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Cos'è la fusione per induzione sotto vuoto?

Marzo 27, 2024

Fusione sotto vuoto è una tecnica di fusione di metalli e leghe effettuata in ambiente sottovuoto.  


Questa tecnologia può impedire la contaminazione dei metalli rari dall'atmosfera e dai materiali refrattari e ha la funzione di purificazione e purificazione. Mediante la fusione sotto vuoto è possibile ottenere metalli e leghe di alta qualità con basso contenuto di gas, poche inclusioni e piccola segregazione. Questo metodo è fondamentale per ottenere materiali metallici di elevata purezza e alta qualità, particolarmente adatti per leghe o metalli difficili da fondere e che richiedono una purezza elevatissima. I metodi di fusione sotto vuoto includono la fusione con fascio di elettroni, la fusione per induzione sotto vuoto, la fusione in forno ad arco sotto vuoto e la fusione in forno al plasma. Ad esempio, la fusione a fascio di elettroni utilizza fasci di elettroni ad alta energia per bombardare i materiali fusi, convertendoli rapidamente in energia termica e fondendoli. Questo metodo è adatto per la fusione di leghe o metalli ad alta difficoltà e di purezza elevatissima.


Inoltre, la fusione sotto vuoto aiuta anche a migliorare la tenacità, la resistenza alla fatica, la resistenza alla corrosione, le prestazioni di scorrimento alle alte temperature e la permeabilità magnetica dei materiali metallici.


Forno ad induzione sotto vuotola fusione è un processo che utilizza l'induzione elettromagnetica per generare correnti parassite nei conduttori metallici in condizioni di vuoto per riscaldare il materiale del forno. Presenta le caratteristiche di un volume ridotto della camera di fusione, tempi di pompaggio del vuoto e ciclo di fusione brevi, comodo controllo della temperatura e della pressione, riciclabilità degli elementi volatili e controllo accurato della composizione della lega. Grazie alle caratteristiche di cui sopra, è ora diventata un'importante attrezzatura per la produzione di leghe speciali come acciaio speciale, leghe di precisione, leghe per riscaldamento elettrico, leghe ad alta temperatura e leghe resistenti alla corrosione.

1. Cos'è il vuoto?


In  contenitore chiuso, a causa della diminuzione del numero di molecole di gas, diminuisce la pressione esercitata dalle molecole di gas su un'unità di superficie. In questo momento, la pressione all'interno del contenitore è inferiore alla pressione normale. Questo tipo di spazio gassoso che è inferiore alla pressione normale è chiamato vuoto.

2. Qual è il principio di funzionamento di un forno ad induzione sotto vuoto?


Il metodo principale consiste nell'applicare l'induzione elettromagnetica per generare corrente nella carica metallica stessa, quindi fare affidamento sulla resistenza della carica metallica stessa per convertire l'energia elettrica in energia termica secondo la legge Joule Lenz, utilizzata per la fusione dei metalli.


3. Come si forma l'agitazione elettromagnetica in un forno ad induzione sotto vuoto?


Il metallo fuso nel crogiolo genera forza elettrica nel campo magnetico generato dalla bobina di induzione. A causa dell'effetto pelle, le correnti parassite generate dal metallo fuso sono opposte alla direzione della corrente che attraversa la bobina di induzione, con conseguente repulsione reciproca; La forza repulsiva sul metallo fuso è sempre diretta verso l'asse del crogiolo, ed anche il metallo fuso viene spinto verso il centro del crogiolo; Dato che la bobina di induzione è una bobina corta con effetti brevi su entrambe le estremità, la forza elettrica corrispondente su entrambe le estremità della bobina di induzione diminuisce e la distribuzione della forza elettrica è minore alle estremità superiore e inferiore e maggiore nell'estremità inferiore. mezzo. Sotto questa forza, il liquido metallico si muove prima dal centro verso l'asse del crogiolo, quindi scorre verso l'alto e verso il basso verso il centro. Questo fenomeno continua a circolare, formando un feroce movimento del liquido metallico. Durante la fusione vera e propria, è possibile eliminare il fenomeno del rigonfiamento del liquido metallico verso l'alto e del ribaltamento verso l'alto e verso il basso al centro del crogiolo, chiamato agitazione elettromagnetica.


4. Qual è la funzione dell'agitazione elettromagnetica?


① Può accelerare la velocità delle reazioni fisiche e chimiche durante il processo di fusione; ② Unificare la composizione del liquido metallico fuso; ③ La temperatura del metallo fuso nel crogiolo tende ad essere costante, determinando il completo completamento della reazione durante la fusione; ④ Il risultato dell'agitazione supera l'effetto della propria pressione statica, ribaltando le bolle disciolte in profondità nel crogiolo sulla superficie del liquido, facilitando lo scarico del gas e riducendo il contenuto di inclusioni di gas della lega. L'agitazione intensa migliora l'erosione meccanica del metallo fuso il crogiolo, compromettendone la durata; ⑥ Accelerare la decomposizione dei materiali refrattari nei crogioli ad alte temperature, con conseguente ricontaminazione della lega fusa.


5. Cos'è il grado di vuoto?


Il grado di vuoto rappresenta la fluidità di un gas al di sotto della pressione atmosferica, comunemente espressa come pressione.


6. Qual è il tasso di perdita?


Il tasso di perdita si riferisce alla quantità di aumento di pressione per unità di tempo dopo la chiusura dell'attrezzatura per il vuoto.


7. Qual è l'effetto pelle?


L'effetto pelle si riferisce al fenomeno della distribuzione non uniforme della corrente sulla sezione trasversale di un conduttore (riferito alla carica del forno in fusione) quando la corrente alternata lo attraversa. Maggiore è la densità di corrente superficiale del conduttore, minore è la densità di corrente verso il centro.


8. Cos'è l'induzione elettromagnetica?


La corrente alternata passa attraverso un filo e genera un campo magnetico alternato attorno ad esso, mentre posizionando un filo chiuso in un campo magnetico variabile si genera corrente alternata all'interno del filo. Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica.

10. Quali sono i vantaggi della fusione in forno ad induzione sotto vuoto?



① Nessun inquinamento dell'aria e delle scorie, la lega fusa è pura e ha un alto livello di prestazioni;



② La fusione sotto vuoto crea buone condizioni di degasaggio, con conseguente basso contenuto di gas nell'acciaio e nella lega fusi;



③ In condizioni di vuoto, i metalli non si ossidano facilmente;



④ Le impurità (Pb, Bi, ecc.) introdotte dalle materie prime possono evaporare in uno stato di vuoto, con conseguente purificazione del materiale;



⑤ Durante la fusione nel forno ad induzione sotto vuoto, è possibile utilizzare la disossidazione del carbonio e il prodotto della deossigenazione è gas, con conseguente elevata purezza della lega;



⑥ Può regolare e controllare con precisione la composizione chimica;



⑦ I materiali restituiti possono essere utilizzati.



11. Quali sono gli svantaggi della fusione in forno ad induzione sotto vuoto?




① L'attrezzatura è complessa, costosa e richiede ingenti investimenti;



② Manutenzione scomoda, costi di fusione elevati e costi relativamente elevati;



③ Contaminazione di metalli causata da materiali refrattari nei crogioli durante il processo di fusione;



④ Il lotto di produzione è piccolo e il carico di lavoro di ispezione è elevato.



12. Quali sono i principali parametri di base e i significati delle pompe per vuoto?



① Grado di vuoto estremo: il valore minimo di pressione stabile (ovvero il grado di vuoto stabile più alto) che può essere ottenuto dopo un lungo periodo di svuotamento quando l'ingresso di una pompa per vuoto è sigillato è chiamato grado di vuoto massimo della pompa.


② Velocità di evacuazione: il volume di gas estratto da una pompa per unità di tempo è chiamato velocità di pompaggio di una pompa a vuoto.


③ Pressione massima di uscita: il valore di pressione massimo al quale il gas viene scaricato dalla porta di scarico di una pompa per vuoto durante il normale funzionamento.


④ Prepressione: il valore massimo della pressione che deve essere mantenuto all'attacco di scarico della pompa per vuoto per garantire un funzionamento sicuro.



13. Come scegliere un sistema di pompe per vuoto ragionevole?



① La velocità di pompaggio di una pompa per vuoto corrisponde ad una determinata pressione di ingresso della pompa per vuoto;


② Le pompe meccaniche, le pompe Roots e le pompe booster dell'olio non possono scaricare direttamente nell'atmosfera e devono fare affidamento sulla pompa dello stadio anteriore per stabilire e mantenere la prepressione prescritta per poter funzionare normalmente.


14. Perché è necessario aggiungere condensatori ai circuiti elettrici?


A causa della grande distanza tra la bobina di induzione e il materiale metallico del forno, la dispersione magnetica è molto grave, il flusso magnetico utile è molto basso e la potenza reattiva è elevata. Pertanto, nei circuiti capacitivi, la corrente precede la tensione. Per compensare l'influenza dell'induttanza e migliorare il fattore di potenza, è necessario incorporare un numero adeguato di contenitori elettrici nel circuito, in modo che il condensatore e l'induttore possano risuonare in parallelo, migliorando così il fattore di potenza della bobina di induzione.


15. Quante parti costituiscono l'attrezzatura principale di un forno ad induzione sotto vuoto?


Camera di fusione, camera di colata, sistema di vuoto, sistema di alimentazione.

16. Quali sono le misure di manutenzione del sistema del vuoto durante il processo di fusione?




① La qualità dell'olio e il livello dell'olio della pompa del vuoto sono normali;




② Lo schermo del filtro è normalmente invertito;




③ La tenuta di ciascuna valvola di isolamento è normale.




17. Quali sono le misure di manutenzione del sistema di alimentazione elettrica durante il processo di fusione?




① La temperatura dell'acqua di raffreddamento del condensatore è normale;




② La temperatura dell'olio del trasformatore è normale;




③ La temperatura dell'acqua di raffreddamento del cavo è normale.




18. Quali sono i requisiti dei crogioli nei forni di fusione ad induzione sotto vuoto?




① Ha un'elevata stabilità termica per evitare fessurazioni causate dal rapido raffreddamento e riscaldamento;




② Ha un'elevata stabilità chimica per prevenire la contaminazione del crogiolo da parte di materiali refrattari;




③ Avere una resistenza al fuoco e una resistenza strutturale alle alte temperature sufficientemente elevate da resistere alle alte temperature e agli impatti dei materiali del forno;




④ Il crogiolo deve avere un'elevata densità e una superficie di lavoro liscia per ridurre la superficie di contatto tra il crogiolo e il liquido metallico e per ridurre il grado di adesione dei residui metallici sulla superficie del crogiolo.




⑤ Ha elevate proprietà isolanti;




⑥ Piccolo ritiro del volume durante il processo di sinterizzazione;




⑦ Presenta bassa volatilità e buona resistenza all'idratazione;




⑧ Il materiale del crogiolo rilascia una piccola quantità di gas.




⑨ Il crogiolo ha abbondanti risorse di materiali e prezzi bassi.




19. Come migliorare le prestazioni ad alta temperatura dei crogioli?




① Ridurre il contenuto di CaO e il rapporto CaO/SiO2 nella sabbia di MgO per ridurre la quantità di fase liquida e aumentare la temperatura alla quale viene generata la fase liquida.




② Migliora la stabilità dei grani di cristallo.




③ Per ottenere un buon stato di ricristallizzazione nello strato sinterizzato, ridurre la porosità, ridurre la larghezza del confine del grano e formare una struttura a mosaico, formando una combinazione diretta di fasi solide e solide, riducendo così gli effetti dannosi della fase liquida.


20. Come scegliere la dimensione geometrica adeguata del crogiolo?




① Lo spessore della parete del crogiolo è generalmente compreso tra 1/8 e 1/10 del diametro del crogiolo (formato);




② Il liquido d'acciaio rappresenta il 75% del volume del crogiolo;




③ L'angolo di R è di circa 45°;




④ Lo spessore del fondo del forno è generalmente 1,5 volte quello della parete del forno.




21. Quali sono gli adesivi comunemente utilizzati per annodare i crogioli?




① Materia organica: destrina, liquido di scarto della polpa, resina organica, ecc.;




② Sostanze inorganiche: silicato di sodio, salamoia, acido borico, carbonato, argilla, ecc.




22. Qual è la funzione dell'adesivo (H3BO3) per annodare i crogioli?




L'acido borico (H3BO3) può rimuovere tutta l'umidità riscaldandosi al di sotto di 300 ℃ in circostanze normali ed è chiamato anidride boronica (B2O3).




① A basse temperature, parte di MgO e Al2O3 possono dissolversi nel B2O3 liquido per formare una serie di prodotti di transizione, accelerando la diffusione in fase solida di MgO · Al2O3 e promuovendo la ricristallizzazione, provocando la formazione dello strato di sinterizzazione del crogiolo a temperature più basse, riducendo così la temperatura di sinterizzazione.




② Facendo affidamento sull'effetto di fusione e legame dell'acido borico a media temperatura, lo strato semisinterizzato può essere ispessito o la resistenza del crogiolo può essere aumentata prima della sinterizzazione secondaria.




③ Nella sabbia di magnesia contenente CaO, l'uso di leganti può sopprimere la trasformazione cristallina di 2CaO · SiO2 al di sotto di 850 ℃.




23. Quali sono i vari metodi di stampaggio dei crogioli?




Due strade.




① Prefabbricazione fuori forno; Dopo aver miscelato le materie prime (materiali refrattari di magnesio fuso elettricamente o spinello di alluminio e magnesio) con un determinato rapporto granulometrico e selezionato adesivi appropriati, vengono formati nello stampo del crogiolo attraverso processi di vibrazione e pressione isostatica. Il corpo del crogiolo viene essiccato e trasformato in un crogiolo prefabbricato in un forno a tunnel ad alta temperatura con una temperatura di cottura massima di ≥ 1700 ℃ × 8 ore.




② Martellamento diretto all'interno del forno; Aggiungere una quantità adeguata di adesivo solido, ad esempio acido borico, al rapporto di dimensione delle particelle appropriato, mescolare uniformemente e utilizzare la pressatura per ottenere un riempimento denso. Durante la sinterizzazione, si formano diverse microstrutture variando la temperatura di ciascuna parte.

24. Da quanti strati è formata la struttura di sinterizzazione del crogiolo e qual è l'impatto sulla qualità del crogiolo?




La struttura di sinterizzazione del crogiolo è divisa in tre strati: strato di sinterizzazione, strato di semisinterizzazione e strato sciolto.




Strato di sinterizzazione: durante il processo in forno, la dimensione delle particelle subisce ricristallizzazione. Fatta eccezione per la granulometria media della sabbia all'estremità a bassa temperatura, la proporzione originale non è affatto visibile e si presenta una struttura uniforme e fine. I confini del grano sono molto stretti e le impurità vengono ridistribuite sui nuovi confini del grano. Lo strato sinterizzato è un guscio duro situato nella parte più interna della parete del crogiolo, che è a diretto contatto con il metallo fuso e sopporta varie forze, quindi questo strato è molto importante per il crogiolo.




Strato sciolto: durante la sinterizzazione, la temperatura vicino allo strato isolante è bassa e la sabbia di magnesio non può essere sinterizzata o legata dalla fase vetrosa, rimanendo in uno stato completamente sciolto. Questo strato si trova nella parte più esterna del crogiolo e ha i seguenti scopi: in primo luogo, a causa della sua struttura sciolta e della scarsa conduttività termica, il calore trasferito dalla parete interna del crogiolo verso l'esterno viene ridotto, diminuendo la perdita di calore, fornendo isolamento e miglioramento dell'efficienza termica all'interno del crogiolo; In secondo luogo, lo strato sciolto è anche uno strato protettivo. Poiché lo strato sinterizzato ha formato un guscio ed entra in contatto diretto con il metallo liquido, è soggetto a fessurazioni. Una volta che si rompe, il metallo liquido fuso fuoriesce dalla fessura, mentre lo strato sciolto è meno soggetto a fessurarsi grazie alla sua struttura sciolta. Il liquido metallico che fuoriesce dallo strato interno viene da esso bloccato, fornendo protezione all'anello sensibile; In terzo luogo, lo strato sciolto è ancora un buffer. A causa del fatto che lo strato sinterizzato è diventato un guscio duro, durante il riscaldamento e il raffreddamento si verificano l'espansione e la contrazione del volume complessivo. A causa della struttura sciolta dello strato sciolto, esso svolge un ruolo tampone nella variazione di volume del crogiolo.




Strato semisinterizzato (noto anche come strato di transizione): situato tra lo strato sinterizzato e lo strato sciolto, diviso in due parti. Vicino allo strato sinterizzato, le impurità si sciolgono e si ridistribuiscono o si legano con particelle di sabbia di magnesio. La sabbia di magnesio subisce una ricristallizzazione parziale e le particelle di sabbia di grandi dimensioni appaiono particolarmente dense; Le parti vicine allo strato sciolto sono completamente incollate insieme tramite adesivo. Lo strato semisinterizzato funge sia da strato sinterizzato che da strato sciolto.




25. Come scegliere il sistema di processo del forno?




① Temperatura massima del forno: quando lo spessore dello strato isolante del crogiolo annodato è 5-10 mm, per la magnesia fusa elettricamente, lo strato sinterizzato rappresenta solo il 13-15% dello spessore del crogiolo quando cotto a 1800 ℃. Se cotto in un forno a 2000 ℃, rappresenta il 24-27%. Considerando la resistenza del crogiolo alle alte temperature, è meglio avere una temperatura del forno più alta, ma non è facile che diventi troppo alta. Quando la temperatura è superiore a 2000 ℃, forma una struttura a nido d'ape dovuta alla sublimazione dell'ossido di magnesio o alla riduzione dell'ossido di magnesio da parte del carbonio, nonché all'intensa ricristallizzazione dell'ossido di magnesio. Pertanto, la temperatura massima del forno deve essere controllata al di sotto di 2000 ℃.




② Velocità di riscaldamento: nella fase iniziale del riscaldamento, per rimuovere efficacemente l'umidità dai materiali refrattari, è necessario effettuare un preriscaldamento sufficiente. In generale, la velocità di riscaldamento dovrebbe essere lenta, inferiore a 1500 ℃; Quando la temperatura del forno supera i 1500 ℃, la sabbia di magnesia fusa elettricamente inizia a sinterizzare. A questo punto, è necessario utilizzare una potenza elevata per riscaldare rapidamente fino alla temperatura massima prevista del forno.




③ Tempo di isolamento: dopo che la temperatura del forno raggiunge la temperatura massima del forno, è necessario eseguire l'isolamento a quella temperatura. Il tempo di isolamento varia a seconda del tipo e del materiale del forno, ad esempio 15-20 minuti per piccoli crogioli di magnesio con fusione elettrica e 30-40 minuti per crogioli di magnesio con fusione elettrica di grandi e medie dimensioni.




Pertanto è necessario regolare di conseguenza la velocità di riscaldamento durante il forno e la cottura alla massima temperatura


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