Pregled metoda livenjaSeminarski rad

Zrenjanin, decembar 2010

Sadržaj:Uvod................................................................................1 1. Metode livenja............................................................2

1.1. Livenje u pesku.................................................................................21.1.1. Pravljenje modela....................................................................41.1.2. Postavljanje kalupa.................................................................51.1.3. Topljenje i ulivanje...................................................................61.1.4. Hlađenje i rastresanje..............................................................61.1.5. Reciklaža peska........................................................................71.1.6. Čišćenje i dorada .....................................................................81.1.7 Prednosti livenja u pesku.........................................................81.1.8. Mane livenja u pesku...............................................................81.1.9. Nus proizvodi...........................................................................9

1.2. Livenje u školjkama...........................................................101.2.1. Prednosti livenja u školjkama..............................................111.2.2. Mane livenja u školjkama......................................................111.2.3. Nus proizvodi.........................................................................11

1.3. Precizno livenje.................................................................121.3.1. Prednosti preciznog livenja...................................................131.3.2. Mane preciznog livenja..........................................................13 1.3.3. Nus proizvodi.........................................................................13

1.4. Livenje u kalupima.............................................................141.4.1. Prednosti livenja u kalupima.................................................151.4.2. Mane livenja u kalupe...........................................................151.4.3. Nus proizvodi.........................................................................15

2. Specijalne metode livenja.........................................162.1. Hitčinerova (Hitchiner) metoda........................................16

2.1.1. Prednosti Hitčinerove metode...............................................162.1.2. Mane Hitčinerove metode.....................................................16

2.2. Šoova (Shaw ) metoda.......................................................17 2.2.1. Prednosti Šoove metode.......................................................17

2.2.2. Mane Šoove metode..............................................................17

2.3. Replicast® metoda..........................................................172.3.1. Prednosti Replicast® metode................................................17

2.3.2. Mane Replicast® metode......................................................18

2.4. Vakuum „V“ metoda..........................................................182.4.1. Prednosti „V“ metode............................................................182.4.2. Mane „V“ metode..................................................................19

2.5. Centrifugalno livenje.........................................................192.5.1. Prednosti centrifugalnog livenja............................................192.5.2. Mane centrifugalnog livenja..................................................19

2.6. Kosvortova (Cosworh) metoda..........................................19 2.6.1. Prednosti Kosvortove metode...............................................20 2.6.2. Mane Kosvortove metode.....................................................21

2.7. Livenje polu-čvrstih metala...............................................212.7.1. Prednosti livenja polu-čvrstih metala...................................212.7.2. Mane livenja polu-čvrstih metala..........................................21

3. Tehnologije topljenja..................................................223.1. Kupola peći........................................................................223.2. Elektroindukcione peći......................................................253.3. Elektrolučne peći...............................................................273.4. Rotacione peći...................................................................283.5. Retortne peći.....................................................................283.6. Uticaj na životnu sredinu...................................................29

Literatura.......................................................................................31

Uvod

Livenje (engl. foundry) je postupak obrade metala bez skidanja strugotine. Livenje predstavlja tehnologiju oblikovanja metalnih predmeta livenjem rastopljenog metala u već gotove kalupe pomoću modela da bi se tako, nakon hlađenja, dobio odlivak.

Livenje je veoma pogodan postupak izrade mašinskih delova čiji je oblik komplikovan, sa unutrašnjim konturama i nepravilnim kanalima. Livenje je takođe u nekim slučajevima postupak ekonomčnije izrade mašinskih delova i elemenata. Primenom livenih delova u brodogradnji postiže se pojednostavljenje konstrukcija. U automobilskoj industriji liveni delovi se koriste kao blokovi, glave i klipovi motora. Savremena tehnologija i modernija oprema za livenje omogućavaju dobijanje odlivaka različitih dimenzija, tačnosti i kvaliteta površine, čime je potreba za naknadnom mehaničkom obradom sve manje prisutna. U samom procesu livenja razvijene su razne tehnike u cilju savladavanja određenih problema pri radu, ili jednostavno radi optimizacije prerade nekih specifičnih metala i samog procesa proizvodnje, ili drugih operativnih razmatranja kao što je automatizacija.

U svim procesima livenja koristi se tzv. model, bilo da je on stalni ili privremeni, i on predstavlja zamisao željenog oblika. Kada se u njega sipa liv, i kada on očvrsne, tada on dobija oblik potrebnog proizvoda. Ovi procesi se razlikuju u broju faza koje su potrebne da bi se dobio krajnji odlivak. Kalupno livenje je najjednostavnija metoda u pogledu broja faza koje se sprovode do krajnjeg proizvoda.

Ni jedna metoda livenja nije inherentno najbolja. Iz tog razloga kompanije moraju da odaberu najprikladniju tehniku, ili tehnike, koje će najoptimalnije izaći u susret njihovim potrebama, a samim tim su i najekonomičnije i odgovaraju njihovim operativnim ograničenjima. Da bi najlakše spoznali koju metodu je kada potrebno primentiti, dalje u radu govoriće se o glavnim metodama livenja i njihovim zajedničkim osobinama.

1

1. Metode livenja

1.1. Livenje u pesku

Livenje u pesku je najčešća tehnika koja se koristi u Australiji, ali isto tako i širom sveta. Peščani kalupi za oblikovanje koriste pesak kao vatrostalni materijal i koriste neku vrstu vezivnog sredstva koje obezbeđuje održanje oblika liva nakon tzv. ulivanja. U livnoj industriji koristi se širok spektar peščano-vezivnih sistema. Sistem zelenog (mokrog), peska je najčesći, tu se koristi bentonit gline kao vezivno sredstvo, koje uglavnom čini 4 ÷ 10% mešavine peska. Voda, koja čini 2 ÷ 4% mešavine peska, je ta koja aktivira vezivno sredstvo. Ugljenični materijali kao što su ugalj ( čine 2÷10% ukupne zapremine) takođe se dodaju kao deo mešavine da se obezbedi veći stepen očuvanja životne sredine, jer upravo on sprečava da metal oksidiše tokom procesa ulivanja. Pesak obično obuhvata ostalih 85 ÷ 95% ukupne mešavine.

Druge metode livenja u pesku koriste čitav spektar hemijskih vezivnih sredstava. Uljana vezivna sredstva su kombinacija biljnog, ili životinjskog ulja, i petrohemijskih proizvoda. Uobičajena sintetička smolasta veziva jesu fenoli, fenolformaldehid, ureaformaldehid, fenol izocijanat i alkil izocijanat. Hemijska smolasta vezivna sredstva se u livenju češće koriste za jezgra nego za sam proces livenja u kalupima.

Slika 1. Gornja i donja polovina peščanog kalupnika sa postavljenim jezgrima1

1 Slika preuzeta sa sajta http://en.wikipedia.org/wiki/Sand_casting

2

Slika 2. Generalizovani proces samog toka livenja u pesku2

2 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry

3

1.1.1. Pravljenje modela

Pravljenje modela je prvi korak u razvoju novog odllivka. Model, ili kopija gotovog dela je uglavnom izrađena od drveta, ali takođe može biti sačinjena od metala, plastike, gipsa, ili drugog odgovarajućeg materijala. Ovi modeli se prave tako da se mogu koristiti za izradu većeg broja odlivaka.

Izrada modela zahteva visok stepen spretnosti i preciznosti jer je njihov kvalitet krucijalan za kvalitet konačnog proizvoda. Većina modernih proizvođača koristi pomoć računara (CAD), za dizajniranje ovih šablona. Ovi sistemi takođe mogu biti izrađeni pomoću automatizovanih alata za sečenje koji se kontrolišu pomoću računara. Jezgra se proizvode u spoju sa modelima kako bi se formirala unutrašnja površina odlivka. Oni se proizvode u jezgranim kutijama i kasnije se koriste kao stalni delovi kalupa za izlivanje.

Slika 3. Primeri šablona koji se koriste za livenje3

3 Slika preuzeta sa http://mokei-jouki.hp.infoseek.co.jp/Images/C53photo/200608/AllPatterns.JPG

4

1.1.2. Postavljanje kalupa

Kalup se formira u tzv. kalupnu kutiju, koja se uobičajeno postavlja kao dve polovine kako bi bilo olakšano vađenje modela. Peščani kalupi su samo privremeni pa se tako novi kalup mora formirati za svako novo livenje.

Donja polovina kalupa se formira na kalupnoj dasci. Jezgra zahtevaju veću snagu kako bi uspešno zadržali svoju formu tokom nalivanja. Preciznost u dimenzionisanju je takođe od velikog značaja iz prostog razloga sto je unutrašnje površine kasnije mnogo teže mašinski obraditi, što između ostalog predstavlja i dodatni trošak. Jezgra se formiraju koristeći jedan od hemijskih vezivnih sistema. Kada je jezgro postavljeno na svoje mesto preko dolazi gornji kalup. Linija koja predstavlja površinu spajanja dva kalupa zove se podeona ravan. Tegovi mogu biti postavljeni na vrh gornjeg kalupa kako bi se obezbedilo sigurno prijanjanje donjeg kalupa o gornji, izričito u situacijama kada se lije metal koji ima tendenciju da se širi tokom hlađenja.

Slika 4. Poprečni presek dvodelnog peščanog kalupa4

Dizajn kalupa uključuje i ulivni sistem koji je dizajniran kako bi se sa lakoćom sprovodio istopljeni metal u sve delove kalupa. Ulivni sistem se obično sastoji od ulivne čaše, vertikalnog kanala,razvodnika i ulivnog kanala. U levak se sipa topljeni metal. Vertikalni kanal omogućava metalu da dopre u sistem za njegovo snabdevanje koji ga odvodi u šupljinu za livenje. Ulivni kanal ima nekoliko funkcija od kojih je jedna od važnijih ventilacija koja omogućava odvod gasova, koji ukoliko se zadrže u očvrsnutom livu mogu dovesti do stvaranja, vazdušnih čepova i samim tim do slabljenja proračunatih mogućnosti mašinskog dela.

4 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry

5

1.1.3. Topljenje i ulivanje Mnoge livnice koriste visok procenat otpadnog metala kako bi, sto je

moguće više, smanjile svoje troškove. Kao takve, livnice igraju važnu ulogu u industriji recikliranja materijala. Tovar za topljenje ( punjenje ), se meri i ubacuje se u peći za topljenje. Legure i drugi materijali se dodaju tom punjenju kako bi se proizveo željeni liv. U nekim slučajevima tovar može biti prethodno zagrejan, uglavnom korišćenjem otpadne toplote.

U uobičajenim procesima metal se u pećima zagreva do tačke topljenja. Topljeni metal se iz peći odvodi do kutlače gde stagnira sve dok se ne postigne željena temperatura ulivanja u kalupe. Nakon toga, topljeni metal se sipa u potrebne kalupe sa potrebnim jezgrima i modelima, i pušta se da očvrsne do momenta kada sledi njegovo vadjenje.

1.1.4. Hlađenje i rastresanje

Kada je metal uliven, kalupna kutija se prenosi u prostor gde se vrši hlađenje. Odllivak mora da se ohladi, uglavnom je to preko noći da bi se što prirodnije izvršilo njegovo hlađenje, pre nego što se pristupi vađenju. Odlivak se može vaditi ručno ili korišćenjem vibracionih stolova koji doslovno tresu

vatrostalni materijal i time ga odvajaju od odlivka. U nekim livnicama se koriste i kupatila za kaljenje kako bi se postiglo brzo hlađenje odlivaka. Ovo ubrzava proces, ali ujedno obezbeđuje i određena metalurška svojstva. Kupatila za kaljenje mogu sadržati neke hemijske aditive kako bi se spečila oksidacija.

Slika 5. Kupatilo za hlađenje odlivaka od aluminijuma5

5 Slika preuzeta sa sajta http://www.lac.cz/www/en/news-152-hardening-workplace-kncv-150065-klv-3400-intended-for-heat-treatment-of-aluminium-castings.html

6

1.1.5. Reciklaža peska

Većina livnica uspe da značajnu količinu otpadnog peska dovede u prvobitno stanje i ponovo koristi. Ovaj postupak više nego značajno smanjuje količinu peska koja mora biti kupljena kao i količinu peska koja se baca. Većina ovog peska se preradi mehaničkim putem. Jezgra i veliki metalni čvorići se uklanjaju pomoću vibracionih sita, a vezivna sredstva se uklanjaju raznim procesima trenja (npr. trenjem zrnaca peska jednih o druge). Fini pesak i vezivna sredstva se uklanjaju ekstrakcijom i sakupljaju se u tzv. sakupljače prašine.

U nekim sistemima metali se otklanjaju magnetima ili drugim separativnim tehnikama. Za operacije uklanjanja mehaničkim putem, procenat peska koji uspe da se reciklira je ograničen na oko 70%, dužno potrebi da se održi minimalan kvalitet peska. Za velike livnice metala, gde su potrebe za kvalitetom peska manje, uspe da se reciklira i do 90%. Za veliki broj procesa, mehanički recikliran pesak nije dovoljnog kvaliteta da bi se koristio u izradi jezgara.

Termalna reciklaža postaje sve više korištena u svetu. Tokom ovog procesa pesak se zagreva do te mere da organske materije, uključujući i vezivna sredstva, bukvalno izgore. Ovaj proces reciklaže može pesak vratiti u prvobitno stanje čime je omogućeno koristiti ga i u svrhe izrade jezgara. Termalna reciklaža je u mnogome skuplja od mehaničkog sistema prečišćavanja.

Pesak se takođe može reciklirati korišćenjem tehnika mokrog pranja i ribanja. Ove metode takođe obezbeđuju pesak visokog kvaliteta, ali se obično ne koriste jer uzrokuju značajan tečni otpad i iziskuju dodatnu energiju i trošak za sušenje peska.

Količina recikliranog peska koji će se koristiti zavisi od tipa tehnologije i zahteva kvaliteta same metode livenja. Proces reciklaže peska, posebno mehanički način, može dovesti do drobljenja peščanih zrna što dovodi do poremećaja u kvalitetu nekih metala. Takođe važi za sve mehaničke reciklaže da nečistoće mogu vremenom da se nakupe u pesku, što zahteva da se određeni deo materijala svrsta u otpad. Velike livnice gvođa ne zahtevaju visok kvalitet peska pa tako i dosežu najveći stepen iskorištenja recikliranog peska u industriji. On se uglavnom koristi u ponavljajućim ciklusima sve dok se ne nataloži kao fina prašina i na kraju ukloni.

7

1.1.6. Čišćenje i dorada

Nakon hlađenja odlilvka, ostatci ulivnog sistema se uklanjaju, uglavnom se to radi korištenjem testera, abrazivnim sredstvima ili električnim uređajima za sečenje. Otisak podeone ravni se uglavnom vidi na odlivku i on se mora ukloniti oštrenjem ili pomoću noža za parčanje. Odlivci takođe moraju biti dorađeni zavarivanjem, ili lemljenjem kako bi se otklonile greške.

Peskarenje – nanošenje abrazivnog materijala, pri velikoj brzini, na površine odlivka u cilju otklanjanja mogućih zaostalih metalnih opiljaka, vatrostalnog materijala ili oksida. U zavisnosti od tipa i čvrstoće metalnog liva, vrsta abrazivnog materijala koji se koristi varira od čeličnih kugličnih ležajeva do finog sljunka. Odlivak moze da se podvrgne dodatnom oštrenju i poliranju kako bi se postigao željeni kvalitet površine. Tada se odlivak može premazati korišćenjem farbe ili se može primeniti neka od operacija dorade metala.

1.1.7. Prednosti livenja u pesku

Upotreba je rasprostranjena a sama tehnika dobro razvijena Materijali nisu skupi i pri zagrevanju se odupiru svojoj deformaciji Proces je pogodan za proizvodnju kako metala koji sadrže gvožđe,

tako i onih koji ne sadrže Može se proizvesti mnogo veći spektar proizvoda nego bilo kojom

drugom metodom Mogu se proizvoditi i mali precizni delovi ali isto tako i veliki delovi

koji dosežu i do jedne tone Mogu se postići veoma približne tolerancije Vreme pripreme kalupa je relativno kratko u poređenju sa drugim

procesima Jednostavnost procesa skoro idealno odgovara mehanizaciji Postoji veliki procenat reciklaže peska što u mnogome smanjuje

troškove

1.1.8. Mane livenja u pesku

Ograničeno na jedan, ili mali broj kalupa po kutiji Odnos pesak:metal je reltivno visok Stvara se velika količina otpada i otpadne prašine

1.1.9. Nus proizvodi8

Za livnice se uglavnom smatra da su prljave i da loše utiču na životnu sredinu, ali većina modernih livnica se smatra „benignima“ u poređenju sa drugim industrijama koje se bave preradom metala. Svi nus proizvodi livenja imaju jako mali uticaj na životnu sredinu. Veća briga sa kojom se suočava ova industrija jesu velike količine nus proizvoda koje završavaju na deponijama, njihovi neprijatni mirisi i potreba da se podigne nivo bezbednosti i zdravlja u radu.

Pesak je najveći nus proizvod koji nastaje u ovim industrijama. Čak i u onim livnicama gde se pesak reciklira, njemu se mora dodavati novi kako bi se održao kvalitet radnog peska koji se nalazi u sistemu. Kao rezultat tome dolazi do gubitka određene količine peska u sistemu. Taj pesak spada u otpad koji mora biti propisno deponovan ili pak recikliran.

Livni pesak iz livnica metala koji sadrže gvožđe se ne smatra opasnim, i uglavnom prolazi niz testova tek nakon kojih može biti deponovan. Neki pesak ovih metala sadrži veliku količinu teškog metala, pa je iz tog razloga potrebno deponovati ga na sigurno mesto koje neće dovesti do njegovog širenja. Veći deo hemijskih vezivnih sredstava koji se koristi u izradi jezgara i kalupa je takoreći spaljen u fazi ulivanja. Vezivno sredstvo u otpadnom pesku može predstavljati problem ukoliko se on odbaci pre faze ulivanja. Vezivna sredstva i soli se mogu nagomilati do neprihvatiljivog nivoa tokom višebrojnih reciklaža peska, tako da se njihova količina pomno prati vršenjem testova.

Prašina nastala livenjem, proizvodnjom jezgara i peskarenjem je drugi najveći nus proizvod koji nastaje u ovoj industriji. Ova prašina nastaje lomljenjem zrnaca peska u finu prašinu, naročito nakon cikličnog korišćenja recikliranog peska. Kako ova prašina može dovesti do smanjenja kvaliteta odlivaka, ali još važnije do zdravstvenih problema radnika koji sa njom dolaze u kontakt, tako velike industrije ulažu znatnu količinu novca na suzbijanju ove prašine i drugih materija koje mogu izazvati čak i štetu po životnu okolinu.

Drugi čvrsti otpadi koji nastaju tokom livenja jesu:

Metalne strugotine i piljevine Drvene palete i drveni otpad nastao tokom izrade modela Potrošni materijal (rukavice, krpe, zaštitna oprema itd.)

Pored čvrstog otpada, tokom livenja se takođe emituju i gasovi kao što su ugljen monoksid, organska jedinjenja, vodonik sulfid, azot oksid, benzen, fenoli i drugi zagađivači. Količina ovih gasova zavisi od vrste metala koji se lije i čistoće same metode. Generalna briga industrije jeste uticaj tih gasova na zdravlje, kako u fabrici tako i u njenoj okolini.

1.2. Livenje u školjkama9

Livenje u školjkama je metoda adaptirana za brzu, automatsku, ponavljajuću i za proizvodnju velikog obima. Najviše primenjivana metoda jeste korišćenje tzv. bunkera. Oni se rotiraju 360 oC kako bi pesak došao u kontakt sa zagrejanom površinom. Obično se koristi organska termoreaktivna smola kao sto je fenol-formaldehid ili tiofen, i njihova količina varira od 2,5 ÷ 4,5% ukupne količine peska, i meša se takođe sa smolastim katalizatorom 11 ÷ 14% . U katalizatore spadaju kiseline kao što su amonijum-hlorid ili heksamin.

Debljina zida školjke, obično oko 10mm, determinisana je vremenom kontakta između peska i modela. Zatim se vrši zagrevanje kako bi došlo do stvrdnjavanja liva. Odlivak se vadi iz školjke pomoću sistema igli, što omogućava kontinuiranu, pa samim tim i obimnu, proizvodnju.

Jezgra se postave u školjku i dve strane školjke se zalepe jedna za drugu i osiguraju stegama pre sipanja tečnog metala. Školjka je relativno robustna pa samim tim može da se skladišti tokom razumno dugog perioda vremena. U zavisnosti od jezgra koje se koristi, utrošeni pesak se može reciklirati termalnim postupkom reciklaže.

Slika 6. Postupak livenja u skoljkama6

1.2.1. Prednosti livenja u školjkama

6 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry

10

Detaljno livenje i dimenziona preciznost Školjke su lake, i mogu biti čuvane duži period vremena Dobija se bolje stanje površine i snosi manje troškova od

konvencionalne metode livenja u pesku Snosi manje troškova i od preciznog livenja Metalna dobit je relativno visoka Odnos pesak:metal je relativno nizak

1.2.2. Mane livenja u školjkama

Težina livova je ograničena na 100kg Prethodno zagrevanje školjke dovodi do dodatnih troškova Ukupan utrošak energije je veći Pesak mora biti boljeg kvaliteta nego kod ostalih metoda livenja Emisija gasova je štetna, pa su potrebni dodatni sistemi vađenja

odlivaka Sami materijali koji se koriste su skuplji nego kod ostalih metoda

1.2.3. Nus proizvodi

Znatno manje peska je potrebno za metodu livenja u školjkama nego za livenje u pesku, tako da je količina peska koja se utroši u proizvodnji znatno manja. Količina vezivnog sredstva je takođe znatno manja. Veći deo vezivnog sredstva izgori u fazi ulivanja, tako da samo male količine ostaju u pesku. Polomljena jezgra, i pesak koji se prerano slegao mogu imati veću količinu smole. Smole koje izgore stvaraju neprijatan miris koji se može širiti i po okolini. Takođe dolazi do stvaranja prašine. Ako se odlivci hlade vodom, ta voda se kasnije svrstava u otpadne vode i ona sadrži tragove metala, fenola i drugih zagađivača u zavisnosti od toga koje je vezivno sredstvo korišteno.

1.3. Precizno livenje

11

Precizno livenje se ostvaruje veoma visok površinski kvalitet i precizne dimenzije. Uglavnom se koristi za proizvodnju preciznih instrumenata kao što su hiruška oprema, znači koristi se za kompleksne geometrije i plemenite metale. Ovu metodu livenja koriste umetnici za izradu visoko detaljnih umetničkih dela. Prvi korak u proizvodnji jeste kreiranje modela gotovog odlivka. Za taj postupak najčešće se koristi vosak, ali se u nekim slučajevima koristi i plastika. Modeli se obično proizvode u velikim količinama tako što se tečni vosak, ili polu tečni vosak, ubrizgava u kalup. Prototipovi, mala proizvodnja i specijalizovani projekti takođe počinju rezbarenjem voštanih modela. Jezgra su obično nepotrebna, ali mogu se koristiti za kompleksne unutrašnje strukture. Razvila se i tehnologija brze proizvodnje prototipova radi korišćenja potrošnih modela. Nekoliko replika modela se vezuje za ulivni sistem, od istog materijala, tako se formira ulivno „stablo“, i na taj način se mogu izliti više odlivaka samo jednim ulivanjem. Sledeći korak jeste formiranje jednodelnog uništivog kalupa oko modela. Ovaj kalup se postavlja oko voštanog modela u fazama , koje se konačno završavaju presvlačenjem specijalno formulisanim, otpornim na toplotu, zaštitnim materijalom.

Slika 7. Proces preciznog livenja7 . Inicijalne presvlake se prave od finih . . . . . prašaka, koji formira veoma gladak i . . . dimeziono precizan otisak modela.

Ova presvlaka se steže oko modela na sobnoj temperaturi. Ovo se radi kada je potrebno dodatno izazvati jačinu konačnog proizvoda.

Nakon završenog procesa model se vadi iz kalupa, on se okreće i zagreva se u cilju topljenja ostataka voska i tim zagrevanjem se takođe doprinosi

7 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry

12

dodatnom očvršćavanju odlivka. U nekim metodama otopljeni vosak se reciklira i koristi u izradi novih modela. Nakon više upotreba istog voska, on se mora ponovo dovesti u zadovoljavajuće stanje, jer je njegova čistoća od velikog značaja, ili se tako upotrebljen vosak može propisno deponovati.

Krajnji proizvod zahteva vrlo malo, ili čak nikakvu doradu, upravo zbog preciznosti u dimenzionisanju samog modela na osnovu koga se odlivak lije.

1.3.1. Prednosti preciznog livenja

Visok stepen preciznosti i visok kvalitet površine odlivka

Metoda je pogodna i za metale sa i bez sadržaja gvožđa

Postoji određena fleksibilnost dizajna

Metoda može biti adaptirana za masovnu proizvodnju

Praktično se može zaobići upotreba mašina

Proizvode se odlivci koje je nemoguće, ili je veoma teško, proizvesti drugim metodama livenja

1.3.2. Mane preciznog livenja

Težina odlivaka je ograničena na 5kg

Cene, sami operativni troškovi, su veći nego u drugim metodama

Metoda zahteva posebnu opremu i alate

Usled same kompleksnosti metode izuzetno je skupo napraviti potrebnu automatizaciju

1.3.3. Nus proizvodi

Količina nus proizvoda koja nastaje tokom ove metode livenja je znatno manja u poređenju sa ostalim metodama livenja. Vosak (ili plastika), je taj koji prestavlja najveći otpad. Većina materijala koji se koristi može se koristiti samo jednom, nakon čega se mora deponovati, pri čemu se moraju obratiti posebne mere ukoliko on sadrži visok stepen teških metala. Sam vosak se može koristiti više puta. Neprijatni mirisi su na minimalnom nivou, ipak postoji određena količina čestica u vazduhu koja ga zagađuje.

1.4. Livenje u kalupima

13

Livenje u kalupima je precizna metoda livenja koja tokom određenog perioda koristi jedan isti metalni kalup, tj. ne koristi se takav koji se posle uništava, u koji se direktno sipa otopljena masa. Ulivanje se uglavnom vrši pod pritiskom, ali često se koristi i oprema koji radi na sistemu iskorišćenja same gravitacije. Cena alata je visoka dužno samom dizajniranju kalupa. Cene metode su, sa druge strane, relativno niske zahvaljujući postojanoj automatizaciji i malom broju faza izrade odlivaka. Ova metoda se pokazala najboljom za masovnu proizvodnju.

Livenje u kalupima je najprikladnije za korištenje metala koji ne sadrže gvožđe sa relativno malim tačkama topljenja, kao što su olovo, cink, aluminijum, magnezijum i neke legure bakra. Livenje metala sa visokom tačkom topljenja, uključujući gvožđe, čelik i druge, smanjuje životni vek kalupa.

Kalupi su uglavnom sačinjeni od dve čelične ploče, od kojih svaka ima po jednu šupljinu koje se zaključavaju jedna za drugu u toku faza livenja. Za formiranje unutrašnjih površina koriste se jezgra koja se mogu ukloniti ili samo uvući. Topljeni metal se ubrizgava u kalup i drži se pod pritiskom Slika 8. sve sve do njegovog hlađenja i očvršnjavanja . Proces livenja u kalupima8

Nakon toga, dve polovine kalupa se otvaraju i odlivak se vadi, što se uglavnom radi automatskim sistemom za istiskivanje. Kalupi se čiste nakon svakog livenja, zatim se vrši njihovo zagrevanje i lubrikacija pre ponovnog korištenja kako bi se smanjilo habanje kalupa, poboljšao kvalitet površine i kako bi se olakšalo istiskivanje. Sistemi hlađenja se često koriste kako bi se održala potrebna temperatura.

1.4.1. Prednosti livenja u kalupima

8 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry

14

Kada se postavi sva aparatura troškovi nisu veliki, razlog tome je ne korišćenje uništivih kalupa, već trajnih

Kalupi mogu da podnesu veoma veliki stepen proizvodnje, koji često doseže i do 400 ulivanja na sat

Fleksibilnost i komplesksnost samih kalupa dozvoljava da se željeni odlivak dobije iz jednog livenja bez dodatnih radnih komponenti

Čišćenje, sama mehanizacija i završna obrada ne snose velike troškove

Skoro da ne postoji otpadni materijal jer je eliminisana potreba zaštitnog materijala kao što je pesak

1.4.2. Mane livenja u kalupima

Cene ukupnih troškova oko metode i samih kalupa su veće

Ovom metodom se ne mogu liti čelici i legure sa visokom tačkom topljenja

Veličina odlivka je ograničena na oko 35kg

1.4.3. Nus proizvodi

Ova metoda stvara najmanju moguću količinu otpada jer je eliminisana upotreba vezivnih sredstava, peska i drugih matrijala. Čišćenje je dovedeno na minimum, pa je tako veoma mala kolilčina strugotine i potrošnog materijala prisutna u procesu doradnih faza i čišćenja. Prisutna je mala emisija gasova tokom topljenja metala i tokom procesa livenja. Gasovi metal-oksida se oslobađaju usled male količine metala koji isparava i tada kondenzuje. Korišteni lubrikanti takođe isparavaju u dodiru sa topljenim metalom.

2. Specijalne metode kalupovanja i livenja15

Osnovne tehnike koje su prethodno opisane su bile adaptirane na razne načine kako bi se izvršila njihova optimizacija za livenje specifičnih metala. Ovo poglavlje posvećeno je opisu nekih od glavnih inovacija koje su sprovedene od osnovnih metoda livenja.

2.1. Hitčinerov (Hitchiner) proces

Hitčnerov proces jeste livenje korištenjem varijabilnih hemijskih vezivnih sredstava. Ova metoda koristi vakuum sistem kako bi ispunila kalupnu šupljinu topljenim metalom. Aparatura je jednim delom potopljena u metalnoj kadi, dok hranitelji malog prečnika, dovedeni na dno aparature, služe za usisavanje topljenog metala pod vakuumom unutar kalupnih šupljina.

Punjenje kalupa samo pod uticajem gravitacije (ulivanje u levak), može izazvati stvaranje vazdušnih čepova i samim tim čitav postupak rezultira dobijanjem odlivka sa defektom tj. greškom. Takvo postojanje vazduha može biti sadržano čak do 30% ukupne kolilčine ulivenog metala. Hitčnerov proces postiže bolju konzistenciju odlivka i praktično eliminiše ulazak vazduha što na duge staze sprečava stvaranje korozije i drugih mogućih uzročnika štete. Dokazano je da ovaj postupak umanjuje popravke odlivaka čak za 50 ÷ 60%. Takva ušteda može lako nadoknaditi sve druge troškove koji nastaju u toku proizvodnje.

2.1.1. Prednosti Hitčinerovog procesa

Mogu se proizvesti odlivci od legura koje nije moguće topiti i oblikovati drugim metodama

Pruža razvijanje jasnijih kontura od konvencionalne metode livenja u pesku, kontura sličnih preciznom livenju

Zahteva manje čišćenje metala Gasovi koji nastaju tokom procesa nestaju u vakuumu, što kontrolu

emisije gasova čini mnogo lakšom

2.1.2. Mane Hitčinerovog procesa

Metoda je mnogo skuplja nego ostale metode livenja Količina koja se proizvodi svedena je na nizak do srednjeg stepena Velličina odlivka je svedena na maksimum 45kg

2.2. Šoov (Shaw) proces

16

Šoov proces je jedan od najčešćih u preciznim livenjima. Ova metoda je osmišljena tako da eliminiše upotrebu potrošnih modela, koji su jedan od glavnih potrošača kapitala u industrijama livenja. Uglavnom se koristi vatrostalna pasta koja sadrži etil-silikat, ali lako se odstranjuje sa modela razdvajajući se na dve polovine. Te polovine se kasnije dalje tretiraju na visokim temperaturama kako bi se dobilo dodatno očvršćavanje i tada je sve spremno za ulivanje. Ovaj proces se najviše koristi u Australiji.

2.2.1. Prednosti Šoovog procesa

Ova metoda eliminiše upotrebu potrošnih kalupa

2.2.2. Ograničenja

Šoova metoda je skuplja od uobičajene metode preciznog livenja

2.3. Replicast®

Replicast® je neobična metoda preciznog livenja koja kombinuje mnogo osobina preciznog livenja i potrošnih kalupa. Proizvodi se model od stiropora koji se kasnije prevlači inertnim keramičkim kalupom. Sam sirpor će pre procesa livenja biti spaljen. Ovo dozvoljava da širok spektar legura bude liven u ovim kalupima. Ipak, kako je 92% stiropora ustvari ugljenik, ova metoda nije prikladna za većinu čeličnih legura. Uklanjanjem stiropora pre livenja, ova metoda može biti korištena i za nerđajuće čelike sa ultraniskim sadržajem ugljenika. Takođe ovaj proces nudi veći raspon težine odlivaka, što nije slučaj kod preciznog livenja.

2.3.1. Prednosti Replicast® metode

Nudi livenje većih odlivaka nego što je to slučaj kod preciznog livenja

Emisija gasova se lakše kontroliše nego kod drugih metoda Ulivanje pod vakuumom rezultira bolje popunjenim kalupom i

konzistentnijim livom Ojačanje postignuto kramičkim oklopom tokom livenja, omogućava

lakše ulivanje metala Pesak i druga mu slična pomagala mogu biti u potpunosti

odstranjena

2.3.2. Mane Replicast® metode

Mnogo je skuplja od metode korištenja stiroporskih modela 17

Nije pogodna metoda za izradu delova tankih poprečnih preseka

2.4. Vakuum ( „V“ ) metoda

Ova metoda je osmišljena u Japanu 1971. godine kao poboljšanje konvencionalnih metoda livenja. U ovoj metodi, prethodno zagrejani plaht plastičnog materijala se postavlja preko modela i koristi se vakuum kako bi on preuzeo oblik, tj. konture modela. Tada se kalup puni suvim silicijumskim peskom čije se zbijanje vrši vibracijama. Drugi plaht se postavlja sa zadnje strane modela. Tada, se održavajući konstantan vakuum, uklanja model i dve polovine kalupa se spajaju i spremne su za ulivanje. Nakon očvršćavanja metala, zaustavlja se dejstvo vakuuma i odlivak se otpušta.

Pronalazači ove metode su uspostavili radne sporazume sa livnicama širom sveta tako da danas postoje livnice sa licencama koje mogu da koriste ovu metodu za proizvodnju odlivaka svih dimenzija i oblika. Ovaj opseg se kreće od aluminijumskih odlivaka tankih zidova, do livenja gvožđa pod pritiskom radi dobijanja cevnih završetaka, do nerđajućih tela ventila, pa čak i do livenja brodskih sidra od čak osam tona. Ostali odlivci koji se već liju rutinski jesu kade, alatne mašine, delovi motora, poljoprivredni delovi, železničke šine itd. Bilo koji metal, kovano gvožđe, čelici različitog kvaliteta, aluminijum, pa čak i legure na bazi bakra mogu se liti ovom metodom, jedini izuzetak jeste magnezijum.

2.4.1. Prednosti „V“ metode

Pruža dobru dimenzionalnu preciznost i mnogo bolje postiže potrebno stanje površine, čak je dva puta preciznija od metode livenja u pesku

Eliminiše pojavu gasova Model duže opstaje iz razloga sto ne dolazi u dodir sa peskom Eliminiše upotrebu vezivnih sredstava Metoda je povoljna za odlivke malih gramaža, ali i velike tonaže Ova metoda se koristi za livenje kompleksnih geometrijskih oblika,

takođe sam proces može biti automatizovan u cilju veće produkcije Metoda je neznatno skuplja u odnosu na druge metode, a u

odnosu na pojedine cena je čak identična

2.4.2. Mane „V“ metode Metoda zahteva pozlaćene ili posrebrene modele Nije baš pogodna metoda za visok stepen proizvodnje

18

Nije baš pogodna za preterano kompleskne geometrije dužno nedovoljnoj elastičnosti same plastike

2.5. Centrifugalno livenje

U procesu centrifugalnog livenja tečni metal se uliva u kalup koji se rotira u fazi očvršćavanja. Centrifugalna sila doprinosi konzistentnosti odlivka i poboljšanju površinskih detalja. Ova metoda je specijalno adaptirana za proizvodnju cilindričnih delova, i eliminiše potrebu za jezgrima, ulivnim sistemom i odvodima za gasove. Ova metoda je nepovoljna za livenje geometrijskih tela koja ne dozvoljavaju linearan protok topljenog metala.

2.5.1. Prednosti centrifugalne metode

Centrifugalno livenje poboljšava homogenost i preciznost u specijanim okolnostima

Eliminiše potrebu za ulivnim sistemom

2.5.2. Mane centrifugalne metode

Metoda nameće ograničenost oblika livova Ograničena je proizvodnja na cilindrične geometrijske oblike

2.6. Kosvortova (Cosworth ) metoda

Ova metoda je zapravo precizna metoda livenja u pesku, koja je razvijena 1978. godine za legure koje ne sadrže gvožđe, prevashodno za legure na bazi aluminijuma, kako bi se konstruisao Kosvortov motor.

Sama faza izrada jezgara je slična kao kod konvencionalne metode livenja u pesku, ali razlika je u tome što se koristi cirkozni pesak umesto silikonskog, jer on pruža veću predvidljivost širenja. Glavna karakteristika ovog procesa jeste da se metal uliva korišćenjem hranitelja koji koriste pomoć pritiska, kroz uprošteni ulivni sistem, kao što je prikazano na Slici 9.

19

Slika 9. Kosvortova metoda livenja9

Metoda je znatno odstranila i pojavu poroznosti (usled hidrogena). Ova pojava je prisutna u uobičajenoj metodi livenja u pesku i livenja u kalupima, i ona umanjuje metalurški integritet i mehanička svojstva odlivaka. Metoda takođe eliminiše niz manjih problema u vezi sa konvencionalnim tehnikama, a to su rupe od hlađenja, jezgara i lepila, neprecizno postavljena jezgra i kalupne polovine tj. kalupni delovi, i metalurške neadekvatnosti. Proces je kasnije proširen na veći broj komercijalnih livnica. AFS* je identifikovao Kosvortovu metodu kao veoma važnu i odlučio da je potrebno sprovesti još istraživanja kako bi se ona još razvila i omogućila još više poslovnih mogućnosti.

2.6.1. Prednosti Kosvortove metode

Mogu se liti tanji poprečni preseci, tako dozvoljavajući dizajniranje snažnijih komponenti sa razumnom štednjom na težini

Alat nije skup u poređenju sa ostalim metodama

9 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry* The American Foundrymen’s Society – Američko udruženje livara

20

Pruža veću jačinu i duktilnost usled poboljšane metalurške konzistencije koja se dešava u fazi očvršnjavanja

Pruža visoku dimenzionalnu preciznost sa veoma malom naknadnom potrebom za mašinskom obradom

Metoda je pogodna za srednju do obimne proizvodnje

2.6.2. Mane Kosvortove metode

Metoda nije pogodna za livenje velikog broja metala i livenje odlivaka velikih dimezija

2.7. Livenje polu-čvrstih metala

Livenje polu-čvrstih metala je modifikacija metode livenja u kalupima, ona postiže metalurške prednosti slične falsifikovanju. Metalne poluge se zagrevaju dok ne dosegnu polu-čvrvsto stanje i pod pritiskom se utiskuju u kalup. Pre oblikovanja, zagrejani materijal se može podići i on će zadržati svoj oblik bez ikakve dodatne pomoći. Pod pritiskom, teče kao da je tečnost kako bi zauzeo preciznu formu kalupa. Ova, manje energetski zahtevna, metoda stvara finu i uniformnu strukturu koja je praktično oslobođena poroznosti. U sličnom procesu koji se zove „rheocasting“ metal se topi i tokom očvršćavanja, u stanju njegove polu-čvrstoće, njegova morfologija se menja korišćenjem mehaničkih, elektromagnetnih i drugih sila kako bi se stvorila fina mikrostruktura.

2.7.1. Prednosti livenja polu-čvrstih metala

Pruža dimenzionalnu preciznost i metalurški integritet Produžuje životni vek odlivka i tolerancije odlivaka u poređenju sa

tradicionalnom metodom livenja u kalupima, usled niže temperature pri ulivanju

Odlivci se mogu naknadno toplotno tretirati kako bi stekli dodatne karakteristike

Metoda može za određene odlivke dostići čak i niže cene u odnosu na livenje u kalupima

2.7.2. Mane livenja polu-čvrstih metala

Kao i kod tradicionalnog livenja, veličina odlivka je ograničena

3. Tehnologije topljenja21

U ovom poglavlju biće reči o opštem pregledu tehnologija peći koje se najčešće koriste u livnoj industriji.

Energija je glavni porošač novca u livnicama. Najveći utrošak energije jeste upravo na topljenje metala i održavanje njegove temperature tečnog stanja. Uglavnom se koristi pet tipova peći za topljenje metala u livnicama,kupola, elektrolučne, rotacione, indukcione i retortne. Neke livnice koriste više od jednog tipa peći, pa ponekad čak i prebacuju topljeni metal iz peći u peć kako bi ostvarili najbolje osobine metala i ostvarili dobar učinak. Koja će se peć, ili peći koristiti nije jednostavna odluka, već ona zavisi od mnogih faktora. Oni podrazumevaju obim rada, vrstu procesa, metal koji se obrađuje, dostupnost sirovih materijala, relativnu cenu goriva te peći, kapital, cene održavanja i rukovanja mašina, ali podjednako i ekološke zahteve i cene ispunjavanja istih.

3.1. Cupola peći

Korištenje ovih peći je jedan od najstarijih načina livenja gvožđa, ali je i dalje to najdominantnija tehnologija na svetu. Ipak, u nekim livnicama su se ove peći zamenile efikasnijim, električnim, ali čak i one i dalje održavaju u funkciji peći ovog tipa za neka specifična livenja ili pak za rezervne kapacitete.

Na Slici 10. prikazana je peć koja se sastoji od vertikalnog cilindra koji se hladi vodom, i koji je postavljen u nekom vatrostalnom materijalu.

Proces koji se odvija sledi ovako: Punjenje, koje se sastoji od metala, legirajućih komponenti,

krečnjaka, i uglja (koksa), kao goriva i karbonizacije (8÷16% punjenja), se uvodi u naizmeničnim slojevima kroz otvor na cilindru

Vazduh ulazi odozdo kroz otvor za loženje, i time proširuje rastojanje dublje u unutrašnjost peći. Vazduh koji se uvodi uglavnom sadrži viši nivo kiseonika

Dolazi do sagorevanja uglja. Vreli izduvni gasovi se podižu kroz punjenjei predgrevaju ga. Taj proces povećava energetsku efikasnost peći. Punjenje se na kraju topi

Kako se jedno punjenje topi, tako se može dodavati sledeće odmah za njim

Kontinualni tok tečnog metala izlazi pri dnu peći. U zavisnosti od kapaciteta peći taj protok može se kretati i do 100 tona po jednom času. Nakon topljenja metala, on se rafiniše u izvesnoj meri i tim procesom se odstranjuju nečistoće.

Otvor koji je višlje od izlivnice dozvoljava da se vrši izbacivanje šljake Gasovi koji se emituju pojavljuju se na vrhu peći. Koristi se

adekvatna tehnologija žaštite od emisije gasova kako bi se oni

22

suzbili što je moguće više, i u skladu sa propisanim ekološkim standardima

Na dnu peći postoje vrata koja omogućavaju čišćenje peći kada ona nije u upotrebi

Slika 10. Cupola peć10

Ova peć ipak ima neki negativni publicitet, ali uprkos tome ona ima veliki broj nekih svojstvenih mogućnosti i prednosti u odnosu na električnu peć.

Jednostavna i ekonomična za upotrebu Peć je sposobna da podnosi visok varijetet metala bez smanjenja

kavaliteta liva. Zaprljan i zamašćen otpad takođe može biti otopljen kao i veliki broj čelika i gvožđa. Samim tim ova peć igra veliku ulogu u recikliranju u industrijama metala

Ove peći mogu da rafiniraju metalno punjenje, uklanjajući nečistoće iz šljake

10 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry

23

Iz perspektive životnog ciklusa, ove peći su manje štetne po okolinu od električnih iz prostog razloga što za energiju koriste ugalj, a ne električnu energiju koju prethodno treba proizvesti

Kontinuirani proces, umesto isprekidanog odgovara uslovima koje livnice često imaju

Ove peći se mogu koristiti da bi se ponovo upotrebili nus proizvodi, ili da bi se uništili neki zagađivači koji nastaju npr. pri procesu pravljenja jezgara

Upotreba povišenog kiseonika u ovim pećima se pokazala kao dobra jer povećava efikasnost čitavog sistema i poboljšava kvalitet otopljenog liva. Upotreba kiseonika je napredovala od običnog uduvavanja kiseonika pa sve do supersoničnog. Svaki od tih procesa bio je za 10 ÷ 15% efikasniji od prethodnog. Glavne prednosti povišene koncentracije kiseonika jesu:

Smanjenje količine uglja Povišene temperature Povišena stopa topljenja Konzistentniji sastav metala Smanjena emisija štetnih gasova

Prelazak sa ovih peći na električne se desio usled više faktora a neki od njih su:

Veća kontrola nad temperaturom topljenja Veća je emisija štetnih gasova iz kupola peći, i samim tim više

novca odlazi u tehnologiju kontrole tih gasova Mnogo je prljavija radna okolina nego pri upotrebi električnih peći Potreba za većom površinom, tačnije skladištem, usled korištenja

uglja Ipak, u poslednjih dvadeset godina su se razvile kupola peći koje ne koriste

ugalj. Ovaj prepravljeni dizajn, koji se može naknadno ugraditi u te peći, postigao je veliki broj efikasnih pomaka, kao i metalurških i ekoloških prednosti u odnosu na tradicionalne kupola peći.

Kao najvažnija stavka uklonjena je potreba za ugljem. Može se koristiti veliki spektar goriva, kao što su prirodan gas, propan, dizel ulja itd. Sumporski ostatci u procesu topljnja su svedeni na minimum (ispod 0.01%). Emisije gasova su, za neke matrijale, znatno smanjene, što dodatno smanjuje potrebu za skupim tehnologijama kontrole tih gasova. Metal koji se dobija je čistiji i boljeg kvaliteta, habanje vatrostalnih obloga je smanjeno na minimum i stvara se mnogo manje šljake. Kupola peći koje ne koriste ugalj, u kombinaciji sa električnim pećima mogu povećati ukupnu efikasnost procesa. Kupola peći su

24

prepoznate kao visoko efikasne u topljnju metala, ipak što je temperatura veća sama efikasnost peći znatno opada. Električne peći su najefikasnije u super-zagrevanju metala. U dupleks sistemima kupola peći se koriste kako bi se otopilo punjenje, električne peći se zatim koriste kako bi se ono održalo na temperaturi na kojoj je metal otopljen. Razvoj cupola peći koje ne koriste ugalj je znatno usporio prelazak livnica na električne peći. Druga bitna činjenica koja je usporila ovaj prelazak jeste razvoj automatizovanih kontrola. Samo iskustvo operatera jeste ono koje određuje željenu stopu topljenja, strukturu metala i njegovu temperaturu. Efikasnost ovih peći može takođe biti znatno poboljšana korištenjem odgovarajućih senzora i kontrola. Ova peć je uobičajeno opremljena nekim od sistema kontrole gasova.

3.2. Elektro indukcione peći

Indukcione peći su postale široko korištene peći za topljenje gvožđa, ali sve više i za legure koje ne sadrže gvožđe. Ove peći imaju sjajnu metaluršku kontrolu i relativno su mali zagađivači. Osnovni pricip ovih peći jeste da visoka voltaža, u osnovnom kalemu, indukuje nisku voltažu tj. drugi talas preko punjenja i on se ponaša kao sekundradni kalem. Usled električnog otpora koji metal ima, ova električna energija se pretvara u toplotu koja na kraju topi metal. Kada je metal otopljen, magnetno polje formira mešajuće kretanje. Jačina i učestalost koji se primenjuju su ti koji određuju brzinu mešanja. Ovo se kontroliše kako bi se osiguralo sigurno topljenje punjenja, adekavatna mešavina legura i kako bi se maksimalno smanjile temperaturne promene u punjenju. Preterano mešanje, sa druge strane, može izazvati oštećenje obloga, povišenu oksidaciju legura, višak šljake i povećanje uključaka i stvaranje gasova.

25

Slika 11. Električna indukciona peć11

Indukcione peći su veoma efikasne i stoga se prave u raznim dimezijama. Ove peći imaju sposobnost da tope veliki spektar metala, ali slabo mogu da koriste u svrhe prerade metala. Indukcione peći zahtevaju mnogo čistije opiljke nego kupola peći, i nešto čistije nego u ekletrolučnim pećima. Glavni troškovi su veći nego kod elektrolučnih peći ali operativni troškovi su niži usled smanjenja potrošnosti vatrozaštitnog materijala. Ostale prednosti ove peći jesu to što su one relativno lake za korištenje , veoma male količine metala se mogu topiti ali je vreme topljenja takođe relativno kratko, nege oko jednog sata, što dozvoljava dostavljanje metala na male, redovne intervale.

Približno oko 60% energije koja se koristi u pećima se troši na punjenje. Oko 30% energije se utroši na hlađenje vode, a dodatnih 7 % se gubi usled radijacije, a ostatak se gubi na sam električni sistem peći.

Potrošnja energije može biti mala, tek 550 kWh/tona , ali ova vrednost se može postići samo pri faktoru velike iskorištenosti i u višefrekventnim pećima. Vrednosti oko 650 ÷ 750 kWh/tona su nešto realnije. U poređenju ukupne efikasnosti ovih sistema u odnosu na sisteme koji koriste gorivo, treba imati na umu da električnu energiju prvo treba generisati, a čak i moderne elektrane ne dostižu 40% efikasnosti, što znači da je potrebna energija preko 2000kWh/tona.

11 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry

26

3.3. Elektrolučne peći

Ove peći se koriste za topljenje legura sa visokom tačkom topljenja, kao na primer čelici. Ove peći se sastoje od srca peći tj. vatrostalne posude u obliku letećeg tanjira u koju se skuplja topljeni metal, ima i obloge od vatrostalnog materijala na svim svojim stranicama kao i na vrhu peći. Vrh peći se može pomerati kako bi se olakšalo punjenje peći. Dve do tri ugljenične elektrode prodiru u peć sa njenog vrha ili sa njenih strana. Vrata na stranicama peći omogućavaju uklanjanje legura, uklanjanje šljake i prodor kiseonika. Punjenje se postavlja u srce peći i ono se topi usled toplote koja se formira između elektroda. Topljeni metal se ispušta kroz odvodnu cev prevrtanjem peći.

Slika 12. Elektrolučna peć12

Kako bi se šljaka što uspešnije otklonila iz topljenog metala njoj se dodaje kalcijum-fluorid. Usled usporavanja propadanja vatrostalnih obloga, njihov radni vek se može produžiti tako što im se dodaje zaštitni sloj silicijum-dioksida ili kreča. Šljaka štiti topljeni metal od vazduha i odstranjuje neke nečistoće. Elektrolučne peći su tolerantnije na prljavštinu i mogu biti korištene za rafinisanje tj. prečišćavanje metala, dozvoljavajući da se čelik odvoji od gvožđa. Elektrolučne peći mogu postići oko 700÷1000 kWh/tona, tokom prerade čelika.

12 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry

27

3.4. Rotacione peći

Rotaciona peć se sastoji od cilindra obloženog vatrostalnim materijalom koji se malom brzinom obrće oko horizontalne ose. Punjenje se zagreva direktno na otvorenom plamenu koji se održava uvođenjem gasa ili nafte. Izduvni gasovi se izdvajaju na suprotnoj strani komore. Rotacija peći pomaže mešanju punjenja i maksimalnom iskorištenju toplote. Odmah nakon topljenja punjenja liv se posipa slojem soli, kako bi se umanjilo stvaranje šljake. So štiti otopljeni metal od oksidacije. Rotacione peći su relativno neefikasne, troše oko 990 ÷ 1080 kWh po toni otopljenog metala, ali sa druge strane niske cene goriva u neku ruku nadoknađuju ovaj nedostatak.

Slika 13. Rotirajuća peć13

3.5. Retortne peći

Retortne peći se nalaze među najjednostavnijima i najraspostanjenijima u industrijama livenja. Primarno su bile korištene za topljenje manje količine metala koji ne sadrže gvožđe, ali kasnije se prešlo i na topljenje metala koji sadrže gvožđe. Uglavnom su zastupljene u malim livnicama ili u onim koje liju specijalne legure. Retortna posuda se zagreva u peći, koja kao gorivo koristi prirodan gas ili tečni propan, ponekad koks, naftu, pa čak i struja se ponekad koristi. Postoji više konstrukcionih rešenja retortnih peći u zavisnosti od radnih potreba livnice, okruženja, mogućnosti održavanja.

13 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry

28

Razlikuju se peći iz kojih se metal vadi tzv. kutlačom , zatim peći iz kojih se topljeni metal sipa direktno iz peći, i treća vrsta su takve peći gde se retortna posuda može izvaditi iz peći i koristiti kao kutlača.

Slika 14. Retortna peć14

3.6. Uticaj na životnu sredinu

Kupola i elektrolučne peći mogu emitovati određene štetne čestice, ugljen-monoksid, ugljovodonike, sumpordioksid, azotne okside, male količine hloridnih i fluoridnih jedninjenja, i isparenja bogata metalnim jedinjenjima iz kondenzovanih isparljivih metala i metalnih oksida. Indukcione i retortne peći emituju male količine štetnih čestica, to su ugljovodonici i ugljenmonoksid.

Kupola peći emituju najveću količinu štetnih materija po toni metalnog punjenja. Ovo je u mnogome posledica činjenice da metalno punjenje uglavnom sadrži visoke stepene zagađenja, ali isto tako je razlog i upotreba uglja. Kupola peći koje ne koriste ugalj kao gorivo, emituju drastično manju količinu štetnih materija. Emisije iz ekeltričnih peći su relativno male. One uglavnom uključuju gasove i prašinu koji potiču iz zagađenja samof punjenja, kao što su nafta, rđa i nečistoće. Većina emisija ovih gasova se dešava u kratkom periodu nakon punjenja Emisija takođe uključuje fine čestice metala i oksida. Generalno posmatrano, indukcione peći sa većom učestalošću će emitovati manje ovih materija usled manjeg tempa mešanja što rezultuje manjim kontaktom između metala i vazduha.

14 Slika preuzeta iz Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry

29

Elektroindukcione peći imaju najmanje emitovanje štetnih materija, naročito u livnicama čelika, gde zagađenja mogu praktično biti eliminisana. Šljaka se takođe stvara tokom procesa topljenja metala. Opasna šljaka se može stvoriti ako metalno punjenje sadrži dovoljnu količinu toksičnih metala, kao što su olovo i hrom, ili ako se koristi kalcijum-karbid u metalu kako bi se otklonila sumporna jedinjenja.

30

Literatura:

Pisana literatura:

1. Overview of foundry processes, Cleaner Production Manual for the Queensland Foundry Industry, November 1999

2. Foundry tecnology, Peter R. Beeley, 2001, str.441 do str. 540

Internet stranice:

1. http://www.industrialmetalcasting.com/metal-casting-20-century.html , 25.10.2010.2. http://en.wikipedia.org/wiki/Foundry , 27.10.2010.3. http://ezinearticles.com/?Foundry-Equipments-and-Supplies-Used-in-Foundry-

Technology&id=4412383, 29.10.2010.4. http://www.gemco.nl/uploads/File/newsletters/Gemco%20Newsletter%2005-web.pdf ,

01.11.2010.

31