Wielki piec jest typem pieca szybowego przeznaczonego do przeprowadzania sposobem ciągłym procesu produkcji rud żelaza. Jako produkt główny otrzymuje się surówkę zaś jako produkt uboczy gaz wielkopiecowy i żużel. Od góry przez gardziel wsypuje się kolejne warstwy: rudy, koksu i topników obniżających temp topnienia żużla natomiast do dołu wdmuchuje się gorące powietrze które reagując z koksem daje CO- właściwy czynnik redukujący rudy. Gromadzącą się na dnie pieca ciekłą surówkę i lżejszy ciekły żużel periodycznie wypuszcza się otworami spustowymi. Gaz wielkopiecowy odprowadza się górnym otworem i zużywa się do ogrzewania wdmuchiwanego powietrza.
Żeliwniakiem nazywamy piec szybowy przeznaczony do topienia żeliwa. Czas trwania nieprzerwanego wytopu żeliwa trwa 4-6h. Żeliwniak jest piecem szybowym do wytapiania żeliwa z surówki, złomu żeliwnego i stali przy użyciu koksu jako paliwa. Rozróżnia się żeliwniaki zwykłe z dmuchem zimnym, podgrzanym oraz wzbogaconym w tlen. Zastosowanie podgrzanego powietrza lub tlenu pozwala na podwyższenie temp żeliwa oraz równoczesne zwiększenie wydajności i zmniejszenie zużycia koksu.
Piec martenowski. Piec płomieniowy jest to komora wykonana z cegły szamotowej. Metal nie styka się w niej bezpośrednio z paliwem lecz tylko ze spalinami powstającymi ze spalania paliwa w oddzielnym palenisku. Piece płomieniowe opalane są węglem lub pyłem węglowym.
Konwektor jest to naczynie w kształcie gruszki wyłożone wewnątrz materiałem ogniotrwały. W bocznej ścianie konwektora umieszczony jest rząd dysz. Przez umieszczoną w górnej części gardziel wlewa się do poziomu powyżej otworów dysz ciekłe żeliwo. Następnie wdmuchuje się powietrze przez dysze nachylone pod kątem do powierzchni kąpieli metalowej. W rezultacie następuje wypalanie większej części krzemu manganu i węgla wskutek czego ciekłe żeliwo przetworzone zostaje na stal.
Z różnych odmian pieców elektrycznych najbardziej rozpowszechnione są piece łukowe. Źródłem ciepłą w piecu łukowym jest energia elektryczna wyzwalająca się w ługu elektrycznym powstająca między metalem a elektrodami grafitowymi lub węglowymi do których doprowadzony jest prąd elektryczny. Korpus metalowy pieca elektrycznego wyłożony jest materiałem ognioodpornym. Wsad metalowy ładuje się przez okno umieszczone w tylnej ścianie pieca. Prąd elektryczny doprowadza się od transformatora do trzech elektrod wpuszczonych do wewnątrz pieca przez otwory w sklepieniu. Ciekły metal jest spuszczany przez otwór w ścianie przedniej pieca po jego przechyleniu. Następnie żeliwo przetwarzane jest w stal.
Stal to jest stop żelaza z domieszkami pochodzącymi z procesu metalurgicznego ( węglowa ) - stop żelaza z węglem oraz innymi domieszkami jak np. mangan krzem siarka fosfor (stopowa ) - zawiera dodatkowo wprowadzone domieszki niklu chromu wolframu wanadu itp. Staliwo jest to stal lana wytwarza się je w piecach martenowskich, elektrycznych łukowych oraz konwektorach odlewniczych. Surówka jest produktem otrzymanym w wielkim piecu, jako główne domieszki zawiera C, Si, Mn, P, S. Surówka odlewnicza (czarna ) zawiera węgiel w postaci grafitu, łatwo daje się obrabiać. Surówka przeróbcza (biała) jest krucha, twardsza od poprzedniej zawiera mniej krzemu natomiast więcej manganu. Surówki specjalne przeznaczone do wyrobu stali specjalnych lub odlewów o szczególnych właściwościach. Żeliwo - stop odlewniczy żelaza z węglem otrzymany przez przetopienie surówki zawierający ponad 2% węgla oraz krzem mangan w niewielkich ilościach siarka fosfor. Żeliwo szare. Żeliwem nazywamy stop żelaza z węglem o zawartości 1,7-4,3% C (zwykle 2,8-3,5%). Poza tym zawiera ono pewne ilości krzemu manganu fosforu i siarki. Otrzymuje się ją przez przetopienie w żeliwniaku surówki żelaznej ze złomem żeliwnym z dodatkiem złomu stalowego oraz topników. Podstawowe właściwości żeliwa zależą od tego w jakiej postaci występuje zawarty w niej węgiel. Zależnie od składu chemicznego żeliwa i szybkości stygnięcia węgiel może być w postaci niezwiązanej lub w postaci związku chemicznego, węglika żelaza Fe3C. Można wyróżnić strukturę ferrytyczną, powstaje ona przy większej zawartości węgla i krzemu posiada małą odporność na rozciąganie i niską twardość, perlityczną która składa się z wtrąceń grafitu płytkowego na tle masy perlitu. Ma ono większą wytrzymałość niż żeliwo szare i posiada barwę jasnoszarą, ferrytyczno - perlityczna jest zbudowana z ferrytu, perlitu i wtrąceń grafitu płytkowego. Wytrzymałość i twardość tego żeliwa jest większa niż żeliwa perlitycznego. Charakter struktury żeliwa zależy od tego jaka część zawartego w nim węgla wydziela się w postaci grafitu. Żeliwo sferoidalne. Proces otrzymywania żeliwa sferoidalnego polega na wprowadzeniu do ciekłego metalu dodatkowego stopu (najczęściej magnezu ok.1%). Powodującego wydzielanie się węgla w postaci grafitu sferoidalnego i następnie modyfikowanie żeliwa przez dodanie 75-procentowego żelazokrzemu w ilości ok.1% przed dodaniem zmieniaczy żeliwo ciekłe powinno mieć skład żeliwa szarego. Warunkiem otrzymania żeliwa sferoidalnego jest niska zawartość siatki w żeliwie (ok.0,04%). Żeliwo ciągliwe otrzymuje się z żeliwa białego w którym po żarzeniu następuje zmiana węgla związanego na węgiel wolny lub częściowe odwęglenie. W wyniku tego powstaje materiał ciągliwy i łatwo obrabialny. Żeliwo ciągliwe zawdzięcza swoją wysoką plastyczność procesowi wyżarzania kiedy węgiel wydziela się w postaci gniazd węgla żarzenia, w znacznie mniejszym stopniu rozdzielającym osnowę metaliczną niż grafit płatkowy w żeliwie szarym. Żeliwo ciągliwe ma wyższe właściwości wytrzymałościowe niż żeliwo szare niższe niż staliwo.
Właściwości odlewnicze żeliwa szarego. Szerokie zastosowanie żeliwa szarego spowodowane jest tym że jest ono stopem tańszym od innych, ma bardzo dobre właściwości odlewnicze oraz wypełnia dobrze formy odlewnicze, a także posiada znakomitą lejność dzięki czemu można z niego wykonać odlewy o bardzo skomplikowanych kształtach. Staliwo możemy podzielić na węglowe i stopowe. Staliwo węglowe stanowi stop żelaza z węglem z dodatkiem krzemu i magnezu które są pożądane w przeciwieństwie do siarki i fosforu. Do wykonania odlewów stosuje się stal węglową. Struktura takiej stali składa się z ferrytu z perlitem. Bardzo szkodliwą domieszką w stali jest fosfor powodujący kruchość stali w chłodnym stanie i siarka powodująca kruchość stali w wyższych temp. Staliwa te możemy podzielić na stale niskowęglową <0,2%C, średniowęglową0,2-0,45%C i wysoko węglową >0,5%C. Staliwo stopowe zawiera poza składnikami podstawowymi składniki specjalne jak chrom, nikiel, wanad oraz krzem i mangan. Staliwo stopowe s którym zawartość składników stopowych nie przekracza 5% nazywa się niskostopowym a >5% wysokostopowym.
Formowanie ręczne znalazło zastosowanie w odlewach o małej mechanizacji do formowania odlewów prostych o niezbyt dużych wymiarach. Przy formowaniu tym stosuje się zwykle modele drewniane które za każdym razem ustawia się na desce podmodelowej. Możemy wyróżnić tutaj formierki ręczne typu: trzpieniową ze stołem obracalnym. Formowanie na tej formierce odbywa się w ten sposób że skrzynkę formierską nałożoną na płytę modelową i przymocowaną do stołu maszyny napełnia się masą formierską i zagęszcza ręcznie. Wyjęcie modelu z formy odbywa się przez podniesienie skrzynki formierskiej za pomocą mechanizmu trzpieniowego. Mechanizm ten uruchamia się przez wykonanie półobrotu korby. Formowanie na formierce ręcznej ze stołem obracanym przebiega w ten sposób że na płycie modelowej ustawionej w najniższym położeniu ustawia się skrzynkę formierską i przymocowuje klinami przełożonymi przez otwory w sworzniach ustalających płyty modelowej. Poczym podnosi się skrzynkę do najwyższego położenia. Następnie stół obraca się ręcznie o 180o i wsuwa się wózek na szynach pod stół po czym opuszcza się skrzynkę na wózek. Dalej ustawia się na płycie modelowej dolną skrzynkę i zagęszcza w niej masę formierską. Pustą skrzynkę która po obrocie była w górze napełnia się masą formierską i zagęszcza. Po wybiciu klinów mocujących formę znajdującą na dole podnosi się stół do góry poczym następuje wyjęcie modelu z formy spoczywającej na wózku. Wózek wytacza się z pod płyty i zdejmuje z niego wykonaną formę.
Formowanie maszynowe stosuje się w produkcji wielkoseryjnej i masowej. Umożliwia ono zmechanizowanie bardzo pracochłonnej czynności jaką jest zagęszczanie masy formierskiej wyjmowanie modeli ze skrzynek po zagęszczeniu w nich masy formierskiej na maszynach formierskich wykonuje się formy przeważnie w dwóch skrzynkach. Górną część formy wykonuje się na jednej maszynie zaopatrzoną w płytę modelową z górnymi częściami modeli a dolną na drugiej maszynie zaopatrzoną w płytę modelową z dolnymi częściami. Przez zmechanizowanie wyjmowania modeli unika się potrzeby obijania modelu i związanego z tym powiększenia wymiarów oraz ciężaru odlewu. Dla ułatwienia wyjmowania stosuje się wibratory które powodują wibracje płyty modelowej podczas wyjmowania modelu z formy. Maszynowe wyjmowanie modeli pozwala na osiągnięcie większej dokładności wymiarów w odlewie oraz mniejsze wahania ciężaru poszczególnych sztuk wykonanych z tego samego modelu. Zwiększenie dokładności i stałości wymiarów pozwala na zmniejszenie naddatków na obróbkę. Lepsza jakość formy i zwiększona dokładność odlewu powoduje zmniejszenie ilości wadliwych przedmiotów. Formy wykonywane maszynowo odlewane są przeważnie na wilgotno i tylko w wyjątkowych przypadkach podlegają suszeniu. Formowanie maszynowe stosuje się przeważnie do wykonywania form małych i średnich.
Specjalne sposoby wykonywania form i rdzeni.
Rdzenie wykonywane są osobno a następnie ustawiane w formie. Rdzeń w formie odlewniczej podczas zalewania otoczony jest ciekłym metalem ze wszystkich stron dlatego musi on być odporny na działanie ciekłego metalu oraz umożliwiać odprowadzenie gazów wytwarzających się po zalaniu formy metalem. Dla zapewnienia wysokiej odporności rdzeni wykonuje się je ze specjalnych mas rdzeniowych a w przypadku większych rdzeni wkłada się do ich wnętrza zbrojenia metalowe. Rdzenie wykonuje się w rdzennikach lub za pomocą wzorników. Możemy wyróżnić wzornice skrzynkowe, ramkowe, wstrząsowe a także nieruchome, obracane, przesuwane. Rdzennice skrzynkowe składają się z dwóch połówek połączonych kabłąkiem. Po złączeniu ich nasypuje się masę rdzeniową i ubija. W środku wykonuje się kanał odpowietrzający, po czym obija się rdzennice drewnianym młotkiem i rozbiera aby wyjąć rdzeń. Rdzennice ramkowe służą do wykonywania rdzeni o płaskich powierzchniach. Rdzennice wstrząsowe służą do wykonywania rdzeni o skomplikowanych kształtach. Wzorniki nieruchome są używane do wytaczania rdzeni na toczaku. W ten sposób wykonuje się rdzenie o kształtach brył obrotowych znacznej długości. Wzorniki obracane dookoła osi pionowej stosowane są do wytwarzania rdzeni o kształcie brył obrotowych w których średnica jest duża. Wzorników przesuwanych używa się do wykonywania rdzeni o jednakowym przekroju na pewnej długości. W praktyce stosuje się różne metody wykonywania form np. formowanie z odbierakiem i fałszywką. Jeżeli kształt odlewu jest taki że jego model nie przylega całą płaszczyzną do płyty podmodelowej, wówczas wykonuje się formę z tzw odbieraniem. Przy wykonaniu pojedynczych średnich i dużych odlewów o kształtach brył obrotowych stosuje się formowanie za pomocą wzorników.
Zalewanie form ciekłym metalem jest jedną z najważniejszych czynności przy wykonywaniu odlewów. Otrzymanie zdrowego odlewu zależy w dużym stopniu od: temp metalu w chwili zalewania formy. Temp zalewania dostosowuje się do rodzaju i kształtu odlewu. Odlewy grubościenne zalewa się przy niższej temp niż odlewy cienkościenne i o skomplikowanych kształtach. Zbyt wysoka temp powoduje przypalenie się masy formierskiej do odlewu, uszkodzenia na skutek zwiększonej szybkości przepływu strugi metalu, powstanie jamy skurczowej i zwiększenie możliwości pęknięć odlewu na zimno i na gorąco. Zalewanie form zbyt chłodnym metalem może nie wypełnić całkowicie formy. Metal wlewa się równomiernie bez przerw tak aby zbiornik wlewowy był stale wypełniony ciekłym metalem. Odlewy wybija się po pewnym czasie od zalania formy aby dać możliwość odlewowi stopniowego ochłodzenia. Zależnie od grubości ścianek odlewu stygnie od kilku do kilkudziesięciu godzin. Wybijanie odlewów jest jedną z najcięższych prac w odlewniach ze względu na wysoką temp masy formierskiej i odlewów oraz duże ilości powstającego pyłu. Do wybijania modeli służą specjalne kraty wstrząsowe, wibratory pneumatyczne itp. Po wyjęciu modelu należy oddzielić układ wlewowy za pomocą uderzeń młotka lub za pomocą pił tarczowych. Rdzenie z odlewów usuwa się ręcznie lub za pomącą młotków pneumatycznych. Oczyszczenie powierzchni z przypalonej warstwy przeprowadza się w bębnach obrotowych lub oczyszczarkach ewentualnie za pomocą strumienia wody z piaskiem oraz chemicznie i elektrochemicznie. Kontrole jakości odlewu przeprowadza się za pomocą: oględzin zewnętrznych, sprawdzenia wymiarów masy, właściwości mechanicznych, struktury, badań deteskopowych. Odstępstwo odlewu od ustalonych wymagań nazywa się wadą. Niektóre wady mogą być naprawione. Odlewanie formy skorupowe Masa formierska- piasek kwarcowy, żywica fenolowa, utwardzacz. Płytę modelową podgrzewa się do temp.220-300. Na jej część nanosi się rozdzielacz (olej silnikowy). Gorącą płytę obraca się o 180 i mocuje do zbiornika z masą skorupkową. Płytę wraz ze zbiornikiem obraca się do jej położenia wyjściowego co powoduje swobodne opadnięcie masy na gorącą płytę modelową. Pod działaniem ciepła masa ogrzewa się po 15-20s do temp. topnienia żywicy na głębokość 6-10mm tworząc warstwę masy przylepionej do płyty. Powstałą, półtwardą skorupę wraz z płytą modelową wprowadza się do pieca gdzie w temp.300-400 C zostaje utwardzona. Po wyjęciu z pieca utwardzona część półformy zdejmuje się z płyty modelowej i skleja z drugą częścią formy za pomocą kleju mocznikowego. Do zalewania ciekłym metalem części form skorupowych łączy się klejem i ustawia w metalowych skrzynkach wypełniając wolną przestrzeń suchym piaskiem lub śrutem. Po zalaniu w miarę przegrzewania forma skorupowa rozsypuje się co zapewnia swobodny skurcz odlewów. Formowanie to stosuje się do wytwarzania cienkościennych odlewów o wysokiej dokładności. Odlewanie wg metody wytapianych modeli Metoda polega na wykonaniu matrycy, modeli odlewów i układu wlewowego z ciekłych lub ciastowatych mieszanin wosków lub tworzyw sztucznych. Następnie na połączeniu je w zestawy modelowe stanowiące podstawę do wykonania niedzielonej formy odlewniczej. Formę wykonuje się z masy ceramicznej której osnowę stanowi płukany sproszkowany i wyprażony kwarc, cyrkon szamot. Na zestaw modelowy nanosi się 3-5 warstw masy ceramicznej o grubości 0,3-0,7mm każda. Nakładanie powłoki następuje poprzez zanurzenie zestawu modelowego w masie ceramicznej. Każdą warstwę po jej naniesieniu posypuje się gruboziarnistym piaskiem kwarcowym. Następnie wytapia się modele z formy ceramicznej w gorącej wodzie parze. Po wysuszeniu form umieszcza się jej w pojemnikach blaszanych obsypuje piaskiem kwarcowym i wypala w piecu (ok. 1000 C). Po wypaleniu form zalewa się je metalem. Podczas wypalania form na ich powierzchniach wewnętrznych powstaje siatka mikro pęknięć poprawiając przepuszczalność form i odporność na zmiany dylatacyjne. Odlewanie kokilowe znalazło zastosowanie w produkcji seryjnej i masowej. Forma metalowa-kokila jest formą trwałą służącą do wielokrotnego zalewania ciekłym metalem. Metal wypełnia kokilę wskutek działania sił ciężkości lub niskiego ciśnienia. Kokile wykonuje się z żeliwa staliwa i stopów aluminium. Przed zalaniem kokile ogrzewa się do temp.200-300 C a jej powierzchnie robocze pokrywa się warstwą ceramiczną. Kokila odtwarza zewnętrzne części odlewu zaś wewnętrzne- rdzenie. Cechą tego odlewania jest szybkie krzepnięcie i stygnięcie odlewu co wpływa na strukturę i właściwości odlewu. Brak przepuszczalności formy wymaga często stosowania w kokili dodatkowych rowków odpowietrzających. Odlewanie kokilowe zapewnia dużą dokładność wymiarową i gładkość powierzchni odlewów. Daje możliwość odlewania cienkich ścianek zapewnia dobre właściwości odlewu przy dużej wydajności. Odlewanie ciśnieniowe Forma do odlewania ciśnieniowego (ze stali stopowej) przy jej najprostszej konstrukcji składa się z dwóch płyt z wnękami będącymi negatywem odlewu z których jedna jest zamocowana do nieruchomej części a druga do części ruchomej. Zależnie od położenia formy w maszynie rozróżniamy formy z pionową i poziomą powierzchnią podziału. Maszyny z zimną komorą charakteryzują się tym że ciekły metal znajduje się poza obrębem maszyny w piecu podgrzewanym. W maszynie z gorącą ciśnieniową stały cylinder z komorą ciśnienia zanurzony jest w ciekłym metalu w tyglu pieca grzewczego który jest częścią składową maszyny. Ciśnienie na ciekły metal może być wywierane przez tłok lub za pomocą sprężonego powietrza lub gazu. Odlewanie ciśnieniowe należy do najbardziej ekonomicznych metod odlewania. Odlewanie odśrodkowe Oś obrotu maszyny może być pozioma pionowa lub pod kątem. Ciekły metal wprowadzony do wirującej formy ochładzany jest z dwóch stron - od strony zewnętrznej poprzez formę od strony wewnętrznej - powietrzem. Odlewy wytwarzane tą metodą odznaczają się wysoką dokładnością wymiarową. Formy wykonuje się z żeliwa i stali w postaci tulei jedno - dwu - trójwarstwowych pomiędzy którymi może przepływać woda chłodząca formę. Metodą odlewania odśrodkowego wytwarza się rury pierścieni wrzecion ślimaków wirników pomp i wiele innych. Odlewanie odśrodkowe zapewnia wysoką jakość wytwarzanych odlewów bez pęcherzy porowatości i zażużleń. Odlewanie ciągłe polega na wlewaniu ciekłego metalu do krystalizatora w którym metal przybiera określony kształt odlewu (blachy rury) i w tej postaci jest usuwany z drugiej strony katalizatora w sposób ciągły lub skokowy. Otrzymany odlew jest cięty na odcinki w trakcie lub po zakończeniu procesu produkcyjnego. W zależności od położenia i wzajemnego ruchu odlewu i krystalizatora rozróżnia się odlewanie ciągłe przy ruchu:
- krystalizatora wraz z odlewem
- odlewu względem krystalizatora
Ze względu na sposób zalewania form rozróżnia się system zamknięty i otwarty. Ze względu na kierunek zlewania rozróżnia się urządzenie pionowe i poziome. Odlewanie półciągłe różni się od ciągłego tym ze długość odlewu jest ściśle ograniczona bez konieczności cięcia na odcinki. Zalety odlewania ciągłego: duża wydajność, niskie koszty robocizny, dobre właściwości mechaniczne, duża dokładność wymiarowa odlewów, dobra jakość powierzchni. Zasady konstruowania odlewów Przy konstruowaniu odlewów należy przeprowadzić analizę pod względem: wytrzymałości i sztywności, rodzaju stopu odlewniczego, łatwości wykonania modelu, formy i rdzenia, łatwości obróbki mechanicznej, metody odlewania, możliwości powstania wad odlewniczych. Odlew powinien być zaprojektowany tak aby mógł być wyprodukowany w możliwie przy najmniejszym nakładzie pracy. Punktem wyjścia w projektowaniu określonego modelu jest analiza technologiczności i jego konstrukcji, uzupełniona analizą techniczno - ekonomiczną. Mając na uwadze warunki eksploatacji detalu oraz wymagania odnośnie jego właściwości, należy przeanalizować możliwości doboru najodpowiedniejszego tworzywa. Projektowanie technologii odlewów Dla przystąpienia do opracowania procesu technologicznego wykonania wyrobu, ilość sztuk, powtarzalność, warunki techniczne, termin wykonania. Kolejność pracy przy projektowaniu procesów technologicznych: analiza technologiczności odlewu, opracowanie zagadnień związanych z kształtem odlewu, zaprojektowanie układu wlewowego, ustalenie sposobu wykonywania form i rdzeni, opracowanie organizacji pracy, analiza ekonomiczna, wykonanie dokumentacji technicznej: rysunek surowego odlewu, rysunek koncepcji technologicznej, rysunek zespołu modelowego, rysunek formy, karty technologiczne, normy czasowe, warunki techniczne odbioru, wykonanie próbnych odlewów.