Czym jest topienie indukcyjne w próżni?

Topienie próżniowe jest techniką topienia metali i stopów przeprowadzaną w środowisku próżni.

Technologia ta może zapobiegać zanieczyszczeniu metali rzadkich atmosferą i materiałami ogniotrwałymi, a także pełni funkcję oczyszczania i oczyszczania. Dzięki topieniu próżniowemu można uzyskać wysokiej jakości metale i stopy o niskiej zawartości gazów, niewielkiej liczbie wtrąceń i małej segregacji. Metoda ta jest kluczowa dla uzyskania wysokiej czystości i jakości materiałów metalowych, szczególnie odpowiednich dla stopów lub metali trudnych do topienia i wymagających ultrawysokiej czystości. Metody topienia próżniowego obejmują topienie wiązką elektronów, topienie indukcyjne w próżni, topienie w piecu łukowym i topienie w piecu plazmowym. Na przykład, topienie wiązką elektronów wykorzystuje wysokoenergetyczne wiązki elektronów do bombardowania stopionych materiałów, szybko przekształcając je w energię cieplną i topiąc je. Metoda ta nadaje się do topienia stopów lub metali o wysokiej trudności i ultrawysokiej czystości.

Ponadto topienie próżniowe pomaga również poprawić wytrzymałość, wytrzymałość zmęczeniową, odporność na korozję, pełzanie w wysokiej temperaturze i przenikalność magnetyczną materiałów metalowych.

Topienie w piecu indukcyjnym próżniowym to proces wykorzystujący indukcję elektromagnetyczną do generowania prądów wirowych w przewodnikach metalowych w warunkach próżni, w celu nagrzania materiału pieca. Cechami charakterystycznymi tego procesu są: mała objętość komory topienia, krótki czas pompowania próżniowego i krótki cykl topienia, wygodna kontrola temperatury i ciśnienia, możliwość recyklingu lotnych pierwiastków oraz precyzyjna kontrola składu stopu. Dzięki tym cechom, proces ten stał się ważnym urządzeniem do produkcji stopów specjalnych, takich jak stal specjalna, stopy precyzyjne, stopy do nagrzewania elektrycznego, stopy wysokotemperaturowe i stopy odporne na korozję.

1. Czym jest próżnia?

W zamkniętym pojemniku, ze względu na zmniejszenie liczby cząsteczek gazu, ciśnienie wywierane przez cząsteczki gazu na jednostkę powierzchni maleje. W tym momencie ciśnienie wewnątrz pojemnika jest niższe niż ciśnienie normalne. Ten typ przestrzeni gazowej, w której ciśnienie jest niższe niż ciśnienie normalne, nazywa się próżnią.

2. Jaka jest zasada działania pieca indukcyjnego próżniowego?

Podstawową metodą jest wykorzystanie indukcji elektromagnetycznej do wytworzenia prądu w samym wsadzie metalu, a następnie wykorzystanie oporu samego wsadu metalu do przekształcenia energii elektrycznej w energię cieplną zgodnie z prawem Joule’a-Lenza, stosowanym do topienia metali.

3. W jaki sposób powstaje mieszanie elektromagnetyczne w piecu indukcyjnym próżniowym?

Stopiony metal w tyglu generuje siłę elektryczną w polu magnetycznym generowanym przez cewkę indukcyjną. Ze względu na efekt naskórkowości prądy wirowe generowane przez stopiony metal są skierowane przeciwnie do kierunku prądu przepływającego przez cewkę indukcyjną, co powoduje wzajemne odpychanie; Siła odpychająca działająca na stopiony metal jest zawsze skierowana w stronę osi tygla, a stopiony metal jest również popychany w kierunku środka tygla; Ze względu na fakt, że cewka indukcyjna jest krótką cewką z krótkimi efektami na obu końcach, odpowiadająca jej siła elektryczna na obu końcach cewki indukcyjnej maleje, a rozkład siły elektrycznej jest mniejszy na górnym i dolnym końcu, a większy w środku. Pod wpływem tej siły ciekły metal najpierw przemieszcza się od środka w kierunku osi tygla, a następnie płynie w górę i w dół w kierunku środka. Zjawisko to nadal krąży, tworząc gwałtowny ruch ciekłego metalu. Podczas rzeczywistego wytopu można wyeliminować zjawisko wybrzuszania się ciekłego metalu i jego przemieszczania się w górę i w dół w środku tygla. Zjawisko to nazywa się mieszaniem elektromagnetycznym.

4. Jaką funkcję pełni mieszanie elektromagnetyczne?

① Może przyspieszyć szybkość reakcji fizycznych i chemicznych podczas procesu wytopu; ② Ujednolicić skład ciekłego stopu metalowego; ③ Temperatura ciekłego metalu w tyglu ma tendencję do bycia stałą, co skutkuje całkowitym zakończeniem reakcji podczas topienia; ④ Wynik mieszania przezwycięża wpływ własnego ciśnienia statycznego, przerzucając rozpuszczone pęcherzyki głęboko w tyglu na powierzchnię cieczy, ułatwiając wypływ gazu i zmniejszając zawartość inkluzji gazowych w stopie. Intensywne mieszanie zwiększa erozję mechaniczną ciekłego metalu w tyglu, co wpływa na jego żywotność; ⑥ Przyspieszyć rozkład materiałów ogniotrwałych w tyglach w wysokich temperaturach, co powoduje ponowne zanieczyszczenie stopionego stopu.

5. Czym jest stopień próżni?

Stopień próżni określa rozrzedzenie gazu poniżej ciśnienia jednej atmosfery, powszechnie wyrażanego jako ciśnienie.

6. Jaki jest wskaźnik wycieku?

Szybkość nieszczelności odnosi się do ilości wzrostu ciśnienia w jednostce czasu po zamknięciu urządzenia próżniowego.

7. Czym jest efekt naskórkowy?

Efekt naskórkowości odnosi się do zjawiska nierównomiernego rozkładu prądu na przekroju poprzecznym przewodnika (dotyczącego wsadu pieca w procesie wytopu) podczas przepływu przez niego prądu przemiennego. Im wyższa gęstość prądu powierzchniowego przewodnika, tym mniejsza gęstość prądu w kierunku środka.

8. Czym jest indukcja elektromagnetyczna?

Prąd przemienny przepływa przez przewód i generuje wokół niego zmienne pole magnetyczne, natomiast umieszczenie zamkniętego przewodu w zmiennym polu magnetycznym generuje wewnątrz niego prąd przemienny. Zjawisko to nazywa się indukcją elektromagnetyczną.

10. Jakie są zalety wytopu w piecu indukcyjnym próżniowym?

① Brak zanieczyszczeń powietrza i żużlu, wytopiony stop jest czysty i charakteryzuje się wysokim poziomem wydajności;

② Wytapianie próżniowe stwarza dobre warunki odgazowywania, co skutkuje niską zawartością gazów w topionej stali i stopie;

③ W warunkach próżni metale nie utleniają się łatwo;

④ Zanieczyszczenia (Pb, Bi itp.) wnoszone wraz z surowcami mogą odparować w stanie próżni, co powoduje oczyszczenie materiału;

⑤ Podczas wytapiania w piecu indukcyjnym próżniowym można stosować odtlenianie węgla, a produktem odtleniania jest gaz, co skutkuje wysoką czystością stopu;

⑥ Możliwość dokładnego dostosowania i kontrolowania składu chemicznego;

⑦ Zwrócone materiały mogą zostać wykorzystane.

11. Jakie są wady wytopu w piecu indukcyjnym próżniowym?

① Sprzęt jest skomplikowany, drogi i wymaga dużych nakładów inwestycyjnych;

② Niewygodna konserwacja, wysokie koszty wytopu i stosunkowo wysokie koszty;

③ Zanieczyszczenie metalu materiałami ogniotrwałymi w tyglach podczas procesu wytopu;

④ Partia produkcyjna jest niewielka, a ilość czynności kontrolnych duża.

12. Jakie są główne parametry podstawowe i znaczenie pomp próżniowych?

① Ekstremalny stopień próżni: Minimalna stabilna wartość ciśnienia (czyli najwyższy stabilny stopień próżni), jaką można uzyskać po długim okresie opróżniania, gdy wlot pompy próżniowej jest uszczelniony, nazywa się maksymalnym stopniem próżni pompy.

② Szybkość ewakuacji: Objętość gazu wypompowywana przez pompę w jednostce czasu nazywana jest szybkością pompowania pompy próżniowej.

③ Maksymalne ciśnienie wylotowe: Maksymalna wartość ciśnienia, przy której gaz jest odprowadzany z portu wylotowego pompy próżniowej podczas normalnej pracy.

④ Ciśnienie wstępne: Maksymalna wartość ciśnienia, która musi być utrzymana w porcie wylotowym pompy próżniowej, aby zapewnić bezpieczną pracę.

13. Jak wybrać odpowiedni system pompy próżniowej?

① Szybkość pompowania pompy próżniowej odpowiada pewnemu ciśnieniu wlotowemu pompy próżniowej;

② Pompy mechaniczne, pompy Rootsa i pompy wspomagające olej nie mogą odprowadzać powietrza bezpośrednio do atmosfery i muszą polegać na pompie stopnia przedniego, która ustala i utrzymuje wymagane ciśnienie wstępne, aby móc działać normalnie.

14. Dlaczego do obwodów elektrycznych należy dodawać kondensatory?

Ze względu na dużą odległość między cewką indukcyjną a metalowym materiałem pieca, rozproszenie magnetyczne jest bardzo poważne, użyteczny strumień magnetyczny jest bardzo niski, a moc bierna wysoka. Dlatego w obwodach pojemnościowych prąd wyprzedza napięcie. Aby zrównoważyć wpływ indukcyjności i poprawić współczynnik mocy, konieczne jest włączenie odpowiedniej liczby pojemników elektrycznych do obwodu, tak aby kondensator i cewka mogły rezonować równolegle, poprawiając w ten sposób współczynnik mocy cewki indukcyjnej.

15. Z ilu części składa się główne wyposażenie pieca indukcyjnego próżniowego?

Komora topienia, komora odlewnicza, układ próżniowy, układ zasilania.

16. Jakie środki konserwacyjne należy podejmować w przypadku układu próżniowego podczas procesu wytopu?

① Jakość oleju i poziom oleju pompy próżniowej są prawidłowe;

② Ekran filtra jest normalnie odwrócony;

③ Uszczelnienie każdego zaworu odcinającego jest normalne.

17. Jakie środki ostrożności należy podejmować w przypadku konserwacji układu zasilania podczas procesu wytopu?

① Temperatura wody chłodzącej kondensator jest normalna;

② Temperatura oleju transformatorowego jest normalna;

③ Temperatura wody chłodzącej kabel jest normalna.

18. Jakie są wymagania dotyczące tygli do topienia w próżniowych piecach indukcyjnych?

① Posiada wysoką stabilność termiczną, co zapobiega pękaniu na skutek szybkiego chłodzenia i ogrzewania;

② Posiada wysoką stabilność chemiczną, zapobiegającą zanieczyszczeniu tygla materiałami ogniotrwałymi;

③ Posiadanie odpowiednio wysokiej odporności ogniowej i wytrzymałości konstrukcyjnej na wysokie temperatury, aby wytrzymać wysokie temperatury i uderzenia materiału pieca;

④ Tygiel powinien mieć dużą gęstość i gładką powierzchnię roboczą, aby zmniejszyć powierzchnię styku między tyglem a cieczą metalową i ograniczyć stopień przylegania pozostałości metalu do powierzchni tygla.

⑤ Posiada wysokie właściwości izolacyjne;

⑥ Niewielki skurcz objętościowy podczas procesu spiekania;

⑦ Ma niską lotność i dobrą odporność na hydratację;

⑧ Materiał tygla wydziela niewielką ilość gazu.

⑨ W tyglu występują duże zasoby materiałów i niskie ceny.

19. Jak poprawić parametry tygli w wysokich temperaturach?

① Zmniejsz zawartość CaO i stosunek CaO/SiO2 w piasku MgO, aby zmniejszyć ilość fazy ciekłej i zwiększyć temperaturę, w której powstaje faza ciekła.

② Poprawa stabilności ziaren kryształów.

③ Aby uzyskać dobry stan rekrystalizacji w warstwie spiekanej, zmniejszyć porowatość, zmniejszyć szerokość granic ziaren i utworzyć strukturę mozaikową, tworząc bezpośrednie połączenie fazy stałej i stałej, zmniejszając w ten sposób szkodliwe skutki fazy ciekłej.

20. Jak dobrać odpowiedni rozmiar geometryczny tygla?

① Grubość ścianki tygla wynosi na ogół od 1/8 do 1/10 średnicy tygla (po uformowaniu);

② Ciecz stalowa stanowi 75% objętości tygla;

③ Kąt R wynosi około 45°;

④ Grubość dna pieca jest na ogół 1,5 raza większa od grubości ścianki pieca.

21. Jakie kleje są powszechnie stosowane do łączenia tygli?

① Materia organiczna: dekstryna, płynny odpad celulozowy, żywica organiczna itp.;

② Substancje nieorganiczne: krzemian sodu, solanka, kwas borowy, węglan, glina itp.

22. Jaką funkcję spełnia klej (H3BO3) przy łączeniu tygli?

Kwas borowy (H3BO3) może usunąć całą wilgoć poprzez podgrzanie do temperatury poniżej 300 ℃ w normalnych warunkach i jest nazywany bezwodnikiem boronowym (B2O3).

① W niskich temperaturach część MgO i Al2O3 może rozpuścić się w ciekłym B2O3, tworząc szereg produktów przejściowych, przyspieszając dyfuzję fazy stałej MgO · Al2O3 i wspomagając rekrystalizację, powodując, że w niższych temperaturach tworzy się warstwa spiekana tygla, obniżając w ten sposób temperaturę spiekania.

② Wykorzystując efekt topienia i wiązania kwasu borowego w średniej temperaturze, można pogrubić warstwę półspiekaną lub zwiększyć wytrzymałość tygla przed wtórnym spiekaniem.

③ W przypadku piasku magnezjowego zawierającego CaO, stosowanie spoiw może zahamować przemianę krystaliczną 2CaO · SiO2 w temperaturze poniżej 850 ℃.

23. Jakie są różne metody formowania tygli?

Dwa sposoby.

① Prefabrykacja poza piecem; Po zmieszaniu surowców (materiałów ogniotrwałych magnezowych lub aluminiowo-magnezowo-spinelowych) o określonym uziarnieniu i dobraniu odpowiednich spoiw, są one formowane w formie tygla poprzez procesy wibracji i ciśnienia izostatycznego. Korpus tygla jest suszony i przetwarzany w prefabrykowany tygiel w piecu tunelowym o wysokiej temperaturze wypalania ≥ 1700℃ × 8 godzin.

② Bezpośrednie ubijanie wewnątrz pieca; Dodaj odpowiednią ilość stałego kleju, takiego jak kwas borowy, w odpowiednim stosunku wielkości cząstek, wymieszaj równomiernie i ubijaj, aby uzyskać gęste wypełnienie. Podczas spiekania, zmieniając temperaturę każdej części, powstają różne mikrostruktury.

24. Z ilu warstw składa się struktura spiekana tygla i jaki ma to wpływ na jakość tygla?

Struktura spiekana tygla podzielona jest na trzy warstwy: warstwę spiekaną, warstwę półspiekaną i warstwę luźną.

Warstwa spiekana: Podczas procesu wypalania następuje rekrystalizacja wielkości cząstek. Z wyjątkiem średniej wielkości cząstek piasku w dolnej części temperatury, pierwotny udział jest niewidoczny, a struktura jest jednorodna i drobnoziarnista. Granice ziaren są bardzo wąskie, a zanieczyszczenia są redystrybuowane na nowych granicach ziaren. Warstwa spiekana to twarda powłoka znajdująca się w najgłębszej części ścianki tygla, która ma bezpośredni kontakt z roztopionym metalem i jest poddawana działaniu różnych sił, dlatego jest ona niezwykle ważna dla tygla.

Luźna warstwa: Podczas spiekania temperatura w pobliżu warstwy izolacyjnej jest niska, a piasek magnezowy nie może zostać spiekany ani związany przez fazę szklistą, pozostając w stanie całkowicie luźnym. Ta warstwa znajduje się w najbardziej zewnętrznej części tygla i spełnia następujące funkcje: po pierwsze, ze względu na luźną strukturę i słabą przewodność cieplną, ciepło przenoszone z wewnętrznej ściany tygla na zewnątrz jest redukowane, co zmniejsza straty ciepła, zapewnia izolację i poprawia sprawność cieplną wewnątrz tygla; po drugie, luźna warstwa pełni również funkcję ochronną. Ponieważ spiekana warstwa utworzyła powłokę i ma bezpośredni kontakt z ciekłym metalem, jest podatna na pękanie. Po pęknięciu stopiony ciekły metal wycieknie z pęknięcia, podczas gdy luźna warstwa jest mniej podatna na pękanie ze względu na swoją luźną strukturę. Ciecz metaliczna wyciekająca z warstwy wewnętrznej jest przez nią blokowana, zapewniając ochronę pierścienia pomiarowego; po trzecie, luźna warstwa nadal pełni funkcję bufora. Ze względu na to, że spiekana warstwa stała się twardą skorupą, podczas ogrzewania i chłodzenia następuje ogólne rozszerzanie i kurczenie objętości. Ze względu na luźną strukturę luźnej warstwy, pełni ona rolę bufora w zmianie objętości tygla.

Warstwa półspiekana (znana również jako warstwa przejściowa): znajduje się pomiędzy warstwą spiekaną a warstwą luźną, podzielona na dwie części. W pobliżu warstwy spiekanej zanieczyszczenia topią się i redystrybuują lub wiążą z cząsteczkami piasku magnezowego. Piasek magnezowy ulega częściowej rekrystalizacji, a duże cząsteczki piasku wydają się szczególnie gęste; części w pobliżu warstwy luźnej są całkowicie połączone klejem. Warstwa półspiekana pełni zarówno funkcję warstwy spiekanej, jak i luźnej.

25. Jak wybrać system pieca?

① Maksymalna temperatura pieca: Gdy grubość warstwy izolacyjnej tygla z węzłami wynosi 5-10 mm, w przypadku magnezji topionej elektrycznie, warstwa spiekana stanowi jedynie 13-15% grubości tygla po wypaleniu w temperaturze 1800°C. Po wypaleniu w temperaturze 2000°C stanowi ona 24-27%. Biorąc pod uwagę wytrzymałość tygla na wysokie temperatury, korzystniejsza jest wyższa temperatura pieca, ale trudno ją przegrzać. Powyżej 2000°C, w wyniku sublimacji tlenku magnezu lub redukcji tlenku magnezu przez węgiel, a także intensywnej rekrystalizacji tlenku magnezu, powstaje struktura plastra miodu. Dlatego maksymalna temperatura pieca powinna być utrzymywana poniżej 2000°C.

② Szybkość nagrzewania: Na wczesnym etapie nagrzewania, aby skutecznie usunąć wilgoć z materiałów ogniotrwałych, należy przeprowadzić odpowiednie nagrzewanie wstępne. Zasadniczo, poniżej 1500°C, szybkość nagrzewania powinna być niska. Gdy temperatura pieca przekroczy 1500°C, elektrycznie stopiony piasek magnezjowy zaczyna się spiekać. W tym momencie należy użyć dużej mocy, aby szybko nagrzać piec do oczekiwanej maksymalnej temperatury.

③ Czas izolacji: Po osiągnięciu przez piec najwyższej temperatury, należy przeprowadzić izolację w tej temperaturze. Czas izolacji różni się w zależności od rodzaju pieca i materiału, np. 15–20 minut dla małych tygli do elektrycznego topienia magnezu i 30–40 minut dla dużych i średnich tygli do elektrycznego topienia magnezu.

Dlatego należy odpowiednio dostosować szybkość nagrzewania podczas pieczenia w piekarniku i pieczenia w najwyższej temperaturze.