Pemilihan Krusibel Tungku Induksi: Tanah Liat-Grafit, Silikon Karbida, dan Alumina untuk Paduan yang Berbeda
Krusibel adalah komponen habis pakai yang menentukan berapa lama tungku induksi dapat beroperasi sebelum perlu perbaikan. Jika krusibel yang digunakan salah, tungku harus diganti setiap 50 kali pemanasan, bukan setiap 500 kali. Jika krusibel yang digunakan tepat, tungku dapat beroperasi selama berbulan-bulan. Krusibel yang tepat bergantung pada paduan yang dilebur, ukuran tungku, daya masukan, dan praktik operator. Tidak ada krusibel terbaik yang universal.
Beginilah cara keputusan Crucible sebenarnya dibuat.
Mulailah dengan paduan logamnya.
Besi dan baja meleleh pada suhu 1150 hingga 1600 derajat Celcius, tergantung pada kandungan karbon dan penambahan paduan. Krusibel harus mampu menahan suhu puncak ditambah margin keamanan. Suhu kerja material krusibel harus melebihi suhu leleh puncak sebesar 100 hingga 200 derajat Celcius.
Untuk besi dan baja, wadah standar adalah tanah liat-grafit (juga disebut tanah liat terikat grafit atau tanah liat tekan isostatik grafit). Wadah tanah liat-grafit adalah campuran grafit (biasanya 30 hingga 50 persen) dan tanah liat tahan api (biasanya 50 hingga 70 persen), ditekan atau dipadatkan hingga berbentuk dan dibakar. Grafit memberikan ketahanan terhadap guncangan termal dan pelumasan pada wadah. Tanah liat memberikan kekuatan dan ketahanan terhadap erosi pada wadah.
Cawan lebur tanah liat-grafit standar untuk tungku induksi 1 ton memiliki ketebalan dinding 50 hingga 80 mm, tinggi 800 hingga 1000 mm, dan diameter luar 600 hingga 800 mm. Cawan lebur tersebut diletakkan di dalam kumparan tembaga berpendingin air, dengan lapisan refraktori pendukung (biasanya 10 hingga 30 mm pasir silika kering atau serat keramik) di antara cawan lebur dan kumparan.
Krus tanah liat-grafit memiliki ketahanan kejut termal yang baik - ia dapat berubah dari dingin menjadi baja cair tanpa retak, yang sangat penting untuk pengoperasian tungku induksi di mana krus memanas dan mendingin setiap shift. Kekurangannya adalah tanah liat-grafit terkikis oleh lelehan - oksida besi dalam terak menyerang silika dalam tanah liat, karbon dalam grafit larut ke dalam lelehan, dan dinding krus menipis seiring waktu. Krus tanah liat-grafit biasanya bertahan 100 hingga 300 kali pemanasan dalam tungku induksi peleburan baja, tergantung pada ukuran, daya, dan praktik penggunaan terak.
Untuk paduan suhu tinggi dan masa pakai yang lebih lama, krusibel silikon karbida (SiC) merupakan pilihan. Krusibel SiC lebih tahan erosi daripada tanah liat-grafit, terutama dalam terak yang agresif. Kekurangannya adalah SiC lebih mahal dan lebih rapuh - tidak mampu menahan guncangan termal sebaik tanah liat-grafit. Krusibel SiC umum digunakan dalam peleburan tembaga dan kuningan, di mana suhu operasinya lebih rendah dan guncangan termalnya kurang parah.
Untuk peleburan aluminium dan seng, bahan wadah standar adalah alumina (Al2O3) atau bahan tahan api dengan kandungan alumina tinggi. Suhu kerja aluminium adalah 660 hingga 750 derajat Celcius, jauh di bawah batas sebagian besar bahan tahan api. Tantangannya adalah aluminium cair sangat reaktif - ia menyerang bahan tahan api berbasis silika dengan mereduksi silika menjadi silikon, yang larut ke dalam lelehan. Hasilnya adalah paduan aluminium dengan kandungan silikon tinggi, wadah yang terkikis, dan lelehan yang terkontaminasi.
Cawan lebur alumina tahan terhadap serangan aluminium karena alumina secara termodinamis stabil saat bersentuhan dengan aluminium cair. Kekurangannya adalah alumina lebih mahal dan lebih rapuh daripada tanah liat-grafit. Cawan lebur alumina yang umum digunakan untuk peleburan aluminium dapat bertahan 500 hingga 2000 kali peleburan, jauh lebih lama daripada tanah liat-grafit untuk penggunaan yang sama.
Untuk peleburan tembaga dan kuningan, krusibel silikon karbida adalah standar yang digunakan. SiC mampu menahan suhu tembaga 1000 hingga 1300 derajat Celcius, tahan terhadap terak oksida tembaga, dan memiliki ketahanan terhadap guncangan termal yang baik untuk siklus pemanasan induksi. Krusibel SiC untuk peleburan tembaga dapat bertahan hingga 300 hingga 1000 kali pemanasan.
Untuk logam mulia (emas, perak, platinum), wadah standar yang digunakan adalah silika leburan atau alumina dengan kemurnian tinggi. Wadah tersebut harus inert secara kimia (tidak ada kontaminasi pada lelehan) dan stabil secara termal. Biayanya tinggi, tetapi volumenya rendah.
Bentuk dan ukuran wadah peleburan juga penting.
Cawan lebur tungku induksi biasanya berbentuk silinder, dengan dasar datar atau bulat. Diameter dan tingginya ditentukan oleh ukuran tungku dan kapasitas leburan. Tungku 500 kg memiliki cawan lebur dengan diameter sekitar 400 mm dan tinggi 600 mm. Tungku 5 ton memiliki cawan lebur dengan diameter sekitar 900 mm dan tinggi 1500 mm. Tungku 20 ton memiliki cawan lebur dengan diameter sekitar 1500 mm dan tinggi 2500 mm.
Ketebalan dinding berbanding lurus dengan ukuran wadah peleburan - wadah peleburan yang lebih besar membutuhkan dinding yang lebih tebal untuk menahan beban mekanis lelehan. Wadah peleburan kecil mungkin memiliki dinding setebal 30 mm, sedangkan wadah peleburan besar memiliki dinding setebal 100 mm.
Desain dasar wadah peleburan merupakan detail yang sangat penting. Dasar yang rata lebih mudah diproduksi tetapi memusatkan tegangan termal di sudut-sudutnya. Dasar yang membulat mendistribusikan tegangan secara lebih merata dan lebih disukai untuk wadah peleburan berukuran besar dan untuk pengoperasian daya tinggi. Sebagian besar wadah peleburan tungku induksi berukuran besar memiliki dasar berbentuk setengah bola atau kerucut.
Pemasangan wadah peleburan membutuhkan waktu 4 hingga 8 jam untuk tungku berukuran sedang.
Instalasi dimulai dengan membersihkan koil dan lapisan refraktori pendukung. Sisa logam, terak, atau kotoran dari wadah sebelumnya harus dihilangkan. Lapisan refraktori pendukung yang baru dipasang - biasanya berupa lapisan pasir silika kering yang dipadatkan, atau papan serat keramik yang telah dibentuk sebelumnya.
Krusibel kemudian diturunkan ke dalam tungku. Penyelarasan harus konsentris dengan kumparan - krusibel yang tidak sejajar akan menciptakan kopling elektromagnetik yang tidak merata, titik panas, dan kegagalan dini. Krusibel dipusatkan menggunakan alat bantu, kemudian celah antara krusibel dan penyangga diisi dengan pasir atau serat keramik.
Cawan lebur baru disinter (dipanaskan) sebelum peleburan pertama. Siklus sinter menaikkan suhu secara perlahan hingga 800 hingga 1000 derajat Celcius selama 4 hingga 8 jam, menghilangkan uap air, dan menstabilkan cawan lebur. Setelah sinter, peleburan pertama dimasukkan, dan cawan lebur siap digunakan.
Cawan lebur baru membutuhkan pengoperasian yang hati-hati dalam 10 hingga 20 kali peleburan pertama. Guncangan termal akibat muatan dingin yang mengenai cawan lebur panas dapat menyebabkan retak bahkan pada cawan lebur yang terpasang dengan baik. Operator biasanya memuat muatan pertama hingga 50 hingga 70 persen dari kapasitas cawan lebur, melelehkannya, dan menuangkannya sebelum memuat muatan penuh pertama. Proses pemanasan ini menstabilkan cawan lebur dan memperpanjang umurnya.
Mode kegagalan Crucible adalah realitas operasional.
Modus kegagalan yang paling umum adalah penipisan dinding. Terak dan lelehan menyerang dinding wadah, dinding menjadi lebih tipis, dan akhirnya dinding tersebut rusak. Operator melihat ini sebagai peningkatan bertahap dalam ketidakstabilan suhu lelehan, karena dinding wadah tidak lagi mengisolasi lelehan dari pendinginan koil. Solusinya adalah melapisi kembali tungku dengan wadah baru.
Modus kegagalan paling umum kedua adalah retak. Guncangan termal (muatan dingin, gangguan listrik, atau infiltrasi terak) menciptakan retakan pada dinding wadah. Retakan bisa kecil (retakan halus yang tidak menembus) atau besar (retakan tembus yang memungkinkan lelehan bocor ke dalam kumparan). Retakan kecil terkadang masih bisa diatasi untuk beberapa kali peleburan, tetapi retakan besar merupakan keadaan darurat - miringkan tungku, tuangkan lelehan, dan matikan.
Modus kegagalan ketiga adalah penetrasi logam. Logam cair meresap ke dalam pori-pori wadah, menciptakan jembatan logam antara lelehan dan kumparan. Hasilnya adalah jalur arus melalui wadah, wadah memanas tidak merata, dan kegagalan semakin cepat. Penetrasi logam biasanya disebabkan oleh lapisan tahan api pendukung yang buruk, wadah yang kurang tersinter, atau daya yang berlebihan selama pemanasan awal.
Penulis: Tim teknik tungku induksi MONTE INTELLIGENCE. Untuk pemilihan krusibel dan studi siklus hidup, hubungi helenxu@cnlymonte.com.
