Abbinare il crogiolo alla vostra applicazione

Se fondete metallo o tenete un bagno fuso, è probabile che la vostra operazione sia unica. La vostra particolare combinazione di forni, leghe, pratiche di lavoro, trattamenti metallurgici, disposizioni di colata e prodotti finali non possono essere duplicati in nessun altro impianto. Quindi la scelta di un crogiolo che fornirà le massime prestazioni per la vostra operazione è un compito individualizzato e complesso.

Questo articolo è stato progettato per servire da guida per la selezione del crogiolo ottimale per la vostra operazione. Spiega la relazione tra le operazioni di fusione/tenuta del metallo e le caratteristiche specifiche del crogiolo. Il crogiolo moderno è un materiale composito altamente eterogeneo a base di grafite, che si basa sulla sua composizione materiale e sul controllo dell’allineamento strutturale della grafite per ottenere le prestazioni richieste. I crogioli possono essere piccoli come tazze da tè o possono contenere diverse tonnellate di metallo. Possono essere fissati in posizione all’interno della struttura di una fornace o possono essere progettati per essere rimossi dalla fornace per essere versati alla fine di ogni fusione. I crogioli sono usati nei forni a combustibile, nei forni a resistenza elettrica, nei forni a induzione o semplicemente per trasferire il metallo fuso. Sono disponibili con o senza beccucci di versamento e in un’ampia varietà di forme tradizionali e specializzate.

Offrono anche molte caratteristiche di prestazione diverse poiché ogni applicazione presenta una serie complessa di parametri di temperatura, chimici e fisici che definiscono i confini tecnici entro i quali il crogiolo deve essere progettato per funzionare.

Come si fa quindi a selezionare il crogiolo giusto per la propria operazione dalla vasta gamma di tipi e materiali disponibili? E’ necessario documentare completamente e, se possibile, quantificare tutti gli aspetti dei processi di fusione, conservazione e manipolazione del metallo. Questi includono:

• La capacità, le dimensioni e il tipo del vostro forno
• La lega specifica o la gamma di leghe che fondete
• Le temperature di fusione e/o di mantenimento che mantenete
• Il tasso di variazione della temperatura che il crogiolo come viene caricato il crogiolo
• I fondenti o le aggiunte usate
• I processi di degassificazione o raffinazione
• Come vengono rimosse le scorie o le scorie
• Come viene svuotato il crogiolo.

Queste nove categorie riflettono i fattori più comuni da prendere in considerazione quando si seleziona un crogiolo per soddisfare le vostre esigenze specifiche. Dovreste anche considerare qualsiasi processo o requisito aggiuntivo che potrebbe essere specifico per le vostre operazioni. Un esempio potrebbe essere la vostra capacità di tollerare o la vostra necessità di evitare la contaminazione incrociata delle leghe.

Mentre voi portate le informazioni dettagliate sulle vostre operazioni al processo di selezione del crogiolo, il vostro fornitore del crogiolo deve contribuire con un alto livello di competenza sui materiali del crogiolo, sulle caratteristiche e sulle prestazioni. Per la massima selezione, cercate un fornitore di crogioli in grado di offrire linee di prodotti sovrapposti adatti a ciascun metallo specifico, ma con caratteristiche operative diverse. Poi, lavorando insieme, sarete in grado di abbinare strettamente un crogiolo specifico alle vostre esigenze specifiche. Raggiungere questa corrispondenza è la chiave per la sicurezza del crogiolo, le prestazioni e la massima durata di vita.

Siate consapevoli, tuttavia, che a livello pratico, potrebbe non esserci un singolo tipo di crogiolo che offre il massimo livello di ogni caratteristica desiderabile per la vostra applicazione. Le caratteristiche di prestazione del crogiolo spesso comportano dei compromessi. Per esempio, il crogiolo con la migliore conducibilità termica potrebbe non offrire anche la migliore protezione contro lo shock termico. Pertanto, è necessario dare priorità all’elenco delle proprietà del crogiolo più importanti per la vostra applicazione e rivedere tali priorità con il vostro fornitore di crogioli.

Capacità del forno, dimensioni e tipo

La capacità, le dimensioni e il tipo di forno che si utilizza stabiliranno la maggior parte dei dettagli osservabili sul vostro crogiolo. Per esempio, quando si conosce la capacità del metallo per cui il forno è stato progettato, si saprà quale capacità il crogiolo dovrebbe fornire. Allo stesso modo, le dimensioni dello spazio per il crogiolo nella tua fornace detteranno le dimensioni e la forma del tuo crogiolo. Questo determinerà anche se il tuo crogiolo deve includere un beccuccio di versamento. Ma la scelta di un crogiolo adatto al tuo tipo di forno ti darà molti altri fattori meno ovvi da considerare.

Forni a combustibile

I forni a combustibile includono forni alimentati a gas, petrolio, propano o coke. Ognuno di questi combustibili espone direttamente il crogiolo alla fonte di riscaldamento e ognuno fornisce un diverso livello di calore, normalmente misurato in BTU. Qualsiasi crogiolo selezionato deve essere in grado di sopportare i BTU massimi che il combustibile del forno è in grado di applicare al crogiolo. Nei forni a gas, olio e propano, il crogiolo deve essere in grado di resistere agli effetti della fiamma del bruciatore alla base del crogiolo e il crogiolo deve essere affusolato per consentire alla fiamma di circolare intorno al crogiolo dal basso verso l’alto. Questo permette un riscaldamento uniforme del crogiolo. Il materiale del crogiolo deve anche essere in grado di resistere ai danni da ossidazione della fiamma e adattarsi al tasso di cambiamento termico che il crogiolo subirà.

Buona conducibilità termica e riscaldamento uniforme sono proprietà importanti del crogiolo per trasferire il calore dall’interno della fornace attraverso il crogiolo alla carica di metallo. I crogioli con un alto contenuto di grafite nel legante di carbonio offrono un’alta conducibilità termica per una fusione veloce nei forni a gas.

Forni a resistenza elettrica

I forni a resistenza elettrica forniscono un riscaldamento uniforme e completo a un crogiolo e sono ideali per un controllo preciso della temperatura nelle applicazioni di mantenimento del metallo. Ma sono più lenti dei forni a combustibile nelle applicazioni di fusione. Di conseguenza, i crogioli ad alta efficienza energetica con un alto contenuto di grafite nel legante di carbonio sono spesso selezionati per fornire un’alta conduttività termica per una fusione più veloce in questi forni.

I crogioli progettati per i forni a resistenza elettrica sono normalmente a forma di conca e forniscono una distanza uniforme tra il crogiolo e gli elementi riscaldanti del forno.

Forni a induzione

La selezione dei crogioli per i forni a induzione è un compito più complesso. In alcune applicazioni, come l’affinazione dei metalli preziosi, i crogioli progettati per riscaldarsi nei campi induttivi del forno sono usati per fondere la carica. In altre applicazioni, vengono utilizzati crogioli che permettono al campo induttivo di attraversarli e di riscaldare direttamente la carica metallica. Pertanto, è importante abbinare le caratteristiche elettriche del crogiolo alla frequenza di funzionamento del forno e all’applicazione di fusione. Per esempio, in alcuni progetti, i forni a induzione a bassa frequenza richiedono crogioli con un alto contenuto di carburo di silicio e in altre applicazioni, i forni a induzione a frequenza più alta richiedono crogioli con un alto contenuto di argilla. Abbinare la resistività elettrica di un crogiolo al forno a induzione è la chiave per prevenire il surriscaldamento del crogiolo.

La maggior parte dei crogioli progettati per i forni a induzione sono cilindrici per fornire una distanza uniforme tra il crogiolo e la bobina del forno. Tuttavia, alcuni piccoli forni progettati per i crogioli rimovibili hanno una bobina affusolata per adattarsi al profilo dei crogioli a forma di sentina.

Forni a crogiolo rimovibile

Tutti i tipi di forno di cui sopra possono essere progettati per utilizzare crogioli rimovibili. Questi crogioli possono essere caricati all’esterno o quando sono installati nella fornace, ma vengono rimossi dalla fornace per la colata. Come i crogioli usati solo per il trasferimento del metallo, sono a forma di sentina o a forma di A per consentire loro di essere sollevati con pinze progettate per sostenere adeguatamente il crogiolo.

Limiti di potenza del forno

Un ultimo fattore da considerare quando si documentano i requisiti del crogiolo in base alle specifiche del forno è la disponibilità di potenza. In molte località, l’energia per la fusione o il mantenimento potrebbe non essere disponibile in ogni momento o potrebbe essere proibitivo in certi momenti o a certi livelli. Se questo è il caso del tuo impianto, può essere particolarmente importante selezionare un crogiolo efficiente dal punto di vista energetico.

Metalli che fondi e/o trattieni

Sapere quali metalli e leghe fondi o trattieni ti dirà molto su quali caratteristiche hai bisogno in un crogiolo. Il tuo catalogo dettagliato dei metalli che intendi fondere ti aiuterà a stabilire la temperatura massima che il crogiolo deve sostenere per la fusione e la tenuta, definirà come il metallo interagirà con il materiale del crogiolo sia chimicamente che fisicamente e sarà un fattore chiave nel determinare quali caratteristiche dovrebbe offrire il tuo crogiolo ottimale. Per esempio, nella fusione di leghe a base di rame in forni a combustibile, i crogioli in carburo di silicio formati a rulli hanno prestazioni migliori grazie alla maggiore resistenza allo shock termico. In altri tipi di forni, i crogioli sono spesso selezionati per la loro alta densità. I crogioli meno densi e più porosi possono consentire l’erosione.

I crogioli in grafite e carburo di silicio legati al carbonio e all’argilla ceramica sono ampiamente utilizzati nella fusione e nella tenuta di alluminio e leghe di alluminio, alluminio-bronzo, rame e leghe a base di rame, cupro-nichel e leghe di nichel-bronzo, metalli preziosi, zinco e ossido di zinco. I crogioli sono anche utilizzati nella fusione della ghisa. Presi insieme come gruppo, questi metalli rappresentano una gamma di temperature da 400°C/750°F a 1600°C/2912°F.

Mentre alcuni tipi di crogioli supportano temperature che comprendono un ampio spettro di metalli, spesso è necessario selezionare crogioli mirati a specifici metalli o leghe e con gamme di temperature operative più limitate. La selezione di tali crogioli è spesso più vantaggiosa perché offrono caratteristiche di prestazione importanti per le vostre operazioni. Per esempio, usare un crogiolo in grado di fondere metalli dal ferro allo zinco può non essere così importante per la vostra operazione di fusione di leghe di alluminio come avere un crogiolo limitato all’intervallo di temperatura di cui avete bisogno, ma in grado di resistere ai danni da corrosione dei vostri flussi di trattamento dei metalli.

Temperature di fusione e tenuta

In generale, i metalli e le leghe che fondete o tenete determineranno l’intervallo di temperatura entro cui il vostro crogiolo deve essere in grado di operare. I crogioli non devono mai essere riscaldati oltre la loro temperatura massima. Questo può portare a pericolosi guasti del crogiolo. Tuttavia, operare al di sotto del limite inferiore di temperatura del crogiolo può anche causare problemi. Per esempio, i crogioli progettati per la fusione ad alta temperatura di leghe a base di rame si ossideranno se utilizzati a basse temperature per la fusione dello zinco.

Anche le pratiche di fusione e di mantenimento che coinvolgono le temperature del metallo devono essere prese in considerazione nella scelta dei crogioli. Se le vostre operazioni comportano un surriscaldamento, dovrete prendere in considerazione le temperature più alte raggiunte dal metallo.

Rate of Temperature Change

La capacità di un crogiolo di gestire la velocità di cambiamento della temperatura è importante quanto i suoi limiti di temperatura minima e massima. Se le vostre pratiche operative portano a frequenti cicli di riscaldamento e raffreddamento del crogiolo o comunque lo sottopongono a rapidi cambiamenti di temperatura, è necessario selezionare un crogiolo che sia resistente allo shock termico. Alcuni tipi di crogiolo sono molto meglio di altri nel gestire rapidi cambiamenti di temperatura. Per esempio, l’alto contenuto di carbonio della grafite in un crogiolo conferisce un’elevata conducibilità termica e non bagnabilità. E quando la grafite forma una matrice orientata direzionalmente, il crogiolo fornisce anche un’elevata resistenza allo shock termico. Questo è fondamentale per le applicazioni di fonderia dove le temperature possono cambiare di diverse centinaia di gradi in pochi secondi. Il vostro fornitore di crogioli può consigliare quali crogioli forniscono la migliore resistenza allo shock termico per la vostra applicazione.

Come viene caricato il crogiolo

Se il vostro forno è sempre caricato con metallo fuso, probabilmente non ha bisogno di un crogiolo progettato per essere altamente resistente ai danni fisici. Tuttavia, se i lingotti di metallo o altri materiali pesanti costituiscono la maggior parte della carica e non sono accuratamente calati nel forno tramite un sistema di caricamento automatico, si potrebbe voler selezionare un crogiolo che sia meccanicamente forte e in grado di sopravvivere agli urti fisici. I crogioli con un alto contenuto di carbonio e una struttura di grafite orientata direzionalmente forniscono un’eccellente resistenza agli urti.

Vorrete anche un crogiolo con uno smalto protettivo durevole. Il danneggiamento dello smalto a causa di una manipolazione brusca può portare a danni da ossidazione al crogiolo. I lingotti di alluminio estrusi hanno spesso bordi affilati che tagliano profondamente il corpo del crogiolo, causando crepe dannose.

Flussi e additivi

Tutti i crogioli offrono un certo livello di resistenza alla corrosione e agli attacchi chimici. Ma la maggior parte dei fondenti e degli altri trattamenti metallici usati nella fusione dell’alluminio e di altri metalli non ferrosi sono altamente corrosivi e richiedono un crogiolo che offra un alto livello di resistenza agli attacchi chimici. Questa resistenza è meglio impartita sia da una struttura del materiale del crogiolo costantemente densa che da uno smalto protettivo durevole. Se la vostra applicazione di fusione prevede l’uso di trattamenti metallici corrosivi, vorrete certamente un crogiolo che offra il livello appropriato di protezione contro questi agenti.

Degassamento e raffinazione

Il degassamento dell’alluminio e delle leghe di alluminio comporta tipicamente il gorgogliamento di gas inerte, solitamente azoto, attraverso il bagno fuso mentre si agita il bagno con un rotore progettato per spezzare e disperdere le bolle di gas. Queste piccole bolle tirano poi l’idrogeno e gli ossidi indesiderati fuori dal bagno e li portano, insieme alle scorie e alle inclusioni, in superficie dove il gas sfugge nell’aria e il materiale solido può essere rimosso. Questo processo, spesso usato insieme ad agenti fondenti, erode fisicamente il crogiolo e lo attacca anche chimicamente. Pertanto, è necessario un crogiolo denso e meccanicamente forte che sia altamente resistente agli attacchi chimici. I crogioli in carburo di silicio offrono un’eccellente resistenza all’erosione a temperature elevate e alla corrosione chimica. Inoltre, quando vengono pressati isostaticamente, i crogioli formano una disposizione casuale della grafite nella loro struttura. Questo contribuisce a creare prodotti più densi che possono sopravvivere più efficacemente a condizioni erosive e corrosive.

Molti processi di raffinazione e trattamento dei metalli utilizzati con altri metalli non ferrosi richiedono anche un crogiolo meccanicamente forte e chimicamente resistente.

Nella raffinazione e nella fusione dei metalli preziosi, è particolarmente importante che il crogiolo utilizzato fornisca metallo pulito incorporando proprietà non umide. Ciò significa che il crogiolo deve essere ben sigillato contro la penetrazione del metallo. Questa caratteristica viene impartita da una struttura densa del materiale del crogiolo e da uno smalto protettivo durevole.

Rimozione di scorie e scorie

Un crogiolo denso e non bagnante aiuta anche a ridurre l’accumulo di scorie e scorie e rende più facile la pulizia del crogiolo quando è vuoto.

Svuotare il forno

I crogioli per fondere e tenere il metallo fuso che viene immerso fuori dal forno devono essere progettati per un facile accesso al metallo e con alta efficienza termica. Questo permette al forno di mantenere il metallo alla temperatura appropriata con un uso minimo di carburante o energia.

I crogioli per i forni che sono inclinati per il versamento spesso richiedono beccucci di versamento integrati che forniscono la portata e la precisione necessarie per il versamento.

Conclusione

Con una comprensione completa e dettagliata di tutti gli aspetti delle vostre operazioni di fusione e/o mantenimento del metallo, voi e il vostro fornitore di crogioli sarete ben posizionati per selezionare un prodotto che soddisfa i vostri requisiti operativi specifici e fornisce una vita utile costantemente maggiore.