Toiminta perustuu pyörrevirtoihin, jotka syntyvät metallipanokseen, kun vaihtovirtaa johdetaan panoksen ympäri kulkevaan kuparikäämiin.

Transkriptio

1 7. Induktiouunit Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto Induktiouuni soveltuu hyvin uudelleensulatukseen ja kuumanapitoon. Mitään mellotusta ei suoritetta. Lämpötilaa voidaan säästää hyvin tarkasti ja pyörrevirtojen aikaan saman sekoituksen ansioista koostumus ja lämpötila ovat hyvin tasaisia. Menetelmä soveltuu erityisesti runsasseosteisen terästen valmistukseen. Tällöin raaka-aineelle asetetut vaatimukset ovat hyvin korkeat. Sulatuksissa käytettävien induktiouunien tyypilliset koot ovat 0,5-20 tonnia. Kuva. Induktiouunit sulatuksessa Induktiouuneja käytetään myös kuumapidossa, jolloin käytetään huomattavasti suurempia uunikokoja.. Seuraavassa esitetään uunin toimintaperiaatetta ja rakennetta, sekä niihin liittyviä huoltoja tai huomioitavia piirteitä Toiminta perustuu pyörrevirtoihin, jotka syntyvät metallipanokseen, kun vaihtovirtaa johdetaan panoksen ympäri kulkevaan kuparikäämiin. Pyörrevirrat kuumentavat ja sulattavat panoksen. Induktiouunit voidaan rakenteensa mukaan jakaa kahteen pääryhmään induktioupokasuunit (sulatukseen) induktiokouru-uunit (kuumanapitoon) Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 1

2 7.1 Induktioupokasuunit Induktioupokasuunit voidaan virrantaajuuden mukaan jakaa seuraavasti: Verkkotaajuusuunit 50Hz Keskitaajuusuunit Hz Korkeataajuusuunit Hz Induktioupokasuunin rakenne Merkittävää induktiouunissa on, että sähköenergia muutetaan lämmöksi itse panoksessa. sähkövirtaa ei kuitenkaan viedä suoraan romuun. Virta kulkee uunin ympärillä olevan kelan läpi. tämä virta saa aikaan eli indusoi, sähkövirtoja romuun joka sulaa niiden vaikutuksesta. Tyhjää uunia ei siis voida kuumentaa. Sulatukseen käytettävä vaihtovirta johdetaan upokkaan ympäri kiertävään onttoon kuparikelaan. Kelan sisällä on jäähdytysvesi. Uunirakenteessa olevat ikeet estävät pyörrevirtojen syntymistä uunin ulkopuolisissa teräsrakenteissa. Kuva. Uuni nostettu pois runko- ja tukirakenteestaan huoltoa varten Induktiouunit soveltuvat terästen, valurautojen ja kupari- sekä kevytmetallien sulatuksiin. Sulan kiertoliike, joka on voimakkainta pienillä taajuuksilla, homogenisoi sulanlämpötilaa ja analyysiä. Hyvä sekoitus helpottaa seosaineiden lisäystä ja nopeuttaa niiden liukenemista sulaan Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 2

3 Fysiikasta on tuttua, että jos umpinaisen rautasydämen ympärillä olevaan käämiin johdetaan sähkövirta, tulee rautasydän magneettiseksi. Jos käämiin johdetaan vaihtosähköä, syntyy metallisydämeen, joka voi olla mitä metallia hyvänsä, pyörrevirtoja. Metallisydämen umpinaista rakennetta voidaan verrata useiksi oikosulussa oleviksi johdinsilmukoiksi. Näissä johdinsilmukoissa pyörrevirtojen sähköenergia muuttuu lämmöksi, niin kuin oikosulussa aina tapahtuu. Lämpiäminen on sitä voimakkaampaa, mitä suurempi vaihtovirran taajuus on. Kuva. Pyörrevirtoja Pyörrevirtojen synty estetään vaihtosähköllä toimivissa laitteissa, esim. sähkömoottorissa siten, että rautasydän tehdään ohuista toisistaan eristetyistä levyistä, muuntajalevyistä. Levyjen välinen eristys katkaisee johdinsilmukat, jolloin pyörrevirtoja ei pääse syntymään ja kuumenemista ei tapahdu (katso viereinen kuva) Induktioupokasuuneissa käytetään pyörrevirtojen lämpövaikutusta hyväksi kuumentamalla sillä metalli sulaksi. Tulenkestävässä massasta tehdyn upokkaan muotoisen pesän ympärillä on käämi, jolla indusoidaan pyörrevirrat sulatettavaan romuun tai sulaan metalliin (katso. kuva Pyörrevirtauuni. Induktioupokasuuneista käytetään myös nimitystä pyörrevirtauuni. Kuumeneminen on sitä tehokkaampaa, mitä massiivisempia sulatettavat kappaleet ovat, eli mitä paremmin niihin pystyy muodostumaan pyörrevirtoja. Niinpä pienikokoinen romu, esim. sorvinlastu, ei sula, ellei uunissa ole jo ennestään sulaa metallia, joka yhdistää palaset yhdeksi panokseksi. Kuva. Pyörrevirtauuni Tyhjää ei voida myöskään kuumentaa. Pyörrevirrat panevat sulan metallin virtaamaan oheisen kuvan mukaisesti. Sulan yläpinta muodostuu virtauksen johdosta kuperaksi Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 3

4 käämi ies tulenkestävä vuoraus Kuva. Induktioupokasuuni ja pyörrevirrat Kuva. Induktiouunin rakenne halkileikkauksessa Kela on tehty ontosta kuparikiskosta, jonka sisällä kulkee jäähdytysvesi. Se on sijoitettu muuntajalevyistä ladottujen ikeiden varaan. Ikeet estävät pyörrevirtojen syntymistä uunin ulkopuolisissa teräosissa. Kuva. Uunin rakennetta Kuva. Kela irrotettuna Kuva. Kela huollossa Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 4

5 Kuva. Kelan rakennetta Kuva. Kela Uunit voidaan kallistaa sulatetun metallin kaatoa varten hydraulisen mekanismin avulla. Induktioupokasuuneja valmistetaan toimiviksi useilla eri vaihtosähkön taajuuksilla. Käyttävä taajuus määräytyy mm. sulatettavasta metallista. Kuva. Sulatusta induktiouuneilla Sulatus induktiouunilla Sulatukselle induktioupokasuuneissa on ominaista teräsulan voimakas liikunta ja siitä johtuva aktiivinen kosketus sekä hapettavaan ilmakehään terässulan yläpuolella että upokkaan seinämiin. Tästä voimakasta pyörteilystä johtuen teräsulaa ei voida pitää yhtenäisen kuonan peittämänä sulatuksen aikana, varsinkaan verkkotaajuusuuneissa ja kuonan lämpötila on matala. Näistä syistä johtuen ei voida kuonan ja terässulan välistä reaktioita voida vastaavalla tavalla käyttää hyväksi kuin valokaariuuneissa. Luonteeltaan sulatus induktiouuneissa on uudelleen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 5

6 sulatusta. Tästä johtuen raaka-aineiden valintaan sekä niiden puhtauteen on kiinnitettävä huomioita. Ilma kosketuksesta lisääntyvät teräksen happi- ja typpi- ja vetypitoisuudet. Happi osallistuu erilaisiin keittoreaktioihin ja hapettaa myös teräksen helposti hapettuvia aineosia. Typpeä liukenee sitä sisältävistä seosaineista. Vetyä joutuu sulaan teräkseen kostean ja ruosteisen raaka-aineen mukana. 7.2 Induktiouunien energiahäviöt Taajuuden merkitys Induktiouunin virrantaajuudella on merkittävä vaikutus uunin käyttöön; sen kokoon, maksimitehoon, sulan liikkeisiin sulatuksen aikana ja romun minimikokoon, johon virta saadaan vielä tehokkaasti indusoitua Virran tunkeutumissyvyys 50 Hz taajuudella eli verkkotaajuusuuneilla virran tunkeutumissyvyys on 8 cm. Verkkotaajuusuuneilla tarvitaan sulatukseen riittävän suuri aloituslimppu tai alkusula, joka tuodaan toisesta uunista. Jatkuvassa käytössä uunia ei tyhjennetä kokonaan vaan uuniin jätetään ns. sumppi sulatusnopeuden lisäämiseksi Taajuuden vaikutus virran tunkeutumissyvyyteen Verkkotaajuusinduktiouunit Yksinkertaisia, ei tarvita taajuusmuuttajia. On käytettävä sulaa alkupanosta tai suurikokoista romua, jotta sulaminen pääsisi alkuun. Sulan pyörteily on sitä voimakkaampaa mitä pienempi on virran taajuus ja mitä suurempi on sähköteho. Verkkotaajuusuunin suuret tehot aiheuttaisivat sulan räiskymistä ja upokkaan vuorauksen voimakasta kulumista. Sulan voimakas kiertoliike toisaalta helpottaa seosaineiden ja lastujen seostamista. 8 tonnin verkkotaajuusuuneilla sulatustehot usein noin 1,5 MW Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 6

7 Välitaajuusinduktiouunit Uunin taajuusalue on Hz. Sulatuksen aloittaminen pienemmällä romukoolla onnistuu. Sulan liikehdintä uunissa on vähäisempää.ja sulatusteho voi olla suurempi kuin verkkotaajuusuuneissa ilman sulan roiskumista 8 tonnin keskitaajuusuuneilla sulatustehot tyypillisesti 4-6 MW. Keskitaajuusinkudtiouuneissa eli KT-uuneissa tavallisin taajuus on Hz. Tällä taajuudella voidaan sulattaa palakooltaan melko pientä metalliromua, joten sulatusta aloitettaessa ei välttämättä tarvita sulaa metallia tai suurikokoisia metallinpalasia. Koska sulan metallin virtaus uunissa on sitä vähäisempää, mitä suurempaa jaksolukua käytetään, sopii KT-uuni erityisesti teräksen sulatukseen, koska pienen metallivirtauksen johdosta teräs ei ime itseensä kaasuja ilmasta Kuva. Leikkaus KT-uunin laitteistosta Kuparikäämin syötettävä vaihtosähkö synnytettiin aikaisemmin pyörivän generaattorin avulla. Meluhaitan poistamiseksi sekä hyötysuhteen parantamiseksi on generaattori korvattu nykyisin rakenteeltaan yksinkertaisemmalla staattisella muuttajalla. Pientaajuusinduktiouunit Verkkotaajuusinduktiouuneissa eli PT- uuneissa (pientaajuus) käytetään samaa taajuutta kuin sähköverkostossakin eli 50 Hz. Tällöin ei tarvita mitään sulaa metallia Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 7

8 Kuva. Sulatuksen alku Kuva. Materiaalin lisäys (sulaa metallia) Jotta sulaminen pääsisi alkuun, uunissa on oltava sulaa alkumetallia tai suurikokoisia metallinpaloja pyörrevirtojen syntymisen mahdollistamiseksi (oheinen kuva). PT- uuneissa ei voida käyttää niin suuria sähkötehoja kuin keskitaajuusinduktiouuneissa, koska niin kuin aikaisemmin tuli esille, pieni taajuus aiheuttaisi voimakkaan sulan metallin virtaamisen uunissa. Tästä tulisi seurauksena metallin räiskyminen ja vuorauksen voimakas kuluminen. Teräkseen sulatus vaatiikin PT- uuneissa erityistä varovaisuutta, jotta kaasuja ei liukenisi voimakkaan virtauksen vuoksi sulaan. Metallin tehokas virtaus tekee PT- uunin erittäin sopivaksi valuraudan ym. lastujen sulatukseen, koska virtaus vie ne nopeasti pinnan alle ja palamista ei ehdi tapahtua. Myös seosaineet saadaan nopeasti sekoitettua sulaan edellisen ansiosta. Sulatukseen lisäksi käytetään PT- uuneja uusien myös valuraudan duplex - käsittelyyn. Varsinainen sulatus suoritetaan tällöin esim. kupoliuunissa, josta rauta siirretään myöhempiä käsittelyjä varten PT- uuniin. PT- uunien kehitys näyttää johtuvan yhä suurempiin uunikokoihin Kuva.110 tonnin PT- induktiouuni Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 8

9 Keski- ja verkkotaajuusuuneilla on kummallakin omat etunsa. Joissakin uuneissa nämä edut on yhdistetty siten, että ne toimivat kahdella taajuudella. Tällöin voidaan varsinainen sulatus aloittaa keskitaajuutta käyttäen (esim. 500Hz), jolloin sulatettava romu saa olla pienikokoista. Sulatuksen edettyä niin pitkälle että sulaa metallia on jo uunissa, vaihdetaan verkkotaajuudella (50Hz). Näin saadaan sulan sekoittaminen tehokkaammaksi ja myös sähköenergian kulutus pienemmäksi, koska uunin sähkölaitteiden aiheuttamat häviöt pienenevät virran taajuuden pienetessä Induktiopopkasuunien hyötysuhde on noin 70%. Suurimman osan häviöstä muodostavat jäähdytysveden aiheuttamat lämpöhäviöt uunin käämissä sekä upokkaan seinämän lävitse siirtyvä lämpö (oheinen kuva). Kuva. Induktiouunien energiahäviöt 7.3 Induktiouunista lyhyesti Induktiouuni kela rautasydämen ympärillä täytyy olla kokoajan sulaa sulatus lähtee hitaasti liikkeelle rautasydämestä kelaa ei saa nostaa sulan pyöritys syö vuorausta Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 9

10 7.3.2 Kela Kela on kupariputkista tehty vesijäähdytteinen kierukka. Siihen johdetaan sähkövirtaa muuttajan kautta, joka muuttaa 50-jaksoisen virran jaksoiseksi (ns. keskijaksouunit). Sähkölaitteisiin kuluu vielä kondensaattoriparisto, joka parantaa vaihtovirran tehokerrointa. Kela: profiiliputkea yleensä sähkökuparineliöprofiilia -> jämäkkä kelan vuorauksen valvonta: kelojen välissä nasta; jos sula pääsee vuoraukseen se osuu nastaan joka kertoo ajoissa ennen kuin sula pääsee kelaan kela voi venyä ja aiheuttaa iekseen oikosulun kelan jännite esim. 2000V voi olla 20 kelaa nipussa 100V /kela eli kelojen välillä oleva potentiaali kela on kohta mihin tuodaan sähkö kohdat pyrkivät siirtymään iettä kohden oikosulku Kuva. Sulatusuuniholvi ilman massausta, kela näkyy tummana Kuva. Vuorauksen valvontalaitteisto Kuva. Uunin rakenne Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 10

11 7.3.2 Kelan tuhoutuminen tai vaurioituminen kelan ovat liitoskohdat riskialuetta koska materiaali hyvin ohutta; 40*50 mm tai 40* 80 mm voi aiheutua sulan tunkeutumista kelaan sulatustapahtuman aikaan muodostuu ioneja hiillettää oikosulku Ikeet Tehtävänä: ohjata magneettivuota siirtää magneettikenttä pois ulkopuolelta sisäpuolelle ei kuumenna runkorakenteita tukee kelaa ulkopuolelta tukee mekaanisilta voimilta tukee sähköisiltä voimilta Jäähdytysjärjestelmä vesi ei saa johtaa sähköä vedessä ei saa olla partikkeleja PH( ei syövyttävä) ominaisvastus max lämpötila ja virtaus tärkeät kontrolloida Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 11

12 7.4 Induktiouunien vuoraus Uunit ja senkat, joissa vallitsee korkea lämpötila ja joissa metalliset rakenteet eivät pelkästään kestä näissä olosuhteissa, vuorataan tulenkestävillä keraamisilla materiaaleilla. Tulenkestäviä aineita valittaessa on tulenkestävyyden lisäksi kiinnitettävä huomiota: mekaaniseen lujuuteen pieniin mittamuutoksiin lämpötilan vaihdellessa 7.5 Sulatusuunien tulenkestävistä materiaaleista Sulatusuuneissa on oltava suhteellisen ohut vuoraus hyvän sulatustehon takaamiseksi. Liian paksu vuoraus vähentää sulatuksen tehokkuutta kun taas liian ohut vuoraus lyhentää vuorauksen turvallista elinikää. Sulatusuunien vuorausmassoille asetetaan seuraavia vaatimuksia: Oltava riittävä kestävyys ja lujuus korkeimmassa mahdollisessa käyttölämpötilassa. Mittamuutosten tulee olla hallittavissa käytössä esiintyvällä lämpötila-alueella. Täytyy suojata kelaa ja rajoittaa lämpötilahäviöitä. Täytyy kestää romusta, sulasta ja kuonasta johtuvaa eroosiota Tulenkestävät materiaalit Tulenkestävät aineet ja myös kuonat voidaan luokitella happamiksi, neutraaleiksi tai emäksisiksi. Yhdistelmät hapan vuoraus ja emäksinen kuona sekä emäksinen vuoraus ja hapan kuona aiheuttavat aina vuorauksen syöpymisen, joten niitä on vältettävä. Hapan vuoraus: kvartsi Neutraali vuoraus: alumiinioksidi Emäksinen vuoraus: magnesiitti Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 12

13 Kuva. Tulenkestävien materiaalien laajeneminen Tulenkestävät materiaalit, kvartsi Kvartsi, joka on piidioksidia (SiO 2 ), on luonnossa yleinen kivennäinen. Teknisiin tarkoituksiin riittävän puhtaana sitä tavataan peruskalliossa suonikvartsina, kvartsiittihiekkakivenä sekä irtaimena kvartsihiekkana. Valurautauunit vuorataan yleensä happamella sullomassalla. Massa valmistetaan tavallisesti murskaamalla puhdasta kvartsiittia (99 % SiO 2 ). Kvartsi esiintyy useina kiderakenteeltaan erilaisina muunnoksina, jotka kukin ovat tietyllä lämpötila-alueellaan pysyviä. Lämpötilan vaihtuessa ne voivat muuttua toisikseen. Muutokset ovat joko äkillisiä tai hitaita ja niihin liittyy usein tilavuuden muutos. Kvartsilla tapahtuu kuumennettaessa ja jäähdytettäessä äkillinen tilavuuden muutos 573 C:ssa. Samalla tapahtuvat tilavuudenmuutokset aiheuttavat jännitystiloja ja vaurioita tulenkestävässä rakenteessa. Noin 600 C lämpötilan yläpuolella kvartsin tilavuuden muutokset ovat sen sijaan pienempiä kuin monella muulla tulenkestävällä materiaalilla Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 13

14 7.5.2 Induktioupokasuunien vuoraus Vuorauksen oltava riittävän ohut, koska uunin hyötysuhde pienenee vuorauskerroksen kasvaessa. Toisaalta liian ohut vuoraus johtaa uudelleenvuorausvälin pitenemiseen ja kasvattaa vuorauksen puhkeamisen riskiä. Ohut kerros saadaan aikaan käyttämällä sullomassaa, joka sullotaan kelamassalla suojatun kelan ja teräslevystä valmistetun uunipesän muodon omaavan mallineen (sabloona) väliin. Vuoraus aloitetaan uunin pohjan sullonnalla, jonka jälkeen uunin vuorausmalli asetetaan uunin pohjalle ja täytetään uunin sivut massalla. Sullonta tehdään usein sähkökäyttöisen täristimen avulla. Täristimellä saadaan malline värähtelemään, mikä aiheuttaa kuivan massan tiivistymisen. Malline voi olla kertamalline (sulatetaan ensimmäisen sulatuksen mukana) kestomalline (vedetään ulos uunista ennen ensimmäistä sulatusta) Rautametalleja valettaessa vuoraus on usein hapan. Induktioupokasuunin vuoraus uusitaan sulatuksen välein Vuorauksen purkaminen Sulatuksista johtuen vuoraus kuluu, jolloin se havaitaan erityisten vuorauksen seurantaantureiden avulla tai kokemusperäisen arvion mukaan. Anturit tunnistavat sulan läheisyyden tietyssä massan kulumistilassa. Tämän tiedon perusteella kulunut vuoraus poistetaan erilaisia apuvälineitä käyttäen tai työntämällä se pois paikaltaan ulostyöntölaitteen avulla. Kuva. Ulostyöntimen toimintaperiaate Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 14

15 Kuva. Ulostyöntimen rakenneperiaate Kuva. Uunin purku mekaanisella laitteella Vuorausmassat Induktioupokasuunien vuoraus voi olla hapan kvartsiittivuoraus, neutraali alumiinioksidipitoinen vuoraus tai emäksinen magnesiittinen (MgO pitoinen) vuoraus. Hapanta vuorausta käytettäessä voidaan sulan pinta suojata hapettumiselta happamalla kvartsista tai lasimurskasta sulatetulla kuonalla. Monet valurauta- ja teräsvalimot sulattavat ilman synteettistä kuonaa. Varsinkin verkkotaajuusuunien sulan voimakas kiertoliike ja sulapinnan kohoaminen uunin keskellä, haittaavat suojaavan kuonankäyttöä. Emäksisillä vuorauksilla voidaan käyttää emäksisiä kalkkipohjaisia kuonia, joiden avulla voidaan estää sulaa hapettumasta ja poistaa jonkin verran rikkiä ja fosforia. Yleisimmin käytetty vuoraus on hapan. Hapan vuoraus soveltuu valurautojen, kupariseosten ja useiden teräslaatujen sulatukseen. Hapan vuoraus on halvin ja se kestää halkeilematta parhaiten lämpötilan vaihteluita ja epäjatkuvaa käyttöä. Happamilla kvartsipitoisilla vuorauksilla on sideaineena yleensä boorihappo tai boorihapon anhydri. Hapan vuoraus kestää laadusta riippuen ºC:n lämpötiloja. Emäksistä vuorausta käytetään, kun uunissa sulatetaan runsaasti kromilla tai mangaanilla seostettuja teräksiä ja kun uunia pidetään jatkuvasti kuumana. Neutraaleja vuorauksia käytetään, kun valulämpötilat ovat niin korkeita, että tavallinen hapan vuoraus ei niitä kestä. Parhaat neutraalit massat kestävät yli 1700 ºC:n lämpötiloja Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 15

16 Vuorauksen paksuuden on oltava mahdollisimman ohut, koska vuorauksen paksuuden kasvaessa uunin tehohäviöt nousevat. Kuluneella ohuemmalla vuorauksella sulatukseen tarvittava energiankulutus voi olla 10 % pienempi, kuin uudella paksummalla vuorauksella. Vuorausmassat ovat kuivia tärymassoja tai vesipitoisia valumassoja. Kuivat tärymassat vaativat yleensä kertamallineen käyttöä, koska niillä ei ilman pitempiaikaista sintrausta saada riittävää lujuutta, jotta malline voitaisiin irrottaa. Valumassoilla käytetään yleensä kestomallineita, jotka poistetaan uunista, kun massaus on ehtinyt riittävästi kuivua. Kuivat tärymassat ovat nykyään yleisimpiä kuin valumassat. Tärymassojen etuna on lyhyempi kuivaus- ja sintrausaika. Uunimassan sullonta suoritetaan asettamalla uuniin ohuesta teräslevystä tehty uunin upokkaan muotoinen malline ja sullomalla massaa tulenkestävällä levyllä suojatun kuparikäämin ja mallineen väliin. Massaus tiivistetään tärisyttämällä mallinetta paineilma- tai sähkökäyttöisillä täristimillä. Koska induktioupokasuunien hyötysuhde pienenee vuorauskerroksen paksuuden kasvaessa, pitää vuorauksen olla mahdollisimman ohut. Tällainen ohut kerros saadaan käyttämällä sulomassaa, joka sullotaan tulenkestävällä levyllä suojatun kuparikäämin ja teräslevystä valmistetun uunipesän muodon omaavan mallineen väliin. Vuoraus aloitetaan uunin pohjan sullonnalla. Sullonta voidaan suorittaa joko käsin tai sähkökäyttöisten täristinten avulla. Täristimellä saadaan malline värähtelemään, mikä aiheuttaa kuivan, massan tiivistymisen. Seuraavassa kuvassa on suurten induktioupokasuunien sullonnassa käytettävä täristin Kuva. Paineilmalla toimiva induktioupokasuunin seinämien massaustäristin Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 16

17 7.6 Uunin vuoraustyön suoritus Sulatusuunin vuoraus joudutaan uusimaan sen kulumisen vuoksi. Induktiouunin vuoraus voi olla uunin koosta riippuen hieman eri tavoin rakennettu. Kuva. Uuni kulunut ja siihen on syntynyt vaurioita Vuorauskäytännöt vaihtelevat valimoittain. Voidaan käyttää märkämassaa joka kuivataan tai kuivamassaa joka kovetetaan sintraamalla. Seuraavassa kuvataan vuoraustyötä ja sen vaiheita sekä huomioitavia seikkoja märkämassauksessa. Uunin vuorauksen uusiminen alkaa vanhan vuorauksen purkamisella ja uunitilan puhdistamisella puhtaaksi. Tällöin on nähtävissä kelan suojana oleva kelamassa joka on tarkastettava samassa yhteydessä sekä tehtävä mahdolliset tarvittavat korjaukset. Kelamassan kuivaus tehdään pienissä korjauksissa esim. sähkölämmittimellä. Kelamassaa ei saa kuivata liekillä, koska silloin siihen voi jäädä hiiltä joka voi aiheuttaa häiriöitä sulatuksen aikana. Puhtaan ja kuivan kelamassan päälle levitetään mikaniittia uunin pohjasta ylös asti. On hyvä asentaa se siten että mikaniitti taitetaan uunin yläreunan yli ja teipataan kiinni yläosaan, samoin teipataan kaikki pystysaumat. Tällöin estetään massauksen aikana massa joutumasta mikaniitin ja kelamassan väliin. Mikanittilevyt asetetaan mm päällekkäin, koska tällä tavalla saadaan levy kokonaan kaasuja läpäisemättömäksi. Tässä yhteydessä ei taivuteta mikaniittilevyä nokan alueelle, vaan jätetään se siltä alueelta suoraksi ja ylimääräinen leikataan pois. Nokan alueelle tehdään oma mikaniittilevy. Tällöin uunin sylinteriosa on oma uuniholvin osansa mikaniitin osalta ja erossa nokasta ja syntyy ns. vertikaalinen liikuntasuma. Syntynyt sauma voidaan peittää paikkausmassalla Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 17

18 Vuorauksessa käytettävä sabloona asetetaan uunin keskilinjalle, jotta saadaan samanvahvuinen massakerros joka puolelle. Massa sekoitetaan aputasolla yleensä säkkitavarasta. Säkkimateriaalia ei saa joutua massan sekaan. Vuoraus voidaan aloittaa joko pohjalta ylöspäin ja nokan vuoraus viimeiseksi. Tämä vaihe voidaan myös tehdä päinvastaisestikin. Pohjalta aloitettaessa massa lisätään uuniin pienissä erissä aloittaen pohjalta, joka on hyvä sulloa tasapäisellä survimella. Massausta nostetaan saboloonan sivua pitkin ja se esisullotaan ns. pirunsarvella, jolla saadaan ilmataskut pois massasta. Varsinainen sullonta saadaan parhaiten suoritettua paineilmasurvimella tai pyörivällä täryttimellä. Aina sullonnan jälkeen syntynyt sileä pinta on rikottava, jotta eri vuorauskerroksien väliin ei syntyisi saumaa. Edettäessä ylärenkaan kohdalle voidaan massausaineena käyttää plastista massaa, joka voi olla samaa ainetta kuin nokassa. Ylärengasmassan osalla on erimassojen muodostettava 2-3 cm vahva sekakerros, jotta vaakasuoria halkeamia ei pääse syntymään. Sekakerroksen oltava 2-3 cm yli sen tason missä sula on sintrauksen aikana ja tämä taso on myös se taso mihin sulan pinta saa nousta sulatuksen yhteydessä. Ylärengas uunin päällä ja nokka muotoillaan lopuksi, sekä niiden liittymispinta massataan ja tiivistetään yhteneväiseksi. Vuorausmassan kuivaus tapahtuu vuorausmassan valmistajan antaman ohjeen mukaan esim. käyttämällä termoelintä lämpötilan hallinnassa. Tärkeää on että lämpötila nousee 800 C:een hitaasti, jotta kosteuden poisto on mahdollista massasta. Ylärenkaaseen on hyvä tehdä reikiä säännöllisin välein kosteuden poistamisen mahdollistamiseksi, sintrauksen yhteydessä Massauksen suoritus kuivamassalla Massaus voidaan tehdä myös kuivamassauksella, jolloin massa on kuivaa jauhetta. Seuraavassa on esitetty esimerkkinä tällä menetelmällä pienen 300kg uunin vuorauksen valmistaminen. Tätä toimintatapaa voidaan pitää periaatteeltaan yleisenä, vaikkakin jokaisessa uunissa on omat rakenneratkaisunsa Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 18

19 repeämiä Kuva. Vaurioitunut uuni ennen purkamista. Kuva. Uunin massauksessa havaittavissa repeämiä, Uunin massaus kuluu sulatuksen aikana mm. pyörrevirtojen, sulatusmateriaalien ja seosaineiden yhteisvaikutuksesta, sekä uunin seinämiin saattaa tulla em. syistä tai jäähtymisen ja lämmittämisen vaikutuksesta repeämiä. Uunin seinämän repeämisestä on seurauksena että sula tunkeutuu massaukseen, ja aiheuttaa painetta lisärepeämiseen ja/tai lisä tunkeutumiseen massaukseen. Lopulta sula voi tunkeutua induktiokelaan ja aiheuttaa vakavia vahinkoja uunille. Kuva. Uunin vanha massaus purettu Kuva. Uunin kela näkyvissä Uuniin on asennettu maadutus, jotta sulatustapahtuman aikana poistetaan sähköiskun mahdollisuus uunista ja sulan käsittelytapahtumasta. Maadutus suoritetaan esim. alla olevan kuvan esittämällä lankamenetelmällä. Tässä käytetään sulan kanssa yhteydessä olevaa lankaa joka on yhteydessä uunista pois johtavaan kaapeliin Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 19

20 Kuva. Uunin pohjaan asennettu maadutuslangat Kuva. Maadutuslangat Kuva. Kaatonokka Kuva. Kaatonokkaan asennettu mikaniittilevy Uunin seinämälle, kelaa ja kiinteää rakennetta vasten laitetaan mikaniittilevy, joka muodostaa eristävän kuoren vaihdettavan sullomassan ja uunin seinämän väliin. Tämä helpottaa uunin purkamista, Tämä sama mikaniitti levyt laitetaan koko massauskerroksen ja uunirakenteen väliin Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 20

21 Kuva. Asetetaan mikaniittilevy kelaa ja uunin sisävuorausta vasten Kuva. Maadutuslangan päät mikaniitin päällä Kuva. Maadutuslangan kiinnitys ruuvilla Kuva: Massa levitetty mikaniitin päälle Mikaniittilevyn asennuksen jälkeen levitetään ensimmäinen kerros massaa uunin pohjalle ja asetetaan mallinen paikoilleen uunin keskelle. Massakerros asetetaan maadutuslankojen pintaan saakka, jonka jälkeen sullotaan se tiukaksi ja kertakäyttömalline asennetaan maadoituslankojen päälle. Kuva. Malline asetettu massalla peitetyn maadutuslankojen ja pohjan päälle paikoilleen keskelle uuniholvia Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 21

22 Malline voidaan olla kerta- tai kestomalline. Pienissä uuneissa voidaan käyttää kertamallinetta, jota ei saada sullonnan jälkeen upokkaan sisästä pois, vaan se jää sinne ja sulaa ensimmäiseen sulatuksen yhteydessä. Kertamallineitten käyttö ei aina ole taloudellisesta. Kuivamassaa lisätään ja sullotaan, edeten kohti uunin yläosaa. Kuva. Massaus etenee Kuva. Massaus edennyt kaatonokan tasalle Yleensä kuivamassan päälle asetetaan märkämassasta valmistettu kaulus. Tämän kauluksen ja kuivamassan välinen sauma on tehtävä huolella jotta sulatuksen aikana ei siinä tapahtuisi repeämää ja jolloin sula pääsisi tunkeutumaan liitoskohdasta Kuva: Kaulusta massataan Kuva: Kaulus massattu Vuorauskustannuksia voidaankin alentaa käyttämällä kestomallineitta, joka saadaan sullonnan jälkeen nostettua upokkaan sisästä pois ja jota voidaan käyttää useimpiin vuorauksiin Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 22

23 Kestomallineen pintaan voidaan liimata ohut vaahtomuovikerros, johon ruiskutetaan koveteainetta ennen sullontaa. Sullonnan jälkeen mallinetta lämmitetään sen verran, että vaahtomuovi palaa pois. Koska malline on muodoltaan hieman kartiokas, irtoaa se tämän jälkeen helposti upokkaan sisästä. Varsinkin suuria induktioupokasuuneja vuorattaessa käytetään osista koottua kestomalliainetta, joka saadaan helposti poistettua uunista. Malline päällystetään usein ohuella mikaniittilevyllä. Vuorausmassan kosteus voi, sulan metallin kanssa kosketukseen joutuessaan, hajota vedyksi ja hapeksi. Vety on pieni atomi ja voi kulkeutua sulan läpi yläpintaan kun taas happi reagoi mm. mangaanin ja piin kanssa muodostaen lasimaisen kuona sekä hiilen kanssa hiilimonoksidin. Mikaniitti estää hiilimonoksidin tunkeutumisen kelamassan läpi uunin kylmempiin osiin esim. kelaan. Mitä parempi kuivaus sitä pienempi mahdollisuus hiilimonoksidin tunkeutumisella on. Sullonnan jälkeen malline vedetään upokkaasta ulos tai jätetään paikoilleen. Tämä jälkeen uuni sintrataan. Kuva. Uuni massattu 7.7 Sintraus Sintrauksella tarkoitetaan upokkaan ensimmäistä sulatusta, joka suoritetaan tiettyjen ohjeiden mukaan. Tällöin tehdään ensimmäinen sulatus, jossa vuorausmateriaalin rakeet sulavat sen verran, että iskostuvat toisiinsa kiinni vuorauksen lopullinen lujuus saavutetaan Siinä vuorausmateriaalin rakeet sulavat sen verran, että iskostuvat toisiinsa kiinni. Valurautauuneihin käytettävien massojen iskostumislämpötila on C Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 23

24 Valmiiksi sullottu upokas on kuivattava hyvin, ennen kuin sintraus voidaan aloittaa. Kuivaaminen voi tapahtua lämmittämällä vuorausta esim. kaasupolttimella tai infrapunalampuilla. Jos teräsmalline on upokkaan sisällä, voidaan sitä lämmittää myös pyörrevirroilla. Rautametalleja sulattaessa induktioupokasuuni vuorataan tavallisesti happamalla kvartsimassalla, kuten kuparimetallienkin sulatuksessa. Erikoisteräksiä sulattaessa voi vuoraus olla neutraali tai emäksinen. Emäksiset massat sopivat parhaiten uuneihin, joita pidetään jatkuvasti kuumina. Valmiiksi sullottu upokas on kuivattava hyvin, ennen kuin sintraus voidaan aloittaa. Kuivaaminen voi tapahtua lämmittämällä vuorausta esim. kaasupolttimella tai infrapunalampuilla. Jos teräsmalline on upokkaan sisällä, voidaan sitä lämmittää myös pyörrevirroilla Tulenkestävien materiaalien lämpötilan laajeneminen Valmistajalla on yleensä suositus kvartsimassan sintrausohjelmasta. Kvartsimassa toimitetaan normaalisti käyttäjälle valmiina oikeaan raekokoon seulottuna seoksena, johon on lisätty sideaineeksi ja sintrauksen helpottamiseksi 1-2 % boorihappoa (H 3 BO 3 ) tai 0,5-1,0 % boorihappoanhydridiä (B 2 O 3 ). Sideaine alkaa sulaa sintrauksenaikana ja liuottaa hienonkvartsipölyn, joka muodostaa lasisen pinnan Sintraustapahtuma Ensimmäiseen sulatukseen on varattava riittävästi aikaa ja sulan lämpötila on pidettävä alhaisena, jotta vuoraus ehtii sintraantua. Sintraantumislämpötilat happamilla massoilla ovat C. Isommat induktiouunit ja lämpimänäpitouunit vuorataan yleensä kestomallineiden avulla, jotka on usein tehty koottavista osista. Kuva. Uunin rakenne ja massaus Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 24

25 7.7 3 Uunivuorauksen kolme vyöhykettä Sintrauksen aikana ensimmäisessä sulatuksessa ja sen jälkeen normaalissa sulatuskäytössä lämpötilaerojen vuoksi vuoraukseen muodostuu kolme erillistä vyöhykettä: Sintraantunut vyöhyke ( >1300 ºC): sulaa vasten oleva pintakerros Kovettunut vyöhyke ( ºC): lasisen pinnan muodostuminen ei ole täydellistä ja lujuus on alhaisempi kuin sintraantuneella alueella. Sintraantumaton vyöhyke (<900 ºC): lähinnä uunin kelaa oleva alue, jossa kvartsirakeet eivät ole kiinnittyneet toisiinsa. Sintraantumaton vyöhyke on erittäin tärkeä, koska se estää syvien aina sintraantuneesta pintakerroksesta kelalle saakka ulottuvien halkeamien muodostumisen. toimii joustovarana lämpötilan muutoksista johtuville vuorauksen tilavuuden muutoksille. Kuva: Panos uunissa Kuva. Panoksen sulatus käynnissä Kuva. Sintraus sulan pinta lähellä yläreunaa Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 25

26 7.7.4 Sintrauslämpötila Sintraus on tehtävä lämpötilaa halliten, johon uunimassausmateriaalien toimittaja antaa ohjeita. Kuva. Sintrauskäyrä. Tyypillinen sintrauskäyrä käyttämällä kertasabloonaa. Kuva. Tyypillinen sulasintrauskäyrä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 26

27 7.8 Vuorauksen kuntoon liittyviä ongelmatilanteita Maavuoto Sulan tunkeutuminen vuorauksen läpi kelalle aiheuttaa häiriön joka usein johtaa vuorauksen purkuun ja mahdollisesti myös kela vaurion, sekä vuorauksen uusinnan. Kuva. Maavuoto Holvautuminen Sulan päälle muodostuva kiinteästä romusta ja /tai kuonasta muodostuva holvaus aiheuttaa uunin pohjalla olevaan sulan ylikuumenemisen vuorauksen alaosan kuumeneminen, kuluminen jne. lisättävä panos syntynyt kuonakerros sulanut metalli Kuva. Holvautuminen Kuva. Holvautumisen poisto Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 27

28 Jos holvautumisen johdosta ei vielä ole muodostunut umpinaista kantta sulan päälle, holvaus voidaan sulattaa pois kallistamalla uunia, jotta sitä ei tarvitse yrittää rikkoa esim. kangella lyömällä Vuorauksen kuluminen Vuorauksen kulumiseen vaikuttavat seuraavat tekijät: Käyttölämpötila: korkea lämpötila lisää kuonan ja eroosion kuluttavaa vaikutusta. Metallin / kuonan reaktiot vuorauksen kanssa. Terminen rasitus, joka johtuu lämpötilan muutoksista. Mekaaniset rasitukset romua panostettaessa tai sulaa uunista kaadettaessa. Lämpötila ja metallin/kuonan väliset reaktiot ovat vuorauksen kulumisen kannalta hankalimpia. Sulan hiili reagoi kvartsivuorauksen kanssa ns. upokasreaktion mukaisesti: 2C + SiO 2 2CO + Si Reaktionopeus riippuu rautasulan hiili- ja piipitoisuuksista sekä lämpötilasta. Vuorauksen kuluminen A: Tasainen kuluminen Tasainen kuluminen on mieluisin tilanne. Vuorauksen kulumisen seuranta mittaamalla on helppoa. Kuva. Tasainen kuluminen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 28

29 Vuorauksen kuluminen B: uunin alaosasta Syynä voi olla sumpin kuumanapito pitkiä aikoja korkeissa lämpötiloissa. Kuva. Kuluminen alaosasta Vuorauksen kuluminen C: Kuten B mutta pienemmällä sumpilla. Kuva. Kuluminen alaosasta Vuorauksen kuluminen D: Viitteitä vahvasti hapettavista kuonista, jotka sisältävät runsaasti rautaa ja mangaania. Voi johtua myös matalasta sulatuslämpötilasta, joka suosii hapettumista. Kuva. Kuonan aiheuttama kuluminen Vuorauksen kuluminen E: Kuten D, mutta voi johtua myös rikinpoistossa käytettävistä kuonista. Kuva. Kuonan aiheuttama kuluminen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 29

30 7.8.4 Kuonan kertyminen Tietyissä olosuhteissa uunin seinille voi kertyä oksideita ja kuonaa. Tämä pienentää uunin halkaisijaa ja hankaloittaa panostamista ja uunivuorauksen korjaamista ja vähentää uunin maksimitehoa. Kuonan kertyminen: Matalan sulamispisteenkuona Voidaan poistaa helposti nostamalla sulan pinnankorkeutta ja lämpötilaa ºC:een. Kuva. Kuonan kertyminen Kuonan kertyminen: Korkean sulamispisteen kuona (silikakuona tai alumiinioksidikuona) Silikakuonaa syntyy, jos uuniin panostettava kiertoromu on hiekkaista. Mulliittikuona syntyy alumiinioksidin reagoidessa piipitoisten kuonien kanssa. Sulamispiste 1810 ºC. Kuva. Kuonan kertyminen 7.9 Induktiouunin edut soveltuu lähes kaikille metalleille, myös kuumana pitoon taloudellinen pienillä panoksilla (0,1-15 t) sulan analyysi ja lämpötila homogeenista huom! valokaariuunissa sekoitus huono) rautahäviöt pieniä n. 1-2 % saanto huono investointikustannus pienempi kuin esim. valokaariuunilla alhainen melu ja pölytaso seosaineiden liukeneminen nopeaa Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 30

31 7.10. Induktiouunin haitat voi sulattaa vain pienikokoista ja puhdasta romua (raaka-ainetta) hiilenpoisto mellottamalla (happea puhaltamalla) ei mahdollista rikin ja fosforinpoisto ei mahdollista kaasupitoisuus suurempi kuin valokaariuunilla 7.11 Induktiouuunien energiahäviöt käämit vievät tehoa jäähdytyksestä kokonaishyötysuhde 70% hyvillä uuneilla, 60 % normaali voidaan ruostuttaa romu saadaan ymppäykseen happea toisaalta nostaa energian tarvetta jos pahoin ruostunutta energia tarve nousee 50 % Raimo Keskinen, Pekka Niemi Induktiouunit - 31