Das Einsatzmaterial ist der größte variable Kostenfaktor beim Induktionsschmelzen – und beeinflusst Schmelzrate, Energieverbrauch und Metallqualität am stärksten. Ein sorgfältig geplantes Einsatzprogramm kann den Energieverbrauch um 10–15 % senken und die Schmelzrate im Vergleich zur Verwendung von verfügbarem Schrott um einen vergleichbaren Wert verbessern.
MONTE INTELLIGENCE bietet im Rahmen seines Induktionsofen-Lieferservices Empfehlungen für das Einsatzmaterial. Dieser Artikel behandelt die Grundlagen der Auswahl, Vorbereitung und des Managements des Einsatzmaterials beim induktiven Schmelzen von Eisen und Stahl.
Das Einsatzmaterial für das Induktionsschmelzen lässt sich in verschiedene Kategorien einteilen: Gießereirückgaben (Angüsse, Steiger und Gussabfälle aus dem eigenen Gießereibetrieb), zugekaufter Stahlschrott (von Schrotthändlern, in der Regel nach Güte sortiert), Roheisen (Neueisen aus Hochofen oder Direktreduktion) und Legierungszusätze (Ferrolegierungen, Aufkohlungsmittel und andere Materialien, die zur Anpassung der chemischen Zusammensetzung hinzugefügt werden).
Die ideale Charge ist eine Mischung, die die angestrebte chemische Zusammensetzung mit minimalen Korrekturen liefert, gleichmäßig ohne Brückenbildung schmilzt und die geringsten Kosten pro Tonne flüssigen Metalls verursacht. Um dieses Ideal zu erreichen, müssen die metallurgischen Eigenschaften und die Kosten jeder Chargenkomponente optimal aufeinander abgestimmt werden.
Die Korngrößenverteilung der Charge ist für die Schmelzeffizienz in Induktionsöfen entscheidend. Der Induktionserwärmungsmechanismus – Wirbelströme, die durch das Wechselfeld erzeugt werden – dringt bis zu einer sogenannten Referenztiefe in die Charge ein. Diese Referenztiefe hängt von der Frequenz und den elektrischen Eigenschaften des Chargenmaterials ab. Bei Eisen beträgt sie bei 1000 Hz etwa 7 mm. Die Erwärmung findet primär in dieser Oberflächenschicht statt, von wo aus die Wärme in das Innere geleitet wird.
Eine Charge aus großen, massiven Teilen – beispielsweise Stahlstanzteilen mit 200 mm Durchmesser – erhitzt sich nur bis zu einer Tiefe von 7 mm unter der Oberfläche, bevor die Wärme zum Kern vordringt. Die Oberfläche kann schmelzen, während der Kern noch kalt ist. Dies führt zu Brückenbildung, bei der ein teilweise geschmolzenes Stück einen Bogen quer durch den Ofen bildet und so verhindert, dass die restliche Charge in die Schmelze gelangt. Eine Charge mit unterschiedlich großen Teilen – von 10 mm großem Schrott bis hin zu 150 mm großem Schrott – verteilt sich gleichmäßiger im Ofen und schmilzt effizienter, da die kleineren Stücke die Zwischenräume zwischen den größeren Stücken ausfüllen und das effektive Verhältnis von Oberfläche zu Volumen erhöhen.
Die Reinheit des Einsatzmaterials ist entscheidend für die Metallqualität und die Lebensdauer der Ofenauskleidung. Rost (Eisenoxid) erhöht das Schlackenvolumen, verbraucht Energie (die Reduktion von Fe₂O₃ zu Fe benötigt Kohlenstoff und Energie) und greift die Silikatauskleidung an (FeO wirkt als Flussmittel für Silikat-Feuerfestmaterialien und verkürzt so deren Lebensdauer). Öl und Fett auf dem Einsatzmaterial erzeugen beim Schmelzen Rauch – ein Problem für die Werkstattumgebung und die Emissionen – und können Wasserstoff in das Metall einbringen, was zu Porosität in den Gussteilen führt. Sand und Schmutz auf dem Einsatzmaterial erhöhen das Schlackenvolumen, ohne jedoch verwertbares Metall beizutragen.
Die Chargenvorwärmung ist eine Technik, die in größeren Induktionsöfen (ab ca. 5 Tonnen) zur Effizienzsteigerung eingesetzt wird. Durch das Vorwärmen der Charge auf 400–600 °C vor dem Befüllen wird Feuchtigkeit entfernt (wodurch das Risiko von Dampfexplosionen bei Kontakt feuchter Charge mit dem Schmelzbad eliminiert wird), Öl und organische Verunreinigungen werden verbrannt (wodurch Rauch und Wasserstoffaufnahme reduziert werden) und der Strombedarf des Ofens sinkt (der Vorwärmer nutzt kostengünstigeres Erdgas anstelle von Strom). Eine Chargenvorwärmung kann die gesamten Schmelzkosten je nach Preisverhältnis von Erdgas und Strom um 5–10 % senken.
Die Beschickungsreihenfolge beeinflusst die Schmelzrate und die Sicherheit. Die erste Beschickung eines kalten Ofens sollte aus kleineren Stücken bestehen, die sich gut an den Wänden anordnen und eine gute Anbindung an die Heizspirale gewährleisten – sie erhitzen sich schneller und tragen zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung im Ofen bei. Sobald sich ein Schmelzbad gebildet hat, können größere Stücke hinzugegeben werden, da das umgebende flüssige Metall die Anbindung verbessert. Die letzte Beschickung sollte genügend Freiraum (den Abstand zwischen der Schmelzoberfläche und dem oberen Rand des Tiegels) für das Rühren und die Zugabe von Legierungselementen lassen.
Brückenbildung ist ein Betriebsproblem, das jeder Induktionsschmelzer kennt. Ein Teil des Schmelzguts überbrückt den Ofendurchmesser oberhalb der Schmelze und verhindert so, dass das darüberliegende Material in die Schmelze absinkt. Die darunterliegende Schmelze erhitzt sich weiter und kann Temperaturen erreichen, die die Feuerfestauskleidung beschädigen. Um Brückenbildung zu vermeiden, ist eine korrekte Dimensionierung des Schmelzguts (kein Stück größer als etwa ein Drittel des Ofendurchmessers), sorgfältiges Beladen (kein einzelnes großes Stück flach hineinlegen) und eine aufmerksame Überwachung während des Schmelzvorgangs erforderlich.
Für Gießereien, die mehrere Legierungen schmelzen, stellt die Kreuzkontamination zwischen den Legierungen ein Qualitätsrisiko dar. Ein Ofen, in dem zuvor duktiles Gusseisen (das Magnesium enthält) geschmolzen wurde und der anschließend mit Grauguss-Schrott (der kein Magnesium enthalten sollte) beschickt wird, kann fehlerhafte Gussteile produzieren, wenn die Auskleidung noch Magnesium aus dem vorherigen Schmelzvorgang enthält. Die Lösung besteht entweder in der Verwendung separater Öfen für jede Legierungsgruppe oder in einer gründlichen Reinigung des Ofens zwischen den Legierungswechseln, einschließlich des Abkratzens der Auskleidung, um anhaftendes Metall und Schlacke zu entfernen.
MONTE INTELLIGENCE bietet im Rahmen seiner Induktionsofenprojekte auch eine Beratung zum Einsatzmaterial an, einschließlich Schrottspezifikation, Optimierung der Einsatzmischung und Integration des Vorwärmers.
Für Empfehlungen zu Ladungsmaterialien für Ihre Gießerei wenden Sie sich bitte an helenxu@cnlymonte.com.
