O que é fusão por indução a vácuo?

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

Essa tecnologia pode impedir a contaminação de metais raros pela atmosfera e por materiais refratários, além de ter a função de purificação e limpeza. Por meio da fusão a vácuo, é possível obter metais e ligas de alta qualidade com baixo teor de gases, poucas inclusões e pequena segregação. Esse método é crucial para a obtenção de materiais metálicos de alta pureza e qualidade, sendo especialmente indicado para ligas ou metais de difícil fusão e que exigem pureza ultra-elevada. Os métodos de fusão a vácuo incluem a fusão por feixe de elétrons, a fusão por indução a vácuo, a fusão em forno a arco a vácuo e a 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 fundindo-os. Esse método é adequado para a fusão de ligas ou metais de alta dificuldade e que exigem pureza ultra-elevada.

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

A fusão em forno de indução a vácuo é um processo que utiliza indução eletromagnética para gerar correntes parasitas em condutores metálicos sob condições de vácuo, aquecendo o material do forno. Caracteriza-se por um pequeno volume da câmara de fusão, tempos curtos de bombeamento de vácuo e ciclo de fusão, controle preciso de temperatura e pressão, reciclagem de elementos voláteis e controle exato da composição da liga. Devido a essas características, tornou-se um equipamento importante para a produção de ligas especiais, como aços especiais, ligas de precisão, ligas para aquecimento elétrico, ligas para altas temperaturas e ligas resistentes à corrosão.

1. O que é vácuo?

Em um recipiente fechado, devido à diminuição do número de moléculas de gás, a pressão exercida por essas moléculas por unidade de área diminui. Nesse momento, a pressão dentro do recipiente é menor que a pressão normal. Esse tipo de espaço gasoso com pressão menor que a normal é chamado de vácuo.

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

O principal método consiste em aplicar indução eletromagnética para gerar corrente na própria carga metálica e, em seguida, aproveitar a resistência dessa carga para converter a energia elétrica em energia térmica, de acordo com a lei de Joule-Lenz, que é utilizada para fundir metais.

3. Como se forma 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 à direção da corrente que passa pela bobina de indução, resultando em repulsão mútua. A força repulsiva sobre o metal fundido sempre aponta para o eixo do cadinho, e o metal fundido também é empurrado em direção ao centro do cadinho. Como a bobina de indução é curta e apresenta curto-circuito nas extremidades, a força elétrica correspondente em cada extremidade diminui, sendo a distribuição da força elétrica menor nas extremidades superior e inferior e maior no centro. Sob essa força, o metal líquido se move primeiro do centro em direção ao eixo do cadinho e, em seguida, flui para cima e para baixo em direção ao centro. Esse fenômeno continua a circular, formando um movimento intenso do metal líquido. Durante a fundição propriamente dita, o fenômeno do metal líquido se expandir para cima e oscilar 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 Acelera a taxa de reações físicas e químicas durante o processo de fundição; ② Uniformiza a composição do metal líquido fundido; ③ A temperatura do metal fundido no cadinho tende a ser consistente, resultando na conclusão completa da reação durante a fusão; ④ A agitação supera o efeito da pressão estática, trazendo as bolhas dissolvidas do interior do cadinho para a superfície do líquido, facilitando a liberação de gases e reduzindo o teor de inclusões gasosas na liga. A agitação intensa aumenta a erosão mecânica do metal fundido no cadinho, afetando sua vida útil; ⑥ Acelera a decomposição de materiais refratários em cadinhos a altas temperaturas, resultando na recontaminação da liga fundida.

5. O que é grau de vácuo?

O grau de vácuo representa a rarefação de um gás abaixo de uma pressão atmosférica, geralmente expressa em pressão.

6. Qual é a taxa de vazamento?

A taxa de vazamento refere-se ao aumento da pressão por unidade de tempo após o fechamento do equipamento de vácuo.

7. Qual é o efeito na pele?

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

8. O que é indução eletromagnética?

A corrente alternada que passa por um fio gera um campo magnético alternado ao seu redor, enquanto que, ao colocar um fio fechado em um campo magnético variável, gera-se uma corrente alternada em seu interior. Esse fenômeno é chamado de indução eletromagnética.

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

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

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

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

④ As impurezas (Pb, Bi, etc.) trazidas pelas matérias-primas podem evaporar em estado de vácuo, resultando na purificação do material;

⑤ Durante a fundição em forno de indução a vácuo, pode-se utilizar a desoxidação do carbono, cujo produto de desoxigenação é gasoso, resultando em alta pureza da liga;

⑥ Permite ajustar e controlar com precisão a composição química;

⑦ Os materiais devolvidos podem ser reutilizados.

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

① O equipamento é complexo, caro e requer um grande investimento;

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

③ Contaminação por metais 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 seus significados em bombas de vácuo?

① Grau de vácuo extremo: O valor mínimo de pressão estável (ou seja, o maior grau de vácuo estável) que pode ser obtido após um longo período de esvaziamento, quando a entrada de uma bomba de vácuo está selada, 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 adequado?

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

② As bombas mecânicas, bombas Roots e bombas de reforço de óleo não podem descarregar diretamente para a atmosfera e devem depender da 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, a fuga magnética é muito significativa, o fluxo magnético útil é muito baixo e a potência reativa é alta. Portanto, em circuitos capacitivos, a corrente está adiantada em relação à tensão. Para compensar a influência da indutância e melhorar o fator de potência, é necessário incorporar um número adequado de componentes elétricos no circuito, de modo que o capacitor e o indutor possam ressoar em paralelo, melhorando assim o fator de potência da bobina de indução.

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

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

16. Quais são as medidas de manutenção para o 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 está invertida normalmente;

③ A vedação de cada válvula de isolamento está normal.

17. Quais são as medidas de manutenção para o sistema de fornecimento de energia durante o processo de fundição?

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

② A temperatura do óleo do transformador está normal;

③ A temperatura da água de refrigeração 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 resfriamento e aquecimento rápidos;

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

③ Possuir resistência ao fogo e resistência estrutural a altas temperaturas suficientes para suportar altas temperaturas e impactos de materiais do forno;

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

⑤ Possui elevadas propriedades de isolamento;

⑥ Pequena contração volumétrica durante o processo de sinterização;

⑦ Possui baixa volatilidade e boa resistência à hidratação;

⑧ O material do cadinho apresenta uma pequena liberação de gás.

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

19. Como melhorar o desempenho dos cadinhos em altas temperaturas?

① Reduzir o teor de CaO e a relação CaO/SiO2 na areia de MgO para diminuir a quantidade de fase líquida e aumentar a temperatura na qual a fase líquida é gerada.

② Melhorar a estabilidade dos grãos cristalinos.

③ Para alcançar um bom estado de recristalização na camada sinterizada, reduzir a porosidade, diminuir a largura do contorno de grão e formar uma estrutura em mosaico, promovendo uma combinação direta de fases sólidas e sólidas, reduzindo assim os efeitos nocivos da fase líquida.

20. Como escolher o tamanho geométrico apropriado do cadinho?

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

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

③ O ângulo de R é de aproximadamente 45°;

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

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

① Matéria orgânica: dextrina, líquido residual da polpa, resina orgânica, etc;

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

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

O ácido bórico (H3BO3) pode remover toda a umidade por aquecimento abaixo de 300 ℃ em circunstâncias normais, sendo então chamado de anidrido borônico (B2O3).

① Em baixas temperaturas, parte do MgO e do Al2O3 pode se dissolver no 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 Ao aproveitar 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 Em areia de magnésia contendo CaO, o uso de aglomerantes pode suprimir a transformação cristalina de 2CaO · SiO2 abaixo de 850 ℃.

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

De duas maneiras.

① Pré-fabricação fora do forno; Após a mistura das matérias-primas (magnésio fundido eletricamente ou materiais refratários de espinélio de alumínio-magnésio) com uma determinada proporção de tamanho de partícula e a seleção de adesivos apropriados, elas são moldadas em um 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 Mistura direta dentro do forno; Adicione uma quantidade adequada de adesivo sólido, como ácido bórico, na proporção de tamanho de partícula apropriada, misture uniformemente e utilize compactação para obter um preenchimento denso. Durante a sinterização, diferentes microestruturas são formadas pelas variações de temperatura de cada parte.

24. Quantas camadas são formadas na estrutura de sinterização do cadinho e qual o impacto disso na qualidade do cadinho?

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

Camada de sinterização: Durante o processo no forno, o tamanho das partículas sofre recristalização. Com exceção das partículas de areia de tamanho médio na extremidade de baixa temperatura, a proporção original desaparece completamente, apresentando-se uma estrutura uniforme e fina. Os contornos de grão são muito estreitos e as impurezas são redistribuídas nos novos contornos de grão. 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, sendo, portanto, muito importante para o cadinho.

Camada solta: Durante a sinterização, a temperatura próxima à camada isolante é baixa, e a areia de magnésio não pode ser sinterizada ou ligada pela fase vítrea, permanecendo em um estado completamente solto. Esta camada está localizada na parte mais externa do cadinho e serve aos seguintes propósitos: primeiro, devido à sua estrutura solta e baixa condutividade térmica, a transferência de calor da parede interna do cadinho para o exterior é reduzida, diminuindo a perda de calor, proporcionando isolamento e melhorando a eficiência térmica dentro do cadinho; segundo, a camada solta também funciona como uma camada protetora. Como a camada sinterizada forma uma casca e entra em contato direto com o metal líquido, ela é propensa a rachaduras. Uma vez que isso aconteça, o metal líquido fundido vazará pela rachadura, enquanto a camada solta é menos propensa a rachaduras devido à sua estrutura solta. O metal líquido que vaza da camada interna é bloqueado por ela, protegendo o anel sensor; terceiro, a camada solta também funciona como um amortecedor. Devido ao fato de a camada sinterizada ter se tornado uma casca rígida, ocorre expansão e contração volumétrica geral durante o aquecimento e o resfriamento. Devido à estrutura frouxa dessa camada, ela desempenha um papel de amortecimento na variação 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. Próximo à camada sinterizada, as impurezas fundem e se redistribuem ou se ligam às partículas de areia de magnésio. A areia de magnésio sofre recristalização parcial, e as partículas maiores de areia tornam-se particularmente densas; as partes próximas à camada solta são completamente unidas por adesivo. A camada semi-sinterizada funciona tanto como camada sinterizada quanto como camada solta.

25. Como escolher o sistema de processo do forno?

① Temperatura máxima do forno: Quando a espessura da camada isolante do cadinho trançado é de 5 a 10 mm, para magnésia fundida eletricamente, a camada sinterizada representa apenas 13 a 15% da espessura do cadinho quando aquecido a 1800 °C. Quando aquecido em um forno a 2000 °C, essa porcentagem sobe para 24 a 27%. Considerando a alta resistência do cadinho a altas temperaturas, é preferível uma temperatura mais elevada no forno, porém, é importante não ultrapassá-la. Quando a temperatura ultrapassa 2000 °C, forma-se 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 2000 °C.

② Taxa de aquecimento: No estágio inicial do aquecimento, para remover eficazmente a umidade dos materiais refratários, deve-se realizar um pré-aquecimento suficiente. Geralmente, a taxa de aquecimento deve ser lenta abaixo de 1500 °C; quando a temperatura do forno atinge mais de 1500 °C, a areia de magnésia fundida eletricamente começa a sinterizar. Nesse momento, deve-se usar alta potência para aquecer rapidamente até a temperatura máxima esperada do forno.

③ Tempo de isolamento: Após a temperatura do forno atingir a temperatura máxima, o isolamento deve ser realizado nessa temperatura. O tempo de isolamento varia dependendo do tipo de forno e do material, como por exemplo, 15 a 20 minutos para cadinhos de magnésio de pequeno porte para fusão elétrica e 30 a 40 minutos para cadinhos de magnésio de grande e médio porte para fusão elétrica.

Portanto, a taxa de aquecimento no forno e o tempo de cozimento na temperatura mais alta devem ser ajustados de acordo.