การเลือกใช้เบ้าหลอมสำหรับเตาเหนี่ยวนำ: ดินเหนียวผสมกราไฟต์ ซิลิคอนคาร์ไบด์ และอลูมินา สำหรับโลหะผสมชนิดต่างๆ
เบ้าหลอมเป็นวัสดุสิ้นเปลืองที่กำหนดระยะเวลาการใช้งานของเตาเหนี่ยวนำไฟฟ้าก่อนที่จะต้องซ่อมแซมใหม่ หากเลือกเบ้าหลอมผิด คุณจะต้องซ่อมแซมเตาทุกๆ 50 ครั้ง แทนที่จะเป็นทุกๆ 500 ครั้ง แต่ถ้าเลือกเบ้าหลอมที่ถูกต้อง เตาจะใช้งานได้นานหลายเดือน การเลือกเบ้าหลอมที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับโลหะผสมที่กำลังหลอม ขนาดของเตา กำลังไฟฟ้าที่ป้อนเข้า และวิธีการใช้งานของผู้ใช้งาน ไม่มีเบ้าหลอมใดที่ดีที่สุดสำหรับทุกกรณี
นี่คือขั้นตอนการตัดสินใจในศึกตัดสินชี้ชะตาที่เกิดขึ้นจริง
เริ่มจากโลหะผสมก่อน
เหล็กและเหล็กกล้าจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 1150 ถึง 1600 องศาเซลเซียส ขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอนและส่วนผสมของโลหะผสม เบ้าหลอมต้องทนต่ออุณหภูมิสูงสุดได้ รวมทั้งต้องมีระยะปลอดภัยเพิ่มเติม อุณหภูมิใช้งานของวัสดุเบ้าหลอมต้องสูงกว่าอุณหภูมิหลอมเหลวสูงสุด 100 ถึง 200 องศาเซลเซียส
สำหรับการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า เบ้าหลอมมาตรฐานคือเบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์ (เรียกอีกอย่างว่า เบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์ หรือ เบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์อัดด้วยความดันไอโซสแตติก) เบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์เป็นส่วนผสมของกราไฟต์ (โดยทั่วไป 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์) และดินเหนียวทนไฟ (โดยทั่วไป 50 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์) นำมาอัดหรือตอกขึ้นรูปแล้วเผา กราไฟต์ช่วยให้เบ้าหลอมทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันและมีคุณสมบัติหล่อลื่น ส่วนดินเหนียวช่วยให้เบ้าหลอมมีความแข็งแรงและทนต่อการกัดกร่อน
โดยทั่วไปแล้ว เบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์สำหรับเตาเหนี่ยวนำขนาด 1 ตัน จะมีความหนาของผนัง 50 ถึง 80 มิลลิเมตร ความสูง 800 ถึง 1000 มิลลิเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 600 ถึง 800 มิลลิเมตร เบ้าหลอมจะวางอยู่ภายในขดลวดทองแดงที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ โดยมีชั้นวัสดุทนไฟสำรอง (โดยทั่วไปคือทรายซิลิกาแห้งหรือใยเซรามิกหนา 10 ถึง 30 มิลลิเมตร) คั่นอยู่ระหว่างเบ้าหลอมกับขดลวด
เบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์มีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดี กล่าวคือ สามารถเปลี่ยนจากอุณหภูมิเย็นไปเป็นเหล็กหลอมเหลวได้โดยไม่แตกร้าว ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานในเตาหลอมแบบเหนี่ยวนำไฟฟ้า เนื่องจากเบ้าหลอมจะร้อนและเย็นลงทุกกะการทำงาน ข้อเสียคือ ดินเหนียวผสมกราไฟต์จะถูกกัดกร่อนโดยเหล็กหลอมเหลว ออกไซด์ของเหล็กในตะกรันจะกัดกร่อนซิลิกาในดินเหนียว คาร์บอนในกราไฟต์จะละลายลงในเหล็กหลอมเหลว และผนังเบ้าหลอมจะบางลงเมื่อเวลาผ่านไป เบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์ทั่วไปจะมีอายุการใช้งาน 100 ถึง 300 ครั้งในเตาหลอมเหล็กแบบเหนี่ยวนำไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับขนาด กำลังไฟ และวิธีการจัดการตะกรัน
สำหรับการหลอมโลหะผสมที่อุณหภูมิสูงขึ้นและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น เบ้าหลอมซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง เบ้าหลอม SiC ทนต่อการสึกกร่อนได้ดีกว่าเบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในตะกรันที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ข้อเสียคือ SiC มีราคาแพงกว่าและเปราะกว่า – ไม่ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดีเท่าเบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์ เบ้าหลอม SiC นิยมใช้ในการหลอมทองแดงและทองเหลือง ซึ่งมีอุณหภูมิในการทำงานต่ำกว่าและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันไม่รุนแรงมากนัก
สำหรับการหลอมอะลูมิเนียมและสังกะสี วัสดุเบ้าหลอมมาตรฐานคืออะลูมินา (Al2O3) หรือวัสดุทนไฟที่มีอะลูมินาสูง อุณหภูมิใช้งานของอะลูมิเนียมอยู่ที่ 660 ถึง 750 องศาเซลเซียส ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัดของวัสดุทนไฟส่วนใหญ่มาก ปัญหาคืออะลูมิเนียมหลอมเหลวมีปฏิกิริยาสูงมาก มันจะกัดกร่อนวัสดุทนไฟที่มีซิลิกาเป็นส่วนประกอบ โดยการลดซิลิกาให้กลายเป็นซิลิคอน ซึ่งจะละลายลงในโลหะหลอมเหลว ผลที่ได้คือโลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีซิลิคอนสูง เบ้าหลอมสึกกร่อน และโลหะหลอมเหลวปนเปื้อน
เบ้าหลอมอะลูมินาทนต่อการกัดกร่อนของอะลูมิเนียมได้ดี เนื่องจากอะลูมินามีเสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์เมื่อสัมผัสกับอะลูมิเนียมหลอมเหลว ข้อเสียคืออะลูมินามีราคาแพงกว่าและเปราะกว่าเบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์ เบ้าหลอมอะลูมินาทั่วไปสำหรับการหลอมอะลูมิเนียมมีอายุการใช้งาน 500 ถึง 2000 ครั้ง ซึ่งยาวนานกว่าเบ้าหลอมดินเหนียวผสมกราไฟต์ในการใช้งานเดียวกันมาก
สำหรับการหลอมทองแดงและทองเหลืองนั้น เบ้าหลอมซิลิคอนคาร์ไบด์ถือเป็นมาตรฐาน ซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถทนต่ออุณหภูมิการหลอมทองแดงได้สูงถึง 1,000 ถึง 1,300 องศาเซลเซียส ทนต่อตะกรันออกไซด์ของทองแดง และทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดีในกระบวนการให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำ เบ้าหลอมซิลิคอนคาร์ไบด์สำหรับการหลอมทองแดงมีอายุการใช้งานประมาณ 300 ถึง 1,000 ครั้ง
สำหรับโลหะมีค่า (ทองคำ เงิน แพลทินัม) เบ้าหลอมมาตรฐานคือซิลิกาหลอมเหลวหรืออะลูมินาบริสุทธิ์สูง เบ้าหลอมต้องเฉื่อยทางเคมี (ไม่มีการปนเปื้อนของโลหะหลอมเหลว) และมีเสถียรภาพทางความร้อน ต้นทุนสูง แต่ปริมาณการผลิตต่ำ
รูปทรงและขนาดของเบ้าหลอมก็มีความสำคัญเช่นกัน
โดยทั่วไปแล้ว เบ้าหลอมของเตาเหนี่ยวนำจะมีรูปทรงกระบอก มีก้นแบนหรือกลม ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความสูงจะถูกกำหนดโดยขนาดของเตาและปริมาณโลหะหลอมเหลว เตาขนาด 500 กิโลกรัมจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 400 มิลลิเมตร และความสูง 600 มิลลิเมตร เตาขนาด 5 ตันจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 900 มิลลิเมตร และความสูง 1500 มิลลิเมตร และเตาขนาด 20 ตันจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1500 มิลลิเมตร และความสูง 2500 มิลลิเมตร
ความหนาของผนังจะแปรผันตามขนาดของเบ้าหลอม เบ้าหลอมขนาดใหญ่ต้องการผนังที่หนากว่าเพื่อรับน้ำหนักทางกลของโลหะหลอมเหลว เบ้าหลอมขนาดเล็กอาจมีผนังหนา 30 มม. ในขณะที่เบ้าหลอมขนาดใหญ่จะมีผนังหนา 100 มม.
การออกแบบก้นเบ้าหลอมเป็นรายละเอียดที่สำคัญมาก ก้นเบ้าหลอมแบบแบนผลิตได้ง่ายกว่า แต่จะทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนกระจุกตัวอยู่ที่มุม ก้นเบ้าหลอมแบบโค้งมนจะกระจายความเครียดได้สม่ำเสมอกว่า และเป็นที่นิยมสำหรับเบ้าหลอมขนาดใหญ่และการใช้งานที่กำลังสูง เบ้าหลอมสำหรับเตาเหนี่ยวนำไฟฟ้าขนาดใหญ่ส่วนใหญ่มีก้นเป็นทรงครึ่งวงกลมหรือทรงกรวย
การติดตั้งเบ้าหลอมสำหรับเตาหลอมขนาดกลางใช้เวลาประมาณ 4 ถึง 8 ชั่วโมง
ขั้นตอนการติดตั้งเริ่มต้นด้วยการทำความสะอาดขดลวดและวัสดุทนไฟสำรอง ต้องกำจัดเศษโลหะ ตะกรัน หรือเศษวัสดุที่เหลือจากเบ้าหลอมเดิมออกให้หมด จากนั้นจึงติดตั้งวัสดุทนไฟสำรองใหม่ ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นชั้นของทรายซิลิกาแห้งที่อัดแน่น หรือแผ่นใยเซรามิกสำเร็จรูป
จากนั้นจึงค่อยๆ หย่อนเบ้าหลอมลงในเตาเผา การจัดวางต้องให้ตรงกลางกับขดลวด – หากเบ้าหลอมไม่ตรงแนว จะทำให้เกิดการเหนี่ยวนำทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอ เกิดจุดร้อน และเกิดความเสียหายก่อนกำหนด เบ้าหลอมจะถูกจัดให้อยู่ตรงกลางโดยใช้เครื่องมือยึด จากนั้นช่องว่างระหว่างเบ้าหลอมกับฐานรองจะถูกเติมด้วยทรายหรือใยเซรามิก
เบ้าหลอมใหม่จะถูกเผาผนึก (อบ) ก่อนการหลอมครั้งแรก กระบวนการเผาผนึกจะค่อยๆ เพิ่มอุณหภูมิขึ้นไปที่ 800 ถึง 1000 องศาเซลเซียส ในเวลา 4 ถึง 8 ชั่วโมง เพื่อไล่ความชื้นออกไปและทำให้เบ้าหลอมมีความเสถียร หลังจากเผาผนึกเสร็จแล้ว ก็จะใส่โลหะหลอมเหลวลงไป และเบ้าหลอมก็พร้อมใช้งาน
เบ้าหลอมใหม่จำเป็นต้องใช้งานอย่างระมัดระวังในช่วง 10-20 ครั้งแรก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันจากการนำวัตถุดิบเย็นไปใส่ในเบ้าหลอมร้อน อาจทำให้เบ้าหลอมแตกได้ แม้แต่เบ้าหลอมที่ติดตั้งอย่างดีแล้วก็ตาม โดยทั่วไปผู้ใช้งานจะใส่วัตถุดิบครั้งแรกในปริมาณ 50-70 เปอร์เซ็นต์ของความจุเบ้าหลอม หลอมให้ละลาย แล้วเทลงก่อนที่จะใส่วัตถุดิบเต็มความจุในครั้งแรก กระบวนการปรับสภาพเบ้าหลอมนี้จะช่วยให้เบ้าหลอมมีความเสถียรและยืดอายุการใช้งานได้
รูปแบบความล้มเหลวของ Crucible คือความเป็นจริงในการปฏิบัติงาน
ความเสียหายที่พบได้บ่อยที่สุดคือผนังเบ้าหลอมบางลง ตะกรันและโลหะหลอมเหลวกัดกร่อนผนังเบ้าหลอม ทำให้ผนังบางลง และในที่สุดผนังก็พัง ผู้ปฏิบัติงานจะสังเกตเห็นว่าอุณหภูมิของโลหะหลอมเหลวไม่เสถียรขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากผนังเบ้าหลอมไม่สามารถป้องกันโลหะหลอมเหลวจากการระบายความร้อนของขดลวดได้อีกต่อไป วิธีแก้ไขคือการเปลี่ยนเบ้าหลอมใหม่ภายในเตาหลอม
ความเสียหายที่พบได้บ่อยเป็นอันดับสองคือการแตกร้าว การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน (เช่น การป้อนวัสดุเย็นเกินไป การหยุดชะงักของกระแสไฟฟ้า หรือการแทรกซึมของตะกรัน) ทำให้เกิดรอยแตกร้าวที่ผนังเบ้าหลอม รอยแตกร้าวอาจมีขนาดเล็ก (รอยแตกเล็กๆ ที่ไม่ทะลุ) หรือขนาดใหญ่ (รอยแตกร้าวที่ทะลุผ่าน ทำให้โลหะหลอมเหลวรั่วไหลเข้าไปในขดลวด) รอยแตกร้าวขนาดเล็กอาจพอแก้ไขได้สำหรับการหลอมสองสามครั้ง แต่รอยแตกร้าวขนาดใหญ่ถือเป็นเหตุฉุกเฉิน – ให้เอียงเตาหลอม เทโลหะหลอมเหลวออก และปิดเตาทันที
โหมดความล้มเหลวที่สามคือการแทรกซึมของโลหะ โลหะหลอมเหลวจะซึมเข้าไปในรูพรุนของเบ้าหลอม ทำให้เกิดสะพานโลหะระหว่างโลหะหลอมเหลวกับขดลวด ผลที่ได้คือกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเบ้าหลอม เบ้าหลอมร้อนไม่สม่ำเสมอ และความล้มเหลวก็เร่งตัวขึ้น การแทรกซึมของโลหะมักเกิดจากวัสดุทนไฟสำรองที่ด้อยคุณภาพ เบ้าหลอมที่เผาไม่สมบูรณ์ หรือการใช้กำลังไฟมากเกินไปในระหว่างการให้ความร้อนครั้งแรกๆ
ผู้เขียน: ทีมวิศวกรรมเตาเหนี่ยวนำ MONTE INTELLIGENCE สำหรับการเลือกเบ้าหลอมและการศึกษาอายุการใช้งาน โปรดติดต่อ helenxu@cnlymonte.com
