Lựa chọn nồi nấu kim loại cho lò cảm ứng: Đất sét-graphit, cacbua silic và alumina cho các loại hợp kim khác nhau
Nồi nấu kim loại là vật tư tiêu hao quyết định tuổi thọ của lò cảm ứng giữa các lần bảo dưỡng. Chọn sai nồi nấu, bạn sẽ phải thay lớp lót lò sau mỗi 50 lần nấu thay vì 500 lần. Chọn đúng nồi nấu, dây chuyền có thể hoạt động trong nhiều tháng. Nồi nấu phù hợp phụ thuộc vào hợp kim được nấu chảy, kích thước lò, công suất đầu vào và kỹ năng của người vận hành. Không có loại nào là tốt nhất trong mọi trường hợp.
Đây là cách mà quyết định cuối cùng được đưa ra.
Hãy bắt đầu với hợp kim.
Sắt và thép nóng chảy ở nhiệt độ từ 1150 đến 1600 độ C tùy thuộc vào hàm lượng cacbon và các hợp kim phụ gia. Nồi nấu phải chịu được nhiệt độ cao nhất cộng thêm một biên độ an toàn. Nhiệt độ làm việc của vật liệu nồi nấu phải cao hơn nhiệt độ nóng chảy cao nhất từ 100 đến 200 độ C.
Đối với luyện sắt và thép, nồi nấu kim loại tiêu chuẩn là hỗn hợp đất sét-graphit (còn gọi là đất sét liên kết graphite hoặc đất sét graphite ép đẳng tĩnh). Nồi nấu bằng đất sét-graphit là hỗn hợp gồm graphite (thường từ 30 đến 50%) và đất sét chịu nhiệt (thường từ 50 đến 70%), được ép hoặc đầm thành hình dạng và nung. Graphit giúp nồi nấu có khả năng chống sốc nhiệt và độ bôi trơn. Đất sét giúp nồi nấu có độ bền và khả năng chống ăn mòn.
Nồi nấu chảy bằng đất sét-graphit điển hình cho lò nung cảm ứng 1 tấn có độ dày thành từ 50 đến 80 mm, chiều cao từ 800 đến 1000 mm và đường kính ngoài từ 600 đến 800 mm. Nồi nấu chảy được đặt bên trong một cuộn dây đồng làm mát bằng nước, với một lớp vật liệu chịu lửa dự phòng (thường là 10 đến 30 mm cát silica khô hoặc sợi gốm) giữa nồi nấu chảy và cuộn dây.
Nồi nấu bằng đất sét-graphit có khả năng chịu sốc nhiệt tốt - nó có thể chuyển từ trạng thái nguội sang trạng thái thép nóng chảy mà không bị nứt, điều này rất quan trọng đối với hoạt động của lò cảm ứng, nơi nồi nấu được làm nóng và làm nguội liên tục trong mỗi ca làm việc. Nhược điểm là đất sét-graphit bị tiêu hao bởi thép nóng chảy - oxit sắt trong xỉ tấn công silica trong đất sét, cacbon trong graphit hòa tan vào thép nóng chảy, và thành nồi nấu mỏng dần theo thời gian. Một nồi nấu bằng đất sét-graphit điển hình có thể sử dụng được từ 100 đến 300 lần nấu trong lò cảm ứng nấu thép, tùy thuộc vào kích thước, công suất và phương pháp xử lý xỉ.
Đối với các hợp kim chịu nhiệt cao hơn và tuổi thọ dài hơn, nồi nấu bằng silicon carbide (SiC) là một lựa chọn. Nồi nấu SiC có khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với nồi nấu bằng đất sét-graphite, đặc biệt là trong môi trường xỉ ăn mòn. Nhược điểm là SiC đắt hơn và dễ vỡ hơn - nó không chịu được sốc nhiệt tốt như nồi nấu bằng đất sét-graphite. Nồi nấu SiC thường được sử dụng trong quá trình nấu chảy đồng và đồng thau, nơi nhiệt độ hoạt động thấp hơn và sốc nhiệt ít nghiêm trọng hơn.
Đối với quá trình nấu chảy nhôm và kẽm, vật liệu nồi nấu tiêu chuẩn là alumina (Al2O3) hoặc vật liệu chịu lửa có hàm lượng alumina cao. Nhiệt độ làm việc của nhôm là từ 660 đến 750 độ C, thấp hơn nhiều so với giới hạn của hầu hết các vật liệu chịu lửa. Thách thức nằm ở chỗ nhôm nóng chảy có tính phản ứng rất cao - nó tấn công các vật liệu chịu lửa gốc silica bằng cách khử silica thành silicon, chất này hòa tan vào chất nóng chảy. Kết quả là tạo ra hợp kim nhôm có hàm lượng silicon cao, nồi nấu bị ăn mòn và chất nóng chảy bị nhiễm bẩn.
Nồi nấu nhôm oxit có khả năng chống lại sự ăn mòn của nhôm vì nhôm oxit ổn định về mặt nhiệt động học khi tiếp xúc với nhôm nóng chảy. Nhược điểm là nhôm oxit đắt hơn và dễ vỡ hơn so với hỗn hợp đất sét-graphit. Một nồi nấu nhôm oxit điển hình có thể sử dụng được từ 500 đến 2000 lần nấu, lâu hơn nhiều so với nồi đất sét-graphit trong cùng điều kiện sử dụng.
Đối với việc nấu chảy đồng và đồng thau, nồi nấu bằng silicon carbide (SiC) là tiêu chuẩn. SiC chịu được nhiệt độ đồng từ 1000 đến 1300 độ C, chống lại xỉ oxit đồng và có khả năng chịu sốc nhiệt tốt trong chu trình gia nhiệt cảm ứng. Một nồi nấu SiC dùng để nấu chảy đồng có thể sử dụng được từ 300 đến 1000 lần nấu.
Đối với kim loại quý (vàng, bạc, bạch kim), nồi nấu kim loại tiêu chuẩn là silica nung chảy hoặc alumina có độ tinh khiết cao. Nồi nấu phải trơ về mặt hóa học (không gây ô nhiễm cho kim loại nóng chảy) và ổn định nhiệt. Chi phí cao, nhưng thể tích nhỏ.
Hình dạng và kích thước của nồi nấu kim loại cũng rất quan trọng.
Nồi nấu kim loại trong lò cảm ứng thường có hình trụ, đáy phẳng hoặc tròn. Đường kính và chiều cao được xác định bởi kích thước lò và dung tích nấu chảy. Lò 500 kg có nồi nấu có đường kính khoảng 400 mm và chiều cao 600 mm. Lò 5 tấn có nồi nấu có đường kính khoảng 900 mm và chiều cao 1500 mm. Lò 20 tấn có nồi nấu có đường kính khoảng 1500 mm và chiều cao 2500 mm.
Độ dày thành nồi nấu kim loại tỷ lệ thuận với kích thước nồi - nồi lớn hơn cần thành dày hơn để chịu được tải trọng cơ học của kim loại nóng chảy. Nồi nhỏ có thể có thành dày 30 mm, trong khi nồi lớn có thành dày 100 mm.
Thiết kế đáy nồi nấu kim loại là một chi tiết cực kỳ quan trọng. Đáy phẳng dễ chế tạo hơn nhưng lại tập trung ứng suất nhiệt ở các góc. Đáy tròn phân bố ứng suất đồng đều hơn và được ưa chuộng cho các nồi nấu kim loại lớn và cho hoạt động ở công suất cao. Hầu hết các nồi nấu kim loại lớn trong lò cảm ứng đều có đáy hình bán cầu hoặc hình nón.
Việc lắp đặt nồi nấu kim loại mất từ 4 đến 8 giờ đối với lò nung cỡ trung bình.
Quá trình lắp đặt bắt đầu bằng việc làm sạch cuộn dây và lớp vật liệu chịu lửa dự phòng. Bất kỳ kim loại, xỉ hoặc mảnh vụn nào còn sót lại từ nồi nấu chảy cũ đều phải được loại bỏ. Lớp vật liệu chịu lửa dự phòng mới được lắp đặt - thường là một lớp cát silica khô được nén chặt vào vị trí, hoặc một tấm sợi gốm định hình sẵn.
Sau đó, nồi nấu kim loại được hạ xuống lò nung. Nồi nấu phải được đặt đồng tâm với cuộn dây - nồi nấu bị lệch sẽ tạo ra sự ghép nối điện từ không đồng đều, các điểm nóng và gây hỏng hóc sớm. Nồi nấu được định tâm bằng một dụng cụ cố định, sau đó khoảng trống giữa nồi nấu và giá đỡ được lấp đầy bằng cát hoặc sợi gốm.
Nồi nung mới được nung kết (nung nóng) trước khi nấu chảy mẻ đầu tiên. Chu trình nung kết làm tăng nhiệt độ từ từ lên 800 đến 1000 độ C trong vòng 4 đến 8 giờ, loại bỏ hơi ẩm và ổn định nồi nung. Sau khi nung kết, mẻ nấu chảy đầu tiên được cho vào và nồi nung bắt đầu hoạt động.
Một nồi nấu kim loại mới cần được vận hành cẩn thận trong 10 đến 20 lần nấu đầu tiên. Sốc nhiệt khi nguyên liệu lạnh va chạm với nồi nấu nóng có thể làm nứt ngay cả nồi nấu đã được lắp đặt tốt. Thông thường, người vận hành sẽ cho mẻ kim loại đầu tiên vào với dung tích từ 50 đến 70%, làm tan chảy và đổ ra trước khi cho mẻ đầy đủ đầu tiên vào. Quá trình "làm quen" này giúp ổn định nồi nấu và kéo dài tuổi thọ của nó.
Các kiểu hỏng hóc của lò luyện kim là thực tế vận hành.
Lỗi thường gặp nhất là thành nồi nấu bị mỏng đi. Xỉ và kim loại nóng chảy tấn công thành nồi, khiến thành nồi mỏng dần và cuối cùng bị vỡ. Người vận hành nhận thấy điều này qua sự gia tăng dần dần về sự bất ổn định nhiệt độ của kim loại nóng chảy, vì thành nồi không còn cách nhiệt cho kim loại nóng chảy khỏi quá trình làm nguội bằng cuộn dây. Cách khắc phục là thay thế lớp lót bên trong lò bằng một nồi nấu mới.
Lỗi thường gặp thứ hai là nứt. Sốc nhiệt (nạp liệu nguội, mất điện hoặc xỉ xâm nhập) tạo ra vết nứt trên thành nồi nấu kim loại. Vết nứt có thể nhỏ (vết nứt mảnh không xuyên qua) hoặc lớn (vết nứt xuyên suốt khiến kim loại nóng chảy rò rỉ vào ống dẫn). Vết nứt nhỏ đôi khi có thể xử lý được trong vài mẻ nấu, nhưng vết nứt lớn là trường hợp khẩn cấp - nghiêng lò, đổ kim loại nóng chảy vào và tắt máy.
Lỗi thứ ba là sự xâm nhập kim loại. Kim loại nóng chảy thấm vào các lỗ rỗng của nồi nấu kim loại, tạo thành một cầu nối kim loại giữa kim loại nóng chảy và cuộn dây. Kết quả là dòng điện chạy qua nồi nấu, nồi nấu bị nung không đều, và sự cố xảy ra nhanh hơn. Sự xâm nhập kim loại thường do vật liệu chịu lửa dự phòng kém, nồi nấu chưa được nung kết hoàn toàn, hoặc công suất quá cao trong các lần nung đầu tiên.
Tác giả: Nhóm kỹ sư lò cảm ứng MONTE INTELLIGENCE. Để được tư vấn về lựa chọn nồi nấu kim loại và nghiên cứu vòng đời sản phẩm, vui lòng liên hệ helenxu@cnlymonte.com.
