Графитовый тигель

Из чего делать

Плавильные тигли изготавливаются (см. рис. ниже):

1. керамическими химически нейтральными;
2. керамическими графитированными;
3. графитовыми;
4. чугунными;
5. 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.

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.

Тигельные электрические печи – футеровка

Футеровка тигельных печей включает в себя основные части: тигель, воротник, подина, сливной нос и крышка. Правильно сделанная футеровка и подбор огнеупорных материалов продлит ее срок службы и обеспечит большое количество плавок. Основная часть футеровки печи – это тигель, он выполняется набивкой буферной части или кладкой из огнестойких материалов:

• кварцит SiO₂ (Кислая футеровка);
• магнезит МgO;
• шпинель МgО + Al₂O₃;
• корунд Al₂O₃;
• муллит ЗAl₂O₃ · 2SiO₂
• муллитокорунд Al₂O₃;
• шамот;
• цирконий Zr₂ · SiO₂;
• шамотографит;
• графит.

Кислая футеровка тигельных печей — это самая распространенная футеровка, ее применяют для плавки стали, чугуна и углеродистых металлов. Кислая футеровка не используется при определенном содержании углерода, фосфора и кремния при выплавке высоколегированных сталей. Ведь сгорание примесей (оксида кальция) при высоких температурах происходит быстрее. Так же жаропрочные стали и расплавы нельзя применять в этой футеровки, ведь их перегрев близок к температуре плавления кварцитов.

Для грамотного выбора футеровки индукционных тигельных печей надо учитывать вид шихты, которая будет использоваться. Основным критерием при выборе является срок службы, для обеспечения следующих требований:

• получение металла хорошего;
• большое количество плавок;
• безопасная работа для обслуживающего персонала;
• исключение прерываний во время плавки;
• стоимость и экономический эффект;
• выброс вредных примесей.

Футеровка тигельной печи необходима для усиления огнеупорных свойств тигля, ведь она оказывает влияние на физические и химические свойства металла. Правильно выбранная футеровка обеспечивает высокое качество выплавленного металла, безопасность работы с тигельной печью, длительную продолжительность работы печи без необходимости ремонта, минимальное количество отходов, вредных для окружающей среды.

При добавлении раскислителей во время плавки и взаимодействии с футеровочными материалами, может повлиять на образование нежелательных примесей, которые в дальнейшем выразятся в неметаллические включения. Благодаря качественной футеровке снижается термическое напряжение в тигле и обеспечивается надежная защита индуктора.

Другие виды тигелей

Тигели изготавливаются не только на основе графита, но и из чугуна и керамики. Чугунные емкости используются достаточно редко из-за: быстрого окисления железа, вступления его в химическую реакцию с расплавом, большой реактивности, низкой термостойкости и огнеупорности. Из-за чего чугунные модели имеют невысокую стоимость.

Тигели из керамики разных форм

В тигелях из керамики не происходит никаких реакций и изменений. Поэтому их используют для плавки хромовых, кобальтовых сплавов и неблагородных металлов.

Вставки в тигель из кварца

Как вариант изготавливаются вставки в тигель из кварца. Их применяют, когда требуется исключить взаимодействие расплава с графитом или чугуном.

Тигель: назначение, принципы плавки, изготовление, варианты, схемы

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

Изготовление глиняного тигля

Тут не обойтись без глины шамотного типа, которая продаётся в любом магазине стройматериалов. Она прекрасно переносит экстремальное термическое воздействие, стоит дёшево и проблем с её поиском вряд ли возникнет. В крайнем случае можно изготовить тигель из дроблёного шамотного кирпича. Также придётся прикупить жидкое стекло, и все составляющие смешать для однородной основы. Пропорции выглядят примерно так:

• 7 единиц глины;
• 3 единицы шамота;
• 10 ложек жидкого стекла.

Глиняные тигели

Все компоненты добавляются поэтапно: глина вместе с шамотом смешиваются до однородной консистенции, и к ним постепенно доливается вода. Основная цель – создать смесь, которая не будет прилипать к рукам. Когда получена требуемая консистенция добавляется стекло, и всё тщательно перемешивается. Тут главное довести объект до состояния, когда плоскость перестанет трескаться. Смесь готова, а для хранения советуется воспользоваться плотным целлофаном, или обернуть её в 7-10 слоёв плёнки.

Смешанный материал наносится внутрь макета, формируются его глубина и толщина. Дно лучше создать полукруглым, что даст больший эффект при будущей плавке железных стружек. Также субстанцию нужно плотно прижимать к макету, чтобы между плоскостями не образовывался воздух, а для большего удобства рекомендуется смачивать руки водой.

После резервуар отправляется на сушку: кладется в тару из картона или пластика, и помещается в сухое место. Нескольких часов хватит, чтобы удалить остатки влаги. Также изделие немного осядет, и его будет просто изъять из формочки. Огнеупорного сосуда из шамотного кирпича хватит на долгое время использования, однако, последним пунктом создания должна идти процедура обжига в печи и при Т=800 °С. И вещь можно применять по своему назначению. Для удобства эксплуатации понадобиться тигельная печь, которая делается своими руками. Для простого монтажа можно сварить конструкцию из нескольких труб, чтобы получился цилиндр. Обычно его закрепляют на двух параллельных стойках, чтобы он не касался земли. И тут учитывается толщина стенок (минимум 5 мм.) и устойчивость изделия (оно обязан легко переносить Т=1600 °С и более).

Как выглядела первая мартеновская печь?

Первая сталеплавильная печь, построенная Мартеном, имела небольшие размеры. Она вмещала всего 1,5 тонны металла. Внутренняя часть печи была выложена огнеупорным материалом, а её подина (низ плавильной ванны) была заполнена кварцевым песком. В печь загружали 700 кг чугуна, а когда чугун расплавлялся, вводили другие добавки. Весь процесс плавки совершался в течение 14 часов. Расход угля на одну тонну стали составлял около 1,5 т.

Для повышения температуры горючего газа и воздуха Мартен использовал огнеупорные регенераторы, которые позволяли поднять температуру почти до 1000° С.

Первая сталь, полученная в мартеновской печи, отличалась хорошим качеством и была удостоена премии Всемирной парижской выставки 1867 года.

Инфографика АиФ

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: 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

Изготовление тигля из глины

Можно изготовить тигель из шамотной глины. Это недорогой вариант и к тому же обладающий высокой стойкостью к большим температурам. Такую глину используют при кладке печей и ее можно купить в любом строительном магазине. Шамотная глина способна выдержать температуру до 1600 градусов по Цельсию.

Итак, понадобится шамотная глина (продается в мешках в строительных магазинах), жидкое стекло (продается там же) и молотый шамот. Его можно купить или изготовить из шамотного кирпича.

Для того чтобы сделать смесь, из которой в будущем будет вылеплен тигель, берется 7 частей глины, 3 части шамота и на литр сухой смеси 10 ложек жидкого стекла. Смешивается шамот и глина до однородного состояния. После этого потихоньку доливается вода. Чтобы не испортить заготовку можно часть смеси отсыпать, а в случае большого количества воды — добавить сухого порошка. Месить нужно до момента, когда глина перестанет липнуть к рукам.

Только после того, как будет замешана глина нужной консистенции, можно добавлять стекло. При добавлении стекла нужно тщательно все вымешивать до состояния, когда глина перестанет трескаться. Лучше всего в ком глины добавить стекло и раскатать в рулон, потом несколько раз сложить и повторять процедуру до тех пор, пока не перестанет трескаться. Материал для тигля готов. До того момента когда он будет использован, хранить нужно в нескольких слоях целлофана.

Глина есть, теперь чтобы изготовить тигель нужно взять форму, самый простой способ – это использование гипсовой формы. Как сделать такую форму можно найти на любом сайте по лепке из гипса. Итак, непосредственно изготовление тигля.

Перед началом лепки нужно отбить весь воздух из глины, для этого на пол можно постелить газету и несколько раз с силой бросить ком на него, раз десять будет достаточно. Теперь берется ком глины и тщательно вминается в дно формы, после этого небольшими комочками формируются стены изделия. Их толщину можно контролировать по краю формы

Очень важно тщательно приминать глину к форме, чтобы там не образовалось воздушных подушек. После того как тигель вылеплен, нужно сделать ровной внутреннюю поверхность. Для этого достаточно смочить глину водой

Для этого достаточно смочить глину водой.

После этого наступает момент сушки. Форма с глиной помещается картонную коробку и накрывается крышкой. Часов через семь вся вода из глины испарится и форма будущего тигля немного «сядет», так что достать ее из формы не особо сложно. После этого тигель продолжает сушиться в той же коробке, по мере сушки все дефекты сами собой устранятся и горшочек приобретет серый окрас. Иногда могут появиться небольшие трещинки. Их можно замазать мокрой глиной. Далее горшки обжигаются при температуре 800 градусов в муфельной печи. После обжига тигель готов к использованию.

Тигельная печь

Тигельные печи получили свое название за использование специальной емкости для плавления – тигель.

Тигельные печи подразделяются на несколько видов по основным критериям:

• по температуре плавления;
• по объему;
• по конструкции.

Различные металлы имеют свою температуру плавления, одни легкоплавкие, другие тугоплавкие. Это позволяет разделить печи по температурным диапазонам: до 1200⁰С, до 1300⁰С и до 1600⁰С. Объем печи зависит от размера тигля и количества выплавляемого металла и находится в пределах от нескольких килограмм до нескольких десятков тонн. Конструктивно оборудование может выполняться в виде шахты или в виде камеры, бывают наклонные и стационарные печи.

Тигель для печи – очень ответственная деталь и изготавливается из разных материалов. В основном это зависит от того, какой металл или сплав в ней будет плавится и при какой температуре. Основное требование к материалу емкости для плавления: химическая инертность, стойкость к повышенным температурам, хорошие теплоизоляционные свойства и минимальная степень расширения при нагреве. Тигель не должен вступать в реакцию с расплавом или его компонентами.

Тигельные печи могут переплавлять металлы и при атмосферном давлении, и в условиях вакуума.

Виды тиглей, применяемых в тигельной печи:

• керамические;
• графитовые;
• чугунные.

Чугунные и графитовые тигли не нашли широкое применение из-за низкой прочности и быстрого выхода из строя. Графитовая тара иногда используется для плавки золота.

Оптимальным вариантом на сегодняшний день является керамический материал. Он химически инертный практически ко всем применяемым сплавам, обладает повышенной прочностью и надежностью.

Преимущества использования тигельных печей:

• электрический нагрев происходит непосредственно в объеме расплава;
• небольшое количество угара;
• высокая производительность;
• хорошее качество расплавов за счет равномерного нагрева всего объема;
• возможность полного слива плавки;
• быстрый переход от одной плавки к другой;
• легкость в обслуживании и эксплуатации, возможность легко регулировать параметры плавки.

Современные тигельные печи снабжены электронными блоками управления, которые контролируют значения температуры и мощности. Специальные датчики фиксируют возможные протечки расплава. В случае прорыва футеровки контроллеры отключают мощность для предотвращения аварии.

Недостаток тигельных печей:

• длительность процесса нагрева;
• низкая температура шлаков;
• небольшая стойкость футеровки из-за резких перепадов температур, например, после слива.

Несмотря на свои недостатки тигельные печи используются во многих производствах, особенно они распространены в металлургии для выплавки легированных сталей или тугоплавких металлов. Тигельная печь стала просто незаменимой при отливке дорогостоящих и цветных металлов и сплавов.

Оборудование используется не только для плавки, но и для различной термообработки металлов (отжиг, закалка).

Почему используют именно графит

• В тигельной печи могут использоваться емкости из чистого графита или из смеси графитового порошка с другими связующими материалами. Первые более устойчивые к огню и прочнее, обладая способность окружать металлический расплав восстановительной атмосферой. Тигли из графитового порошка и добавочных компонентов наделены меньшей износостойкостью и быстрее загрязняются.
• В графитовых тиглях можно плавить практически любые металлы и сплавы.
• Они имеют продолжительный срок эксплуатации и могут выдержать даже температуры до 2500˚С, что позволяет значительно ускорить рабочий процесс. При этом высокие температуры в тигельной печи только увеличивают прочность таких емкостей.
• Графитовые тигли могут быть использованы многократно, главное — не забывать повторно зачищать и шлифовать их.
• Их электропроводность позволяет осуществлять расплавку драгоценных металлов без каких-либо проблем.