Nấu chảy cảm ứng chân không là gì?

Nấu chảy chân không là kỹ thuật nấu chảy kim loại và hợp kim được thực hiện trong môi trường chân không.

Công nghệ này có thể ngăn ngừa kim loại hiếm bị ô nhiễm bởi khí quyển và vật liệu chịu lửa, đồng thời có chức năng tinh chế và làm sạch. Bằng cách nấu chảy chân không, có thể thu được kim loại và hợp kim chất lượng cao với hàm lượng khí thấp, ít tạp chất và độ phân tách nhỏ. Phương pháp này rất quan trọng để thu được vật liệu kim loại có độ tinh khiết cao và chất lượng cao, đặc biệt phù hợp với các hợp kim hoặc kim loại khó nấu chảy và yêu cầu độ tinh khiết cực cao. Các phương pháp nấu chảy chân không bao gồm nấu chảy bằng chùm tia điện tử, nấu chảy cảm ứng chân không, nấu chảy bằng lò hồ quang chân không và nấu chảy bằng lò plasma. Ví dụ, nấu chảy bằng chùm tia điện tử sử dụng chùm tia điện tử năng lượng cao để bắn phá vật liệu nóng chảy, nhanh chóng chuyển đổi chúng thành năng lượng nhiệt và làm nóng chảy chúng. Phương pháp này phù hợp để nấu chảy các hợp kim hoặc kim loại có độ khó cao và độ tinh khiết cực cao.

Ngoài ra, nấu chảy chân không còn giúp cải thiện độ dẻo dai, độ bền mỏi, khả năng chống ăn mòn, hiệu suất kéo dài ở nhiệt độ cao và độ từ thẩm của vật liệu kim loại.

Lò nung cảm ứng chân không là quá trình sử dụng cảm ứng điện từ để tạo ra dòng điện xoáy trong vật liệu dẫn kim loại trong điều kiện chân không để gia nhiệt vật liệu lò. Lò nung này có các đặc điểm như thể tích buồng nung nhỏ, thời gian bơm chân không và chu kỳ nung ngắn, kiểm soát nhiệt độ và áp suất thuận tiện, khả năng tái chế các nguyên tố dễ bay hơi và kiểm soát chính xác thành phần hợp kim. Nhờ những đặc điểm trên, lò nung cảm ứng chân không hiện nay đã phát triển thành một thiết bị quan trọng để sản xuất các hợp kim đặc biệt như thép đặc biệt, hợp kim chính xác, hợp kim gia nhiệt bằng điện, hợp kim chịu nhiệt độ cao và hợp kim chống ăn mòn.

1. Chân không là gì?

Trong bình kín, do số lượng phân tử khí giảm, áp suất do các phân tử khí tác dụng lên một đơn vị diện tích cũng giảm. Lúc này, áp suất bên trong bình thấp hơn áp suất bình thường. Loại không gian khí có áp suất thấp hơn áp suất bình thường này được gọi là chân không.

2. Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng chân không là gì?

Phương pháp chính là áp dụng cảm ứng điện từ để tạo ra dòng điện trong chính điện tích kim loại, sau đó dựa vào điện trở của chính điện tích kim loại để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt theo định luật Joule-Lenz được sử dụng để nấu chảy kim loại.

3. Quá trình khuấy điện từ trong lò cảm ứng chân không được hình thành như thế nào?

Kim loại nóng chảy trong nồi nấu kim loại tạo ra lực điện trong từ trường do cuộn dây cảm ứng tạo ra. Do hiệu ứng bề mặt, dòng điện xoáy do kim loại nóng chảy tạo ra ngược chiều với dòng điện chạy qua cuộn dây cảm ứng, dẫn đến đẩy lẫn nhau; Lực đẩy tác dụng lên kim loại nóng chảy luôn hướng về trục của nồi nấu kim loại, và kim loại nóng chảy cũng bị đẩy về phía tâm của nồi nấu kim loại; Do cuộn dây cảm ứng là cuộn dây ngắn có tác dụng ngắn ở cả hai đầu, nên lực điện tương ứng ở cả hai đầu của cuộn dây cảm ứng giảm và sự phân bố lực điện nhỏ hơn ở đầu trên và đầu dưới và lớn hơn ở giữa. Dưới lực này, kim loại lỏng đầu tiên di chuyển từ giữa về phía trục của nồi nấu kim loại, sau đó chảy lên trên và xuống dưới về phía tâm. Hiện tượng này tiếp tục tuần hoàn, tạo thành chuyển động mạnh mẽ của kim loại lỏng. Trong quá trình nấu chảy thực tế, hiện tượng kim loại lỏng phồng lên và lật lên xuống ở tâm nồi nấu kim loại có thể được loại bỏ, đây được gọi là khuấy điện từ.

4. Chức năng của khuấy điện từ là gì?

① Có thể tăng tốc độ phản ứng vật lý và hóa học trong quá trình nấu chảy; ② Thống nhất thành phần của chất lỏng kim loại nóng chảy; ③ Nhiệt độ của kim loại nóng chảy trong nồi nấu có xu hướng ổn định, dẫn đến phản ứng hoàn thành hoàn toàn trong quá trình nấu chảy; ④ Kết quả của việc khuấy sẽ khắc phục tác dụng của áp suất tĩnh của chính nó, lật các bọt khí hòa tan sâu trong nồi nấu lên bề mặt chất lỏng, tạo điều kiện thoát khí và giảm hàm lượng khí tạp chất của hợp kim. Khuấy mạnh làm tăng quá trình xói mòn cơ học của kim loại nóng chảy trên nồi nấu, ảnh hưởng đến tuổi thọ của nó; ⑥ Tăng tốc quá trình phân hủy vật liệu chịu lửa trong nồi nấu ở nhiệt độ cao, dẫn đến việc tái nhiễm bẩn hợp kim nóng chảy.

5. Độ chân không là gì?

Độ chân không biểu thị độ mỏng của khí dưới một áp suất khí quyển, thường được biểu thị bằng áp suất.

6. Tỷ lệ rò rỉ là bao nhiêu?

Tỷ lệ rò rỉ đề cập đến lượng áp suất tăng trên một đơn vị thời gian sau khi thiết bị chân không đóng lại.

7. Hiệu ứng da là gì?

Hiệu ứng bề mặt là hiện tượng dòng điện phân bố không đều trên mặt cắt ngang của vật dẫn (ám chỉ điện tích lò nung trong luyện kim) khi dòng điện xoay chiều chạy qua. Mật độ dòng điện bề mặt của vật dẫn càng cao thì mật độ dòng điện càng thấp về phía tâm.

8. Cảm ứng điện từ là gì?

Dòng điện xoay chiều chạy qua một dây dẫn và tạo ra một từ trường xoay chiều xung quanh nó, trong khi đặt một dây dẫn kín trong từ trường biến thiên sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều bên trong dây dẫn. Hiện tượng này được gọi là cảm ứng điện từ.

10. Ưu điểm của phương pháp luyện kim bằng lò cảm ứng chân không là gì?

① Không có ô nhiễm không khí và xỉ, hợp kim nấu chảy tinh khiết và có hiệu suất cao;

② Luyện chân không tạo ra điều kiện thoát khí tốt, dẫn đến hàm lượng khí thấp trong thép và hợp kim nóng chảy;

③ Trong điều kiện chân không, kim loại không dễ bị oxy hóa;

④ Các tạp chất (Pb, Bi, v.v.) do nguyên liệu thô đưa vào có thể bay hơi ở trạng thái chân không, dẫn đến quá trình tinh chế vật liệu;

⑤ Trong quá trình nấu chảy bằng lò cảm ứng chân không, có thể sử dụng phương pháp khử oxy cacbon, sản phẩm khử oxy là khí, tạo ra hợp kim có độ tinh khiết cao;

⑥ Có thể điều chỉnh và kiểm soát chính xác thành phần hóa học;

⑦ Có thể sử dụng vật liệu trả lại.

11. Nhược điểm của phương pháp luyện kim bằng lò cảm ứng chân không là gì?

① Thiết bị phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi đầu tư lớn;

② Bảo trì bất tiện, chi phí luyện kim cao, chi phí tương đối cao;

③ Ô nhiễm kim loại do vật liệu chịu lửa trong nồi nấu kim loại trong quá trình nấu chảy;

④ Lô sản xuất nhỏ, khối lượng công việc kiểm tra lớn.

12. Các thông số cơ bản và ý nghĩa chính của máy bơm chân không là gì?

① Độ chân không cực đại: Giá trị áp suất ổn định nhỏ nhất (tức là độ chân không ổn định cao nhất) có thể đạt được sau một thời gian dài xả khí khi đầu vào của bơm chân không bịt kín được gọi là độ chân không lớn nhất của bơm.

② Tốc độ chân không: Thể tích khí được bơm hút ra trong một đơn vị thời gian được gọi là tốc độ bơm của bơm chân không.

③ Áp suất đầu ra tối đa: Giá trị áp suất tối đa mà khí được xả ra từ cửa xả của bơm chân không trong quá trình hoạt động bình thường.

④ Áp suất trước: Giá trị áp suất tối đa cần duy trì tại cửa xả của bơm chân không để đảm bảo hoạt động an toàn.

13. Làm thế nào để lựa chọn hệ thống bơm chân không hợp lý?

① Tốc độ bơm của máy bơm chân không tương ứng với một áp suất đầu vào nhất định của máy bơm chân không;

② Bơm cơ học, bơm Roots và bơm tăng áp dầu không thể xả trực tiếp vào khí quyển và phải dựa vào bơm tầng trước để thiết lập và duy trì áp suất trước theo quy định để hoạt động bình thường.

14. Tại sao cần phải thêm tụ điện vào mạch điện?

Do khoảng cách lớn giữa cuộn dây cảm ứng và vật liệu lò kim loại, rò rỉ từ tính rất nghiêm trọng, từ thông hữu ích rất thấp và công suất phản kháng cao. Do đó, trong mạch điện dung, dòng điện dẫn trước điện áp. Để bù trừ ảnh hưởng của độ tự cảm và cải thiện hệ số công suất, cần tích hợp số lượng hộp điện thích hợp trong mạch, để tụ điện và cuộn cảm có thể cộng hưởng song song, từ đó cải thiện hệ số công suất của cuộn dây cảm ứng.

15. Thiết bị chính của lò nung cảm ứng chân không gồm có bao nhiêu bộ phận?

Buồng nấu chảy, buồng rót, hệ thống chân không, hệ thống cung cấp điện.

16. Các biện pháp bảo trì hệ thống chân không trong quá trình nấu chảy là gì?

① Chất lượng dầu và mức dầu của bơm chân không bình thường;

② Lưới lọc được đảo ngược bình thường;

③ Độ kín của từng van cách ly là bình thường.

17. Các biện pháp bảo trì hệ thống cung cấp điện trong quá trình luyện kim là gì?

① Nhiệt độ nước làm mát của tụ điện bình thường;

② Nhiệt độ dầu máy biến áp bình thường;

③ Nhiệt độ nước làm mát của cáp bình thường.

18. Yêu cầu đối với nồi nấu chảy trong lò cảm ứng chân không là gì?

① Có độ ổn định nhiệt cao để tránh nứt do làm nguội và gia nhiệt nhanh;

② Có độ ổn định hóa học cao để ngăn ngừa sự nhiễm bẩn của vật liệu chịu lửa vào nồi nấu;

③ Có khả năng chống cháy cao và độ bền kết cấu ở nhiệt độ cao để chịu được nhiệt độ cao và tác động của vật liệu lò nung;

④ Nồi nấu kim loại phải có mật độ cao và bề mặt làm việc nhẵn để giảm diện tích tiếp xúc giữa nồi nấu kim loại và dung dịch kim loại, đồng thời giảm mức độ bám dính của cặn kim loại trên bề mặt nồi nấu kim loại.

⑤ Có tính chất cách nhiệt cao;

⑥ Co ngót thể tích nhỏ trong quá trình thiêu kết;

⑦ Có độ bay hơi thấp và khả năng chống hydrat hóa tốt;

⑧ Vật liệu trong nồi nấu có lượng khí thoát ra nhỏ.

⑨ Lò nung có nguồn nguyên liệu dồi dào và giá thành thấp.

19. Làm thế nào để cải thiện hiệu suất chịu nhiệt độ cao của nồi nấu kim loại?

① Giảm hàm lượng CaO và tỷ lệ CaO/SiO2 trong cát MgO để giảm lượng pha lỏng và tăng nhiệt độ tạo thành pha lỏng.

② Cải thiện độ ổn định của hạt tinh thể.

③ Đạt được trạng thái kết tinh lại tốt trong lớp thiêu kết, giảm độ xốp, giảm chiều rộng ranh giới hạt và hình thành cấu trúc khảm, tạo thành sự kết hợp trực tiếp giữa pha rắn và pha rắn, do đó giảm tác hại của pha lỏng.

20. Làm thế nào để chọn kích thước hình học phù hợp của nồi nấu kim loại?

① Độ dày thành nồi nấu thường bằng 1/8 đến 1/10 đường kính của nồi nấu (đã tạo hình);

② Thép lỏng chiếm 75% thể tích của nồi nấu;

③ Góc R khoảng 45°;

④ Độ dày của đáy lò thường gấp 1,5 lần độ dày của thành lò.

21. Những loại keo dán thường được sử dụng để thắt nút nồi nấu kim loại là gì?

① Chất hữu cơ: dextrin, chất thải bột giấy dạng lỏng, nhựa hữu cơ, v.v.;

② Các chất vô cơ: natri silicat, nước muối, axit boric, cacbonat, đất sét, v.v.

22. Chất kết dính (H3BO3) dùng để thắt nút nồi nấu kim loại có tác dụng gì?

Axit boric (H3BO3) có thể loại bỏ hoàn toàn độ ẩm khi đun nóng ở nhiệt độ dưới 300℃ trong điều kiện bình thường và được gọi là boronic anhydride (B2O3).

① Ở nhiệt độ thấp, một số MgO và Al2O3 có thể hòa tan vào B2O3 lỏng để tạo thành một loạt các sản phẩm chuyển tiếp, đẩy nhanh quá trình khuếch tán pha rắn của MgO · Al2O3 và thúc đẩy quá trình kết tinh lại, khiến lớp thiêu kết của nồi nấu kim loại hình thành ở nhiệt độ thấp hơn, do đó làm giảm nhiệt độ thiêu kết.

② Dựa vào hiệu ứng nóng chảy và liên kết của axit boric ở nhiệt độ trung bình, lớp bán thiêu kết có thể được làm dày hoặc cường độ của nồi nấu trước khi thiêu kết lần hai có thể được tăng lên.

③ Trong cát magnesia có chứa CaO, việc sử dụng chất kết dính có thể ngăn chặn quá trình chuyển đổi tinh thể của 2CaO · SiO2 dưới 850 ℃.

23. Có những phương pháp đúc nào cho nồi nấu kim loại?

Có hai cách.

① Chế tạo sẵn ngoài lò; Sau khi trộn nguyên liệu thô (vật liệu chịu lửa magnesium hoặc spinel nhôm magnesium nung chảy điện) với tỷ lệ kích thước hạt nhất định và lựa chọn chất kết dính phù hợp, chúng được tạo hình trong khuôn nung bằng phương pháp rung và áp suất đẳng tĩnh. Thân nồi nung được sấy khô và gia công thành nồi nung đúc sẵn trong lò nung đường hầm nhiệt độ cao với nhiệt độ nung tối đa ≥ 1700℃ x 8 giờ.

② Đập trực tiếp vào lò; thêm một lượng keo rắn thích hợp, chẳng hạn như axit boric, vào tỷ lệ kích thước hạt thích hợp, trộn đều và sử dụng lực nén để đạt được độ đặc. Trong quá trình thiêu kết, các cấu trúc vi mô khác nhau được hình thành bằng cách thay đổi nhiệt độ của từng bộ phận.

24. Cấu trúc thiêu kết của nồi nấu kim loại được hình thành gồm bao nhiêu lớp và ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng của nồi nấu kim loại?

Cấu trúc thiêu kết của nồi nấu được chia thành ba lớp: lớp thiêu kết, lớp bán thiêu kết và lớp rời.

Lớp thiêu kết: Trong quá trình nung, kích thước hạt trải qua quá trình kết tinh lại. Ngoại trừ kích thước hạt cát trung bình ở đầu nhiệt độ thấp, tỷ lệ ban đầu hoàn toàn không thể nhìn thấy, và một cấu trúc đồng đều và mịn được thể hiện. Ranh giới hạt rất hẹp, và tạp chất được phân bố lại trên ranh giới hạt mới. Lớp thiêu kết là một lớp vỏ cứng nằm ở phần trong cùng của thành nồi nấu, tiếp xúc trực tiếp với kim loại nóng chảy và chịu nhiều lực khác nhau, vì vậy lớp này rất quan trọng đối với nồi nấu.

Lớp rời: Trong quá trình thiêu kết, nhiệt độ gần lớp cách nhiệt thấp, và cát magie không thể bị thiêu kết hoặc liên kết bởi pha thủy tinh, mà vẫn ở trạng thái hoàn toàn rời rạc. Lớp này nằm ở phần ngoài cùng của nồi nấu kim loại và có các mục đích sau: thứ nhất, do cấu trúc rời rạc và độ dẫn nhiệt kém, nhiệt truyền từ thành trong ra ngoài nồi nấu kim loại bị giảm, giảm thất thoát nhiệt, cách nhiệt và cải thiện hiệu suất nhiệt bên trong nồi nấu kim loại; thứ hai, lớp rời rạc cũng là một lớp bảo vệ. Do lớp thiêu kết đã hình thành một lớp vỏ và tiếp xúc trực tiếp với kim loại lỏng nên dễ bị nứt. Một khi lớp này nứt, kim loại lỏng nóng chảy sẽ rò rỉ ra khỏi vết nứt, trong khi lớp rời rạc ít bị nứt hơn do cấu trúc rời rạc của nó. Kim loại lỏng rò rỉ ra từ lớp bên trong bị lớp này chặn lại, bảo vệ vòng cảm biến; thứ ba, lớp rời rạc vẫn đóng vai trò là một lớp đệm. Do lớp thiêu kết đã trở thành một lớp vỏ cứng, nên sự giãn nở và co lại thể tích tổng thể xảy ra khi nung nóng và làm nguội. Do cấu trúc lỏng lẻo của lớp lỏng lẻo, nó đóng vai trò đệm trong việc thay đổi thể tích của nồi nấu.

Lớp bán thiêu kết (còn gọi là lớp chuyển tiếp): nằm giữa lớp thiêu kết và lớp rời, được chia thành hai phần. Gần lớp thiêu kết, tạp chất nóng chảy và phân bố lại hoặc liên kết với các hạt cát magie. Cát magie trải qua quá trình tái kết tinh một phần, và các hạt cát lớn trông đặc biệt đặc; Các phần gần lớp rời được liên kết hoàn toàn với nhau bằng keo dán. Lớp bán thiêu kết vừa đóng vai trò là lớp thiêu kết vừa là lớp rời.

25. Làm thế nào để lựa chọn hệ thống lò nướng?

① Nhiệt độ lò nung tối đa: Khi độ dày lớp cách nhiệt của nồi nấu kim loại thắt nút là 5-10mm, đối với magie nóng chảy điện, lớp thiêu kết chỉ chiếm 13-15% độ dày của nồi nấu khi nung ở 1800℃. Khi nung trong lò nung ở 2000℃, nó chiếm 24-27%. Xét đến độ bền nhiệt độ cao của nồi nấu, tốt nhất nên có nhiệt độ lò nung cao hơn, nhưng không dễ để nhiệt độ quá cao. Khi nhiệt độ cao hơn 2000℃, nó tạo thành cấu trúc giống như tổ ong do sự thăng hoa của magie oxit hoặc sự khử magie oxit bởi cacbon, cũng như sự kết tinh lại mạnh mẽ của magie oxit. Do đó, nhiệt độ lò nung tối đa nên được kiểm soát dưới 2000℃.

② Tốc độ gia nhiệt: Trong giai đoạn đầu gia nhiệt, để loại bỏ hiệu quả độ ẩm khỏi vật liệu chịu lửa, cần phải gia nhiệt sơ bộ đầy đủ. Thông thường, tốc độ gia nhiệt nên chậm dưới 1500℃; khi nhiệt độ lò đạt trên 1500℃, cát magnesia nung chảy bằng điện sẽ bắt đầu thiêu kết. Lúc này, nên sử dụng công suất cao để nhanh chóng gia nhiệt đến nhiệt độ lò tối đa dự kiến.

③ Thời gian cách nhiệt: Sau khi nhiệt độ lò đạt đến nhiệt độ lò cao nhất, cần tiến hành cách nhiệt ở nhiệt độ đó. Thời gian cách nhiệt khác nhau tùy thuộc vào loại lò và vật liệu, chẳng hạn như 15-20 phút đối với nồi nấu chảy magie điện nhỏ và 30-40 phút đối với nồi nấu chảy magie điện lớn và vừa.

Do đó, tốc độ gia nhiệt trong lò nướng và nướng ở nhiệt độ nướng cao nhất phải được điều chỉnh cho phù hợp.