Het laadmateriaal is de grootste variabele kostenpost bij inductiesmelten en tevens de variabele die de smeltsnelheid, het energieverbruik en de metaalkwaliteit het meest direct beïnvloedt. Een zorgvuldig beheerd laadprogramma kan het energieverbruik met 10-15% verlagen en de smeltsnelheid met een vergelijkbaar percentage verbeteren, vergeleken met het gebruik van willekeurig beschikbaar schroot.
MONTE INTELLIGENCE levert aanbevelingen voor ladingsmaterialen als onderdeel van onze levering van inductieovens. Dit artikel behandelt de principes van ladingsselectie, -voorbereiding en -beheer voor het inductiesmelten van ijzer en staal.
Het materiaal dat gebruikt wordt voor inductiesmelten valt in verschillende categorieën: gieterijresten (gietkanalen, opstijgbuizen en schrootgietstukken van de eigen gieterij), aangekocht staalschroot (van schroothandelaren, meestal gesorteerd op kwaliteit), ruwijzer (zuiver ijzer uit hoogovens of directe reductie) en legeringsadditieven (ferro-legeringen, carburatiemiddelen en andere materialen die worden toegevoegd om de chemische samenstelling aan te passen).
De ideale lading is een mengsel dat de gewenste chemische samenstelling met minimale correcties oplevert, gelijkmatig smelt zonder brugvorming en de laagste kosten per ton vloeibaar metaal met zich meebrengt. Om dit ideaal te bereiken, is een evenwicht nodig tussen de metallurgische eigenschappen en de kosten van elk component van de lading.
De deeltjesgrootteverdeling van de lading is van belang voor de smeltefficiëntie in inductieovens. Het inductieverwarmingsmechanisme – wervelstromen die worden opgewekt door het wisselende magneetveld – dringt door in de lading tot een diepte die de referentiediepte wordt genoemd. Deze diepte is afhankelijk van de frequentie en de elektrische eigenschappen van het ladingsmateriaal. Voor ijzer bij 1000 Hz is de referentiediepte ongeveer 7 mm. De verwarming vindt voornamelijk plaats in deze oppervlaktelaag, waarna de warmte zich naar het inwendige van de lading geleidt.
Een lading bestaande uit grote, massieve stukken – bijvoorbeeld stalen ponsen met een diameter van 200 mm – verhit slechts tot 7 mm van het oppervlak, totdat de warmte naar het midden is geleid. Het oppervlak kan smelten terwijl het midden nog koud is, wat leidt tot brugvorming. Hierbij vormt een gedeeltelijk gesmolten stuk een boog over de ovenwand die voorkomt dat de rest van de lading in het smeltbad zakt. Een lading met een variatie aan afmetingen – van versnipperd schroot van 10 mm tot zwaar schroot van 150 mm – verdeelt zich gelijkmatiger in de oven en smelt efficiënter, omdat de kleinere stukken de ruimtes tussen de grotere stukken opvullen en de effectieve oppervlakte-volumeverhouding vergroten.
De reinheid van de lading is cruciaal voor de metaalkwaliteit en de levensduur van de ovenbekleding. Roest (ijzeroxide) verhoogt het slakvolume, verbruikt energie (de reductie van Fe2O3 tot Fe vereist koolstof en energie) en tast de silicabekleding aan (FeO is een vloeimiddel voor silica-vuurvast materiaal, waardoor de levensduur van de bekleding wordt verkort). Olie en vet op de lading produceren rook tijdens het smelten – een probleem voor de werkomgeving en de emissies – en kunnen waterstof in het metaal brengen, wat porositeit in gietstukken veroorzaakt. Zand en vuil op de lading verhogen het slakvolume zonder dat er winbaar metaal aan wordt toegevoegd.
Voorverwarmen van de lading is een techniek die wordt gebruikt in grotere inductieovens (vanaf ongeveer 5 ton) om de efficiëntie te verbeteren. Door de lading voor te verwarmen tot 400-600 °C wordt vocht verwijderd (waardoor het risico op stoomexplosies bij contact met het gesmolten bad wordt geëlimineerd), worden olie en organische verontreinigingen verbrand (waardoor rookontwikkeling en waterstofopname worden verminderd) en wordt het benodigde elektrische energieverbruik in de oven verlaagd (de voorverwarmer gebruikt goedkoper aardgas in plaats van elektriciteit). Een voorverwarmer kan de totale smeltkosten met 5-10% verlagen, afhankelijk van de relatieve prijzen van aardgas en elektriciteit.
De volgorde waarin het materiaal wordt toegevoegd, beïnvloedt de smeltsnelheid en de veiligheid. De eerste lading in een koude oven moet bestaan uit kleinere stukken die goed tegen de wanden aanliggen en een goede hechting met de spiraal bieden – ze warmen sneller op en helpen de ovenbekleding gelijkmatig op temperatuur te brengen. Zodra er een vloeibare laag is gevormd, kunnen grotere stukken worden toegevoegd, omdat het vloeibare metaal eromheen de hechting verbetert. De laatste lading moet voldoende vrije ruimte (de afstand van het smeltoppervlak tot de bovenkant van de smeltkroes) overlaten voor roeren en het toevoegen van legeringselementen.
Brugvorming is een operationeel probleem dat elke inductiesmeltoven wel eens heeft ondervonden. Een stuk materiaal vormt een brug over de diameter van de oven boven het smeltbad, waardoor het materiaal erboven niet in het smeltbad kan zakken. Het smeltbad eronder blijft opwarmen en kan oververhit raken tot temperaturen die de vuurvaste bekleding beschadigen. Om brugvorming te voorkomen, is het belangrijk om de juiste afmetingen van het materiaal te kiezen (geen stuk groter dan ongeveer een derde van de ovendiameter), zorgvuldig te laden (geen groot stuk materiaal plat in de oven laten vallen) en het smeltproces nauwlettend in de gaten te houden.
Voor gieterijen die meerdere legeringen smelten, vormt kruisbesmetting tussen de legeringen een kwaliteitsrisico. Een oven die net nodulair gietijzer (met magnesium) heeft gesmolten en vervolgens wordt gevuld met grijs gietijzerschroot (dat geen magnesium zou moeten bevatten) kan gietstukken van afwijkende kwaliteit produceren als de ovenbekleding magnesium van de vorige smelt bevat. De oplossing is ofwel aparte ovens voor elke legeringsfamilie, ofwel een grondige reiniging van de oven tussen de legeringswisselingen, inclusief het schrapen van de bekleding om aangehecht metaal en slak te verwijderen.
MONTE INTELLIGENCE biedt advies over ladingsmaterialen als onderdeel van onze inductieovenprojecten, inclusief specificatie van schroot, optimalisatie van de ladingssamenstelling en integratie van de voorverwarmer.
Voor aanbevelingen over ladingsmaterialen voor uw gieterij kunt u contact opnemen met helenxu@cnlymonte.com.
