ذوب القایی در خلاء چیست؟

ذوب در خلاء یک تکنیک ذوب فلزات و آلیاژها است که در محیط خلاء انجام می‌شود.

این فناوری می‌تواند از آلوده شدن فلزات نادر توسط جو و مواد نسوز جلوگیری کند و عملکرد تصفیه و خالص‌سازی را نیز دارد. با ذوب در خلاء، می‌توان فلزات و آلیاژهای با کیفیت بالا با محتوای گاز کم، آخال‌های کم و جدایش کم را به دست آورد. این روش برای به دست آوردن مواد فلزی با خلوص بالا و کیفیت بالا بسیار مهم است، به ویژه برای آلیاژها یا فلزاتی که ذوب آنها دشوار است و نیاز به خلوص فوق العاده بالا دارند. روش‌های ذوب در خلاء شامل ذوب پرتو الکترونی، ذوب القایی در خلاء، ذوب کوره قوس خلاء و ذوب کوره پلاسما است. به عنوان مثال، ذوب پرتو الکترونی از پرتوهای الکترونی پرانرژی برای بمباران مواد مذاب استفاده می‌کند و آنها را به سرعت به انرژی حرارتی تبدیل کرده و ذوب می‌کند. این روش برای ذوب آلیاژها یا فلزات با سختی بالا و خلوص فوق العاده بالا مناسب است.

علاوه بر این، ذوب در خلاء به بهبود چقرمگی، استحکام خستگی، مقاومت در برابر خوردگی، عملکرد خزش در دمای بالا و نفوذپذیری مغناطیسی مواد فلزی نیز کمک می‌کند.

ذوب کوره القایی خلاء فرآیندی است که در آن از القای الکترومغناطیسی برای تولید جریان‌های گردابی در رساناهای فلزی در شرایط خلاء برای گرم کردن مواد کوره استفاده می‌شود. این روش دارای ویژگی‌های حجم کوچک محفظه ذوب، زمان کوتاه پمپاژ خلاء و چرخه ذوب، کنترل راحت دما و فشار، قابلیت بازیافت عناصر فرار و کنترل دقیق ترکیب آلیاژ است. با توجه به ویژگی‌های فوق، اکنون به یک تجهیزات مهم برای تولید آلیاژهای ویژه مانند فولاد ویژه، آلیاژهای دقیق، آلیاژهای گرمایش الکتریکی، آلیاژهای دما بالا و آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی تبدیل شده است.

۱. خلأ چیست؟

در یک ظرف دربسته، به دلیل کاهش تعداد مولکول‌های گاز، فشار وارده از سوی مولکول‌های گاز بر واحد سطح کاهش می‌یابد. در این هنگام، فشار درون ظرف کمتر از فشار عادی می‌شود. به این نوع فضای گازی که فشار آن کمتر از فشار عادی است، خلاء می‌گویند.

۲. اصول کار کوره القایی در خلاء چیست؟

روش اصلی، اعمال القای الکترومغناطیسی برای تولید جریان در خود بار فلزی و سپس تکیه بر مقاومت خود بار فلزی برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی طبق قانون ژول لنز است که برای ذوب فلزات استفاده می‌شود.

۳. هم زدن الکترومغناطیسی در کوره القایی خلاء چگونه انجام می‌شود؟

فلز مذاب در بوته، نیروی الکتریکی را در میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم‌پیچ القایی تولید می‌کند. به دلیل اثر پوستی، جریان‌های گردابی تولید شده توسط فلز مذاب در خلاف جهت جریان عبوری از سیم‌پیچ القایی هستند و در نتیجه دافعه متقابل ایجاد می‌شود. نیروی دافعه روی فلز مذاب همیشه به سمت محور بوته است و فلز مذاب نیز به سمت مرکز بوته رانده می‌شود. با توجه به اینکه سیم‌پیچ القایی یک سیم‌پیچ کوتاه با اثرات کوتاه در دو انتها است، نیروی الکتریکی مربوطه در دو انتهای سیم‌پیچ القایی کاهش می‌یابد و توزیع نیروی الکتریکی در انتهای بالا و پایین کمتر و در وسط بیشتر است. تحت این نیرو، مایع فلزی ابتدا از وسط به سمت محور بوته حرکت می‌کند و سپس به سمت بالا و پایین به سمت مرکز جریان می‌یابد. این پدیده به گردش خود ادامه می‌دهد و حرکت شدیدی از مایع فلزی را تشکیل می‌دهد. در طول ذوب واقعی، پدیده برآمده شدن مایع فلزی به سمت بالا و بالا و پایین رفتن در مرکز بوته می‌تواند حذف شود، که به آن هم زدن الکترومغناطیسی می‌گویند.

۴. عملکرد همزن الکترومغناطیسی چیست؟

① می‌تواند سرعت واکنش‌های فیزیکی و شیمیایی را در طول فرآیند ذوب تسریع کند؛ ② ترکیب مایع فلز مذاب را یکنواخت می‌کند؛ ③ دمای فلز مذاب در بوته تمایل به ثابت ماندن دارد و در نتیجه واکنش در طول ذوب به طور کامل تکمیل می‌شود؛ ④ نتیجه هم زدن بر اثر فشار استاتیک خود غلبه می‌کند و حباب‌های حل شده در اعماق بوته را به سطح مایع می‌ریزد، تخلیه گاز را تسهیل می‌کند و محتوای گاز موجود در آلیاژ را کاهش می‌دهد. هم زدن شدید، فرسایش مکانیکی فلز مذاب روی بوته را افزایش می‌دهد و بر طول عمر آن تأثیر می‌گذارد؛ ⑥ تجزیه مواد نسوز در بوته‌ها را در دماهای بالا تسریع می‌کند و در نتیجه باعث آلودگی مجدد آلیاژ مذاب می‌شود.

۵. درجه خلاء چیست؟

درجه خلاء نشان دهنده رقیق بودن گاز زیر فشار یک اتمسفر است که معمولاً به صورت فشار بیان می‌شود.

۶. میزان نشتی چقدر است؟

نرخ نشتی به میزان افزایش فشار در واحد زمان پس از بسته شدن تجهیزات خلاء اشاره دارد.

۷. اثر پوستی چیست؟

اثر پوستی به پدیده توزیع ناهموار جریان در سطح مقطع یک رسانا (اشاره به بار کوره در ذوب) هنگام عبور جریان متناوب از آن اشاره دارد. هرچه چگالی جریان سطحی رسانا بیشتر باشد، چگالی جریان به سمت مرکز کمتر است.

۸. القای الکترومغناطیسی چیست؟

جریان متناوب از یک سیم عبور می‌کند و یک میدان مغناطیسی متناوب در اطراف آن تولید می‌کند، در حالی که قرار دادن یک سیم بسته در یک میدان مغناطیسی متغیر، جریان متناوب را در داخل سیم تولید می‌کند. این پدیده القای الکترومغناطیسی نامیده می‌شود.

۱۰. مزایای ذوب کوره القایی در خلاء چیست؟

① بدون آلودگی هوا و سرباره، آلیاژ ذوب شده خالص است و از عملکرد بالایی برخوردار است.

② ذوب در خلاء شرایط گاززدایی خوبی ایجاد می‌کند و در نتیجه مقدار گاز در فولاد و آلیاژ ذوب شده کم است.

③ در شرایط خلاء، فلزات به راحتی اکسید نمی‌شوند.

④ ناخالصی‌هایی (سرب، بی و غیره) که توسط مواد اولیه وارد می‌شوند، می‌توانند در حالت خلاء تبخیر شوند و در نتیجه مواد خالص‌سازی شوند.

⑤ در طول ذوب کوره القایی خلاء، می‌توان از دی‌اکسیداسیون کربن استفاده کرد و محصول دی‌اکسیژن‌زدایی گاز است که منجر به خلوص بالای آلیاژ می‌شود.

⑥ می‌تواند ترکیب شیمیایی را به طور دقیق تنظیم و کنترل کند.

⑦ مواد برگشتی قابل استفاده هستند.

۱۱. معایب ذوب در کوره القایی خلاء چیست؟

۱- تجهیزات پیچیده، گران‌قیمت و نیازمند سرمایه‌گذاری کلان هستند؛

② نگهداری نامناسب، هزینه‌های بالای ذوب و هزینه‌های نسبتاً بالا؛

۳- آلودگی فلزی ناشی از مواد نسوز در بوته‌ها در طول فرآیند ذوب؛

④ حجم تولید کم و حجم کار بازرسی زیاد است.

۱۲. پارامترهای اصلی و معانی پمپ‌های خلاء چیست؟

① درجه خلاء شدید: حداقل مقدار فشار پایدار (یعنی بالاترین درجه خلاء پایدار) که پس از مدت طولانی تخلیه، هنگامی که ورودی پمپ خلاء آب‌بندی شده است، می‌توان به دست آورد، حداکثر درجه خلاء پمپ نامیده می‌شود.

② نرخ تخلیه: حجم گاز استخراج شده توسط پمپ در واحد زمان، نرخ پمپاژ پمپ خلاء نامیده می‌شود.

③ حداکثر فشار خروجی: حداکثر مقدار فشاری که در آن گاز از دریچه خروجی پمپ خلاء در حین کار عادی تخلیه می‌شود.

④ فشار اولیه: حداکثر مقدار فشاری که باید در دریچه خروجی پمپ خلاء حفظ شود تا عملکرد ایمن تضمین شود.

۱۳. چگونه یک سیستم پمپ خلاء مناسب انتخاب کنیم؟

① نرخ پمپاژ پمپ خلاء مربوط به فشار ورودی خاصی از پمپ خلاء است.

② پمپ‌های مکانیکی، پمپ‌های روتس و پمپ‌های تقویت‌کننده روغن نمی‌توانند مستقیماً به جو تخلیه شوند و برای عملکرد عادی باید به پمپ مرحله جلو برای ایجاد و حفظ فشار اولیه تعیین‌شده متکی باشند.

۱۴. چرا باید به مدارهای الکتریکی خازن اضافه شود؟

با توجه به فاصله زیاد بین سیم‌پیچ القایی و ماده کوره فلزی، نشت مغناطیسی بسیار جدی است، شار مغناطیسی مفید بسیار کم و توان راکتیو زیاد است. بنابراین، در مدارهای خازنی، جریان از ولتاژ جلوتر است. برای جبران تأثیر اندوکتانس و بهبود ضریب توان، لازم است تعداد مناسبی از محفظه‌های الکتریکی در مدار گنجانده شود تا خازن و سلف بتوانند به صورت موازی رزونانس کنند و در نتیجه ضریب توان سیم‌پیچ القایی بهبود یابد.

۱۵. تجهیزات اصلی کوره القایی در خلاء از چند قسمت تشکیل شده است؟

محفظه ذوب، محفظه ریختن، سیستم خلاء، سیستم منبع تغذیه.

۱۶. اقدامات نگهداری سیستم خلاء در طول فرآیند ذوب چیست؟

① کیفیت روغن و سطح روغن پمپ خلاء طبیعی است.

② صفحه فیلتر به طور معمول معکوس می‌شود.

③ آب‌بندی هر شیر ایزولاسیون طبیعی است.

۱۷. اقدامات تعمیر و نگهداری برای سیستم برق رسانی در طول فرآیند ذوب چیست؟

① دمای آب خنک کننده خازن طبیعی است.

② دمای روغن ترانسفورماتور طبیعی است.

③ دمای آب خنک کننده کابل طبیعی است.

۱۸. الزامات بوته‌های ذوب در کوره القایی خلاء چیست؟

① دارای پایداری حرارتی بالا برای جلوگیری از ترک خوردگی ناشی از سرد و گرم شدن سریع؛

② دارای پایداری شیمیایی بالا برای جلوگیری از آلودگی بوته توسط مواد نسوز است.

۳- داشتن مقاومت کافی در برابر آتش و استحکام ساختاری در دمای بالا برای تحمل دماهای بالا و ضربه به مواد کوره؛

④ بوته باید چگالی بالا و سطح کاری صافی داشته باشد تا سطح تماس بین بوته و مایع فلزی کاهش یابد و میزان چسبندگی بقایای فلزی روی سطح بوته کاهش یابد.

⑤ دارای خواص عایق بندی بالا؛

⑥ انقباض حجمی کم در طول فرآیند پخت؛

⑦ دارای نوسانات کم و مقاومت خوبی در برابر هیدراتاسیون است.

⑧ ماده‌ی بوته مقدار کمی گاز آزاد می‌کند.

⑨ این کوره منابع فراوان مواد و قیمت پایینی دارد.

۱۹. چگونه می‌توان عملکرد بوته‌های ذوب فلز را در دمای بالا بهبود بخشید؟

① مقدار CaO ​​و نسبت CaO/SiO2 را در ماسه MgO کاهش دهید تا مقدار فاز مایع کاهش و دمای تولید فاز مایع افزایش یابد.

② بهبود پایداری دانه‌های کریستالی.

③ برای دستیابی به حالت تبلور مجدد خوب در لایه متخلخل، برای کاهش تخلخل، کاهش عرض مرز دانه و تشکیل ساختار موزاییکی، ترکیبی مستقیم از فازهای جامد و جامد تشکیل می‌شود و در نتیجه اثرات مضر فاز مایع کاهش می‌یابد.

۲۰. چگونه اندازه هندسی مناسب بوته را انتخاب کنیم؟

① ضخامت دیواره بوته معمولاً 1/8 تا 1/10 قطر بوته (شکل داده شده) است.

② مایع فولادی 75٪ از حجم بوته را تشکیل می‌دهد.

③ زاویه R حدود ۴۵ درجه است؛

④ ضخامت کف کوره عموماً ۱.۵ برابر دیواره کوره است.

۲۱. چسب‌های رایج برای گره زدن بوته‌ها کدامند؟

① ماده آلی: دکسترین، مایع ضایعات خمیر کاغذ، رزین آلی و غیره؛

② مواد معدنی: سیلیکات سدیم، آب نمک، اسید بوریک، کربنات، خاک رس و غیره

۲۲. وظیفه چسب (H3BO3) برای گره زدن بوته‌ها چیست؟

اسید بوریک (H3BO3) می‌تواند با حرارت دادن زیر 300 درجه سانتیگراد در شرایط عادی، تمام رطوبت را از بین ببرد و انیدرید بورونیک (B2O3) نامیده می‌شود.

① در دماهای پایین، مقداری MgO و Al2O3 می‌توانند در B2O3 مایع حل شوند و یک سری محصولات واسطه تشکیل دهند که باعث تسریع انتشار فاز جامد MgO · Al2O3 و تبلور مجدد می‌شود و باعث می‌شود لایه پخت بوته در دماهای پایین‌تر تشکیل شود و در نتیجه دمای پخت کاهش یابد.

② با تکیه بر اثر ذوب و پیوند اسید بوریک در دمای متوسط، می‌توان لایه نیمه‌سینتر شده را ضخیم‌تر کرد یا استحکام بوته را قبل از سینترینگ ثانویه افزایش داد.

③ در ماسه منیزی حاوی CaO، استفاده از چسب‌ها می‌تواند تبدیل کریستالی 2CaO · SiO2 را در دمای زیر 850 درجه سانتیگراد سرکوب کند.

۲۳. روش‌های مختلف قالب‌گیری برای بوته‌ها کدامند؟

دو راه.

① پیش‌ساخت در خارج از کوره؛ پس از مخلوط کردن مواد اولیه (مواد نسوز منیزیم ذوب الکتریکی یا اسپینل آلومینیوم منیزیم) با نسبت اندازه ذرات مشخص و انتخاب چسب‌های مناسب، آنها در قالب بوته از طریق فرآیندهای ارتعاش و فشار ایزواستاتیک شکل داده می‌شوند. بدنه بوته خشک شده و در یک کوره تونلی با دمای بالا با حداکثر دمای پخت ≥ 1700 ℃ × 8 ساعت به یک بوته پیش‌ساخته تبدیل می‌شود.

② کوبیدن مستقیم درون کوره؛ مقدار مناسبی از چسب جامد، مانند اسید بوریک، را با نسبت اندازه ذرات مناسب اضافه کنید، به طور یکنواخت مخلوط کنید و برای رسیدن به پر شدن متراکم، از کوبیدن استفاده کنید. در طول پخت، با تغییر دماهای هر قطعه، ریزساختارهای مختلفی تشکیل می‌شود.

۲۴. ساختار پخت بوته از چند لایه تشکیل شده است و چه تأثیری بر کیفیت بوته دارد؟

ساختار پخت بوته به سه لایه تقسیم می‌شود: لایه پخت، لایه نیمه پخت و لایه سست.

لایه پخت: در طول فرآیند پخت در کوره، اندازه ذرات دچار تبلور مجدد می‌شود. به جز اندازه متوسط ​​ذرات ماسه در انتهای دمای پایین، نسبت اولیه به هیچ وجه دیده نمی‌شود و ساختاری یکنواخت و ریز ارائه می‌شود. مرز دانه‌ها بسیار باریک است و ناخالصی‌ها روی مرز دانه‌های جدید توزیع مجدد می‌شوند. لایه پخت شده یک پوسته سخت است که در داخلی‌ترین قسمت دیواره بوته قرار دارد و مستقیماً با فلز ذوب شده در تماس است و نیروهای مختلفی را تحمل می‌کند، بنابراین این لایه برای بوته بسیار مهم است.

لایه سست: در طول پخت، دمای نزدیک لایه عایق پایین است و ماسه منیزیم نمی‌تواند توسط فاز شیشه‌ای پخت شود یا به آن متصل شود و در حالت کاملاً سست باقی می‌ماند. این لایه در بیرونی‌ترین قسمت بوته قرار دارد و اهداف زیر را دنبال می‌کند: اولاً، به دلیل ساختار سست و رسانایی حرارتی ضعیف آن، گرمای منتقل شده از دیواره داخلی بوته به خارج کاهش می‌یابد و باعث کاهش اتلاف گرما، ایجاد عایق و بهبود راندمان حرارتی داخل بوته می‌شود. ثانیاً، لایه سست همچنین یک لایه محافظ است. از آنجا که لایه پخت شده پوسته‌ای تشکیل داده و در تماس مستقیم با فلز مایع قرار می‌گیرد، مستعد ترک خوردن است. پس از ترک خوردن، فلز مذاب از ترک خارج می‌شود، در حالی که لایه سست به دلیل ساختار سست خود کمتر مستعد ترک خوردن است. مایع فلزی که از لایه داخلی خارج می‌شود توسط آن مسدود می‌شود و از حلقه حسگر محافظت می‌کند. ثالثاً، لایه سست هنوز یک حائل است. با توجه به اینکه لایه متخلخل به یک پوسته سخت تبدیل شده است، هنگام گرم و سرد شدن، انبساط و انقباض حجمی کلی رخ می‌دهد. به دلیل ساختار سست لایه سست، نقش بافری در تغییر حجم بوته ایفا می‌کند.

لایه نیمه‌سینتر شده (همچنین به عنوان لایه انتقالی شناخته می‌شود): بین لایه سینتر شده و لایه سست قرار دارد و به دو قسمت تقسیم شده است. در نزدیکی لایه سینتر شده، ناخالصی‌ها ذوب شده و دوباره توزیع می‌شوند یا با ذرات ماسه منیزیم پیوند می‌خورند. ماسه منیزیم دچار تبلور مجدد جزئی می‌شود و ذرات بزرگ ماسه به طور ویژه متراکم به نظر می‌رسند. قطعات نزدیک لایه سست کاملاً توسط چسب به هم متصل شده‌اند. لایه نیمه‌سینتر شده هم به عنوان یک لایه متخلخل و هم به عنوان یک لایه سست عمل می‌کند.

۲۵. چگونه سیستم فرآیند فر را انتخاب کنیم؟

① حداکثر دمای فر: وقتی ضخامت لایه عایق بوته گره‌دار ۵ تا ۱۰ میلی‌متر باشد، برای منیزیای ذوب‌شده الکتریکی، لایه متخلخل تنها ۱۳ تا ۱۵ درصد از ضخامت بوته را در دمای ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد تشکیل می‌دهد. وقتی در فر ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد پخته می‌شود، ۲۴ تا ۲۷ درصد از ضخامت بوته را تشکیل می‌دهد. با توجه به مقاومت بوته در دمای بالا، بهتر است دمای فر بالاتر باشد، اما رسیدن به دمای خیلی بالا آسان نیست. وقتی دما بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد باشد، به دلیل تصعید اکسید منیزیم یا کاهش اکسید منیزیم توسط کربن و همچنین تبلور مجدد شدید اکسید منیزیم، ساختاری شبیه لانه زنبوری تشکیل می‌دهد. بنابراین، حداکثر دمای فر باید زیر ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد کنترل شود.

② نرخ گرمایش: در مراحل اولیه گرمایش، به منظور حذف موثر رطوبت از مواد نسوز، باید پیش گرمایش کافی انجام شود. به طور کلی، نرخ گرمایش باید آهسته و زیر 1500 درجه سانتیگراد باشد. هنگامی که دمای کوره به بالای 1500 درجه سانتیگراد می‌رسد، ماسه منیزیا ذوب شده الکتریکی شروع به پخت می‌کند. در این زمان، باید از توان بالا برای گرم شدن سریع تا حداکثر دمای مورد انتظار فر استفاده شود.

③ زمان عایق‌کاری: پس از اینکه دمای کوره به بالاترین دمای فر رسید، عایق‌کاری باید در آن دما انجام شود. زمان عایق‌کاری بسته به نوع و جنس کوره متفاوت است، مثلاً برای بوته‌های کوچک ذوب الکتریکی منیزیم ۱۵-۲۰ دقیقه و برای بوته‌های بزرگ و متوسط ​​ذوب الکتریکی منیزیم ۳۰-۴۰ دقیقه.

بنابراین، میزان گرمایش در طول فر و پخت در بالاترین دمای پخت باید به طور مناسب تنظیم شود.