Тигельна плавка

Тигельна плавка, або тигельний процес — одержання металів (сплавів) у рідкому стані в тиглях. Виникла за бронзової доби. Тигельна плавка є найстародавнішим способом виплавки металів (міді, бронзи). Про тигельну плавку писав Арістотель (4 ст. до н. е.),^[1] вона відома з 4 ст. до н. е. в країнах Стародавнього Сходу — в Індії, Персії, Сирії та деяких інших країнах. Спочатку тигельна плавка була застосована для виробництва кольорових металів і сплавів (міді, бронзи), пізніше — для виплавлення сталі — тигельної сталі. Вперше сталь у рідкому стані, так звана ливарна сталь, була одержана саме тигельним способом. Тигельна плавка використовувалася для виплавки яісної сталі (булатної, інструментальної). Найбільшого розвитку тигельна плавка сталі досягла у 1-й половині 19 століття, пізніше як малопродуктивная плавка, з розвитком інших способів одержання сталі втратила своє значення.

Тигельна плавка. Момент вилучення тигля з виплавленим металом з тигельної печі.

Історія

Тигельна плавка була одним з найдавніших способів одержання сталі в Азії. В Європі тигельна плавка сталі не була відома до винайдення її у 1740-х роках годинникарем з Донкастера Бенджаміном Гантсманом. Незабаром він перейшов на сталеливарний завод в Хендсворті поблизу Шеффілда, де почав виробляти високоякісну литу сталь у своїх тиглях. В 1740-х роках тигельна плавка стала процесом, за яким вперше в Європі було одержано ливарну сталь, тобто сталь у рідкому стані (до того в Європі була відома лише цементова сталь, що її одержували у твердому стані) і залишалася єдиним способом одержання ливарної сталі до середини 19 століття (появи бесемерівського і мартенівського процесів).

Основні прийоми тигельної плавки довгий час залишалися незмінними, однак процес був об'єктом досліджень і вдосконалень. Робилися зміни складу шихти, у виготовлення тиглів, конструкції печей.

Тигельна плавка посідала провідне місце у виробництві високоякісних сталей до появи електросталеплавильного процесу. Тигельна плавка є малопродуктивною. З розвитком мартенівського виробництва, конверторного виробництва й електросталеплавильного процесу тигельна плавка сталі втратила своє значення. До середини 20 століття тигельна виплавка сталі зберегалася в окремих країнах, зокрема Великій Британії і Швеції.

Обладнання тигельного виробництва

Тиглі

Докладніше: Тигель

Тигель.

Зливання металу (золота) з тигля у форму.

При тигельній плавці метал плавлять у вогнетривких або в металевих (чавунних, сталевих) тиглях, які вміщують у тигельні печі. Для плавлення кольорових металів необхідно правильно підбирати тиглі, враховуючи той факт, що тиглі можуть реагувати з металом і флюсами, забруднюючи їх. Для плавки кольорових металів тиглі бувають графітові, сталеві або чавунні (для легкоплавких металів — свинцю, олова тощо). Для плавки сталі тиглі робили з вогнетривних глин, або їх сумішей.

У 19 столітті тиглі виготовляли з глини. Вони мали низьку стійкість і тому зазвичай виготовлялися на місці на металургійному заводі. Точні рецепти сумішей глин трималися в секреті як комерційна таємниця. Після виготовлення тиглі сушилися протягом тривалого періоду, іноді до 6 тижнів. Тиглі були придатні лише протягом трьох плавок.

Печі для тигельної плавки

Докладніше: Тигельна піч

Тигельна піч, в якій тигель обігрівається твердим паливом (коксом), в яке він занурюється.

Перетин печі для тигельної плавки з теплообмінниками системи Сіменса. Обігрівання здійснюється газом. Кінець 19 століття.

Вертикальний перетин тигельної печі для виплавки цинку. 1905 рік.

Тигельна піч на заводі «Port City Castings» (Маскігон, штат Мічиган), що використовується для переплавки алюмінію під тиском.

При сучасній тигельній плавці (2-а половина 20 століття — початок 21 століятт) тигель (один або кілька) встановлюють у піч, що складається з металевого кожуха, футерованого зсередини вогнетривкою кладкою. Тигельні печі з природною та примусовою тягами опалюються коксом, мазутом, газом чи електрикою. Коксові горни нині застосовуються рідко, оскільки вони малопродуктивні. Найбільш поширені печі, що опалюються мазутом або газом. Спалювання палива у робочому просторі проводиться зазвичай за допомогою пальників низького тиску. Тигельні печі бувають стаціонарні та такі, що нахиляються. Зручнішими в роботі є стаціонарні тигельні печі. Широко поширена в ливарних цехах алюмінієвих сплавів тигельна піч, що нахиляється типу Колеман. Такі тиглі повертають за допомогою ручного або механічного приводу. Тигель служить тільки для плавки металу, а заливку здійснюють за допомогою ковшів, в які метал виливають після розплавлення.

Тигельні печі знаходять застосування в порівняно невеликих цехах, що випускають виливки дрібного і середнього розважування. рідкий розплав при плавці не стикається з газами і окиснення (угар) порівняно невелике. Мала площа дзеркала ванни сприяє плавці під покривом флюсу.

Виплавлення тигельної сталі

Плавильний цех в Шефілді у 20 столітті. Схема.

Плавильний цех. Шеффілд. Фото 1917 року.

В наш час (2025) для плавки чорних металів тигельна плавка засосовується рідко, переважно для виплавки високоякісних сталей, виробництва синтетичного чавуну та в інших випадках. Для плавки можуть використовуватись тигельні горна, газові тигельні печі і індукційні тигельні печі.

У 18, 19 і на початку 20 століть при виплавці якісної ливарної сталі основним компонентом шихти для тигельної плавки сталі була цементова сталь або пудлінгова сталь (містили включення шлаку). Мілкі шматочки цих сталей переплавляли у тиглях. При тигельній плавці виходила чиста і однорідна за складом сталь (без включень шлаку). Її розливали у форми для одкржання заготовки або готового виробу. У всіх цих випадках процес полягав переважно лише у переплавці металу в тиглях.^[2]

Були також варіанти тигельні плавки сталі, при яких у тиглі відбувається більш складний процес. За Д. Мюшетом пулінгове зварне залізо переплавляється в тиглі з деревним вугіллям, кількість якого залежала від бажаної твердості сталі. В цьому процесі залізо, розчиняючи в собі вуглець вугілля, перетворювалося на сталь. Він також почав додавати в тигельну шихту оксиди марганцю — ввів операцію розкиснення сталі (1801). За способом Ухаціуса шихта складається з чавуну, залізної руди і перекису марганцю. Процес зі схожею шихтою запропонував Обухов (1857). У цих двох процесах окрім плавління відбувалося окислення чавуну і зневуглецювання металу.^[2]

Взагалі, тигельна плавка сталі полягає у плавленні чистої (без домішок сірки і фосфору) металевої шихти в закритих тиглях, кипінні металу і його заспокоюванні. Під час тигельної плавки розплавлений метал не контактує з пічними газами, що виключає можливість окислення металу і насичення його шкідливими газами. Тигельним процесом можна одержати будь-яку сталь (за винятком м'яких — через високу температуру плавлення).^{[3] :114} Тигельна плавка сталі має такі недоліки — низьку продуктивність праці, високі вимоги до чистоти шихтових матеріалів, низьку стійкість тиглів (до 3 плавок), велику витрату палива та інші. Ці недоліки спричинили витиснення тигельного процесу іншими способами одержанння сталі.^[3]

Виплавлення кольорових металів

Тигельну плавку кольорових металів (сплавів) застосовують в основному в невеликих ливарних і ремонтних майстернях для отримання сплавів кольорових металів або для розплавлення металів і сплавів перед заливкою ливарних форм.

Для виплавки сплавів на цинковій, олов'яній та свинцевій основах у невеликій кількості застосовують зазвичай тигельні печі з електропідігрівом, а також печі, що обігріваються газом або мазутом. Тиглі використовують чавунні, сталеві або графітошамотні.

Плавка цинку і цинкових сплавів

Сплави типу ЦАМ при плавці в тиглях готують так. Перед завантаженням шихти тиглі добре прогрівають, а потім вводять приблизно 2/3 необхідної за розрахунком кількості цинку. Після розплавлення цинку вводять алюміній та мідь у вигляді лігатури (50 % Al та 50 % Cu). Додаткове підшихтування міді іноді проводиться латунними обрізками. Після розчинення лігатури сплав перемішують і при 450°С довантажують решту цинку (1/3 від загальної кількості), а потім, безпосередньо перед розливом, вводять магній. Магній у кількості до 0,1 % є стабілізатором та затримує розтріскування цинкових сплавів при природному старінні. Якщо у шихту додають відходи або сплав вийшов сильно окисленим і газонасиченим, то перед литтям розплав рафінують хлористим цинком. Плавку ведуть за температур 460—480°С. Перегрів сплаву вище 480°С не допускається, оскільки він сприяє зайвому окисленню, газонасиченню, відхиленню від хімічного складу та зниженню властивостей сплаву.^{[джерело?]}

Плавка олов'яних сплавів

З олов'яних сплавів у техніці знаходять застосування бабіти (Б83). Плавлять бабіти в тигельних печах, що обігріваються газом або електрикою. Краще їх плавити в чавунних тиглях (з природолегованих хромонікелевих чавунів), оскільки сталь порівняно швидко роз'їдається олов'яними сплавами. При плавці Б83 в очищений і підігрітий до темно-червоного гартування (600—700 ° С) тигель завантажують мідяносурм'яну лігатуру (50 % Cu і 50 % Sb), сурму і приблизно 1/3 олова від загальної кількості всієї маси. Плавку ведуть під шаром дрібного прожареного деревного вугілля. Температуру розплаву доводять до 600—700 ° С, зчищають шлак, що утворився, і вводять по частинах інше олово. Дають сплаву відстоятися протягом 10-15 хв при 500—550 ° С, потім енергійно перемішують і виливають рідкий метал у металеві виливниці при 425—450 ° С. Малоолов'яні бабіти готують у подібній послідовності, тобто спочатку розплавляють лігатуру мідь-сурма, частину олова і 1/2 відходів (якщо вони входять у шихту). Сплав перегрівають (під шаром деревного вугілля) до 600—700 ° С, вводять свинець та інше олово. Перед розливом ретельно перемішують метал, зчищають шлак і виливають у виливниці при 500—520°С. ^{[джерело?]}

Плавка свинцевих сплавів

Свинцеві метали готують у тих самих печах, як і олов'яні. Печі мають бути обладнані гарною витяжкою. Процес приготування сплавів складається із сплавлення складових шихти та очищення розплаву від шкідливих домішок (рафінування). Спочатку в тигель завантажують 3/4 всієї кількості свинцю (за розрахунком) та відходи. Після розплавлення на поверхню завантажують дрібне деревне вугілля. При 500—550 ° С завантажують сурму або лігатуру мідь-сурма (якщо до складу сплаву входить мідь). Після розчинення раніше завантаженої шихти в тигель завантажують решту свинцю, перемішують розплав і починають очищення (рафінування) металу від окисних та інших неметалевих включень шляхом. Після зняття з поверхні металу шлаку вводять за розрахунком олово, сплав ретельно перемішують і розливають у чавунні виливниці. ^{[джерело?]}

Плавка міді

У тиглях мідь виплавляють лише при невеликих обсягах виробництва.

Див. також

• Тигельна сталь