Keuze van smeltkroes voor inductieovens: klei-grafiet, siliciumcarbide en aluminiumoxide voor verschillende legeringen
De smeltkroes is het verbruiksartikel dat bepaalt hoe lang een inductieoven meegaat tussen revisies. Kies je de verkeerde smeltkroes, dan moet je de oven elke 50 smeltingscycli opnieuw bekleden in plaats van elke 500. Kies je de juiste smeltkroes, dan draait de lijn maandenlang. De juiste smeltkroes hangt af van de te smelten legering, de grootte van de oven, het vermogen en de ervaring van de operator. Er bestaat geen universeel beste smeltkroes.
Hieronder wordt beschreven hoe de beslissing in de smeltkroes daadwerkelijk tot stand komt.
Begin met de legering.
IJzer en staal smelten bij 1150 tot 1600 graden Celsius, afhankelijk van het koolstofgehalte en de legeringstoevoegingen. De smeltkroes moet de piektemperatuur plus een veiligheidsmarge aankunnen. De werktemperatuur van het smeltkroesmateriaal moet 100 tot 200 graden Celsius hoger zijn dan de pieksmelttemperatuur.
Voor ijzer en staal is de standaard smeltkroes een klei-grafietkroes (ook wel kleigebonden grafiet of isostatisch geperste klei-grafietkroes genoemd). De klei-grafietkroes is een mengsel van grafiet (doorgaans 30 tot 50 procent) en vuurvaste klei (doorgaans 50 tot 70 procent), dat in vorm wordt geperst of gestampt en vervolgens gebakken. Het grafiet geeft de kroes thermische schokbestendigheid en smerende eigenschappen. De klei geeft de kroes sterkte en erosiebestendigheid.
Een typische smeltkroes van klei en grafiet voor een inductieoven van 1 ton heeft een wanddikte van 50 tot 80 mm, een hoogte van 800 tot 1000 mm en een buitendiameter van 600 tot 800 mm. De smeltkroes bevindt zich in een watergekoelde koperen spiraal, met een vuurvaste beschermlaag (doorgaans 10 tot 30 mm droog silicazand of keramische vezels) tussen de smeltkroes en de spiraal.
De klei-grafiet smeltkroes heeft een goede thermische schokbestendigheid: hij kan van koud naar gesmolten staal gaan zonder te barsten, wat cruciaal is voor de werking van inductieovens waar de smeltkroes elke shift opwarmt en afkoelt. Het nadeel is dat de klei-grafiet door het smeltbad wordt verbruikt: het ijzeroxide in de slak tast het siliciumdioxide in de klei aan, de koolstof in het grafiet lost op in het smeltbad en de wand van de smeltkroes wordt na verloop van tijd dunner. Een typische klei-grafiet smeltkroes gaat 100 tot 300 smeltcycli mee in een inductieoven voor staalsmelten, afhankelijk van de grootte, het vermogen en de slakverwerking.
Voor legeringen die bestand zijn tegen hogere temperaturen en een langere levensduur vereisen, zijn smeltkroezen van siliciumcarbide (SiC) een optie. De SiC-smeltkroes is beter bestand tegen erosie dan klei-grafiet, met name in agressieve slakken. Het nadeel is dat SiC duurder en brozer is – het is minder bestand tegen thermische schokken dan klei-grafiet. SiC-smeltkroezen worden veel gebruikt bij het smelten van koper en messing, waar de bedrijfstemperatuur lager ligt en de thermische schok minder ernstig is.
Voor het smelten van aluminium en zink is het standaard smeltkroesmateriaal aluminiumoxide (Al2O3) of een vuurvast materiaal met een hoog aluminiumoxidegehalte. De werktemperatuur van aluminium ligt tussen de 660 en 750 graden Celsius, ruim onder de limiet van de meeste vuurvaste materialen. De uitdaging is dat gesmolten aluminium zeer reactief is: het tast vuurvaste materialen op silicabasis aan door de silica te reduceren tot silicium, dat vervolgens in het smeltbad oplost. Het resultaat is een aluminiumlegering met een hoog siliciumgehalte, een geërodeerde smeltkroes en een verontreinigd smeltbad.
Smeltkroezen van aluminiumoxide zijn bestand tegen de aantasting door aluminium, omdat aluminiumoxide thermodynamisch stabiel is in contact met gesmolten aluminium. Het nadeel is dat aluminiumoxide duurder en brozer is dan klei-grafiet. Een typische smeltkroes van aluminiumoxide voor het smelten van aluminium gaat 500 tot 2000 smeltcycli mee, veel langer dan een smeltkroes van klei-grafiet bij dezelfde toepassing.
Voor het smelten van koper en messing zijn smeltkroezen van siliciumcarbide (SiC) de standaard. SiC is bestand tegen de kopertemperatuur van 1000 tot 1300 graden Celsius, is bestand tegen de vorming van koperoxideslak en heeft een goede thermische schokbestendigheid tijdens de inductieverwarmingscyclus. Een SiC-smeltkroes voor koper gaat 300 tot 1000 verwarmingscycli mee.
Voor edelmetalen (goud, zilver, platina) is de standaard smeltkroes gemaakt van gesmolten silica of zeer zuiver aluminiumoxide. De smeltkroes moet chemisch inert zijn (geen verontreiniging van het smeltbad) en thermisch stabiel. De kosten zijn hoog, maar het volume is laag.
Ook de vorm en grootte van de smeltkroes zijn van belang.
De smeltkroezen van een inductieoven zijn doorgaans cilindrisch, met een vlakke of afgeronde bodem. De diameter en de hoogte worden bepaald door de grootte van de oven en de smeltcapaciteit. Een oven van 500 kg heeft een smeltkroes met een diameter van ongeveer 400 mm en een hoogte van 600 mm. Een oven van 5 ton heeft een smeltkroes met een diameter van ongeveer 900 mm en een hoogte van 1500 mm. Een oven van 20 ton heeft een smeltkroes met een diameter van ongeveer 1500 mm en een hoogte van 2500 mm.
De wanddikte is evenredig met de grootte van de smeltkroes: grotere smeltkroezen hebben dikkere wanden nodig om de mechanische belasting van het smeltmateriaal te weerstaan. Een kleine smeltkroes kan een wanddikte van 30 mm hebben, terwijl een grote smeltkroes een wanddikte van 100 mm heeft.
Het ontwerp van de bodem van de smeltkroes is een cruciaal detail. Een vlakke bodem is gemakkelijker te produceren, maar concentreert de thermische spanning in de hoeken. Een afgeronde bodem verdeelt de spanning gelijkmatiger en heeft de voorkeur voor grote smeltkroezen en voor toepassingen met een hoog vermogen. De meeste grote inductieovens hebben een halfronde of conische bodem.
Het installeren van de smeltkroes duurt 4 tot 8 uur voor een middelgrote oven.
De installatie begint met het reinigen van de smeltkroes en het vuurvaste reservemateriaal. Alle achtergebleven metaal, slakken of puin van de vorige smeltkroes moeten worden verwijderd. Vervolgens wordt het nieuwe vuurvaste reservemateriaal aangebracht – meestal een laag droog silicazand die wordt aangestampt, of een voorgevormde keramische vezelplaat.
De smeltkroes wordt vervolgens in de oven neergelaten. De uitlijning moet concentrisch zijn met de spoel; een verkeerd uitgelijnde smeltkroes veroorzaakt ongelijkmatige elektromagnetische koppeling, hotspots en voortijdige uitval. De smeltkroes wordt gecentreerd met behulp van een mal, waarna de ruimte tussen de smeltkroes en de steun wordt opgevuld met zand of keramische vezels.
De nieuwe smeltkroes wordt gesinterd (uitgebakken) voordat de eerste smelt erin gaat. Tijdens het sinterproces wordt de temperatuur langzaam verhoogd tot 800 à 1000 graden Celsius gedurende 4 tot 8 uur, waardoor eventueel vocht verdampt en de smeltkroes stabiliseert. Na het sinteren wordt de eerste smelt erin gedaan en is de smeltkroes in gebruik.
Een nieuwe smeltkroes vereist zorgvuldige bediening tijdens de eerste 10 tot 20 verhittingen. De thermische schok van een koude lading die een hete smeltkroes raakt, kan zelfs een goed geïnstalleerde smeltkroes doen barsten. Operators vullen de eerste lading doorgaans met 50 tot 70 procent van de smeltkroescapaciteit, smelten deze en gieten hem uit voordat ze de eerste volledige lading erin doen. Dit inloopproces stabiliseert de smeltkroes en verlengt de levensduur.
Storingen in smeltkroesen zijn de operationele realiteit.
De meest voorkomende oorzaak van het falen is het dunner worden van de smeltkroeswand. De slak en het smeltbad tasten de wand van de smeltkroes aan, waardoor de wand dunner wordt en uiteindelijk bezwijkt. De operator merkt dit op als een geleidelijke toename van de temperatuurinstabiliteit van het smeltbad, omdat de smeltkroeswand het smeltbad niet langer isoleert van de koeling door de spiraal. De oplossing is om de oven te bekleden met een nieuwe smeltkroes.
De op één na meest voorkomende oorzaak van storingen is scheurvorming. Een thermische schok (koude lading, stroomonderbreking of slakinfiltratie) veroorzaakt een scheur in de smeltkroeswand. De scheur kan klein zijn (een haarscheurtje dat niet door de smelt heen gaat) of groot (een doorlopende scheur waardoor het gesmolten materiaal in de spiraal kan lekken). Een kleine scheur is soms nog te overzien voor een paar smeltcycli, maar een grote scheur is een noodgeval: kantel de oven, giet het gesmolten materiaal eruit en schakel de oven uit.
De derde faalmodus is metaalpenetratie. Het gesmolten metaal dringt door in de poriën van de smeltkroes, waardoor een metalen brug ontstaat tussen het smeltbad en de spoel. Het gevolg is een stroompad door de smeltkroes, waardoor de smeltkroes ongelijkmatig opwarmt en de storing versnelt. Metaalpenetratie wordt meestal veroorzaakt door een slechte vuurvaste achterlaag, een onvoldoende gesinterde smeltkroes of een te hoog vermogen tijdens de eerste verhittingsfase.
Auteur: Inductieoventechniekteam van MONTE INTELLIGENCE. Voor smeltkroesselectie en levenscyclusstudies kunt u contact opnemen met helenxu@cnlymonte.com.
