ميزات ومبادئ فرن التحريض الفراغي

مع التطور السريع لبلدي في مجالات السكك الحديدية عالية السرعة والطاقة النووية والنفط والبتروكيماويات والفضاء وغيرها من المجالات، يتم طرح متطلبات أعلى وأعلى لمواد الصلب: قوة أعلى، مقاومة تآكل أشد، مقاومة لدرجات الحرارة العالية، ومقاومة أكبر للإجهاد، وما إلى ذلك، وتعتبر تقنية الصهر بالتحريض الفراغي ضمانًا مهمًا لإنتاج الفولاذ الخاص عالي الجودة. من بين العديد من طرق التسخين أو الصهر الخاصة، تُستخدم تقنية التسخين بالتحريض لصهر وتحضير المواد المعدنية، ويمكنها التحكم بدقة في الغازات والشوائب غير المعدنية والمواد الضارة الدقيقة في الصلب. يلعب مستوى الشوائب دورًا حاسمًا. تقدم هذه الورقة عملية تطوير فرن التحريض وتقنية الصهر بالتحريض الفراغي، بالإضافة إلى تطبيق تقنية الصهر بالتحريض في مناسبات مختلفة. وفقًا لهيكل أنواع مختلفة من أفران التحريض الفراغي، تتم مقارنة مزاياها وعيوبها. نتطلع إلى اتجاه التطور المستقبلي لفرن التحريض الفراغي، وشرح اتجاه تطوره. يتمثل التطور والتقدم في أفران التحريض الفراغي بشكل رئيسي في التحسين التدريجي للهيكل العام للمعدات، وزيادة الوضوح في اتجاه المعدات الكبيرة، ونظام تحكم أكثر ذكاءً.

عندما يمر التيار المتردد عبر ملف التحريض، يتم توليد مجال مغناطيسي متناوب حول الملف، ويولد المادة الموصلة في الفرن جهدًا محرضًا تحت تأثير المجال المغناطيسي المتناوب، مما يشكل تيارًا (تيار دوامي) على عمق معين على سطح الشحنة، ويتم تسخين الشحنة وصهرها بواسطة التيار الدوامي. فرن التحريض هو فرن كهربائي يستخدم تأثير التسخين الكهربائي للمواد لتسخين أو صهر المواد.

تسمى طريقة صهر وتنقية السبائك الفائقة عن طريق وضع فرن التحريض في فراغ بصهر التحريض الفراغي (VIM) للسبائك الفائقة. حاليًا، تستخدم جميع السبائك الفائقة عالية الجودة عالية السبائك تقريبًا طريقة الصهر بالتحريض الفراغي كأول صهر، ثم الصهر الثاني، أو حتى الصهر الثالث.

تم اعتماد الصهر الجوي في الأربعينيات من القرن الماضي، وكان الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة للسبائك الفائقة محدودًا بحوالي 750 درجة مئوية. في الخمسينيات من القرن الماضي، تم اختراع تقنية الفراغ، وتم استخدام الصهر الفراغي لتحسين جودة السبائك الفائقة وتحسين خصائص العمل الساخن، بحيث يمكن زيادة عناصر السبائك بشكل أكبر، مما زاد من درجة حرارة الخدمة للسبائك الفائقة المشوهة من حوالي 800 درجة مئوية إلى 950 درجة مئوية. لاحقًا، تم استخدام تقنية المعادن الفراغية لتطوير سبائك فائقة مصبوبة، تحت نفس التركيب، فإن درجة حرارة الخدمة للسبائك الفائقة المصبوبة أعلى بحوالي 30 درجة مئوية من تلك الخاصة بالسبائك المشوهة. نظرًا لأن تشكيل الصب يلغي صعوبة العمل الساخن، يمكن زيادة محتوى العناصر المقوية مثل Al وTi وNb وTa بشكل أكبر، ويمكن زيادة درجة حرارة الخدمة بمقدار 20 درجة مئوية. لذلك، لعب الصهر الفراغي دورًا مهمًا جدًا في تطوير السبائك الفائقة.

في عشرينيات القرن الماضي، تم استخدام أفران التحريض الفراغية الصناعية. استخدمت ألمانيا فرن تحريض فراغي لصهر سبائك Co وNi في عام 1923 بسعة 4 طن وقوة 350 كيلو وات. منذ ذلك الحين، تطور فرن التحريض الفراغي تدريجيًا.

في عام 1958، تم وضع فرن تحريض فراغي بسعة تم إنتاجه لصهر السبائك الفائقة، وفي عام 1961 تم أيضًا إنتاج فرن تحريض فراغي بسعة 6 طن. تم استخدام فرن التحريض الفراغي بسعة 60 طن رسميًا في الإنتاج في الولايات المتحدة في عام 1968، ويمكن أن تصل درجة الفراغ إلى 1.33xlO-2Pa[1] استوردت بلدي اثنين من أفران التحريض الفراغية الصغيرة بوزن 10 كجم من الخارج في عام 1956، حيث كانت الأكاديمية الصينية للعلوم المعدنية تمتلك واحدة منها ، واستخدمت لصهر سبائك الشوكات المصبوبة ولعبت دورًا مهمًا جدًا في بحث السبائك الفائقة المبكرة في معهد المعادن.

استنادًا إلى إدخال أفران التحريض الفراغية بسعة 3/6 طن في الثمانينيات، تم تجهيز العديد من مصانع الصلب الخاصة المحلية مؤخرًا بأفران تحريض فراغية كبيرة بسعة 12 طن بمستوى متقدم عالميًا. يحتوي فرن التحريض الفراغي VIM1400 بسعة 12 طن المستورد من ألمانيا على درجة فراغ نهائية تبلغ 0.01Pa ومعدل تسرب هواء يبلغ 27Pa·L/S ، مما يمكنه من التحكم بدقة في التركيب الكيميائي للسبيكة ، خاصة العناصر ذات الألفة العالية للأكسجين (مثل Al وTi وB وZr وMg) ، يمكن أن يسرع نظام التحريك الكهرومغناطيسي المتقدم عملية الذوبان وتوحيد درجة الحرارة والتركيب ، وتضمن نقاء الفولاذ المنصهر عن طريق طبقتين من حجب الخبث والترشيح الخزفي أثناء الصب ، ويمكن تنفيذ منحنى معلمات الذوبان تلقائيًا التحكم في العملية ، يمكن لنظام جمع البيانات الميدانية عرض وتسجيل تلقائي لمعلمات عملية الذوبان مثل الطاقة والتردد والفراغ ومعدل تسرب الهواء ودرجة الحرارة وما إلى ذلك لضمان استقرار جودة المنتج ، ولتوفير تتبع طويل الأمد وصحيح وكامل للمنتجات.

أولاً ، خصائص صهر السبيكة الفائقة باستخدام فرن التحريض الفراغي

تأتي جميع خصائص صهر سبائك درجات الحرارة العالية في فرن التحريض الفراغي من كلمة "الفراغ". يمكن أن تتجنب هذه الطريقة عيوب عناصر السبائك الناتجة عن الصهر الجوي والصب ، وخاصة العناصر الأكثر نشاطًا التي يسهل احتراقها وصعب التحكم فيها ، والمحتوى العالي من الغاز والشوائب غير المعدنية والشوائب المعدنية الضارة في السبيكة ، كما يلي:

1. يتم صهر المادة المعدنية وتنقيتها وسبكها وصبها تحت فراغ ، مما يتجنب التلوث الناتج عن التفاعل مع الهواء ، وتكون السبيكة الفائقة المنصهرة ذات نقاء عالٍ.

2. تحت ظروف الفراغ ، يتم قطع الاتصال بين المعدن والهواء ، ولا يتأكسد المعدن بسهولة ، ويمكن التحكم بدقة في التركيب الكيميائي للسبيكة الفائقة ، خاصة العناصر النشطة ذات الألفة القوية مع الأكسجين والنيتروجين مثل Al وTi وB وZr وNb وعناصر الأرض النادرة وما إلى ذلك يتم التحكم فيها بدقة ضمن نطاق ضيق جدًا. يمكن التحكم في Al وTi ضمن نطاق ±0.12% في الفراغ ، ولكن يمكن التحكم فيه فقط ضمن نطاق ±0.25% في الهواء. على سبيل المثال ، عند ذوبان Inconel718 في فرن تحريض بسعة 6 طن ، تم حساب نطاق التذبذب لكل عنصر نشط خلال إنتاج 100 فرن ، واستنتج أنه كانت تذبذبات Nb وA1 تقريبًا ضمن نطاق خطأ التحليل. ومع ذلك ، فإن كل زيادة بنسبة 0.1% في محتوى Nb في هذه السبيكة يمكن أن تزيد من قوة العائد بحوالي 10 ميجا باسكال ، وهو ما يصعب ضمانه عند الذوبان تحت الضغط العادي. مثال آخر هو أن أفضل أداء شامل لـ V-57 لا يمكن الحصول عليه إلا عندما يكون Si <0.2% وC بين 0.04 و0.08% ± . النطاق صارم للغاية بحيث لا يمكن ضمانه إلا عن طريق الصهر بالتحريض الفراغي.

3. يخلق الذوبان تحت الفراغ ظروف إزالة غازات جيدة ، بحيث تحتوي السبيكة الفائقة المنصهرة على محتوى منخفض من الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين.

4. يمكن تطاير وإزالة الشوائب الضارة ذات نقطة الانصهار المنخفضة التي تحملها المواد الخام مثل Te وPb وSe وBi وCu وSb وAs وSn وما إلى ذلك بسبب ضغط بخارها العالي تحت الفراغ لتنقية المادة . على سبيل المثال ، هناك سبيكة قائمة على الشوكات المشوهة بتركيب كيميائي قدره 0.2C و20Co و5Mo و1.5Ti و4.8A1 و0.05Zr و0.003B ، وتم تقليل تغيير محتوى الرصاص قبل وبعد الذوبان بالفراغ من 5ppm إلى <2ppm (محدود بدقة التحليل) ، وتم تحسين الأداء بشكل كبير ، وتم تمديد الوقت المستمر عند درجة حرارة 940 درجة مئوية وضغط قدره110Pa من72 ساعة إلى153 ساعة وزادت نسبة الاستطالة من9.5% إلى20%.

في دراسة تطاير بعض الشوائب الضارة مثل سبيكة Cr20Ni80 والحديد النقي مثل الذهب والقصدير والجلد والنحاس والرصاص والإضافات والسيلينيوم وما إلى ذلك عند ذوبانها تحت فراغ قدره5xlO-3nunHg ، يرتبط تطاير الشوائب بدرجة الحرارة والوقت ونسبة العمق وسطح المسبح المنصهر والتحريك له علاقة كبيرة بتكوين السبيكة للمسبح المنصهر أيضًا تأثير كبير . يتغير الزرنيخ والقصدير بالكاد في سبائك النيكل ولكن ينخفضان باستمرار في الحديد النقي . أما بالنسبة لكيفية تغيرهما في مسابح سبائك Fe-Ni-Cr المنصهرة فهو يستحق الدراسة.

5. تحت ظروف الفراغ، تكون قدرة الكربون على إزالة الأكسدة قوية جداً، حيث تتحسن بمقدار عدة أوامر من حيث الحجم، ويتم سحب منتج إزالة الأكسدة CO باستمرار من الفرن، مما يجعل التفاعل مستمراً، وبالتالي التغلب على منتجات إزالة الأكسدة الناتجة عن استخدام إزالة الأكسدة المعدنية.

6. يمكن التحكم في الغلاف الجوي وضغط الهواء في الفرن بشكل اختياري. على سبيل المثال، قد تكون هناك حاجة أحياناً لحماية غاز الأرجون، مما يقلل من فقدان الاحتراق الناتج عن الأكسدة لعناصر السبائك ويزيد من معدل الاستخدام. هذه واحدة من أبرز ميزات فرن الصهر بالتحريض الفراغي لصهر السبائك الفائقة.

7. يجعل التحريك بالتحريض الكهرومغناطيسي تركيبة المصهور متجانسة، ويسرع من تفاعل سطح المصهور، ويقصر دورة الصهر. من حيث تطبيق المنتج، تُستخدم أفران الصهر بالتحريض الفراغي بشكل رئيسي لإنتاج السبائك الفائقة، والفولاذ عالي القوة للغاية، والفولاذ المقاوم للصدأ، وغيرها من السبائك الخاصة المطلوبة في صناعات الفضاء، والصواريخ، والطاقة النووية، والإلكترونيات.