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O que é fusão por indução a vácuo?

Marchar 27, 2024

Derretimento a vácuo é uma técnica de fusão de metais e ligas realizada em ambiente de vácuo.  


Esta tecnologia pode evitar que metais raros sejam contaminados pela atmosfera e materiais refratários, e tem a função de purificação e purificação. Por fusão a vácuo, podem ser obtidos metais e ligas de alta qualidade com baixo teor de gás, poucas inclusões e pequena segregação. Este método é crucial para a obtenção de materiais metálicos de alta pureza e qualidade, especialmente adequados para ligas ou metais que são difíceis de fundir e requerem pureza ultra-alta. Os métodos de fusão a vácuo incluem fusão por feixe de elétrons, fusão por indução a vácuo, fusão em forno a arco a vácuo e fusão em forno de plasma. Por exemplo, a fusão por feixe de elétrons utiliza feixes de elétrons de alta energia para bombardear materiais fundidos, convertendo-os rapidamente em energia térmica e derretendo-os. Este método é adequado para fundir ligas ou metais de alta dificuldade e pureza ultra-alta.


Além disso, a fusão a vácuo também ajuda a melhorar a tenacidade, resistência à fadiga, resistência à corrosão, desempenho de fluência em alta temperatura e permeabilidade magnética de materiais metálicos.


Forno de indução a vácuoa fusão é um processo de uso de indução eletromagnética para gerar correntes parasitas em condutores metálicos sob condições de vácuo para aquecer o material do forno. Possui as características de pequeno volume da câmara de fusão, curto tempo de bombeamento a vácuo e ciclo de fusão, controle conveniente de temperatura e pressão, reciclabilidade de elementos voláteis e controle preciso da composição da liga. Devido às características acima, tornou-se um importante equipamento para a produção de ligas especiais, como aços especiais, ligas de precisão, ligas de aquecimento elétrico, ligas de alta temperatura e ligas resistentes à corrosão.

1. O que é vácuo?


Em  recipiente fechado, devido à diminuição do número de moléculas de gás, a pressão exercida pelas moléculas de gás em uma unidade de área diminui. Neste momento, a pressão dentro do recipiente é inferior à pressão normal. Este tipo de espaço gasoso com pressão inferior à normal é denominado vácuo.

2. Qual é o princípio de funcionamento de um forno de indução a vácuo?


O método principal é aplicar indução eletromagnética para gerar corrente na própria carga metálica e, em seguida, contar com a resistência da própria carga metálica para converter energia elétrica em energia térmica de acordo com a lei de Joule Lenz, que é usada para derreter metais.


3. Como é formada a agitação eletromagnética em um forno de indução a vácuo?


O metal fundido no cadinho gera força elétrica no campo magnético gerado pela bobina de indução. Devido ao efeito pelicular, as correntes parasitas geradas pelo metal fundido são opostas ao sentido da corrente que passa pela bobina de indução, resultando em repulsão mútua; A força repulsiva no metal fundido sempre aponta para o eixo do cadinho, e o metal fundido também é empurrado para o centro do cadinho; Devido ao fato de a bobina de indução ser uma bobina curta com efeitos curtos em ambas as extremidades, a força elétrica correspondente em ambas as extremidades da bobina de indução diminui e a distribuição da força elétrica é menor nas extremidades superior e inferior e maior nas extremidades. meio. Sob esta força, o líquido metálico move-se primeiro do meio em direção ao eixo do cadinho e depois flui para cima e para baixo em direção ao centro. Este fenômeno continua a circular, formando um movimento violento do líquido metálico. Durante a fundição real, o fenômeno do líquido metálico saltando para cima e girando para cima e para baixo no centro do cadinho pode ser eliminado, o que é chamado de agitação eletromagnética.


4. Qual é a função da agitação eletromagnética?


① Pode acelerar a taxa de reações físicas e químicas durante o processo de fundição; ② Unificar a composição do líquido metálico fundido; ③ A temperatura do metal fundido no cadinho tende a ser consistente, resultando na conclusão completa da reação durante a fusão; ④ O resultado da agitação supera o efeito de sua própria pressão estática, lançando as bolhas dissolvidas profundamente no cadinho sobre a superfície do líquido, facilitando a descarga de gás e reduzindo o conteúdo de inclusão de gás da liga. A agitação intensa aumenta a erosão mecânica do metal fundido em o cadinho, afetando sua vida útil; ⑥ Acelerar a decomposição de materiais refratários em cadinhos em altas temperaturas, resultando na recontaminação da liga fundida.


5. Qual é o grau de vácuo?


O grau de vácuo representa a espessura de um gás abaixo de uma pressão atmosférica, comumente expressa como pressão.


6. Qual é a taxa de vazamento?


A taxa de vazamento refere-se à quantidade de aumento de pressão por unidade de tempo após o equipamento de vácuo ser fechado.


7. Qual é o efeito de pele?


O efeito pelicular refere-se ao fenômeno de distribuição desigual de corrente na seção transversal de um condutor (referindo-se à carga do forno na fundição) quando a corrente alternada passa por ele. Quanto maior for a densidade de corrente superficial do condutor, menor será a densidade de corrente em direção ao centro.


8. O que é indução eletromagnética?


A corrente alternada passa através de um fio e gera um campo magnético alternado ao seu redor, enquanto colocar um fio fechado em um campo magnético variável gera corrente alternada dentro do fio. Este fenômeno é chamado de indução eletromagnética.

10. Quais são as vantagens da fundição em forno de indução a vácuo?



① Sem poluição do ar e escória, a liga fundida é pura e possui alto nível de desempenho;



② A fundição a vácuo cria boas condições de desgaseificação, resultando em baixo teor de gás no aço e liga fundidos;



③ Sob condições de vácuo, os metais não são facilmente oxidados;



④ As impurezas (Pb, Bi, etc.) trazidas pelas matérias-primas podem evaporar no estado de vácuo, resultando na purificação do material;



⑤ Durante a fundição em forno de indução a vácuo, a desoxidação de carbono pode ser usada e o produto de desoxigenação é gás, resultando em alta pureza da liga;



⑥ Pode ajustar e controlar com precisão a composição química;



⑦ Materiais devolvidos podem ser usados.



11. Quais são as desvantagens da fundição em forno de indução a vácuo?




① O equipamento é complexo, caro e exige grande investimento;



② Manutenção inconveniente, altos custos de fundição e custos relativamente altos;



③ Contaminação metálica causada por materiais refratários em cadinhos durante o processo de fundição;



④ O lote de produção é pequeno e a carga de trabalho de inspeção é grande.



12. Quais são os principais parâmetros básicos e significados das bombas de vácuo?



① Grau de vácuo extremo: O valor mínimo de pressão estável (ou seja, o grau de vácuo estável mais alto) que pode ser obtido após um longo período de esvaziamento quando a entrada de uma bomba de vácuo é vedada é chamado de grau de vácuo máximo da bomba.


② Taxa de evacuação: O volume de gás extraído por uma bomba por unidade de tempo é chamado de taxa de bombeamento de uma bomba de vácuo.


③ Pressão máxima de saída: O valor máximo de pressão no qual o gás é descarregado da porta de exaustão de uma bomba de vácuo durante a operação normal.


④ Pré-pressão: O valor máximo de pressão que precisa ser mantido na porta de exaustão da bomba de vácuo para garantir uma operação segura.



13. Como escolher um sistema de bomba de vácuo razoável?



① A taxa de bombeamento de uma bomba de vácuo corresponde a uma certa pressão de entrada da bomba de vácuo;


② Bombas mecânicas, bombas Roots e bombas de reforço de óleo não podem liberar diretamente para a atmosfera e devem contar com a bomba do estágio frontal para estabelecer e manter a pré-pressão prescrita para operar normalmente.


14. Por que é necessário adicionar capacitores aos circuitos elétricos?


Devido à grande distância entre a bobina de indução e o material metálico do forno, o vazamento magnético é muito sério, o fluxo magnético útil é muito baixo e a potência reativa é alta. Portanto, em circuitos capacitivos, a corrente está à frente da tensão. Para compensar a influência da indutância e melhorar o fator de potência, é necessário incorporar um número adequado de recipientes elétricos no circuito, para que o capacitor e o indutor possam ressoar em paralelo, melhorando assim o fator de potência da bobina de indução.


15. Quantas peças constituem o equipamento principal de um forno de indução a vácuo?


Câmara de fusão, câmara de vazamento, sistema de vácuo, sistema de alimentação.

16. Quais são as medidas de manutenção do sistema de vácuo durante o processo de fundição?




① A qualidade e o nível do óleo da bomba de vácuo estão normais;




② A tela do filtro é invertida normalmente;




③ A vedação de cada válvula de isolamento é normal.




17. Quais são as medidas de manutenção do sistema de alimentação durante o processo de fundição?




① A temperatura da água de resfriamento do capacitor está normal;




② A temperatura do óleo do transformador está normal;




③ A temperatura da água de resfriamento do cabo está normal.




18. Quais são os requisitos para cadinhos na fusão em forno de indução a vácuo?




① Possui alta estabilidade térmica para evitar rachaduras causadas por rápido resfriamento e aquecimento;




② Possui alta estabilidade química para evitar contaminação do cadinho por materiais refratários;




③ Ter alta resistência ao fogo e resistência estrutural a altas temperaturas suficientes para suportar altas temperaturas e impactos do material do forno;




④ O cadinho deve ter alta densidade e uma superfície de trabalho lisa para reduzir a área de superfície de contato entre o cadinho e o líquido metálico e para reduzir o grau de adesão de resíduos metálicos na superfície do cadinho.




⑤ Possui altas propriedades de isolamento;




⑥ Encolhimento de pequeno volume durante o processo de sinterização;




⑦ Possui baixa volatilidade e boa resistência à hidratação;




⑧ O material do cadinho libera uma pequena quantidade de gás.




⑨ O cadinho possui recursos abundantes de materiais e preços baixos.




19. Como melhorar o desempenho de cadinhos em alta temperatura?




① Reduza o teor de CaO e a proporção de CaO/SiO2 na areia de MgO para reduzir a quantidade de fase líquida e aumentar a temperatura na qual a fase líquida é gerada.




② Melhore a estabilidade dos grãos de cristal.




③ Alcançar um bom estado de recristalização na camada sinterizada, reduzir a porosidade, reduzir a largura dos limites dos grãos e formar uma estrutura em mosaico, formando uma combinação direta de fases sólidas e sólidas, reduzindo assim os efeitos nocivos da fase líquida.


20. Como escolher o tamanho geométrico adequado do cadinho?




① A espessura da parede do cadinho é geralmente de 1/8 a 1/10 do diâmetro do cadinho (formado);




② O líquido de aço representa 75% do volume do cadinho;




③ O ângulo de R é em torno de 45°;




④ A espessura do fundo do forno é geralmente 1,5 vezes maior que a da parede do forno.




21. Quais são os adesivos comumente usados ​​para amarrar cadinhos?




① Matéria orgânica: dextrina, líquido residual de celulose, resina orgânica, etc;




② Substâncias inorgânicas: silicato de sódio, salmoura, ácido bórico, carbonato, argila, etc.




22. Qual a função do adesivo (H3BO3) para amarrar cadinhos?




O ácido bórico (H3BO3) pode remover toda a umidade aquecendo abaixo de 300 ℃ em circunstâncias normais e é chamado de anidrido borônico (B2O3).




① Em baixas temperaturas, alguns MgO e Al2O3 podem se dissolver em B2O3 líquido para formar uma série de produtos de transição, acelerando a difusão da fase sólida de MgO · Al2O3 e promovendo a recristalização, fazendo com que a camada de sinterização do cadinho se forme em temperaturas mais baixas, reduzindo assim a temperatura de sinterização.




② Contando com o efeito de fusão e ligação do ácido bórico em temperatura média, a camada semi-sinterizada pode ser espessada ou a resistência do cadinho antes da sinterização secundária pode ser aumentada.




③ Na areia de magnésia contendo CaO, o uso de ligantes pode suprimir a transformação cristalina de 2CaO · SiO2 abaixo de 850 ℃.




23. Quais são os vários métodos de moldagem de cadinhos?




Dois caminhos.




① Pré-fabricação fora do forno; Depois de misturar as matérias-primas (materiais refratários de magnésio fundido elétrico ou espinélio de alumínio e magnésio) com uma determinada proporção de tamanho de partícula e selecionar os adesivos apropriados, eles são formados no molde do cadinho por meio de processos de vibração e pressão isostática. O corpo do cadinho é seco e processado em um cadinho pré-fabricado em um forno túnel de alta temperatura com temperatura máxima de queima de ≥ 1700 ℃ × 8 horas.




② Batendo diretamente dentro do forno; Adicione uma quantidade apropriada de adesivo sólido, como ácido bórico, à proporção apropriada de tamanho de partícula, misture uniformemente e calce para obter um enchimento denso. Durante a sinterização, diferentes microestruturas são formadas pela variação da temperatura de cada peça.

24. Quantas camadas é formada a estrutura de sinterização do cadinho e qual o impacto na qualidade do cadinho?




A estrutura de sinterização do cadinho é dividida em três camadas: camada de sinterização, camada semi-sinterizante e camada solta.




Camada de sinterização: Durante o processo de forno, o tamanho das partículas sofre recristalização. Exceto pelo tamanho médio das partículas de areia na extremidade de baixa temperatura, a proporção original não pode ser vista e uma estrutura uniforme e fina é apresentada. Os limites dos grãos são muito estreitos e as impurezas são redistribuídas nos novos limites dos grãos. A camada sinterizada é uma casca dura localizada na parte mais interna da parede do cadinho, que entra em contato direto com o metal fundido e suporta diversas forças, portanto esta camada é muito importante para o cadinho.




Camada solta: Durante a sinterização, a temperatura próxima à camada de isolamento é baixa, e a areia de magnésio não pode ser sinterizada ou ligada pela fase vítrea, permanecendo completamente solta. Esta camada está localizada na parte mais externa do cadinho e tem as seguintes finalidades: em primeiro lugar, devido à sua estrutura solta e baixa condutividade térmica, o calor transferido da parede interna do cadinho para o exterior é reduzido, reduzindo a perda de calor, proporcionando isolamento e melhoria da eficiência térmica dentro do cadinho; Em segundo lugar, a camada solta também é uma camada protetora. Como a camada sinterizada formou uma casca e entra em contato direto com o metal líquido, ela está sujeita a rachaduras. Depois de rachar, o metal líquido fundido vazará da rachadura, enquanto a camada solta é menos propensa a rachar devido à sua estrutura solta. O líquido metálico que sai da camada interna é bloqueado por ela, proporcionando proteção ao anel sensor; Em terceiro lugar, a camada solta ainda é um buffer. Devido ao fato de a camada sinterizada ter se tornado uma casca dura, a expansão e contração geral do volume ocorrem quando aquecida e resfriada. Devido à estrutura solta da camada solta, ela desempenha um papel amortecedor na mudança de volume do cadinho.




Camada semi-sinterizada (também conhecida como camada de transição): localizada entre a camada sinterizada e a camada solta, dividida em duas partes. Perto da camada sinterizada, as impurezas derretem e se redistribuem ou se ligam às partículas de areia de magnésio. A areia de magnésio sofre recristalização parcial e grandes partículas de areia parecem particularmente densas; As peças próximas à camada solta são completamente unidas por adesivo. A camada semi-sinterizada serve tanto como camada sinterizada quanto como camada solta.




25. Como escolher o sistema de processamento do forno?




① Temperatura máxima do forno: Quando a espessura da camada de isolamento do cadinho com nós é de 5 a 10 mm, para magnésia fundida elétrica, a camada sinterizada representa apenas 13 a 15% da espessura do cadinho quando cozida a 1800 ℃. Quando assado em forno a 2.000 ℃, representa 24-27%. Considerando a resistência do cadinho a altas temperaturas, é melhor ter uma temperatura de forno mais alta, mas não é fácil chegar muito alta. Quando a temperatura é superior a 2.000 ℃, forma uma estrutura semelhante a um favo de mel devido à sublimação do óxido de magnésio ou à redução do óxido de magnésio pelo carbono, bem como à intensa recristalização do óxido de magnésio. Portanto, a temperatura máxima do forno deve ser controlada abaixo de 2.000 ℃.




② Taxa de aquecimento: Na fase inicial do aquecimento, para remover efetivamente a umidade dos materiais refratários, deve ser realizado um pré-aquecimento suficiente. Geralmente, a taxa de aquecimento deve ser lenta abaixo de 1.500 ℃; Quando a temperatura do forno atinge acima de 1500 ℃, a areia de magnésia fundida elétrica começa a sinterizar. Neste momento, deve-se usar alta potência para aquecer rapidamente até a temperatura máxima esperada do forno.




③ Tempo de isolamento: Depois que a temperatura do forno atinge a temperatura mais alta do forno, o isolamento precisa ser realizado nessa temperatura. O tempo de isolamento varia dependendo do tipo e material do forno, como 15-20 minutos para cadinhos de magnésio de fusão elétrica pequenos e 30-40 minutos para cadinhos de magnésio de fusão elétrica grandes e médios.




Portanto, a taxa de aquecimento durante o forno e a cozedura à temperatura de cozedura mais elevada deve ser ajustada em conformidade.


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