Тигли для плавки цветных металлов: полное руководство по выбору

Плавильный тигель — ключевой элемент литейного производства, от которого напрямую зависит качество расплава и эффективность технологического процесса. Выбор тигля определяется типом печи, температурой плавления металла и требованиями к стойкости материала. В этом руководстве рассмотрены все основные типы тиглей для плавки меди, алюминия, бронзы, латуни, цинка и благородных металлов.

Материалы плавильных тиглей: графит и карбид кремния

Современные плавильные тигли изготавливают из композиционных материалов на основе графита и карбида кремния (SiC) с огнеупорным глиняным связующим. Каждый компонент выполняет определённую функцию:

Графит обеспечивает высокую теплопроводность, электропроводность и термостойкость. Материал химически инертен к большинству цветных металлов, однако растворяется в расплавленном железе — поэтому графитосодержащие тигли не применяют для плавки чугуна и стали. При доступе кислорода графит начинает окисляться при температуре около 600°C, что требует нанесения защитной глазури на внешнюю поверхность тигля.

Карбид кремния значительно повышает механическую прочность, износостойкость и стойкость к термоударам. Тигли с высоким содержанием SiC выдерживают температуры до 1600–1650°C и служат в 5–10 раз дольше стандартных графитовых изделий.

Огнеупорная глина служит связующим компонентом, обеспечивая формуемость и целостность изделия при высокотемпературной обработке.

Технология изостатического прессования

Качественные тигли формуют методом изостатического прессования под высоким давлением. Этот способ, запатентованный в 1964 году, обеспечивает равномерную плотность материала по всему объёму изделия, что критически важно для работы при циклических температурных нагрузках. Равномерная структура предотвращает образование трещин и увеличивает ресурс тигля.

Типы материалов по назначению

В зависимости от состава и области применения различают несколько категорий материалов:

Универсальные графитовые — для любого типа нагрева и металла, оптимальны для цинка и латуни, а также для индукционных печей при интенсивной обработке расплава.

Графитовые с повышенной стойкостью к окислению — для плавки и подогрева алюминия в электропечах при температурах менее 800°C. Обладают увеличенным сроком службы.

С высоким содержанием SiC (40–60%) — высокопроизводительные тигли для электропечей и газовых печей при температурах 750–1100°C. Отличаются высокой прочностью и стойкостью к коррозии расплавом.

SiC для высокотемпературных режимов — для сплавов алюминия и меди в газовых, электрических печах и печах на жидком топливе при температурах выше 1000°C. Высокая стойкость к термоударам.

Сверхтермостойкие SiC — для благородных металлов и работы при максимальных температурных нагрузках. Выдерживают резкие перепады температур.

Температурные диапазоны и выбор металла

Выбор типа тигля определяется температурой плавления обрабатываемого металла. Рабочая температура в печи обычно на 100–150°C выше температуры плавления металла:

400–600°C — сплавы цинка (температура плавления цинка 419,5°C). Применяют универсальные графитовые тигли.

600–800°C — алюминий и его сплавы (температура плавления чистого алюминия 660°C). Оптимальны тигли с повышенной стойкостью к окислению для электропечей.

750–1100°C — сплавы алюминия и латуни. Применяют тигли SiC с высокой прочностью и теплопроводностью.

1000–1200°C — бронза, золото, серебро. Температура плавления латуни составляет 880–950°C, бронзы — 900–1140°C. Требуются тигли с высокой стойкостью к температурным изменениям.

1200–1500°C — медь, никелевые бронзы, чугун. Температура плавления меди — 1083–1085°C. Применяют сверхтермостойкие тигли с максимальным содержанием SiC.

Тигли для стационарных плавильных печей

Стационарные печи — наиболее распространённый тип оборудования для плавки цветных металлов. По способу нагрева различают электрические печи сопротивления, газовые печи и печи на жидком топливе. Для стационарных печей применяют тигли форм A, B, BU и C.

Тигли формы A — коническая форма

Классическая коническая форма с плавным сужением ко дну. Применяются для плавки меди, бронзы, латуни и других медных сплавов. Размерный ряд охватывает ёмкости от минимальных (для лабораторных целей) до 2000 кг по меди.

Геометрические параметры формы A:

• A 10 — высота 200 мм, наружный диаметр 160 мм, внутренний диаметр 115 мм
• A 50 — высота 330 мм, наружный диаметр 270 мм, внутренний диаметр 195 мм
• A 100 — высота 400 мм, наружный диаметр 325 мм, внутренний диаметр 230 мм
• A 200 — высота 500 мм, наружный диаметр 400 мм, внутренний диаметр 285 мм
• A 500 — высота 650 мм, наружный диаметр 510 мм, внутренний диаметр 350 мм
• A 1000 — высота 820 мм, наружный диаметр 635 мм, внутренний диаметр 420 мм
• A 2000 — высота 1250 мм, наружный диаметр 950 мм, внутренний диаметр 550 мм

Модификации формы A включают варианты AX, AXO, AXY с различными составами материала и типами глазури для конкретных условий эксплуатации.

Тигли формы B и BU — цилиндрическая форма для алюминия

Цилиндрические тигли с расширенным горлом оптимизированы для плавки алюминия и его сплавов. Форма B имеет классический цилиндрический профиль, форма BU — модифицированный профиль с увеличенной высотой для крупносерийного производства.

Параметры тиглей формы B (ёмкость указана по алюминию):

• B 35 — высота 345 мм, наружный диаметр 395 мм, внутренний диаметр 200 мм
• B 100 — высота 400 мм, наружный диаметр 525 мм, внутренний диаметр 255 мм
• B 200 — высота 600 мм, наружный диаметр 525 мм, внутренний диаметр 255 мм
• B 800 — высота 700 мм, наружный диаметр 730 мм, внутренний диаметр 380 мм
• B 1200 — высота 900 мм, наружный диаметр 780 мм, внутренний диаметр 350 мм

Тигли BU предназначены для больших объёмов — от 100 до 900 кг по алюминию. Модификация BUK адаптирована для наклоняющихся печей с механизмом кантования.

Тигли формы C — компактная коническая форма

Компактные конические тигли для плавки медных сплавов в печах с ограниченным рабочим пространством. Размерный ряд от 50 до 200 кг по меди:

• C 50 — высота 370 мм, наружный диаметр 250 мм, внутренний диаметр 180 мм
• C 100 — высота 480 мм, наружный диаметр 295 мм, внутренний диаметр 210 мм
• C 150 — высота 550 мм, наружный диаметр 330 мм, внутренний диаметр 240 мм
• C 200 — высота 600 мм, наружный диаметр 350 мм, внутренний диаметр 250 мм

Тигли для наклоняющихся (поворотных) печей

Наклоняющиеся печи позволяют выливать расплав путём поворота всей конструкции, что обеспечивает контролируемый слив металла и минимизирует контакт расплава с атмосферой. Для таких печей применяют тигли с интегрированным сливным носком — формы K, KF и TP.

Тигли формы K — со сливным носком

Коническая форма с формованным сливным носком для направленного слива расплава. Размерный ряд от 100 до 600 кг по меди:

• K 100 — высота 520 мм, наружный диаметр 290 мм, внутренний диаметр 200 мм
• K 200 — высота 620 мм, наружный диаметр 350 мм, внутренний диаметр 250 мм
• K 350 — высота 750 мм, наружный диаметр 450 мм, внутренний диаметр 290 мм
• K 500 — высота 840 мм, наружный диаметр 465 мм, внутренний диаметр 320 мм
• K 600 — высота 940 мм, наружный диаметр 485 мм, внутренний диаметр 320 мм

Модификации KX, KXO, KXY различаются составом материала и глазури.

Тигли формы KF — с расширенным сливным носком

Увеличенная ёмкость и расширенный сливной носок для больших объёмов производства. Размерный ряд от 200 до 2500 кг по меди:

• KF 200 — высота 770 мм, наружный диаметр 350 мм, внутренний диаметр 260 мм
• KF 500 — высота 990 мм, наружный диаметр 485 мм, внутренний диаметр 320 мм
• KF 1000 — высота 1130 мм, наружный диаметр 590 мм, внутренний диаметр 370 мм
• KF 1500 — высота 1130 мм, наружный диаметр 680 мм, внутренний диаметр 395 мм
• KF 2000 — высота 1130 мм, наружный диаметр 785 мм, внутренний диаметр 435 мм
• KF 2500 — высота 1250 мм, наружный диаметр 800 мм, внутренний диаметр 435 мм

Тигли формы TP — с желобом для слива

Специализированные тигли с интегрированным сливным желобом. Выпускаются в двух исполнениях: с желобом и без желоба (для использования со съёмными желобами GR). Ёмкость от 75 до 1700 кг по меди.

Исполнение с желобом обеспечивает направленный слив расплава непосредственно в литейную форму. Длина желоба (L) варьируется от 95 до 200 мм в зависимости от типоразмера.

Примеры размеров TP с желобом:

• TP 173 — ёмкость 120 кг Cu, высота 490 мм, длина желоба 95 мм
• TP 723 — ёмкость 250 кг Cu, высота 635 мм, длина желоба 130 мм
• TP 12 — ёмкость 500 кг Cu, высота 940 мм, длина желоба 150 мм
• TP 16 — ёмкость 900 кг Cu, высота 970 мм, длина желоба 160 мм

Модификации TP для стыковки с тиглями BU позволяют организовать перелив расплава из раздаточной печи в транспортный ковш.

Тигли для индукционных плавильных печей

Индукционные тигельные печи — наиболее эффективный способ плавки цветных и благородных металлов. Нагрев осуществляется за счёт наведённых вихревых токов: в печах для чёрных металлов нагревается непосредственно металл, в печах для цветных металлов — графитовый тигель, который передаёт тепло загрузке.

Особенности тиглей для индукционных печей

К тиглям для индукционных печей предъявляются специфические требования:

Для плавки цветных металлов тигель должен обладать хорошей электропроводностью, поскольку он сам является нагревательным элементом. Графитовые тигли оптимальны для этой задачи благодаря высокой электропроводности графита.

Тигель должен иметь минимальную толщину стенки для эффективной передачи энергии электромагнитного поля.

Механическая прочность критична из-за воздействия металлостатического давления расплава и динамических нагрузок при загрузке.

Малый коэффициент теплового расширения необходим для предотвращения трещин при градиенте температур до 30 000°C/м в стенке тигля.

Тигли формы Z — цилиндрические для индукционных печей

Цилиндрическая форма с тонкими стенками, оптимизированная для индукционного нагрева. Размерный ряд от 330 до 3000 кг по меди:

• Z 111 — ёмкость 330 кг Cu, высота 530 мм, диаметры 387/383 мм
• Z 96 — ёмкость 390 кг Cu, высота 560 мм, диаметры 405/400 мм
• Z 100 — ёмкость 735 кг Cu, высота 880 мм, диаметры 425/420 мм
• Z 86 — ёмкость 835 кг Cu, высота 960 мм, диаметры 485/480 мм
• Z 79 — ёмкость 945 кг Cu, высота 980 мм, диаметры 525/495 мм
• Z 101 — ёмкость 1200 кг Cu, высота 1150 мм, диаметры 530/525 мм
• Z 182 — ёмкость 2400 кг Cu, высота 1550 мм, диаметры 620/610 мм
• Z 230 — ёмкость 3000 кг Cu, высота 1550 мм, диаметры 680/670 мм

Малая разница между наружным и внутренним диаметрами (5–30 мм) обеспечивает высокий электрический КПД печи и эффективную передачу энергии в расплав.

Литейные аксессуары для работы с тиглями

Эффективная работа плавильного участка требует комплекта вспомогательного оборудования из тех же огнеупорных материалов, что и тигли.

Ковши разливочные SK

Графитовые ковши для порционного отбора и разлива расплава. Оснащаются резьбовым креплением для установки на штангу. Размерный ряд:

• SK 1 — объём 0,13 л, резьба М10
• SK 2 — объём 0,33 л, резьба М16
• SK 3 — объём 0,50 л, резьба М16
• SK 4 — объём 0,60 л, резьба М16
• SK 5 — объём 0,75 л, резьба М16
• SK 6 — объём 1,50 л, резьба М16
• SK 7 — объём 1,20 л, резьба М16
• SK 8 — объём 2,20 л, резьба М16
• SK 9 — объём 3,20 л, резьба М16

Плунжеры TC для дегазации

Погружные плунжеры для перемешивания расплава и удаления газовых включений. Конструкция предусматривает центральный канал для подачи инертного газа:

• TC 1 — высота 90 мм, диаметр 65 мм
• TC 2 — высота 120 мм, диаметр 95 мм
• TC 3 — высота 160 мм, диаметр 95 мм
• TC 4 — высота 200 мм, диаметр 120 мм

Желоба GR для тиглей TP и BU

Съёмные сливные желоба для организации направленного слива расплава из тиглей без интегрированного носка. Модельный ряд:

• GR 18 — для тигля TP 287, длина 215 мм
• GR 19 — для тиглей TP 387 и TP 412, длина 275 мм
• GR 20 — для тигля TP 587, длина 275 мм
• GR 21 — для тигля BU 200, длина 400 мм
• GR 22 — для тигля BU 350, длина 460 мм
• GR 23 — для тигля BU 600, длина 460 мм

Защитные чехлы для термопар RY

Графитовые и карбидкремниевые трубки для защиты термопар от агрессивного воздействия расплава. Длина от 300 до 1000 мм, диаметры 20–60 мм. Модификации RYE, RYE 1, RYE 2 различаются типом резьбового соединения (1/2″, 3/4″, 3/8″).

Дегазационные трубы LA

Погружные трубы для подачи инертного газа (аргон, азот) в расплав с целью удаления растворённого водорода и неметаллических включений:

• LA 4 — длина 750 мм, диаметр 60 мм, резьба 1/2″
• LA 6 — длина 1000 мм, диаметр 60 мм, резьба 1/2″
• LA 5 — длина 1300 мм, диаметр 60 мм, резьба 1/2″
• LA 8 — длина 1500 мм, диаметр 60 мм, резьба 1/2″

Подставки UZ и UZK

Опорные подставки для установки тиглей в печь. Тип UZ — плоские подставки, тип UZK — с выступом для фиксации тигля. Матрица размеров охватывает высоты от 65 до 380 мм и диаметры от 280 до 440 мм.

Правила эксплуатации плавильных тиглей

Хранение и транспортировка

Тигли хранят в сухом помещении на специальных подставках. Категорически запрещается складывать тигли друг в друга — это приводит к сколам и трещинам. При транспортировке исключают удары, толчки и качение тигля по поверхности.

Установка в печь

Тигель устанавливают на плоскую подставку строго по центру печи. В газовых печах ось тигля располагают касательно к оси горелки для равномерного прогрева. В наклоняющихся печах обязательно применение удерживающих кирпичей для фиксации тигля.

Первый нагрев

Новый тигель прогревают постепенно до рабочей температуры без загрузки металла. Резкий нагрев холодного тигля приводит к термоудару и образованию трещин.

Загрузка металла

Металл загружают только в предварительно прогретый тигель. Порядок загрузки: сначала мелкие куски, затем крупные. Загрузку осуществляют вертикально с помощью клещей — бросать куски металла в тигель недопустимо.

Режим плавки

Тигель нагревают максимально быстро до рабочей температуры. Длительный нагрев на промежуточных температурах ускоряет окисление графита. Герметизация печи снижает потери тепла и продлевает срок службы тигля.

Обработка расплава

Флюсы и рафинирующие соли применяют минимально необходимыми порциями и вводят как можно позже в процессе плавки. Избыточная обработка солями агрессивно воздействует на материал тигля и сокращает его ресурс.

Очистка после плавки

Во время плавки шлаки и съёмы осторожно удаляют с поверхности расплава. После слива металла тигель полностью очищают от остатков. Запрещается оставлять затвердевший металл в тигле до следующей плавки.

Расчёт ёмкости тигля по металлу

Номинальная ёмкость тигля указывается в килограммах по меди (или алюминию для форм B/BU). Для пересчёта на другие металлы используют коэффициенты плотности:

• Медь — коэффициент 1,00 (базовый)
• Латунь — коэффициент 0,94–0,95
• Оловянная бронза — коэффициент 0,97–1,00
• Алюминиевая бронза — коэффициент 0,84–0,88
• Алюминий — коэффициент 0,30
• Цинк — коэффициент 0,80

Рабочее заполнение тигля составляет 80–85% от номинальной ёмкости. Переполнение ведёт к переливу расплава и повреждению печи.

Срок службы и факторы износа

Ресурс качественного тигля изостатического прессования составляет от 100 до 500 плавок в зависимости от условий эксплуатации. Основные факторы, сокращающие срок службы:

• Термоудары при резком нагреве/охлаждении
• Механические повреждения при загрузке
• Избыточная обработка расплава флюсами
• Окисление графита при неплотной герметизации печи
• Превышение максимальной рабочей температуры
• Работа с неполной загрузкой (локальный перегрев)

Тигли из карбида кремния с высоким содержанием SiC служат в 5–10 раз дольше стандартных графитовых при сопоставимых условиях эксплуатации.

Правильный выбор типа тигля, соответствующего конкретному типу печи и обрабатываемому металлу, в сочетании с соблюдением правил эксплуатации обеспечивает стабильное качество расплава, минимальный угар металла и экономически эффективную работу литейного участка. На сайте RusskijMetall.ru представлен полный ассортимент плавильных тиглей всех типов и размеров для стационарных, наклоняющихся и индукционных печей.