Что такое вакуумная индукционная плавка?

Вакуумная плавка — это метод плавки металлов и сплавов, осуществляемый в вакуумной среде.

Эта технология позволяет предотвратить загрязнение редких металлов атмосферой и тугоплавкими материалами, а также выполняет функцию очистки и очистки. Вакуумная плавка позволяет получать высококачественные металлы и сплавы с низким содержанием газа, малым количеством включений и небольшой сегрегацией. Этот метод имеет решающее значение для получения высокочистых и высококачественных металлических материалов, особенно подходящих для трудноплавких сплавов или металлов, требующих сверхвысокой чистоты. Методы вакуумной плавки включают электронно-лучевую плавку, вакуумную индукционную плавку, плавку в вакуумной дуговой печи и плавку в плазменной печи. Например, электронно-лучевая плавка использует высокоэнергетические электронные пучки для бомбардировки расплавленных материалов, быстро преобразуя их в тепловую энергию и плавя их. Этот метод подходит для плавки сложных и сверхчистых сплавов или металлов.

Кроме того, вакуумная плавка также помогает улучшить ударную вязкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость, характеристики ползучести при высоких температурах и магнитную проницаемость металлических материалов.

Плавка в вакуумной индукционной печи – это процесс создания вихревых токов в металлических проводниках в условиях вакуума с целью нагрева материала печи. Этот процесс характеризуется малым объёмом плавильной камеры, коротким временем откачки и плавки, удобным регулированием температуры и давления, возможностью вторичной переработки летучих элементов и точным контролем состава сплава. Благодаря этим характеристикам, в настоящее время он превратился в важное оборудование для производства специальных сплавов, таких как специальные стали, прецизионные сплавы, сплавы для электронагрева, жаропрочные сплавы и коррозионно-стойкие сплавы.

1. Что такое вакуум?

В закрытом сосуде, вследствие уменьшения числа молекул газа, давление, оказываемое ими на единицу площади, уменьшается. При этом давление внутри сосуда ниже нормального. Такое газовое пространство с давлением ниже нормального называется вакуумом.

2. Каков принцип работы вакуумной индукционной печи?

Основной метод заключается в применении электромагнитной индукции для создания тока в самом металлическом заряде, а затем в использовании сопротивления самого металлического заряда для преобразования электрической энергии в тепловую в соответствии с законом Джоуля-Ленца, который используется для плавки металлов.

3. Как создается электромагнитное перемешивание в вакуумной индукционной печи?

Расплавленный металл в тигле генерирует электрическую силу в магнитном поле, создаваемом индукционной катушкой. Из-за скин-эффекта вихревые токи, создаваемые расплавленным металлом, противоположны направлению тока, проходящего через индукционную катушку, что приводит к взаимному отталкиванию; Сила отталкивания, действующая на расплавленный металл, всегда направлена ​​к оси тигля, и расплавленный металл также выталкивается к центру тигля; Из-за того, что индукционная катушка представляет собой короткую катушку с короткими эффектами на обоих концах, соответствующая электрическая сила на обоих концах индукционной катушки уменьшается, и распределение электрической силы меньше на верхнем и нижнем концах и больше в середине. Под действием этой силы жидкий металл сначала движется от середины к оси тигля, а затем течет вверх и вниз к центру. Это явление продолжает циркулировать, образуя бурное движение жидкого металла. В процессе плавки можно устранить явление всплытия жидкого металла и его переворачивания вверх и вниз в центре тигля, что называется электромагнитным перемешиванием.

4. Какова функция электромагнитного перемешивания?

① Оно может ускорить скорость физических и химических реакций в процессе плавки; ② Выравнивает состав жидкого расплавленного металла; ③ Температура расплавленного металла в тигле, как правило, постоянна, что приводит к полному завершению реакции во время плавки; ④ Результат перемешивания преодолевает действие его собственного статического давления, выталкивая растворенные пузырьки глубоко в тигле на поверхность жидкости, облегчая выход газа и уменьшая содержание газовых включений в сплаве. Интенсивное перемешивание усиливает механическую эрозию расплавленного металла на тигле, влияя на срок его службы; ⑥ Ускоряет разложение огнеупорных материалов в тиглях при высоких температурах, что приводит к повторному загрязнению расплавленного сплава.

5. Что такое степень вакуума?

Степень вакуума характеризует разреженность газа ниже одной атмосферы, обычно выражаемой как давление.

6. Какова скорость утечки?

Скорость утечки — это величина увеличения давления за единицу времени после закрытия вакуумного оборудования.

7. Что такое скин-эффект?

Скин-эффект – это явление неравномерного распределения тока по сечению проводника (например, шихты в плавильной печи) при прохождении через него переменного тока. Чем выше поверхностная плотность тока в проводнике, тем ниже она к центру.

8. Что такое электромагнитная индукция?

Переменный ток, протекая по проводу, создаёт вокруг него переменное магнитное поле. При помещении замкнутого провода в переменное магнитное поле внутри него возникает переменный ток. Это явление называется электромагнитной индукцией.

10. Каковы преимущества плавки в вакуумных индукционных печах?

① Отсутствие загрязнения воздуха и шлака, выплавляемый сплав чистый и имеет высокий уровень эксплуатационных характеристик;

② Вакуумная плавка создает хорошие условия дегазации, что приводит к низкому содержанию газа в расплавленной стали и сплаве;

③ В условиях вакуума металлы нелегко окисляются;

④ Примеси (Pb, Bi и т. д.), вносимые сырьем, могут испаряться в вакуумном состоянии, что приводит к очистке материала;

⑤ При плавке в вакуумной индукционной печи можно использовать раскисление углеродом, а продуктом раскисления является газ, что обеспечивает высокую чистоту сплава;

⑥ Возможность точной регулировки и контроля химического состава;

⑦ Возвращенные материалы могут быть использованы.

11. Каковы недостатки плавки в вакуумных индукционных печах?

① Оборудование сложное, дорогое и требует больших инвестиций;

② Неудобное обслуживание, высокие затраты на плавку и относительно высокие затраты;

③ Загрязнение металла, вызванное огнеупорными материалами в тиглях в процессе плавки;

④ Партия продукции небольшая, а объем работ по контролю большой.

12. Каковы основные параметры и значения вакуумных насосов?

① Предельная степень вакуума: минимальное устойчивое значение давления (т. е. наивысшая устойчивая степень вакуума), которое можно получить после длительного периода опорожнения, когда входное отверстие вакуумного насоса герметично закрыто, называется максимальной степенью вакуума насоса.

2. Скорость откачки: объем газа, откачиваемый насосом за единицу времени, называется скоростью откачки вакуумного насоса.

③ Максимальное давление на выходе: максимальное значение давления, при котором газ выпускается из выпускного отверстия вакуумного насоса при нормальной работе.

④ Предварительное давление: максимальное значение давления, которое необходимо поддерживать на выпускном отверстии вакуумного насоса для обеспечения безопасной работы.

13. Как выбрать подходящую вакуумную насосную систему?

① Производительность вакуумного насоса соответствует определенному давлению на входе вакуумного насоса;

② Механические насосы, насосы Рутса и масляные подкачивающие насосы не могут напрямую выпускать отработавшие газы в атмосферу и должны полагаться на насос передней ступени для установления и поддержания заданного предварительного давления для нормальной работы.

14. Зачем в электрические цепи нужно добавлять конденсаторы?

Из-за большого расстояния между индукционной катушкой и металлическим материалом печи утечка магнитного поля весьма значительна, полезный магнитный поток очень мал, а реактивная мощность велика. Поэтому в емкостных цепях ток опережает напряжение. Для компенсации влияния индуктивности и повышения коэффициента мощности необходимо включить в цепь соответствующее количество электрических емкостей, чтобы конденсатор и индуктивность могли резонировать параллельно, тем самым повышая коэффициент мощности индукционной катушки.

15. Сколько частей составляет основное оборудование вакуумной индукционной печи?

Плавильная камера, заливочная камера, вакуумная система, система электропитания.

16. Каковы меры по обслуживанию вакуумной системы в процессе плавки?

① Качество масла и уровень масла вакуумного насоса в норме;

② Фильтрующий экран переворачивается нормально;

③ Герметичность каждого запорного клапана нормальная.

17. Каковы меры по техническому обслуживанию системы электроснабжения в процессе плавки?

① Температура охлаждающей воды конденсатора в норме;

② Температура масла трансформатора в норме;

③ Температура охлаждающей воды кабеля нормальная.

18. Какие требования предъявляются к тиглям при плавке в вакуумных индукционных печах?

① Обладает высокой термостойкостью, что позволяет избежать растрескивания при быстром охлаждении и нагревании;

② Обладает высокой химической стабильностью, что предотвращает загрязнение тигля огнеупорными материалами;

③ Иметь достаточно высокую огнестойкость и высокотемпературную структурную прочность, чтобы выдерживать высокие температуры и удары материалов печи;

④ Тигель должен иметь высокую плотность и гладкую рабочую поверхность, чтобы уменьшить площадь поверхности соприкосновения тигля с металлической жидкостью, а также снизить степень налипания остатков металла на поверхность тигля.

⑤ Обладает высокими изоляционными свойствами;

⑥ Небольшая усадка объема в процессе спекания;

⑦ Обладает низкой летучестью и хорошей устойчивостью к гидратации;

⑧ Материал тигля выделяет небольшое количество газа.

⑨ Тигель имеет обильные ресурсы материалов и низкие цены.

19. Как улучшить высокотемпературные характеристики тиглей?

① Уменьшите содержание CaO и соотношение CaO/SiO2 в песке MgO, чтобы уменьшить количество жидкой фазы и повысить температуру, при которой образуется жидкая фаза.

② Улучшить стабильность кристаллических зерен.

③ Достичь хорошего состояния рекристаллизации в спеченном слое, уменьшить пористость, уменьшить ширину границ зерен и сформировать мозаичную структуру, образуя прямое сочетание твердой и твердофазной фаз, тем самым снизить вредное воздействие жидкой фазы.

20. Как выбрать подходящий геометрический размер тигля?

① Толщина стенки тигля обычно составляет от 1/8 до 1/10 диаметра тигля (формованного);

② Жидкая сталь составляет 75% объема тигля;

③ Угол R составляет около 45°;

④ Толщина днища печи обычно в 1,5 раза превышает толщину стенки печи.

21. Какие клеи обычно используются для скрепления тиглей?

① Органические вещества: декстрин, жидкие отходы целлюлозы, органическая смола и т. д.;

② Неорганические вещества: силикат натрия, рассол, борная кислота, карбонат, глина и т. д.

22. Какова функция клея (H3BO3) для скрепления тиглей?

Борная кислота (H3BO3) может удалить всю влагу при нагревании ниже 300 ℃ при нормальных условиях и называется бороновым ангидридом (B2O3).

① При низких температурах часть MgO и Al2O3 может растворяться в жидком B2O3 с образованием ряда переходных продуктов, ускоряя твердофазную диффузию MgO · Al2O3 и способствуя рекристаллизации, в результате чего спекающийся слой тигля формируется при более низких температурах, тем самым снижая температуру спекания.

② Используя плавильное и связующее действие борной кислоты при средней температуре, можно утолщить полуспекаемый слой или повысить прочность тигля перед вторичным спеканием.

③ В магнезиальном песке, содержащем CaO, использование связующих веществ может подавить кристаллическую трансформацию 2CaO · SiO2 при температуре ниже 850 ℃.

23. Каковы различные методы формовки тиглей?

Два способа.

① Предварительное изготовление вне печи. После смешивания исходных материалов (электроплавленого магния или алюмо-магниевого шпинеля) с определённым соотношением размеров частиц и подбора соответствующих связующих материалов, они формуются в тигельной форме посредством виброобработки и изостатического давления. Корпус тигля высушивается и превращается в готовый тигель в высокотемпературной туннельной печи с максимальной температурой обжига ≥ 1700 ℃ в течение 8 часов.

② Непосредственно в печи: добавьте необходимое количество твёрдого клея, например, борной кислоты, в нужном соотношении частиц, равномерно перемешайте и утрамбуйте для достижения плотного заполнения. В процессе спекания за счёт изменения температуры каждой детали формируются различные микроструктуры.

24. Сколько слоев образуется в результате спекания в структуре тигля и как это влияет на качество тигля?

Спекающаяся структура тигля делится на три слоя: спекающийся слой, полуспекающийся слой и рыхлый слой.

Спекающийся слой: В процессе спекания происходит рекристаллизация частиц. За исключением частиц среднего размера в области низких температур, исходное соотношение практически не прослеживается, и структура становится однородной и мелкодисперсной. Границы зерен очень узкие, и примеси перераспределяются по новым границам зерен. Спеченный слой представляет собой твердую оболочку, расположенную в самой внутренней части стенки тигля, которая непосредственно контактирует с расплавленным металлом и воспринимает различные нагрузки, поэтому этот слой очень важен для тигля.

Рыхлый слой: Во время спекания температура вблизи изоляционного слоя низкая, и магниевый песок не может спекаться или связываться стеклофазой, оставаясь в полностью рыхлом состоянии. Этот слой расположен в самой внешней части тигля и служит следующим целям: во-первых, из-за его рыхлой структуры и плохой теплопроводности уменьшается теплопередача от внутренней стенки тигля наружу, что снижает потери тепла, обеспечивает изоляцию и повышает тепловой КПД внутри тигля; во-вторых, рыхлый слой также является защитным слоем. Поскольку спеченный слой образует оболочку и вступает в прямой контакт с жидким металлом, он склонен к растрескиванию. После того, как он треснет, расплавленный жидкий металл будет просачиваться через трещину, в то время как рыхлый слой менее склонен к растрескиванию благодаря своей рыхлой структуре. Жидкий металл, просачивающийся из внутреннего слоя, блокируется им, обеспечивая защиту чувствительного кольца; в-третьих, рыхлый слой по-прежнему является буфером. Поскольку спеченный слой превратился в твердую оболочку, при нагревании и охлаждении происходит общее расширение и сжатие объема. Благодаря рыхлой структуре рыхлый слой играет роль буфера при изменении объема тигля.

Полуспекающийся слой (также известный как переходный слой): расположен между спечённым и рыхлым слоями, разделён на две части. Вблизи спечённого слоя примеси расплавляются и перераспределяются или связываются с частицами магниевого песка. Магниевый песок подвергается частичной рекристаллизации, и крупные частицы песка приобретают особую плотность; части вблизи рыхлого слоя полностью связаны между собой адгезионным слоем. Полуспекающийся слой служит одновременно спечённым и рыхлым слоями.

25. Как выбрать систему обработки в печи?

① Максимальная температура печи: Если толщина изоляционного слоя узловатого тигля составляет 5-10 мм, для электроплавленой магнезии спеченный слой составляет всего 13-15% толщины тигля при обжиге при 1800 ℃. При обжиге в печи при 2000 ℃ он составляет 24-27%. Учитывая высокотемпературную прочность тигля, лучше иметь более высокую температуру печи, но ее нелегко поднять слишком высоко. При температуре выше 2000 ℃ он образует сотовую структуру из-за возгонки оксида магния или восстановления оксида магния углеродом, а также интенсивной рекристаллизации оксида магния. Поэтому максимальную температуру печи следует контролировать ниже 2000 ℃.

② Скорость нагрева: На начальном этапе нагрева, для эффективного удаления влаги из огнеупорных материалов, необходимо обеспечить достаточный предварительный нагрев. Как правило, при температуре ниже 1500 ℃ нагрев должен быть медленным. При достижении температуры выше 1500 ℃ электроплавленый магнезиальный песок начинает спекаться. В этот момент следует использовать высокую мощность для быстрого нагрева печи до ожидаемой максимальной температуры.

③ Время изоляции: После того, как температура печи достигнет максимальной, необходимо выполнить изоляцию при этой температуре. Время изоляции варьируется в зависимости от типа печи и материала, например, 15–20 минут для небольших плавильных магниевых тиглей и 30–40 минут для крупных и средних плавильных магниевых тиглей.

Поэтому скорость нагрева во время выпекания в духовке и при самой высокой температуре следует корректировать соответствующим образом.