Область применения и маркировка

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?

Читать также: Усилитель для автомобильного сабвуфера своими руками

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):

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.

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.

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.

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

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

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

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

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.

Читать также: Пластмасс для пайки бамперов

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

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.

• 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.

Делаем тигли

Теперь пришло время сделать своими руками плавильный тигель. Из вышесказанного ясно, что своими руками имеет смысл делать тигли:

1. Стальной;
2. Керамический нейтральный;
3. 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.

Сборка индуктора

Нагревательным элементом тигельной плечи в домашних условиях обычно является индуктор. Он имеет цилиндрическую форму с полостью внутри. В эту полость и помещается самодельный тигель с металлической стружкой. Индуктор изготавливается из огнеупорного материала, внутри него обмотка из проволоки, чаще всего используется медная проволока. При помощи специального генератора в эту обмотку подается ток, который и создает электромагнитное поле. Что, в свою очередь, создает вихревой ток в тигле и в помещённом в него металле. Они и плавят стружку. Сам индуктор собирается из 4 электронных ламп с параллельным соединением. Такой индуктор можно подключить к обычной розетке.