Cos'è la fusione a induzione sotto vuoto?

La fusione sotto vuoto è una tecnica di fusione di metalli e leghe eseguita in un ambiente sotto vuoto.

Questa tecnologia può impedire la contaminazione dei metalli rari da parte dell'atmosfera e dei materiali refrattari e svolge la funzione di purificazione e raffinazione. Mediante la fusione sotto vuoto, si possono ottenere metalli e leghe di alta qualità con basso contenuto di gas, poche inclusioni e ridotta segregazione. Questo metodo è fondamentale per ottenere materiali metallici di elevata purezza e qualità, particolarmente adatto per leghe o metalli difficili da fondere che richiedono un'elevatissima purezza. I metodi di fusione sotto vuoto includono la fusione a fascio di elettroni, la fusione a 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 ad altissima purezza.

Inoltre, la fusione sotto vuoto contribuisce anche a migliorare la tenacità, la resistenza alla fatica, la resistenza alla corrosione, le prestazioni di scorrimento ad alta temperatura e la permeabilità magnetica dei materiali metallici.

La fusione in forno a induzione sotto vuoto è un processo che utilizza l'induzione elettromagnetica per generare correnti parassite in conduttori metallici in condizioni di vuoto per riscaldare il materiale del forno. Presenta le seguenti caratteristiche: camera di fusione di piccole dimensioni, tempi di pompaggio sotto vuoto e ciclo di fusione brevi, comodo controllo di temperatura e pressione, riciclabilità degli elementi volatili e controllo accurato della composizione della lega. Grazie a queste caratteristiche, si è ora evoluto in un'importante apparecchiatura per la produzione di leghe speciali come acciai speciali, leghe di precisione, leghe per riscaldamento elettrico, leghe per alte temperature e leghe resistenti alla corrosione.

1. Che cos'è il vuoto?

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

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

Il metodo principale consiste nell'applicare l'induzione elettromagnetica per generare corrente nella carica metallica stessa e poi affidarsi alla resistenza della carica metallica stessa per convertire l'energia elettrica in energia termica secondo la legge di Joule-Lenz, utilizzata per la fusione dei metalli.

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

Il metallo fuso nel crogiolo genera una 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 rivolta verso l'asse del crogiolo e il metallo fuso viene anche spinto verso il centro del crogiolo. Poiché la bobina di induzione è una bobina corta con effetti corti a entrambe le estremità, la forza elettrica corrispondente a entrambe le estremità della bobina di induzione diminuisce e la distribuzione della forza elettrica è minore alle estremità superiore e inferiore e maggiore al centro. Sotto questa forza, il liquido metallico si muove prima dal centro verso l'asse del crogiolo, per poi fluire verso l'alto e verso il basso verso il centro. Questo fenomeno continua a circolare, formando un movimento brusco 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, fenomeno che viene definito 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 a essere costante, determinando il completamento completo 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 inclusione di gas nella lega. L'agitazione intensa aumenta l'erosione meccanica del metallo fuso sul crogiolo, influenzandone la durata; ⑥ Accelerare la decomposizione dei materiali refrattari nei crogioli ad alte temperature, con conseguente ricontaminazione della lega fusa.

5. Che cosa è il grado di vuoto?

Il grado di vuoto rappresenta la sottigliezza 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 all'entità dell'aumento di pressione per unità di tempo dopo la chiusura dell'apparecchiatura a vuoto.

7. Cos'è l'effetto pelle?

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

8. Che cos'è l'induzione elettromagnetica?

La corrente alternata attraversa un filo e genera un campo magnetico alternato attorno ad esso, mentre l'inserimento di un filo chiuso in un campo magnetico variabile genera corrente alternata al suo interno. Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica.

10. Quali sono i vantaggi della fusione con forno a induzione sotto vuoto?

① Nessun inquinamento atmosferico e di scorie, la lega fusa è pura e ha un elevato livello di prestazioni;

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

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 in forno a induzione sotto vuoto, è possibile utilizzare la deossidazione del carbonio e il prodotto della deossigenazione è un 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 con forno a induzione sotto vuoto?

① L'attrezzatura è complessa, costosa e richiede un investimento elevato;

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

3 Contaminazione metallica 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 il significato 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 per vuoto.

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

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

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

① La portata di pompaggio di una pompa per vuoto corrisponde a una determinata pressione di ingresso della pompa per vuoto;

2 Le pompe meccaniche, le pompe Roots e le pompe booster per olio non possono scaricare direttamente nell'atmosfera e devono fare affidamento sulla pompa dello stadio anteriore per stabilire e mantenere la prepressione prescritta per 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 anticipa 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 compongono l'attrezzatura principale di un forno a induzione sotto vuoto?

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

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

① La qualità dell'olio e il livello dell'olio della pompa per 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 per il sistema di alimentazione 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 nella fusione mediante forno a induzione sotto vuoto?

① Ha un'elevata stabilità termica per evitare crepe 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 per resistere alle alte temperature e agli urti 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 restringimento del volume durante il processo di sinterizzazione;

⑦ Ha 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 dei crogioli ad alta temperatura?

① Ridurre il contenuto di CaO e il rapporto CaO/SiO2 nella sabbia 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 cristallini.

③ Per ottenere un buon stato di ricristallizzazione nello strato sinterizzato, ridurre la porosità, ridurre la larghezza del confine dei grani 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 appropriata 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) è in grado di rimuovere tutta l'umidità riscaldandolo a temperature inferiori a 300 °C in circostanze normali e viene chiamato anidride borica (B2O3).

① A basse temperature, una certa quantità di MgO e Al2O3 può dissolversi nel B2O3 liquido per formare una serie di prodotti di transizione, accelerando la diffusione in fase solida di MgO · Al2O3 e favorendo la ricristallizzazione, causando 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 temperatura media, è possibile ispessire lo strato semi-sinterizzato o aumentare la resistenza del crogiolo 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 modi.

① Prefabbricazione all'esterno del forno; Dopo aver miscelato le materie prime (materiali refrattari in magnesio elettrofuso o spinello di alluminio e magnesio) con un determinato rapporto granulometrico e aver selezionato gli adesivi appropriati, queste vengono formate nello stampo del crogiolo mediante 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. Sinterizzazione diretta all'interno del forno; aggiungere una quantità appropriata di adesivo solido, come l'acido borico, al rapporto granulometrico appropriato, mescolare uniformemente e pressare per ottenere un riempimento denso. Durante la sinterizzazione, si formano diverse microstrutture a seconda della temperatura di ciascun componente.

24. Quanti strati forma 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 semi-sinterizzazione e strato sciolto.

Strato di sinterizzazione: durante il processo in forno, la granulometria subisce una ricristallizzazione. Ad eccezione della 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 bordi dei grani sono molto stretti e le impurità vengono ridistribuite sui nuovi bordi dei grani. 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 diverse forze, quindi questo strato è molto importante per il crogiolo.

Strato sciolto: durante la sinterizzazione, la temperatura in prossimità dello strato isolante è bassa e la sabbia di magnesio non può essere sinterizzata o legata dalla fase vetrosa, rimanendo completamente sciolta. Questo strato si trova nella parte più esterna del crogiolo e svolge le seguenti funzioni: in primo luogo, grazie alla sua struttura sciolta e alla scarsa conduttività termica, il calore trasferito dalla parete interna del crogiolo verso l'esterno viene ridotto, riducendo la perdita di calore, fornendo isolamento e migliorando l'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 cricche. Una volta che si è rotto, il metallo liquido fuso fuoriuscirà dalla cricca, mentre lo strato sciolto è meno soggetto a cricche grazie alla sua struttura sciolta. Il liquido metallico che fuoriesce dallo strato interno viene bloccato da esso, fornendo protezione per l'anello di rilevamento; in terzo luogo, lo strato sciolto funge comunque da cuscinetto. Poiché lo strato sinterizzato è diventato un guscio duro, durante il riscaldamento e il raffreddamento si verificano un'espansione e una contrazione del volume complessivo. Grazie alla struttura lassa dello strato lasso, questo svolge un ruolo tampone nella variazione di volume del crogiolo.

Strato semi-sinterizzato (noto anche come strato di transizione): situato tra lo strato sinterizzato e lo strato sciolto, diviso in due parti. In prossimità dello strato sinterizzato, le impurità si fondono e si ridistribuiscono o si legano alle particelle di sabbia di magnesio. La sabbia di magnesio subisce una parziale ricristallizzazione e le particelle di sabbia più grandi appaiono particolarmente dense; le parti vicine allo strato sciolto sono completamente legate tra loro tramite adesivo. Lo strato semi-sinterizzato 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 di 5-10 mm, per la magnesia elettrofusa, lo strato sinterizzato rappresenta solo il 13-15% dello spessore del crogiolo quando cotto a 1800 ℃. Quando cotto in un forno a 2000 ℃, rappresenta il 24-27%. Considerata la resistenza alle alte temperature del crogiolo, è preferibile avere una temperatura del forno più elevata, ma non è facile raggiungere temperature troppo elevate. Quando la temperatura è superiore a 2000 ℃, si forma una struttura a nido d'ape a causa della sublimazione dell'ossido di magnesio o della riduzione dell'ossido di magnesio da parte del carbonio, nonché dell'intensa ricristallizzazione dell'ossido di magnesio. Pertanto, la temperatura massima del forno deve essere mantenuta al di sotto dei 2000 ℃.

2. Velocità di riscaldamento: nella fase iniziale del riscaldamento, per rimuovere efficacemente l'umidità dai materiali refrattari, è necessario effettuare un preriscaldamento adeguato. Generalmente, la velocità di riscaldamento dovrebbe essere lenta al di sotto dei 1500 °C; quando la temperatura del forno supera i 1500 °C, la sabbia di magnesia elettrofusa 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: una volta che la temperatura del forno raggiunge la temperatura massima, è necessario effettuare l'isolamento a tale temperatura. Il tempo di isolamento varia a seconda del tipo di forno e del materiale, ad esempio 15-20 minuti per i piccoli crogioli di magnesio per fusione elettrica e 30-40 minuti per i crogioli di magnesio per fusione elettrica di grandi e medie dimensioni.

Pertanto, la velocità di riscaldamento durante il forno e la cottura alla massima temperatura di cottura devono essere regolate di conseguenza.