Какво е вакуумно-индукционно топене?

Вакуумното топене е техника за топене на метали и сплави, извършвана във вакуумна среда.

Тази технология може да предотврати замърсяването на редки метали от атмосферата и огнеупорните материали и има функция за пречистване и пречистване. Чрез вакуумно топене могат да се получат висококачествени метали и сплави с ниско съдържание на газ, малко включвания и малка сегрегация. Този метод е от решаващо значение за получаване на висококачествени метални материали с висока чистота, особено подходящ за сплави или метали, които са трудни за топене и изискват свръхвисока чистота. Методите за вакуумно топене включват електроннолъчево топене, вакуумно индукционно топене, вакуумно-дъгово топене и плазмено-пещно топене. Например, електроннолъчевото топене използва високоенергийни електронни лъчи за бомбардиране на разтопени материали, бързото им преобразуване в топлинна енергия и тяхното топене. Този метод е подходящ за топене на сплави или метали с висока трудност и свръхвисока чистота.

В допълнение, вакуумното топене също помага за подобряване на жилавостта, якостта на умора, устойчивостта на корозия, пълзенето при висока температура и магнитната пропускливост на металните материали.

Вакуумно-индукционното топене във вакуумна пещ е процес, при който се използва електромагнитна индукция за генериране на вихрови токове в метални проводници под вакуум, за да се нагрее материалът на пещта. Той се характеризира с малък обем на топилната камера, кратко време за вакуумно изпомпване и цикъл на топене, удобен контрол на температурата и налягането, рециклируемост на летливи елементи и точен контрол на състава на сплавта. Благодарение на горепосочените характеристики, то се е превърнало във важно оборудване за производството на специални сплави, като специална стомана, прецизни сплави, електрически нагревателни сплави, високотемпературни сплави и корозионноустойчиви сплави.

1. Какво е вакуум?

В затворен съд, поради намаляването на броя на газовите молекули, налягането, упражнявано от газовите молекули върху единица площ, намалява. В този момент налягането вътре в съда е по-ниско от нормалното. Този тип газово пространство, което е с по-ниско от нормалното налягане, се нарича вакуум.

2. Какъв е принципът на работа на вакуумна индукционна пещ?

Основният метод е да се приложи електромагнитна индукция за генериране на ток в самия метален заряд и след това да се разчита на съпротивлението на самия метален заряд, за да се преобразува електрическата енергия в топлинна енергия съгласно закона на Джаул-Ленц, който се използва за топене на метали.

3. Как се формира електромагнитното разбъркване във вакуумна индукционна пещ?

Разтопеният метал в тигела генерира електрическа сила в магнитното поле, генерирано от индукционната бобина. Поради скин-ефекта, вихровите токове, генерирани от разтопения метал, са противоположни на посоката на тока, преминаващ през индукционната бобина, което води до взаимно отблъскване. Силата на отблъскване върху разтопения метал винаги сочи към оста на тигела и разтопеният метал също се изтласква към центъра на тигела. Поради факта, че индукционната бобина е къса бобина с къси ефекти в двата края, съответната електрическа сила в двата края на индукционната бобина намалява и разпределението на електрическата сила е по-малко в горния и долния край и по-голямо в средата. Под въздействието на тази сила металната течност първо се движи от средата към оста на тигела, а след това тече нагоре и надолу към центъра. Това явление продължава да циркулира, образувайки силно движение на металната течност. По време на самото топене може да се елиминира явлението издуване на металната течност нагоре и обръщане нагоре и надолу в центъра на тигела, което се нарича електромагнитно разбъркване.

4. Каква е функцията на електромагнитното разбъркване?

① Може да ускори скоростта на физичните и химичните реакции по време на процеса на топене; ② Унифициране на състава на течната разтопена метална маса; ③ Температурата на разтопения метал в тигела е склонна да бъде постоянна, което води до пълно завършване на реакцията по време на топене; ④ Резултатът от разбъркването преодолява ефекта на собственото статично налягане, като обръща разтворените мехурчета дълбоко в тигела върху повърхността на течността, улеснявайки отделянето на газ и намалявайки съдържанието на газови примеси в сплавта. Интензивното разбъркване усилва механичната ерозия на разтопения метал върху тигела, което влияе върху неговия живот; ⑥ Ускоряване на разлагането на огнеупорни материали в тигелите при високи температури, което води до повторно замърсяване на разтопената сплав.

5. Какво е степен на вакуум?

Степента на вакуум представлява разредеността на газ под едно атмосферно налягане, обикновено изразявано като налягане.

6. Какъв е процентът на течове?

Скоростта на течове се отнася до количеството на повишаване на налягането за единица време след затваряне на вакуумното оборудване.

7. Какво представлява кожният ефект?

Скин-ефектът се отнася до явлението на неравномерно разпределение на тока по напречното сечение на проводник (отнасящ се до шихтата в пещта при топене), когато през него преминава променлив ток. Колкото по-висока е повърхностната плътност на тока на проводника, толкова по-ниска е плътността на тока към центъра.

8. Какво е електромагнитна индукция?

Променливият ток преминава през проводник и генерира променливо магнитно поле около него, докато поставянето на затворен проводник в променящо се магнитно поле генерира променлив ток вътре в проводника. Това явление се нарича електромагнитна индукция.

10. Какви са предимствата на топенето във вакуумна индукционна пещ?

① Няма замърсяване на въздуха и шлаката, разтопената сплав е чиста и има високо ниво на производителност;

② Вакуумното топене създава добри условия за дегазиране, което води до ниско съдържание на газ в разтопената стомана и сплав;

③ Във вакуумни условия металите не се окисляват лесно;

④ Примесите (Pb, Bi и др.), внесени от суровините, могат да се изпарят във вакуумно състояние, което води до пречистване на материала;

⑤ По време на топене във вакуумна индукционна пещ може да се използва дезоксидация на въглерод, а продуктът от дезоксигенацията е газ, което води до висока чистота на сплавта;

⑥ Може точно да регулира и контролира химичния състав;

⑦ Върнатите материали могат да бъдат използвани.

11. Какви са недостатъците на вакуумно-индукционното топене?

① Оборудването е сложно, скъпо и изисква голяма инвестиция;

② Неудобна поддръжка, високи разходи за топене и относително високи разходи;

③ Замърсяване с метал, причинено от огнеупорни материали в тиглите по време на процеса на топене;

④ Производствената партида е малка, а работното натоварване по инспекцията е голямо.

12. Кои са основните параметри и значения на вакуумните помпи?

① Екстремна степен на вакуум: Минималната стабилна стойност на налягането (т.е. най-високата стабилна степен на вакуум), която може да се получи след дълъг период на изпразване, когато входът на вакуумната помпа е запечатан, се нарича максимална степен на вакуум на помпата.

② Скорост на евакуация: Обемът газ, извлечен от помпа за единица време, се нарича скорост на изпомпване на вакуумна помпа.

③ Максимално изходно налягане: Максималната стойност на налягането, при която газът се изпуска от изпускателния отвор на вакуумна помпа по време на нормална работа.

④ Предварително налягане: Максималната стойност на налягането, която трябва да се поддържа на изпускателния отвор на вакуумната помпа, за да се осигури безопасна работа.

13. Как да изберем разумна вакуумна помпа?

① Скоростта на изпомпване на вакуумна помпа съответства на определено входно налягане на вакуумната помпа;

② Механичните помпи, помпите Roots и помпите за повишаване на налягането на маслото не могат да изпускат директно в атмосферата и трябва да разчитат на предната помпа, за да установят и поддържат предписаното предварително налягане, за да работят нормално.

14. Защо е необходимо да се добавят кондензатори към електрическите вериги?

Поради голямото разстояние между индукционната бобина и металния материал на пещта, магнитното изтичане е много сериозно, полезният магнитен поток е много нисък, а реактивната мощност е висока. Следователно, в капацитивните вериги токът изпреварва напрежението. За да се компенсира влиянието на индуктивността и да се подобри коефициентът на мощност, е необходимо във веригата да се включат подходящ брой електрически контейнери, така че кондензаторът и индукторът да могат да резонират паралелно, като по този начин се подобри коефициентът на мощност на индукционната бобина.

15. От колко части се състои основното оборудване на вакуумна индукционна пещ?

Камера за топене, камера за изливане, вакуумна система, система за захранване.

16. Какви са мерките за поддръжка на вакуумната система по време на процеса на топене?

① Качеството и нивото на маслото във вакуумната помпа са нормални;

② Филтърната мрежа се обръща нормално;

③ Уплътнението на всеки изолационен клапан е нормално.

17. Какви са мерките за поддръжка на системата за захранване по време на процеса на топене?

① Температурата на охлаждащата вода на кондензатора е нормална;

② Температурата на трансформаторното масло е нормална;

③ Температурата на охлаждащата вода на кабела е нормална.

18. Какви са изискванията за тигелите при вакуумно-индукционно топене?

① Има висока термична стабилност, за да се избегне напукване, причинено от бързо охлаждане и нагряване;

② Има висока химическа стабилност, за да предотврати замърсяване на тигела с огнеупорни материали;

③ Да има достатъчно висока огнеустойчивост и високотемпературна структурна якост, за да издържи на високи температури и удари от материала на пещта;

④ Тигелът трябва да има висока плътност и гладка работна повърхност, за да се намали повърхността на контакт между тигела и металната течност и да се намали степента на адхезия на метални остатъци върху повърхността на тигела.

⑤ Има високи изолационни свойства;

⑥ Малко свиване на обема по време на процеса на синтероване;

⑦ Има ниска летливост и добра устойчивост на хидратация;

⑧ Материалът на тигела отделя малко количество газ.

⑨ Тигелът разполага с изобилие от материали и ниски цени.

19. Как да се подобри работата на тигелите при висока температура?

① Намалете съдържанието на CaO и съотношението CaO/SiO2 в MgO пясъка, за да намалите количеството течна фаза и да увеличите температурата, при която се генерира течна фаза.

② Подобряване на стабилността на кристалните зърна.

③ За постигане на добро състояние на рекристализация в синтерования слой, за намаляване на порьозността, намаляване на ширината на границите на зърната и образуване на мозаечна структура, образувайки директна комбинация от твърда и твърда фаза, като по този начин се намаляват вредните ефекти на течната фаза.

20. Как да изберем подходящия геометричен размер на тигела?

① Дебелината на стената на тигела обикновено е от 1/8 до 1/10 от диаметъра на тигела (формования);

② Течната стомана представлява 75% от обема на тигела;

③ Ъгълът R е около 45°;

④ Дебелината на дъното на пещта обикновено е 1,5 пъти по-голяма от тази на стената на пещта.

21. Кои са често използваните лепила за завързване на тигели?

① Органична материя: декстрин, течни отпадъци от целулоза, органична смола и др.;

② Неорганични вещества: натриев силикат, саламура, борна киселина, карбонат, глина и др.

22. Каква е функцията на лепилото (H3BO3) за завързване на тигели?

Борната киселина (H3BO3) може да отстрани цялата влага чрез нагряване под 300 ℃ при нормални обстоятелства и се нарича борен анхидрид (B2O3).

① При ниски температури, част от MgO и Al2O3 могат да се разтворят в течен B2O3, за да образуват серия от преходни продукти, ускорявайки дифузията на MgO · Al2O3 в твърдата фаза и насърчавайки рекристализацията, причинявайки образуването на синтероващия слой на тигела при по-ниски температури, като по този начин намаляват температурата на синтероване.

② Чрез разчитане на ефекта на топене и свързване на борната киселина при средна температура, полусинтерованият слой може да се удебели или здравината на тигела преди вторично синтероване да се увеличи.

③ В магнезиев пясък, съдържащ CaO, използването на свързващи вещества може да потисне кристалната трансформация на 2CaO · SiO2 под 850 ℃.

23. Какви са различните методи за формоване на тигли?

Два начина.

① Предварително производство извън пещта; След смесване на суровините (огнеупорни материали от електроплавен магнезий или алуминиево-магнезиев шпинел) с определено съотношение на размера на частиците и избор на подходящи лепила, те се оформят в тигелната форма чрез вибрации и изостатично налягане. Тялото на тигела се суши и се преработва в предварително изработен тигел във високотемпературна тунелна пещ с максимална температура на изпичане ≥ 1700 ℃ × 8 часа.

② Директно удряне в пещта; Добавете подходящо количество твърдо лепило, като например борна киселина, до подходящото съотношение на размера на частиците, разбъркайте равномерно и използвайте трамбоване, за да постигнете плътно запълване. По време на синтероването се образуват различни микроструктури чрез вариране на температурата на всяка част.

24. От колко слоя е образувана синтерованата структура на тигела и какво е влиянието върху качеството на тигела?

Структурата на синтероването на тигела е разделена на три слоя: синтероващ слой, полусинтероващ слой и рохкав слой.

Синтероващ слой: По време на процеса на пещ, размерът на частиците претърпява рекристализация. С изключение на средния размер на пясъчните частици в края на ниската температура, първоначалното съотношение изобщо не може да се види и се представя равномерна и фина структура. Границите на зърната са много тесни и примесите се преразпределят по новите граници на зърната. Синтерованият слой е твърда обвивка, разположена в най-вътрешната част на стената на тигела, която е в пряк контакт с разтопения метал и понася различни сили, така че този слой е много важен за тигела.

Рохкав слой: По време на синтероване температурата в близост до изолационния слой е ниска и магнезиевият пясък не може да се синтерова или свързва със стъклената фаза, оставайки в напълно рохкаво състояние. Този слой е разположен в най-външната част на тигела и служи за следните цели: първо, поради рохкавата си структура и лоша топлопроводимост, топлината, предавана от вътрешната стена на тигела навън, се намалява, което намалява топлинните загуби, осигурява изолация и подобрява топлинната ефективност вътре в тигела; второ, рохкавият слой е и защитен слой. Тъй като синтерованият слой е образувал обвивка и влиза в директен контакт с течния метал, той е склонен към напукване. След като се напука, разтопеният течен метал ще изтече от пукнатината, докато рохкавият слой е по-малко склонен към напукване поради рохкавата си структура. Металната течност, изтичаща от вътрешния слой, е блокирана от него, осигурявайки защита на сензорния пръстен; трето, рохкавият слой все още е буфер. Поради факта, че синтерованият слой се е превърнал в твърда обвивка, при нагряване и охлаждане се наблюдава общо обемно разширение и свиване. Поради рохкавата структура на рохкавия слой, той играе буферна роля при промяната на обема на тигела.

Полусинтерован слой (известен също като преходен слой): разположен между синтерования слой и рохкавия слой, разделен на две части. В близост до синтерования слой, примесите се стопяват и преразпределят или свързват с частици магнезиев пясък. Магнезиевият пясък претърпява частична рекристализация и големите пясъчни частици изглеждат особено плътни; Частите в близост до рохкавия слой са напълно свързани заедно чрез лепило. Полусинтерованият слой служи едновременно като синтерован и като рохкав слой.

25. Как да изберем система за обработка на пещта?

① Максимална температура на пещта: Когато дебелината на изолационния слой на тигела с възли е 5-10 мм, при електрически сплавен магнезиев оксид, синтерованият слой представлява само 13-15% от дебелината на тигела при печене при 1800 ℃. При печене в пещ при 2000 ℃, той представлява 24-27%. Като се има предвид високотемпературната якост на тигела, е по-добре да има по-висока температура на пещта, но не е лесно да се достигне твърде висока температура. Когато температурата е по-висока от 2000 ℃, тя образува структура, подобна на пчелна пита, поради сублимацията на магнезиевия оксид или редукцията на магнезиевия оксид от въглерод, както и интензивната рекристализация на магнезиевия оксид. Следователно, максималната температура на пещта трябва да се контролира под 2000 ℃.

② Скорост на нагряване: В ранния етап на нагряване, за да се отстрани ефективно влагата от огнеупорните материали, трябва да се извърши достатъчно предварително нагряване. Обикновено скоростта на нагряване трябва да е бавна под 1500 ℃; когато температурата на пещта достигне над 1500 ℃, електрически стопения магнезиев пясък започва да се синтерова. В този момент трябва да се използва висока мощност за бързо нагряване до очакваната максимална температура на пещта.

③ Време за изолация: След като температурата на пещта достигне най-високата си температура, е необходимо да се извърши изолация при тази температура. Времето за изолация варира в зависимост от вида на пещта и материала, например 15-20 минути за малки електрически топилни магнезиеви тигели и 30-40 минути за големи и средни електрически топилни магнезиеви тигели.

Следователно, скоростта на нагряване по време на печене във фурната и печенето при най-високата температура трябва да се регулират съответно.