Auswahl von Tiegeln für Induktionsöfen: Ton-Graphit, Siliciumcarbid und Aluminiumoxid für verschiedene Legierungen
Der Tiegel ist das Verschleißteil, das die Laufzeit eines Induktionsofens zwischen den Überholungszyklen bestimmt. Ist der Tiegel ungeeignet, muss der Ofen alle 50 statt alle 500 Schmelzvorgänge neu ausgekleidet werden. Mit dem richtigen Tiegel läuft die Anlage monatelang. Der passende Tiegel hängt von der zu schmelzenden Legierung, der Ofengröße, der Leistungsaufnahme und der Erfahrung des Bedieners ab. Es gibt keinen allgemeingültigen „besten“ Tiegel.
So wird die Entscheidung im Schmelztiegel tatsächlich getroffen.
Beginnen wir mit der Legierung.
Eisen und Stahl schmelzen je nach Kohlenstoffgehalt und Legierungszusätzen bei 1150 bis 1600 °C. Der Tiegel muss die maximale Schmelztemperatur zuzüglich einer Sicherheitsmarge aushalten. Die Betriebstemperatur des Tiegelmaterials muss die maximale Schmelztemperatur um 100 bis 200 °C übersteigen.
Für Eisen und Stahl wird üblicherweise ein Ton-Graphit-Tiegel verwendet (auch als tongebundener Graphittiegel oder statisch gepresster Ton-Graphittiegel bezeichnet). Dieser Tiegel besteht aus einer Mischung aus Graphit (typischerweise 30 bis 50 Prozent) und feuerfestem Ton (typischerweise 50 bis 70 Prozent), die in Form gepresst oder gestampft und anschließend gebrannt wird. Der Graphit verleiht dem Tiegel Temperaturwechselbeständigkeit und Schmierfähigkeit. Der Ton sorgt für Festigkeit und Erosionsbeständigkeit.
Ein typischer Ton-Graphit-Tiegel für einen 1-Tonnen-Induktionsofen hat eine Wandstärke von 50 bis 80 mm, eine Höhe von 800 bis 1000 mm und einen Außendurchmesser von 600 bis 800 mm. Der Tiegel befindet sich in einer wassergekühlten Kupferspirale, wobei zwischen Tiegel und Spirale eine zusätzliche feuerfeste Schicht (typischerweise 10 bis 30 mm trockener Quarzsand oder Keramikfasern) liegt.
Der Ton-Graphit-Tiegel weist eine gute Temperaturwechselbeständigkeit auf – er übersteht den Wechsel von kaltem zu flüssigem Stahl ohne zu reißen. Dies ist entscheidend für den Betrieb von Induktionsöfen, wo der Tiegel in jeder Schicht erhitzt und abgekühlt wird. Der Nachteil besteht darin, dass der Ton-Graphit durch die Schmelze verbraucht wird: Das Eisenoxid in der Schlacke greift das Siliziumdioxid im Ton an, der Kohlenstoff im Graphit löst sich in der Schmelze, und die Tiegelwand wird mit der Zeit dünner. Ein typischer Ton-Graphit-Tiegel hält je nach Größe, Leistung und Schlackenbehandlung 100 bis 300 Schmelzzyklen in einem Induktionsofen zur Stahlerzeugung.
Für Legierungen, die höheren Temperaturen standhalten und eine längere Lebensdauer erfordern, bieten sich Siliziumkarbid-Tiegel (SiC) an. SiC-Tiegel sind erosionsbeständiger als Ton-Graphit-Tiegel, insbesondere in aggressiven Schlacken. Der Nachteil von SiC liegt in seinem höheren Preis und seiner höheren Sprödigkeit – es ist weniger temperaturschockbeständig als Ton-Graphit. SiC-Tiegel werden häufig beim Schmelzen von Kupfer und Messing eingesetzt, da hier die Betriebstemperatur niedriger und die Temperaturschocks weniger stark ausgeprägt sind.
Für das Schmelzen von Aluminium und Zink wird üblicherweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder ein hochtonerdehaltiges Feuerfestmaterial als Tiegelmaterial verwendet. Die Verarbeitungstemperatur von Aluminium liegt bei 660 bis 750 °C und damit deutlich unterhalb der Temperaturgrenze der meisten Feuerfestmaterialien. Die Herausforderung besteht darin, dass geschmolzenes Aluminium hochreaktiv ist – es greift silikatbasierte Feuerfestmaterialien an, indem es das Siliciumdioxid zu Silicium reduziert, welches sich in der Schmelze löst. Das Ergebnis ist eine hochsiliciumhaltige Aluminiumlegierung, ein erodierter Tiegel und eine verunreinigte Schmelze.
Aluminiumoxidtiegel widerstehen dem Angriff von Aluminium, da Aluminiumoxid im Kontakt mit geschmolzenem Aluminium thermodynamisch stabil ist. Der Nachteil besteht darin, dass Aluminiumoxid teurer und spröder als Ton-Graphit-Tiegel ist. Ein typischer Aluminiumoxidtiegel zum Aluminiumschmelzen hält 500 bis 2000 Schmelzzyklen stand und damit deutlich länger als Ton-Graphit-Tiegel unter denselben Bedingungen.
Für das Schmelzen von Kupfer und Messing sind Siliziumkarbidtiegel Standard. SiC hält den Kupfertemperaturen von 1000 bis 1300 °C stand, ist beständig gegen Kupferoxidschlacke und weist eine gute Temperaturwechselbeständigkeit für den Induktionsheizzyklus auf. Ein SiC-Tiegel für das Kupferschmelzen hält 300 bis 1000 Schmelzzyklen.
Für Edelmetalle (Gold, Silber, Platin) besteht der Standardtiegel aus Quarzglas oder hochreinem Aluminiumoxid. Der Tiegel muss chemisch inert (keine Verunreinigung der Schmelze) und thermisch stabil sein. Die Kosten sind hoch, das Volumen jedoch gering.
Auch die Form und Größe des Tiegels spielen eine Rolle.
Induktionsofen-Tiegel sind typischerweise zylindrisch mit flachem oder abgerundetem Boden. Durchmesser und Höhe hängen von der Ofengröße und dem Schmelzvolumen ab. Ein 500-kg-Ofen hat einen Tiegel mit ca. 400 mm Durchmesser und 600 mm Höhe. Ein 5-Tonnen-Ofen hat einen Tiegel mit ca. 900 mm Durchmesser und 1500 mm Höhe. Ein 20-Tonnen-Ofen hat einen Tiegel mit ca. 1500 mm Durchmesser und 2500 mm Höhe.
Die Wandstärke skaliert mit der Tiegelgröße – größere Tiegel benötigen dickere Wände, um die mechanische Belastung der Schmelze aufzunehmen. Ein kleiner Tiegel hat beispielsweise eine 30 mm dicke Wand, während ein großer Tiegel eine 100 mm dicke Wand aufweist.
Die Bodenform des Tiegels ist ein entscheidendes Detail. Ein flacher Boden ist zwar einfacher herzustellen, konzentriert aber die thermische Spannung an den Ecken. Ein abgerundeter Boden verteilt die Spannung gleichmäßiger und ist daher für große Tiegel und den Betrieb mit hoher Leistung vorzuziehen. Die meisten großen Induktionsofentiegel haben einen halbkugelförmigen oder konischen Boden.
Die Installation des Tiegels dauert bei einem mittelgroßen Ofen 4 bis 8 Stunden.
Die Installation beginnt mit der Reinigung der Spule und der neuen feuerfesten Auskleidung. Jegliche Metallreste, Schlacke oder Ablagerungen des vorherigen Tiegels müssen entfernt werden. Anschließend wird die neue feuerfeste Auskleidung installiert – typischerweise eine Schicht aus trockenem Quarzsand, die eingestopft wird, oder eine vorgeformte Keramikfaserplatte.
Der Tiegel wird anschließend in den Ofen abgesenkt. Die Ausrichtung muss konzentrisch zur Spule sein – ein falsch ausgerichteter Tiegel führt zu ungleichmäßiger elektromagnetischer Kopplung, Hotspots und vorzeitigem Ausfall. Der Tiegel wird mithilfe einer Vorrichtung zentriert, anschließend wird der Spalt zwischen Tiegel und Stütze mit Sand oder Keramikfasern aufgefüllt.
Der neue Tiegel wird vor der ersten Schmelze gesintert (ausgebrannt). Der Sinterprozess erhöht die Temperatur langsam über 4 bis 8 Stunden auf 800 bis 1000 °C, entfernt jegliche Feuchtigkeit und stabilisiert den Tiegel. Nach dem Sintern wird die erste Schmelze eingefüllt, und der Tiegel ist einsatzbereit.
Ein neuer Tiegel erfordert in den ersten 10 bis 20 Schmelzen besondere Sorgfalt. Der Temperaturschock einer kalten Charge auf einen heißen Tiegel kann selbst einen fachgerecht installierten Tiegel beschädigen. Üblicherweise wird die erste Charge zu 50 bis 70 Prozent in den Tiegel gefüllt, aufgeschmolzen und ausgegossen, bevor die erste volle Charge eingefüllt wird. Dieser sogenannte „Einbrennprozess“ stabilisiert den Tiegel und verlängert seine Lebensdauer.
Ausfälle im Tiegel sind die operative Realität.
Die häufigste Ausfallursache ist die Wanddickenreduzierung. Schlacke und Schmelze greifen die Tiegelwand an, wodurch diese dünner wird und schließlich versagt. Der Bediener bemerkt dies als allmähliche Zunahme der Schmelztemperaturschwankungen, da die Tiegelwand die Schmelze nicht mehr ausreichend vor der Kühlung durch die Heizspirale schützt. Die Lösung besteht darin, den Ofen mit einem neuen Tiegel auszukleiden.
Die zweithäufigste Ausfallursache ist Rissbildung. Ein Thermoschock (kalte Beschickung, Stromausfall oder Schlackeneintritt) erzeugt einen Riss in der Tiegelwand. Dieser kann klein (ein Haarriss, der nicht durchdringt) oder groß (ein durchgehender Riss, durch den die Schmelze in die Spule austritt) sein. Ein kleiner Riss ist manchmal für einige Schmelzvorgänge unproblematisch, ein großer Riss hingegen erfordert sofortiges Handeln – den Ofen kippen, die Schmelze ausgießen und den Betrieb einstellen.
Die dritte Ausfallursache ist das Eindringen von Metall. Das geschmolzene Metall dringt in die Poren des Tiegels ein und bildet eine metallische Brücke zwischen der Schmelze und der Heizspirale. Dadurch entsteht ein Strompfad durch den Tiegel, der sich ungleichmäßig erhitzt, und der Ausfall beschleunigt sich. Metalldurchdringung wird üblicherweise durch eine unzureichende feuerfeste Auskleidung, einen nicht ausreichend gesinterten Tiegel oder zu hohe Leistung bei den ersten Schmelzvorgängen verursacht.
Autor: Das Ingenieurteam für Induktionsöfen von MONTE INTELLIGENCE. Für Informationen zur Tiegelauswahl und zu Lebenszyklusstudien wenden Sie sich bitte an helenxu@cnlymonte.com.
