Selección de crisoles para hornos de inducción: arcilla-grafito, carburo de silicio y alúmina para diferentes aleaciones.
El crisol es el consumible que determina cuánto tiempo funciona un horno de inducción entre reparaciones. Si se elige el crisol incorrecto, habrá que revestir el horno cada 50 ciclos de cocción en lugar de cada 500. Si se elige el correcto, la línea de producción funcionará durante meses. El crisol adecuado depende de la aleación que se funde, el tamaño del horno, la potencia de entrada y la experiencia del operario. No existe un crisol ideal universal.
Así es como se toma la decisión en el crisol.
Comencemos con la aleación.
El hierro y el acero se funden a temperaturas de entre 1150 y 1600 °C, dependiendo del contenido de carbono y de las adiciones de aleación. El crisol debe soportar la temperatura máxima más un margen de seguridad. La temperatura de trabajo del material del crisol debe superar la temperatura máxima de fusión en 100 a 200 °C.
Para el hierro y el acero, el crisol estándar es de arcilla-grafito (también llamado grafito aglomerado con arcilla o grafito isostático prensado con arcilla). Este crisol se compone de una mezcla de grafito (normalmente entre el 30 y el 50 %) y arcilla refractaria (normalmente entre el 50 y el 70 %), prensada o compactada para darle forma y sometida a cocción. El grafito le confiere resistencia al choque térmico y lubricidad, mientras que la arcilla le proporciona resistencia mecánica y a la erosión.
Un crisol típico de arcilla y grafito para un horno de inducción de 1 tonelada tiene un espesor de pared de 50 a 80 mm, una altura de 800 a 1000 mm y un diámetro exterior de 600 a 800 mm. El crisol se encuentra dentro de una bobina de cobre refrigerada por agua, con una capa refractaria de respaldo (generalmente de 10 a 30 mm de arena de sílice seca o fibra cerámica) entre el crisol y la bobina.
El crisol de arcilla y grafito posee una buena resistencia al choque térmico: puede pasar de frío a acero fundido sin agrietarse, lo cual es fundamental para el funcionamiento de un horno de inducción, donde el crisol se calienta y enfría en cada turno. La desventaja es que la arcilla y el grafito se consumen durante el proceso de fusión: el óxido de hierro de la escoria ataca la sílice de la arcilla, el carbono del grafito se disuelve en el metal fundido y la pared del crisol se adelgaza con el tiempo. Un crisol típico de arcilla y grafito dura entre 100 y 300 ciclos de calentamiento en un horno de inducción para la fusión de acero, dependiendo del tamaño, la potencia y el tipo de escoria utilizada.
Para aleaciones de alta temperatura y mayor durabilidad, los crisoles de carburo de silicio (SiC) son una buena opción. El crisol de SiC es más resistente a la erosión que el de arcilla-grafito, especialmente en escorias agresivas. La desventaja es que el SiC es más caro y más frágil; no soporta el choque térmico tan bien como el de arcilla-grafito. Los crisoles de SiC son comunes en la fusión de cobre y latón, donde la temperatura de operación es menor y el choque térmico es menos severo.
Para la fusión de aluminio y zinc, el material estándar del crisol es la alúmina (Al₂O₃) o un refractario con alto contenido de alúmina. La temperatura de trabajo del aluminio oscila entre 660 y 750 °C, muy por debajo del límite de la mayoría de los materiales refractarios. El problema radica en que el aluminio fundido es altamente reactivo: ataca los refractarios a base de sílice, reduciéndola a silicio, que se disuelve en el metal fundido. El resultado es una aleación de aluminio con alto contenido de silicio, un crisol erosionado y un metal fundido contaminado.
Los crisoles de alúmina resisten el ataque del aluminio porque la alúmina es termodinámicamente estable en contacto con aluminio fundido. La desventaja es que la alúmina es más cara y más frágil que la arcilla-grafito. Un crisol típico de alúmina para la fusión de aluminio dura entre 500 y 2000 ciclos de calentamiento, mucho más que uno de arcilla-grafito en el mismo uso.
Para la fundición de cobre y latón, los crisoles de carburo de silicio son el estándar. El SiC soporta temperaturas de cobre de entre 1000 y 1300 °C, resiste la escoria de óxido de cobre y presenta una buena resistencia al choque térmico durante el ciclo de calentamiento por inducción. Un crisol de SiC para la fundición de cobre tiene una vida útil de entre 300 y 1000 ciclos de calentamiento.
Para metales preciosos (oro, plata, platino), el crisol estándar es de sílice fundida o alúmina de alta pureza. El crisol debe ser químicamente inerte (sin contaminación del metal fundido) y térmicamente estable. Su coste es elevado, pero su volumen de producción es bajo.
La forma y el tamaño del crisol también importan.
Los crisoles de los hornos de inducción suelen ser cilíndricos, con fondo plano o redondeado. El diámetro y la altura dependen del tamaño del horno y de su capacidad de fusión. Un horno de 500 kg tiene un crisol de aproximadamente 400 mm de diámetro y 600 mm de altura. Un horno de 5 toneladas tiene un crisol de aproximadamente 900 mm de diámetro y 1500 mm de altura. Un horno de 20 toneladas tiene un crisol de aproximadamente 1500 mm de diámetro y 2500 mm de altura.
El grosor de la pared es proporcional al tamaño del crisol: los crisoles más grandes necesitan paredes más gruesas para soportar la carga mecánica del metal fundido. Un crisol pequeño puede tener una pared de 30 mm, mientras que uno grande tiene una pared de 100 mm.
El diseño del fondo del crisol es un detalle crucial. Un fondo plano es más fácil de fabricar, pero concentra la tensión térmica en las esquinas. Un fondo redondeado distribuye la tensión de manera más uniforme y es preferible para crisoles grandes y para operaciones de alta potencia. La mayoría de los crisoles de hornos de inducción grandes tienen un fondo hemisférico o cónico.
La instalación del crisol es un trabajo que lleva entre 4 y 8 horas para un horno mediano.
La instalación comienza con la limpieza de la serpentina y el material refractario de respaldo. Se deben eliminar los restos de metal, escoria o desechos del crisol anterior. A continuación, se instala el nuevo material refractario de respaldo, que suele consistir en una capa de arena de sílice seca compactada o en un panel de fibra cerámica preformado.
A continuación, se introduce el crisol en el horno. La alineación debe ser concéntrica con la bobina; un crisol desalineado provoca un acoplamiento electromagnético irregular, puntos calientes y fallos prematuros. El crisol se centra con una plantilla y, posteriormente, el espacio entre el crisol y el soporte se rellena con arena o fibra cerámica.
El crisol nuevo se sinteriza (se hornea) antes de la primera fusión. El ciclo de sinterización aumenta la temperatura gradualmente hasta alcanzar entre 800 y 1000 grados Celsius durante 4 a 8 horas, eliminando la humedad y estabilizando el crisol. Tras la sinterización, se carga la primera masa fundida y el crisol queda listo para su uso.
Un crisol nuevo requiere un manejo cuidadoso durante los primeros 10 a 20 ciclos de calentamiento. El choque térmico de una carga fría al entrar en contacto con un crisol caliente puede agrietar incluso un crisol bien instalado. Los operarios suelen cargar la primera carga al 50-70% de la capacidad del crisol, fundirla y verterla antes de cargar la primera carga completa. Este proceso de acondicionamiento estabiliza el crisol y prolonga su vida útil.
Los modos de fallo en el crisol son la realidad operativa.
El modo de fallo más común es el adelgazamiento de la pared. La escoria y el metal fundido atacan la pared del crisol, esta se adelgaza y, finalmente, falla. El operario observa esto como un aumento gradual de la inestabilidad de la temperatura del metal fundido, ya que la pared del crisol deja de aislarlo del enfriamiento de la serpentina. La solución consiste en revestir el horno con un crisol nuevo.
El segundo modo de fallo más común es el agrietamiento. Un choque térmico (carga fría, interrupción del suministro eléctrico o infiltración de escoria) provoca una grieta en la pared del crisol. La grieta puede ser pequeña (una fisura que no penetra) o grande (una grieta pasante que permite que el metal fundido se filtre en la serpentina). Una grieta pequeña a veces se puede solucionar durante algunos ciclos de calentamiento, pero una grieta grande es una emergencia: incline el horno, vierta el metal fundido y apáguelo.
El tercer modo de fallo es la penetración del metal. El metal fundido se introduce en los poros del crisol, creando un puente metálico entre el metal fundido y la bobina. Esto genera una corriente eléctrica a través del crisol, provocando un calentamiento desigual y acelerando el fallo. La penetración del metal suele deberse a un refractario de respaldo deficiente, un crisol insuficientemente sinterizado o una potencia excesiva durante los primeros ciclos de calentamiento.
Autor: Equipo de ingeniería de hornos de inducción de MONTE INTELLIGENCE. Para la selección de crisoles y estudios del ciclo de vida, contacte con helenxu@cnlymonte.com.
