熔化和浇注金属

从铸造炉中进入模具

铸造厂是戏剧性的。巨大的熔炉发热，将大块的金属转化为流动的炽热液体。准备好后，在一阵火花中，它们的内容被倒进等待的长柄勺里。工人在隔热板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就像历史书中的场景，但它是一些最有趣的科学正在发生的地方。

铸造金属的制造依赖于熔炉，它可以加热到足够的温度，使金属变成液态。人类历史上最早的矿石冶炼是铅和锡:这些软金属可以在炉灶的高温下熔化。为了制造出更强的金属，冶金学家需要的不仅仅是木头的火焰。

高温和人类进步

青铜时代依赖于铜的强度。铜可能首先是在一个陶器窑里意外地熔炼出来的，这个窑比营火至少要热200°C。由于当时没有书面记录，所以很难确定。在青铜时代，人们用窑炉从岩石中提取各种元素，岩石在不同的温度下熔化，铜是制造优质黄铜和青铜的最高标准。

有证据表明人类在铁器时代之前就使用铁器了。然而，这些物品是由从天上掉下来的加工过的铁制成的流星铁与地球铁相比是一种相对纯净的形式。它被发现时就可以加热和工作。然而，当人们发现如何从矿石中提取有用的铁时，真正的铁器时代就开始了，而这需要把铁熔化成柔软的、像太妃糖一样的、接近液态或液态。这种进步在不同的时间出现在世界不同的地方，但涉及到发明锻铁炉炉以及铁冶金知识的缓慢发展。Bloomery熔炉允许铁足够热，以达到纯度，而不是把金属变成熔融状态，但他们帮助了铁化学的缓慢发现。熔炼铁是一回事:为了制造出一种可用的、坚固的金属，需要适当地添加碳，而熔炉是依赖碳燃料的。当熔炉热到足以熔化铁时，冶金学家还需要发展他们对助熔剂的理解，助熔剂是一种通过防止氧化物形成来帮助净化最终金属的添加剂。

炉与化学的创新结合带来的进步贯穿人类历史。冶金学的进步，从名字上看，显然引领了青铜时代和铁器时代的到来。工业革命使我们进入了钢铁时代。燃烧发动机、铁路和现代建筑实践都离不开一个重要的进步，即所谓的贝塞麦工艺，该工艺将氧气在钢水中气泡，使钢水温度更高，生产时间更快，从而能够大批量生产高质量的钢铁。

融化和冶炼

冶炼是从开采的矿石中除去金属元素的过程。大多数金属是作为岩石中的矿脉或其他元素的组成部分被发现的。冶炼是提取的第一步。熔化是对金属合金或纯金属所做的。废料被熔化，矿石被熔化。生铁是铁矿石冶炼产生的粗铁锭。

高炉

高炉是一种注入加压气体的很高的熔炉，用于熔炼。高炉主要生产一种中间合金，比如生铁。然后这些钢锭被运送到参与生产的铸造厂。

制造铸造厂将合金和添加剂熔炼成特定等级的铸造金属，然后在其他类型的熔炼炉中熔炼。

铸造熔炼炉的类型

传统上,圆顶和坩埚熔炉是铸造金属最常见的方法;在现代，电弧和感应熔炉是常见的。

坩埚炉

坩埚炉是金属炉的最基本形式。坩埚是一种容器，其材料可以承受难以置信的高温，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。坩埚里装满了金属和添加剂。在现代，坩埚炉仍然被珠宝制造商，后院爱好者，一些人使用有色金属铸件和铸造厂做非常小的批量工作。坩埚可以是一个非常小的杯子，金属可以用喷灯熔化，就像珠宝店里做的那样，也可以是一个大容器，里面有50磅的材料。较大的坩埚通常放在类似窑炉的熔炉中，可以拿出来浇注，或者从顶部舀出材料。

冲天炉炉

冲天炉很长，像烟囱一样，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。熔炼铁的过程中，周围的焦炭和添加剂加入了碳和其他元素，生产出不同等级的钢铁。冲天炉不再通常用于生产，因为电弧和感应法在产生所需的热量方面更有效。然而，在一些地方，传统让冲天炉继续运转，比如在这个《大书华》的视频中，中国铸造工人将熔融的铁水扔向墙壁，产生戏剧性的火花来迎接新年。

电弧炉

(EAFs)在19世纪晚期开始使用。电极通过熔炉内的金属传导电流，这比在一次熔炼大量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”通常是由厚铁板和钢梁、从汽车和其他回收的碎铁屑，以及冶炼厂的生铁锭等重铁制成的。

在容器装满后，电极被放置在金属中，在它们之间有电弧通过。当金属开始融化时，电极可能被推入更深的混合物中，或者被拉开以形成更大的电弧。可以加入热量和氧气来加速这个过程。当熔化的金属开始形成时，电压就会升高，因为在金属顶部产生的渣就像电炉屋顶和其他部件的保护层。

当所有的东西都融化时，整个熔炉倾斜，将液态金属排放到下面的钢包中。有时钢包本身可以是更小的电炉，其任务是在浇注前保持金属热。

感应炉

用磁场而不是电弧来工作。金属被装入一个坩埚，坩埚周围环绕着一个由铜卷制成的强大电磁铁。当感应炉打开时，线圈通过引入交流电产生一个快速反向磁场。当金属熔化时，电磁铁在液体中产生涡流，从而使材料自我搅动。感应炉中的热量是由铁本身分子的激发产生的，这意味着无论进入坩埚的是什么，出来的就是什么:系统中没有氧气或其他气体的加入。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炼钢。进去的，出来的。像电炉一样，感应炉经常通过倾斜到下面的钢包来放电。

感应炉是非常常见的，并且在提供高质量输入时操作简单。普通型号每次充电可以生产65吨钢材。

铸造车间里所有的熔炉都面临着一个致命的敌人:蒸汽。水，即使是少量的水，也会引起飞溅或爆炸，所以所有的废料和铁合金，以及生产中使用的每一种工具，在使用前都必须干燥。废金属不得有任何可能困住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凝露或湿气。许多铸造厂都有一个干燥炉，以确保废料和工具在任何东西接触铸造炉之前都是完全干燥的。

铸造钢包

金属熔化后，必须将其注入模具。在较小的铸造厂，这一切可能在一个阶段发生:一个倾斜或提升的坩埚可能把金属从熔炉中带到沙子中。然而，当一个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，钢包从主炉中输送少量的熔体。

在这些系统中，钢包可以直接将金属带到模具中。然而，转移钢包可以将液体输送到保温槽或二次炉。处理勺是另一种可用的类型，用来把熔化物分解成部分，就像面包师可能会把一个基本的面团分开，作为其他食谱的基础。例如，液态铸铁可以在处理包中添加药剂，使其内部的碳呈球形，而不是片状，从而形成一种更具可塑性的金属球墨铸铁．

钢包可以很小，由铸造工人举起，也可以容纳许多吨的金属，需要机械支撑。最大的钢包是通过钢包车或起重机或轨道系统在铸造厂中移动的。

各种钢包的设计是为了保护工人在倾倒时免受飞溅、火焰或火花的伤害。有些钢包是倒在上唇上的，或者是倒出口，需要倾斜:这些钢包通常有齿轮，以便铸造工人仔细控制倒出的速度。其他钢包的浇注口在桶的底部，通过拆卸和更换一个塞子来控制浇注。

混合合金

金属合金是由各种元素的混合物制成的，这些元素由一个公式标准化，该公式规定了每种类型的百分比以及在制造过程中所采取的步骤。铸造厂的熔化炉和处理钢包是为铸件制造这些合金类型的地方。

铸造厂通常专门生产含有铁的黑色合金，或特定的有色合金，如贵金属、铜基合金或铝基合金。

铁合金可分为铁和钢．铸铁合金包括灰铁，其中包括硅，和球墨铸铁它有一种球形碳。铸钢等级由碳和其他添加剂在混合物中的百分比来定义。不锈钢是一种含有铬的钢，通过钝化来防止生锈。

有色金属合金包括所有其他金属，因此有色金属铸造厂的进一步专业化不足为奇。有些地方专门生产锌，有些地方专门生产铝；其他人主要是用铜基合金，如黄铜和青铜。然而，也有交叉。例如，如果某一特定的铸造厂同时使用青铜和铝，他们可能会专门使用每一种的特定等级。

无论铸造厂用什么合金，使熔化的金属和将其铸造成空洞的前提是相同的。当金属流进模子的那一刻，想法就变成了现实。