进入街道。

历史

一旦人们开始住在城市中，如何处理人类排泄物的问题就成为一个问题。第一个城市是沿着大河建造的，这些河流作为开放的下水道。由于与人类密切接触的过多人类排泄物导致周期性瘟疫，这很难令人满意。罗马土木工程师通过发明地下下水道解决了这个问题。罗马下水道是用手工挖出的砖砌成的，用来收集城市的垃圾并将其排放到下游很远的地方。罗马人建造了通往这些下水道的通道，以便定期清洁。在约旦的古罗马城市杰拉什仍然可以看到覆盖这些通道的石井盖。

现代文明上升到罗马人的水平还需要很长时间。芝加哥下水道系统于 1856 年开始建设。到 1870 年，纽约市只有 200 英里（320 公里）的下水道管线，而今天则为 6,200 英里（10,000 公里）。第一个带盖的检修孔可能建于 19 世纪初，不是用于下水道，而是用于供水或城市燃气管道。已知这些检修孔的盖子中没有一个能存活至今。

原材料

人孔盖由铸铁制成。铸铁是指将铁熔化，然后浇注或浇铸到模具中。典型的井盖采用灰口铸铁铸造。球墨铸铁由于强度更高，可用于特殊的井盖，例如飞机航站楼附近的井盖。灰铸铁由元素铁和合金元素碳和硅组成。合金剂，主要是碳，赋予铸铁强度和耐久性。球墨铸铁是通过在铁水中添加锰来生产的。锰使铁中的碳形成球状而不是片状，从而使球墨铸铁具有更高的强度和延展性。

除了铁，制造井盖所需的另一种原材料是绿砂，它是用粘土粘合在一起的沙子。生砂用于生产浇注铁水的模具。砂混合物由大约 90% 的硅砂、4-10% 的粘土、2-10% 的有机物（例如煤）和 2-5% 的水组成。沙子不是绿色的。绿色是指在铸造过程中允许保持湿润。

设计

每个井盖，从最简单的到最华丽的，首先用木头或铝制成。该模型用于制作浇注熔融铸铁的模具。人孔表面的设计与创造它们的熟练工匠一样多种多样。所有井盖都是圆形的，因为圆形物体不能掉入相同直径的圆孔中。这是至关重要的，因为检修孔的重量很容易杀死站在它下面的工人。圆形井盖也更容易在表面上移动，因为它们可以滚动。有矩形的公用箱盖，但它们没有安装在检修孔上。

制造
过程

所有铸件，包括井盖，都是在称为铸造厂的大型工厂中制造的。废钢进入铸造厂，熔化并合金化，然后作为铸铁离开。铸铁无处不在。美国的一个典型家庭包含大约 2,000 磅（900 公斤）的铸铁件，主要用作管道和管件，但也用于熔炉和空调。铸造过程包括五个步骤，即制模、模具准备、熔化/浇注、冷却和精加工。

制版

• 1 人孔图案要么是用木头雕刻的，要么是用铝机加工而成的。铝制型号因其更高的耐用性而被用于大批量生产。图案设计为比成品井盖略大，以便在铸件冷却时收缩。每个检修孔需要两种图案，一种用于盖子的上半部分，另一种用于下半部分。图案的上半部分通常带有装饰设计，但现代设计通常仅限于基本的华夫格、篮子编织或同心圆图案。在 1950 年之前，图案可以是任何东西，从流星到城市天际线。模具的下半部分可以简单地是平的，或者可以设计成三维蜘蛛网图案，以提供更大的强度，而不会将盖子的重量增加到使移动盖子不切实际的程度。

模具准备

• 2 沙模是通过将人孔模型的两半放入称为烧瓶的盒子中创建的，这样模型就构成了盒子的底部。上烧瓶称为上烧瓶，而下烧瓶称为下烧瓶。将生砂紧紧地装入烧瓶中以形成两个模具。上模具包含孔（称为冒口或浇口），铁水将倒入其中，以及允许气体从模具中逸出的排气口。对于检修孔盖，只需将一块木头垂直放入烧瓶中，并在将沙子装入烧瓶后将其取出即可创建这些立管和通风口。冒口通常不会直接通向模具。冒口在“分型线”（模具的两半连接的平面）处连接到流道、水平通道。使用流道允许将熔融金属在不止一个位置送入模具，这有助于防止在最终铸件中形成空隙。
• 3 一旦图案被移除，烧瓶的底部就是井盖上半部和下半部的空心图像。然后将模具的下半部和上半部组装在“拖箱”中，这是一个大金属框架。
• 4 有些铸件是用沙子和热固性化学树脂粘合在一起制成的，这意味着它必须加热才能固定。这个过程有一些优点，因为可以非常快速地构建模具并且需要较少的劳动力。当要制造大量铸件时，这些类型的模具是自动化的理想选择。然而，井盖的生产量通常不足以证明自动化是合理的。

熔化/浇注

• 5 冲天炉、电弧炉、反射炉、感应炉和坩埚炉通常用于熔化大多数铸造厂用来生产铸铁的废钢。这 使用砂模制造井盖。将废钢放入熔炉中并在约 2,700°F (1,500°C) 下熔化。
• 6 然后将任何所需的合金金属和熔剂添加到铁水中。助焊剂的目的是与任何杂质结合，产生一种称为“熔渣”的废物。因为炉渣比铁轻，所以浮在铁水的顶部，可以去除。
• 7 铁水被收集到一个大金属包中。为了避免被铁水溅到，铸造工人在远处工作，将钢包倾斜，使铁通过冒口（或浇口）倒入砂模。冒口设计用于容纳额外的铁水。随着铸件冷却和收缩，多余的金属会填充模具。由于铁水的温度远高于湿砂中有机材料的自燃温度，有机材料燃烧并耗尽了模具中存在的所有氧气。这可以防止井盖氧化。铸造工人注意从模具中喷出的废气，以确保气体不会被困在模具中，否则它们可能会在铸件中产生气泡。

冷却

• 8 金属需要大约一个半小时才能充分冷却，然后才能从模具中取出。完全冷却大约需要一天时间。
• 9 在大型铸造厂，冷却后的铸件和模具被放置在振动炉排上并摇晃直到所有的砂都被抖掉。在小型铸造厂，同样的过程可能由一名工人用钢丝刷完成。
• 10 处理来自 w 模具的废砂可能是铸造人员的一大难题，因为在铸造过程中会产生大量的废砂。每次使用后，沙子都会在旋风分离器中进行分类，以去除任何太细而无法重复使用的沙子，并筛选出可能存在的所有金属渣。

整理

• 11 虽然精加工可能是复杂铸件的铸造过程的很大一部分，但井盖不需要大量精加工。大多数情况下，只需拆除流道、浇口和立管（浇注铁水的通道在成品井盖上变成小石笋），对表面进行喷丸处理，然后将轴承表面加工成确保盖子平放在其框架中。

质量控制

铸铁通常由废钢制成。由于原材料不受控制，铸造厂必须在使用前仔细分析熔融金属，以确保其含有适当百分比的铁、碳和合金金属。铸造后，必须测试铸铁的强度和延展性，以确保由铸铁制成的井盖将按设计运行。强度和延展性通过铸造棒状试样来评估，该试样来自用于铸造井盖的相同金属。将杆放入张力计中，拉力计拉动它们的末端，直到它们断裂或伸长超过其弹性极限——弹性极限是杆可以被拉到并在释放张力时仍能恢复其原始形状的点。球墨铸铁通常可以承受 2% 到 10% 的伸长率，然后才会断裂。灰铸铁很脆，因此在显着拉长之前就会断裂。设计灰铸铁产品的工程师必须始终牢记，由于产品易碎，如果过载，它会在没有任何警告的情况下破裂。由于这可能会导致灾难，因此铸铁部件通常比球墨铸铁部件具有更高的安全系数。

副产品/废物

当铁水接触湿砂时，会产生气体排放物，例如一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、一氧化二氮和苯。过去，铅常被用作某些类型模具的粘合剂。填埋这些用过的模具会产生重金属污染问题。树脂粘合铸件在烘烤固化时会产生挥发性有机化合物。

湿型砂中的大部分砂子可以在新铸件中回收利用。然而，一定比例的砂在铸造操作过程中变得太细，必须丢弃。

未来

井盖的生产工艺未来不太可能发生太大变化。也不太可能使用替代材料来生产井盖，因为铸铁非常经济。井盖令人兴奋的前景涉及计算机辅助设计和计算机辅助制造 (CAD-CAM)。使用 CAD-CAM，井盖设计师可以制作复杂的图案，这些图案可以通过自动机械从塑料模具中切割出来。高薪工匠无需花费数天或数周时间为特殊的井盖制作特别复杂的模型。设计就绪后，只需几分钟即可切割模型。井盖设计的黄金时代可能即将到来。井盖可能会再次为城市街道和人行道增添一抹艺术气息，而不是沉闷、实用的圆圈。

哪里可以了解更多

书籍

鲍迈斯特、西奥多等人。 Marks 的机械工程师标准手册。 第 8 版。麦格劳希尔图书公司，1979 年。

戴维斯, J. R., ed. ASM 专业手册，铸铁。 ASM 国际，1996 年。

梅尔尼克，咪咪。 井盖。 剑桥：麻省理工学院出版社，1994 年。

Samokhin, V. S., ed. 废水系统设计手册。 纽约：Allerton Press, Inc.，1986 年。

其他

建筑钢铁公司网页。 2001 年 9 月 28 日。 。

世界的下水道联合起来。 2001 年 9 月 28 日。。

杰夫 雷恩斯