Il materiale di carica rappresenta la voce di costo variabile più rilevante nella fusione a induzione, nonché quella che incide più direttamente sulla velocità di fusione, sul consumo energetico e sulla qualità del metallo. Un programma di carica attentamente gestito può ridurre il consumo energetico del 10-15% e migliorare la velocità di fusione in misura comparabile, rispetto all'utilizzo di qualsiasi rottame disponibile come materiale di partenza.
MONTE INTELLIGENCE fornisce raccomandazioni sui materiali di carica nell'ambito della fornitura dei nostri forni a induzione. Questo articolo illustra i principi di selezione, preparazione e gestione della carica per la fusione a induzione di ferro e acciaio.
Il materiale di carica per la fusione a induzione si suddivide in diverse categorie: scarti di fonderia (canali di colata, montanti e fusioni di scarto provenienti dalla fonderia stessa), rottami di acciaio acquistati (dai rivenditori di rottami, in genere selezionati per qualità), ghisa (ghisa vergine proveniente da altoforno o riduzione diretta) e additivi di lega (ferroleghe, carburanti e altri materiali aggiunti per regolare la composizione chimica).
La carica ideale è una miscela che fornisce la composizione chimica desiderata con correzioni minime, fonde in modo uniforme senza formazione di ponti e ha il costo più basso per tonnellata di metallo liquido. Raggiungere questo ideale richiede un equilibrio tra le proprietà metallurgiche e il costo di ciascun componente della carica.
La distribuzione dimensionale della carica è fondamentale per l'efficienza di fusione nei forni a induzione. Il meccanismo di riscaldamento a induzione, ovvero le correnti parassite generate dal campo magnetico alternato, penetra nella carica fino a una profondità chiamata profondità di riferimento, che dipende dalla frequenza e dalle proprietà elettriche del materiale. Per il ferro a 1000 Hz, la profondità di riferimento è di circa 7 mm. Il riscaldamento avviene principalmente in questo strato superficiale e il calore si propaga poi all'interno del materiale.
Una carica composta da pezzi grandi e solidi, ad esempio trucioli di acciaio di 200 mm di diametro, si riscalda solo entro 7 mm dalla superficie finché il calore non si propaga al centro. La superficie può fondersi mentre il centro è ancora freddo, causando la formazione di ponti termici in cui un pezzo parzialmente fuso forma un arco attraverso il forno, impedendo al resto della carica di scendere nella massa fusa. Una carica con una gamma di dimensioni diverse, da rottami triturati di 10 mm a rottami pesanti di 150 mm, si distribuisce in modo più uniforme nel forno e fonde in modo più efficiente perché i pezzi più piccoli riempiono gli spazi tra i pezzi più grandi e aumentano il rapporto superficie-volume effettivo.
La pulizia della carica è fondamentale per la qualità del metallo e la durata del rivestimento del forno. La ruggine (ossido di ferro) aumenta il volume delle scorie, consuma energia (la riduzione di Fe2O3 a Fe richiede carbonio ed energia) e attacca il rivestimento di silice (FeO è un fondente per i refrattari a base di silice, riducendone la durata). Olio e grasso sulla carica producono fumo durante la fusione – un problema per l'ambiente di lavoro e per le emissioni – e possono introdurre idrogeno nel metallo, causando porosità nei getti. Sabbia e sporcizia sulla carica aumentano il volume delle scorie senza apportare alcun metallo recuperabile.
Il preriscaldamento della carica è una tecnica utilizzata nei forni a induzione di grandi dimensioni (oltre le 5 tonnellate circa) per migliorarne l'efficienza. Preriscaldare la carica a 400-600 °C prima del caricamento rimuove l'umidità (eliminando il rischio di esplosioni di vapore se la carica umida entra in contatto con il bagno fuso), brucia olio e contaminanti organici (riducendo fumo e assorbimento di idrogeno) e diminuisce l'energia elettrica necessaria al forno (il preriscaldatore utilizza gas naturale, che ha un costo inferiore, anziché elettricità). Un preriscaldatore di carica può ridurre il costo totale di fusione del 5-10%, a seconda dei prezzi relativi del gas naturale e dell'elettricità.
La sequenza di caricamento influisce sulla velocità di fusione e sulla sicurezza. La prima carica in un forno freddo dovrebbe essere costituita da pezzi più piccoli che si adattino bene alle pareti e garantiscano un buon accoppiamento con la serpentina: si riscaldano più velocemente e contribuiscono a portare uniformemente il rivestimento del forno alla temperatura desiderata. Una volta formatosi un bagno di metallo fuso, si possono aggiungere pezzi più grandi perché il metallo liquido circostante migliora l'accoppiamento. La carica finale dovrebbe lasciare uno spazio libero sufficiente (la distanza tra la superficie del metallo fuso e la parte superiore del crogiolo) per consentire l'agitazione e l'aggiunta di elementi di lega.
La formazione di ponti è un problema operativo che ogni forno a induzione ha dovuto affrontare. Un pezzo di materiale fuso si forma creando un ponte attraverso il diametro del forno, al di sopra del metallo fuso, impedendo al materiale sovrastante di scendere al suo interno. Il metallo fuso sottostante continua a riscaldarsi e può raggiungere temperature di surriscaldamento tali da danneggiare il rivestimento refrattario. Prevenire la formazione di ponti richiede un dimensionamento adeguato del materiale fuso (nessun pezzo di dimensioni superiori a circa un terzo del diametro del forno), un caricamento accurato (nessun singolo pezzo di grandi dimensioni inserito orizzontalmente) e un monitoraggio attento durante il ciclo di fusione.
Per le fonderie che fondono diverse leghe, la contaminazione incrociata tra le leghe rappresenta un rischio per la qualità. Un forno che ha appena fuso ghisa sferoidale (contenente magnesio) e che viene poi caricato con rottami di ghisa grigia (che non dovrebbero contenere magnesio) può produrre getti non conformi alle specifiche se il rivestimento trattiene magnesio dalla fusione precedente. La soluzione consiste nell'utilizzare forni dedicati per ogni famiglia di leghe, oppure nel pulire accuratamente il forno tra un cambio di lega e l'altro, compresa la raschiatura del rivestimento per rimuovere residui metallici e scorie.
MONTE INTELLIGENCE offre consulenza sui materiali di carica nell'ambito dei nostri progetti per forni a induzione, inclusa la specifica dei rottami, l'ottimizzazione della miscela di carica e l'integrazione del preriscaldatore.
Per consigli sui materiali di carica per la vostra fonderia, contattate helenxu@cnlymonte.com.
