Vom Ofen in die Form: Die Präzision des Metallgusses

Vom Gusshochofen in die Form

Gießereien sind dramatisch. Riesige Öfen, glühend vor Hitze, verwandeln Metallbrocken in fließende, feurige Flüssigkeiten. Wenn sie bereit sind, wird ihr Inhalt in wartende Pfannen gegossen, begleitet von einem Funkenregen. Arbeiter lenken den Metallfluss vom Ofen in die Form hinter Hitzeschildern, geschützt vor den Gefahren der Temperatur und Materialien. Der Gießereiboden ist der Ort, an dem Design Realität wird, in einem außergewöhnlichen Prozess, der alltägliche Objekte schafft. Innovationen bei der Erzeugung und Aufrechterhaltung der für verschiedene Legierungen erforderlichen Temperaturen sind Teil der Entwicklung der Metallurgie. Die Arbeit des Schmelzens und Gießens von Metall sieht aus wie Szenen aus Geschichtsbüchern, aber hier findet einige der interessantesten Wissenschaft statt.

Die Herstellung von Gussmetall basiert auf Öfen, die heiß genug sind, um Metalle in einen flüssigen Zustand zu bringen. Die ersten Erzvorgänge in der Menschheitsgeschichte betrafen Blei und Zinn: diese weichen Metalle können in der Hitze eines Kochfeuers geschmolzen werden. Um stärkere Metalle zu schaffen, brauchten Metallurgen mehr als Holzfeuer.

Hohe Hitze und menschlicher Fortschritt

Das Bronzezeitalter beruhte auf der Festigkeit von Kupfer. Kupfer wurde möglicherweise zufällig in einem Töpferofen geschmolzen, der mindestens 200 °C heißer läuft als ein Lagerfeuer. Fehlende schriftliche Aufzeichnungen aus dieser Zeit machen es schwer, sicher zu sein. Während des Bronzezeitalters wurden ofenähnliche Öfen verwendet, um verschiedene elementare Bestandteile aus Gestein zu extrahieren, die bei unterschiedlichen Temperaturen schmolzen, wobei Kupfer der höchste Preis für die Herstellung von gutem Messing und Bronze war.

Es gibt Belege für die Nutzung von Eisen vor dem Eisenzeitalter. Diese Gegenstände wurden jedoch aus bearbeitetem Eisen hergestellt, das buchstäblich vom Himmel gefallen war – meteorisches Eisen liegt in einer relativ reinen Form im Vergleich zu irdischem Eisen vor. Es konnte erhitzt und bearbeitet werden, wie es gefunden wurde. Das wahre Eisenzeitalter begann jedoch, als die Menschen herausfanden, wie man nutzbares Eisen aus Erzen gewinnt, und das erfordert das Schmelzen in weiche, zähe, fast flüssige oder flüssige Zustände. Dieser Fortschritt erreichte verschiedene Teile der Welt zu unterschiedlichen Zeiten, involvierte aber die Erfindung von Rennöfen und einen langsamen Aufbau des Wissens über die ferrous Metallurgie. Rennöfen erlaubten es, Eisen heiß genug zu machen, um es zur Reinheit zu bearbeiten, anstatt das Metall in den geschmolzenen Zustand zu bringen, aber sie halfen bei der langsamen Entdeckung der Eisenchemie. Es ist eine Sache, Eisen zu schmelzen: um ein nutzbares starkes Metall herzustellen, ist die richtige Zugabe von Kohlenstoff nötig, und Rennöfen waren auf Kohlenstoffbrennstoffe angewiesen. Als Öfen heiß genug wurden, um Eisen zu schmelzen, mussten Metallurgen auch ihr Verständnis von Flussmitteln entwickeln, die Additive sind, die verwendet werden, um das Endmetall zu reinigen, indem sie Oxidbildung verhindern.

Fortschritte, die durch innovative Kombination von Ofen und Chemie gebracht wurden, setzten sich durch die gesamte Menschheitsgeschichte fort. Metallurgischer Fortschritt leitete offensichtlich das Bronze- und Eisenzeitalter ein, basierend auf ihren Namen. Die Industrielle Revolution führte uns in das Stahlzeitalter. Verbrennungsmotor, Eisenbahnen und moderne Baupraktiken wären ohne einen wichtigen Fortschritt namens Bessemer-Verfahren nicht möglich, das Sauerstoff durch flüssigen Stahl bläst, was höhere Temperaturen und schnellere Produktionszeiten ermöglicht und die Massenproduktion von Qualitätsstahl erlaubt.

Schmelzen vs. Erschmelzen

Erschmelzen ist der Prozess der Entfernung eines Metallelements aus abgebauten Erzen. Die meisten Metalle finden sich als Adern in Gestein oder als Bestandteile anderer Elemente. Erschmelzen ist der erste Extraktionsschritt. Schmelzen ist das, was mit Metalllegierungen oder reinen Metallen getan wird. Schrott wird geschmolzen, Erz wird erschmolzen. Roheisen sind die groben Eisenbarren, die durch Erschmelzen von Eisenerz entstehen.

Hochofen

Hochöfen, die sehr hohe Öfen sind, in die unter Druck stehende Gase eingespritzt werden, werden zum Erschmelzen verwendet. Hochöfen produzieren meist Barren einer Zwischenlegierung, wie Roheisen. Diese Barren werden dann an Gießereien geliefert, die in der Herstellung tätig sind.

Herstellende Gießereien nehmen Legierungen und Additive und schmelzen sie, um spezifische Güten von Gussmetall in anderen Arten von Schmelzöfen herzustellen.

Arten von Gießereischmelzöfen

Traditionell waren Tiegel- und Kupolöfen die gängigsten Methoden, um Metalle für den Guss zu schmelzen; in der modernen Zeit sind Lichtbogen- und Induktionsöfen üblich.

Tiegelöfen

Tiegelöfen sind die grundlegendste Form von Metallöfen. Ein Tiegel ist ein Gefäß aus Material, das extrem hohe Temperaturen standhält, oft aus Keramik oder anderen feuerfesten Materialien. Er wird in die Wärmequelle gestellt wie ein Topf in ein Feuer. Der Tiegel wird mit Metall und Additiven gefüllt oder „beschickt“. In der modernen Ära werden Tiegelöfen noch von Schmuckherstellern, Hobbygießern im Hinterhof, einigen Nichteisen-Gießereien und Gießereien für sehr kleine Chargen verwendet. Tiegel können von einem sehr kleinen Becher reichen, in dem Metalle mit einem Brenner geschmolzen werden, wie es bei einem Juwelier der Fall sein könnte, bis hin zu großen Gefäßen, die 50 lbs Material fassen. Größere Tiegel werden oft in einen ofenähnlichen Ofen gestellt und können zum Gießen herausgehoben werden, oder das Material wird von oben abgepfannt.

Kupolöfen

Kupolöfen sind lang, schornsteinartig und mit Koks und anderen Additiven gefüllt. Der Brennstoff im Kupol wird angezündet, und wenn der Ofen ausreichend heiß ist, werden Roheisen und Schrotteisen direkt hinzugefügt. Der Prozess des Schmelzens des Eisens um den Koks und die Additive fügt Kohlenstoff und andere Elemente hinzu und erzeugt verschiedene Güten von Eisen und Stahl. Kupolöfen werden in der Produktion nicht mehr üblicherweise verwendet, da Lichtbogen- und Induktionsmethoden effizienter sind, die nötige Hitze zu erzeugen. Es gibt jedoch einige Orte, an denen Tradition die Kupolöfen am Laufen hält, wie in diesem Video von Da Shu Hua, wo chinesische Gießereiarbeiter flüssiges Eisen gegen eine Wand werfen, um dramatische Funken zu erzeugen, um das Neue Jahr willkommen zu heißen.

Lichtbogenöfen

(Electric Arc Furnaces, EAFs) kamen Ende des 19. Jahrhunderts in Gebrauch. Elektroden leiten elektrischen Strom durch das Metall im Ofen, was effektiver ist als das Zuführen externer Wärme beim Schmelzen großer Mengen auf einmal. Ein großer EAF in der Stahlproduktion kann bis zu 400 Tonnen fassen. Eine „Beschickung“ dieses Stahls besteht oft aus schwerem Eisen wie Blöcken und Trägern, zerkleinertem Schrott von Autos und anderem Recycling sowie Roheisenbarren aus einem Hochofen.

Nachdem der Behälter gefüllt ist, werden Elektroden in das Metall platziert, und ein Lichtbogen fließt zwischen ihnen. Während das Metall zu schmelzen beginnt, können die Elektroden tiefer in die Mischung geschoben oder auseinandergezogen werden, um einen größeren Bogen zu erzeugen. Wärme und Sauerstoff können hinzugefügt werden, um den Prozess zu beschleunigen. Wenn flüssiges Metall zu entstehen beginnt, kann die Spannung erhöht werden, da die auf dem Metall entstehende Schlacke wie eine schützende Decke für das Dach und andere Komponenten des EAF wirkt.

Wenn alles geschmolzen ist, wird der gesamte Ofen gekippt, um das flüssige Metall in eine darunter stehende Pfanne abzulassen. Manchmal können die Pfannen selbst kleinere EAF-Öfen sein, die damit beauftragt sind, das Metall vor dem Gießen heiß zu halten.

Induktionsöfen

arbeiten mit Magnetfeldern statt mit Lichtbögen. Metall wird in einen Tiegel geladen, der von einem leistungsstarken Elektromagneten aus gewickeltem Kupfer umgeben ist. Wenn der Induktionsofen eingeschaltet wird, erzeugt die Spule ein sich schnell umkehrendes Magnetfeld durch die Einführung eines Wechselstroms. Während das Metall schmilzt, erzeugt der Elektromagnet Wirbelströme in der Flüssigkeit, die das Material selbst durchmischen. Die Hitze in einem Induktionsofen wird durch die Anregung der Moleküle im Eisen selbst erzeugt, was bedeutet, dass genau das, was in den Tiegel geht, auch wieder herauskommt: es gibt keine Zugabe von Sauerstoff oder anderen Gasen zum System. Das bedeutet weniger Variablen, die beim Schmelzen kontrolliert werden müssen, aber es bedeutet auch, dass ein Induktionsofen nicht zum Raffinieren von Stahl verwendet werden kann. Was hineingeht, kommt heraus. Wie ein EAF-Ofen entladen Induktionsöfen oft durch Kippen in darunter stehende Pfannen.

Induktionsöfen sind sehr verbreitet und einfach zu bedienen, wenn hochwertiges Inputmaterial gegeben ist. Gängige Modelle können 65 Tonnen Stahl pro Beschickung produzieren.

Alle Öfen auf dem Gießereiboden haben einen tödlichen Feind: Dampf. Wasser, sogar in kleinen Mengen, kann Spritzer oder Explosionen verursachen, daher müssen alle Schrotte und Ferrolegierungen sowie jedes in der Produktion verwendete Werkzeug vor dem Gebrauch trocken sein. Schrottmetall darf keine geschlossenen Bereiche haben, in denen Wasser oder Dampf eingeschlossen sein könnten. Sogar die von Gießereiarbeitern verwendeten Werkzeuge müssen frei von Kondenswasser oder Feuchtigkeit sein. Viele Gießereien haben einen Trocknungsofen, um sicherzustellen, dass Schrott und Werkzeuge knochentrocken sind, bevor sie den Gusshochofen berühren.

Gießpfannen

Nachdem das Metall geschmolzen ist, muss es in die Form eingeführt werden. In kleineren Gießereien kann dies in einem Schritt geschehen: ein kippbarer oder heraushebbarer Tiegel kann Metall vom Ofen in den Sand bringen. Dies ist jedoch unpraktisch, wenn ein Ofen viele Tonnen Metall fasst. Typischerweise transportieren Pfannen in der Eisenherstellung kleinere Portionen der Schmelze vom Hauptöfen.

In diesen Systemen kann eine Pfanne das Metall direkt in die Form bringen. Eine Transferpfanne könnte die Flüssigkeit jedoch in einen Haltebehälter oder einen Sekundärofen bringen. Behandlungs-Pfannen sind ein weiterer verfügbarer Typ, der verwendet wird, um die Schmelze in Portionen aufzuteilen, wie ein Bäcker einen Basisteig trennen könnte, um ihn als Basis für andere Rezepte zu verwenden. Zum Beispiel kann flüssiges Gusseisen in der Behandlungs-Pfanne Zusätze erhalten, die den Kohlenstoff darin kugelförmig statt lamellar machen, was ein formbareres Metall namens duktiles Eisen erzeugt.

Pfannen können sehr klein und von Gießereiarbeitern gehoben werden oder viele Tonnen Metall fassen und mechanische Unterstützung benötigen. Die größten Pfannen werden durch eine Gießerei per Pfannenwagen oder durch einen Deckenkran oder Schienensystem bewegt.

Pfannen aller Art sind so konzipiert, dass sie den Arbeiter vor Spritzern, Flammen oder Funken beim Gießen schützen. Einige Pfannen gießen über den oberen Rand oder eine Ausgussdüse und müssen gekippt werden: diese haben oft Getriebe, die es dem Gießereiarbeiter erlauben, die Gießrate sorgfältig zu steuern. Andere Pfannen haben ihren Ausguss am Boden des Eimers, und der Guss wird durch Entfernen und Ersetzen eines Stopfens gesteuert.

Legierungen mischen

Metalllegierungen bestehen aus Mischungen von Elementen, die durch eine Formel standardisiert sind, die die Prozente jedes Typs sowie die in seiner Herstellung unternommenen Schritte spezifiziert. Die Schmelzöfen und Behandlungs-Pfannen einer Gießerei sind die Orte, an denen diese Legierungstypen für Gussstücke erstellt werden.

Gießereien spezialisieren sich oft auf entweder ferrous Legierungen, die Eisen enthalten, oder spezifische nichteisen Legierungen, wie Edelmetalle, kupferbasierte oder aluminiumbasierte Legierungen.

Ferrous Legierungen gliedern sich in Eisen und Stahl. Gusseisenlegierungen umfassen Grauguss, der Silizium enthält, und duktiles Eisen, das eine Art kugelförmigen Kohlenstoff hat. Güten von Gussstahl werden durch Prozente von Kohlenstoff und anderen Additiven in der Mischung definiert. Edelstahl ist ein Stahl, der Chrom enthält, um Rost durch Passivierung zu verhindern.

Nichteisen-Legierungen umfassen alle anderen Metalle, daher ist es nicht überraschend, dass es in nichteisen Gießereien weitere Spezialisierungen gibt. Einige Orte spezialisieren sich auf Zink, einige auf Aluminium; andere arbeiten hauptsächlich mit kupferbasierten Legierungen wie Messing und Bronze. Es gibt jedoch Überschneidungen. Wenn eine bestimmte Gießerei sowohl mit Bronze als auch mit Aluminium arbeitet, wird sie sich wahrscheinlich auf bestimmte Güten von jedem spezialisieren.

Welche Legierungen eine Gießerei auch bearbeitet, die Prämisse, flüssiges Metall herzustellen und in Hohlräume zu gießen, um es zu formen, bleibt dieselbe. Eine Idee wird Realität in dem Moment, in dem Metall in eine Form fließt.

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