Přizpůsobení kelímku vaší aplikaci

Pokud tavíte kov nebo udržujete roztavenou lázeň, je pravděpodobné, že váš provoz je jedinečný. Vaše konkrétní kombinace pecí, slitin, pracovních postupů, metalurgických úprav, uspořádání lití a konečných produktů se pravděpodobně nebude opakovat v žádném jiném zařízení. Výběr kelímku, který zajistí maximální výkon vašeho provozu, je tedy individuální a složitý úkol.

Tento článek má sloužit jako návod pro výběr optimálního kelímku pro váš provoz. Vysvětluje vztah mezi operacemi tavení/držení kovů a specifickými vlastnostmi kelímku. Poskytuje podporu, ale nenahrazuje potřebu úzké spolupráce mezi taviči kovů a dodavateli kelímků v procesu výběru kelímku.

Moderní kelímek je vysoce heterogenní kompozitní materiál na bázi grafitu, který při dosahování požadovaného výkonu závisí na materiálovém složení a kontrole strukturního uspořádání grafitu. Kelímky mohou být malé jako šálky na čaj nebo mohou pojmout několik tun kovu. Mohou být pevně zabudovány v konstrukci pece nebo mohou být navrženy tak, aby je bylo možné na konci každé taveniny z pece vyjmout a vylít. Kelímky se používají v pecích na palivo, v elektrických odporových pecích, v indukčních pecích nebo jednoduše k přenášení roztaveného kovu. Vyrábějí se s vylévacími hubicemi nebo bez nich a v široké škále tradičních i specializovaných tvarů.

Nabízejí také mnoho různých výkonnostních charakteristik, protože každá aplikace představuje komplexní soubor teplotních, chemických a fyzikálních parametrů, které definují technické hranice, v nichž musí být kelímek navržen pro provoz.

Jak tedy vybrat ten správný kelímek pro váš provoz z rozsáhlé nabídky typů kelímků a materiálů, které máte k dispozici?

Nejlepším přístupem je začít vlastním podrobným posouzením vašeho provozu. Musíte plně zdokumentovat a pokud možno kvantifikovat všechny aspekty svých procesů tavení, držení a manipulace s kovem. Mezi ně patří např:

• Kapacita, rozměry a typ vaší pece
• Konkrétní slitina nebo řada slitin, které tavíte
• Tavicí a/nebo udržovací teploty, které udržujete
• Rychlost teplotních změn kelímku bude docházet
• Způsob nabíjení kelímku
• Používaná tavidla nebo příměsi
• Procesy odplyňování nebo rafinace
• Způsob odstraňování strusky nebo strusky
• Způsob vyprazdňování kelímku.

Těchto devět kategorií odráží běžnější faktory, které je třeba vzít v úvahu při výběru kelímku odpovídajícího vašim specifickým požadavkům. Měli byste také zvážit všechny další procesy nebo požadavky, které mohou být specifické pro váš provoz. Příkladem může být vaše schopnost tolerovat nebo vaše potřeba vyhnout se křížové kontaminaci slitin.

Zatímco vy do procesu výběru kelímku vnesete podrobné informace o svých vlastních provozech, váš dodavatel kelímku musí přispět vysokou úrovní odborných znalostí o materiálech, vlastnostech a výkonu kelímku. Pro co největší výběr hledejte dodavatele kelímků, který je schopen nabídnout překrývající se produktové řady kelímků vhodné pro každý konkrétní kov, ale nabízející různé provozní vlastnosti. Ve spolupráci pak budete schopni přesně přizpůsobit konkrétní tyglík vašim specifickým požadavkům. Dosažení této shody je klíčem k bezpečnosti, výkonnosti a maximální životnosti kelímku.

Uvědomte si však, že v praktické rovině nemusí existovat jediný typ kelímku, který by nabízel nejvyšší úroveň všech žádoucích vlastností pro vaši aplikaci. Výkonnostní charakteristiky kelímků často zahrnují kompromisy. Například kelímek s nejlepší tepelnou vodivostí nemusí zároveň nabízet nejlepší ochranu proti tepelným šokům. Proto byste měli stanovit priority seznamu vlastností tyglíku, které jsou pro vaši aplikaci nejdůležitější, a tyto priority zkontrolovat s dodavatelem tyglíku.

Kapacita, rozměry a typ pece

Kapacita, rozměry a typ pece, kterou používáte, stanoví většinu pozorovatelných údajů o vašem tyglíku. Když například znáte kapacitu kovu, pro kterou byla vaše pec navržena, budete vědět, jakou kapacitu by měl váš kelímek poskytovat. Podobně rozměry prostoru pro kelímek ve vaší peci určí rozměry a tvar vašeho kelímku. To také určí, zda váš kelímek musí obsahovat nalévací hubici. Výběr kelímku odpovídajícího typu pece vám však poskytne mnoho dalších, méně zřejmých faktorů, které je třeba zvážit.

Palivové pece

Palivové pece zahrnují pece poháněné plynem, olejem, propanem nebo koksem. Každé z těchto paliv přímo vystavuje kelímek zdroji tepla a každé poskytuje jinou úroveň tepla, obvykle měřenou v BTU. Každý vybraný kelímek musí být schopen odolat maximálnímu množství BTU, které je palivo v peci schopno na kelímek vyvinout. U plynových, olejových a propanbutanových pecí musí být kelímek schopen odolat účinkům plamene hořáku na dně kelímku a kelímek musí být zúžený, aby plamen mohl cirkulovat kolem kelímku zespodu nahoru. To umožňuje rovnoměrné zahřívání kelímku. Materiál kelímku musí být také schopen odolat oxidačnímu poškození plamenem a přizpůsobit se rychlosti tepelných změn, ke kterým v kelímku dojde.

Dobrá tepelná vodivost a rovnoměrný ohřev jsou důležité vlastnosti kelímku při přenosu tepla z vnitřku pece přes kelímek na kovovou náplň. Kelímky s vysokým obsahem grafitu v uhlíkovém pojivu nabízejí vysokou tepelnou vodivost pro rychlé tavení v plynových pecích.

Elektrické odporové pece

Elektrické odporové pece zajišťují rovnoměrný, celoplošný ohřev kelímku a jsou ideální pro přesnou regulaci teploty při aplikaci držení kovu. Při tavicích aplikacích jsou však pomalejší než pece spalující paliva. Proto se často vybírají energeticky účinné kelímky s vysokým obsahem grafitu v uhlíkovém pojivu, které zajišťují vysokou tepelnou vodivost pro rychlejší tavení v těchto pecích.

Tyglíky určené pro elektrické odporové pece mají obvykle tvar pánve a zajišťují rovnoměrnou vzdálenost mezi kelímkem a topnými prvky pece.

Indukční pece

Výběr kelímků pro indukční pece je složitější úkol. V některých aplikacích, například při rafinaci drahých kovů, se k tavení vsázky používají kelímky určené k zahřívání v indukčních polích pece. V jiných aplikacích se používají kelímky, které umožňují průchod indukčního pole a ohřívají kovovou náplň přímo. Proto je důležité přizpůsobit elektrické vlastnosti kelímku pracovní frekvenci pece a aplikaci tavení. Například v některých konstrukcích vyžadují indukční pece s nižší frekvencí kelímky s vysokým obsahem karbidu křemíku a v jiných aplikacích vyžadují indukční pece s vyšší frekvencí kelímky s vysokým obsahem jílu. Klíčem k zabránění přehřátí kelímku je přizpůsobení elektrického odporu kelímku indukční peci.

Většina kelímků určených pro indukční pece má válcový tvar, aby byla zajištěna rovnoměrná vzdálenost mezi kelímkem a cívkou pece. Některé malé pece určené pro vyjímatelné kelímky však mají zúženou cívku, aby odpovídala profilu kelímků ve tvaru polena.

Vyjímatelné kelímkové pece

Všechny výše uvedené typy pecí mohou být navrženy tak, aby používaly vyjímatelné kelímky. Tyto kelímky lze nabíjet, když jsou venku nebo když jsou instalovány v peci, ale pro vylévání se z pece vyjímají. Stejně jako kelímky používané pouze k přelévání kovu mají tvar dna nebo písmene A, aby je bylo možné zvedat kleštěmi určenými k řádnému podepření kelímku.

Omezení výkonu pece

Posledním faktorem, který je třeba zvážit při dokumentaci požadavků na kelímek na základě specifikací pece, je dostupnost výkonu. V mnoha lokalitách nemusí být napájení pro tavení nebo držení k dispozici vždy nebo může být v určitých
časech nebo při určitých úrovních neúnosně drahé. Pokud je to případ vaší provozovny, může být obzvláště důležité vybrat energeticky účinný kelímek.

Kovy, které tavíte a/nebo uchováváte

Znalost toho, jaké kovy a slitiny tavíte nebo uchováváte, vám hodně napoví o tom, jaké vlastnosti kelímku potřebujete. Váš podrobný katalog kovů, které hodláte tavit, pomůže stanovit maximální teplotu, kterou musí kelímek pro tavení a uchovávání vydržet, určí, jak bude kov chemicky i fyzikálně interagovat s materiálem kelímku, a bude klíčovým faktorem při určování toho, jaké vlastnosti by měl váš optimální kelímek nabízet. Jako příklad lze uvést tavení slitin na bázi mědi v pecích s palivem, kde se lépe osvědčují válcované kelímky z karbidu křemíku díky vyšší odolnosti vůči tepelným šokům. V jiných typech pecí se kelímky často vybírají kvůli jejich vysoké hustotě. Méně husté a poréznější kelímky mohou umožňovat erozi.

Tyglíky z jílového grafitu a karbidu křemíku s uhlíkovou vazbou a keramickou vazbou se široce používají při tavení a udržování hliníku a slitin hliníku, hliníku a bronzu, mědi a slitin na bázi mědi, slitin mědi a niklu a bronzu, drahých kovů, zinku a oxidu zinečnatého. Kelímky se používají také při tavení litiny. Dohromady jako skupina představují tyto kovy teplotní rozsah od 400 °C/750°F do 1600 °C/2912°F.

Ačkoli některé typy kelímků podporují teploty kovů zahrnující široké spektrum kovů, často je nutné vybrat kelímky určené pro konkrétní kovy nebo slitiny a s omezenějším rozsahem pracovních teplot. Výběr takových kelímků je často výhodnější, protože nabízejí výkonnostní charakteristiky důležité pro váš provoz. Například použití kelímku schopného tavit kovy od železa po zinek nemusí být pro vaši operaci tavení hliníkových slitin tak důležité jako kelímek omezený na potřebný teplotní rozsah, ale schopný odolávat koroznímu poškození tavidly pro úpravu kovů.

Tavicí a udržovací teploty

Obecně platí, že kovy a slitiny, které tavíte nebo udržujete, určují teplotní rozsah, v němž musí být váš kelímek schopen pracovat. Kelímky se nikdy nesmí zahřívat nad svou maximální teplotu. To může vést k nebezpečnému selhání kelímku. Provoz pod spodní hranicí teploty kelímku však může rovněž způsobit problémy. Například kelímky určené pro vysokoteplotní tavení slitin na bázi mědi budou oxidovat, pokud budou použity při nízkých teplotách pro tavení zinku.

Při výběru kelímků je třeba zohlednit také postupy tavení a držení zahrnující teploty kovů. Pokud vaše operace zahrnují přehřívání, budete muset vzít v úvahu vyšší dosažené teploty kovů.

Rychlost změny teploty

Schopnost kelímku zvládnout rychlost změny teploty je stejně důležitá jako jeho minimální a maximální teplotní limity. Pokud vaše provozní postupy vedou k častým cyklům zahřívání a ochlazování kelímku nebo jej jinak vystavujete rychlým změnám teploty, budete muset zvolit kelímek, který je odolný vůči teplotním šokům. Některé typy kelímků zvládají rychlé změny teploty mnohem lépe než jiné. Například vysoký obsah uhlíku v grafitu tyglíku propůjčuje vysokou tepelnou vodivost a nesmáčivost. A pokud tento grafit tvoří směrově orientovanou matrici, kelímek také poskytuje vysokou odolnost proti teplotním šokům. To má zásadní význam pro slévárenské aplikace, kde se teploty mohou měnit o několik set stupňů během několika sekund. Váš dodavatel kelímků vám poradí, které kelímky poskytují nejlepší odolnost proti tepelnému šoku pro vaši aplikaci.

Jak se kelímek nabíjí

Pokud je vaše pec vždy nabíjena roztaveným kovem, pravděpodobně nepotřebuje kelímek navržený tak, aby byl vysoce odolný proti fyzickému poškození. Pokud však většinu vsázky tvoří kovové ingoty nebo jiné těžké materiály a nejsou do pece opatrně spouštěny pomocí automatického zavážecího systému, možná budete chtít zvolit kelímek, který je mechanicky odolný a schopný přežít fyzické nárazy. Kelímky s vysokým obsahem uhlíku a směrově orientovanou strukturou grafitu poskytují vynikající odolnost proti nárazům.

Rovněž budete chtít kelímek s odolnou ochrannou glazurou. Poškození glazury v důsledku hrubého zacházení může vést k oxidačnímu poškození kelímku. Extrudované hliníkové ingoty mají často ostré hrany, které se hluboko zaříznou do těla kelímku, což vede k poškozujícím trhlinám.

Tyglíky a přísady

Všechny kelímky nabízejí určitou úroveň odolnosti proti korozi a chemickému napadení. Většina tavidel a dalších úprav kovů používaných při tavení hliníku a jiných neželezných kovů je však vysoce korozivní a vyžaduje kelímek, který nabízí vysokou úroveň odolnosti proti chemickému napadení. Tuto odolnost nejlépe zajišťuje jak trvale hustá struktura materiálu kelímku, tak odolná ochranná glazura. Pokud vaše tavicí aplikace zahrnuje použití korozivních úprav kovů, jistě budete chtít kelímek nabízející odpovídající úroveň ochrany proti těmto činidlům.

Degradace a rafinace

Degradace hliníku a slitin hliníku obvykle zahrnuje probublávání inertního plynu, obvykle dusíku, roztavenou lázní za současného míchání lázně rotorem určeným k rozbíjení a rozptylování bublin plynu. Tyto malé bublinky pak vytahují nežádoucí vodík a oxidy z lázně a vynášejí je spolu se struskou a inkluzemi na povrch, kde plyn uniká do vzduchu a pevný materiál může být odstraněn. Tento proces, často používaný spolu s tavidly, fyzicky eroduje kelímek a působí na něj i chemicky. Proto je zapotřebí hustý a mechanicky pevný kelímek, který je vysoce odolný vůči chemickému napadení. Kelímky z karbidu křemíku poskytují vynikající odolnost proti erozi při zvýšené teplotě a proti chemické korozi. Také při izostatickém lisování vytvářejí kelímky ve své struktuře náhodné uspořádání grafitu. To přispívá k vytváření hustších výrobků, které mohou účinněji odolávat erozním a korozním podmínkám.

Mnoho rafinačních a úpravárenských procesů používaných s jinými neželeznými kovy rovněž vyžaduje mechanicky pevný a chemicky odolný kelímek.

Při rafinaci a tavení drahých kovů je obzvláště důležité, aby kelímek, který používáte, poskytoval čistý kov tím, že obsahuje nesmáčivé vlastnosti. To znamená, že kelímek musí být dobře utěsněn proti vniknutí kovu. Tato vlastnost je dána hustou strukturou materiálu kelímku a odolnou ochrannou glazurou.

Odstraňování strusky a strusky

Hustý, nesmáčivý kelímek také pomůže snížit hromadění strusky a strusky a usnadní čištění kelímku, když je prázdný.

Vyprazdňování pece

Tygl pro tavení a uchovávání roztaveného kovu, který se vylévá z pece, musí být navržen pro snadný přístup ke kovu a s vysokou tepelnou účinností. To umožňuje, aby pec udržela kov při správné teplotě s minimální spotřebou paliva nebo energie.

Tygly pro pece, které jsou nakloněné pro vylévání, často vyžadují integrované vylévací hubice, které zajišťují dosah a přesnost potřebnou pro vylévání.

Závěr

Při úplném a podrobném pochopení všech aspektů vašich operací tavení a/nebo udržování kovu budete mít vy i váš dodavatel tyglíků dobrou pozici pro výběr výrobku, který splňuje vaše specifické provozní požadavky a poskytuje trvale delší životnost.