Kiedy topi się żelazo, chyba trzeba je transportować i przechowywać. Myślę, że pojemnik, w którym jest, musi być w stanie wytrzymać wyższe temperatury niż to, co chcesz stopić.

Według tej strony internetowej „Żelazo kute” ma temperaturę topnienia 1482 - 1593 ° C. Istnieje kilka innych metali, które mają wyższe temperatury topnienia (np. Wolfram (wolfram) o temperaturze ponad 3400 ° C), ale wszystko, co myślę, jest znacznie droższe. Więc z jakiego materiału jest wykonany piekarnik / „butelka” / „umywalka” (lub jak to się nazywa)?

(Pytanie poboczne: żelazo topi się już od dłuższego czasu. Myślę, że zmieniło się to na przestrzeni lat. Z jakich materiałów wcześniej?)

streszczenie

Tygle są wyłożone materiałami ogniotrwałymi. W obróbce stali wykorzystuje się grafit lub połączenie chromitu i magnezytu do bezpośredniego kontaktu ze stopem. W obróbce żeliwa często stosuje się glinki modyfikowane, znane również jako mieszaniny tlenku glinu-magnezji-krzemionki. Grafit jest trudniejszy do utworzenia niż materiały ogniotrwałe typu ilastego. Aby nadawać się jako materiał ogniotrwały, materiał musi spełniać szereg wymagań dotyczących właściwości, aby był zarówno ekonomiczny, jak i bezpieczny.

Materiały ogniotrwałe

Jak zauważyłeś, żelazo ma najwyższą temperaturę topnienia około 1540 ° C po lewej stronie diagramu fazowego poniżej, w postaci czystego żelaza. Istnieją dwie kategorie materiałów o wyższych temperaturach topnienia, ale tylko kilka z nich jest ekonomicznych i bezpiecznych. Zasadniczo każdy materiał o temperaturze topnienia wystarczająco wysokiej, aby wytrzymać temperatury topnienia stosowanych w handlu metali, takich jak żelazo, miedź i aluminium, nazywa się materiałami ogniotrwałymi .$\textrm{Fe-C}$

Źródło: ispatguru.com

Metale ogniotrwałe (nieprzydatne w odlewniach)

Pierwsza kategoria materiałów o wysokiej temperaturze topnienia, z których zauważyłeś jeden materiał, nazywa się metalami ogniotrwałymi . Należy zauważyć, że w przemyśle odlewniczym nie są one ogólnie określane jako materiały ogniotrwałe lub materiały ogniotrwałe. Składają się z niobu, molibdenu, wolframu, tantalu i renu (Nb, Mo, W, Ta, Re) i mają temperatury topnienia od około 2500 ° C do 3500 ° C. Chociaż temperatury topnienia są wystarczająco wysokie i mają wystarczającą wytrzymałość jako materiały konstrukcyjne oraz pewną udarność podczas rozruchu, istnieje wiele czynników ograniczających ich zastosowanie.

• Wysoka reaktywność z tlenem
• Wysoka reaktywność z innymi metalami
• Wysoki koszt za wagę
• Duża gęstość
• Wysoka pojemność cieplna
• Wysokie przewodzenie ciepła
• Trudne w kształtowaniu (wymaga dokładnie kontrolowanego topienia w próżni lub metalurgii proszków )

Ceramika ogniotrwała (przydatna w odlewniach)

Druga kategoria materiałów ogniotrwałych oparta jest na różnorodnych materiałach ceramicznych i nazywa się je materiałami ogniotrwałymi lub częściej tylko materiałami ogniotrwałymi . Jednak nie tylko ceramika jest odpowiednia. Idealnie ceramika miałaby wyjątkowo wysoką siłę wiązania atomowego lub wyższe powinowactwo do tlenu niż stopiony metal. To spowodowałoby, że materiał byłby względnie obojętny w stosunku do stopionego metalu. Taka ceramika musi być również łatwo formowalna, mieć niską pojemność cieplną i przewodzenie ciepła, i powinna być stosunkowo niedroga.

Grafit jest rozsądnym wyborem do bezpośredniego kontaktu ze stalą i aluminium, ponieważ siła wiązania węgiel-węgiel jest bardzo wysoka i ma wystarczająco wysoką temperaturę topnienia, wyższą niż temperatura jego rozkładu w atmosferze. Grafit jest nieco droższy w formowaniu niż alternatywy, chociaż tygle mają tendencję do dłuższego działania. Tygle grafitowe mają wysoką wytrzymałość, jednak jak w przypadku wszystkich materiałów ceramicznych niewielka udarność. Ma niską gęstość i niższą pojemność cieplną i przewodność cieplną niż metale ogniotrwałe. Magnezyt i chromit są również powszechnymi stalowymi materiałami ogniotrwałymi.$\left(\textrm{MgCO}_3\right)$$\left(\textrm{FeCr}_2\textrm{O}_4\right)$

Inne opcje to te systemy poniżej linii na poniższym schemacie Ellinghama.$\textrm{Fe} + \textrm{O}_2 \rightleftharpoons \textrm{FeO}_2$

• Chromia może być stosowany do niektórych materiałów, ale ma wysoką gęstość i wysoką pojemność cieplną, a także nieco wyższy koszt.$\left(\textrm{Cr}_2\textrm{O}_3\right)$

• Krzemionka nadaje się do metali i stopów o niższych temperaturach topnienia, ale ma niską odporność na szok termiczny. Czysta krzemionka (topiona krzemionka) ma znacznie wyższą odporność na szok termiczny, ale jest bardzo droga i trudna do wytworzenia. Jest stosowany w lusterkach teleskopowych.$\left(\textrm{SiO}_2\right)$

• Tlenek glinu i tlenek magnezu są powszechnie stosowane w zastosowaniach żeliwnych, gdzie grafit jest preferowany dla stali niskostopowej. Glinki inżynieryjne, które są faktycznie specyficznymi mieszaninami tlenku glinu, tlenku magnezu i krzemionki, są również często stosowane w zastosowaniach żeliw na dużą skalę, ponieważ są bardzo tanie i bardzo łatwe do formowania w miejscu w zastosowaniach o masie 100 ton i większych. Ponadto żeliwo ma niższą temperaturę topnienia niż stal (patrz linia pionowa na poziomie około 4,3% węgla na i podążaj za nim do obszaru cieczy), a zatem nieco mniej surowe wymagania dotyczące trwałości materiału ogniotrwałego i reaktywność.$\left(\textrm{Al}_2\textrm{O}3\right)$$\left(\textrm{MgO}\right)$$\textrm{Fe-C}$

• Zasadniczo wapno nie jest używane do materiałów konstrukcyjnych, ponieważ jest zbyt kruche i ma tendencję do szybkiego się w proszek. Jest jednak czasami stosowany jako dodatek wiążący, ale przemysł odchodzi od tego, ponieważ wapń atakuje inne materiały ogniotrwałe zmniejszając trwałość. Zobacz poniższy schemat Ellinghama: wapno jest najniższe na schemacie.$\left(\textrm{CaO}\right)$

• Titania i tlenek manganu nie są powszechnie używane, chociaż nie wiem dlaczego; prawdopodobnie pewna kombinacja pojemności cieplnej i właściwości mechanicznych.$\left(\textrm{TiO}2\right)$$\left(\textrm{MnO})\right)$

Diagram Ellinghama (wybór stabilnych materiałów ogniotrwałych)

Dla naszych celów sposobem na odczytanie diagramu Ellinghama jest to, że przejście w górę na wykresie oznacza zmniejszenie powinowactwa do tlenu, podczas gdy przejście w dół oznacza wzrost powinowactwa. Linie ukośne z równaniami chemicznymi wskazują standardową swobodną energię tej reakcji (oś pionowa) w danej temperaturze (oś pozioma). Jeżeli w danej temperaturze jedna linia reakcyjna jest powyżej drugiej, wyższa reakcja będzie przebiegać w kierunku czystego metalu plus tlenu (redukcja chemiczna), podczas gdy niższa reakcja będzie przebiegać w kierunku tlenku metalu (utlenianie chemiczne). Dlatego materiały ogniotrwałe o wyższym powinowactwie do tlenu niż stopiony metal będą stabilne chemicznie podczas topienia. Należy pamiętać, że istnieją dodatkowe schematy dla materiałów nietlenkowych lub można je wykonać, stosując zasady termodynamiczne i pewne eksperymenty, i trudniej jest je znaleźć w Internecie.

Źródło: Cambridge Ellingham Diagram Tutorial

Stopione metale żelazne często są przenoszone w kadziach stalowych z wyłożeniem ogniotrwałym.

Dopiero około lat 60. XIX wieku wszelkie metale żelazne inne niż żeliwo (które mają znacznie niższą temperaturę topnienia niż stal) były obrabiane w stanie stopionym w dowolnej ilości. Wcześniej produkcja stali zwykle obejmowała nawęglanie żelaza lub odwęglanie żeliwa w piecu, a kute żelazo nie jest materiałem lanym.

Historycznie kute żelazo było wytwarzane w piecach kwitnących. Są to zasadniczo stosy przemiennej rudy żelaza i węgla drzewnego uszczelnione warstwą gliny na zewnątrz, które mogą palić się przez długi czas z przeciągiem powietrza wpadającym przez otwór w pobliżu dna. W wyniku tego procesu powstaje gąbczasta masa metalicznego żelaza zmieszanego z żużlem krzemianowym. Masa byłaby wielokrotnie wbijana na gorąco (ale nie stopiona) w celu usunięcia porowatości i utworzenia w przybliżeniu jednorodnej wlewki, choć z drobnymi laminacjami żużla krzemionkowego - jest to „kute żelazo”. Struktura laminarna znacząco przyczynia się do mechanicznych właściwości kutego żelaza.

Późniejsze procesy przemysłowe, takie jak „kałuże” odwęglonego żeliwa poprzez mieszanie długimi żelaznymi prętami na złożu piasku z pośrednim ciepłem w piecu pogłosowym. Piece do suszenia roślin są w stanie zredukować tlenki żelaza w rudzie w celu wytworzenia metalu, ale nie są wystarczająco gorące, aby stopić go luzem.

Żeliwo jest wytwarzane w „piecu kopułowym”, historycznie zbudowanym z cegły, chociaż współczesne są zwykle stalowe z ogniotrwałą okładziną. Ładunki rudy żelaza i węgla drzewnego (lub koksu) są podawane na górę stosu, a stopiony metal gromadzi się w studni na dnie, gdzie można go „stuknąć”, przebijając glinianą zatyczkę. W wytopie żelaza (z rudy) piece te byłyby zwykle spuszczane bezpośrednio do form wlewków piaskowych wytwarzających „surówkę”, które albo byłyby przetapiane w elementy żeliwne, albo dalej przetwarzane w celu produkcji kutego żelaza lub stali.

Piece żeliwiarskie wprowadzają do żelaza dużo węgla (około 5%), co obniża jego temperaturę topnienia do temperatury, w której odlewanie jest praktyczne i jako takie żeliwo można wytwarzać za pomocą powietrza wymuszonego (w przeciwieństwie do czystego tlenu) i w temperaturach w zakresie prostych materiałów ogniotrwałych, takich jak glina ogniowa, które nie będąc bardzo silnymi mechanicznie, są zwykle stosowane jako wykładzina do rzeczywistej struktury pieca / kadzi.

Można było niemal odejść od używania kadzi stalowych bez podszewki do żeliwa, ale podszewka znacznie wydłuża ich żywotność i zmniejsza tempo strat ciepła z metalu między piecem a formami.

Piece używane zarówno do wytopu rudy żelaza w surówkę, jak i przetopu żelaza są zasadniczo podobne.

Jak zauważył Brian Drummond , „basen” nazywa się tyglem :

Tygiel jest pojemnikiem, który może wytrzymać bardzo wysokie temperatury i jest wykorzystywany do produkcji metalu, szkła i pigmentów, a także do szeregu nowoczesnych procesów laboratoryjnych. Chociaż historycznie tygle były zwykle wykonane z gliny, mogą być wykonane z dowolnego materiału, który wytrzymuje temperatury wystarczająco wysokie, aby stopić lub w inny sposób zmienić jego zawartość.

Szczegółową odpowiedź na to pytanie można znaleźć w powiązanym artykule w Wikipedii. Krótkie odpowiedzi to:

• Era żelaza: glina
• Średniowieczny okres: wprowadzenie nowego materiału do odpuszczania tygli ceramicznych ( Mullit )
• Post Medieval: grafit

Inne materiały z recyklingu, takie jak zgorzelina młyna, mogą być również stosowane w materiałach ogniotrwałych.

Materiały ogniotrwałe

Materiał ogniotrwały wytwarza się przez kruszenie dolomitu i mieszanie go z płynną zawiesiną topnika lub farby. Skala młyna może być stosowana jako topnik, który jest łączony z ciekłym lepiszczem, a ostateczny stosowany do wytwarzania materiału ogniotrwałego. https://en.wikipedia.org/wiki/Mill_scale