Nguyên liệu nạp là chi phí biến đổi lớn nhất trong quá trình nấu chảy bằng cảm ứng — và là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp nhất đến tốc độ nấu chảy, mức tiêu thụ năng lượng và chất lượng kim loại. Một chương trình nạp liệu được quản lý cẩn thận có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng từ 10-15% và cải thiện tốc độ nấu chảy ở mức tương đương, so với việc sử dụng bất kỳ phế liệu nào có sẵn.
MONTE INTELLIGENCE đưa ra các khuyến nghị về vật liệu nạp liệu như một phần trong dịch vụ cung cấp lò cảm ứng của chúng tôi. Bài viết này đề cập đến các nguyên tắc lựa chọn, chuẩn bị và quản lý vật liệu nạp liệu cho quá trình nấu chảy sắt và thép bằng lò cảm ứng.
Nguyên liệu nạp cho quá trình nấu chảy cảm ứng được chia thành nhiều loại: phế liệu từ xưởng đúc (cổng, ống dẫn và các sản phẩm đúc phế thải từ hoạt động của chính xưởng đúc), phế liệu thép mua ngoài (từ các đại lý phế liệu, thường được phân loại theo mác thép), gang thỏi (gang nguyên chất từ lò cao hoặc quá trình khử trực tiếp) và các chất phụ gia hợp kim (hợp kim sắt, chất cacbon hóa và các vật liệu khác được thêm vào để điều chỉnh thành phần hóa học).
Hỗn hợp nguyên liệu lý tưởng là hỗn hợp cung cấp thành phần hóa học mục tiêu với sự điều chỉnh tối thiểu, nóng chảy đồng đều mà không bị vón cục, và có chi phí thấp nhất trên mỗi tấn kim loại lỏng. Để đạt được điều kiện lý tưởng này, cần phải cân bằng các đặc tính luyện kim và chi phí của từng thành phần trong hỗn hợp nguyên liệu.
Sự phân bố kích thước vật liệu cần gia nhiệt rất quan trọng đối với hiệu suất nấu chảy trong lò cảm ứng. Cơ chế gia nhiệt cảm ứng — dòng điện xoáy được tạo ra bởi từ trường biến thiên — xuyên vào vật liệu cần gia nhiệt đến một độ sâu gọi là độ sâu tham chiếu, phụ thuộc vào tần số và các đặc tính điện của vật liệu cần gia nhiệt. Đối với sắt ở tần số 1000 Hz, độ sâu tham chiếu xấp xỉ 7 mm. Quá trình gia nhiệt chủ yếu diễn ra trong lớp bề mặt này, và nhiệt sau đó dẫn truyền vào bên trong.
Một mẻ nguyên liệu gồm các mảnh lớn, đặc – ví dụ như các mảnh thép dập đường kính 200 mm – chỉ nóng lên trong phạm vi 7 mm tính từ bề mặt cho đến khi nhiệt truyền vào trung tâm. Bề mặt có thể tan chảy trong khi phần trung tâm vẫn còn lạnh, dẫn đến hiện tượng tạo cầu nối, trong đó một mảnh bị tan chảy một phần tạo thành một vòm chắn ngang lò nung, ngăn không cho phần nguyên liệu còn lại đi xuống vùng nóng chảy. Một mẻ nguyên liệu có nhiều kích cỡ khác nhau – từ phế liệu vụn 10 mm đến phế liệu nặng 150 mm – sẽ phân bố đều hơn trong lò nung và tan chảy hiệu quả hơn vì các mảnh nhỏ hơn lấp đầy khoảng trống giữa các mảnh lớn hơn và làm tăng tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích hiệu quả.
Độ sạch của nguyên liệu nạp vào rất quan trọng đối với chất lượng kim loại và tuổi thọ lớp lót lò. Gỉ sét (oxit sắt) làm tăng thể tích xỉ, tiêu thụ năng lượng (quá trình khử Fe2O3 thành Fe cần carbon và năng lượng), và ăn mòn lớp lót silica (FeO là chất trợ dung cho vật liệu chịu lửa silica, làm giảm tuổi thọ lớp lót). Dầu mỡ trên nguyên liệu nạp vào tạo ra khói trong quá trình nấu chảy — gây ra vấn đề về môi trường và khí thải — và có thể đưa hydro vào kim loại, gây ra hiện tượng rỗ khí trong vật đúc. Cát và bụi bẩn trên nguyên liệu nạp vào làm tăng thể tích xỉ mà không đóng góp được kim loại nào có thể thu hồi được.
Làm nóng sơ bộ nguyên liệu là một kỹ thuật được sử dụng trong các lò cảm ứng lớn (trên khoảng 5 tấn) để nâng cao hiệu suất. Việc làm nóng sơ bộ nguyên liệu đến 400-600°C trước khi nạp giúp loại bỏ hơi ẩm (loại bỏ nguy cơ nổ hơi nước nếu nguyên liệu ướt tiếp xúc với bể nóng chảy), đốt cháy dầu và các chất gây ô nhiễm hữu cơ (giảm khói và hấp thụ hydro), và giảm năng lượng điện cần thiết trong lò (bộ phận làm nóng sơ bộ sử dụng khí tự nhiên có giá thành thấp hơn thay vì điện). Bộ phận làm nóng sơ bộ nguyên liệu có thể giảm tổng chi phí nấu chảy từ 5-10% tùy thuộc vào giá tương đối của khí tự nhiên và điện.
Trình tự nạp liệu ảnh hưởng đến tốc độ nóng chảy và độ an toàn. Mẻ liệu đầu tiên cho vào lò nguội nên là những mảnh nhỏ, xếp khít vào thành lò và tạo sự liên kết tốt với ống dẫn nhiệt — chúng nóng nhanh hơn và giúp làm nóng đều lớp lót lò. Khi đã hình thành vũng kim loại lỏng, có thể thêm các mảnh lớn hơn vì kim loại lỏng xung quanh chúng giúp cải thiện sự liên kết. Mẻ liệu cuối cùng cần chừa đủ khoảng trống (khoảng cách từ bề mặt kim loại nóng chảy đến miệng nồi nấu) để khuấy trộn và thêm các nguyên tố hợp kim.
Hiện tượng tắc nghẽn mạch máu là vấn đề vận hành mà mọi lò nấu chảy cảm ứng đều gặp phải. Một mẩu nguyên liệu bị tắc nghẽn, chắn ngang đường kính lò phía trên chất lỏng nóng chảy, ngăn không cho phần nguyên liệu phía trên rơi xuống. Chất lỏng bên dưới tiếp tục nóng lên và có thể quá nhiệt đến nhiệt độ làm hỏng lớp lót chịu nhiệt. Để ngăn ngừa hiện tượng tắc nghẽn mạch máu, cần phải lựa chọn kích thước nguyên liệu phù hợp (không có mẩu nào lớn hơn khoảng một phần ba đường kính lò), nạp liệu cẩn thận (không thả một mẩu lớn duy nhất vào lò), và theo dõi sát sao trong suốt chu trình nấu chảy.
Đối với các xưởng đúc nấu chảy nhiều loại hợp kim, sự nhiễm chéo giữa các hợp kim là một rủi ro về chất lượng. Một lò vừa nấu chảy gang dẻo (chứa magie) rồi được nạp thêm phế liệu gang xám (không chứa magie) có thể tạo ra các sản phẩm đúc không đạt tiêu chuẩn nếu lớp lót còn giữ lại magie từ mẻ nấu trước. Giải pháp là sử dụng các lò chuyên dụng cho từng loại hợp kim, hoặc làm sạch kỹ lưỡng lò giữa các lần thay đổi hợp kim, bao gồm cả việc cạo lớp lót để loại bỏ kim loại và xỉ bám dính.
MONTE INTELLIGENCE cung cấp dịch vụ tư vấn vật liệu nạp liệu như một phần của các dự án lò cảm ứng, bao gồm xác định đặc tính phế liệu, tối ưu hóa hỗn hợp vật liệu nạp và tích hợp bộ phận gia nhiệt sơ bộ.
Để được tư vấn về vật liệu nạp liệu phù hợp cho xưởng đúc của bạn, vui lòng liên hệ helenxu@cnlymonte.com.
