stringtranslate.com

тигель

Современный тигель, используемый при производстве кремниевых слитков по методу Чохральского.
Меньшие глиняно-графитовые тигли для плавки медных сплавов.

Тигель — это керамический или металлический контейнер, в котором металлы или другие вещества могут плавиться или подвергаться воздействию очень высоких температур . Хотя исторически тигли обычно изготавливались из глины , [1] они могут быть изготовлены из любого материала, который выдерживает достаточно высокие температуры, чтобы расплавиться или иным образом изменить его содержимое.

История

Типология и хронология

Форма тигля со временем менялась, причем дизайн отражал процесс, для которого они используются, а также региональные различия. Самые ранние тигельные формы относятся к шестому/пятому тысячелетию до нашей эры в Восточной Европе и Иране . [2]

энеолит

Тигли, используемые для выплавки меди , обычно представляли собой широкие неглубокие сосуды, сделанные из глины, лишенной огнеупорных свойств, аналогичных типам глины, используемым в другой керамике того времени. [3] В период энеолита тигли нагревались сверху с помощью паяльных трубок . [4] Керамические тигли того времени имели небольшие изменения в конструкции, такие как ручки, ручки или сливные носики [5] , что позволяло с ними легче обращаться и разливать. Ранние примеры этой практики можно увидеть в Фейнане, Иордания. [4] Эти тигли имеют дополнительные ручки для удобства манипулирования, однако из-за плохой сохранности тиглей нет никаких следов разливочного носика. Основным назначением тигля в этот период было удержание руды в зоне концентрации тепла для отделения ее от примесей перед формованием. [6]

Тигельная печь для литья бронзы , датируемая 2300–1900 гг. до н.э. , была найдена в религиозном месте Кермы . [7]

Железный век

Использование тиглей в железном веке остается очень похожим на использование тиглей в бронзовом веке , когда выплавка меди и олова использовалась для производства бронзы . Конструкция тиглей железного века осталась такой же, как и в бронзовом веке. [ нужна цитата ]

Римский период демонстрирует технические инновации: тигли для новых методов производства новых сплавов. Процесс плавки и плавления также менялся как в технике нагрева, так и в конструкции тигля. Тигель превратился в сосуды с округлым или заостренным дном, более конической формы; они нагревались снизу, в отличие от доисторических типов, которые имели неправильную форму и нагревались сверху. Эти конструкции обеспечивали большую стабильность древесного угля. [8] Эти тигли в некоторых случаях имеют более тонкие стенки и более тугоплавкие свойства. [9]

В римский период начался новый процесс обработки металлов — цементация , которая использовалась при производстве латуни . Этот процесс включает в себя соединение металла и газа для получения сплава. [10] Латунь изготавливается путем смешивания твердой металлической меди с оксидом или карбонатом цинка, который имеет форму каламина или смитсонита . [11] Его нагревают примерно до 900 °C, оксид цинка испаряется в газ, и газообразный цинк связывается с расплавленной медью. [12] Эта реакция должна происходить в частично закрытом или закрытом контейнере, иначе пары цинка уйдут, прежде чем они смогут вступить в реакцию с медью. Поэтому тигли для цементации имеют крышку или колпачок, ограничивающий потерю газа из тигля. Конструкция тигля аналогична плавильным и плавильным тиглям того периода, в которых использовался тот же материал, что и для плавильных и плавильных тиглей. Коническая форма и маленькое горлышко позволяли добавить крышку. Эти маленькие тигли можно увидеть в Колонии Ульпия Траяна (современный Ксантен ), Германия, где тигли имеют размер около 4 см, однако это небольшие примеры. [13] Есть примеры более крупных сосудов, таких как кастрюли и амфоры, которые используются для цементации для обработки большего количества латуни; поскольку реакция протекает при низких температурах, можно использовать керамику с меньшим обжигом. [6] Используемые керамические сосуды важны, поскольку сосуд должен иметь возможность терять газ через стенки, иначе давление разрушит сосуд. Сосуды для цементации производятся серийно из-за того, что тигли приходится разламывать, чтобы удалить латунь после завершения реакции, поскольку в большинстве случаев крышка пригорала к сосуду или латунь могла прилипнуть к стенкам сосуда.

Средневековый период

Плавка и плавка меди и ее сплавов, таких как свинцовистая бронза, производилась в тиглях, аналогичных тиглям римского периода, которые имели более тонкие стенки и плоские основания для размещения в печах. Технология этого типа плавки начала меняться в конце средневековья с появлением нового материала для закалки керамических тиглей. Некоторые из этих тиглей из медного сплава использовались при изготовлении колоколов. Тигли для колокольного литья должны были быть больше - около 60 см. [14] Эти более поздние средневековые тигли были продуктом более массового производства.

Процесс цементации, который был утрачен с конца римского периода до начала средневековья, продолжался таким же образом и с латунью. Производство латуни увеличилось в средневековый период из-за лучшего понимания лежащей в его основе технологии. Более того, процесс цементации латуни не сильно менялся до 19 века. [15]

Однако в этот период произошла обширная и очень важная технологическая инновация, связанная с процессом цементации, производством тигельной стали . Производство стали с использованием железа и углерода работает аналогично латуни: металлическое железо смешивается с углеродом для получения стали. Первыми примерами стали с цементацией являются сталь Wootz из Индии [16] , где тигли были заполнены высококачественным низкоуглеродистым кованым железом и углеродом в виде органических веществ, таких как листья, древесина и т. д. Однако при этом древесный уголь не использовался. тигель. Эти первые тигли давали лишь небольшое количество стали, поскольку их приходилось разбивать после завершения процесса.

К периоду позднего средневековья производство стали переместилось из Индии в современный Узбекистан, где для производства стальных тиглей использовались новые материалы, например, были представлены тигли из муллита. [17] Это были тигли из песчаной глины, сформированные вокруг тканевой трубки. [17] Эти тигли использовались так же, как и другие сосуды для цементации, но с отверстием в верхней части сосуда для сброса давления.

Пост-средневековье

В конце средневековой эпохи и в постсредневековую эпоху появились новые типы конструкций и процессов тиглей. Типы плавильных и плавильных тиглей стали более ограниченными в конструкциях, которые производятся несколькими специалистами. Основными типами, использовавшимися в период постсредневековья, являются гессенские тигли , которые производились в регионе Гессен в Германии. Это треугольные сосуды, изготовленные на круге или в форме из высокоглиноземистой глины и закаленные чистым кварцевым песком. [18] Кроме того, в то же время был изготовлен еще один специализированный тигель — графитовый тигель из южной Германии. Они имели конструкцию, очень похожую на треугольные тигли из Гессена, но встречаются и конические формы. Эти тигли продавались по всей Европе и Новому Свету .

Совершенствование методов в средневековый и постсредневековый периоды привело к изобретению купеля, напоминающего небольшую подставку для яиц, сделанную из керамической или костяной золы, которая использовалась для отделения неблагородных металлов от благородных. Этот процесс известен как купелирование . Купелирование началось задолго до периода постсредневековья, однако первые сосуды, предназначенные для этого процесса, появились в 16 веке. [19] Другой сосуд, используемый для того же процесса, - это скорификатор, похожий на купель, но немного большего размера, который удаляет свинец и оставляет после себя благородные металлы. Купели и скарификаторы производились массово, поскольку после каждого восстановления сосуды поглощали весь свинец и полностью насыщались. Эти сосуды также использовались в процессе металлургического анализа , когда благородные металлы удалялись из монеты или гири металла, чтобы определить количество благородных металлов внутри объекта.

Современное использование

Тигли, используемые по методу Чохральского.
Плавление золота в графитовом тигле
Три тигля, использованные Томасом Эдисоном

Тигель используется в лаборатории для содержания химических соединений при нагревании до чрезвычайно высоких температур . Тигли доступны в нескольких размерах и обычно поставляются с крышкой соответствующего размера . При нагревании на огне тигель часто помещают внутри глиняного треугольника , который удерживается на треноге.

Тигли и их крышки изготавливаются из жаростойких материалов, обычно из фарфора , глинозема или инертного металла . Одним из первых применений платины было изготовление тиглей. Керамика, такая как оксид алюминия , цирконий и особенно магнезия , выдерживает самые высокие температуры. Совсем недавно стали использоваться такие металлы, как никель и цирконий . Крышки обычно имеют свободную посадку, что позволяет газам выходить во время нагревания образца внутри. Тигли и их крышки могут иметь высокую и низкую форму и различные размеры, но для гравиметрического химического анализа обычно используются довольно небольшие фарфоровые тигли размером от 10 до 15 мл . Эти небольшие по размеру тигли и их фарфоровые крышки довольно дешевы при продаже в больших количествах лабораториям, а тигли иногда утилизируются после использования в точном количественном химическом анализе. Обычно существует большая наценка, когда они продаются по отдельности в магазинах для хобби .

В области химического анализа тигли используются при количественном гравиметрическом химическом анализе (анализе путем измерения массы аналита или его производного) . Обычное использование тигля может быть следующим. Остаток или осадок при химическом методе анализа можно собрать или отфильтровать из какой-либо пробы или раствора на специальной «беззольной» фильтровальной бумаге . Используемый тигель и крышку предварительно очень точно взвешивают на аналитических весах . После некоторой возможной промывки и/или предварительной сушки этого фильтрата остаток на фильтровальной бумаге можно поместить в тигель и обжечь (нагреть до очень высокой температуры) до тех пор, пока все летучие вещества и влага не будут удалены из остатка пробы в тигле. тигель. «Беззольная» фильтровальная бумага при этом полностью сгорает. Тиглю с образцом и крышкой дают остыть в эксикаторе . Тигель и крышку с образцом внутри снова взвешивают очень точно только после того, как они полностью остынут до комнатной температуры (более высокая температура может вызвать появление воздушных потоков вокруг весов, что приведет к неточным результатам). Из этого результата вычитают массу пустого, предварительно взвешенного тигля и крышки, чтобы получить массу полностью высушенного остатка в тигле.

Тигель с дном, перфорированным небольшими отверстиями, которые предназначены специально для использования при фильтрации, особенно для гравиметрического анализа, как только что описано, называется тиглем Гуча по имени его изобретателя Фрэнка Остина Гуча .

Для достижения абсолютно точных результатов с тиглем нужно обращаться чистыми щипцами , поскольку отпечатки пальцев могут увеличить вес тигля. Фарфоровые тигли гигроскопичны , т. е. поглощают из воздуха небольшое количество взвешенной влаги. По этой причине перед предварительным взвешиванием фарфоровый тигель и крышку также подвергают предварительному обжигу (предварительный нагрев до высокой температуры) до постоянной массы. От этого зависит масса полностью сухого тигля и крышки. Для подтверждения постоянной (абсолютно сухой) массы тигля и крышки необходимо как минимум два обжига, охлаждения и взвешивания, в результате чего будет получена точно такая же масса, а также для тигля, крышки и остатка пробы внутри. Поскольку масса каждого тигля и крышки различна, предварительный обжиг/предварительное взвешивание необходимо проводить для каждого нового используемого тигля/крышки. Эксикатор содержит осушитель для поглощения влаги из воздуха внутри, поэтому воздух внутри будет полностью сухим.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Перси, Джон . Природные огнеупорные материалы, используемые при изготовлении тиглей, реторт, горшков и т. д. Металлургия. Лондон: У. Клоуз и сыновья, 1861. 208–09. Распечатать.
  2. ^ Пиготт, Винсент К. «Периоды неолита (ок. 7500–5500 до н.э.) и калтолита (ок. 5500–3200 до н.э.)». Археометаллургия азиатского Старого Света. Филадельфия: Археологический музей Университета Пенсильвании, 1999. 73–74. Google Scholar. Веб.
  3. ^ Ререн Т. и Торнтон С.П., 2009, Поистине огнеупорный тигель четвертого тысячелетия, Тепе Хисар, Северо-Восточный Иран , Журнал археологической науки, Том. 36, стр. 2700–2712.
  4. ^ ab Гауптманн А., 2003, Развитие медной металлургии в четвертом и третьем тысячелетиях до нашей эры в Фейнане , Джордан, П. Крэддок и Дж. Ланг, ред., Горное дело и производство металлов на протяжении веков, British Museum Press, Лондон, стр. 93– 100
  5. ^ Бэйли и Ререн 2007: стр. 47.
  6. ^ ab Rehren Th., 2003, Тигли как реакционные сосуды в древней металлургии , под ред. П. Крэддока и Дж. Ланга, Горное дело и производство металлов на протяжении веков, British Museum Press, Лондон, стр. 207–215.
  7. ^ Чайлдс, Т; Киллик, Д. (1993). «Коренная африканская металлургия: природа и культура». Ежегодный обзор антропологии . 22 : 317–337. doi : 10.1146/annurev.an.22.100193.001533. JSTOR  2155851.
  8. ^ Бэйли и Ререн 2007: стр. 49.
  9. ^ Тайлекот 1976: стр. 20.
  10. ^ Цвикер и др. 1985: стр. 107.
  11. ^ Ререн 2003: стр. 209.
  12. ^ Ререн 1999: стр. 1085.
  13. ^ Ререн Т., 1999, Малый размер, крупномасштабное производство римской латуни в Нижней Германии , Журнал археологических наук, Том. 26, стр. 1083–1087.
  14. ^ Тайлекот 1976: стр. 73.
  15. ^ Крэддок П., 1995, Добыча и производство ранних металлов , Edinburgh University Press Ltd, Эдинбург
  16. ^ Крэддок 1995: стр. 276.
  17. ^ Аб Ререн, Th. и Папахристу О., 2000, Передовые технологии – Ферганский процесс средневековой тигельной выплавки стали , Metalla, Бохум, 7(2), стр. 55–69.
  18. ^ Мартинон-Торрес М. и Ререн Т., 2009, Производство и распространение тиглей в постсредневековом мире: исследование материалов и материальностей , Археометрия, том 51, № 1, стр. 49–74.
  19. ^ Ререн 2003: стр. 208.

Библиография

  1. Крэддок П., 1995, Добыча и производство ранних металлов , Edinburgh University Press Ltd, Эдинбург
  2. Гауптманн А., Т. Ререн и Шмитт-Стрекер С., 2003, Металлургия меди раннего бронзового века в Шахр-и-Сохта (Иран) , пересмотренное рассмотрение, Т. Столлнер, Г. Корлин, Г. Стеффенс и Дж. Сирни, ред. , Человек и горное дело, этюды в честь Герда Вайсгербера по случаю его 65-летия, Немецкий музей Бергбау, Бохум
  3. Мартинон-Торрес М. и Ререн Т., 2009, Производство и распространение постсредневековых тиглей: исследование материалов и материальностей , Археометрия, том 51, № 1, стр. 49–74.
  4. О. Фаолейн С., 2004, Производство бронзовых артефактов в Ирландии позднего бронзового века : обзор, Британский археологический отчет, Британская серия 382, ​​Archaeopress, Оксфорд
  5. Ререн, Т. и Папахристу О., 2000, Передовые технологии – Ферганский процесс средневековой тигельной выплавки стали , Metalla, Бохум, 7(2), стр. 55–69.
  6. Ререн Т. и Торнтон К.П., 2009, Поистине огнеупорный тигель четвертого тысячелетия, Тепе-Хиссар, Северо-Восточный Иран , Журнал археологической науки, Том. 36, стр. 2700–2712.
  7. Ререн Т., 1999, Малый размер, крупномасштабное производство римской латуни в Нижней Германии , Журнал археологических наук, Том. 26, стр. 1083–1087.
  8. Ререн Т., 2003, Тигли как реакционные сосуды в древней металлургии , под ред. П. Крэддока и Дж. Ланга, Горное дело и производство металлов на протяжении веков, British Museum Press, Лондон, стр. 207–215.
  9. Робертс Б.В., Торнтон С.П. и Пиготт В.К., 2009, Развитие металлургии в Евразии , Antiquity Vol. 83 стр. 1012–1022
  10. Шил Б., 1989, Египетская металлообработка и инструменты , Ширская египтология, Бакс.
  11. Вавелидис М. и Андреу С., 2003, Золото и обработка золота в Северной Греции позднего бронзового века , Naturwissenschaften, Vol. 95, стр. 361–366.
  12. Цвикер У., Грейнер Х., Хофманн К. и Райтингер М., 1985, Плавка, рафинирование и легирование меди и медных сплавов в тигельных печах в период от доисторических до римских времен , П. Крэддок и М. Хьюз, Печи и технология плавки в древности, Британский музей, Лондон