Matching Your Crucible to Your Application

Se você derreter metal ou segurar um banho derretido, as chances de sua operação ser única. Sua combinação particular de fornos, ligas, práticas de trabalho, tratamentos metalúrgicos, arranjos de vazamento e produtos finais não são passíveis de serem duplicados em nenhuma outra instalação. Portanto, escolher um cadinho que proporcione o máximo desempenho para a sua operação é uma tarefa individualizada e complexa.

Este artigo foi concebido para servir de guia para seleccionar o cadinho ideal para a sua operação. Ele explica a relação entre as operações de fusão/detenção de metal e as características específicas do cadinho. Ele fornece suporte, mas não substitui a necessidade dos fundidores e fornecedores de cadinhos de metal trabalharem em conjunto no processo de seleção do cadinho.

O cadinho moderno é um material composto altamente heterogêneo, baseado em grafite, que depende de sua composição de material e do controle do alinhamento estrutural da grafite para atingir o desempenho necessário. Os cadinhos podem ser tão pequenos como chávenas de chá ou podem conter várias toneladas de metal. Eles podem ser fixados dentro de uma estrutura de forno ou podem ser projetados para serem removidos do forno para serem despejados no final de cada derretimento. Os cadinhos são usados em fornos a combustível, em fornos de resistência elétrica, em fornos de indução ou simplesmente para transferir metal derretido. Eles vêm com ou sem bicos de verter e numa grande variedade de formas tradicionais e especializadas.

Têm também muitas características de desempenho diferentes, uma vez que cada aplicação apresenta um conjunto complexo de parâmetros de temperatura, químicos e físicos que definem os limites técnicos dentro dos quais o cadinho tem de ser projectado para funcionar.

Como seleccionar o cadinho certo para a sua operação a partir da extensa gama de tipos de cadinhos e materiais disponíveis para si?

A melhor abordagem é começar com a sua própria avaliação detalhada das suas operações. Você precisa documentar completamente e, sempre que possível, quantificar todos os aspectos de seus processos de fusão, de retenção e de manuseio de metais. Estes incluem:

• A capacidade, dimensões e tipo do seu forno
• A liga ou gama específica de ligas que você derrete
• As temperaturas de fusão e/ou manutenção que você mantém
• A taxa de mudança de temperatura do cadinho irá experimentar
• Como o cadinho é carregado
• Os fluxos ou adições usadas
• Processos de desgasificação ou refinação
• Como a escória ou escória é removida
• Como o cadinho é esvaziado.

Estas nove categorias refletem os fatores mais comuns que você deve levar em conta ao selecionar um cadinho para atender às suas necessidades específicas. Você também deve considerar quaisquer processos ou requisitos adicionais que possam ser específicos para as suas operações. Um exemplo pode ser sua capacidade de tolerar ou sua necessidade de evitar contaminação cruzada de ligas.

Enquanto você traz as informações detalhadas sobre suas próprias operações para o processo de seleção do cadinho, seu fornecedor de cadinho deve contribuir com um alto nível de conhecimento sobre os materiais, características e desempenho do cadinho. Para a maior seleção, procure um fornecedor de cadinhos capaz de oferecer linhas de cadinhos sobrepostas adequadas para cada metal específico, mas oferecendo características operacionais diferentes. Então, trabalhando em conjunto, você será capaz de combinar de perto um cadinho específico para suas necessidades específicas. Conseguir esta combinação é a chave para a segurança, desempenho e máxima vida útil do cadinho.

Esteja ciente, entretanto, que em um nível prático, pode não haver um único tipo de cadinho que ofereça o mais alto nível de todas as características desejáveis para sua aplicação. As características de desempenho do cadinho muitas vezes envolvem trade-offs. Por exemplo, o cadinho com a melhor condutividade térmica pode não oferecer também a melhor protecção contra o choque térmico. Portanto, você deve priorizar a lista de propriedades do cadinho mais importantes para sua aplicação e rever essas prioridades com seu fornecedor de cadinho.

Capacidade, dimensões e tipo de forno

A capacidade, dimensões e tipo de forno que você usa estabelecerá a maioria dos detalhes observáveis sobre seu cadinho. Por exemplo, quando você souber a capacidade de metal para a qual o seu forno foi projetado, você saberá qual capacidade o seu cadinho deve fornecer. Da mesma forma, as dimensões do espaço para o cadinho do teu forno ditarão as dimensões e a forma do teu cadinho. Isto também determinará se o teu cadinho deve incluir um bico de verter. Mas escolher um cadinho que combine com o seu tipo de forno lhe dará muitos outros fatores menos óbvios a considerar.

Fornos a combustível

Fornos a combustível incluem fornos movidos a gás, óleo, propano ou coque. Cada um destes combustíveis expõe directamente o cadinho à fonte de aquecimento e cada um fornece um nível de calor diferente, normalmente medido em BTUs. Qualquer cadinho selecionado deve ser capaz de suportar o máximo de BTUs que o combustível do forno é capaz de aplicar no cadinho. Nos fornos a gás, óleo e propano, o cadinho deve ser capaz de suportar os efeitos da chama do queimador na base do cadinho e o cadinho deve ser afilado para permitir que a chama circule ao redor do cadinho de baixo para cima. Isto permite o aquecimento uniforme do cadinho. O material do cadinho também deve ser capaz de resistir aos danos de oxidação da chama e acomodar a taxa de mudança térmica que o cadinho sofrerá.

Bom condutividade térmica e mesmo aquecimento são propriedades importantes do cadinho na transferência do calor do interior do forno através do cadinho para a carga metálica. Cadinhos com alto teor de grafite no aglutinante de carbono oferecem alta condutividade térmica para fusão rápida em fornos a gás.

Fornos de resistência elétrica

Fornos de resistência elétrica proporcionam aquecimento uniforme e uniforme a um cadinho e são ideais para o controle preciso da temperatura em aplicações de fixação de metal. Mas são mais lentos do que os fornos a combustível em aplicações de fusão. Consequentemente, cadinhos energeticamente eficientes com alto teor de grafite no aglutinante de carbono são freqüentemente selecionados para fornecer alta condutividade térmica para uma fusão mais rápida nestes fornos.

Crúzios projetados para fornos de resistência elétrica são normalmente em forma de bacia e fornecem uma distância uniforme entre o cadinho e os elementos de aquecimento do forno.

Fornos de indução

Selecionar cadinhos para fornos de indução é uma tarefa mais complexa. Em algumas aplicações, como o refino de metais preciosos, os cadinhos projetados para aquecer nos campos indutivos do forno são usados para derreter a carga. Em outras aplicações, são utilizados cadinhos que permitem que o campo indutivo passe por eles e aqueça diretamente a carga metálica. Portanto, é importante adequar as características elétricas do cadinho à freqüência de operação do forno e à aplicação de fusão. Por exemplo, em alguns modelos, fornos de indução de baixa freqüência requerem cadinhos com alto teor de carboneto de silício e em outras aplicações, fornos de indução de alta freqüência requerem cadinhos com alto teor de argila. A combinação da resistividade elétrica de um cadinho com o forno de indução é fundamental para evitar o superaquecimento do cadinho.

A maioria dos cadinhos projetados para fornos de indução são cilíndricos para proporcionar uma distância uniforme entre o cadinho e a bobina do forno. Entretanto, alguns fornos pequenos projetados para cadinhos removíveis apresentam uma bobina cônica para combinar com o perfil dos cadinhos em forma de porão.

Fornos de cadinho removível

Todos os tipos de fornos acima podem ser projetados para usar cadinhos removíveis. Estes cadinhos podem ser carregados no exterior ou quando instalados no forno, mas eles são removidos do forno para serem despejados. Como os cadinhos usados somente para transferência de metal, eles são em forma de porão ou em forma de A para permitir que sejam levantados com pinças projetadas para suportar adequadamente o cadinho.

Limitações de potência do forno

Um fator final a ser considerado ao documentar suas necessidades de cadinho com base nas especificações do seu forno é a disponibilidade de potência. Em muitos locais, a potência para fusão ou manutenção pode não estar disponível em todos os momentos ou pode ser proibitivamente cara em certos momentos ou em certos níveis. Se este for o caso em suas instalações, pode ser particularmente importante selecionar um cadinho de eficiência energética.

Metals You Melt e/ou Hold

Saber quais metais e ligas você derrete ou segura lhe dirá muito sobre quais características você precisa em um cadinho. Seu catálogo detalhado dos metais que você pretende fundir ajudará a estabelecer a temperatura máxima que o cadinho deve suportar para fundir e segurar, definirá como o metal irá interagir com o material do cadinho tanto química quanto fisicamente e será um fator chave na determinação das características que seu cadinho ideal deve oferecer. Um caso em questão, na fusão de ligas à base de cobre em fornos a combustível, os cadinhos de carboneto de silício formados a rolo têm melhor desempenho devido à maior resistência ao choque térmico. Em outros tipos de fornos, os cadinhos são frequentemente selecionados devido à sua alta densidade. Cadinhos menos densos e mais porosos podem permitir a erosão.

Cadinhos de grafite e de carboneto de silício com liga de carbono e cerâmica são amplamente utilizados na fusão e fixação de alumínio e ligas de alumínio, alumínio-bronze, cobre e ligas à base de cobre, cuproníquel e ligas de níquel-bronze, metais preciosos, zinco e óxido de zinco. Os cadinhos também são utilizados na fundição de ferro fundido. Em conjunto como um grupo, estes metais representam uma faixa de temperatura de 400°C/750°F a 1600°C/2912°F.

Enquanto alguns tipos de cadinhos suportam temperaturas de metais que abrangem um amplo espectro de metais, muitas vezes é necessário selecionar cadinhos direcionados a metais ou ligas específicas e com faixas de temperatura de operação mais limitadas. Selecionar tais cadinhos é muitas vezes mais vantajoso porque eles oferecem características de desempenho importantes para suas operações. Por exemplo, utilizar um cadinho capaz de fundir metais do ferro ao zinco pode não ser tão importante para a sua operação de fusão de ligas de alumínio como ter um cadinho limitado à faixa de temperatura que você precisa, mas capaz de resistir a danos por corrosão dos seus fluxos de tratamento de metais.

Temperaturas de fusão e de retenção

Geralmente falando, os metais e ligas que você funde ou mantém determinarão a faixa de temperatura dentro da qual o seu cadinho deve ser capaz de operar. Os cadinhos nunca devem ser aquecidos acima da sua temperatura máxima. Isto pode levar à falha perigosa do cadinho. No entanto, o funcionamento abaixo do limite inferior de temperatura do cadinho também pode causar problemas. Por exemplo, cadinhos projetados para a fusão a alta temperatura de ligas à base de cobre oxidarão se usados a baixas temperaturas para fusão de zinco.

Fusão e práticas de manutenção envolvendo temperaturas de metal também precisam ser levadas em consideração na seleção dos cadinhos. Se suas operações envolvem superaquecimento, você precisará levar em consideração as temperaturas mais altas do metal alcançadas.

Taxa de Mudança de Temperatura

A capacidade de um cadinho de lidar com a taxa de mudança de temperatura é tão importante quanto seus limites de temperatura mínima e máxima. Se as suas práticas operacionais levam a ciclos frequentes de aquecimento e resfriamento do cadinho ou o sujeitam a mudanças rápidas de temperatura, você precisará selecionar um cadinho que seja resistente a choques térmicos. Alguns tipos de cadinhos são muito melhores para lidar com mudanças rápidas de temperatura do que outros. Por exemplo, o alto conteúdo de carbono da grafite em um cadinho confere alta condutividade térmica e não-passibilidade. E quando essa grafite forma uma matriz orientada para a direção, o cadinho também oferece alta resistência a choques térmicos. Isto é crítico para aplicações de fundição onde as temperaturas podem mudar em várias centenas de graus em segundos. Seu fornecedor de cadinho pode aconselhar quais cadinhos fornecem a melhor resistência ao choque térmico para sua aplicação.

Como o Cadinho é Carregado

Se o seu forno é sempre carregado com metal fundido, provavelmente não precisa de um cadinho projetado para ser altamente resistente a danos físicos. Entretanto, se lingotes de metal ou outros materiais pesados compõem o grosso da sua carga e eles não são cuidadosamente abaixados no forno através de um sistema de carregamento automático, você pode querer selecionar um cadinho que seja mecanicamente forte e capaz de sobreviver a choques físicos. Cadinhos com alto teor de carbono e uma estrutura de grafite orientada para a direção proporcionam excelente resistência ao impacto.

Você também vai querer um cadinho com um esmalte protetor durável. Danos ao esmalte causados por manuseio grosseiro podem levar a danos de oxidação no cadinho. Lingotes extrudados de alumínio muitas vezes têm bordas afiadas que cortam profundamente no corpo do cadinho levando a rachaduras prejudiciais.

Fluxos e Aditivos

Todos os cadinhos oferecem algum nível de resistência à corrosão e ataque químico. Mas a maioria dos fluxos e outros tratamentos metálicos usados na fusão de alumínio e outros metais não ferrosos são altamente corrosivos e requerem um cadinho que ofereça um alto nível de resistência ao ataque químico. Essa resistência é melhor conferida tanto por uma estrutura de material de cadinho consistentemente densa quanto por um esmalte protetor durável. Se a sua aplicação de fusão envolve o uso de tratamentos com metais corrosivos, você certamente vai querer um cadinho oferecendo o nível apropriado de proteção contra esses agentes.

Desgaseificação e Refinação

Desgaseificação de alumínio e ligas de alumínio normalmente envolve borbulhar gás inerte, geralmente nitrogênio, através do banho fundido enquanto agita o banho com um rotor projetado para quebrar e dispersar as bolhas de gás. Essas pequenas bolhas então puxam o hidrogênio e óxidos indesejáveis para fora do banho e o carregam, juntamente com impurezas e inclusões para a superfície onde o gás escapa para o ar e o material sólido pode ser removido. Este processo, muitas vezes utilizado juntamente com agentes fluxantes, corrói fisicamente o cadinho e ataca-o quimicamente também. Portanto, é necessário um cadinho denso e mecanicamente forte que seja altamente resistente a ataques químicos. Cadinhos de carboneto de silício proporcionam excelente resistência à erosão a temperaturas elevadas e à corrosão química. Além disso, quando pressionados isostaticamente, os cadinhos formam um arranjo aleatório do grafite em sua estrutura. Isto contribui para criar produtos mais densos que podem sobreviver mais eficazmente a condições erosivas e corrosivas.

Muitos processos de refinação e tratamento de metais usados com outros metais não ferrosos também requerem um cadinho mecanicamente forte e quimicamente resistente.

Na refinação e fusão de metais preciosos, é particularmente importante que o cadinho usado forneça metal limpo, incorporando propriedades não molhantes. Isso significa que o cadinho deve ser bem vedado contra a penetração de metais. Esta característica é conferida por ter uma estrutura de cadinho densa e um esmalte protector duradouro.

Slag e Remoção de Escórias

Um cadinho denso e não molhado também ajudará a reduzir o acúmulo de escória e escória e facilitará a limpeza do cadinho quando este estiver vazio.

Amperagem do Forno

Crutáveis para fundir e segurar o metal fundido que é imergido fora do forno precisam ser projetados para facilitar o acesso ao metal e com alta eficiência térmica. Isto permite que o forno mantenha o metal à temperatura adequada com o mínimo de combustível ou potência.

Crucibles for furnaces that are tilted for pouring often require integral pouring spouts that provide the reach and accuracy needed for the pour.

Conclusion

With a full and detailed understanding of all aspects of your metal melting and/or holding operations, you and your crucible supplier will be well positioned to select a crucible product that meet your specific operational requirements and provides a consistent longer service life.