熔化和浇注金属

从铸造炉进入模具

铸造厂是戏剧性的。巨大的熔炉散发着热气，将大块金属转化为流动的炽热液体。准备好后，它们的内容物在一阵火花中倒入等待的长柄勺中。工人在隔热罩后面引导金属从熔炉流向模具，防止温度和材料的危险。铸造车间是设计成为现实的地方，在一个创造日常物品的非凡过程中。创造和维持不同合金所需温度的创新是冶金学发展的一部分。熔化和浇注金属的工作看起来像是历史书中的场景，但却是一些最有趣的科学发生的地方。

铸造金属的制造依赖于可以加热到足以使金属变成液态的熔炉。人类历史上第一次冶炼矿石是铅和锡：这些软金属可以在炉火的高温下熔化。为了制造更坚固的金属，冶金学家需要的不仅仅是木火焰。

高温与人类进步

青铜时代依赖于铜的强度。铜可能最初是在陶窑中意外熔炼的，陶窑的温度至少比营火高 200°C。从那时起缺乏书面记录，很难确定。在青铜时代，人们使用类似窑炉的方式从不同温度下熔化的岩石中提取各种元素成分，其中铜是制作优质黄铜和青铜的最高奖品。

有证据表明人类在铁器时代之前使用铁。然而，这些物品是由从天而降的加工铁制成的——陨铁与地铁相比，是一种相对纯净的形式。它可以像被发现的那样被加热和工作。然而，真正的铁器时代开始了，当人们想出如何从矿石中提取有用的铁时，这需要熔化成柔软的、太妃糖状的、接近液体的或液体状态。这一进步在不同时期传到了全球不同地区，但涉及到大熔炉的发明和黑色冶金知识的缓慢积累。 Bloomery 炉允许铁足够热以达到纯度，而不是将金属带到熔融状态，但它们有助于铁化学的缓慢发现。熔化铁是一回事：要制造可用的坚固金属，需要适当添加碳，而布卢梅里炉依赖于碳燃料。当熔炉的温度足以熔化铁时，冶金学家还需要加深对助熔剂的理解，助熔剂是通过防止氧化物形成来帮助净化最终金属的添加剂。

熔炉和化学的创新结合所带来的进步在整个人类历史中一直延续着。冶金进步显然迎来了青铜和铁器时代的名字。工业革命使我们进入了钢铁时代。如果没有称为 Bessemer 工艺的重要进步，内燃机、铁路和现代建筑实践就不可能实现，该工艺通过钢水鼓泡氧气，从而实现更高的温度和更快的生产时间，从而可以大规模生产优质钢材。

熔炼与熔炼

冶炼是从开采的矿石中去除金属元素的过程。大多数金属以矿脉形式出现在岩石中，或作为其他元素的一部分。冶炼是提取的第一步。熔化是用金属合金或纯金属完成的。废料被熔化，矿石被熔炼。生铁是铁矿石冶炼出来的粗铁锭。

高炉

高炉是注入加压气体的非常高的熔炉，用于冶炼。高炉主要生产中间合金锭，如生铁。然后这些锭被运送到参与制造的铸造厂。

制造铸造厂采用合金和添加剂并在其他类型的熔炉中熔化它们以制造特定等级的铸造金属。

铸造熔炉的种类

传统上，冲天炉和坩埚炉是最常见的铸造金属锻造方法。在现代，电弧炉和感应炉很常见。

坩埚炉

坩埚炉是金属炉的最基本形式。坩埚是由可以承受极高温度的材料制成的容器，通常由陶瓷或其他耐火材料制成。它被放置在热源中，就像锅放在火中一样。坩埚中充满金属和添加剂。在现代，珠宝制造商、后院爱好者、一些有色金属铸造厂和小批量工作的铸造厂仍在使用坩埚炉。坩埚的范围可以从一个非常小的杯子，其中金属通过喷灯熔化，就像在珠宝商所做的那样，到包含 50 磅材料的大型容器。较大的坩埚通常放在类似窑炉的炉子内，可以提起浇注，也可以从顶部舀取材料。

冲天炉

冲天炉很长，像烟囱，里面装满了煤焦和其他添加剂。冲天炉内的燃料被点燃，当炉子足够热时，直接加入生铁和废铁。在焦炭和添加剂周围熔化铁的过程会添加碳和其他元素，并生产出不同等级的钢铁。冲天炉通常不再用于生产，因为电弧和感应方法在产生所需热量方面更有效。然而，在某些地方，冲天炉仍然保持着传统的运转，比如在大树花的这段视频中，中国铸造工人将铁水靠在墙上，以制造出戏剧性的火花来迎接新年。

电弧炉

（EAF）在 1800 年代后期开始使用。电极使电流通过炉内的金属，这比一次熔化大量体积时增加外部热量更有效。用于钢铁生产的大型电弧炉可容纳 400 吨。这种钢的“装料”通常由厚铁（如板坯和梁）、汽车和其他回收利用的碎废料以及冶炼厂的生铁锭制成。

装满水箱后，将电极放入金属中，电弧在它们之间通过。随着金属开始熔化，电极可能被推入混合物的更深处或被拉开以产生更大的电弧。可以添加热量和氧气以加速该过程。随着熔融金属开始形成，电压可以调高，因为在金属顶部产生的熔渣就像是保护炉顶和电弧炉其他组件的毯子。

当一切都熔化时，整个炉子倾斜，将液态金属排放到下面的钢包中。有时钢包本身可以是较小的 EAF 炉，其任务是在浇注前保持金属温度。

感应炉

使用磁场而不是电弧。金属被装入坩埚中，坩埚周围环绕着由卷铜制成的强大电磁铁。当感应炉打开时，线圈通过引入交流电产生一个快速反转的磁场。当金属熔化时，电磁铁会在液体中产生涡流，从而自行搅拌材料。感应炉中的热量是由铁本身分子的激发产生的，这意味着进入坩埚的东西就是出来的东西：系统中没有添加氧气或其他气体。这意味着在熔化过程中需要控制的变量更少，但这也意味着感应炉不能用于精炼钢。进去的，出来的。与 EAF 炉一样，感应炉通常通过倾斜到下方的钢包中排放。

感应炉非常常见，并且在提供高质量输入时易于操作。普通机型一次装料可产钢65吨。

铸造车间的所有熔炉都面临着致命的敌人：蒸汽。水，即使是少量的水，也会引起飞溅或爆炸，因此所有废料和铁合金，以及生产中使用的所有工具，在使用前都必须干燥。废金属不得有任何可能截留水或蒸汽的封闭区域。即使是铸造工人使用的工具也必须没有冷凝或湿气。许多铸造厂都有烘干炉，以确保废料和工具在任何东西接触铸造炉之前完全干燥。

浇包

金属熔化后，必须将其引入模具。在较小的铸造厂中，这一切都可能发生在一个阶段：倾斜或提升的坩埚可能会将金属从熔炉带到沙子中。然而，当熔炉容纳许多吨金属时，这是不切实际的。通常，在黑色金属制造中，钢包从主炉中转移较小部分的熔体。

在这些系统中，钢包可以将金属直接带到模具中。然而，转移钢包可能会将液体带到储罐或二次炉。处理勺是另一种可用类型，用于将熔体分成几份，就像面包师可能会分离基本面团以将其用作其他食谱的基础。例如，液态铸铁可能会在处理钢包中添加一些试剂，使其中的碳呈球形，而不是片状，从而形成一种更具延展性的金属，称为球墨铸铁。

钢包可以非常小，由铸造工人抬起，或者它们可以容纳许多吨金属并且需要机械支撑。最大的钢包通过钢包车或桥式起重机或轨道系统移动通过铸造厂。

各种勺子旨在保护工人在浇注时免受飞溅、火焰或火花的伤害。一些钢包倾倒在上唇或浇口上，需要倾斜：这些钢包通常带有齿轮，可以让铸造工人仔细控制浇注速度。其他钢包的倾倒口位于桶底，通过拆卸和更换塞子来控制倾倒。

混合合金

金属合金由元素的混合物制成，这些元素通过一个公式标准化，该公式指定了每种类型的百分比以及制造过程中采取的步骤。铸造厂的熔炉和处理钢包是为铸件制造这些合金类型的地方。

铸造厂通常专注于生产含铁的铁合金或特定的有色合金，如贵金属、铜基或铝基合金。

黑色合金分为铁和钢。铸铁合金包括含有硅的灰口铁和具有一种球形碳的球墨铸铁。铸钢的等级由混合物中碳和其他添加剂的百分比定义。不锈钢是一种含有铬的钢，有助于通过钝化防止生锈。

有色合金包括所有其他金属，因此有色金属铸造厂进一步专业化也就不足为奇了。有些地方专门生产锌，有些地方专门生产铝；其他人主要使用黄铜和青铜等铜基合金。但是，有交叉。例如，如果特定的铸造厂同时使用青铜和铝，他们可能会专注于每种等级的特定等级。

无论铸造厂使用何种合金，制造熔融金属并铸造成空隙以使其成型的前提是相同的。想法在金属流入模具的那一刻变成现实。