真空誘導溶解とは何ですか？

真空溶解は、真空環境で行われる金属および合金の溶解技術です。

この技術は、レアメタルが大気や耐火物によって汚染されるのを防ぎ、精製・精製の機能も備えています。真空溶解により、ガス含有量が少なく、介在物が少なく、偏析の少ない高品質の金属・合金が得られます。この方法は、高純度・高品質の金属材料を得るために極めて重要であり、特に溶解が困難で超高純度が求められる合金・金属に適しています。真空溶解の方法には、電子ビーム溶解、真空誘導溶解、真空アーク炉溶解、プラズマ炉溶解などがあります。例えば、電子ビーム溶解では、高エネルギーの電子ビームを溶融物に照射し、急速に熱エネルギーに変換して溶解します。この方法は、難度の高い超高純度の合金・金属の溶解に適しています。

さらに、真空溶解は、金属材料の靭性、疲労強度、耐腐食性、高温クリープ性能、透磁率の向上にも役立ちます。

真空誘導溶解炉は、電磁誘導を利用して真空条件下で金属導体に渦電流を発生させ、炉材を加熱するプロセスです。溶解室容積が小さく、真空排気時間と溶解サイクルが短く、温度・圧力制御が容易で、揮発性元素のリサイクルが可能で、合金組成を正確に制御できるなどの特徴があります。これらの特徴により、現在では特殊鋼、精密合金、電熱合金、高温合金、耐食合金などの特殊合金の製造における重要な設備となっています。

1. 真空とは何ですか?

密閉容器内では、気体分子の数が減少するため、単位面積あたりの気体分子の圧力が低下します。このとき、容器内の圧力は常圧よりも低くなります。このような常圧よりも低い気体空間は真空と呼ばれます。

2. 真空誘導炉の動作原理は何ですか?

主な方法は、電磁誘導を利用して金属装填物自体に電流を発生させ、金属装填物自体の抵抗を利用して、金属を溶かすために使用されるジュール・レンツの法則に従って電気エネルギーを熱エネルギーに変換することです。

3.真空誘導炉で電磁撹拌はどのように行われるのですか？

るつぼ内の溶融金属は、誘導コイルによって発生した磁場に電気力を発生させます。表皮効果により、溶融金属によって発生する渦電流は、誘導コイルを通過する電流の方向と逆方向になり、相互に反発します。溶融金属に対する反発力は常にるつぼの軸を向き、溶融金属もるつぼの中心に向かって押し出されます。誘導コイルは両端の効果が短いコイルであるため、誘導コイルの両端の対応する電気力が減少し、電気力の分布は上下端で小さく、中央で大きくなります。この力を受けて、金属液体はまず中央からるつぼの軸に向かって移動し、次に中心に向かって上下に流れます。この現象は循環し続け、金属液体の激しい運動を形成します。実際の製錬の際、るつぼの中央で金属液体が上方に膨らんだり、上下に反転したりする現象を排除することができ、これを電磁攪拌といいます。

4.電磁撹拌の機能は何ですか？

① 製錬工程における物理化学反応の速度を加速します。 ② 溶融金属液の組成を均一にします。 ③ るつぼ内の溶融金属の温度が一定になりやすく、溶解中の反応が完全に完了します。 ④ 撹拌の結果、自身の静圧の影響を克服し、るつぼの奥深くにある溶解気泡を液面に跳ね上げ、ガス排出を促進し、合金中のガス含有率を低下させます。 激しい撹拌はるつぼ上の溶融金属の機械的侵食を促進し、その寿命に影響を与えます。 ⑥ 高温でのるつぼ内の耐火物の分解を促進し、溶融合金の再汚染を引き起こします。

5.真空度とは何ですか？

真空度は 1 気圧未満の気体の薄さを表し、通常は圧力として表されます。

6. 漏洩率はどのくらいですか？

漏れ率とは、真空装置が閉じられた後の単位時間あたりの圧力上昇量を指します。

7. 表皮効果とは何ですか?

表皮効果とは、導体（製錬における炉内装入物）に交流電流を流した際に、導体断面における電流分布が不均一になる現象を指します。導体の表面電流密度が高いほど、中心に向かうにつれて電流密度は低くなります。

8.電磁誘導とは何ですか?

交流電流が電線を通過すると、その周囲に交流磁場が発生します。一方、閉じた電線を変化する磁場の中に置くと、電線内部に交流電流が発生します。この現象は電磁誘導と呼ばれます。

10.真空誘導炉製錬の利点は何ですか?

① 空気やスラグによる汚染がなく、製錬された合金は純粋で高性能です。

② 真空製錬は良好な脱ガス状態を作り出し、溶解した鋼および合金中のガス含有量を低減します。

③ 真空状態では金属は酸化されにくい。

④ 原料に混入した不純物（Pb、Bi等）を真空状態で蒸発させ、材料の精製を図る。

⑤ 真空誘導炉製錬中に炭素脱酸素を利用することができ、脱酸素生成物はガスであり、合金純度が高くなります。

⑥ 化学組成を正確に調整・制御できる。

⑦返却された資料はそのまま利用できます。

11.真空誘導炉製錬の欠点は何ですか?

① 設備が複雑で高価であり、多額の投資が必要である。

②メンテナンスが面倒、製錬コストが高い、コストが比較的高い

③ 製錬工程中のるつぼ内の耐火物による金属汚染

④生産ロットが少なく、検査作業量が多い。

12. 真空ポンプの主な基本パラメータと意味は何ですか?

① 極限真空度：真空ポンプの入口を密閉した状態で、長時間空にした後に得られる最小の安定圧力値（つまり、最高の安定真空度）をポンプの最大真空度といいます。

② 排気速度：ポンプが単位時間あたりに排気するガスの量を真空ポンプの排気速度といいます。

③最大出口圧力：真空ポンプの通常運転時に排気口からガスが排出される最大の圧力値。

④予圧：真空ポンプの排気口で安全な運転を確保するために維持する必要がある最大圧力値。

13. 適切な真空ポンプシステムを選択するにはどうすればよいでしょうか?

① 真空ポンプの排気速度は真空ポンプの一定の入口圧力に対応する。

②機械式ポンプ、ルーツポンプ、オイルブースターポンプは直接大気中に排気することができないため、正常に作動するためには前段ポンプによって規定の予圧を確立し維持する必要があります。

14. 電気回路にコンデンサを追加する必要があるのはなぜですか?

誘導コイルと金属炉材との距離が大きいため、磁気漏れが非常に大きく、有効磁束が非常に低く、無効電力が大きい。そのため、容量性回路では電流が電圧に先行する。インダクタンスの影響を打ち消し、力率を改善するには、回路に適切な数の電気容器を組み込み、コンデンサとインダクタが並列共振するようにすることで、誘導コイルの力率を改善する必要がある。

15.真空誘導炉の主な装置はいくつの部品で構成されていますか?

溶解室、注入室、真空システム、電源システム。

16. 製錬工程中の真空システムのメンテナンス対策は何ですか?

① 真空ポンプのオイル品質とオイルレベルは正常です。

② フィルタースクリーンが正常に反転されている。

③各遮断弁の密閉性は正常である。

17.製錬工程中の電力供給システムのメンテナンス対策は何ですか？

①コンデンサの冷却水温度は正常である。

② 変圧器油の温度は正常である。

③ケーブルの冷却水温度は正常です。

18.真空誘導炉溶解におけるるつぼの要件は何ですか?

① 急冷・急加熱による割れが発生しにくい高い熱安定性を有する。

②化学的安定性が高く、耐火物によるるつぼの汚染を防ぎます。

③ 高温や炉材の衝撃に耐えられる十分な耐火性と高温構造強度を有すること。

④るつぼは、るつぼと金属液体との接触面積を減らし、るつぼ表面への金属残留物の付着度合いを減らすために、高密度で滑らかな作業面を持つ必要があります。

⑤ 断熱性が高い

⑥ 焼結過程における体積収縮が小さい。

⑦ 揮発性が低く、耐水和性に優れている。

８ るつぼ材質には微量のガス放出がある。

⑨ るつぼは材料資源が豊富で価格が安い。

19. るつぼの高温性能を向上させるにはどうすればよいでしょうか?

①MgO砂中のCaO含有量およびCaO/SiO2比を低減し、液相量を低減し、液相生成温度を上昇させる。

②結晶粒の安定性を向上させる。

③焼結層内の良好な再結晶状態を実現し、多孔性を低減し、粒界幅を狭め、モザイク構造を形成し、固相と固相の直接結合を形成し、液相の有害な影響を低減する。

20. るつぼの適切な幾何学的サイズを選択するにはどうすればよいですか?

①るつぼの壁の厚さは、一般的にるつぼ（成形品）の直径の1/8～1/10です。

② 溶鋼量はるつぼ容積の75％を占める。

③Rの角度は約45°です。

④炉底の厚さは炉壁の厚さの1.5倍が一般的です。

21. るつぼを結ぶ際に一般的に使用される接着剤は何ですか?

①有機物：デキストリン、パルプ廃液、有機樹脂等

②無機物：ケイ酸ナトリウム、かん水、ホウ酸、炭酸塩、粘土など

22.るつぼを結ぶ接着剤（H3BO3）の機能は何ですか？

ホウ酸（H3BO3）は、通常の状況下では300℃以下に加熱することで水分をすべて除去することができ、ボロン酸無水物（B2O3）と呼ばれます。

① 低温では、一部のMgOとAl2O3が液体B2O3に溶解して一連の遷移生成物を形成し、MgO・Al2O3の固相拡散を促進して再結晶化を促進し、るつぼの焼結層がより低温で形成され、焼結温度が低下します。

②中温でのホウ酸の溶融・結合効果を利用することで、半焼結層を厚くしたり、二次焼結前のるつぼの強度を高めたりすることができます。

③CaOを含むマグネシア砂では、バインダーの使用により850℃以下での2CaO・SiO2の結晶変態を抑制できる。

23. るつぼの成形方法にはどのようなものがありますか?

2つの方法。

① 炉外プレファブリケーション：原料（電融マグネシウムまたはアルミニウムマグネシウムスピネル耐火物）を一定の粒度比で混合し、適切な接着剤を選択した後、振動および静水圧プロセスを経てるつぼ鋳型内で成形します。るつぼ本体は、最高焼成温度1700℃以上の高温トンネル窯で乾燥され、プレファブリケーションるつぼに加工されます。

② 炉内で直接叩解する。ホウ酸などの固形接着剤を適切な粒度比で適量加え、均一に混ぜ合わせ、タンピングすることで緻密な充填を実現する。焼結中に各部品の温度を変化させることで、異なる微細構造が形成される。

24. るつぼの焼結構造は何層に形成されますか？また、るつぼの品質にどのような影響がありますか？

るつぼの焼結構造は焼結層、半焼結層、遊離層の3層に分かれています。

焼結層：炉内焼成過程において、粒子径は再結晶化します。低温端における中粒度の砂粒子を除いて、元の割合は全く見られず、均一で微細な組織を呈します。粒界は非常に狭く、不純物は新しい粒界上に再分布します。焼結層はるつぼ壁の最内部に位置する硬い殻であり、溶融金属と直接接触し、様々な力を負担するため、るつぼにとって非常に重要です。

緩い層：焼結過程において、絶縁層付近の温度は低く、マグネシウム砂は焼結せず、ガラス相と結合せず、完全に緩い状態のままである。この層はるつぼの最外部に位置し、以下の役割を果たしている。第一に、緩い構造と低い熱伝導率のため、るつぼ内壁から外部への熱伝達が減少し、熱損失が減少し、断熱性が高まり、るつぼ内部の熱効率が向上する。第二に、緩い層は保護層としても機能する。焼結層は殻状になっており、液体金属と直接接触するため、割れやすい。割れると、そこから溶融した液体金属が滲み出すが、緩い層は緩い構造のため割れにくい。内層から滲み出す金属液体は緩い層によって遮断され、センシングリングを保護する。第三に、緩い層は緩衝材としても機能する。焼結層が硬い殻状になっているため、加熱・冷却時に全体の体積膨張・収縮が発生します。また、焼結層は緩い構造をしているため、るつぼの体積変化に対する緩衝作用も果たします。

半焼結層（遷移層とも呼ばれる）：焼結層と遊離層の間に位置し、2つの部分に分かれています。焼結層付近では、不純物が溶融し、マグネシウム砂粒子と再分配または結合します。マグネシウム砂は部分的に再結晶化し、大きな砂粒子は特に緻密になります。遊離層付近の部分は接着剤によって完全に結合しています。半焼結層は、焼結層と遊離層の両方の役割を果たします。

25. オーブン処理システムの選択方法は？

① 最高炉温度：結節るつぼの絶縁層の厚さが5～10mmの場合、電融マグネシアの場合、1800℃で焼成すると焼結層はるつぼの厚さの13～15％に過ぎません。2000℃のオーブンで焼成すると、焼結層は24～27％を占めます。るつぼの高温強度を考慮すると、オーブン温度は高いほど良いですが、高温になりすぎるのは良くありません。2000℃を超えると、酸化マグネシウムの昇華や炭素による酸化マグネシウムの還元、および酸化マグネシウムの激しい再結晶化により、ハニカム構造を形成します。したがって、オーブンの最高温度は2000℃以下に制御する必要があります。

② 加熱速度：加熱初期段階では、耐火物から水分を効果的に除去するために、十分な予熱を行う必要があります。一般的に、1500℃未満では加熱速度を緩やかにする必要があります。炉温が1500℃を超えると、電気溶融マグネシア砂が焼結し始めます。このとき、高出力で急速に炉の最高温度まで加熱する必要があります。

③ 保温時間：炉内温度が最高炉温に達した後、その温度で保温を行う必要があります。保温時間は炉の種類や材質によって異なりますが、小型電気溶解マグネシウムるつぼの場合は15～20分、大型・中型電気溶解マグネシウムるつぼの場合は30～40分です。

したがって、オーブン中の加熱速度と最高焼き温度での焼きはそれに応じて調整する必要があります。