Gjutugnar kan mer än hålla metallen varm

Tomas Liljenfors Vd på Bryne

Gjutugnar kan mer än hålla metallen varm – en teknisk översikt

Nu ska ni få höra något konstigt. Dagens gjutugnar är inte gjorda för att tillverka högkvalitetsgjutgods. Sättet gjutugnar används på vid komponentgjutning är faktiskt rätt usla, även om gjutugnarna utrustas med avancerad doseringsteknik och värmekällor. Vi kan bättre än så!

Gjutugnar är en typ av hållugn som metallen förvaras i omedelbart före gjutning. Efter att metallen smälts ned i en smältugn och lagrats i en hållugn så transporteras den till gjutugnen. Syftet med gjutugnen är utöver att lagra smält metall också att hålla temperaturen konstant men också att segregera tunga och lättare ämnen från aluminiumet. Energiförbrukning beror, utöver på ugnsteknik, på storleken på ugnen men också på vilken temperatur metallen har. Angivna värden nedan får därför tas med en nypa salt och mer ses som informativa än en total sanning.

En gjutugn är i sin enklaste form en degelugn där metallen förvaras i ett öppet kärl. Den smälta metallen från smältugnen hälls ned i degeln.

Vid gjutning hämtas metallen från degeln med en skopa som fyller metallen i en form. En degelugn har ett enkelt utförande och är därmed oproblematisk att använda med få driftstopp och minimalt med krångel. Den är lätt att rengöra och byta legering i, vilket gör den flexibel för gjuterier som gjuter olika arbeten i olika legeringar. Energiförlusterna är mycket höga då värmen från den smälta metallen tillåts stråla rakt upp utan att skyddas av ett värmebesparande lock. En degelugn med lock har cirka halva energiförbrukningen jämfört med en degelugn utan. Ett riktvärde för en degelugn utan lock vid 700°C är en energiförbrukning runt 50kWh/ton.

Täckta degelugnar

Täckta degelugnar är den modell som säljs mest idag. Den består av en öppning där smält metall från smältugnen tillförs, en kammare där metallen varmhålls och lagras och en annan öppning där metallen tas ut för fylla en form och gjutas. De tre delarna skiljs åt av väggar men är öppna nertill där metallen kan passera mellan. Ugnstypen är relativt lätt att rengöra och beroende på fabrikat olika lätt att tömma. Energiförbrukningen är som indikation runt 15-25kWh/ton beroende på isolering, doseringssystem och täckning.

De täckta gjutugnarna kan utrustas med olika doseringssystem för att ta ut metall från ugnen. Det traditionella sättet är att använda en docerande skopa som med en mekanism skopar upp metall från ugnen och transporterar den i skopan till gjutformen. Det finns idag olika pumpar och vakuumsystem för att docera och transportera metallen till gjutformen. Genom att använda mer avancerade dosersystem minskar energiförbrukningen eftersom ugnen blir tätare. Dessutom innebär hämtning av metallen underifrån att föroreningar i den uttagna metallen minskas, eftersom föroreningar i aluminium till stor del finns vid ytan i ugnen. Det är dock doseringsnoggrannheten som är den avgörande skillnaden mellan olika system, där en noggrann dosering ger bättre gjutgods och mindre stillestånd.

En degelugn är den enklaste formen av gjutugn där metall från gjutugnen fylls på i samma degel som gjutskopan hämtar metallen i för gjutning.

En täckt degelugn fylls på i ena änden och har ett uttagshål i andra. Däremellan finns en kammare där metallen varmhålls. Energiförbrukningen är betydligt lägre än för en degelugn utan lock. Denna ugn är från Österrikiska Meltec

En trycksatt ugn doseras genom att tryckluft ökar trycket i ugnen så att metall trycks ut genom en dosör och rinner ner i gjutformen. Trycksatta ugnar är driftsäkra men svåra att byta legering i. På toppen av ugnen syns påfyllningstratten och på baksidan den smala öppningen för rengöring. Här en lösning från Spanska Krown.

Trycksatt ugn

Trycksatta ugnar är täckta ugnar där metallen hålls under tryck inuti ugnen. Genom en påfyllare i ugnens topp fylls metallen och ugnen töms genom att ett lufttryck ökas så att den smälta metallen trycks ut genom en dosör. En trycksatt ugn är energieffektiv och driftsäker. Eftersom en trycksatt ugn måste vara tät för att fungera är genomföringar sårbara och det är svårt att komma till, vilket gör rengöring svårare. Att byta legering i denna typ av ugn är oftast tidskrävande och svårt. En annan utmaning med denna typ av ugn är att påfyllningen sker ovanifrån vilket utgör en olycksrisk eftersom smält metall då befinner sig över personal och utrustning.

Värmekällor

Gjutugnar kan värmas med elektricitet eller med bränslen som gas eller diesel. Elvärmda ugnar värms vanligen av resistiva slingor som kan jämför med en brödrost där ström värmer upp el-slingor som i sin tur värmer upp brödet. Värmeslingorna kan antingen placeras ovanför metallytan och värma genom strålningsvärme och konvektion, eller under eller på sidorna av ugnen och då värma ugnsinfodringen genom strålningsvärme och konvention, och ugnsinfodringen värmer i sin tur metallen genom kontaktvärme. Strålningsvärme ger generellt en lägre värmeöverföring vilket gör temperaturregleringen trubbig. Med värmelementen toppmonterade blir metallytan mycket varm vilket ökar oxidationen av aluminiumet och materialförluster. Ju mer slagg på ytan desto sämre värmeöverföring och högre energiförbrukning.

Imersion

Imersion är en elektrisk uppvärmningsteknik som har vunnit mark de senaste åren. Med imersion så placeras i stället värmeslingorna i metallen vilket ger en direkt värmeöverföring med låga förluster. Imersionsslingorna är ingjutna keramiska stavar med hög motståndskraft mot korrosionsangrepp från aluminium. Med imersion kan effekten hållas lägre. Djupet i ugnen kan med imersionsvärmning tillåtas vara större utan att det bildas konvektion på grund av temperaturvarianser.

Brännare

Gas och andra bränslen bildar koldioxid och vatten vid förbränning. Som tidigare behandlats i artikelserien så är koldioxid är en växthusgas och vatten en föroreningskälla för aluminium. Det finns till och med rapporter om degelugnar som eldas med brännare där oxider och vätgas tar sig igenom degeln och förorenar metallen, trots att brännaren inte är i direkt kontakt med metallen. Att använda gasbrännare i en gjutugn är ett sämre alternativ, även ekonomiskt, då oxidationstakten är mycket högre för gasbrännare och ger därmed stora materialförluster.Fördelen med brännare är dockrobustheten och att värmningen går fort, men ekonomin, hållbarhetsaspekter liksom materialkvalitet blir lidande.

Resistiv uppvärmning är den vanligaste uppvärmningskällan i svenska gjutugnar. Tekniken är billig men har lägre verkningsgrad än värmesystem som värmer metallen direkt utan strålningsvärme.

Denna gjutugn har utrustats med imersionsvärmning där värmeslingorna är inkapslade i keramikrör som placeras i ugnens undre del. Imersion kan jämföras med värmeslingorna i en doppvärmare för att värma vatten. Denna ugn från Danska Stötek

Segregering kan vara bra

Segregation är ett populärt ämnedessa dagar. En segring inom metallkunskapär när två faser separerar sigi smält metall och något en råvarutillverkarvill förhindra där en homogenmetall eftersträvas. Segregationär dock främst en tillgång när detkommer till aluminiumgjutning som vi tyvärr ofta är dåliga på att utnyttja. I en smält legering finns det fasta ämnen som simmar runt i den smälta metallen. När de fasta ämnena är oönskade kallas de föroreningar men ibland är de önskade och kallas då legeringsämne, kornförfinare eller ympmedel. När smält aluminium står stilla så kommer lättare fasta ämnen flyta upp till ytan och tyngre fasta ämne sjunka till botten. Järn till exempel, vars densitet är nästan tre gånger högre än aluminium, löses i smält aluminium. I upplöst form så segregerar inte järn, men om järn skulle kärnbilda till ett fast ämne så kommer det sjunka till botten eftersom densiteten är högre än det smälta aluminiumets. Detta är vad som händer i smält aluminium när temperaturen blir så låg så att slampartiklar, som är fasta ämnen av järn, mangan och krom, kärnbildas.

Slambildningstemperaturen beror på halterna järn, mangan och krom och när dessa halter är höga, till exempel i återvunna pressgjutlegeringar, bildas fasta slampartiklar som sedan sjunker till botten av ugnen. Dessa tunga partiklar är mycket hårda och orsakar stor skada om de förs med den smälta metallen in i gjutformen genom att orsaka slitage och haveri på verktygen då den gjutna komponenten sedan ska maskinbearbetas. En fungerande gjutugn förhindrar bildandet av slampartiklar genom att hålla en konstant temperatur där slampartiklar inte kan bildas i kallare delar av ugnen. Om slampartiklar ändå skulle bildas, eller komma med från smältugnen, ska gjutugnen ha ett system för att segregera slampartiklarna och separera dem från metallen.

Ugnar med ojämn temperatur har en naturlig omrörning genom konvektion eftersom varmare metall strävar uppåt. I ugnar med en hög effekt blir konvektionen kraftigare än i ugnar med lägre effekt eftersom temperaturskillnaden i metallen blir högre. Speciellt djupa ugnar med hög installerad effekt i botten av ugnen ger mycket konvektion eftersom den varmare bottenmetallen förflyttar sig uppåt i smältan och den kallare ytmetallen nedåt. Med värmare i stället monterade i ugnslocket skapas en högre yttemperatur och därmed ökad oxidation. Ytskiktet får en högre föroreningsgrad med mer oxider men samtidigt så minskar konvektionen eftersom den varma metallen redan är vid ytan. När ny metall tillförs ugnen skapas dock omrörning och ytoxiderna förs ned i metallen. I en ugn där metallen står stilla blir det en relativt liten temperaturskillnad och därmed en bra segregering av föroreningar. Problemet uppstår när ny metall, med en avvikande temperatur, fylls på så att alla segregerade föroreningar rörs in i aluminiumet igen.

Bästa lösningen

Den bästa ugnslösningen är en grund ugn med låg installerad effekt där metallen inte rörs om vid påfyllning.Idag finns inga gjutugnar av denna typ på marknaden, tyvärr. Det vanligaste sättet att rena metallen i ugnen idag, är genom att ta med föroreningarna ut med gjutgodset. Detta är en stor anledning till variationen av kvalitet på gjutgods och såklart inte önskvärt. Att föroreningsgraden varierar mellan påfyllningarna är en anledning till att den fulla potentialen av gjutning inte uppnås.

Sammanfattning

Sammanfattningsvis – använd och spara pengar genom segregering. Håll temperaturen konstant och tillför låg effekt inför gjutning. Använd välisolerade grunda ugnar, gärna imersionsvärmning, och med lock och modern doseringsteknik. Hållbarhetsaspekterna kommer på köpet. Så stärker vi svensk gjuteriindustri för framtiden!!

Slampartiklar är intermetalliska föroreningar av järn, mangan och krom. De är små och typiskt hexagoner när de bildas men växer snabbt när ugnstemperaturen blir för låg. I bilden ses de lila-skimrande slampartiklarna i en EN AC 46000-legering.

En skopa slevar upp metall från ugnen och transporterar den via en mekanism till skottkammaren på pressgjutmaskinen. Denna ugn är från Svenska Calormet (tidigare Nordic Furnaces/Sarlins).

Med vakuum sugs metallen upp i tratten och vägs så att det varje gång blir samma mängd metall och samma temperatur. Med vakuumtratt kan metalltemperaturen sänkas 10-20° jämfört med andra system eftersom temperaturförlusten vid transport med tratt är betydligt lägre. Denna lösning är från Österrikiska Meltec.