Андрей Смирнов
Время чтения: ~14 мин.
Просмотров: 1

Тигель

Тигель для плавки металла – почему не стоит делать его своими руками?

Суббота, 18 Февраля 2020 г. 23:52 + в цитатник

Многие умельцы делают тигли для плавки металлов своими руками, отработали свои технологии, и качество таких изделий бывает довольно неплохое. Если для Вас изготовление тигля своими руками – дело новое, то этот обзор поможет определиться по какому пути дальше двигаться: делать тигель самому или купить его у непосредственного производителя без посредников.

Начнем с того, что материалом для изготовления тигля своими руками могут служить куски труб из нержавеющей стали, чугуна, глина, шамотная крошка, древесный уголь, графит и др. Казалось бы, дешевые материалы, себестоимость самодельного тигля тоже должна быть невелика. Однако на практике, при изготовлении качественного и дешевого тигля в домашних условиях умельцы сталкиваются с целым рядом проблем. В данном обзоре мы не будем останавливаться на графитовых тиглях и их проблемах выгорания при плавке металлов. Здесь мы подробнее остановимся на проблемах изготовления керамических тиглей своими руками. Опишу наиболее распространенные из них:

  1. Основная проблема — неоднородный состав глиняных масс. Разные месторождения глин характеризуются разным составом, при этом для получения качественных керамических изделий требуются глины определенного качественного и количественного состава.
  2. Глины, используемые для изготовления керамических тиглей, дают усадку, разные глины – разная усадка. Если Вы готовите тигли крупными партиями и закупаете глину одного типа в большом количестве, то это не проблема. Усадка глины заранее высчитывается, и готовое изделие получается заданной формы и разбег габаритных размеров крайне мал. Но если керамические тигли изготавливаются от случая к случаю, используются разные партии глины, то выдержать нужные размеры оказывается проблематично, повышается процент брака.
  3. Самодельные керамические тигли выдерживают небольшое количество плавок, при использовании тетрабората натрия (буры) самодельные керамические тигли довольно быстро покрываются микротрещинами и становятся непригодными для дальнейшей плавки металла.
  4. Самодельные тигли зачастую недостаточно просушены, из-за чего, при плавлении металла в теле тигля появляются дополнительные напряжения и тигель лопается.
  5. Самодельные керамические тигли получаются толстостенные и требуют большего времени на нагрев, увеличиваются энергозатраты при плавлении металла.

Оптимальным вариантом для плавки большинства металлов является керамический тигель, но не всякий керамический тигель подойдет для плавления металла. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Начнем с того, что керамические тигли, которые наиболее часто встречаются на российском рынке, делятся на фарфоровые, корундовые и тигли из кварцевой керамики. Фарфоровые тигли не подходят для плавки многих металлов из-за своей относительно небольшой огнестойкости

Корундовые тигли огнестойки и прочны, но при плавлении металла есть одно очень важное ограничение: корундовый тигель нельзя резко нагревать и охлаждать, скорость охлаждения корундового тигля 2-3 ° С/минуту. Для плавления металла в режиме смены температур подойдет тигель из спеченной кварцевой керамики

Особенности графитового тигеля

Графитовые тигели для плавки цветных металлов имеют достаточно длительный эксплуатационный период. Хорошо противостоят окислению, термическому и механическому воздействию расплава. Используются в основном тигели в паре с индукционными нагревательными печами.

Индукционная печь с графитовым тигелем

Графиту, как у материалу, присущи такие свойства как:

  • термостойкость;
  • огнеупорность;
  • большая теплопроводность;
  • повышение прочностных характеристик при нагревании;
  • малый удельный вес;
  • малая пористость;
  • предупреждение окисления;
  • стойкость к:
    • разъеданию;
    • прилипанию;
    • пригару.

Графитовые тигели изготавливаются не из чистого графита. Для формирования смеси в графит добавляют огнеупорную глину (шамотную, глинозем), кварцевый песок. Часть глины может быть заменена на каолин. Качественно изготовленные емкости легко переносят значительное число плавок.

Для плавки сталей состав шихтовой смеси подбирается под требования чистоты и характеристик стали.

Материалы шихты, %ГрафитГлиноземКаолинШамот
Тип сплавов
Сталь высокой прочности543510
Сталь средней твердости403822
Бритвенная сталь1240408
Качественная сталь (чистая)38710
Медь86725
Латунь, бронза12501325
Чугун серый53434
Чугун модифицированный504010

Для плавки меди и чугуна Блейнингер предложил следующие пропорции тигельных шихт.

Материалы шихты, %Медные сплавыЧугуны
ABCDEF
Графит4857,555505855
Глина3225,535403530
Каолин610,557
Кварцевый песок578
Шамот1455
Кремниевый песок6,5

Важным производственным показателем является себестоимость готовой продукции при заданных характеристиках. Поэтому для изготовления тигелей используется различные виды графита.

Зернистый графит не используется. Применяется пластинчатый или измельченный в мелкую фракцию. Крупнопластинчатый графит обладает огнеупорностью, термостойкостью и имеет высокую плотность. Мелкопластинчатый графит (аморфный) менее стоек и количество плавок в нем значительно меньше. Прочностные характеристики тигелей зависит от зольности графита.

Графитовые тигели для сталей

Тигели для сталей изготавливаются из высоко концентрированного графита, содержание которого достигает 90%. Но наличие окислов железа должно быть сведено к минимуму. При плавке меди графит частично заменяют ретортным графитом или коксом.

В последнее время широкое применение находят следующие марки графитов:

  • ЭГ2 – электрографит;
  • ГМ – графит мелкозернистый;
  • МПГ – графит изостатический.

Электрографит

Электрографит ЭГ2 отличается от графита, из которого изготавливаются электроды, меньшей пористостью. Данная марка рекомендована при повторной плавке или для расплава с удалением шлака.

Графит мелкозернистый

Мелкозернистый графит ГМ рекомендован для плавки чистых металлов. Устойчив к обгоранию.

Графит изостатический

Изостатические графиты МПГ имеют самые наилучшие характеристики, а потому высокую стоимость.

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.

Материалы для производства тиглей

Тигель для плавки металла (корунд)

Для производства тиглей в различных областях применения, применяются следующие материалы:
Цирконий, платина — инертные тигли для лабораторий.

Металлургия, металлообработка, химическая промышленность:

  • Огнеупорные материалы общего назначения: плавление и розлив чёрных металлов, флюсов.
  • Оксидные огнеупорные материалы: карборунд, корунд, оксид циркония, оксид хрома, оксид церия, оксид иттрия и др.
  • Графит: розлив цветных металлов.
  • Сталь, чугун: для работы с неагрессивными материалами, плавление легкоплавких металлов (свинец, олово, цинк, кадмий, амальгамы, щелочные металлы, сурьма, галлий, индий, таллий, висмут).
  • Кварц: плавленный и спеченный кварц.
  • Базальт: плавленный базальт.
  • Тантал: металлургия лантаноидов.

Лабораторная техника

  • Термостойкое стекло: «пирекс», «симакс», и др.
  • Кварц: Плавленный кварц.
  • Фарфор: химстойкий фарфор.
  • Высокочистый графит: плавка и обжиг.
  • Оксидные огнеупорные материалы: оксиды — хрома, алюминия, бериллия, циркония, тория, урана, церия, иттрия, скандия и др.

Платина: точные химические работы, операции с плавиковой кислотой и др.

  • Высокие тигли из платины: от 3,4 грамма до 365 граммов. Ёмкость от 4 см³ до 310 см³.
  • Широкие тигли из платины: от 9 до 26 г. Ёмкость от 9 см³ до 27 см³.
  • Микротигли из платины: от 0,5 до 2,1 г. Ёмкость от 0,3 см³ до 2,3 см³.

Золото: особо точные химические работы.

  • Высокие тигли из золота: от 3,1 до 22 г. Ёмкость от 4 см³ до 25 см³.
  • Микротигли из золота: от 0,45 до 1,9 г. Ёмкость от 0,3 см³ до 2,3 см³.

Серебро: работа с расплавами щелочей.

  • Высокие тигли из серебра: от 3,6 до 49 г. Ёмкость от 4 см³ до 54 см³.
  • Широкие тигли из серебра: от 9 до 27 г. Ёмкость от 9 см³ до 27 см³.
  • Никель: работа с расплавами щелочей.
  • Иридий: особо точные лабораторные работы, выращивание драгоценных камней.
  • Родий: измерение констант, выращивание драгоценных камней.
  • Молибден: выращивание монокристаллов драгоценных камней и др.
  • Ниобий: работа с агрессивными кислотами и расплавами лантаноидов.
  • Вольфрам: работа в области сверхвысоких температур в вакууме или защитной атмосфере.

Огнеупоры > ТИГЛИ ВЫСОКООГНЕУПОРНЫЕ ДЛЯ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Научно-техническим центром «Бакор» разработаны и выпускаются высокоогнеупорные керамические плавильные тигли для различных технологических процессов, удовлетворяющие запросам современной металлургии. Тигли предназначены для плавки жаропрочных никелевых сплавов, легированных сталей, бериллия, чугуна, цветных металлов, их сплавов и пр. Основными плавильными агрегатами, в которых применяются тигли, являются: вакуум-индукционная  печь, индукционная печь и печи сопротивления.

Качество металла, получаемого в процессе плавки, напрямую зависит от качества и правильного выбора керамического тигля. Исходя из этого к тиглям предъявляются очень высокие требования. Они должны иметь высокий уровень  эрозионной стойкости, не разрушаясь, выдерживать перепад температур, не взаимодействовать с расплавом.

На предприятии ЗАО «НТЦ «Бакор» тигли изготавливаются различными методами из керамических масс на основе высокоогнеупорных плавленых материалов: периклаза, корунда, муллито-корунда, алюмо-магнезиальной шпинели, двуокиси циркония, что обеспечивает высокую термостойкость и коррозионную стойкость тиглей, а так же чистоту расплава при температурах до 1750-1800 С.

Основанием для выбора состава тигля  и технологии его изготовления являются условия его эксплуатации: температура, контактирующая среда, тип плавильной установки и др.

Основными преимуществами керамических тиглей НТЦ «Бакор» являются:

• высокий уровень термической и эрозионной стойкости;

• минимальное взаимодействие материала тигля с расплавом;

• увеличение выхода годного литья за счет сокращения брака по оксидным и шлаковым включениям;

•широкий выбор изделий по габаритам;

Изготовление тиглей или дополнительных частей к ним по индивидуальным размерам осуществляется в соответствии с чертежами Заказчика. Непрерывное совершенствование составов и технологии производства на предприятии ЗАО «НТЦ «Бакор» позволяет подбирать и разрабатывать изделия в соответствии с техническими заданиями, исходя из условий эксплуатации Заказчика.

Наши тигли поставляются на такие предприятия как:

ОАО «Турбодеталь» (г. Нарофоминск  Московской обл.), ОАО «Ашинский  металлургический завод», (г. Аша Челябинской обл.), ОАО «Машиностроительный завод» (г. Электросталь Московской обл.) и многие другие.

Стандартно  выпускаемые тигли соответствуют наиболее востребованным типоразмерам   (см. таблицу ФОРМА И ТИПОРАЗМЕРЫ):

 

ТУ 1501-159-11773998-2014

Физико-химические показатели, % масс/марка
Наименование показателя/маркаТКТПТКМТКМЦ
Аl2O3,% не менее979086
MgO,% не менее96
Пористость открытая, % не более20202021
Плотность кажущаяся, г/см3, не менее2,902,852,803,00
Предел прочности при сжатии, МПа, не менее40404040
Температура применения, °С, max1750180017001700

ФОРМА И ТИПОРАЗМЕРЫ

Объем тиглей от 1,3л  до 100 л. Возможно изготовление тиглей по чертежам Заказчика

Наименование и код продукцииОбъем тигля, л

Вес тигля, кг (ориентир.)

Типоразмеры 
DHdh

d

дн

№01,361,712420011019350
№12,63,714028612026560
№24,58,416833014830760
№36,18,917740515238060
№180,91,2901807617346
Наименование и код продукцииОбъем тигля, лВес тигля, кг (ориентир.)Типоразмеры 
DHdh
№45,38,2165370140350
№55,48,8195260170240
№612,119,5242390206365
№719,034,0285465235445
№1193,0187,0560600480560
Наименование и код продукцииОбъем тигля, л

Вес тигля, кг (ориентир.)

Типоразмеры 
DD1Hdd1h
№83,45,6165140290138100265
№92,87,5230220135190180115
№1020,032,8330330380280250350
№123,33,714813826012898245
№137,814,2197197390165127368
№147,410,221021032018680296
№1510,420,6230230420185140395
№1670,0128,0500460600420380560
№176,414,2147130500127110490
№194,48,1178164304151132280
№203,36,7175164240147132216

Изготовление тигеля своими руками

Изготовление тигеля не трудоемкое занятие. Чтобы его изготовить своими руками на основе мартеля потребуется:

  • измельченный графит;
  • целый графит;
  • трубка графитовая;
  • мартель шамотный;
  • магнезит;
  • фетр.

https://youtube.com/watch?v=IQuBnPbZTKI

Технологическая последовательность:

  • Взять плотную бумагу. Из нее свернуть два цилиндра разного диаметра. Внешний цилиндр полый и большего диаметра, а внутренний закрытый с обоих сторон и меньше по размеру.
  • Мартель и остальные компоненты перемешать в отдельной емкости. Далее смешать с жидким стеклом до получения однородной массы, консистенция которой сопоставима с песочным тестом.
  • Часть полученной массы распределяется на ровной и гладкой поверхности. Затем на нее установить бумажные цилиндры один в другой для получения формы тигеля. Расстояние между бумажными цилиндрами – толщина стенок тигеля.
  • Оставшейся массой заполняется приготовленная форма.
  • После формирования удаляются бумажные элементы формы и заготовку необходимо немного просушить при комнатной температуре.
  • Затем тигель помещается в индукционную печь для того, чтобы из смеси выгнать оставшуюся влагу. Прогревать следует при невысоких температурах, чтобы форма не лопнула. Процесс занимает значительное время.
  • После сушки тигель обжигается при температуре не более 600 °С.
  • Качество тигеля проверяется простукиванием, как хрустальный бокал.

Особенности графитовых тиглей

Изделия из графита и углерода демонстрируют повышенную химическую и термическую стойкость, что и обуславливает их ценность в металлургии. К примеру, специальные составы графита способны выдерживать порядка 3000 °C. Очевидно, что можно использовать такой тигель для плавки металла практически во всех направлениях металлургической промышленности. Оснастка используется для расплава, раздачи, разлива цветных и черных металлов – в том числе и в составе с индукционными вакуумными печами. Технология изготовления графитовых тиглей позволяет точечно рассчитывать их форму и размеры до мельчайших деталей. Чаще всего размеры ориентируются под конкретную конструкцию индукционной печи. Например, распространены формы в виде стаканов, где также присутствуют другие технологические дополнения – носики, буртики, отверстия и т. д. Но стоит графитовое сырье значительно дороже, чем другие материалы, поэтому оснастка используется преимущественно в профессиональной сфере. Хотя бывают исключения, когда домашние мастера разбавляют составы более дешевыми материалами.

Маркировка тиглей

Тигель (VIII—IX век). Археологические раскопки 1970-х годов, городище Камно, Псковская область. Государственный музей истории Санкт-Петербурга

Каждый тигель имеет марку (номер), и этот номер означает ёмкость тигля. Тигли маркируются от 1 до 300. В металлургии, как наиболее массовой отрасли промышленности, потребляющей тигли, за одну условную единицу ёмкости (1) принимается объём, равный 0,142 дм³ (или удельная вместимость 1 кг бронзы) при условии, что тигель наполнен металлом на 85 %. Например, вместимость тигля марки 20 соответствует 2,84 дм³, или, иными словами, — 20 кг расплавленной бронзы.

Как сделать графитовый тигель

Ёмкость этой категории имеет множество достоинств:

  • низкая общая масса;
  • сопротивляемость горячим сплавам;
  • хорошие показатели теплопроводности;
  • с ростом температуры увеличивается прочность.

Если идти лёгким путём, то можно взять графитовый стержень, и тигель практически готов. Остаётся только приделать дно.

Графитовые тигели различных размеров

Если необходимой трубки не найдётся, всё можно выполнить при помощи двух формочек разных размеров, которые вставляются одна в одну, а свободное пространство позволит придать нужные размеры. Первоначально нужно засыпать мертель в свободную тару, и жалеть его не следует. Дело в том, что порошок будет утрамбовываться и оседать. Далее добавляется жидкое стекло (около 15 мл.) и всё тщательно перемешивается. Смешанную массу рекомендуется поместить в большой контейнер цилиндрической формы (можно использовать пластиковый стаканчик) а маленьким продавить отверстие, оставив дно достаточно толстым.

В итоге выйдет сосуд, которому даётся время на высыхание. В этом случае также потребуется термическая обработка, благодаря которой удалятся излишки жидкости. Если все действия прошли верно, то будет качественный графитовый тигель, сделанный своими руками.

Заключение

Тепловое промышленное оборудование сегодня строго сегментировано, что позволяет заинтересованным потребителям целенаправленно приобретать те же печи, предназначенные конкретно для расплава металлических заготовок. На этом фоне тигель кажется морально и технологически устаревающим приспособлением, хотя именно конструкционная простота не позволяет ему полностью выходить из производственных процессов. Но и промышленным применением такие изделия не ограничиваются. Достаточно вспомнить, что такое тигли. Значение данного устройства для бытовых целей и вовсе трудно переоценить. Эта небольшая емкость из доступного сырьевого материала, которую может выполнить домашний мастер для своих хозяйственных нужд. Разумеется, качество выполняемых на такой оснастке изделий будет довольно низким, но в частных нуждах высокая точность геометрических параметров редко требуется.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации