¿Qué es la fusión por inducción al vacío?

La fusión al vacío es una técnica de fusión de metales y aleaciones que se lleva a cabo en un entorno de vacío.

Esta tecnología puede prevenir la contaminación atmosférica y refractaria de metales raros, y tiene funciones de purificación. Mediante la fusión al vacío, se pueden obtener metales y aleaciones de alta calidad con bajo contenido de gas, pocas inclusiones y baja segregación. Este método es crucial para obtener materiales metálicos de alta pureza y calidad, especialmente adecuados para aleaciones o metales difíciles de fundir que requieren una pureza ultraalta. Los métodos de fusión al vacío incluyen la fusión por haz de electrones, la fusión por inducción al vacío, la fusión en horno de arco al vacío y la fusión en horno de plasma. Por ejemplo, la fusión por haz de electrones utiliza haces de electrones de alta energía para bombardear materiales fundidos, convirtiéndolos rápidamente en energía térmica y fundiéndolos. Este método es adecuado para fundir aleaciones o metales de alta dificultad y pureza ultraalta.

Además, la fusión al vacío también ayuda a mejorar la tenacidad, la resistencia a la fatiga, la resistencia a la corrosión, el rendimiento de fluencia a alta temperatura y la permeabilidad magnética de los materiales metálicos.

La fusión en horno de inducción al vacío es un proceso que utiliza inducción electromagnética para generar corrientes parásitas en conductores metálicos en condiciones de vacío y calentar el material del horno. Se caracteriza por un volumen reducido de la cámara de fusión, un tiempo de bombeo de vacío y un ciclo de fusión cortos, un control conveniente de la temperatura y la presión, la reciclabilidad de los elementos volátiles y un control preciso de la composición de la aleación. Gracias a estas características, se ha convertido en un equipo importante para la producción de aleaciones especiales, como aceros especiales, aleaciones de precisión, aleaciones de calentamiento eléctrico, aleaciones de alta temperatura y aleaciones resistentes a la corrosión.

1. ¿Qué es el vacío?

En un recipiente cerrado, debido a la disminución del número de moléculas de gas, la presión ejercida por estas sobre una unidad de área disminuye. En este momento, la presión dentro del recipiente es inferior a la presión normal. Este tipo de espacio gaseoso, con una presión inferior a la normal, se denomina vacío.

2. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un horno de inducción al vacío?

El método principal es aplicar inducción electromagnética para generar corriente en la propia carga de metal y luego confiar en la resistencia de la propia carga de metal para convertir la energía eléctrica en energía térmica de acuerdo con la ley de Joule Lenz, que se utiliza para fundir metales.

3. ¿Cómo se forma la agitación electromagnética en un horno de inducción al vacío?

El metal fundido en el crisol genera fuerza eléctrica en el campo magnético generado por la bobina de inducción. Debido al efecto pelicular, las corrientes parásitas generadas por el metal fundido son opuestas a la dirección de la corriente que pasa por la bobina de inducción, lo que resulta en repulsión mutua. La fuerza repulsiva sobre el metal fundido siempre apunta hacia el eje del crisol, y este también es empujado hacia el centro del mismo. Debido a que la bobina de inducción es corta, con efectos cortos en ambos extremos, la fuerza eléctrica correspondiente en ambos extremos disminuye, y la distribución de la fuerza eléctrica es menor en los extremos superior e inferior, y mayor en el medio. Bajo esta fuerza, el metal líquido se mueve primero desde el centro hacia el eje del crisol, y luego fluye hacia arriba y hacia abajo, hacia el centro. Este fenómeno continúa circulando, generando un movimiento intenso del metal líquido. Durante la fundición, se puede eliminar el fenómeno de abultamiento y volteo del metal líquido en el centro del crisol, lo que se denomina agitación electromagnética.

4. ¿Cuál es la función de la agitación electromagnética?

① Puede acelerar la velocidad de las reacciones físicas y químicas durante el proceso de fundición; ② Unifica la composición del líquido de metal fundido; ③ La temperatura del metal fundido en el crisol tiende a ser constante, lo que resulta en la finalización completa de la reacción durante la fusión; ④ El resultado de la agitación supera el efecto de su propia presión estática, volteando las burbujas disueltas en lo profundo del crisol sobre la superficie del líquido, lo que facilita la descarga de gas y reduce el contenido de inclusión de gas de la aleación. La agitación intensa mejora la erosión mecánica del metal fundido en el crisol, lo que afecta su vida útil; ⑥ Acelera la descomposición de materiales refractarios en crisoles a altas temperaturas, lo que resulta en una nueva contaminación de la aleación fundida.

5. ¿Qué es el grado de vacío?

El grado de vacío representa el grado de delgadez de un gas por debajo de la presión atmosférica, comúnmente expresada como presión.

6. ¿Cuál es la tasa de fuga?

La tasa de fuga se refiere a la cantidad de aumento de presión por unidad de tiempo después de que se cierra el equipo de vacío.

7. ¿Qué es el efecto piel?

El efecto pelicular se refiere al fenómeno de distribución desigual de la corriente en la sección transversal de un conductor (refiriéndose a la carga del horno en la fundición) cuando la corriente alterna lo atraviesa. Cuanto mayor sea la densidad de corriente superficial del conductor, menor será la densidad de corriente hacia el centro.

8. ¿Qué es la inducción electromagnética?

La corriente alterna circula por un cable y genera un campo magnético alterno a su alrededor. Al colocar un cable cerrado en un campo magnético variable, se genera una corriente alterna en su interior. Este fenómeno se denomina inducción electromagnética.

10. ¿Cuáles son las ventajas de la fundición en horno de inducción al vacío?

① Sin contaminación del aire ni de escoria, la aleación fundida es pura y tiene un alto nivel de rendimiento;

② La fundición al vacío crea buenas condiciones de desgasificación, lo que da como resultado un bajo contenido de gas en el acero fundido y la aleación;

③ En condiciones de vacío, los metales no se oxidan fácilmente;

④ Las impurezas (Pb, Bi, etc.) traídas por las materias primas pueden evaporarse en un estado de vacío, lo que da como resultado la purificación del material;

5. Durante la fundición en horno de inducción al vacío, se puede utilizar la desoxidación de carbono, y el producto de desoxigenación es gas, lo que da como resultado una alta pureza de aleación;

⑥ Puede ajustar y controlar con precisión la composición química;

⑦ Los materiales devueltos se pueden utilizar.

11. ¿Cuáles son las desventajas de la fundición en horno de inducción al vacío?

① El equipo es complejo, costoso y requiere una gran inversión;

② Mantenimiento inconveniente, altos costos de fundición y costos relativamente altos;

③ Contaminación metálica causada por materiales refractarios en crisoles durante el proceso de fundición;

4. El lote de producción es pequeño y la carga de trabajo de inspección es grande.

12. ¿Cuáles son los principales parámetros básicos y significados de las bombas de vacío?

① Grado de vacío extremo: el valor de presión estable mínimo (es decir, el grado de vacío estable más alto) que se puede obtener después de un largo período de vaciado cuando la entrada de una bomba de vacío está sellada se denomina grado de vacío máximo de la bomba.

② Tasa de evacuación: el volumen de gas extraído por una bomba por unidad de tiempo se denomina tasa de bombeo de una bomba de vacío.

③ Presión máxima de salida: El valor de presión máxima al que se descarga gas desde el puerto de escape de una bomba de vacío durante el funcionamiento normal.

④ Presión previa: el valor de presión máxima que debe mantenerse en el puerto de escape de la bomba de vacío para garantizar un funcionamiento seguro.

13. ¿Cómo elegir un sistema de bomba de vacío razonable?

① La velocidad de bombeo de una bomba de vacío corresponde a una determinada presión de entrada de la bomba de vacío;

② Las bombas mecánicas, las bombas Roots y las bombas de refuerzo de aceite no pueden descargar directamente a la atmósfera y deben depender de la bomba de la etapa delantera para establecer y mantener la presión previa prescrita para poder funcionar normalmente.

14. ¿Por qué es necesario añadir condensadores a los circuitos eléctricos?

Debido a la gran distancia entre la bobina de inducción y el material del horno metálico, la fuga magnética es muy grave, el flujo magnético útil es muy bajo y la potencia reactiva es alta. Por lo tanto, en los circuitos capacitivos, la corriente se adelanta a la tensión. Para compensar la influencia de la inductancia y mejorar el factor de potencia, es necesario incorporar un número adecuado de condensadores eléctricos en el circuito, de modo que el condensador y el inductor puedan resonar en paralelo, mejorando así el factor de potencia de la bobina de inducción.

15. ¿Cuántas partes componen el equipo principal de un horno de inducción al vacío?

Cámara de fusión, cámara de vertido, sistema de vacío, sistema de alimentación eléctrica.

16. ¿Cuáles son las medidas de mantenimiento del sistema de vacío durante el proceso de fundición?

① La calidad del aceite y el nivel de aceite de la bomba de vacío son normales;

② La pantalla del filtro se invierte normalmente;

③ El sellado de cada válvula de aislamiento es normal.

17. ¿Cuáles son las medidas de mantenimiento del sistema de alimentación eléctrica durante el proceso de fundición?

① La temperatura del agua de enfriamiento del capacitor es normal;

② La temperatura del aceite del transformador es normal;

③ La temperatura del agua de refrigeración del cable es normal.

18. ¿Cuáles son los requisitos para los crisoles en la fusión en hornos de inducción al vacío?

① Tiene una alta estabilidad térmica para evitar el agrietamiento causado por el enfriamiento y calentamiento rápidos;

② Tiene una alta estabilidad química para evitar la contaminación del crisol por materiales refractarios;

③ Tener suficiente resistencia al fuego y resistencia estructural a altas temperaturas para soportar altas temperaturas e impactos del material del horno;

④ El crisol debe tener una alta densidad y una superficie de trabajo lisa para reducir el área superficial de contacto entre el crisol y el líquido metálico, y para reducir el grado de adhesión de los residuos metálicos en la superficie del crisol.

⑤ Tiene altas propiedades de aislamiento;

⑥ Pequeña contracción de volumen durante el proceso de sinterización;

⑦ Tiene baja volatilidad y buena resistencia a la hidratación;

⑧ El material del crisol tiene una pequeña cantidad de liberación de gas.

⑨ El crisol tiene abundantes recursos de materiales y precios bajos.

19. ¿Cómo mejorar el rendimiento de los crisoles a alta temperatura?

① Reducir el contenido de CaO y la relación CaO/SiO2 en la arena de MgO para reducir la cantidad de fase líquida y aumentar la temperatura a la que se genera la fase líquida.

② Mejora la estabilidad de los granos de cristal.

③ Para lograr un buen estado de recristalización en la capa sinterizada, reducir la porosidad, reducir el ancho del límite de grano y formar una estructura de mosaico, formando una combinación directa de fases sólidas y sólidas, reduciendo así los efectos nocivos de la fase líquida.

20. ¿Cómo elegir el tamaño geométrico adecuado del crisol?

① El espesor de la pared del crisol es generalmente de 1/8 a 1/10 del diámetro del crisol (formado);

② El líquido de acero representa el 75% del volumen del crisol;

③ El ángulo de R es de alrededor de 45°;

④ El espesor del fondo del horno es generalmente 1,5 veces el de la pared del horno.

21. ¿Cuáles son los adhesivos comúnmente utilizados para anudar crisoles?

① Materia orgánica: dextrina, líquido de desecho de pulpa, resina orgánica, etc.

② Sustancias inorgánicas: silicato de sodio, salmuera, ácido bórico, carbonato, arcilla, etc.

22. ¿Cuál es la función del adhesivo (H3BO3) para anudar crisoles?

El ácido bórico (H3BO3) puede eliminar toda la humedad calentándolo por debajo de 300 ℃ en circunstancias normales y se denomina anhídrido borónico (B2O3).

① A bajas temperaturas, algo de MgO y Al2O3 pueden disolverse en B2O3 líquido para formar una serie de productos de transición, acelerando la difusión en fase sólida de MgO · Al2O3 y promoviendo la recristalización, lo que hace que la capa de sinterización del crisol se forme a temperaturas más bajas, reduciendo así la temperatura de sinterización.

② Al confiar en el efecto de fusión y unión del ácido bórico a temperatura media, se puede engrosar la capa semisinterizada o aumentar la resistencia del crisol antes de la sinterización secundaria.

③ En arena de magnesia que contiene CaO, el uso de aglutinantes puede suprimir la transformación cristalina de 2CaO · SiO2 por debajo de 850 ℃.

23. ¿Cuáles son los distintos métodos de moldeo para crisoles?

De dos maneras.

1. Prefabricación fuera del horno: Tras mezclar las materias primas (materiales refractarios de magnesio o espinela de aluminio y magnesio electrofundidos) con una proporción de tamaño de partícula determinada y seleccionar los adhesivos adecuados, se moldean en el molde del crisol mediante vibración y presión isostática. El cuerpo del crisol se seca y se procesa para obtener un crisol prefabricado en un horno túnel de alta temperatura con una temperatura máxima de cocción de ≥ 1700 °C durante 8 horas.

② Golpe directo dentro del horno: añadir una cantidad adecuada de adhesivo sólido, como ácido bórico, con la proporción de tamaño de partícula adecuada, mezclar uniformemente y apisonar para lograr un relleno denso. Durante la sinterización, se forman diferentes microestructuras al variar la temperatura de cada pieza.

24. ¿Cuántas capas se forman en la estructura de sinterización del crisol y cuál es el impacto en la calidad del crisol?

La estructura de sinterización del crisol se divide en tres capas: capa de sinterización, capa de semisinterización y capa suelta.

Capa de sinterización: Durante el proceso de horneado, el tamaño de partícula se recristaliza. Salvo el tamaño medio de partícula de arena en el extremo de baja temperatura, la proporción original es prácticamente invisible, presentando una estructura uniforme y fina. Los límites de grano son muy estrechos y las impurezas se redistribuyen en los nuevos límites de grano. La capa sinterizada es una capa dura ubicada en la parte más interna de la pared del crisol, que entra en contacto directo con el metal fundido y soporta diversas fuerzas, por lo que es fundamental para el crisol.

Capa suelta: Durante la sinterización, la temperatura cerca de la capa aislante es baja, y la arena de magnesio no puede ser sinterizada ni adherida por la fase vítrea, permaneciendo completamente suelta. Esta capa se encuentra en la parte más externa del crisol y cumple las siguientes funciones: en primer lugar, debido a su estructura suelta y baja conductividad térmica, reduce la transferencia de calor desde la pared interna del crisol al exterior, lo que reduce la pérdida de calor, proporciona aislamiento y mejora la eficiencia térmica dentro del crisol; en segundo lugar, la capa suelta también actúa como capa protectora. Dado que la capa sinterizada ha formado una capa y entra en contacto directo con el metal líquido, es propensa a agrietarse. Una vez agrietada, el metal líquido fundido se filtrará por la grieta, mientras que la capa suelta es menos propensa a agrietarse debido a su estructura suelta. El metal líquido que se filtra desde la capa interna queda bloqueado por esta, protegiendo así el anillo sensor; en tercer lugar, la capa suelta sigue actuando como amortiguador. Debido a que la capa sinterizada se ha convertido en una capa dura, se produce una expansión y contracción general del volumen al calentarse y enfriarse. Gracias a su estructura flexible, la capa suelta actúa como amortiguador en el cambio de volumen del crisol.

Capa semisinterizada (también conocida como capa de transición): Se ubica entre la capa sinterizada y la capa suelta, y se divide en dos partes. Cerca de la capa sinterizada, las impurezas se funden y se redistribuyen o se unen a las partículas de arena de magnesio. La arena de magnesio experimenta una recristalización parcial, y las partículas de arena grandes se ven particularmente densas. Las partes cercanas a la capa suelta están completamente unidas mediante adhesivo. La capa semisinterizada funciona tanto como capa sinterizada como capa suelta.

25. ¿Cómo elegir el sistema de proceso del horno?

① Temperatura máxima del horno: Cuando el espesor de la capa aislante del crisol anudado es de 5-10 mm, para la magnesia fundida eléctricamente, la capa sinterizada solo representa el 13-15 % del espesor del crisol al hornearse a 1800 ℃. Al hornearse en un horno a 2000 ℃, representa el 24-27 %. Considerando la resistencia del crisol a altas temperaturas, es recomendable tener una temperatura del horno más alta, pero no es fácil que sea demasiado alta. Cuando la temperatura es superior a 2000 ℃, se forma una estructura tipo panal debido a la sublimación del óxido de magnesio o a su reducción por carbono, así como a su intensa recristalización. Por lo tanto, la temperatura máxima del horno debe mantenerse por debajo de 2000 ℃.

② Velocidad de calentamiento: En la etapa inicial del calentamiento, para eliminar eficazmente la humedad de los materiales refractarios, se debe realizar un precalentamiento adecuado. Generalmente, la velocidad de calentamiento debe ser lenta, por debajo de 1500 ℃. Cuando la temperatura del horno supera los 1500 ℃, la arena de magnesia fundida eléctricamente comienza a sinterizarse. En este momento, se debe utilizar alta potencia para alcanzar rápidamente la temperatura máxima prevista del horno.

③ Tiempo de aislamiento: Una vez que la temperatura del horno alcanza su punto máximo, es necesario aislarlo a esa temperatura. El tiempo de aislamiento varía según el tipo y el material del horno; por ejemplo, de 15 a 20 minutos para crisoles eléctricos de magnesio pequeños y de 30 a 40 minutos para crisoles eléctricos de magnesio grandes y medianos.

Por lo tanto, la velocidad de calentamiento durante el horno y la cocción a la temperatura más alta debe ajustarse en consecuencia.