Was ist Vakuuminduktionsschmelzen?

Vakuumschmelzen ist ein Verfahren zum Schmelzen von Metallen und Legierungen, das in einer Vakuumumgebung durchgeführt wird.

Diese Technologie schützt seltene Metalle vor Verunreinigungen durch die Atmosphäre und feuerfeste Materialien und dient der Reinigung und Säuberung. Durch Vakuumschmelzen lassen sich hochwertige Metalle und Legierungen mit geringem Gasgehalt, wenigen Einschlüssen und geringer Entmischung gewinnen. Dieses Verfahren ist entscheidend für die Herstellung hochreiner Metallwerkstoffe und eignet sich besonders für schwer schmelzbare Legierungen oder Metalle, die höchste Reinheit erfordern. Zu den Vakuumschmelzverfahren zählen Elektronenstrahlschmelzen, Vakuuminduktionsschmelzen, Vakuumlichtbogenofenschmelzen und Plasmaofenschmelzen. Beim Elektronenstrahlschmelzen beispielsweise werden geschmolzene Werkstoffe mit hochenergetischen Elektronenstrahlen beschossen, wodurch diese schnell in thermische Energie umgewandelt und geschmolzen werden. Dieses Verfahren eignet sich zum Schmelzen schwer schmelzbarer Legierungen oder Metalle, die höchste Reinheit erfordern.

Darüber hinaus trägt das Vakuumschmelzen auch zur Verbesserung der Zähigkeit, der Dauerfestigkeit, der Korrosionsbeständigkeit, des Hochtemperaturkriechverhaltens und der magnetischen Permeabilität von Metallwerkstoffen bei.

Das Schmelzen im Vakuuminduktionsofen ist ein Verfahren, bei dem durch elektromagnetische Induktion unter Vakuumbedingungen Wirbelströme in metallischen Leitern erzeugt werden, um das Schmelzgut zu erhitzen. Es zeichnet sich durch ein geringes Schmelzkammervolumen, kurze Vakuumpumpzeiten und Schmelzzyklen, eine komfortable Temperatur- und Druckregelung, die Rückgewinnung flüchtiger Elemente und die präzise Kontrolle der Legierungszusammensetzung aus. Aufgrund dieser Eigenschaften hat es sich zu einer wichtigen Anlage für die Herstellung von Speziallegierungen wie Spezialstählen, Präzisionslegierungen, Legierungen für elektrische Heizanwendungen, Hochtemperaturlegierungen und korrosionsbeständigen Legierungen entwickelt.

1. Was ist ein Vakuum?

In einem geschlossenen Behälter sinkt aufgrund der abnehmenden Anzahl an Gasteilchen der Druck, den die Gasteilchen auf eine Flächeneinheit ausüben. Der Druck im Inneren des Behälters ist dann niedriger als der Normaldruck. Ein solcher gasförmiger Raum mit niedrigerem Druck als dem Normaldruck wird als Vakuum bezeichnet.

2. Was ist das Funktionsprinzip eines Vakuuminduktionsofens?

Die Hauptmethode besteht darin, elektromagnetische Induktion anzuwenden, um in der Metallladung selbst einen Strom zu erzeugen, und dann den Widerstand der Metallladung selbst zu nutzen, um elektrische Energie gemäß dem Joule-Lenz-Gesetz in thermische Energie umzuwandeln, welches zum Schmelzen von Metallen verwendet wird.

3. Wie entsteht elektromagnetisches Rühren in einem Vakuuminduktionsofen?

Das geschmolzene Metall im Tiegel erzeugt im Magnetfeld der Induktionsspule eine elektrische Kraft. Aufgrund des Skin-Effekts stoßen sich die Wirbelströme im geschmolzenen Metall ab, was zu einer gegenseitigen Abstoßung führt. Diese Abstoßungskraft wirkt stets zur Achse des Tiegels und drückt das geschmolzene Metall zur Mitte. Da die Induktionsspule an beiden Enden kurz ist, nimmt die elektrische Kraft dort ab. Sie ist an den Enden geringer und konzentrierter als in der Mitte. Unter dem Einfluss dieser Kraft bewegt sich das flüssige Metall zunächst von der Mitte zur Achse und dann wieder nach oben und unten zur Mitte. Dieser Vorgang wiederholt sich und erzeugt eine starke Bewegung des Metalls. Beim Schmelzen kann so das Aufwölben und Hin- und Herschwappen des Metalls in der Tiegelmitte verhindert werden. Dieses Phänomen wird als elektromagnetisches Rühren bezeichnet.

4. Welche Funktion hat das elektromagnetische Rühren?

① Es kann die Geschwindigkeit physikalischer und chemischer Reaktionen während des Schmelzprozesses beschleunigen; ② Es vereinheitlicht die Zusammensetzung der Metallschmelze; ③ Die Temperatur der Metallschmelze im Tiegel tendiert zu einer Konstanz, was zu einem vollständigen Ablauf der Reaktion während des Schmelzens führt; ④ Durch das Rühren wird der Einfluss des Eigendrucks überwunden, wodurch gelöste Blasen tief im Tiegel an die Flüssigkeitsoberfläche befördert werden, was die Gasabfuhr erleichtert und den Gaseinschlussgehalt der Legierung reduziert. Intensives Rühren verstärkt die mechanische Erosion der Metallschmelze am Tiegel und beeinträchtigt dessen Lebensdauer; ⑥ Es beschleunigt die Zersetzung von feuerfesten Materialien im Tiegel bei hohen Temperaturen, was zu einer erneuten Verunreinigung der Legierung führt.

5. Was ist ein Vakuumgrad?

Der Vakuumgrad gibt die Dünne eines Gases unterhalb eines Atmosphärendrucks an, der üblicherweise als Druck ausgedrückt wird.

6. Wie hoch ist die Leckagerate?

Die Leckrate bezeichnet den Druckanstieg pro Zeiteinheit nach dem Abschalten des Vakuumgeräts.

7. Was ist der Hauteffekt?

Der Skin-Effekt beschreibt das Phänomen der ungleichmäßigen Stromverteilung im Querschnitt eines Leiters (beispielsweise der Schmelzofenbeschickung), wenn Wechselstrom durch ihn fließt. Je höher die Oberflächenstromdichte des Leiters ist, desto geringer ist die Stromdichte im Inneren.

8. Was ist elektromagnetische Induktion?

Durch einen Draht fließt Wechselstrom und erzeugt um ihn herum ein wechselndes Magnetfeld. Umgekehrt erzeugt ein geschlossener Draht in einem sich ändernden Magnetfeld Wechselstrom im Inneren des Drahtes. Dieses Phänomen wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet.

10. Was sind die Vorteile des Schmelzens im Vakuuminduktionsofen?

① Keine Luft- und Schlackenverschmutzung, die geschmolzene Legierung ist rein und weist eine hohe Leistungsfähigkeit auf;

② Durch das Vakuumschmelzen werden gute Entgasungsbedingungen geschaffen, was zu einem geringen Gasgehalt im geschmolzenen Stahl und der Legierung führt;

③ Unter Vakuumbedingungen oxidieren Metalle nicht so leicht;

④ Verunreinigungen (Pb, Bi usw.), die durch die Rohstoffe eingebracht werden, können im Vakuum verdampfen, was zu einer Materialreinigung führt;

⑤ Beim Schmelzen im Vakuuminduktionsofen kann eine Kohlenstoffdesoxidation durchgeführt werden, wobei das Desoxidationsprodukt gasförmig ist, was zu einer hohen Legierungsreinheit führt;

⑥ Kann die chemische Zusammensetzung präzise einstellen und steuern;

⑦ Zurückgesendete Materialien können verwendet werden.

11. Was sind die Nachteile des Schmelzens im Vakuuminduktionsofen?

① Die Ausrüstung ist komplex, teuer und erfordert eine große Investition;

② Unpraktischer Wartungsaufwand, hohe Schmelzkosten und relativ hohe Gesamtkosten;

③ Metallverunreinigung durch feuerfeste Materialien in Tiegeln während des Schmelzprozesses;

④ Die Produktionsmenge ist gering, der Inspektionsaufwand hingegen hoch.

12. Was sind die wichtigsten Grundparameter und Bedeutungen von Vakuumpumpen?

① Extremer Vakuumgrad: Der minimale stabile Druckwert (d. h. der höchste stabile Vakuumgrad), der nach einer langen Entleerungszeit bei abgedichtetem Einlass einer Vakuumpumpe erreicht werden kann, wird als maximaler Vakuumgrad der Pumpe bezeichnet.

② Evakuierungsrate: Das Volumen an Gas, das eine Pumpe pro Zeiteinheit absaugt, wird als Pumpleistung einer Vakuumpumpe bezeichnet.

③ Maximaler Auslassdruck: Der maximale Druckwert, bei dem Gas während des normalen Betriebs aus dem Auslass einer Vakuumpumpe austritt.

④ Vordruck: Der maximale Druckwert, der am Auslass der Vakuumpumpe aufrechterhalten werden muss, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

13. Wie wählt man ein geeignetes Vakuumpumpensystem aus?

① Die Förderleistung einer Vakuumpumpe entspricht einem bestimmten Eingangsdruck der Vakuumpumpe;

② Mechanische Pumpen, Roots-Pumpen und Ölförderpumpen können nicht direkt in die Atmosphäre entlüften und sind darauf angewiesen, dass die vorgeschaltete Pumpe den vorgeschriebenen Vordruck aufbaut und aufrechterhält, um normal arbeiten zu können.

14. Warum müssen Kondensatoren in elektrische Schaltkreise eingebaut werden?

Aufgrund des großen Abstands zwischen der Induktionsspule und dem Metall im Ofen ist die magnetische Streuung sehr hoch, der nutzbare magnetische Fluss sehr gering und die Blindleistung hoch. Daher eilt in kapazitiven Schaltungen der Strom der Spannung voraus. Um den Einfluss der Induktivität auszugleichen und den Leistungsfaktor zu verbessern, ist es notwendig, eine geeignete Anzahl elektrischer Bauteile in die Schaltung einzubauen, sodass Kondensator und Induktivität parallel schwingen können. Dadurch wird der Leistungsfaktor der Induktionsspule verbessert.

15. Aus wie vielen Teilen besteht die Hauptausrüstung eines Vakuuminduktionsofens?

Schmelzkammer, Gießkammer, Vakuumsystem, Stromversorgungssystem.

16. Welche Wartungsmaßnahmen sind während des Schmelzprozesses für das Vakuumsystem erforderlich?

① Die Ölqualität und der Ölstand der Vakuumpumpe sind normal;

② Das Filtersieb ist normalerweise umgekehrt;

③ Die Abdichtung jedes Absperrventils ist normal.

17. Welche Wartungsmaßnahmen werden für das Stromversorgungssystem während des Schmelzprozesses durchgeführt?

① Die Kühlwassertemperatur des Kondensators ist normal;

② Die Temperatur des Transformatoröls ist normal;

③ Die Kühlwassertemperatur des Kabels ist normal.

18. Welche Anforderungen müssen an Tiegel beim Schmelzen im Vakuuminduktionsofen gestellt werden?

① Besitzt eine hohe thermische Stabilität, um Risse durch schnelles Abkühlen und Erhitzen zu vermeiden;

② Besitzt eine hohe chemische Stabilität, um eine Verunreinigung des Tiegels durch feuerfeste Materialien zu verhindern;

③ Ausreichende Feuerbeständigkeit und Hochtemperatur-Strukturfestigkeit, um hohen Temperaturen und Materialeinwirkungen im Ofen standzuhalten;

④ Der Tiegel sollte eine hohe Dichte und eine glatte Arbeitsfläche aufweisen, um die Kontaktfläche zwischen dem Tiegel und der Metallschmelze zu verringern und den Grad der Anhaftung von Metallrückständen an der Oberfläche des Tiegels zu reduzieren.

⑤ Besitzt hohe Isolationseigenschaften;

⑥ Geringe Volumenverringerung während des Sinterprozesses;

⑦ Besitzt eine geringe Flüchtigkeit und eine gute Beständigkeit gegen Hydratation;

⑧ Das Tiegelmaterial gibt eine geringe Menge Gas ab.

⑨ Der Schmelztiegel verfügt über reichlich Materialressourcen und niedrige Preise.

19. Wie lässt sich die Hochtemperaturleistung von Tiegeln verbessern?

① Den Gehalt an CaO und das Verhältnis von CaO zu SiO2 im MgO-Sand reduzieren, um die Menge der flüssigen Phase zu verringern und die Temperatur zu erhöhen, bei der die flüssige Phase entsteht.

② Verbesserung der Stabilität der Kristallkörner.

③ Um einen guten Rekristallisationszustand in der Sinterschicht zu erreichen, die Porosität zu verringern, die Korngrenzenbreite zu reduzieren und eine Mosaikstruktur zu bilden, die eine direkte Verbindung von festen und festen Phasen herstellt, wodurch die schädlichen Auswirkungen der flüssigen Phase reduziert werden.

20. Wie wählt man die geeignete geometrische Größe des Tiegels?

① Die Wandstärke des Tiegels beträgt im Allgemeinen 1/8 bis 1/10 des Durchmessers des (geformten) Tiegels;

② Die Stahlflüssigkeit nimmt 75 % des Tiegelvolumens ein;

③ Der Winkel von R beträgt etwa 45°;

④ Die Dicke des Ofenbodens beträgt im Allgemeinen das 1,5-fache der Dicke der Ofenwand.

21. Welche Klebstoffe werden üblicherweise zum Verknoten von Tiegeln verwendet?

① Organische Stoffe: Dextrin, Zellstoffabfallflüssigkeit, organische Harze usw.;

② Anorganische Stoffe: Natriumsilikat, Sole, Borsäure, Carbonat, Ton usw.

22. Welche Funktion hat der Klebstoff (H3BO3) zum Verknoten von Tiegeln?

Borsäure (H3BO3) kann unter normalen Umständen durch Erhitzen auf unter 300 °C die gesamte Feuchtigkeit entfernen und wird dann Boronsäureanhydrid (B2O3) genannt.

① Bei niedrigen Temperaturen können sich einige MgO und Al2O3 in flüssigem B2O3 lösen und eine Reihe von Übergangsprodukten bilden, wodurch die Festphasendiffusion von MgO · Al2O3 beschleunigt und die Rekristallisation gefördert wird. Dies führt dazu, dass sich die Sinterschicht des Tiegels bei niedrigeren Temperaturen bildet und somit die Sintertemperatur gesenkt wird.

② Durch Ausnutzung der Schmelz- und Bindungswirkung von Borsäure bei mittlerer Temperatur kann die halbgesinterte Schicht verdickt oder die Festigkeit des Tiegels vor dem Sekundärsintern erhöht werden.

③ In CaO-haltigem Magnesiasand kann die Kristallumwandlung von 2CaO · SiO2 unterhalb von 850 ℃ durch die Verwendung von Bindemitteln unterdrückt werden.

23. Welche verschiedenen Formgebungsverfahren gibt es für Tiegel?

Zwei Wege.

① Vorfertigung außerhalb des Ofens: Nach dem Mischen der Rohmaterialien (elektrisch geschmolzenes Magnesium oder Aluminium-Magnesium-Spinell-Feuerfestmaterialien) mit einem bestimmten Partikelgrößenverhältnis und der Auswahl geeigneter Bindemittel werden diese durch Vibration und isostatischen Druck in der Tiegelform geformt. Der Tiegelkörper wird getrocknet und in einem Hochtemperatur-Tunnelofen mit einer maximalen Brenntemperatur von ≥ 1700 °C für 8 Stunden zu einem vorgefertigten Tiegel verarbeitet.

② Direktes Stampfen im Ofen; Zugabe einer geeigneten Menge eines festen Bindemittels, z. B. Borsäure, im entsprechenden Partikelgrößenverhältnis, gleichmäßiges Mischen und Verdichten durch Stampfen. Beim Sintern bilden sich durch die unterschiedlichen Temperaturen der einzelnen Teile verschiedene Mikrostrukturen.

24. Aus wie vielen Schichten besteht die Sinterstruktur des Tiegels, und welchen Einfluss hat dies auf die Qualität des Tiegels?

Die Sinterstruktur des Tiegels ist in drei Schichten unterteilt: Sinterschicht, Halbsinterschicht und lose Schicht.

Sinterschicht: Während des Ofenprozesses findet eine Rekristallisation der Partikelgröße statt. Mit Ausnahme der mittleren Sandkorngröße im Bereich niedriger Temperaturen ist das ursprüngliche Verhältnis nicht mehr erkennbar, und es entsteht ein gleichmäßiges und feines Gefüge. Die Korngrenzen sind sehr schmal, und Verunreinigungen verteilen sich an den neuen Korngrenzen. Die Sinterschicht bildet eine harte Schale im innersten Bereich der Tiegelwand. Sie steht in direktem Kontakt mit dem geschmolzenen Metall und nimmt verschiedene Kräfte auf. Daher ist diese Schicht für den Tiegel von großer Bedeutung.

Lose Schicht: Während des Sinterprozesses ist die Temperatur in der Nähe der Isolierschicht niedrig, sodass der Magnesiumsand weder gesintert noch durch die Glasphase gebunden werden kann und vollständig lose bleibt. Diese Schicht befindet sich im äußeren Bereich des Tiegels und erfüllt folgende Funktionen: Erstens wird durch ihre lockere Struktur und geringe Wärmeleitfähigkeit der Wärmeverlust von der Innenwand des Tiegels nach außen reduziert, wodurch Wärmeverluste minimiert, eine Isolierung geschaffen und die thermische Effizienz im Tiegel verbessert wird. Zweitens dient die lose Schicht auch als Schutzschicht. Da die Sinterschicht eine Hülle gebildet hat und in direkten Kontakt mit dem flüssigen Metall kommt, neigt sie zu Rissen. Sobald ein Riss entsteht, tritt flüssiges Metall aus. Die lose Schicht hingegen ist aufgrund ihrer lockeren Struktur weniger rissanfällig. Das aus der inneren Schicht austretende flüssige Metall wird von ihr zurückgehalten und schützt so den Messring. Drittens wirkt die lose Schicht als Puffer. Da die Sinterschicht eine harte Hülle gebildet hat, kommt es beim Erhitzen und Abkühlen zu Volumenänderungen. Aufgrund der lockeren Struktur der losen Schicht wirkt diese als Puffer bei der Volumenänderung des Tiegels.

Halbsinterte Schicht (auch Übergangsschicht genannt): Sie befindet sich zwischen der Sinterschicht und der losen Schicht und ist in zwei Bereiche unterteilt. Nahe der Sinterschicht schmelzen Verunreinigungen und verteilen sich neu oder verbinden sich mit den Magnesiumsandpartikeln. Der Magnesiumsand rekristallisiert teilweise, wodurch große Sandpartikel besonders dicht erscheinen. Die Bereiche nahe der losen Schicht sind durch Bindemittel vollständig miteinander verbunden. Die halbsinterte Schicht dient sowohl als Sinterschicht als auch als lose Schicht.

25. Wie wählt man das Ofenprozesssystem aus?

① Maximale Ofentemperatur: Bei einer Isolierschichtdicke des geknoteten Tiegels von 5–10 mm beträgt die Sinterschichtdicke bei elektrisch geschmolzenem Magnesiumoxid nach dem Ausbrennen bei 1800 °C nur 13–15 % der Tiegeldicke. Bei 2000 °C sind es 24–27 %. Aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit des Tiegels ist eine höhere Ofentemperatur zwar wünschenswert, jedoch sollte diese nicht zu hoch sein. Bei Temperaturen über 2000 °C bildet sich durch Sublimation oder Reduktion von Magnesiumoxid durch Kohlenstoff sowie durch intensive Rekristallisation eine wabenartige Struktur. Daher sollte die maximale Ofentemperatur unter 2000 °C gehalten werden.

② Aufheizrate: Um die Feuchtigkeit aus den feuerfesten Materialien effektiv zu entfernen, ist in der Anfangsphase des Aufheizens eine ausreichende Vorwärmung erforderlich. Im Allgemeinen sollte die Aufheizrate unter 1500 °C langsam sein. Sobald die Ofentemperatur 1500 °C übersteigt, beginnt der elektrisch geschmolzene Magnesiumoxidsand zu sintern. In diesem Fall sollte mit hoher Leistung schnell auf die gewünschte maximale Ofentemperatur aufgeheizt werden.

③ Isolierzeit: Sobald die Ofentemperatur die maximale Temperatur erreicht hat, muss die Isolierung bei dieser Temperatur erfolgen. Die Isolierzeit variiert je nach Ofentyp und Material, z. B. 15–20 Minuten für kleine elektrische Magnesiumschmelztiegel und 30–40 Minuten für große und mittelgroße elektrische Magnesiumschmelztiegel.

Daher sollten die Aufheizgeschwindigkeit im Ofen und die Backtemperatur bei der höchsten Backtemperatur entsprechend angepasst werden.