Anpassung Ihres Tiegels an Ihre Anwendung

Wenn Sie Metall schmelzen oder ein Schmelzbad halten, ist Ihr Betrieb wahrscheinlich einzigartig. Ihre spezielle Kombination von Öfen, Legierungen, Arbeitsverfahren, metallurgischen Behandlungen, Gießverfahren und Endprodukten wird wahrscheinlich in keinem anderen Betrieb zu finden sein. Die Auswahl eines Tiegels, der für Ihren Betrieb die maximale Leistung erbringt, ist daher eine individuelle und komplexe Aufgabe.

Dieser Artikel soll als Leitfaden für die Auswahl des optimalen Tiegels für Ihren Betrieb dienen. Er erläutert den Zusammenhang zwischen Metallschmelz-/Halteverfahren und spezifischen Tiegeleigenschaften. Er unterstützt, ersetzt aber nicht die Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen Metallschmelzern und Tiegellieferanten bei der Tiegelauswahl.

Der moderne Tiegel ist ein sehr heterogener Verbundwerkstoff auf Graphitbasis, der die erforderliche Leistung nur durch seine Materialzusammensetzung und die Kontrolle der strukturellen Ausrichtung des Graphits erreicht. Tiegel können so klein wie Teetassen sein oder mehrere Tonnen Metall fassen. Sie können fest in die Ofenstruktur eingebaut oder so konstruiert sein, dass sie am Ende jeder Schmelze zum Gießen aus dem Ofen genommen werden können. Tiegel werden in brennstoffbeheizten Öfen, in elektrischen Widerstandsöfen, in Induktionsöfen oder einfach zum Transport von geschmolzenem Metall verwendet. Sie sind mit oder ohne Ausgießer und in einer Vielzahl traditioneller und spezieller Formen erhältlich.

Sie bieten auch viele verschiedene Leistungsmerkmale, da jede Anwendung eine Reihe komplexer Temperatur-, chemischer und physikalischer Parameter aufweist, die die technischen Grenzen festlegen, innerhalb derer der Tiegel konstruiert werden muss.

Wie wählen Sie nun aus dem umfangreichen Angebot an Tiegeltypen und -materialien den richtigen Tiegel für Ihren Betrieb aus?

Am besten beginnen Sie mit einer detaillierten Bewertung Ihres Betriebs. Sie müssen alle Aspekte Ihrer Schmelz-, Warmhalte- und Metallhandhabungsprozesse vollständig dokumentieren und, wenn möglich, quantifizieren. Dazu gehören:

• Die Kapazität, Abmessungen und Typ Ihres Ofens
• Die spezifische Legierung oder das Legierungsspektrum, das Sie schmelzen
• Die Schmelz- und/oder Warmhaltetemperaturen, die Sie einhalten
• Die Temperaturwechselrate, die der Tiegel erfahren wird
• Wie der Tiegel befüllt wird
• Die verwendeten Flussmittel oder Zusätze
• Entgasungs- oder Raffinationsverfahren
• Wie Schlacke oder Krätze entfernt wird
• Wie der Tiegel entleert wird.

Diese neun Kategorien spiegeln die häufigsten Faktoren wider, die Sie bei der Auswahl eines Tiegels für Ihre spezifischen Anforderungen berücksichtigen müssen. Sie sollten auch alle zusätzlichen Prozesse oder Anforderungen berücksichtigen, die für Ihren Betrieb spezifisch sein könnten. Ein Beispiel hierfür ist Ihre Fähigkeit, eine Kreuzkontamination von Legierungen zu tolerieren oder zu vermeiden.

Während Sie die detaillierten Informationen über Ihren eigenen Betrieb in den Tiegelauswahlprozess einbringen, muss Ihr Tiegellieferant ein hohes Maß an Fachwissen über Tiegelmaterialien, -eigenschaften und -leistung beisteuern. Die größte Auswahl erhalten Sie, wenn Sie einen Tiegellieferanten suchen, der in der Lage ist, sich überschneidende Tiegelproduktlinien anzubieten, die für jedes spezifische Metall geeignet sind, aber unterschiedliche Betriebseigenschaften aufweisen. In Zusammenarbeit mit ihm können Sie dann einen bestimmten Tiegel genau auf Ihre spezifischen Anforderungen abstimmen. Diese Abstimmung ist der Schlüssel zu Sicherheit, Leistung und maximaler Lebensdauer eines Tiegels.

Bei der praktischen Anwendung ist jedoch zu beachten, dass es möglicherweise nicht einen einzigen Tiegeltyp gibt, der alle wünschenswerten Eigenschaften für Ihre Anwendung auf höchstem Niveau bietet. Die Leistungsmerkmale von Tiegeln sind oft mit Kompromissen verbunden. So bietet der Tiegel mit der besten Wärmeleitfähigkeit möglicherweise nicht gleichzeitig den besten Schutz gegen Temperaturschock. Daher sollten Sie die Liste der für Ihre Anwendung wichtigsten Tiegeleigenschaften nach Prioritäten ordnen und diese Prioritäten mit Ihrem Tiegellieferanten besprechen.

Ofenkapazität, -abmessungen und -typ

Die Kapazität, die Abmessungen und der Typ des von Ihnen verwendeten Ofens bestimmen die meisten der beobachtbaren Details Ihres Tiegels. Wenn Sie beispielsweise wissen, für welche Metallkapazität Ihr Ofen ausgelegt ist, wissen Sie auch, welches Fassungsvermögen Ihr Tiegel haben sollte. In ähnlicher Weise bestimmen die Abmessungen des Raums für den Tiegel in Ihrem Ofen die Abmessungen und die Form Ihres Tiegels. Daraus ergibt sich auch, ob Ihr Tiegel eine Ausgusstülle haben muss. Bei der Wahl eines Tiegels, der zu Ihrem Ofentyp passt, sind jedoch noch viele andere, weniger offensichtliche Faktoren zu berücksichtigen.

Brennstoffbefeuerte Öfen

Brennstoffbefeuerte Öfen umfassen Öfen, die mit Gas, Öl, Propan oder Koks betrieben werden. Jeder dieser Brennstoffe setzt den Tiegel direkt der Heizquelle aus, und jeder liefert eine andere Wärmemenge, die normalerweise in BTUs gemessen wird. Der gewählte Tiegel muss den maximalen BTUs standhalten, die der Brennstoff dem Tiegel zuführen kann. Bei Gas-, Öl- und Propanöfen muss der Tiegel den Auswirkungen der Brennerflamme am Boden des Tiegels standhalten können, und der Tiegel muss sich verjüngen, damit die Flamme von unten nach oben um den Tiegel zirkulieren kann. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Erwärmung des Tiegels. Das Tiegelmaterial muss auch in der Lage sein, Oxidationsschäden durch die Flamme zu widerstehen und die Geschwindigkeit der thermischen Veränderung, die der Tiegel erfährt, zu bewältigen.

Eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine gleichmäßige Erwärmung sind wichtige Eigenschaften des Tiegels, um die Wärme aus dem Inneren des Ofens durch den Tiegel auf die Metallcharge zu übertragen. Tiegel mit hohem Graphitanteil im Kohlenstoffbindemittel bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit für schnelles Schmelzen in gasbeheizten Öfen.

Elektrische Widerstandsöfen

Elektrische Widerstandsöfen sorgen für eine gleichmäßige Rundumbeheizung eines Tiegels und eignen sich ideal für eine präzise Temperaturregelung bei der Metallhaltung. Bei Schmelzanwendungen sind sie jedoch langsamer als brennstoffbeheizte Öfen. Daher werden häufig energieeffiziente Tiegel mit einem hohen Graphitanteil im Kohlenstoffbindemittel ausgewählt, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit für ein schnelleres Schmelzen in diesen Öfen zu erreichen.

Tiegel für elektrische Widerstandsöfen sind normalerweise beckenförmig und bieten einen gleichmäßigen Abstand zwischen dem Tiegel und den Heizelementen des Ofens.

Induktionsöfen

Die Auswahl von Tiegeln für Induktionsöfen ist eine komplexere Aufgabe. Bei einigen Anwendungen, wie z. B. bei der Raffination von Edelmetallen, werden Tiegel, die für die Erwärmung in den Induktionsfeldern des Ofens ausgelegt sind, zum Schmelzen der Charge verwendet. Bei anderen Anwendungen werden Tiegel verwendet, die vom Induktionsfeld durchdrungen werden und die Metallcharge direkt erhitzen. Daher ist es wichtig, die elektrischen Eigenschaften des Tiegels an die Betriebsfrequenz des Ofens und an die Schmelzanwendung anzupassen. So erfordern z. B. Induktionsöfen mit niedrigeren Frequenzen Tiegel mit hohem Siliziumkarbidgehalt, während bei anderen Anwendungen Induktionsöfen mit höheren Frequenzen Tiegel mit hohem Tongehalt erforderlich sind. Die Anpassung des elektrischen Widerstands eines Tiegels an den Induktionsofen ist der Schlüssel zur Vermeidung einer Tiegelüberhitzung.

Die meisten für Induktionsöfen konzipierten Tiegel sind zylindrisch, um einen gleichmäßigen Abstand zwischen dem Tiegel und der Ofenspule zu gewährleisten. Einige kleine Öfen, die für abnehmbare Tiegel ausgelegt sind, weisen jedoch eine konische Spule auf, um dem Profil der bilgeförmigen Tiegel zu entsprechen.

Abnehmbare Tiegelöfen

Alle oben genannten Ofentypen können für abnehmbare Tiegel ausgelegt werden. Diese Tiegel können im Freien oder im Ofen installiert werden, werden aber zum Abgießen aus dem Ofen entfernt. Wie Tiegel, die nur für den Metalltransport verwendet werden, sind sie bilge- oder A-förmig, damit sie mit einer Zange angehoben werden können, die den Tiegel ordnungsgemäß stützt.

Einschränkungen der Ofenleistung

Ein letzter Faktor, den Sie bei der Dokumentation Ihrer Tiegelanforderungen auf der Grundlage der Spezifikationen Ihres Ofens berücksichtigen sollten, ist die Verfügbarkeit von Strom. An vielen Standorten ist der Strom für das Schmelzen oder Warmhalten nicht immer verfügbar oder zu bestimmten Zeiten oder in bestimmten Größenordnungen unerschwinglich. Wenn dies bei Ihnen der Fall ist, kann es besonders wichtig sein, einen energieeffizienten Tiegel auszuwählen.

Metalle, die Sie schmelzen und/oder aufbewahren

Wenn Sie wissen, welche Metalle und Legierungen Sie schmelzen oder aufbewahren, erfahren Sie viel über die Eigenschaften, die Sie von einem Tiegel erwarten. Ihr detaillierter Katalog der Metalle, die Sie zu schmelzen beabsichtigen, wird dazu beitragen, die Höchsttemperatur zu bestimmen, die der Tiegel zum Schmelzen und Warmhalten aushalten muss, wird definieren, wie das Metall mit dem Tiegelmaterial sowohl chemisch als auch physikalisch interagieren wird und wird ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der Eigenschaften sein, die Ihr optimaler Tiegel bieten sollte. Ein Beispiel: Beim Schmelzen von Kupferlegierungen in brennstoffbeheizten Öfen schneiden rollengeformte Siliziumkarbid-Tiegel aufgrund ihrer höheren Temperaturwechselbeständigkeit besser ab. Bei anderen Ofentypen werden Tiegel oft wegen ihrer hohen Dichte ausgewählt. Weniger dichte und porösere Tiegel können zu Erosion führen.

Tiegel aus kohlenstoffgebundenem und keramisch gebundenem Tongraphit und Siliziumkarbid werden häufig zum Schmelzen und Warmhalten von Aluminium und Aluminiumlegierungen, Aluminium-Bronze, Kupfer und Kupferbasislegierungen, Kupfernickel- und Nickel-Bronze-Legierungen, Edelmetallen, Zink und Zinkoxid verwendet. Tiegel werden auch zum Schmelzen von Gusseisen verwendet. Zusammengenommen decken diese Metalle einen Temperaturbereich von 400°C/750°F bis 1600°C/2912°F ab.

Während einige Tiegeltypen Metalltemperaturen unterstützen, die ein breites Spektrum von Metallen umfassen, ist es oft notwendig, Tiegel für bestimmte Metalle oder Legierungen und mit begrenzteren Betriebstemperaturbereichen auszuwählen. Die Auswahl solcher Tiegel ist oft vorteilhafter, weil sie Leistungsmerkmale bieten, die für Ihren Betrieb wichtig sind. So ist beispielsweise ein Tiegel, der Metalle von Eisen bis Zink schmelzen kann, für das Schmelzen von Aluminiumlegierungen nicht so wichtig wie ein Tiegel, der auf den von Ihnen benötigten Temperaturbereich beschränkt ist, aber Korrosionsschäden durch Ihre Metallbehandlungsmittel widerstehen kann.

Schmelz- und Warmhaltetemperaturen

Generell bestimmen die Metalle und Legierungen, die Sie schmelzen oder warmhalten, den Temperaturbereich, in dem Ihr Tiegel arbeiten muss. Tiegel dürfen niemals über ihre Höchsttemperatur hinaus erhitzt werden. Dies kann zu einem gefährlichen Versagen des Tiegels führen. Aber auch der Betrieb unterhalb der unteren Temperaturgrenze des Tiegels kann Probleme verursachen. So oxidieren beispielsweise Tiegel, die für das Hochtemperaturschmelzen von Kupferlegierungen ausgelegt sind, wenn sie bei niedrigen Temperaturen für das Schmelzen von Zink verwendet werden.

Auch Schmelz- und Warmhalteverfahren, die mit Metalltemperaturen verbunden sind, müssen bei der Auswahl von Tiegeln berücksichtigt werden. Wenn Sie mit Überhitzung arbeiten, müssen Sie die erreichten höheren Metalltemperaturen berücksichtigen.

Temperaturänderungsgeschwindigkeit

Die Fähigkeit eines Tiegels, mit der Temperaturänderungsgeschwindigkeit umzugehen, ist ebenso wichtig wie seine Mindest- und Höchsttemperaturgrenzen. Wenn der Tiegel in Ihrem Betrieb häufig aufgeheizt und abgekühlt wird oder anderweitig schnellen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, müssen Sie einen Tiegel wählen, der gegen Temperaturschocks resistent ist. Einige Tiegeltypen können mit schnellen Temperaturwechseln viel besser umgehen als andere. Ein hoher Kohlenstoffgehalt des Graphits in einem Tiegel sorgt beispielsweise für eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Unbenetzbarkeit. Und wenn dieser Graphit eine richtungsorientierte Matrix bildet, bietet der Tiegel auch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit. Dies ist entscheidend für Gießereianwendungen, bei denen die Temperaturen innerhalb von Sekunden um mehrere hundert Grad schwanken können. Ihr Tiegellieferant kann Sie beraten, welche Tiegel die beste Temperaturwechselbeständigkeit für Ihre Anwendung bieten.

Wie wird der Tiegel beschickt

Wenn Ihr Ofen immer mit geschmolzenem Metall beschickt wird, braucht er wahrscheinlich keinen Tiegel, der besonders widerstandsfähig gegen physikalische Schäden ist. Wenn jedoch Metallblöcke oder andere schwere Materialien den Hauptteil Ihrer Charge ausmachen und nicht über ein automatisches Beladungssystem vorsichtig in den Ofen abgesenkt werden, sollten Sie einen Tiegel wählen, der mechanisch stabil ist und physische Stöße überstehen kann. Tiegel mit einem hohen Kohlenstoffgehalt und einer gerichteten Graphitstruktur bieten eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit.

Sie werden auch einen Tiegel mit einer dauerhaften Schutzglasur wünschen. Eine Beschädigung der Glasur durch grobe Handhabung kann zu Oxidationsschäden am Tiegel führen. Stranggepresste Aluminiumbarren haben oft scharfe Kanten, die tief in den Tiegelkörper einschneiden und zu schädlichen Rissen führen können.

Flussmittel und Zusatzstoffe

Alle Tiegel bieten ein gewisses Maß an Widerstand gegen Korrosion und chemische Angriffe. Die meisten Flussmittel und anderen Metallbehandlungen, die beim Schmelzen von Aluminium und anderen Nichteisenmetallen verwendet werden, sind jedoch stark korrosiv und erfordern einen Tiegel, der ein hohes Maß an Beständigkeit gegen chemische Angriffe bietet. Diese Beständigkeit wird am besten durch eine gleichmäßig dichte Struktur des Tiegelmaterials und eine dauerhafte Schutzglasur erreicht.

Entgasen und Raffinieren

Beim Entgasen von Aluminium und Aluminiumlegierungen wird in der Regel Inertgas, in der Regel Stickstoff, durch das Schmelzbad geblasen, während das Bad mit einem Rotor gerührt wird, der die Gasbläschen aufbricht und verteilt. Diese kleinen Blasen ziehen dann den unerwünschten Wasserstoff und die Oxide aus dem Bad und tragen sie zusammen mit Krätze und Einschlüssen an die Oberfläche, wo das Gas in die Luft entweicht und das feste Material entfernt werden kann. Dieser Prozess, der häufig zusammen mit Flussmitteln eingesetzt wird, führt zu einer physikalischen Erosion des Tiegels und greift ihn auch chemisch an. Daher ist ein dichter und mechanisch fester Tiegel erforderlich, der sehr widerstandsfähig gegen chemische Angriffe ist. Tiegel aus Siliziumkarbid bieten eine hervorragende Beständigkeit gegen Erosion bei hohen Temperaturen und gegen chemische Korrosion. Außerdem bilden die Tiegel beim isostatischen Pressen eine zufällige Anordnung des Graphits in ihrer Struktur. Dies trägt zur Schaffung dichterer Produkte bei, die erosiven und korrosiven Bedingungen besser standhalten können.

Viele Raffinations- und Metallbehandlungsverfahren, die mit anderen Nichteisenmetallen angewandt werden, erfordern ebenfalls einen mechanisch starken und chemisch widerstandsfähigen Tiegel.

Beim Raffinieren und Schmelzen von Edelmetallen ist es besonders wichtig, dass der verwendete Tiegel sauberes Metall liefert, indem er nicht benetzende Eigenschaften aufweist. Das bedeutet, dass der Tiegel gut gegen das Eindringen von Metall abgedichtet sein muss.

Schlacken- und Krätzeentfernung

Ein dichter, nicht benetzender Tiegel trägt auch dazu bei, die Ansammlung von Schlacke und Krätze zu verringern und erleichtert die Reinigung des Tiegels, wenn er leer ist.

Entleeren des Ofens

Tiegel zum Schmelzen und Halten von geschmolzenem Metall, das aus dem Ofen getaucht wird, müssen so konstruiert sein, dass sie leicht zugänglich sind und einen hohen thermischen Wirkungsgrad haben. Dies ermöglicht es dem Ofen, das Metall mit minimalem Brennstoff- oder Energieverbrauch auf der richtigen Temperatur zu halten.

Tiegel für Öfen, die zum Gießen gekippt werden, benötigen oft integrierte Gießschnäbel, die die für den Guss erforderliche Reichweite und Genauigkeit bieten.

Fazit

Mit einem vollständigen und detaillierten Verständnis aller Aspekte Ihrer Metallschmelz- und/oder Warmhaltevorgänge sind Sie und Ihr Tiegellieferant gut positioniert, um ein Tiegelprodukt auszuwählen, das Ihre spezifischen betrieblichen Anforderungen erfüllt und eine gleichbleibend längere Lebensdauer aufweist.