ما هو الذوبان بالحث الفراغي؟

الصهر بالتفريغ هو تقنية صهر المعادن والسبائك التي يتم تنفيذها في بيئة مفرغة من الهواء.

تمنع هذه التقنية تلوث المعادن النادرة بالهواء والمواد المقاومة للحرارة، ولها وظيفة التنقية والتطهير. من خلال الصهر بالتفريغ، يمكن الحصول على معادن وسبائك عالية الجودة ذات محتوى غازي منخفض، وشوائب قليلة، وانفصال ضئيل. تُعد هذه الطريقة بالغة الأهمية للحصول على مواد معدنية عالية النقاء والجودة، وهي مناسبة بشكل خاص للسبائك أو المعادن التي يصعب صهرها وتتطلب نقاءً فائقًا. تشمل طرق الصهر بالتفريغ الصهر بشعاع الإلكترون، والصهر بالحث الفراغي، والصهر في فرن القوس الفراغي، والصهر في فرن البلازما. على سبيل المثال، يستخدم الصهر بشعاع الإلكترون حزمًا إلكترونية عالية الطاقة لقصف المواد المنصهرة، وتحويلها بسرعة إلى طاقة حرارية وصهرها. هذه الطريقة مناسبة لصهر السبائك أو المعادن عالية الصعوبة والنقاء الفائق.

بالإضافة إلى ذلك، يساعد الذوبان الفراغي أيضًا على تحسين صلابة المواد المعدنية وقوة التعب ومقاومة التآكل وأداء الزحف في درجات الحرارة العالية والنفاذية المغناطيسية.

صهر فرن الحث الفراغي هو عملية تستخدم الحث الكهرومغناطيسي لتوليد تيارات إيدي في الموصلات المعدنية تحت ظروف الفراغ لتسخين مادة الفرن. يتميز هذا الفرن بصغر حجم حجرة الصهر، وقصر زمن الضخ الفراغي ودورة الصهر، وسهولة التحكم في درجة الحرارة والضغط، وقابلية إعادة تدوير العناصر المتطايرة، ودقة التحكم في تركيب السبائك. بفضل هذه الخصائص، أصبح هذا الفرن الآن معدة مهمة لإنتاج سبائك خاصة، مثل الفولاذ الخاص، والسبائك الدقيقة، وسبائك التسخين الكهربائي، والسبائك عالية الحرارة، والسبائك المقاومة للتآكل.

1. ما هو الفراغ؟

في الحاويات المغلقة، ينخفض ​​ضغط جزيئات الغاز على وحدة المساحة بسبب تناقص عدد جزيئاته. عندها، يكون الضغط داخل الحاوية أقل من الضغط الطبيعي بـ 1. يُسمى هذا النوع من الفراغ الغازي الذي يكون أقل من الضغط الطبيعي.

2. ما هو مبدأ عمل فرن الحث الفراغي؟

الطريقة الرئيسية هي تطبيق الحث الكهرومغناطيسي لتوليد تيار في شحنة المعدن نفسها، ومن ثم الاعتماد على مقاومة شحنة المعدن نفسها لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وفقًا لقانون جول لينز، والذي يستخدم في صهر المعادن.

3. كيف يتم إجراء التحريك الكهرومغناطيسي في فرن الحث الفراغي؟

يولد المعدن المنصهر في البوتقة قوة كهربائية في المجال المغناطيسي الناتج عن ملف الحث. بسبب تأثير الجلد، تكون التيارات الدوامية التي يولدها المعدن المنصهر معاكسة لاتجاه التيار المار عبر ملف الحث، مما يؤدي إلى تنافر متبادل؛ تشير قوة التنافر على المعدن المنصهر دائمًا نحو محور البوتقة، كما يتم دفع المعدن المنصهر نحو مركز البوتقة؛ نظرًا لحقيقة أن ملف الحث عبارة عن ملف قصير بتأثيرات قصيرة عند كلا الطرفين، فإن القوة الكهربائية المقابلة عند كلا طرفي ملف الحث تقل، ويكون توزيع القوة الكهربائية أصغر في الأطراف العلوية والسفلية وأكبر في المنتصف. تحت هذه القوة، يتحرك السائل المعدني أولاً من المنتصف نحو محور البوتقة، ثم يتدفق لأعلى ولأسفل نحو المركز. تستمر هذه الظاهرة في الدوران، مما يشكل حركة شرسة للسائل المعدني. أثناء عملية الصهر الفعلية، يمكن القضاء على ظاهرة انتفاخ السائل المعدني إلى الأعلى وتقلبه إلى الأعلى والأسفل في وسط البوتقة، وهو ما يسمى بالتحريك الكهرومغناطيسي.

4. ما هي وظيفة التحريك الكهرومغناطيسي؟

① يمكن تسريع معدل التفاعلات الفيزيائية والكيميائية أثناء عملية الصهر؛ ② توحيد تكوين السائل المعدني المنصهر؛ ③ تميل درجة حرارة المعدن المنصهر في البوتقة إلى أن تكون متسقة، مما يؤدي إلى اكتمال التفاعل أثناء الذوبان؛ ④ تتغلب نتيجة التحريك على تأثير ضغطها الساكن، وتقلب الفقاعات المذابة في عمق البوتقة على سطح السائل، مما يسهل تفريغ الغاز ويقلل من محتوى الغاز المتضمن في السبائك. التحريك المكثف يعزز التآكل الميكانيكي للمعدن المنصهر على البوتقة، مما يؤثر على عمرها الافتراضي؛ ⑥ تسريع تحلل المواد المقاومة للحرارة في البوتقات عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى إعادة تلوث السبائك المنصهرة.

5. ما هي درجة الفراغ؟

تمثل درجة الفراغ رقة الغاز تحت ضغط جوي واحد، ويتم التعبير عنها عادةً بالضغط.

6. ما هو معدل التسرب؟

يشير معدل التسرب إلى مقدار زيادة الضغط لكل وحدة زمنية بعد إغلاق معدات التفريغ.

7. ما هو تأثير الجلد؟

يشير تأثير السطح إلى ظاهرة التوزيع غير المتساوي للتيار على المقطع العرضي للموصل (في إشارة إلى شحنة الفرن في عملية الصهر) عند مرور تيار متردد عبره. كلما زادت كثافة التيار السطحي للموصل، انخفضت كثافة التيار باتجاه المركز.

8. ما هو الحث الكهرومغناطيسي؟

يمر التيار المتردد عبر سلك ويولد مجالًا مغناطيسيًا مترددًا حوله، بينما يؤدي وضع سلك مغلق في مجال مغناطيسي متغير إلى توليد تيار متردد داخله. تُسمى هذه الظاهرة بالحث الكهرومغناطيسي.

10. ما هي مزايا صهر فرن الحث الفراغي؟

① لا تلوث الهواء والخبث، السبائك المنصهرة نقية ولها مستوى عال من الأداء؛

② يخلق الصهر بالتفريغ ظروفًا جيدة لإزالة الغازات، مما يؤدي إلى انخفاض محتوى الغاز في الفولاذ المنصهر والسبائك؛

③ في ظل ظروف الفراغ، لا تتأكسد المعادن بسهولة؛

④ يمكن للشوائب (الرصاص، والبيون، وما إلى ذلك) التي تحملها المواد الخام أن تتبخر في حالة الفراغ، مما يؤدي إلى تنقية المواد؛

⑤ أثناء صهر فرن الحث الفراغي، يمكن استخدام إزالة أكسدة الكربون، ويكون منتج إزالة الأكسجين عبارة عن غاز، مما يؤدي إلى نقاء سبيكة عالية؛

⑥ يمكن ضبط والتحكم في التركيب الكيميائي بدقة؛

⑦ يمكن استخدام المواد المرتجعة.

11. ما هي عيوب صهر فرن الحث الفراغي؟

① المعدات معقدة ومكلفة وتتطلب استثمارًا كبيرًا؛

② الصيانة غير المريحة، وتكاليف الصهر المرتفعة، والتكاليف المرتفعة نسبيًا؛

③ التلوث المعدني الناتج عن المواد المقاومة للحرارة في الأواني أثناء عملية الصهر؛

④ دفعة الإنتاج صغيرة، وحجم عمل التفتيش كبير.

12. ما هي المعايير الأساسية ومعاني مضخات التفريغ؟

① درجة الفراغ القصوى: الحد الأدنى لقيمة الضغط المستقر (أي أعلى درجة فراغ مستقرة) التي يمكن الحصول عليها بعد فترة طويلة من التفريغ عندما يكون مدخل مضخة التفريغ مغلقًا تسمى أقصى درجة فراغ للمضخة.

② معدل الإخلاء: يسمى حجم الغاز المستخرج بواسطة مضخة لكل وحدة زمنية بمعدل ضخ مضخة التفريغ.

③ أقصى ضغط مخرج: أقصى قيمة للضغط الذي يتم عندها تفريغ الغاز من منفذ العادم لمضخة التفريغ أثناء التشغيل العادي.

④ الضغط المسبق: الحد الأقصى لقيمة الضغط التي يجب الحفاظ عليها عند منفذ العادم لمضخة التفريغ لضمان التشغيل الآمن.

13. كيفية اختيار نظام مضخة التفريغ المعقول؟

① معدل ضخ مضخة التفريغ يتوافق مع ضغط مدخل معين لمضخة التفريغ؛

② لا يمكن للمضخات الميكانيكية ومضخات الجذور ومضخات تعزيز الزيت أن تستنفد مباشرة إلى الغلاف الجوي ويجب أن تعتمد على مضخة المرحلة الأمامية لإنشاء والحفاظ على الضغط المسبق الموصوف من أجل التشغيل بشكل طبيعي.

14. لماذا نحتاج إلى إضافة المكثفات إلى الدوائر الكهربائية؟

نظرًا لكبر المسافة بين ملف الحث ومادة الفرن المعدني، يكون التسرب المغناطيسي خطيرًا للغاية، ويكون التدفق المغناطيسي المفيد منخفضًا جدًا، وتكون القدرة التفاعلية عالية. لذلك، في الدوائر السعوية، يتقدم التيار على الجهد. لموازنة تأثير المحاثة وتحسين معامل القدرة، من الضروري تركيب عدد مناسب من الحاويات الكهربائية في الدائرة، بحيث يتردد المكثف والمحث على التوازي، مما يحسن معامل القدرة لملف الحث.

15. كم عدد أجزاء المعدات الرئيسية لفرن الحث الفراغي؟

غرفة الصهر، غرفة الصب، نظام الفراغ، نظام إمداد الطاقة.

16. ما هي إجراءات الصيانة لنظام الفراغ أثناء عملية الصهر؟

① جودة الزيت ومستوى الزيت في مضخة التفريغ طبيعيان؛

② يتم عكس شاشة الفلتر بشكل طبيعي؛

③ يعتبر إغلاق كل صمام عزل أمرًا طبيعيًا.

17. ما هي إجراءات الصيانة لنظام إمداد الطاقة أثناء عملية الصهر؟

① درجة حرارة مياه التبريد للمكثف طبيعية؛

② درجة حرارة زيت المحول طبيعية؛

③ درجة حرارة مياه التبريد للكابل طبيعية.

18. ما هي متطلبات الأواني المستخدمة في صهر فرن الحث الفراغي؟

① يتمتع بثبات حراري عالي لتجنب التشقق الناتج عن التبريد والتسخين السريع؛

② يتمتع بثبات كيميائي عالي لمنع تلوث البوتقة بالمواد المقاومة للحرارة؛

③ تتمتع بمقاومة عالية كافية للحريق وقوة هيكلية عالية الحرارة لتحمل درجات الحرارة العالية وتأثيرات مواد الفرن؛

④ يجب أن يكون للبوتقة كثافة عالية وسطح عمل أملس لتقليل مساحة سطح التلامس بين البوتقة والسائل المعدني، وتقليل درجة التصاق بقايا المعدن على سطح البوتقة.

⑤ يتمتع بخصائص عزل عالية؛

⑥ انكماش حجم صغير أثناء عملية التلبيد؛

⑦ يتمتع بتقلب منخفض ومقاومة جيدة للترطيب؛

⑧ تحتوي مادة البوتقة على كمية صغيرة من الغاز المنبعث.

⑨ تتمتع بوتقة الصهر بموارد وفيرة من المواد وأسعار منخفضة.

19. كيفية تحسين أداء البوتقات في درجات الحرارة العالية؟

① تقليل محتوى CaO ونسبة CaO/SiO2 في رمل MgO لتقليل كمية الطور السائل وزيادة درجة الحرارة التي يتم عندها توليد الطور السائل.

② تحسين استقرار حبيبات الكريستال.

③ تحقيق حالة إعادة تبلور جيدة في الطبقة الملبدة، لتقليل المسامية، وتقليل عرض حدود الحبوب، وتشكيل بنية فسيفساء، وتشكيل مزيج مباشر من المراحل الصلبة والصلبة، وبالتالي تقليل التأثيرات الضارة للمرحلة السائلة.

20. كيفية اختيار الحجم الهندسي المناسب للبوتقة؟

① سمك جدار البوتقة يكون عادة من 1/8 إلى 1/10 من قطر البوتقة (المشكل)؛

② يشكل السائل الفولاذي 75% من حجم البوتقة؛

③ زاوية R حوالي 45 درجة؛

④ يكون سمك قاع الفرن عمومًا 1.5 مرة سمك جدار الفرن.

21. ما هي المواد اللاصقة المستخدمة عادة لربط الأواني؟

① المواد العضوية: ديكسترين، سائل نفايات اللب، الراتنج العضوي، وما إلى ذلك؛

② المواد غير العضوية: سيليكات الصوديوم، المحلول الملحي، حمض البوريك، الكربونات، الطين، الخ.

22. ما هي وظيفة المادة اللاصقة (H3BO3) في ربط الأواني؟

يمكن لحامض البوريك (H3BO3) إزالة كل الرطوبة عن طريق التسخين إلى أقل من 300 درجة مئوية في الظروف العادية، ويسمى أنهيدريد البورونيك (B2O3).

① في درجات الحرارة المنخفضة، يمكن لبعض MgO وAl2O3 أن تذوب في السائل B2O3 لتشكيل سلسلة من منتجات الانتقال، مما يؤدي إلى تسريع انتشار الطور الصلب لـ MgO · Al2O3 وتعزيز إعادة التبلور، مما يتسبب في تكوين طبقة التلبيد في البوتقة عند درجات حرارة منخفضة، وبالتالي تقليل درجة حرارة التلبيد.

② بالاعتماد على تأثير الذوبان والترابط لحامض البوريك في درجة حرارة متوسطة، يمكن تكثيف الطبقة شبه الملبدة أو زيادة قوة البوتقة قبل التلبيد الثانوي.

③ في رمل المغنيسيا المحتوي على CaO، فإن استخدام المواد الرابطة يمكن أن يمنع التحول البلوري لـ 2CaO · SiO2 تحت 850 درجة مئوية.

23. ما هي طرق التشكيل المختلفة للأواني؟

طريقتين.

① التصنيع المسبق خارج الفرن: بعد خلط المواد الخام (مواد حرارية من المغنيسيوم المنصهر كهربائيًا أو سبينيل الألومنيوم والمغنيسيوم) بنسبة حجم جسيمات محددة واختيار المواد اللاصقة المناسبة، تُشكَّل في قالب البوتقة من خلال عمليات الاهتزاز والضغط المتساوي. يُجفف جسم البوتقة ويُعالَج في بوتقة مُجهزة مسبقًا في فرن نفقي عالي الحرارة، بحد أقصى لدرجة حرارة احتراق ≥ 1700 درجة مئوية × 8 ساعات.

② الطحن المباشر داخل الفرن؛ أضف كمية مناسبة من اللاصق الصلب، مثل حمض البوريك، إلى نسبة حجم الجسيمات المناسبة، واخلط جيدًا، ثم استخدم الدكّ للحصول على حشوة كثيفة. أثناء عملية التلبيد، تتشكل هياكل دقيقة مختلفة باختلاف درجات حرارة كل جزء.

24. كم عدد طبقات هيكل التلبيد في البوتقة وما هو تأثير ذلك على جودة البوتقة؟

ينقسم هيكل التلبيد في البوتقة إلى ثلاث طبقات: طبقة التلبيد، وطبقة شبه التلبيد، والطبقة السائبة.

طبقة التلبيد: أثناء عملية الفرن، يُعاد تبلور حجم الجسيمات. باستثناء حجم جسيمات الرمل المتوسط ​​عند درجة الحرارة المنخفضة، لا تظهر النسبة الأصلية إطلاقًا، ويظهر هيكل متجانس ودقيق. حدود الحبيبات ضيقة جدًا، ويعاد توزيع الشوائب عليها. الطبقة الملبدة عبارة عن غلاف صلب يقع في الجزء الداخلي من جدار البوتقة، ويتلامس مباشرةً مع المعدن المنصهر ويتحمل قوى مختلفة، لذا تُعد هذه الطبقة بالغة الأهمية للبوتقة.

الطبقة السائبة: أثناء التلبيد، تكون درجة الحرارة بالقرب من طبقة العزل منخفضة، ولا يمكن تلبيد رمل المغنيسيوم أو ربطه بالطور الزجاجي، فيبقى في حالة سائبة تمامًا. تقع هذه الطبقة في الجزء الخارجي من البوتقة، ولها أغراضٌ عديدة: أولًا، نظرًا لبنيتها السائبة وضعف توصيلها الحراري، تقل الحرارة المنقولة من الجدار الداخلي للبوتقة إلى الخارج، مما يقلل من فقدان الحرارة، ويوفر العزل الحراري، ويحسن الكفاءة الحرارية داخل البوتقة. ثانيًا، تُعدّ الطبقة السائبة أيضًا طبقةً واقية. ولأن الطبقة المُلبّدة قد شكّلت غلافًا خارجيًا وتلامست مباشرةً مع المعدن السائل، فإنها تكون عرضة للتشقق. بمجرد تشققها، يتسرب المعدن السائل المنصهر من الشق، بينما تكون الطبقة السائبة أقل عرضة للتشقق نظرًا لبنيتها السائبة. تحجب هذه الطبقة السائل المعدني المتسرب من الطبقة الداخلية، مما يوفر حمايةً لحلقة الاستشعار. ثالثًا، لا تزال الطبقة السائبة بمثابة حاجز. لأن الطبقة المُلبَّدة أصبحت قشرةً صلبة، يحدث تمدد وانكماش في الحجم الكلي عند تسخينها وتبريدها. وبفضل بنيتها الرخوة، تلعب هذه الطبقة الرخوة دورًا في تخفيف تغير حجم البوتقة.

الطبقة شبه المُلبَّدة (تُعرف أيضًا بالطبقة الانتقالية): تقع بين الطبقة المُلبَّدة والطبقة السائبة، وتنقسم إلى قسمين. بالقرب من الطبقة المُلبَّدة، تذوب الشوائب وتعيد توزيعها أو تترابط مع جزيئات رمل المغنيسيوم. يخضع رمل المغنيسيوم لإعادة تبلور جزئي، وتظهر جزيئات الرمل الكبيرة بكثافة عالية. الأجزاء القريبة من الطبقة السائبة مترابطة تمامًا بواسطة مادة لاصقة. تعمل الطبقة شبه المُلبَّدة كطبقة مُلبَّدة وطبقة سائبة في آنٍ واحد.

25. كيفية اختيار نظام عملية الفرن؟

① أقصى درجة حرارة للفرن: عندما يتراوح سمك طبقة العزل في بوتقة الصهر المعقودة بين 5 و10 مم، فإن طبقة التلبيد في حالة المغنيسيا المنصهرة كهربائيًا تُشكل 13-15% فقط من سمك البوتقة عند خبزها على درجة حرارة 1800 درجة مئوية. أما عند خبزها في فرن على درجة حرارة 2000 درجة مئوية، فتُشكل 24-27%. نظرًا لقدرة البوتقة على تحمل درجات الحرارة العالية، يُفضل رفع درجة حرارة الفرن، ولكن ليس من السهل تجاوزها. عندما تتجاوز درجة الحرارة 2000 درجة مئوية، تتشكل بنية قرص العسل نتيجةً لتسامي أكسيد المغنيسيوم أو اختزاله بالكربون، بالإضافة إلى إعادة تبلوره المكثف. لذلك، يجب ضبط أقصى درجة حرارة للفرن لتكون أقل من 2000 درجة مئوية.

② معدل التسخين: في المرحلة الأولى من التسخين، ولإزالة الرطوبة بفعالية من المواد المقاومة للحرارة، يجب إجراء تسخين مسبق كافٍ. عادةً، يجب أن يكون معدل التسخين بطيئًا عند أقل من 1500 درجة مئوية؛ وعندما تتجاوز درجة حرارة الفرن 1500 درجة مئوية، يبدأ رمل المغنيسيا المنصهر كهربائيًا بالتلبيد. في هذه الحالة، يجب استخدام طاقة عالية للتسخين بسرعة إلى أقصى درجة حرارة متوقعة للفرن.

③ مدة العزل: بعد وصول درجة حرارة الفرن إلى أعلى درجة حرارة له، يجب إجراء العزل عند هذه الدرجة. يختلف وقت العزل باختلاف نوع الفرن والمادة، مثل 15-20 دقيقة لبوتقات صهر المغنيسيوم الكهربائية الصغيرة، و30-40 دقيقة لبوتقات صهر المغنيسيوم الكهربائية الكبيرة والمتوسطة.

لذلك يجب تعديل معدل التسخين أثناء الفرن والخبز على أعلى درجة حرارة للخبز وفقًا لذلك