Избор на тигел за индукционна пещ: глина-графит, силициев карбид и алуминиев оксид за различни сплави
Тигелът е консумативът, който определя колко дълго ще работи индукционната пещ между ремонтите. Ако тигелът е грешен, ще трябва да облицовате пещта на всеки 50 нагрявания, вместо на всеки 500. Ако го направите правилно, линията ще работи с месеци. Подходящият тигел зависи от сплавта, която се топи, размера на пещта, входната мощност и практиката на оператора. Няма универсално най-добро решение.
Ето как всъщност се взема трудната задача.
Започнете със сплавта.
Чугунът и стоманата се стопяват при температура от 1150 до 1600 градуса по Целзий в зависимост от съдържанието на въглерод и добавките в сплавта. Тигелът трябва да издържи на пиковата температура плюс определен запас от безопасност. Работната температура на материала на тигела трябва да надвишава пиковата температура на топене със 100 до 200 градуса по Целзий.
За желязо и стомана стандартният тигел е глинено-графитен (наричан още дддхххглинено свързан графитдддххх или дддхххизостатично пресован глинено-графитендддххх). Глинено-графитният тигел е смес от графит (обикновено от 30 до 50 процента) и огнеупорна глина (обикновено от 50 до 70 процента), пресована или трамбована във форма и изпечена. Графитът придава на тигела устойчивост на термичен удар и смазващи свойства. Глината придава на тигела здравина и устойчивост на ерозия.
Типичен глинено-графитен тигел за 1-тонна индукционна пещ има дебелина на стената от 50 до 80 мм, височина от 800 до 1000 мм и външен диаметър от 600 до 800 мм. Тигелът е разположен във вътрешността на водно охлаждана медна серпентина, с резервен огнеупорен слой (обикновено от 10 до 30 мм сух силициев пясък или керамични влакна) между тигела и серпентината.
Глинено-графитният тигел има добра устойчивост на термичен удар - може да премине от студено към разтопено състояние на стоманата без напукване, което е критично за работата на индукционна пещ, където тигелът се нагрява и охлажда всяка смяна. Недостатъкът е, че глинено-графитният тигел се консумира от стопилката - железният оксид в шлаката атакува силициевия диоксид в глината, въглеродът в графита се разтваря в стопилката и стената на тигела изтънява с времето. Типичният глинено-графитен тигел издържа от 100 до 300 нагрявания в индукционна пещ за топене на стомана, в зависимост от размера, мощността и практиката на шлаката.
За сплави с по-висока температура и по-дълъг живот, тигелите от силициев карбид (SiC) са опция. Тигелът SiC е по-устойчив на ерозия от глинесто-графитния, особено в агресивни шлаки. Недостатъкът е, че SiC е по-скъп и по-крехък - не се справя с термичния шок толкова добре, колкото глинесто-графитния. Тигелите от SiC са често срещани при топенето на мед и месинг, където работната температура е по-ниска и термичният шок е по-малко тежък.
За топене на алуминий и цинк, стандартният материал за тигела е алуминиев оксид (Al2O3) или огнеупорен материал с високо съдържание на алуминиев оксид. Работната температура на алуминия е от 660 до 750 градуса по Целзий, което е доста под границата на повечето огнеупорни материали. Проблемът е, че разтопеният алуминий е силно реактивен - той атакува огнеупорни материали на основата на силициев диоксид, като редуцира силициевия диоксид до силиций, който се разтваря в стопилката. Резултатът е алуминиева сплав с високо съдържание на силиций, ерозирал тигел и замърсена стопилка.
Алуминиевите тигли са устойчиви на алуминиевото въздействие, защото алуминиевият оксид е термодинамично стабилен при контакт с разтопен алуминий. Недостатъкът е, че алуминиевият оксид е по-скъп и по-крехък от глинесто-графитния. Типичен алуминиев тигел за топене на алуминий издържа от 500 до 2000 нагрявания, много по-дълго от глинесто-графитния при същия режим на работа.
За топене на мед и месинг, силициево-карбидните тигли са стандартът. SiC издържа на температура на медта от 1000 до 1300 градуса по Целзий, устойчив е на шлаката от меден оксид и има добра устойчивост на термичен удар по време на цикъла на индукционно нагряване. Силициево-карбидният тигел за топене на мед издържа от 300 до 1000 нагрявания.
За благородни метали (злато, сребро, платина), стандартният тигел е стопен силициев диоксид или алуминиев оксид с висока чистота. Тигелът трябва да бъде химически инертен (без замърсяване на стопилката) и термично стабилен. Цената е висока, но обемът е малък.
Формата и размерът на тигела също имат значение.
Тигелите за индукционни пещи обикновено са цилиндрични, с плоско или заоблено дъно. Диаметърът и височината се определят от размера на пещта и капацитета на стопилката. Пещ с тегло 500 кг има тигел с диаметър около 400 мм и височина 600 мм. Пещ с тегло 5 тона има тигел с диаметър около 900 мм и височина 1500 мм. Пещ с тегло 20 тона има тигел с диаметър около 1500 мм и височина 2500 мм.
Дебелината на стената се променя с размера на тигела - по-големите тигели се нуждаят от по-дебели стени, за да издържат на механичното натоварване на стопилката. Малък тигел може да има стена от 30 мм, докато голям тигел има стена от 100 мм.
Дизайнът на дъното на тигела е критичен детайл. Плоското дъно е по-лесно за производство, но концентрира термичното напрежение в ъглите. Заобленото дъно разпределя напрежението по-равномерно и е предпочитано за големи тигели и за работа с висока мощност. Повечето големи тигели за индукционни пещи имат полусферично или конично дъно.
Монтажът на тигела отнема от 4 до 8 часа за средно голяма пещ.
Монтажът започва с почистване на серпентината и резервния огнеупорен материал. Всички остатъци от метал, шлака или отломки от предишния тигел трябва да бъдат отстранени. Монтира се новият резервен огнеупорен материал - обикновено слой сух силициев пясък, набит на място, или предварително оформена керамична фибропласт.
След това тигелът се спуска в пещта. Подравняването трябва да бъде концентрично с намотката - неправилно подравненият тигел създава неравномерно електромагнитно свързване, горещи точки и преждевременна повреда. Тигелът се центрира с помощта на приспособление, след което празнината между тигела и опората се запълва с пясък или керамични влакна.
Новият тигел се синтерова (изпича) преди първото топене. Цикълът на синтероване бавно повишава температурата до 800 до 1000 градуса по Целзий в продължение на 4 до 8 часа, отстранява влагата и стабилизира тигела. След синтероването се зарежда първата стопилка и тигелът е в експлоатация.
Нов тигел изисква внимателна работа през първите 10 до 20 нагрявания. Термичният шок от студен заряд, удрящ горещ тигел, може да напука дори добре инсталиран тигел. Операторите обикновено зареждат първия заряд с 50 до 70 процента от капацитета на тигела, разтопяват го и го изливат, преди да заредят първия пълен заряд. Този процес на подхранване стабилизира тигела и удължава живота му.
Режимите на отказ в тигела са оперативната реалност.
Най-често срещаният начин на повреда е изтъняване на стената. Шлаката и стопилката атакуват стената на тигела, стената става по-тънка и в крайна сметка тя се разрушава. Операторът вижда това като постепенно увеличаване на нестабилността на температурата на стопилката, тъй като стената на тигела вече не изолира стопилката от охлаждането на серпентината. Решението е да се облицова пещта с нов тигел.
Вторият най-често срещан начин на повреда е напукването. Термичен шок (студено зареждане, прекъсване на захранването или проникване на шлака) създава пукнатина в стената на тигела. Пукнатината може да бъде малка (тънка пукнатина, която не прониква) или голяма (през която стопилката изтича в серпентината). Малка пукнатина понякога е овладяема за няколко плавки, но голяма пукнатина е спешен случай - наклонете пещта, излейте стопилката и я изключете.
Третият начин на повреда е проникване на метал. Разтопеният метал прониква в порите на тигела, създавайки метален мост между стопилката и серпентината. Резултатът е токов път през тигела, тигелът се нагрява неравномерно и повредата се ускорява. Проникването на метал обикновено се причинява от лош огнеупорен материал, недостатъчно синтерован тигел или прекомерна мощност по време на първите нагрявания.
Автор: Инженерен екип на MONTE INTELLIGENCE за индукционни пещи. За избор на тигел и проучвания на жизнения цикъл, свържете се с helenxu@cnlymonte.com.
