Maat uw smeltkroes af op uw toepassing

Als u metaal smelt of een smeltbad aanhoudt, is de kans groot dat uw bedrijf uniek is. Uw specifieke combinatie van ovens, legeringen, werkwijzen, metallurgische behandelingen, gietmethoden en eindproducten zal waarschijnlijk in geen enkele andere installatie worden gedupliceerd. Het kiezen van een smeltkroes die maximale prestaties levert voor uw bedrijf is dus een geïndividualiseerde en complexe taak.

Dit artikel is bedoeld als een gids voor het selecteren van de optimale smeltkroes voor uw bedrijf. Het legt het verband uit tussen het smelten/houden van metaal en specifieke kroeskenmerken. Het biedt ondersteuning voor, maar vervangt niet de noodzaak voor metaalsmelters en kroesleveranciers om nauw samen te werken in het selectieproces van de kroes.

De moderne kroes is een zeer heterogeen, op grafiet gebaseerd composietmateriaal, dat afhankelijk is van zijn materiaalsamenstelling en controle van de structurele uitlijning van het grafiet om de vereiste prestaties te bereiken. Kroezen kunnen zo klein zijn als theekopjes of kunnen verscheidene tonnen metaal bevatten. Zij kunnen in een ovenstructuur worden vastgezet of zo worden ontworpen dat zij aan het einde van elke smelting uit de oven kunnen worden verwijderd om te worden overgegoten. Kroezen worden gebruikt in met brandstof gestookte ovens, in elektrische weerstandovens, in inductieovens of gewoon om gesmolten metaal over te brengen. Ze zijn er met of zonder giettuit en in een grote verscheidenheid van traditionele en gespecialiseerde vormen.

Ze bieden ook veel verschillende prestatiekenmerken, omdat elke toepassing een complexe reeks temperatuur-, chemische en fysische parameters heeft, die de technische grenzen bepalen waarbinnen de smeltkroes moet worden ontworpen om te functioneren.

Dus hoe selecteert u de juiste smeltkroes voor uw operatie uit de uitgebreide reeks smeltkroezen en materialen die voor u beschikbaar zijn?

De beste aanpak is te beginnen met uw eigen gedetailleerde beoordeling van uw activiteiten. U moet alle aspecten van uw smelt-, houder- en metaalverwerkingsprocessen volledig documenteren en waar mogelijk kwantificeren. Deze omvatten:

• De capaciteit, afmetingen en type van uw oven
• de specifieke legering of reeks legeringen die u smelt
• de smelt- en/of bewaartemperaturen die u aanhoudt
• de temperatuurswisselingen die de smeltkroes zal ondergaan
• hoe de smeltkroes wordt geladen
• de gebruikte vloeimiddelen of toevoegingen
• het ontgassings- of raffinageproces
• hoe slak of dross wordt verwijderd
• hoe de smeltkroes wordt geledigd.

Deze negen categorieën weerspiegelen de meer gebruikelijke factoren waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van een smeltkroes die aan uw specifieke eisen voldoet. U moet ook rekening houden met eventuele aanvullende processen of vereisten die specifiek kunnen zijn voor uw activiteiten. Een voorbeeld hiervan is uw vermogen om kruisbesmetting van legeringen te tolereren of te voorkomen.

Terwijl u de gedetailleerde informatie over uw eigen activiteiten inbrengt in het selectieproces van de kroes, moet uw leverancier van kroesmiddelen een hoog niveau van expertise inbrengen over kroesmaterialen, kenmerken en prestaties. Voor de beste selectie zoekt u een leverancier van filterkroezen die overlappende productlijnen van filterkroezen kan aanbieden, geschikt voor elk specifiek metaal maar met verschillende operationele kenmerken. Zo kunt u, door samen te werken, een specifieke kroes nauw op uw specifieke vereisten afstemmen. Het bereiken van deze match is de sleutel tot kroesveiligheid, prestaties en maximale levensduur.

Bedenk echter wel dat er in de praktijk misschien niet één type kroes is dat het hoogste niveau van elk gewenst kenmerk voor uw toepassing biedt. De prestatiekenmerken van de kroes moeten vaak tegen elkaar worden afgewogen. Bijvoorbeeld, de kroes met de beste thermische geleidbaarheid biedt misschien niet ook de beste bescherming tegen thermische schokken. Daarom moet u de lijst van kroes-eigenschappen die voor uw toepassing het belangrijkst zijn, prioriteren en deze prioriteiten met uw kroesleverancier bespreken.

Capaciteit, afmetingen en type oven

De capaciteit, afmetingen en het type oven dat u gebruikt, zullen de meeste waarneembare details over uw kroes bepalen. Als u bijvoorbeeld de metaalcapaciteit kent waarvoor uw oven is ontworpen, weet u welke capaciteit uw kroes moet bieden. Evenzo zullen de afmetingen van de ruimte voor de kroes in uw oven de afmetingen en vorm van uw kroes bepalen. Dit zal ook bepalen of uw kroes een schenktuit moet hebben. Maar door een kroes te kiezen die bij uw oventype past, kunt u nog veel meer minder voor de hand liggende factoren in overweging nemen.

brandstofovens

brandstofovens zijn ovens die worden aangedreven door gas, olie, propaan of cokes. Elk van deze brandstoffen stelt de smeltkroes direct bloot aan de verwarmingsbron en elk levert een ander warmteniveau, gewoonlijk gemeten in BTU’s. De gekozen smeltkroes moet bestand zijn tegen de maximale BTU’s die de brandstof van de oven aan de smeltkroes kan afgeven. In gas-, olie- en propaanovens moet de kroes bestand zijn tegen de effecten van de vlam van de brander aan de onderkant van de kroes en moet de kroes taps toelopen zodat de vlam van onder naar boven rond de kroes kan circuleren. Hierdoor wordt de kroes gelijkmatig verwarmd. Het materiaal van de kroes moet ook bestand zijn tegen oxidatieschade door de vlam en de snelheid van thermische verandering die de kroes zal ondergaan, kunnen opvangen.

Goede thermische geleiding en gelijkmatige verwarming zijn belangrijke kroes-eigenschappen bij het overbrengen van de warmte van het inwendige van de oven door de kroes naar de metaallading. Kroezen met een hoog grafietgehalte in het koolstofbindmiddel bieden een hoge thermische geleidbaarheid voor snel smelten in gasgestookte ovens.

Elektrische weerstandsovens

Elektrische weerstandsovens zorgen voor een gelijkmatige, rondomlopende verwarming van een kroes en zijn bij uitstek geschikt voor nauwkeurige temperatuurbeheersing in metaalhouderijtoepassingen. Maar bij smelttoepassingen zijn ze langzamer dan brandstofovens. Daarom worden vaak energie-efficiënte smeltkroezen met een hoog grafietgehalte in het koolstofbindmiddel geselecteerd om een hoge thermische geleidbaarheid te bieden voor sneller smelten in deze ovens.

Smeltkroezen die voor elektrische weerstandsovens zijn ontworpen, zijn gewoonlijk bekervormig en bieden een gelijkmatige afstand tussen de smeltkroes en de verwarmingselementen van de oven.

Inductieovens

De selectie van smeltkroezen voor inductieovens is een complexere taak. Bij sommige toepassingen, zoals het raffineren van edele metalen, worden smeltkroezen gebruikt die zijn ontworpen om in de inductievelden van de oven te worden verhit om de lading te smelten. In andere toepassingen worden smeltkroezen gebruikt die het inductieve veld doorlaten en de metaallading rechtstreeks verhitten. Daarom is het van belang de elektrische kenmerken van de smeltkroes af te stemmen op de werkfrequentie van de oven en op de smelttoepassing. Bijvoorbeeld, in sommige ontwerpen vereisen inductieovens met een lagere frequentie smeltkroezen met een hoog gehalte aan siliciumcarbide en in andere toepassingen vereisen inductieovens met een hogere frequentie smeltkroezen met een hoog kleigehalte. Het afstemmen van de elektrische weerstand van een smeltkroes op de inductieoven is de sleutel tot het voorkomen van oververhitting van de smeltkroes.

De meeste smeltkroezen ontworpen voor inductieovens zijn cilindrisch om een uniforme afstand tussen de smeltkroes en de ovenspoel te verschaffen. Sommige kleine ovens, ontworpen voor afneembare smeltkroezen, hebben echter een taps toelopende spoel om aan te sluiten bij het profiel van kuilvormige smeltkroezen.

Ovens met afneembare smeltkroezen

Alle bovenstaande oventypen kunnen worden ontworpen om afneembare smeltkroezen te gebruiken. Deze kroezen kunnen buiten of in de oven worden geladen, maar voor het gieten worden zij uit de oven verwijderd. Net als kroezen die alleen voor metaaloverdracht worden gebruikt, zijn ze kimvormig of A-vormig, zodat ze kunnen worden opgetild met tangen die zijn ontworpen om de kroes op de juiste manier te ondersteunen.

Beperkingen aan het vermogen van de oven

Een laatste factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het documenteren van uw kroesvereisten op basis van de specificaties van uw oven, is de beschikbaarheid van vermogen. Op veel locaties is de stroom voor het smelten of vasthouden misschien niet altijd beschikbaar of onbetaalbaar op bepaalde tijden of op bepaalde niveaus. Als dit het geval is in uw faciliteit, kan het bijzonder belangrijk zijn om een energie-efficiënte kroes te selecteren.

Metalen die u smelt en/of vasthoudt

Weten welke metalen en legeringen u smelt of vasthoudt, vertelt u veel over welke eigenschappen u in een kroes nodig hebt. Uw gedetailleerde catalogus van de metalen die u wilt smelten zal helpen bij het vaststellen van de maximale temperatuur die de smeltkroes moet kunnen verdragen voor het smelten en vasthouden, zal bepalen hoe het metaal zal interageren met het materiaal van de smeltkroes, zowel chemisch als fysisch, en zal een sleutelfactor zijn bij het bepalen van de eigenschappen die uw optimale smeltkroes moet bieden. Om een voorbeeld te geven: bij het smelten van koperlegeringen in brandstofovens presteren rolgevormde siliciumcarbide filterkroezen beter, omdat zij beter bestand zijn tegen thermische schokken. In andere soorten ovens worden smeltkroezen vaak gekozen vanwege hun hoge dichtheid. Minder dichte en meer poreuze smeltkroezen kunnen erosie toelaten.

Koolstofgebonden en keramisch-gebonden grafietkroezen en siliciumcarbide smeltkroezen worden veel gebruikt voor het smelten en vasthouden van aluminium en aluminiumlegeringen, aluminium-brons, koper en koper-gebaseerde legeringen, cupro-nikkel en nikkel-brons legeringen, edelmetalen, zink en zink-oxide. Kroezen worden ook gebruikt voor het smelten van gietijzer. Samen vertegenwoordigen deze metalen een temperatuurbereik van 400°C/750°F tot 1600°C/2912°F.

Terwijl sommige smeltkroezetypes metaaltemperaturen ondersteunen die een breed spectrum van metalen omvatten, is het vaak noodzakelijk smeltkroezen te selecteren die op specifieke metalen of legeringen en met beperktere bedrijfstemperatuurbereiken zijn gericht. Het selecteren van dergelijke kroezen is vaak voordeliger, omdat zij prestatiekenmerken bieden die voor uw werkzaamheden van belang zijn. Bijvoorbeeld, het gebruik van een smeltkroes die metalen van ijzer tot zink kan smelten, is misschien niet zo belangrijk voor het smelten van aluminiumlegeringen als een smeltkroes die beperkt is tot het temperatuurbereik dat u nodig hebt, maar wel bestand is tegen corrosieschade door uw metaalbehandelingsfluxen.

Smelt- en bewaartemperaturen

In het algemeen zullen de metalen en legeringen die u smelt of bewaart, het temperatuurbereik bepalen waarbinnen uw smeltkroes moet kunnen werken. Kroezen mogen nooit boven hun maximumtemperatuur worden verhit. Dit kan leiden tot gevaarlijke defecten aan de filterkroes. Maar ook het werken onder de onderste temperatuurgrens van de kroes kan problemen veroorzaken. Zo zullen smeltkroezen die zijn ontworpen voor het smelten van legeringen op basis van koper op hoge temperatuur oxideren als ze bij lage temperaturen worden gebruikt voor het smelten van zink.

Bij de keuze van smeltkroezen moet ook rekening worden gehouden met het smelten en vasthouden van metaaltemperaturen.

Snelheid van temperatuurverandering

Het vermogen van een smeltkroes om de snelheid van temperatuurverandering aan te kunnen is net zo belangrijk als de minimum- en maximumtemperatuurlimieten. Indien uw werkwijze leidt tot frequente opwarm- en afkoelcycli voor de kroes of deze anderszins aan snelle temperatuurswijzigingen onderwerpt, moet u een kroes kiezen die tegen thermische schokken bestand is. Sommige soorten kroes zijn veel beter bestand tegen snelle temperatuurswisselingen dan andere. Bijvoorbeeld, een hoog koolstofgehalte van het grafiet in een filterkroes zorgt voor een hoge thermische geleidbaarheid en is niet nat te maken. En wanneer dat grafiet een richtinggeoriënteerde matrix vormt, biedt de kroes ook een hoge weerstand tegen thermische schokken. Dit is van cruciaal belang voor gieterijtoepassingen waarbij de temperatuur in enkele seconden met honderden graden kan veranderen. Uw smeltkroesleverancier kan u adviseren welke smeltkroezen de beste weerstand bieden tegen thermische schokken voor uw toepassing.

Hoe de smeltkroes wordt geladen

Als uw oven altijd wordt geladen met gesmolten metaal, heeft hij waarschijnlijk geen smeltkroes nodig die ontworpen is om zeer goed bestand te zijn tegen fysieke schade. Indien echter metaalstaven of andere zware materialen het grootste deel van uw lading uitmaken en zij niet zorgvuldig in de oven worden gelaten via een automatisch laadsysteem, zult u wellicht een kroes willen kiezen die mechanisch sterk is en in staat om fysieke schokken te overleven. Kroezen met een hoog koolstofgehalte en een directioneel georiënteerde grafietstructuur zijn uitstekend bestand tegen schokken.

U wilt ook een kroes met een duurzaam beschermend glazuur. Beschadiging van het glazuur door ruwe behandeling kan leiden tot oxidatieschade aan de kroes. Geëxtrudeerde aluminium ingots hebben vaak scherpe randen die diep in het lichaam van een kroes snijden wat leidt tot schadelijke scheuren.

Fluxen en additieven

Alle smeltkroezen bieden een zekere mate van weerstand tegen corrosie en chemische aantasting. Maar de meeste smeltmiddelen en andere metaalbehandelingen die in het smelten van aluminium en andere non-ferrometalen worden gebruikt zijn hoogst corrosief en vereisen een smeltkroes die een hoog niveau van weerstand tegen chemische aanval aanbiedt. Deze weerstand wordt het best geboden door zowel een consistent dichte materiaalstructuur van de smeltkroes als een duurzaam beschermend glazuur. Als uw smelttoepassing het gebruik van corrosieve metaalbehandelingen inhoudt, zult u zeker een smeltkroes willen die het juiste niveau van bescherming tegen deze middelen biedt.

Ontgassing en Raffinage

Ontgassing van aluminium en aluminiumlegeringen houdt meestal in dat inert gas, gewoonlijk stikstof, door het smeltbad wordt geblazen terwijl het bad wordt geschud met een rotor die is ontworpen om de gasbellen uiteen te breken en te verspreiden. Deze kleine belletjes trekken dan de ongewenste waterstof en oxiden uit het bad en voeren deze, samen met dross en insluitsels naar het oppervlak waar het gas in de lucht ontsnapt en het vaste materiaal kan worden verwijderd. Dit proces, dat vaak samen met vloeimiddelen wordt gebruikt, erodeert de smeltkroes fysiek en tast hem ook chemisch aan. Daarom is een dichte en mechanisch sterke smeltkroes vereist, die zeer goed bestand is tegen chemische aantasting. Kroesjes van siliciumcarbide zijn uitstekend bestand tegen erosie bij verhoogde temperatuur en tegen chemische corrosie. Ook vormen de kroezen, wanneer zij isostatisch worden geperst, een willekeurige rangschikking van het grafiet in hun structuur. Dit draagt bij tot het creëren van dichtere producten die erosieve en corrosieve omstandigheden beter kunnen overleven.

Veel raffinage- en metaalbehandelingsprocessen die met andere non-ferrometalen worden gebruikt, vereisen ook een mechanisch sterke en chemisch resistente smeltkroes.

Bij het raffineren en smelten van edele metalen is het bijzonder belangrijk dat de smeltkroes die u gebruikt, schoon metaal levert door niet-bevochtigende eigenschappen te integreren. Dat betekent dat de kroes goed moet zijn afgedicht tegen het binnendringen van metaal. Deze eigenschap wordt verkregen door een dichte structuur van het materiaal van de kroes en een duurzaam beschermend glazuur.

Slak- en slakverwijdering

Een dichte, niet-bevochtigende kroes zal ook helpen de ophoping van slak en slak te verminderen en zal het gemakkelijker maken de kroes schoon te maken wanneer deze leeg is.

Het legen van de oven

De smeltkroezen voor het smelten en vasthouden van gesmolten metaal dat uit de oven wordt gedompeld, moeten worden ontworpen voor gemakkelijke toegang tot het metaal en met een hoog thermisch rendement. Hierdoor kan de oven het metaal op de juiste temperatuur houden met minimaal brandstof- of stroomverbruik.

Kroezen voor ovens die voor het gieten worden gekanteld, hebben vaak integrale giettuiten nodig die het bereik en de nauwkeurigheid bieden die voor het gieten nodig zijn.

Conclusie

Met een volledig en gedetailleerd begrip van alle aspecten van uw metaalsmelt- en/of -houdactiviteiten, zullen u en uw kroesleverancier in een goede positie verkeren om een kroesproduct te selecteren dat aan uw specifieke operationele vereisten voldoet en een consistent langere levensduur biedt.