Автор: Колесников Юрий Фёдорович, инженер-теплотехник*
© При использовании материалов сайта (цитат, изображений) указание источника обязательно.
Тигель – сосуд для плавки металла. В тиглях плавят, как правило, передельный металл, т.е. уже доведенный до нужной степени качества для отливки в форму или аффинажа (глубокой очистки от примесей). Генеральная линия развития большой металлургии – уменьшение количества переделов, вплоть до выпуска кондиционного металла сразу из плавильной печи, но в промышленности тигельная плавка до сих пор сохраняет существенное значение, а в кустарном мастерстве и ювелирном деле доминирует.
Тигель не просто достаточно жаростойкая посудина. Его химический состав и конструкция должны соответствовать виду переплавляемого металла и режиму плавки. В этой статье описывается, как сделать тигель своими руками и каким условиям он должен удовлетворять для пользования дома или в малой мастерской. В расчете на начинающих металлургов придется сперва коснуться самого процесса плавки металла, т.к. требования к тиглю определяются в основном его условиями.
Плавка металла в тигле в домашних условиях
Немного о плавке
В глубоком вакууме переплавляемый металл высокой чистоты можно нагреть точно до температуры плавления или чуть выше, и выдержать при ней некоторое время, чтобы расплавились крошечные, буквально в несколько атомов, остатки кристаллитов. Затем металлу возможно дать остыть чуть ниже температуры плавления – он останется жидким, как перенасыщенный раствор без кристаллика-затравки. Если теперь металл вылить, также в вакууме, в форму из химически абсолютно инертного материала, в которую помещен затравочный кристаллик того же металла, то, соблюдая все тонкости данной технологии, получим монокристаллическую отливку, обладающую уникальными свойствами.
В любительских условиях вакуумная плавка, увы, неосуществима. Чтобы правильно самому изготовить тигель для плавки металла, нужно учесть ряд особенностей плавки в не инертной химически газовой среде. Переплавляемый металл, во-первых, взаимодействует с воздухом, отчего часть его теряется на образование окисла, что особенно важно при переплавке лома драгметаллов: при своей температуре плавления (1060 градусов Цельсия) даже золото заметно окисляется. Чтобы до некоторой степени компенсировать окисление, тигель должен создавать для расплава восстановительную среду или быть химически инертным, если металл плавится чистым открытым пламенем, см. далее.
Во-вторых, чтобы металл в тигле не застыл, пока его донесут до литейной формы, чтобы остатки исходных кристаллитов не испортили отливку, и расплав приобрел достаточную текучесть, металл в тигле перегревают. Напр., температура плавления цинка – 440 градусов, а его же литейная – 600. Алюминия, соотв., 660 и 800. Поскольку перегрев металла после расплавления требует некоторого времени, заодно происходит и дегазация расплава, это в-третьих.
Восстановление
В металлургии в качестве восстановителей используют преимущественно атомарный углерод C, моноксид углерода CO (угарный газ) и водород H. Последний чаще всего случайный гость, т.к. для данной цели слишком активен и поглощается металлами, не образуя с ними химических соединений, в больших количествах, что портит литейный материал. Напр., твердая платина при комнатной температуре способна поглотить до 800 объемов водорода. Платиновая болванка в водородной атмосфере буквально на глазах вспухает, трескается и распадается на куски. Если их вынуть их водородной камеры и нагреть, водород выделится обратно.
Примечание: сходным образом, но в меньших количествах, металлы поглощают/выделяют и другие газы, напр. азот. Именно поэтому требуется дегазация расплава, см. также ниже.
Заметную долю водородное восстановление имеет место при нагреве открытым пламенем газовой горелки, при его контакте с менее нагретой поверхностью. До порчи металла дело не доходит – поглощенный водород далее в процессе плавки выделяется и сгорает. Но, если к газопоглощению склонен и материал тигля, он во время плавки может треснуть и лопнуть, это нужно обязательно иметь в виду.
Восстановление CO заметно, если металл в тигле плавится открытым пламенем жидкостной (бензиновой, керосиновой, дизельной) горелки, по тем же причинам. Жидкое топливо сгорает много медленнее газа, и зона его догорания тянется на несколько см от сопла горелки. Восстановление угарным газом – самое, с точки зрения металла, чистое: оно не портит металл и не дает побочных продуктов при сильном избытке восстановителя. Поэтому восстановление CO широко используется в металлургии при выплавке металла из руды, но как сделать тигельную печь (см. далее), в которой компенсация окисления полностью обеспечивалась бы CO, пока никто не придумал.
Атомарный углерод восстановитель достаточно энергичный для того, чтобы компенсировать окисление. Создать с помощью C восстановительную среду в тигле также несложно: достаточно ввести свободный углерод в той или иной аллотропической модификации в состав его материала или весь тигель выполнить из жаростойкого и механически достаточно прочного аллотропа C; таковым является графит. При восстановлении C существует опасность науглероживания расплава, но графит выделяет при нагреве совсем немного атомарного углерода. Если греть металл в графитовом тигле газовым пламенем, то избыточный C тут же найдет себе более «вкусный» для него H и опасность науглероживания сведется к нулю. А для прочих способов нагрева (см. далее) можно подобрать размеры, конфигурацию тигля и присадку графита к его материалу так, что лишнего C просто не будет при любом мыслимом режиме плавки. Это очень ценное свойство графита, тоже имейте в виду.
Примечание: коэффициент температурного расширения графита ТКР отрицательный, что существенно компенсирует термическое расширение тигля, повышает его стойкость и увеличивает ресурс. Тоже ценное качество.
Выдержка
Итак, почему расплав в тигле нужно перегревать и выдерживать, понятно. Хотя литье из металла совсем другая тема, здесь все же нужно упомянуть, что время выдержки расплава следует соблюдать достаточно точно. Химически чистые металлы на практике почти не применяются, напр. золото 9999 очень быстро истирается; исключение электротехническая медь и цинк для оцинкови, они чем чище, тем лучше. Чаще всего используют т. наз. эвтектические сплавы; напр. сталь это эвтектика железа с углеродом, а дюраль – сложная эвтектика из нескольких компонент. Если дать расплаву перестояться, структура эвтектики в отливке изменится и готовое изделие выйдет порченым. Особенно критично время выдержки для бронзы и латуни: лить их нужно немедленно, как только игра расплава в тигле видимо изменится, станет спокойнее. Помните, как инженер Телегин в «Хождении по мукам» А. Н. Толстого беспокоился, как бы бронза не перестоялась?
Применительно к изготовлению самодельного тигля дегазация расплава при выдержке значима тем, что в это время он (тигель) испытывает значительные динамические нагрузки от пузырьков выделяющихся газов и/или игры самого расплава. Т.е., сделать тигель выдерживающим большое количество термических деформаций и, если требуется восстановительным, мало. Его материал должен быть и достаточно вязким, чтобы выдерживать ударные волны от лопающихся пузырьков и толчки от струй расплава. Именно этим обстоятельством объясняется низкая стойкость и надежность самодельных графитовых тиглей, (см. далее).
Из чего делать
Плавильные тигли изготавливаются (см. рис. ниже):
- керамическими химически нейтральными;
- керамическими графитированными;
- графитовыми;
- чугунными;
- стальными.
Тигли для плавки металла из различных материалов
Их сравнительные характеристики таковы:
- Керамические нейтральные – используются для переплавки лома ювелирных изделий с сохранением пробы, т.к. при косвенном нагреве (см. ниже) свойств металла не изменяют. Самому сделать можно, но сложновато (см. далее) и стоит ли? Тигель для золота на 50 г стоит в ювелирном магазине до 100 руб. Без проблем пригодны для плавки в индукционной печи (см. далее), т.к. почти не поглощают энергию электромагнитного поля (ЭМП). Ресурс – 10-30 плавок.
- Керамические графитированные – пригодны для плавки любого металла; в домашних условиях до 1,5-2 кг за раз. Для использования в индукционной печи ее мощность на то же количество металла придется повысить в 1,5-2 раза вследствие поглощения ЭМП токопроводящим графитом. Самому сделать можно, см. далее. Ресурс – до 50 и более плавок.
- Графитовые – пригодны для переплавки старого, окисленного лома цветных и драгоценных металлов, т.к. создают сильную восстановительную среду. Плавка серебра открытым газовым пламенем в графитовом тигле позволяет почти полностью восстановить исходный вес окисленного металла. Самостоятельно не делаются, см. ниже. Ресурс – более 100 плавок.
- Чугунные – используются в основном для переплавки красной меди в бескислородную, т.к. активно поглощают кислород. Ресурс – до 30 плавок, а потом аморфный углерод из чугуна уходит и тигель деградирует.
- Стальные – самодельный дешевый вариант для плавки небольших количеств алюминиевых и магниевых сплавов и др. химически инертных в расплаве металлов. Возможно применение для переплавки небольших количеств свинца в рыболовные грузила и т.п.
Примечание: графитовые, чугунные и стальные тигли для использования в индукционных печах (см. далее) совершенно непригодны, т.к. полностью поглощают энергию ЭМП.
О графитовых тиглях
Графитовые тигли делают или точеными из массивного природного графита (дорогие), или спеченными при высокой температуре из графитового порошка (подешевле, но все равно не очень-то дешевые). Любители часто пытаются делать «графитовые» тигли из молотого графита на связующем из каолина и т.п., но это получаются не графитовые, а чрезмерно графитированные керамические тигли – хрупкие, выдерживающие не более 10 плавок и портящие металл вследствие избыточного выделения атомарного углерода мелкодисперсным графитом. Более-менее рациональный способ использования молотого графита в любительской тигельной плавке – сделать из него настольную мини тигельную печку для керамических нейтральных тиглей, см. рис.
Графитовая мини-печь для нагрева ювелирного тигля
Холодную сварку для сборки данной печи следует использовать на температуру не ниже 800 градусов – хорошо проводящие электричество щеки за время одной плавки не греются выше 400. Не намного более нагреется без тигля и графитовый порошок, но, когда тигелек в него вдавлен, он окажется в горячем пятне свыше 1000 градусов вследствие уплотнения порошка под тиглем.
Если плавится золото, то после окончания плавки и остывания печи графитовый порошок высыпают и перетряхивают, т.к. он спекается. Для плавки серебра и мельхиора порошок удаляют и перетряхивают через 3-5 плавок, так печь быстрее нагревается. В любом случае, чтобы держать восстановительную среду, печь во время плавки накрывают слюдяной крышкой.
Способы нагрева
Если требуется переплавить за раз более 150-200 г металла, то к тиглю понадобится соорудить и тигельную печь, иначе добиться однородности расплава и высокого качества отливки будет очень трудно. Исключение – легкоплавкий и легко восстанавливающийся свинец: его за один раз в домашних условиях можно переплавить до 20-30 кг. Относительное исключение – цинк для горячей оцинковки, его расплава в тигле без печи может быть до 2-2,5 кг, но поверх него обязательно нужно сыпать буру, чтобы зеркало расплава было полностью покрыто ее кипящим слоем. Стальной крепеж бросают в расплав сквозь слой буры.
Оптимальный во всех отношениях способ нагрева тигля в печи – газом, поз. 1 на рис., но газовая тигельная печь достаточно сложное сооружение, хотя и вполне может быть изготовлена самостоятельно. Наиболее подходящий тигель для газовой печи – керамический графитированный, т.к. его материал обладает довольно высокой теплопроводностью. При особо высоких требованиях к чистоте металла лучше использовать керамический нейтральный тигель. При пониженных для легкоплавких металлов – чугунный, как лучше проводящий тепло и тем самым экономящий топливо. Графитовые тигли в газовую печь ставят, только если требуется сильное восстановление старого окисленного металла, а опасность науглероживания несущественна, напр., при переплавке извлеченного из земли серебра на аффинаж
Способы плавки металла в тигле
Для легкоплавких металлов часто наиболее экономичной оказывается электрическая тигельная печь, поз. 2; она может быть т. наз. омической (с нагревом нихромовой спиралью) или индукционной, с нагревом от генератора электромагнитных колебаний, см. ниже. В индукционной печи применимы только керамические нейтральные или, в ограниченных пределах, графитированные тигли.
Если тигель боле чем на 2-2,5 кг металла, то тигельную печь по правилам безопасности нужно делать опрокидывающейся (поз. 3), т.к. и 1 кг пролитого на пол расплава это уже большая беда. Металл в мелких ювелирных тиглях, наоборот, предпочтительно греть без печи, непосредственно пламенем горелки, поз. 4. В таком случае тигель все время плавки удерживают специальным пружинным захватом, поз. 5 и 6.
Примечание: серебро и его сплавы, а также свинец на грузила, в домашних условиях в количестве до 15-20 г можно плавить, используя вместо тигля… ложку из пищевой нержавейки, см. рис. справа. Для безопасности тогда надо сделать к губкам тисков прокладки с продольными пропилами под ручку ложки. Пламя – исключительно газовое; бензиновое может сжечь ложку.
Электронагрев
Омические тигельные печи используются в основном для плавки свинца или олова. Для более тугоплавких металлов они оказываются неэкономичными, но свинца в домашней тигельной электропечи за раз можно переплавить до 20 кг; как самому сделать электрический тигель для плавки свинца см. напр. видео:
Видео: электрический тигель для плавки свинца
Плавка алюминия в тигле, оказывается выгоднее индукционная вследствие его высокой электропроводности, но с медью этот фокус уже не проходит – ее температура и скрытая теплота плавления много больше. При индукционном способе плавки металл греют вихревые токи Фуко, для чего тигель с ним помещают в ЭМП катушки из толстого медного провода, питаемой переменным током от генератора электромагнитных колебаний. Как сделать своими руками генератор для индуктивного нагрева небольших количеств металла, напр., на безделушки, описано в других материалах, или, к примеру, см. след. видео руководство.
Видео: индукционный нагрев своими руками
Индукторная тигельная печь для плавки алюминия
С увеличением количества переплавляемого металла не только растет необходимая мощность генератора, но и падает оптимальная его частота, это сказывается т. наз. поверхностный эффект (скин-эффект) в металле. Если 100-200 г алюминия можно переплавить в ЭМП от любого самодельного генератора для индуктивного нагрева, то установка на 1,5-2 кг дюраля или магниевого сплава представляет собой уже солидное сооружение, см. рис. справа. Если вы намерены работать с алюминием, то хорошенько подумайте – а стоит ли нечто подобное городить? Не проще ли выйдет мини газовая печь для плавки небольших количеств алюминиевых сплавов, см. напр. ролик
Видео: мини печь для плавки алюминия
Делаем тигли
Теперь пришло время сделать своими руками плавильный тигель. Из вышесказанного ясно, что своими руками имеет смысл делать тигли:
- Стальной;
- Керамический нейтральный;
- Керамический графитированный.
О стальных тиглях особо говорить нечего – это просто посудина из стали в приваренной ручкой. Используются стальные тигли для переплавки легкоплавких металлов; иногда – цинка на горячую оцинковку с качеством до 3+. Стальные тигли для свинца, олова и цинка пригодны только для плавки одного конкретного металла, т.к. после 1-2 плавок сами покрываются им изнутри.
Керамический нейтральный
Ниже Вы можете поделиться своими мыслями и результатами с нашими читателями и постоянными посетителями.
Также можно задать вопросы автору*, он постарается на них ответить.
ЗАВОД ИНДУКЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
По желанию Заказчика при поставке индукционных плавильных тигельных печей для плавки цветных металлов, комплектует их высококачественными керамическими или графитосодержащими тиглями MAMMUT.
ООО "Маммут-Тигель", Россия, г. Санкт-Петербург является официальным представителем фирмы “Mammut-Wetro”, Германия, производящей широкий ассортимент высококачественных плавильных тиглей и аксессуаров к ним.
Высокое качество поставляемой продукции, профессионализм менеджеров и гибкость ценовой политики позволили компании завоевать достойное место среди поставщиков оборудования для металлургического и литейного производства.
Тигли представляют собой керамические изделия из графита и карбида кремния на глиняной или углеродной связке. Тигли MAMMUT формованы изостатическим способом и, в зависимости от области применения, обладают уникальной стойкостью к коррози и или температурным изменениям и термостойкостью.
Выбор типа плавильного тигля зависит от плавильной печи, способа нагрева, загрузки металла, температуры плавления и вида металла.
| Плавильные тигли | Выплавляемый металл | 1 |
Универсальные плавильные тигли для любого типа нагрева и металла, средней стойкости. Предназначены особенно для сплавов цинка и латуни, а также для индукционных печей и в случае интенсивной обработки расплава.
Тигли для плавления и подогрева алюминия в электропечах. Эти тигли обладают отличной стойкостью к коррозии, длительным сроком службы и рентабельностью.
Высокопроизводительные тигли используются в электропечах и газовых печах. Обладают высокой прочностью, теплопроводностью и исключительной стойкостью к коррозии.
Высокопроизводительные тигли для сплавов алюминия и меди используются в газовых и электрических печах и печах, работающих на жидком топливе. Обладают высокой стойкостью к температурным изменениям.
Тигли отличаются исключительной стойко стью к высоким температурам и выдержива ют самые большие нагрузки при изменении температур.
Тигли формы Z для индукционных печей
| № / ëмкость в kg Cu | D mm | Z 100 / 735 | 425 | Z 79 / 945 | 525 | Z 86 / 835 | 485 | Z 96 / 390 | 405 | Z 101 / 1200 | 530 | Z 111 / 330 | 387 | Z 182 / 2400 | 620 | Z 230 / 3000 | 680 | Использование графитсожержащих тиглей в индукционной плавильной тигельной печи В индукционных тигельных печах малой емкости, как правило, для плавки цветных металлов и сплавов (медь и ее сплавы), применяют графитсодержащие тигли. В зависимости от диаметра и высоты катушки индуктора подбирается размер тигля с учетом расположения тигля в индукторе, а также необходимых зазоров (30-40 мм) для теплоизолирующей засыпки. Тигель располагается по оси индуктора, дно тигля рекомендуется располагать в районе между 1-ым и 2-ым витком катушки индуктора. Важно, чтобы тигель был установлен в печи концентрично. В этом случае обеспечивается равномерный нагрев стенок тигля, что продлевает срок его службы. Графитсодержащие огнеупорные тигли состоят из природного графита, глины и карбида кремния. Графит придает тиглю необходимую термостойкость и является в значительной мере устойчивым к химическим воздействиям. Единственным растворителем для графита является расплавленное железо. Именно поэтому графитсодержащие тигли не предназначены для плавки чугуна. Еще одним “недостатком” графита является его окисление при доступе кислорода, начиная с 600° C. Поэтому тигли покрываются глазурью, которая в значительной мере защищает графит от окисления. Глина используется как высокоогнеупорное связующее для графитсодержащих изделий. Карбид кремния используется как дополнительный проводник тепла, который к тому же существенно увеличивает механическую прочность и износостойкость тиглей. Общие рекомендации по эксплуатации тиглей Стойкость тиглей зависит от типа печи, металла, который в нëм плавят, температурного режима плавки и других факторов. Существует ряд рекомендаций, одинаково применимых при любых условиях эксплуатации.
ГРАФИТОВЫЕ ТИГЛИ, сосуды для плавки медных сплавов и стали. В состав формовочной массы входит, кроме графита, огнеупорная глина, иногда частично заменяемая каолином, и не всегда шамот и кварц; хорошие графитовые тигли могут выдерживать большое число плавок. Состав графитовой массы изменяется в зависимости от назначения тиглей. Содержание графита в массе тиглей изменяется в пределах от 20 до 60%. Грубочешуйчатый графит является основой тигельной массы, сообщающей последней огнеупорность, отличную теплопроводность, высокую термическую стойкость и большую плотность. Его восстановительная способность препятствует при плавке окислению металла. Тигли, изготовленные из аморфного или мелкочешуйчатого графита, выдерживают меньшее число плавок. Прочность графитовых тиглей зависит, однако, не только от структуры графита, но также от зольности последнего, от состава золы, от количества и качества прибавляемой глины, от способа сушки и прочего. Тигли, предназначаемые для плавки стали, изготовляются из высокопроцентного (85—90%) графита, не содержащего значительной примеси окиси железа. Тигли для медной плавки иногда приготовляют с заменой значительной части графита коксом или ретортным графитом. При изготовлении крупных изделий применяется графит с более крупными частицами, чем при малых размерах. Наилучшим графитом для тигельного производства считается крупночешуйчатый с островов Цейлона и Мадагаскара. Его преимущества: высокая чистота состава, большая плотность строения и способность давать при измельчении частицы разных размеров. Другие графиты дают преимущественно тончайшие плоские частицы. Породы тонкокристаллического сложения для ответственных графитовых тиглей не пригодны. Глина является связующей добавкой к графиту, придающей массе пластические свойства, необходимые для формования тиглей, и сообщающей им прочность до обжига и в особенности после него. Применяются огнеупорные глины, способные спекаться при сравнительно низкой температуре, около 1000—1125°. Они должны обладать высокой пластичностью и огнеупорностью и содержать достаточно плавней. Большое применение при изготовлении тиглей имеют заграничные глины: из месторождений Гросальмероде, Клингенберга и Стурбриджа, химический состав которых приведен в табл. 1.
Из глин, имеющихся в СССР наиболее пригодны для тигельного дела часов-ярские (Артемовский округ УССР). Тигли для плавки стали изготовляются иногда с заменой части огнеупорной глины каолином и с небольшой добавкой шамота или кварца для уменьшения усадки. Составы шихт даны в табл. 2 и 3.
Смесь графита и глины, взятых в сухом порошкообразном состоянии, перемешивается в барабане, увлажняется и обрабатывается затем механическими средствами (на бегунах, в мешалках) до получения совершенно однородного, легко формующегося теста. Природные свойства составных частей массы, их количественное соотношение, степень механической обработки д. б. тщательно изучены и подобраны. Весьма важно, чтобы готовые изделия состояли из плотного однородного материала, без грубых и даже мелких пор и пустот. Пористость черепа тиглей способствует быстрому выгоранию графита при их работе. После некоторого вылеживания графито-глиняная масса обрабатывается еще раз вручную или механически (ленточный пресс). Рабочая масса, выходящая из ленточного пресса, разрезается на части, сообразно с величиной изготовляемых тиглей. Формовка производится большей частью на гончарных кругах в гипсовых формах вручную с помощью шаблона. Применяется также формование на винтовых или других прессах в стальных формах. Весьма ответственной операцией является сушка сформованных графитовых тиглей. Вследствие тонкости частиц и высокой плотности отформованной массы, имеющей минимальную пористость, высушивание ее идет крайне медленно; поэтому необходимо сушить тигли весьма осторожно и длительно, притом в условиях отсутствия сколько-нибудь значительного движения воздуха и резких колебаний температуры его вследствие близости нагревательных устройств, попадания солнечных лучей и т. д. Наилучшей обстановкой для сушки является устройство достаточно обширных специальных помещений с постоянной температурой и умеренной вентиляцией. Весьма полезным в данном случае будет, по-видимому, применение нового принципа сушки массивных мало- и тонкопористых изделий, известного под названием Feuchtigkeitstrocknung. Способ этот при быстрой сушке в высокой степени обеспечивает постепенность и равномерность усадки плотных и массивных керамических изделий: тиглей и др. После сушки тигли подвергают осторожному обжигу при невысокой температуре в 650—700°. Во избежание выгорания графита тигли обжигаются в муфельных печах или в пламенных печах, но в защитных капселях с засыпкой изделий песком или толченым коксом. Готовые графитовые тигли обладают значительной гигроскопичностью, которая делается весьма опасной при быстром нагреве тиглей, т. к. пары воды не могут, вследствие значительной плотности материала, быстро удаляться из внутренних частей массы и, расширяясь внутри материала, дают трещины или разрушают стенки изделий. Во избежание этого принято предварительно нагревать тигли, постепенно доводя их до 120—150° в течение нескольких дней. Лишь после этой операции тигли можно переносить в плавильную печь. С целью уменьшения гигроскопичности поверхность графитовых тиглей иногда покрывают защитным слоем из смолы или дегтя, растворенных в скипидаре. Размер (емкость) тиглей определяется в «марках» (марка – объем, занимаемый одним кг расплавленной меди или одним фунтом резаной стали). На производство тиглей до войны 1914—18 гг. приходилось 50%, во время войны 70—75% всего мирового потребления графита. Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 – 1929 г. > Adblock detector |
