Selezione del crogiolo per forno a induzione: argilla-grafite, carburo di silicio e allumina per diverse leghe.
Il crogiolo è il componente di consumo che determina la durata di funzionamento di un forno a induzione tra una revisione e l'altra. Se il crogiolo non è adatto, sarà necessario rivestire il forno ogni 50 cicli di fusione anziché ogni 500. Se invece è quello giusto, la linea funzionerà per mesi. La scelta del crogiolo più adatto dipende dalla lega da fondere, dalle dimensioni del forno, dalla potenza assorbita e dall'esperienza dell'operatore. Non esiste una soluzione universale ideale.
Ecco come viene effettivamente presa la decisione sul crogiolo.
Partiamo dalla lega.
Il ferro e l'acciaio fondono a temperature comprese tra 1150 e 1600 °C, a seconda del contenuto di carbonio e degli elementi di lega aggiunti. Il crogiolo deve essere in grado di sopportare la temperatura di picco più un margine di sicurezza. La temperatura di esercizio del materiale del crogiolo deve superare la temperatura di fusione massima di 100-200 °C.
Per la ghisa e l'acciaio, il crogiolo standard è in argilla-grafite (chiamato anche argilla-grafite legata o argilla-grafite pressata isostaticamente). Il crogiolo in argilla-grafite è una miscela di grafite (in genere dal 30 al 50 percento) e argilla refrattaria (in genere dal 50 al 70 percento), pressata o modellata e cotta. La grafite conferisce al crogiolo resistenza agli shock termici e lubrificazione. L'argilla conferisce al crogiolo resistenza meccanica e resistenza all'erosione.
Un tipico crogiolo in argilla e grafite per un forno a induzione da 1 tonnellata ha uno spessore delle pareti compreso tra 50 e 80 mm, un'altezza tra 800 e 1000 mm e un diametro esterno tra 600 e 800 mm. Il crogiolo è alloggiato all'interno di una serpentina di rame raffreddata ad acqua, con uno strato refrattario di supporto (in genere da 10 a 30 mm di sabbia silicea secca o fibra ceramica) interposto tra il crogiolo e la serpentina.
Il crogiolo in argilla e grafite presenta una buona resistenza agli shock termici: può passare da freddo a acciaio fuso senza incrinarsi, aspetto fondamentale per il funzionamento dei forni a induzione, dove il crogiolo si riscalda e si raffredda a ogni turno. Lo svantaggio è che l'argilla e la grafite vengono consumate dal metallo fuso: l'ossido di ferro presente nella scoria attacca la silice dell'argilla, il carbonio della grafite si dissolve nel metallo fuso e la parete del crogiolo si assottiglia nel tempo. Un tipico crogiolo in argilla e grafite dura da 100 a 300 cicli di riscaldamento in un forno a induzione per la fusione dell'acciaio, a seconda delle dimensioni, della potenza e del tipo di scoria utilizzata.
Per leghe ad alta temperatura e per una maggiore durata, i crogioli in carburo di silicio (SiC) rappresentano un'opzione. Il crogiolo in SiC è più resistente all'erosione rispetto all'argilla-grafite, soprattutto in presenza di scorie aggressive. Lo svantaggio è che il SiC è più costoso e più fragile: non sopporta gli shock termici altrettanto bene quanto l'argilla-grafite. I crogioli in SiC sono comunemente utilizzati nella fusione di rame e ottone, dove la temperatura di esercizio è inferiore e lo shock termico è meno intenso.
Per la fusione di alluminio e zinco, il materiale standard per il crogiolo è l'allumina (Al2O3) o un materiale refrattario ad alto contenuto di allumina. La temperatura di esercizio dell'alluminio è compresa tra 660 e 750 °C, ben al di sotto del limite della maggior parte dei materiali refrattari. La difficoltà sta nel fatto che l'alluminio fuso è altamente reattivo: attacca i refrattari a base di silice riducendo la silice a silicio, che si dissolve nella massa fusa. Il risultato è una lega di alluminio ad alto contenuto di silicio, un crogiolo eroso e una massa fusa contaminata.
I crogioli di allumina resistono all'attacco dell'alluminio perché l'allumina è termodinamicamente stabile a contatto con l'alluminio fuso. Lo svantaggio è che l'allumina è più costosa e più fragile dell'argilla-grafite. Un tipico crogiolo di allumina per la fusione dell'alluminio dura da 500 a 2000 cicli di fusione, molto più a lungo di un crogiolo di argilla-grafite nello stesso utilizzo.
Per la fusione di rame e ottone, i crogioli in carburo di silicio (SiC) sono lo standard. Il SiC resiste alle temperature del rame, che variano dai 1000 ai 1300 °C, è resistente alle scorie di ossido di rame e presenta una buona resistenza agli shock termici durante il ciclo di riscaldamento a induzione. Un crogiolo in SiC per la fusione del rame ha una durata di 300-1000 cicli di riscaldamento.
Per i metalli preziosi (oro, argento, platino), il crogiolo standard è in silice fusa o allumina ad alta purezza. Il crogiolo deve essere chimicamente inerte (nessuna contaminazione del metallo fuso) e termicamente stabile. Il costo è elevato, ma il volume è ridotto.
Anche la forma e le dimensioni del crogiolo sono importanti.
I crogioli dei forni a induzione sono in genere cilindrici, con fondo piatto o arrotondato. Il diametro e l'altezza sono determinati dalle dimensioni del forno e dalla capacità di fusione. Un forno da 500 kg ha un crogiolo di circa 400 mm di diametro e 600 mm di altezza. Un forno da 5 tonnellate ha un crogiolo di circa 900 mm di diametro e 1500 mm di altezza. Un forno da 20 tonnellate ha un crogiolo di circa 1500 mm di diametro e 2500 mm di altezza.
Lo spessore delle pareti è proporzionale alle dimensioni del crogiolo: i crogioli più grandi necessitano di pareti più spesse per sopportare il carico meccanico del materiale fuso. Un crogiolo piccolo potrebbe avere pareti di 30 mm, mentre un crogiolo grande potrebbe averne 100 mm.
La forma del fondo del crogiolo è un dettaglio cruciale. Un fondo piatto è più facile da realizzare, ma concentra le sollecitazioni termiche negli angoli. Un fondo arrotondato distribuisce le sollecitazioni in modo più uniforme ed è preferibile per crogioli di grandi dimensioni e per applicazioni ad alta potenza. La maggior parte dei crogioli per forni a induzione di grandi dimensioni presenta un fondo emisferico o conico.
L'installazione del crogiolo richiede dalle 4 alle 8 ore per un forno di medie dimensioni.
L'installazione inizia con la pulizia della bobina e del refrattario di supporto. Eventuali residui di metallo, scorie o detriti del crogiolo precedente devono essere rimossi. Viene quindi installato il nuovo refrattario di supporto, in genere uno strato di sabbia silicea asciutta compattata in posizione, oppure un pannello di fibra ceramica preformato.
Il crogiolo viene quindi calato nel forno. L'allineamento deve essere concentrico con la bobina: un crogiolo disallineato crea un accoppiamento elettromagnetico irregolare, punti caldi e guasti prematuri. Il crogiolo viene centrato utilizzando un dispositivo di fissaggio, quindi lo spazio tra il crogiolo e il supporto viene riempito con sabbia o fibra ceramica.
Il nuovo crogiolo viene sinterizzato (cotto) prima della prima fusione. Il ciclo di sinterizzazione porta gradualmente la temperatura da 800 a 1000 °C in un arco di tempo compreso tra 4 e 8 ore, eliminando l'umidità residua e stabilizzando il crogiolo. Dopo la sinterizzazione, viene caricata la prima fusione e il crogiolo entra in funzione.
Un nuovo crogiolo richiede un utilizzo attento durante le prime 10-20 colate. Lo shock termico di una carica fredda che colpisce un crogiolo caldo può crepare anche un crogiolo installato correttamente. Gli operatori in genere caricano la prima volta al 50-70% della capacità del crogiolo, la fondono e la versano prima di caricare la prima carica completa. Questo processo di "stagionatura" stabilizza il crogiolo e ne prolunga la durata.
Le modalità di guasto del crogiolo rappresentano la realtà operativa.
La modalità di guasto più comune è l'assottigliamento delle pareti. La scoria e il metallo fuso attaccano la parete del crogiolo, che si assottiglia fino a cedere. L'operatore nota questo fenomeno come un graduale aumento dell'instabilità della temperatura del metallo fuso, poiché la parete del crogiolo non isola più il metallo fuso dal raffreddamento della serpentina. La soluzione consiste nel rivestire nuovamente il forno con un nuovo crogiolo.
La seconda modalità di guasto più comune è la formazione di crepe. Uno shock termico (carica a freddo, interruzione di corrente o infiltrazione di scorie) crea una crepa nella parete del crogiolo. La crepa può essere piccola (una fessura sottile che non penetra nel materiale) o grande (una crepa passante che permette al metallo fuso di fuoriuscire nella serpentina). Una piccola crepa a volte è gestibile per alcune colate, ma una crepa grande rappresenta un'emergenza: inclinare il forno, versare il metallo fuso e arrestare il processo.
La terza modalità di guasto è la penetrazione del metallo. Il metallo fuso si infiltra nei pori del crogiolo, creando un ponte metallico tra il fuso e la bobina. Il risultato è un percorso di corrente attraverso il crogiolo, il quale si riscalda in modo non uniforme e il guasto accelera. La penetrazione del metallo è solitamente causata da un refrattario di supporto inadeguato, da un crogiolo non sufficientemente sinterizzato o da una potenza eccessiva durante i primi riscaldamenti.
Autore: team di ingegneri per forni a induzione di MONTE INTELLIGENCE. Per la selezione dei crogioli e gli studi sul ciclo di vita, contattare helenxu@cnlymonte.com.
