Тигель - Crucible
Тигель представляет собой керамический или металлический контейнер , в котором металлы или другие вещества могут быть расплавлены или подвергнуты очень высокими температурами. Хотя исторически тигли обычно делали из глины , их можно изготавливать из любого материала, который выдерживает достаточно высокие температуры, чтобы плавиться или иным образом изменять его содержимое.
История
Типология и хронология
Форма тигля менялась с течением времени, и дизайн отражал процесс, для которого они используются, а также региональные различия. Самые ранние формы тиглей восходят к шестому / пятому тысячелетию до нашей эры в Восточной Европе и Иране .
Энеолит
Тигли, используемые для плавки меди, как правило, представляли собой широкие мелкие сосуды, сделанные из глины, не имеющей огнеупорных свойств, аналогичных типам глины, использовавшейся в другой керамике того времени. В период энеолита тигли нагревали сверху с помощью паяльных труб. Керамические тигли того времени претерпели небольшие изменения в конструкции, такие как ручки, ручки или разливочные носики, что упростило обращение с ними и их разливку. Ранние примеры этой практики можно увидеть в Фейнане, Иордания. Эти тигли имеют дополнительные ручки для облегчения манипуляций, однако из-за плохой сохранности тиглей нет никаких признаков разливочного желоба. Основная цель тигля в этот период заключалась в том, чтобы удерживать руду в области, где было сконцентрировано тепло, чтобы отделить ее от примесей перед формованием.
Тигель печи знакомство с 2300-1900 до н.э. для бронзового литья было обнаружено в религиозном участке от Кермы .
Железный век
Использование тиглей в железном веке остается очень похожим на использование тиглей в бронзовом веке , когда для производства бронзы использовалась плавка меди и олова . Конструкции тиглей железного века остались такими же, как и тигли бронзового века.
Римский период показывает технические инновации, когда для производства новых сплавов используются тигли для новых методов. Процесс плавки и плавки также изменился как в технике нагрева, так и в конструкции тигля. Тигель превратился в сосуды с округлым или заостренным дном, имеющие более коническую форму; они нагревались снизу, в отличие от доисторических типов, которые имели неправильную форму и нагревались сверху. Эти конструкции обеспечивали большую устойчивость угля. Эти тигли в некоторых случаях имеют более тонкие стенки и более огнеупорные свойства.
В римский период начался новый процесс металлообработки - цементация , использовавшаяся при производстве латуни . Этот процесс включает сочетание металла и газа для получения сплава. Латунь производится путем смешивания твердой металлической меди с оксидом или карбонатом цинка, который имеет форму каламина или смитсонита . Он нагревается примерно до 900 ° C, оксид цинка испаряется в газ, и газообразный цинк связывается с расплавленной медью. Эта реакция должна происходить в частично закрытом или закрытом контейнере, иначе пары цинка улетучатся, прежде чем они вступят в реакцию с медью. Поэтому тигли для цементации имеют крышку или колпачок, ограничивающий потери газа из тигля. Конструкция тигля аналогична плавильным и плавильным тиглям того периода, в которых используется тот же материал, что и плавильные и плавильные тигли. Коническая форма и небольшой горлышко позволили добавить крышку. Эти маленькие тигли можно увидеть в Colonia Ulpia Trajana (современный Ксантен ), Германия, где тигли имеют размер около 4 см, однако это небольшие примеры. Есть примеры более крупных сосудов, таких как кастрюли и амфоры, которые используются для цементирования при переработке большего количества латуни; поскольку реакция протекает при низких температурах, можно использовать керамику с более низким обжигом. Используемые керамические сосуды важны, так как сосуд должен пропускать газ через стенки, иначе давление может разрушить сосуд. Сосуды для цементации производятся серийно из-за того, что тигли необходимо вскрывать, чтобы удалить латунь после завершения реакции, так как в большинстве случаев крышка прилипла к емкости или латунь могла прилипнуть к стенкам емкости.
Средневековый период
Плавка и плавка меди и ее сплавов, таких как свинцовая бронза, выплавлялись в тиглях, похожих на тигли римского периода, которые имели более тонкие стенки и плоское дно, чтобы находиться внутри печей. 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 литейного производства колокола должны были быть больше, примерно на 60 см. Эти более поздние средневековые тигли были продуктом более массового производства.
Процесс цементирования, который был утерян с конца римского до раннего средневековья, продолжился таким же образом с медью. Производство латуни увеличивалось в средневековый период из-за лучшего понимания технологии, лежащей в основе этого. Кроме того, процесс цементирования латуни существенно не изменился до 19 века.
Однако в этот период произошли огромные и очень важные технологические инновации с использованием процесса цементирования, производства тигельной стали . Производство стали с использованием железа и углерода аналогично производству латуни, при этом металлическое железо смешивается с углеродом для производства стали. Первыми примерами цементирующей стали является сталь Wootz из Индии, где тигли были заполнены высококачественным низкоуглеродистым кованым железом и углеродом в виде органических веществ, таких как листья, древесина и т. Д. Однако в тигле не использовался древесный уголь. Эти первые тигли производили лишь небольшое количество стали, так как их пришлось бы сломать после завершения процесса.
К концу средневековья производство стали переместилось из Индии в современный Узбекистан, где для производства стальных тиглей использовались новые материалы, например, были внедрены муллитовые тигли. Это были тигли из песчаной глины, которые были сформированы вокруг тканевой трубки. Эти тигли использовались так же, как и другие емкости для цементации, но с отверстием в верхней части емкости, позволяющим сбрасывать давление.
Пост-средневековье
В конце средневековой эры и в пост-средневековую эру появились новые типы конструкций и процессов тиглей. Типы плавильных и плавильных тиглей стали более ограниченными в конструкции, которую изготавливают несколько специалистов. Основными типами, использовавшимися в постсредневековый период, являются гессенские тигли, которые были изготовлены в регионе Гессен в Германии. Это треугольные сосуды, сделанные на круге или в форме из глинозема с добавлением чистого кварцевого песка. Кроме того, в то же время был изготовлен еще один специализированный тигель из графитового тигля из южной Германии. Они имеют очень похожую конструкцию на треугольные тигли из Гессена, но также имеют коническую форму. Эти тигли продавались по всей Европе и в Новом Свете .
Совершенствование методов в средневековый и постсредневековый периоды привело к изобретению чаши, напоминающей маленькую чашку для яиц, сделанную из керамики или костяной золы, которая использовалась для отделения неблагородных металлов от благородных металлов. Этот процесс известен как купелирование . Купелирование началось задолго до постсредневекового периода, однако первые сосуды, предназначенные для этого процесса, появились в 16 веке. Другой сосуд, используемый для того же процесса, представляет собой скорификатор, который похож на купель, но немного больше, он удаляет свинец и оставляет благородные металлы. Купели и скорификаторы производились серийно, так как после каждого восстановления сосуды поглощали весь свинец и становились полностью насыщенными. Эти сосуды также использовались в процессе металлургического анализа, когда благородные металлы удаляли из монеты или веса металла, чтобы определить количество благородных металлов в объекте.
Современное использование
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 над пламенем тигель часто удерживается внутри треугольника, который сам держится на штативе.
Тигли и их крышки изготавливаются из жаропрочных материалов, обычно из фарфора , оксида алюминия или инертного металла . Одним из первых применений платины было изготовление тиглей. Керамика, такая как оксид алюминия , диоксид циркония и особенно магнезия , выдерживает самые высокие температуры. Совсем недавно стали использовать такие металлы, как никель и цирконий . Крышки обычно не плотно прилегают, чтобы позволить газам выходить во время нагрева образца внутри. Тигли и их крышки могут иметь большую и низкую форму и различных размеров, но для гравиметрического химического анализа обычно используются довольно маленькие фарфоровые тигли размером от 10 до 15 мл . Эти маленькие тигли и их крышки из фарфора довольно дешевы, когда продаются в больших количествах в лаборатории, и тигли иногда утилизируют после использования для точного количественного химического анализа. Когда они продаются по отдельности в магазинах для хобби, обычно существует большая наценка .
В области химического анализа, тигли используются в количественном гравиметрическом химическом анализе (анализ путем измерения массы в качестве анализируемого вещества или его производного). Обычное использование тигля может быть следующим. Остаток или осадок в методе химического анализа можно собрать или отфильтровать от образца или раствора на специальной «беззольной» фильтровальной бумаге . Используемые тигель и крышка очень точно взвешиваются на аналитических весах . После некоторой возможной промывки и / или предварительной сушки этого фильтрата остаток на фильтровальной бумаге можно поместить в тигель и обжигать (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 выгорает. Тигель с образцом и крышкой охлаждают в эксикаторе . Тигель и крышка с образцом внутри снова очень точно взвешиваются только после того, как он полностью остынет до комнатной температуры (более высокая температура может вызвать воздушные потоки вокруг весов, что приведет к неточным результатам). Масса пустого предварительно взвешенного тигля и крышки вычитается из этого результата, чтобы получить массу полностью высушенного остатка в тигле.
Тигель с дном, перфорированным с небольшими отверстиями, который разработан специально для использования в фильтрации, особенно для гравиметрического анализа, как только что описано, называется тиглем Гуча в честь его изобретателя Фрэнка Остина Гуча .
Для получения абсолютно точных результатов с тиглем следует обращаться с чистыми щипцами, поскольку отпечатки пальцев могут добавить в тигель взвешиваемую массу. Фарфоровые тигли гигроскопичны , т. Е. Поглощают из воздуха небольшое количество взвешенной влаги. По этой причине фарфоровый тигель и крышка также предварительно обжигаются (предварительный нагрев до высокой температуры) до постоянной массы перед предварительным взвешиванием. Это определяет массу полностью сухого тигля и крышки. По крайней мере, два обжига, охлаждения и взвешивания, дающие точно такую же массу, необходимы для подтверждения постоянной (полностью сухой) массы тигля и крышки, и аналогично для тигля, крышки и остатков пробы внутри. Поскольку масса каждого тигля и крышки различна, предварительный обжиг / предварительное взвешивание необходимо проводить для каждого нового используемого тигля / крышки. В эксикаторе содержится влагопоглотитель для поглощения влаги из воздуха внутри, поэтому воздух внутри будет полностью сухим.
Смотрите также
использованная литература
Библиография
- Крэддок П., 1995, Добыча и производство ранних металлов , Edinburgh University Press Ltd, Эдинбург
- Хауптманн А., Т. Ререн и Шмитт-Штрекер С., 2003 г., Металлургия меди в эпоху ранней бронзы в Шахр-и Сохта (Иран) , пересмотрено, Т. Столлнер, Г. Корлин, Г. Стеффенс и Дж. Цирни, ред. , Человек и горное дело, этюды в честь Герда Вайсгербера по случаю его 65-летия, Deutsches Bergbau Museum, Бохум
- Мартинон-Торрес М. и Ререн Т., 2009, Постсредневековое производство и распространение тиглей: исследование материалов и материалов , Археометрия, том 51, № 1, с. 49–74
- О. Фаолейн С., 2004, Производство бронзовых артефактов в Ирландии позднего бронзового века : обзор, Британский археологический отчет, британская серия 382, Archaeopress, Oxford
- Rehren, Th. и Папахристу, О., 2000, Передовые технологии - Ферганский процесс плавки средневековой тигельной стали , Металла, Бохум, 7 (2) стр. 55–69.
- Ререн Т. и Торнтон К. П., 2009 г., Настоящий огнеупорный тигель из Тепе-Хиссара четвертого тысячелетия, Северо-Восточный Иран , Журнал археологической науки, т. 36, стр. 2700–2712.
- Rehren Th., 1999, Производство римской латуни в малых и больших масштабах в Нижней Германии , Журнал археологических наук, т. 26, стр 1083–1087
- Rehren Th., 2003, Crucibles как реакционные сосуды в древней металлургии , Ed in P. Craddock & J. Lang, Mining and Metal Production Through the Ages, British Museum Press, London pp207–215
- Робертс Б.В., Торнтон С.П. и Пиготт В.К., 2009, Развитие металлургии в Евразии , Antiquity Vol. 83 с. 1012–1022
- Шил Б., 1989, Египетская металлообработка и инструменты , Shire Egyptology, Bucks
- Вавелидис М. и Андреу С., 2003, Золото и золото, добываемое в Северной Греции позднего бронзового века , Naturwissenschaften, Vol. 95, стр. 361–366
- Цвикер У., Грейнер Х., Хофманн К. и Райтингер М., 1985, Плавка, рафинирование и легирование меди и медных сплавов в тигельных печах от доисторических времен до римских времен , П. Крэддок и М. Хьюз, Печи и технология плавки in Antiquity, Британский музей, Лондон