Forno a induzione per fusione: come i sistemi a media frequenza gestiscono calori da 0,5 a 30 tonnellate
La fusione a induzione è il metodo più pulito e veloce per fondere piccole e medie quantità di metallo. Non sono necessari elettrodi, né prodotti di combustione, né accumulo di carbonio. L'energia viene trasferita direttamente al metallo tramite induzione elettromagnetica. Per le fonderie che producono da 1.000 a 30.000 tonnellate di getti all'anno, il forno a induzione a media frequenza è la scelta ideale. La tecnologia è consolidata, le apparecchiature sono affidabili e il processo è ben compreso.
Come funziona la fusione a induzione
Un forno a induzione è costituito da una bobina di rame che circonda un crogiolo rivestito di materiale refrattario. Una corrente alternata con una frequenza compresa tra 150 Hz e 10 kHz (media frequenza) scorre attraverso la bobina e crea un forte campo magnetico alternato all'interno del crogiolo. Il campo magnetico induce correnti parassite nella carica metallica, e queste correnti parassite riscaldano il metallo per effetto Joule.
L'effetto pelle concentra le correnti parassite sulla superficie del metallo. A 1000 Hz, la profondità di penetrazione nell'acciaio liquido è di circa 25 mm, il che significa che il calore viene generato nei 25 mm più esterni del bagno. Il bagno conduce quindi il calore verso l'interno per normale conduzione termica. L'effetto di agitazione del campo magnetico fa circolare il bagno e accelera l'equalizzazione della temperatura.
Per forni di grandi dimensioni (oltre 5 tonnellate), l'agitazione naturale non è sufficiente a mantenere uniforme la temperatura del bagno. Per migliorare l'omogeneità del bagno, si aggiunge una serpentina di agitazione dal basso o una lancia di agitazione a gas. Il gradiente di temperatura tra la parte superiore e quella inferiore di un bagno da 10 tonnellate può variare da 30 a 50 gradi Celsius senza agitazione e da 5 a 10 gradi Celsius con agitazione.
Selezione della frequenza
La frequenza è calibrata in base alle dimensioni del forno. I forni più piccoli funzionano a frequenze più elevate (da 1 a 10 kHz per forni da 0,5 a 2 tonnellate), mentre i forni più grandi funzionano a frequenze più basse (da 150 a 500 Hz per forni da 5 a 30 tonnellate). La frequenza più bassa, utilizzata nei forni più grandi, consente di ottenere una maggiore profondità di rivestimento e un riscaldamento più uniforme, ma richiede condensatori di dimensioni maggiori e una maggiore compensazione della potenza reattiva.
I forni a induzione di MONTE INTELLIGENCE sono progettati con inverter IGBT a stato solido da 1 a 4 kHz per i forni di piccole dimensioni e con inverter a tiristori da 150 a 500 Hz per i forni di grandi dimensioni. La gamma di potenza va da 250 kW a 12 MW, adattandosi a forni di dimensioni da 0,5 tonnellate a 30 tonnellate.
Progettazione di crogioli e materiali refrattari
Il crogiolo è la parte soggetta a usura di un forno a induzione. La costruzione standard prevede un rivestimento compattato in magnesia o in un materiale refrattario di allumina-magnesia, con una durata di lavoro da 300 a 1000 cicli di fusione, a seconda del metallo fuso e delle modalità operative.
Per ferro e acciaio, il refrattario standard è composto dall'85 al 92 percento di MgO con un legante a base di spinello. Il rivestimento viene compattato in posizione durante l'installazione, essiccato con riscaldatori elettrici e sinterizzato dalle prime fasi di riscaldamento. Il rivestimento sinterizzato sviluppa una superficie di lavoro vetrosa che protegge il refrattario di base dalla penetrazione del metallo.
Per i metalli non ferrosi (rame, alluminio, ottone), il materiale refrattario standard è a base di allumina. La durata del rivestimento è in genere superiore a quella del ferro e dell'acciaio, con 1000-3000 cicli termici tipici per il rame e 500-1500 cicli termici per l'alluminio.
I guasti ai crogioli rappresentano una grave problematica operativa. Un crogiolo che si usura durante un riscaldamento permette al metallo fuso di entrare in contatto con la bobina di rame, con conseguenze catastrofiche. La protezione standard consiste in un sistema di rilevamento dei guasti a terra che monitora il percorso della corrente tra il metallo fuso e la bobina. Un guasto interrompe l'alimentazione in pochi millisecondi, ma i danni alla bobina e alla struttura circostante sono ingenti.
Pratiche operative
Il funzionamento di un forno a induzione è un'arte. Gli operatori più esperti conoscono i suoni del forno: il ronzio costante di un carico ottimale, lo scoppiettio secco di un pezzo che si salda, il profondo gemito di una carica umida. Monitorano costantemente il fattore di potenza, la corrente di rete e la temperatura dell'acqua di raffreddamento, e sono in grado di diagnosticare un problema in fase iniziale prima ancora che gli indicatori lo segnalino.
La sequenza operativa standard è la seguente: caricamento (a freddo o preriscaldato), accensione al 50-70% della potenza nominale, aumento graduale fino alla piena potenza durante la formazione del bagno, mantenimento alla piena potenza per raggiungere la temperatura target, spillatura. Per una colata di ghisa da 5 tonnellate, la carica a freddo fonde in 60-75 minuti con una potenza in ingresso di 3,5 MW e la temperatura di spillatura viene raggiunta in 80-95 minuti. Il consumo energetico è di 550-600 kWh per tonnellata di ghisa liquida.
Il processo a carica calda (utilizzando metallo liquido proveniente da una colata precedente o da un forno a cupola) riduce i tempi di fusione a 30-45 minuti e il consumo energetico a 350-450 kWh per tonnellata. Molte fonderie utilizzano una configurazione duplex con un forno a induzione senza nucleo per la fusione e un forno a canale per il mantenimento e il surriscaldamento. La configurazione duplex migliora l'efficienza energetica e la flessibilità produttiva.
Dimensioni e capacità dei forni
MONTE INTELLIGENCE fornisce forni a induzione per la fusione con capacità da 0,5 a 30 tonnellate e potenze da 250 kW a 12 MW. Le dimensioni più comuni sono:
Da 0,5 a 1 tonnellata, da 250 a 500 kW: piccole fonderie, gioielleria, leghe speciali
Da 1 a 3 tonnellate, da 500 kW a 1,5 MW: fonderie conto terzi, fusioni di ghisa
Da 3 a 5 tonnellate, da 1,5 a 3 MW: fonderie di ferro e acciaio ad alta produttività
Da 5 a 10 tonnellate, da 3 a 6 MW: grandi fonderie, produzione di ghisa sferoidale
Da 10 a 20 tonnellate, da 6 a 10 MW: fonderie di acciaio, grandi fonderie di ferro
Da 20 a 30 tonnellate, da 10 a 12 MW: sostituzione del forno ad arco elettrico per acciaieria
Il sistema di controllo utilizza un PLC con interfaccia HMI touchscreen. Il sistema monitora tutti i parametri elettrici, le temperature dell'acqua di raffreddamento, lo stato dei materiali refrattari e la sequenza operativa. Il sistema memorizza inoltre le ricette di processo per le diverse leghe.
Tecnologia di alimentazione
L'alimentatore è la parte più costosa di un forno a induzione per la fusione. I modelli moderni utilizzano inverter a stato solido IGBT o a tiristori per convertire la corrente di rete a 50/60 Hz in una frequenza di uscita media. L'efficienza dell'inverter è compresa tra il 95 e il 97%, mentre l'efficienza elettrica complessiva, dall'ingresso di rete al calore generato nel metallo, è compresa tra il 75 e l'85%. Gli inverter IGBT sono standard per forni di piccole e medie dimensioni (fino a 5 tonnellate, 3 MW), mentre gli inverter a tiristori sono utilizzati per forni più grandi, dove la corrente nominale degli IGBT è limitata.
Sistema di raffreddamento ad acqua
La bobina di rame e l'elettronica dell'inverter sono raffreddate ad acqua. L'acqua di raffreddamento assorbe dal 15 al 25 percento della potenza in ingresso e il sistema di raffreddamento è fondamentale per il funzionamento del forno. La configurazione standard prevede una torre di raffreddamento a circuito chiuso con uno scambiatore di calore per l'acqua di processo. La temperatura dell'acqua di raffreddamento è controllata tra i 30 e i 40 gradi Celsius all'ingresso della bobina.
La qualità dell'acqua di raffreddamento è importante. L'acqua dura provoca la formazione di incrostazioni nella serpentina, che riducono lo scambio termico e, a lungo andare, ostruiscono i condotti di raffreddamento. Il trattamento standard dell'acqua prevede l'utilizzo di un addolcitore e di inibitori chimici. La durezza, il pH e la conducibilità dell'acqua di raffreddamento vengono controllati mensilmente.
Criteri di selezione per gli acquirenti
Per gli acquirenti che scelgono un forno a induzione per la fusione, le domande chiave sono: qual è il metallo da fondere, qual è la velocità di produzione, qual è il materiale di partenza (freddo o caldo) e qual è l'infrastruttura elettrica disponibile. Le dimensioni e la potenza del forno vengono quindi scelte in base a questi parametri.
La tecnologia di ingegneria di MONTE INTELLIGENCE è in grado di modellare i tempi di fusione, il consumo energetico e i costi operativi per uno specifico profilo di produzione. Il risultato è una specifica del forno con garanzie di prestazione.
Contatta MONTE INTELLIGENCE per informazioni sulla fusione a induzione.
Per gli acquirenti che stanno valutando un nuovo forno a induzione per la fusione o la sostituzione di un'unità esistente, l'ingegneria di MONTE INTELLIGENCE può consigliare una configurazione del forno adatta al metallo, alla velocità di produzione e all'alimentazione elettrica disponibile. Visitawww.cnlymonte.com/products-medium-frequency-furnace.html Per le specifiche del prodotto, per discutere di un progetto, inviare un'e-mail a helenxu@cnlymonte.com con oggetto "Richiesta di informazioni sulla fusione a induzione" e dettagli sul metallo, l'obiettivo di produzione e il materiale di carica.
