Що таке вакуумно-індукційне плавлення?

Вакуумне плавлення - це метод плавлення металів і сплавів, що здійснюється у вакуумному середовищі.

Ця технологія може запобігти забрудненню рідкісних металів атмосферою та вогнетривкими матеріалами, а також має функцію очищення та переробки. Завдяки вакуумному плавленню можна отримати високоякісні метали та сплави з низьким вмістом газу, невеликою кількістю включень та невеликою сегрегацією. Цей метод має вирішальне значення для отримання високочистих та високоякісних металевих матеріалів, особливо підходить для сплавів або металів, які важко плавити та потребують надвисокої чистоти. Методи вакуумного плавлення включають електронно-променеве плавлення, вакуумно-індукційне плавлення, плавлення у вакуумно-дуговій печі та плазмове плавлення. Наприклад, електронно-променеве плавлення використовує високоенергетичні електронні пучки для бомбардування розплавлених матеріалів, швидко перетворюючи їх на теплову енергію та плавлячи їх. Цей метод підходить для плавлення високоякісних та надвисокочистих сплавів або металів.

Крім того, вакуумне плавлення також допомагає покращити в'язкість, міцність на втому, корозійну стійкість, характеристики повзучості за високих температур та магнітну проникність металевих матеріалів.

Плавлення у вакуумній індукційній печі – це процес використання електромагнітної індукції для генерування вихрових струмів у металевих провідниках у вакуумних умовах з метою нагрівання матеріалу печі. Він характеризується малим об'ємом плавильної камери, коротким часом вакуумного відкачування та циклом плавлення, зручним контролем температури та тиску, можливістю переробки летких елементів та точним контролем складу сплаву. Завдяки вищезазначеним характеристикам, він став важливим обладнанням для виробництва спеціальних сплавів, таких як спеціальна сталь, прецизійні сплави, електронагрівальні сплави, жароміцні сплави та корозійностійкі сплави.

1. Що таке вакуум?

У закритій ємності, через зменшення кількості молекул газу, тиск, що чиниться молекулами газу на одиницю площі, зменшується. У цей час тиск усередині ємності нижчий за нормальний. Такий тип газового простору, в якому тиск нижчий за нормальний, називається вакуумом.

2. Який принцип роботи вакуумної індукційної печі?

Основний метод полягає у застосуванні електромагнітної індукції для генерації струму в самому металевому заряді, а потім спираючись на опір самого металевого заряду для перетворення електричної енергії в теплову згідно із законом Джоуля-Ленца, який використовується для плавлення металів.

3. Як утворюється електромагнітне перемішування у вакуумній індукційній печі?

Розплавлений метал у тиглі генерує електричну силу в магнітному полі, що генерується індукційною котушкою. Через скін-ефект вихрові струми, що генеруються розплавленим металом, протилежні напрямку струму, що проходить через індукційну котушку, що призводить до взаємного відштовхування; сила відштовхування на розплавленому металі завжди спрямована до осі тигля, і розплавлений метал також відштовхується до центру тигля; оскільки індукційна котушка є короткою котушкою з короткими ефектами на обох кінцях, відповідна електрична сила на обох кінцях індукційної котушки зменшується, а розподіл електричної сили менший на верхньому та нижньому кінцях і більший посередині. Під дією цієї сили рідкий метал спочатку рухається від середини до осі тигля, а потім тече вгору та вниз до центру. Це явище продовжує циркулювати, утворюючи сильний рух рідкого металу. Під час фактичного плавлення можна усунути явище випинання рідкого металу вгору та перекидання вгору та вниз у центрі тигля, що називається електромагнітним перемішуванням.

4. Яка функція електромагнітного перемішування?

① Це може прискорити швидкість фізичних та хімічних реакцій під час процесу плавлення; ② Уніфікувати склад рідкого розплавленого металу; ③ Температура розплавленого металу в тиглі, як правило, є постійною, що призводить до повного завершення реакції під час плавлення; ④ Результат перемішування долає вплив власного статичного тиску, перевертаючи розчинені бульбашки глибоко в тиглі на поверхню рідини, сприяючи виходу газу та зменшуючи вміст газових включень у сплаві. Інтенсивне перемішування посилює механічну ерозію розплавленого металу на тиглі, впливаючи на його термін служби; ⑥ Прискорює розкладання вогнетривких матеріалів у тиглях за високих температур, що призводить до повторного забруднення розплавленого сплаву.

5. Що таке ступінь вакууму?

Ступінь вакууму являє собою розрідженість газу при тиску нижче одного атмосферного, який зазвичай виражається як тиск.

6. Який коефіцієнт витоку?

Швидкість витоку відноситься до величини підвищення тиску за одиницю часу після закриття вакуумного обладнання.

7. Що таке скін-ефект?

Скін-ефект — це явище нерівномірного розподілу струму по поперечному перерізу провідника (що стосується шихти під час плавки), коли через нього проходить змінний струм. Чим вища поверхнева густина струму провідника, тим нижча густина струму до центру.

8. Що таке електромагнітна індукція?

Змінний струм проходить через дріт і генерує навколо нього змінне магнітне поле, тоді як розміщення замкнутого дроту в змінному магнітному полі генерує змінний струм всередині дроту. Це явище називається електромагнітною індукцією.

10. Які переваги плавки у вакуумній індукційній печі?

① Відсутність забруднення повітря та шлаку, виплавлений сплав чистий та має високий рівень експлуатаційних характеристик;

② Вакуумна плавка створює хороші умови для дегазації, що призводить до низького вмісту газу в розплавленій сталі та сплаві;

③ У вакуумних умовах метали нелегко окислюються;

④ Домішки (Pb, Bi тощо), що потрапляють із сировини, можуть випаровуватися у вакуумі, що призводить до очищення матеріалу;

⑤ Під час плавлення у вакуумній індукційній печі може бути використано розкислення вуглецю, а продуктом деоксигенації є газ, що призводить до високої чистоти сплаву;

⑥ Може точно регулювати та контролювати хімічний склад;

⑦ Повернені матеріали можна використовувати.

11. Які недоліки вакуумної індукційної плавки?

① Обладнання складне, дороге та вимагає значних інвестицій;

② Незручне обслуговування, високі витрати на плавку та відносно високі витрати;

③ Забруднення металу, спричинене вогнетривкими матеріалами в тиглях під час процесу плавки;

④ Партія виробництва невелика, а робоче навантаження з контролю велике.

12. Які основні параметри та значення вакуумних насосів?

① Граничний ступінь вакууму: Мінімальне стабільне значення тиску (тобто найвищий стабільний ступінь вакууму), яке можна отримати після тривалого періоду спорожнення, коли вхід вакуумного насоса герметичний, називається максимальним ступенем вакууму насоса.

② Швидкість відкачування: Об’єм газу, що відкачується насосом за одиницю часу, називається швидкістю відкачування вакуумного насоса.

③ Максимальний тиск на виході: Максимальне значення тиску, при якому газ виходить з випускного отвору вакуумного насоса під час нормальної роботи.

④ Попередній тиск: Максимальне значення тиску, яке необхідно підтримувати на випускному отворі вакуумного насоса для забезпечення безпечної роботи.

13. Як вибрати розумну систему вакуумного насоса?

① Швидкість відкачування вакуумного насоса відповідає певному тиску на вході вакуумного насоса;

② Механічні насоси, насоси Рутса та насоси для підвищення тиску нафти не можуть безпосередньо виводити рідину в атмосферу та повинні покладатися на насос переднього ступеня для встановлення та підтримки заданого попереднього тиску для нормальної роботи.

14. Чому конденсатори потрібно додавати до електричних кіл?

Через велику відстань між індукційною котушкою та металевим матеріалом печі, магнітні витоки є дуже серйозними, корисний магнітний потік дуже низький, а реактивна потужність висока. Тому в ємнісних колах струм випереджає напругу. Щоб компенсувати вплив індуктивності та покращити коефіцієнт потужності, необхідно включити в коло відповідну кількість електричних ємностей, щоб конденсатор та індуктор могли резонувати паралельно, тим самим покращуючи коефіцієнт потужності індукційної котушки.

15. Зі скількох частин складається основне обладнання вакуумної індукційної печі?

Плавильна камера, заливальна камера, вакуумна система, система живлення.

16. Які заходи з технічного обслуговування вакуумної системи під час процесу плавки?

① Якість та рівень оливи вакуумного насоса нормальні;

② Сітка фільтра перевертається звичайним чином;

③ Герметичність кожного запірного клапана нормальна.

17. Які заходи з технічного обслуговування системи електропостачання під час процесу плавки?

① Температура охолоджувальної води конденсатора нормальна;

② Температура трансформаторної оливи нормальна;

③ Температура охолоджувальної води кабелю нормальна.

18. Які вимоги до тиглів у вакуумній індукційній печі для плавлення?

① Має високу термічну стабільність, що запобігає розтріскуванню, спричиненому швидким охолодженням та нагріванням;

② Має високу хімічну стабільність, що запобігає забрудненню тигля вогнетривкими матеріалами;

③ Мати достатньо високу вогнестійкість та високотемпературну конструкційну міцність, щоб витримувати високі температури та вплив матеріалів печі;

④ Тигель повинен мати високу щільність та гладку робочу поверхню, щоб зменшити площу поверхні контакту між тиглем та металевою рідиною, а також зменшити ступінь адгезії залишків металу на поверхні тигля.

⑤ Має високі ізоляційні властивості;

⑥ Невелика усадка об'єму під час процесу спікання;

⑦ Має низьку летючість та добру стійкість до гідратації;

⑧ Матеріал тигля виділяє невелику кількість газу.

⑨ Тигель має великі ресурси матеріалів та низькі ціни.

19. Як покращити високотемпературні характеристики тиглів?

① Зменште вміст CaO та співвідношення CaO/SiO2 у MgO-піску, щоб зменшити кількість рідкої фази та підвищити температуру, за якої утворюється рідка фаза.

② Покращення стабільності кристалічних зерен.

③ Досягти хорошого стану рекристалізації в спеченому шарі, зменшити пористість, зменшити ширину меж зерен та сформувати мозаїчну структуру, утворюючи пряме поєднання твердої та твердої фаз, тим самим зменшуючи шкідливий вплив рідкої фази.

20. Як вибрати відповідний геометричний розмір тигля?

① Товщина стінки тигля зазвичай становить від 1/8 до 1/10 діаметра тигля (формованого);

② Рідка сталь становить 75% об'єму тигля;

③ Кут R становить близько 45°;

④ Товщина дна печі зазвичай у 1,5 раза більша за товщину стінки печі.

21. Які клеї зазвичай використовуються для зав'язування вузлів у тиглях?

① Органічна речовина: декстрин, рідкі відходи целюлози, органічна смола тощо;

② Неорганічні речовини: силікат натрію, розсіл, борна кислота, карбонат, глина тощо.

22. Яка функція клею (H3BO3) для зав'язування тиглів?

Борна кислота (H3BO3) може видалити всю вологу при нагріванні нижче 300 ℃ за нормальних умов і називається борним ангідридом (B2O3).

① За низьких температур деяка частина MgO та Al2O3 може розчинятися в рідкому B2O3, утворюючи серію перехідних продуктів, прискорюючи дифузію MgO · Al2O3 у твердій фазі та сприяючи перекристалізації, що призводить до формування шару спікання тигля за нижчих температур, тим самим знижуючи температуру спікання.

② Спираючись на ефект плавлення та склеювання борної кислоти за середньої температури, можна потовщити напівспечений шар або збільшити міцність тигля перед вторинним спіканням.

③ У магнезіальному піску, що містить CaO, використання зв'язуючих речовин може пригнічувати кристалічне перетворення 2CaO · SiO2 нижче 850 ℃.

23. Які існують різні методи формування тиглів?

Два способи.

① Попереднє виготовлення поза печтю; Після змішування сировини (вогнетривких матеріалів на основі електроплавленого магнію або алюмінієво-магнієвої шпінелі) з певним співвідношенням розмірів частинок та вибору відповідних клеїв, їх формують у тигельній формі за допомогою вібрації та ізостатичного тиску. Корпус тигля сушать та переробляють у попередньо виготовлений тигель у високотемпературній тунельній печі з максимальною температурою випалу ≥ 1700 ℃ × 8 годин.

② Безпосереднє утрамбовування всередині печі; Додайте відповідну кількість твердого клею, такого як борна кислота, до відповідного співвідношення розмірів частинок, рівномірно перемішайте та використовуйте трамбування для досягнення щільного заповнення. Під час спікання внаслідок зміни температури кожної деталі утворюються різні мікроструктури.

24. Скільки шарів утворюється спікаюча структура тигля, і який вплив це має на якість тигля?

Структура спікання тигля поділена на три шари: шар спікання, напівспікаючий шар та пухкий шар.

Шар спікання: Під час процесу випікання в печі розмір частинок зазнає рекристалізації. За винятком середнього розміру частинок піску на кінці низької температури, початкова пропорція взагалі не помітна, і присутня однорідна та дрібна структура. Межі зерен дуже вузькі, а домішки перерозподіляються на нових межах зерен. Спечений шар являє собою тверду оболонку, розташовану у внутрішній частині стінки тигля, яка безпосередньо контактує з розплавленим металом та несе різні навантаження, тому цей шар дуже важливий для тигля.

Пухкий шар: Під час спікання температура поблизу ізоляційного шару низька, і магнієвий пісок не може спікатися або зв'язуватися зі склофазою, залишаючись у повністю пухкому стані. Цей шар розташований у найзовнішій частині тигля та виконує такі функції: по-перше, через свою пухку структуру та погану теплопровідність, тепло, що передається від внутрішньої стінки тигля назовні, зменшується, що зменшує втрати тепла, забезпечує ізоляцію та покращує теплову ефективність всередині тигля; по-друге, пухкий шар також є захисним шаром. Оскільки спечений шар утворив оболонку та безпосередньо контактує з рідким металом, він схильний до розтріскування. Після розтріскування розплавлений рідкий метал просочується з тріщини, тоді як пухкий шар менш схильний до розтріскування через свою пухку структуру. Рідкий метал, що просочується з внутрішнього шару, блокується ним, забезпечуючи захист сенсорного кільця; по-третє, пухкий шар все ще є буфером. Через те, що спечений шар став твердою оболонкою, при нагріванні та охолодженні відбувається загальне розширення та стиснення об'єму. Через пухку структуру пухкого шару, він відіграє буферну роль у зміні об'єму тигля.

Напівспечений шар (також відомий як перехідний шар): розташований між спеченим шаром та пухким шаром, розділений на дві частини. Поблизу спеченого шару домішки плавляться та перерозподіляються або зв'язуються з частинками магнієвого піску. Магнієвий пісок зазнає часткової перекристалізації, і великі частинки піску виглядають особливо щільними; частини поблизу пухкого шару повністю з'єднані між собою клеєм. Напівспечений шар служить як спеченим, так і пухким шаром.

25. Як вибрати систему обробки печі?

① Максимальна температура печі: Якщо товщина ізоляційного шару вузлованого тигля становить 5-10 мм, то для електроплавленої магнезії спечений шар становить лише 13-15% товщини тигля при випіканні при 1800 ℃. При випіканні в печі при 2000 ℃ він становить 24-27%. Враховуючи високу термостійкість тигля, краще мати вищу температуру печі, але її нелегко досягти занадто високої. Коли температура перевищує 2000 ℃, він утворює стільникоподібну структуру через сублімацію оксиду магнію або відновлення оксиду магнію вуглецем, а також інтенсивну перекристалізацію оксиду магнію. Тому максимальну температуру печі слід контролювати нижче 2000 ℃.

② Швидкість нагрівання: На ранній стадії нагрівання, щоб ефективно видалити вологу з вогнетривких матеріалів, слід проводити достатній попередній нагрівання. Як правило, швидкість нагрівання повинна бути повільною нижче 1500 ℃; коли температура печі досягає вище 1500 ℃, електроплавлений магнезіальний пісок починає спікатися. У цей час слід використовувати високу потужність для швидкого нагрівання до очікуваної максимальної температури печі.

③ Час ізоляції: Після того, як температура печі досягне найвищої температури, необхідно виконати ізоляцію за цієї температури. Час ізоляції залежить від типу печі та матеріалу, наприклад, 15-20 хвилин для малих магнієвих тиглів для електроплавлення та 30-40 хвилин для великих та середніх магнієвих тиглів для електроплавлення.

Тому швидкість нагрівання під час випікання та випікання за найвищої температури слід відповідно скоригувати.