أفران السباكة

أفران السباكة : 

هناك عده انواع من الافران المستخدمة في صهر المعادن في عمليه السباكه ومن هذه الانواع هي الانواع التاليه


أ- أفران القوس الكهربي
تعد أفران القوس الكهربي هي الوسيلة الرئيسية لإعادة إنتاج خردة الصلب و تحويله إلى صلب مصهور و يتم استخدامها بازدياد حاليا" في إنتاج الصلب المصهور من خامات الحديد . مثل الحديد المنتج بالاختزال المباشر DRI (direct reduction iron) والحديد التمساحيPig Iron و الصلب المصهور الناتجين من الفرن العالي.
يعتمد عمل فرن القوس الكهربي على الإنتاج بالدفعات. كل شحنة تسمى "صبة" وتتراوح سعة الأفران عادة بين 1 طن إلى 250 طن. وقد تستخدم أفران أصغر (سعة تبلغ حوالى 5 طن) لإنتاج شحنات من ا لصلب المخصوص وتتم عملية السبك في البوتقة خلال مرحلة الصب (Pouring) وفى بواتق المعالجة الخاصة أو في أفران البوتقة.
وتشتمل الشحنة المستخدمة فى فرن القوس الكهربي على المواد الخام الآتية :
• خردة صلب
• صلب منصهر
• الحديد الناتج من الاختزال المباشر.
وعادة ما تكون النسب كآلاتي؛ ( 1130 كجم خردة أو حديد للاختزال المباشر ) لكل طن مسبوك ناتج .
وللتنقية والتحكم في التركيب الكيميائي تستخدم المواد الآتية :
• فحم الكوك أو مكربنات.
• سبائك حديدية0
• حجر جيرى ( 10 كجم عناصر سبائكيه و100 كجم مساعدات صهر flux لكل طن ناتج).
• طاقة :
 طاقة كهربائية
 وقود غازى / وقد يستخدم كمصدر حرارة لخفض استهلاك الطاقة الكهربية.
 مازوت
• ماء

وفرن البوتقة هو فرن قوس كهربي صغير يسمح برفع درجة حرارة الصلب المنصهر في البوتقة إلى درجة حرارة السباكة وان عمليات صناعة الصلب تبدأ أولا بإضافة الخردة حيث يعلق غطاء الفرن مفتوحا ويتم فتح سلة الخردة مما يسمح للخردة بالسقوط في الفرن – ثم يتم غلق غطاء الفرن ومن ثم تشغيل الطاقة الكهربية.
معظم الأفران المستخدمة حاليا تستخدم ولاعات (فواني) وقود، تشعل في الفترة الأولى عدد محدد من الفوانى (يختلف من طراز لاخر) لمدة تتراوح بين خمس وعشر دقائق من بداية الشحن (قد تختلف هذه المدة تبعا لطراز الفرن و تركيب الشحنة و التركيب المستهدف للمنتج) وذلك لتعجيل عملية الانصهار وتسخين المناطق الباردة بالفرن، كما أن رماح Lances)) الأكسجين تعمل على سرعة سقوط الخردة في البركة المنصهرة وأيضا لحرق المركبات القابلة للاشتعال التي تتواجد بالفرن مما يسرع بعملية تسخين الخردة وصهرها.
وعادة ما يضاف الكربون أو الحجر الجيري للشحنة ويعد الفحم أو فحم الكوك بيئة مختزلة مناسبة بينما يزيل الحجر الجيري الشوائب من الصلب على هيئة الخبث وتستخدم لضبط التركيب الكيميائي بعض الإضافات السبائكية ويمكن إضافتها إما مباشرة في الفرن أو في بوتقة خارجية. وتعمل العديد من مصانع الحديد و الصلب على زيادة تجانس المصهور من حيث درجة حرارته وتركيبه الكيميائي عن طريق حقن غاز خامل في البوتقة. ومن ثم يدفع الغاز على هيئة فقاقيع إلى البوتقة باستخدام الرمح (lance ) أو باستخدام سدادة ماء مسامية.

ب- أفران التسخين
قبل التشكيل يتم استخدام فرن لإعادة تسخين المعادن المختلفة لإعدادها لعملية التشكيل على الساخن، حيث يوظف الفرن لتسخين المعدن لدرجة حرارة مناسبة قبل التشكيل على الساخن، وتشمل الخامات المستخدمة الأنواع المختلفة من القطاعات ((bars, rounds, slabs, billets, and blooms) وهذه الأفران لها مصادر متعددة للطاقة الحرارية كالكهرباء والوقود السائل أو الغازي. ولتشكيل الصلب، يتم تسخين الألواح والمقاطع إلى 1100o – 1250o م، ثم يتم تشكيلها بعد ذلك.
تشمل الانبعاثات الرئيسية عن هذه الأفران (CO, CO2, SO2, NOx ) بالإضافة إلى الجسيمات العالقة ويعتمد كل هذا على نوع الوقود المستخدم وظروف الاحتراق.

جـ- فرن الدست
فرن الدست عبارة عن فرن رأسي أسطواني يمكن أن يستخدم الحديد التماسيح والحديد الخردة و خردة الصلب و فحم الكوك كمكونات الشحنة و يتم الانصهار في فرن الدست عن طريق إطلاق الحرارة الناتجة عن احتراق الكوك و الناتج عن التفاعل بين الأكسجين الموجود في الهواء الجوى والكربون الموجود في الوقود و الذي يكون ملامسا للشحنة و المواد المساعدة على التدفق. وأحد معالم تميز مثل هذا الفرن هو أن التدفق العكسي للوقود وخليط الاحتراق يعمل على تسخين مواد الشحنة وهو من الأجزاء الرئيسية في عملية الصهر حيث أن الغازات المتدفقة إلى أعلى تلامس مباشرة الحمل المشحون مما يسمح بتبادل حراري فعال كما أن كوك الشحنة يسخن أيضا مما يساعد على عملية الاحتراق عندما يصل منطقة الاحتراق معوضا النقص في الوقود المستهلك.
ويرجع جزء كبير من شهرة أفران الدست كوحدات صهر إلى فهم هذه المعالم بالإضافة إلى أن بعض التصميمات الحديثة المحسنة مثل الأفران التي لا تستخدم الكوك ، أو التي تعمل بإشعال بالبلازما والتي تغير خصائص الانبعاثات بدأت في الانتشار .

د- فرن البوتقة
هو عبارة عن فرن يدفن أكثر من نصفه تحت الأرض ، ويبطن جداره الطوب الحراري الذي يحتوي على نسبة 42% الومينا وتوضع بداخله بوتقة تصنع من مادة الجرافيت او الزركونيوم او السلمندر ويتوزع اللهب من خلال فتحة في الأسفل موصلة بجهاز نفخ (blower) يقوم بالتوزيع الحراري للهب داخل الفرن ويتميز هذا الفرن بالتوزيع الحراري الجيد نتيجة لشكله الدائري .
ويعتبر هذا النوع من الأفران بطيئ جدا مقارنة بأنواع اخرى من الأفران ، لذا لا يستخد إلا في المعادن الغير حديدية وفي المسابك الصغيرة ذات الانتاج الضعيف . كما أن هذا النوع من الأفران لا يسمح بالتحكم في عناصر المعدن المنصهر ، ولا في درجات الحرارة يستخدم هذا النمط من صهر المعادن في صب المسبوكات بعدد محدود ولصب قطع الغيار الغير متوفرة في الاسواق في الدول النامية .. ويستخدمه الفنانون في صب التحف المعدنية الصغيرة .. وفي العادة يكون في البدأ تحضير نموذج شمعي أو من الخشب السهل التشكيل أو من لدائن خاصة ،, ويعمل قالب رملي مخلوط بدبس التمرأو دبس قصب السكر أو مواد لاصقة شبيهه حيث يقوم الدبس بتقوية تماسك القالب ،ويتم تسخين القالب لتجفيف الرطوبة التي قد تفسد العمل ،, ويمكن عمل قالب من الحديد ليمكن استخدامه مرات متعددة .. ولكنه لا يصلح لسبك الحديد ..ويقوم الفنيون برش بودرة الفحم وبودرة الخشب أو زيت السيارات المحروق على القالب ليسهل نزع المسبوكة من داخل القالب .. وتستخدم ورش تشكيل الذهب نفس البوتقة ولكن بشكل صغير في حجم كوب القهوة ولكنهم يحولون السبائك الذهبية إلى أشرطة ذهبية يتم طرقها وسحبها وفردها بمكائن خاصة وبذا يتم تشكيل صفاح الذهب التي يقطعونها إلى الأشكال المطلوبة .. وفي مصر تتركز محال صهر المعادن من هذا النوع في حي السيدة بالقرب من محطة القطار .. ويقومون بسبك كل ما يخطر على بالك من قطع الغيار للسيارت عندهم ويمكن صب أجزاء مهمة من محركات السيارات أيضا ،,, وبهذه الطريقة يصبون قوالب المنتجات البلاستيكية بهذه الطريقة ويتم تشطيبها بشكل دقيق لانتاج السلع البلاستيكية .. ويعد فرن البوتقة هو أبو الصناعات المعدنية والزجاجية أيضا وعنه تطورت جميع الأفران وان كانت كل الأفران الأخرى تقدمت على هذا النمط بأشواط كبيرة.
، من المعروف أن أغلب عمليات الصهر على المستوى التجاري للمعادن الحديدية والغير حديدية تتم باستخدام أفران من هذا النوع والتي تعمل إما بوقود غازي أو سائل وهناك نوعان رئيسيان من فرن البوتقة ، الثابت والقابل للإمالة ، في النوع الثابت تحمل البوتقة إلى الخارج للصب بينما يتطلب فرن الإمالة نوعا من البواتق ذات الشفاه يكون مناسبا لصب المعدن منه عندما تتم إمالة الفرن.
أغلب المعادن والسبائك غير الحديدية تتأكسد وتمتص الغازات ومواد أخرى وتكون رغوة ( خبث غير حديدي ) بسهولة عند التسخين مما يتطلب مجموعة من الممارسات حسب نوع المعدن المصهور للحفاظ على نقائه والحصول على مسبوكات جيدة.
أما في حالة استخدام فرن البوتقة لصهر السبائك الحديدية فيتم استخدام الطاقة المتولدة من القوس الكهربي لتسخين الصلب مع التقليب من أسفل بواسطة النيتروجين أو الأرجون و يتم ضبط التركيب الكيميائي من خلال بعض الإضافات السبائكية.

هـ- الفرن الدوار :
يعد هذا الفرن حد انواع الافران التي يون فيها المعدن بتماس مع نواتج الاحتراق حيث يحوي الفرن حجرتين يتم في الاولى احتراق الوقود وتمر الغاوات الى الحجرة الثانيه التي يوجد فيها المعدن المراد صهره ثم تخرج الغازات الى خارج الفرن عبر المدخنة .
تبلغ سعة هذا الفرن حوالي 300 كيلو من المعدن المنصهر وهو يستخدم لصهر الحديد وحديد الزهر والمعادن الغير حديديه . يدور جسم الفرن على تروس مسننه بواسطة عجلة يدويه عند شحن الفرن او عند صب المعدن النصهر منه .

و- الفرن العاكس :
يستخدم هذا الفرن في صهر الحديد وفي صهر المعادن الغير حديديه وهو يستخدم لصهر كميات كبيره من المعدن .
يستخدم الفحم او الغاز او النفط كوقود في هذا الفرن يتم صهر المعدن في هذا الفرن عن طريق حرق الوقود وامرار الغازات على المعدن المراد صهره والموجود في منطقه الصهر ونتيجه لمرور الغازات الساخنه بتماس مع المعدن بان درجه حرارته ترتفع حتى ينصهر ويساعد على ذلك سطح الفرن العلوي الذي يقوم بعكس الشعلة الى المعدن .

Expanded Polystyrene Process casting

Uses a mold of sand packed around a polystyrene foam pattern which vaporizes when molten metal is poured into mold 

§Other names: lost‑foam process, lost pattern process, evaporative‑foam process, and full‑mold process 

§Polystyrene foam pattern includes sprue, risers, gating system, and internal cores (if needed) 

§Mold does not have to be opened into cope and drag sections

  

Figure 
  Expanded polystyrene casting process: pattern of polystyrene is coated with refractory compound; 

Figure   Expanded polystyrene casting process: (2) foam pattern is placed in mold box, and sand is compacted around the pattern; 

Figure 11.7  Expanded polystyrene casting process: (3) molten metal is poured into the portion of the pattern that forms the pouring cup and sprue.  As the metal enters the mold, the polystyrene foam is vaporized ahead of the advancing liquid, thus the resulting mold cavity is filled. 

Advantages and Disadvantages

§Advantages of expanded polystyrene process:

§Pattern need not be removed from the mold 

§Simplifies and speeds mold‑making, because two mold halves are not required as in a conventional green‑sand mold

§Disadvantages:

§A new pattern is needed for every casting 

§Economic justification of the process is highly dependent on cost of producing patterns

Expanded Polystyrene Process

 §Applications:

§Mass production of castings for automobile engines

§ Automated and integrated manufacturing systems are used to

1.      Mold the polystyrene foam patterns and then
2.      Feed them to the downstream casting operation

Shell Molding casting

Shell Molding casting

Casting process in which the mold is a thin shell of sand held together by thermosetting resin binder 

Figure  Steps in shell‑molding: (1) a match‑plate or cope‑and‑drag metal pattern is heated and placed over a box containing sand mixed with thermosetting resin.

Figure   Steps in shell‑molding: (2) box is inverted so that sand and resin fall onto the hot pattern, causing a layer of the mixture to partially cure on the surface to form a hard shell; (3) box is repositioned so that loose uncured particles drop away;

Figure  Steps in shell‑molding: (4) sand shell is heated in oven for several minutes to complete curing; (5) shell mold is stripped from the pattern;

  

Figure  Steps in shell‑molding: (6) two halves of the shell mold are assembled, supported by sand or metal shot in a box, and pouring is accomplished; (7) the finished casting with sprue removed.

Advantages and Disadvantages

§Advantages of shell molding:

§Smoother cavity surface permits easier flow of molten metal and better surface finish  

§Good dimensional accuracy - machining often not required

§Mold collapsibility minimizes cracks in casting 

§Can be mechanized for mass production

§Disadvantages:

§More expensive metal pattern  

§Difficult to justify for small quantities

Sand Casting

                     Overview of Sand Casting

1. Most widely used casting process, accounting for a significant majority of total tonnage cast 
2. Nearly all alloys can be sand casted, including metals with high melting temperatures, such as steel, nickel, and titanium 
3.      Castings range in size from small to very large
4.     Production quantities from one to millions  

Making the Sand Mold    

§The cavity in the sand mold is formed by

packing sand around a pattern, then

 separating the mold into two halves and

 removing the pattern

§The mold must also contain gating and

 riser system

§If casting is to have internal surfaces, a 

core must be included in mold 

§A new sand mold must be made for each

 part produced  

Steps in Sand Casting

1.Pour the molten metal into sand mold

2.Allow time for metal to solidify

3.Break up the mold to remove casting 

4.Clean and inspect casting

§Separate gating and riser system

5.Heat treatment of casting is sometimes 

required to improve metallurgical properties 

. 

The Pattern

A full‑sized model of the part, slightly enlarged to account for shrinkage and machining allowances in the casting

§Pattern materials:

§Wood - common material because it is easy to work, but it warps

§Metal - more expensive to make, but lasts much longer 

§Plastic - compromise between wood and metal  

Types of Patterns

Figure 11.3  Types of patterns used in sand casting:

(a) solid pattern

(b) split pattern

(c) match‑plate pattern

(d) cope and drag pattern

Core

Full‑scale model of interior surfaces of part 

§It is inserted into the mold cavity prior to 

pouring

§The molten metal flows and solidifies between the mold cavity and the core to form the casting's external and internal surfaces 

§May require supports to hold it in position in 

the mold cavity during pouring, called chaplets

 Desirable Mold Properties

§Strength ‑ to maintain shape and resist erosion 

§Permeability ‑ to allow hot air and gases to pass through voids in sand 

§Thermal stability ‑ to resist cracking on contact with molten metal 

§Collapsibility ‑ ability to give way and allow casting to shrink without cracking the casting

§Reusability ‑ can sand from broken mold be reused to make other molds?

Foundry Sands 

Silica (SiO2) or silica mixed with other minerals 

§Good refractory properties ‑ capacity to endure high temperatures 

§Small grain size yields better surface finish on the cast part

§Large grain size is more permeable, allowing gases to escape during pouring 

§Irregular grain shapes strengthen molds due to interlocking, compared to round grains

§Disadvantage: interlocking tends to reduce permeability

Binders

§Sand is held together by a mixture of water and bonding clay 

§Typical mix: 90% sand, 3% water, and 7% clay 

§Other bonding agents also used in sand molds:

§Organic resins (e g , phenolic resins)

§Inorganic binders (e g , sodium silicate and phosphate) 

§Additives are sometimes combined with the mixture to increase strength and/or permeability  

Types of Sand Mold

§Green‑sand molds - mixture of sand, clay, and water;

§“Green" means mold contains moisture at time of pouring 

§Dry‑sand mold - organic binders rather than clay

§And mold is baked to improve strength

§Skin‑dried mold - drying mold cavity surface of a green‑sand mold to a depth of 10 to 25 mm, using torches or heating lamps  

Buoyancy in Sand Casting Operation

§During pouring, buoyancy of the molten metal tends to displace the core, which can cause casting to be defective

§Force tending to lift core = weight of displaced liquid less the weight of core itself 

Fb = Wm ‑ Wc    

  where Fb = buoyancy force; Wm = weight of molten metal displaced; and Wc = weight of core  

casting types

casting  types

• sand castiing
• Shell Molding
• Vacuum Molding
• Expanded Polystyrene Process
• Investment Casting
• Plaster Mold and Ceramic Mold Casting