Co je vakuové indukční tavení?

Vakuové tavení je technika tavení kovů a slitin prováděná ve vakuovém prostředí.

Tato technologie může zabránit kontaminaci vzácných kovů atmosférou a žáruvzdornými materiály a má funkci čištění a purizace. Vakuovým tavením lze získat vysoce kvalitní kovy a slitiny s nízkým obsahem plynu, malým počtem vměstků a malou segregací. Tato metoda je klíčová pro získání vysoce čistých a kvalitních kovových materiálů, zejména vhodných pro slitiny nebo kovy, které se obtížně taví a vyžadují ultra vysokou čistotu. Mezi metody vakuového tavení patří tavení elektronovým paprskem, vakuové indukční tavení, tavení ve vakuové obloukové peci a tavení v plazmové peci. Například tavení elektronovým paprskem využívá vysokoenergetické elektronové paprsky k bombardování roztavených materiálů, jejich rychlou přeměnu na tepelnou energii a jejich tavení. Tato metoda je vhodná pro tavení vysoce obtížných a ultra čistých slitin nebo kovů.

Kromě toho vakuové tavení také pomáhá zlepšit houževnatost, únavovou pevnost, odolnost proti korozi, odolnost proti tečení za vysokých teplot a magnetickou permeabilitu kovových materiálů.

Vakuové indukční tavení ve peci je proces využívající elektromagnetickou indukci k vytváření vířivých proudů v kovových vodičích za vakua za účelem ohřevu materiálu pece. Vyznačuje se malým objemem tavicí komory, krátkou dobou vakuového odsávání a tavicího cyklu, pohodlnou regulací teploty a tlaku, recyklovatelností těkavých prvků a přesnou regulací složení slitiny. Díky výše uvedeným vlastnostem se nyní vyvinulo v důležité zařízení pro výrobu speciálních slitin, jako jsou speciální oceli, přesné slitiny, slitiny pro elektrické ohřevy, vysokoteplotní slitiny a slitiny odolné proti korozi.

1. Co je vakuum?

V uzavřené nádobě se v důsledku snížení počtu molekul plynu snižuje tlak vyvíjený molekulami plynu na jednotku plochy. V tomto okamžiku je tlak uvnitř nádoby nižší než normální tlak. Tento typ plynného prostoru, který je nižší než normální tlak, se nazývá vakuum.

2. Jaký je princip fungování vakuové indukční pece?

Hlavní metodou je použití elektromagnetické indukce k generování proudu v samotné kovové náloži a následné spoléhání se na odpor samotné kovové nálože k přeměně elektrické energie na tepelnou energii podle Joule-Lenzova zákona, který se používá pro tavení kovů.

3. Jak vzniká elektromagnetické míchání ve vakuové indukční peci?

Roztavený kov v kelímku generuje elektrickou sílu v magnetickém poli generovaném indukční cívkou. V důsledku skin efektu jsou vířivé proudy generované roztaveným kovem opačné než směr proudu procházejícího indukční cívkou, což vede k vzájemnému odpuzování. Odpudivá síla působící na roztavený kov vždy směřuje k ose kelímku a roztavený kov je také tlačen směrem ke středu kelímku. Vzhledem k tomu, že indukční cívka je krátká cívka s krátkými účinky na obou koncích, odpovídající elektrická síla na obou koncích indukční cívky se snižuje a rozložení elektrické síly je menší na horním a dolním konci a větší uprostřed. Pod vlivem této síly se kovová kapalina nejprve pohybuje od středu k ose kelímku a poté proudí nahoru a dolů směrem ke středu. Tento jev dále cirkuluje a vytváří prudký pohyb kovové kapaliny. Během samotného tavení lze eliminovat jev vyboulení kovové kapaliny směrem nahoru a převrácení směrem nahoru a dolů ve středu kelímku, což se nazývá elektromagnetické míchání.

4. Jaká je funkce elektromagnetického míchání?

① Může urychlit rychlost fyzikálních a chemických reakcí během procesu tavení; ② Sjednotit složení roztaveného kovu; ③ Teplota roztaveného kovu v kelímku má tendenci být konzistentní, což vede k úplnému dokončení reakce během tavení; ④ Míchání překonává vliv vlastního statického tlaku, čímž převrací rozpuštěné bubliny hluboko v kelímku na povrch kapaliny, usnadňuje výtok plynu a snižuje obsah plynných příměsí ve slitině. Intenzivní míchání zvyšuje mechanickou erozi roztaveného kovu na kelímku, což ovlivňuje jeho životnost; ⑥ Urychluje rozklad žáruvzdorných materiálů v kelímcích při vysokých teplotách, což vede k opětovné kontaminaci roztavené slitiny.

5. Co je to stupeň vakua?

Stupeň vakua představuje řídkost plynu pod tlakem jednoho atmosférického plynu, běžně vyjadřovaný jako tlak.

6. Jaká je míra úniku?

Míra netěsnosti se vztahuje k množství nárůstu tlaku za jednotku času po uzavření vakuového zařízení.

7. Co je to skin efekt?

Skin efekt označuje jev nerovnoměrného rozložení proudu na průřezu vodiče (vztahujícího se na vsázku pece při tavení) při průchodu střídavého proudu. Čím vyšší je povrchová hustota proudu vodiče, tím nižší je hustota proudu směrem ke středu.

8. Co je elektromagnetická indukce?

Střídavý proud prochází vodičem a vytváří kolem něj střídavé magnetické pole, zatímco umístění uzavřeného vodiče do proměnlivého magnetického pole vytváří uvnitř vodiče střídavý proud. Tento jev se nazývá elektromagnetická indukce.

10. Jaké jsou výhody tavení ve vakuové indukční peci?

① Žádné znečištění ovzduší a strusky, roztavená slitina je čistá a má vysokou úroveň výkonu;

② Vakuové tavení vytváří dobré podmínky pro odplyňování, což má za následek nízký obsah plynu v roztavené oceli a slitině;

③ Za vakuových podmínek kovy snadno neoxidují;

④ Nečistoty (Pb, Bi atd.) přinesené surovinami se mohou ve vakuu odpařovat, což vede k čištění materiálu;

⑤ Během tavení ve vakuové indukční peci lze použít deoxidaci uhlíku a produktem deoxygenace je plyn, což vede k vysoké čistotě slitiny;

⑥ Dokáže přesně upravit a řídit chemické složení;

⑦ Vrácené materiály lze použít.

11. Jaké jsou nevýhody tavení ve vakuové indukční peci?

① Zařízení je složité, drahé a vyžaduje velkou investici;

② Nepohodlná údržba, vysoké náklady na tavení a relativně vysoké náklady;

③ Kontaminace kovů způsobená žáruvzdornými materiály v kelímcích během procesu tavení;

④ Výrobní dávka je malá a pracovní zátěž kontrol je velká.

12. Jaké jsou hlavní základní parametry a významy vakuových pump?

① Extrémní stupeň vakua: Minimální hodnota stabilního tlaku (tj. nejvyšší stabilní stupeň vakua), které lze dosáhnout po dlouhé době vyprazdňování, když je vstup vakuového čerpadla uzavřen, se nazývá maximální stupeň vakua čerpadla.

② Rychlost odsávání: Objem plynu odsátého vývěvou za jednotku času se nazývá čerpací rychlost vývěvy.

③ Maximální výstupní tlak: Maximální hodnota tlaku, při které je plyn vypouštěn z výfukového otvoru vakuového čerpadla během normálního provozu.

④ Předtlak: Maximální hodnota tlaku, kterou je třeba udržovat na výfukovém otvoru vakuového čerpadla pro zajištění bezpečného provozu.

13. Jak vybrat rozumný systém vakuového čerpadla?

① Čerpací rychlost vakuového čerpadla odpovídá určitému vstupnímu tlaku vakuového čerpadla;

② Mechanická čerpadla, Rootsova čerpadla a olejová čerpadla nemohou přímo odsávat do atmosféry a pro normální provoz musí spoléhat na předepsané čerpadlo, které vytvoří a udrží předepsaný předtlak.

14. Proč je třeba do elektrických obvodů přidávat kondenzátory?

Vzhledem k velké vzdálenosti mezi indukční cívkou a kovovým materiálem pece je magnetický únik velmi závažný, užitečný magnetický tok je velmi nízký a jalový výkon je vysoký. Proto v kapacitních obvodech proud předbíhá napětí. Pro kompenzaci vlivu indukčnosti a zlepšení účiníku je nutné do obvodu zařadit vhodný počet elektrických nádob, aby kondenzátor a induktor mohly rezonovat paralelně, a tím se zlepšil účiník indukční cívky.

15. Z kolika částí se skládá hlavní zařízení vakuové indukční pece?

Tavicí komora, licí komora, vakuový systém, systém napájení.

16. Jaká jsou opatření pro údržbu vakuového systému během procesu tavení?

① Kvalita a hladina oleje ve vakuovém čerpadle jsou normální;

② Síto filtru je normálně obrácené;

③ Těsnění každého uzavíracího ventilu je normální.

17. Jaká jsou opatření pro údržbu systému napájení během procesu tavení?

① Teplota chladicí vody kondenzátoru je normální;

② Teplota transformátorového oleje je normální;

③ Teplota chladicí vody kabelu je normální.

18. Jaké jsou požadavky na kelímky při vakuovém indukčním tavení?

① Má vysokou tepelnou stabilitu, aby se zabránilo praskání způsobenému rychlým ochlazováním a ohřevem;

② Má vysokou chemickou stabilitu, aby se zabránilo kontaminaci kelímku žáruvzdornými materiály;

③ Dostatečně vysoká požární odolnost a konstrukční pevnost za vysokých teplot, aby odolaly vysokým teplotám a nárazům materiálu pece;

④ Kelímek by měl mít vysokou hustotu a hladký pracovní povrch, aby se zmenšila plocha kontaktu mezi kelímkem a kovovou kapalinou a aby se snížil stupeň ulpívání kovových zbytků na povrchu kelímku.

⑤ Má vysoké izolační vlastnosti;

⑥ Malé objemové smrštění během procesu spékání;

⑦ Má nízkou těkavost a dobrou odolnost vůči hydrataci;

⑧ Materiál kelímku uvolňuje malé množství plynu.

⑨ Kelímek má bohaté zdroje materiálů a nízké ceny.

19. Jak zlepšit výkon kelímků za vysokých teplot?

① Snižte obsah CaO a poměr CaO/SiO2 v MgO písku, abyste snížili množství kapalné fáze a zvýšili teplotu, při které kapalná fáze vzniká.

② Zlepšení stability krystalových zrn.

③ Dosažení dobrého stavu rekrystalizace ve slinuté vrstvě, snížení pórovitosti, zmenšení šířky hranic zrn a vytvoření mozaikové struktury, která vytváří přímou kombinaci pevné a pevné fáze, čímž se snižují škodlivé účinky kapalné fáze.

20. Jak zvolit vhodnou geometrickou velikost kelímku?

① Tloušťka stěny kelímku je obvykle 1/8 až 1/10 průměru kelímku (vytvarovaného);

② Ocelový vápenatý materiál tvoří 75 % objemu kelímku;

③ Úhel R je přibližně 45 °;

④ Tloušťka dna pece je obvykle 1,5krát větší než tloušťka stěny pece.

21. Jaká lepidla se běžně používají pro uzlování kelímků?

① Organická hmota: dextrin, tekutý odpad z buničiny, organická pryskyřice atd.;

② Anorganické látky: křemičitan sodný, solanka, kyselina boritá, uhličitan, jíl atd.

22. Jaká je funkce lepidla (H3BO3) pro uzlování kelímků?

Kyselina boritá (H3BO3) dokáže za normálních okolností odstranit veškerou vlhkost zahřátím pod 300 °C a nazývá se anhydrid kyseliny borité (B2O3).

① Při nízkých teplotách se může část MgO a Al₂O₃ rozpustit v kapalném B₂O₃ za vzniku řady přechodných produktů, což urychluje difuzi MgO · Al₂O₃ v pevné fázi a podporuje rekrystalizaci, což způsobuje tvorbu slinovací vrstvy kelímku při nižších teplotách, čímž se snižuje teplota slinování.

② Spoléháním se na tavicí a vazebný účinek kyseliny borité při střední teplotě lze zesílit polosličenou vrstvu nebo zvýšit pevnost kelímku před sekundárním slinováním.

③ V magnezitovém písku obsahujícím CaO může použití pojiv potlačit krystalickou transformaci 2CaO · SiO2 pod 850 ℃.

23. Jaké jsou různé metody tvarování kelímků?

Dva způsoby.

① Prefabrikace mimo pec; Po smíchání surovin (žáruvzdorných materiálů na bázi elektricky taveného hořčíku nebo hliníku a hořčíku spinelu) s určitým poměrem velikosti částic a výběru vhodných lepidel se tyto materiály tvarují v kelímkové formě vibračními a izostatickými tlakovými procesy. Těleso kelímku se suší a zpracovává do prefabrikovaného kelímku ve vysokoteplotní tunelové peci s maximální vypalovací teplotou ≥ 1700 ℃ × 8 hodin.

② Přímé tlučení uvnitř pece; Přidejte vhodné množství pevného lepidla, například kyseliny borité, do příslušného poměru velikosti částic, rovnoměrně promíchejte a utlačte pro dosažení husté výplně. Během slinování se v důsledku různých teplot jednotlivých dílů vytvářejí různé mikrostruktury.

24. Z kolika vrstev je vytvořena slinovací struktura kelímku a jaký je vliv na kvalitu kelímku?

Slinovací struktura kelímku je rozdělena do tří vrstev: slinovací vrstva, polosintrovací vrstva a sypká vrstva.

Slinutá vrstva: Během procesu v peci dochází k rekrystalizaci velikosti částic. S výjimkou střední velikosti částic písku na konci s nízkou teplotou není původní poměr vůbec viditelný a je prezentována jednotná a jemná struktura. Hranice zrn jsou velmi úzké a nečistoty jsou redistribuovány na nových hranicích zrn. Slinutá vrstva je tvrdá skořápka nacházející se v nejvnitřnější části stěny kelímku, která je v přímém kontaktu s roztaveným kovem a snáší různé síly, takže tato vrstva je pro kelímek velmi důležitá.

Volná vrstva: Během slinování je teplota v blízkosti izolační vrstvy nízká a hořečnatý písek se nemůže slinovat ani spojit se skleněnou fází, takže zůstává ve zcela volném stavu. Tato vrstva se nachází v nejvzdálenější části kelímku a slouží následujícím účelům: za prvé, díky své volné struktuře a špatné tepelné vodivosti se snižuje teplo přenášené z vnitřní stěny kelímku ven, což snižuje tepelné ztráty, zajišťuje izolaci a zlepšuje tepelnou účinnost uvnitř kelímku; za druhé, volná vrstva je také ochrannou vrstvou. Protože slinutá vrstva vytvořila skořápku a přichází do přímého kontaktu s tekutým kovem, je náchylná k praskání. Jakmile praskne, roztavený tekutý kov prosakuje z trhliny, zatímco volná vrstva je díky své volné struktuře méně náchylná k praskání. Kovová kapalina prosakující z vnitřní vrstvy je jí blokována a chrání snímací kroužek; za třetí, volná vrstva stále slouží jako nárazník. Vzhledem k tomu, že se slinutá vrstva stala tvrdou skořápkou, dochází při zahřívání a ochlazování k celkové objemové expanzi a kontrakci. Vzhledem k sypké struktuře sypké vrstvy hraje tato tlumicí roli při změně objemu kelímku.

Poloslinová vrstva (také známá jako přechodová vrstva): nachází se mezi slinutou vrstvou a sypkou vrstvou a je rozdělena na dvě části. V blízkosti slinuté vrstvy se nečistoty taví a znovu rozprostírají nebo spojují s částicemi hořčíkového písku. Hořčíkový písek podléhá částečné rekrystalizaci a velké částice písku se zdají být obzvláště husté; části v blízkosti sypké vrstvy jsou zcela spojeny lepidlem. Poloslinová vrstva slouží jak jako slinutá, tak jako sypká vrstva.

25. Jak vybrat procesní systém pece?

① Maximální teplota pece: Pokud je tloušťka izolační vrstvy uzlového kelímku 5–10 mm, u elektricky taveného hořčíku tvoří slinutá vrstva pouze 13–15 % tloušťky kelímku při pečení při 1800 ℃. Při pečení v peci při 2000 ℃ tvoří 24–27 %. Vzhledem k odolnosti kelímku vůči vysokým teplotám je lepší mít vyšší teplotu pece, ale není snadné ji dosáhnout příliš vysoké. Při teplotě vyšší než 2000 ℃ se v důsledku sublimace oxidu hořečnatého nebo redukce oxidu hořečnatého uhlíkem a také intenzivní rekrystalizace oxidu hořečnatého vytvoří voštinová struktura. Proto by maximální teplota pece měla být udržována pod 2000 ℃.

2 Rychlost ohřevu: V rané fázi ohřevu by měl být pro účinné odstranění vlhkosti ze žáruvzdorných materiálů proveden dostatečný předehřev. Obecně by rychlost ohřevu měla být pomalá pod 1500 ℃; když teplota pece dosáhne nad 1500 ℃, elektricky tavený magnesiový písek začne spékat. V této době by měl být použit vysoký výkon pro rychlé zahřátí na očekávanou maximální teplotu pece.

③ Doba izolace: Poté, co teplota pece dosáhne nejvyšší teploty pece, je nutné provést izolaci při této teplotě. Doba izolace se liší v závislosti na typu pece a materiálu, například 15–20 minut pro malé elektrické tavicí hořčíkové kelímky a 30–40 minut pro velké a střední elektrické tavicí hořčíkové kelímky.

Proto je třeba odpovídajícím způsobem upravit rychlost ohřevu během pečení a pečení při nejvyšší teplotě.