تحقیق کوره های القایی تحت خلأ

مقدمه

با پیشرفت سریع علم ودرکنارآن صنعت، نیاز وافری به تکنولوژی های نو احساس میشود. این دستاورد، معلول علت بزرگی است، به نام پیشرفت.

در همین راستا علم متالورژی که از پای ای ترین علوم مهندسی است، رشد روزافزونی داشته که منتج به کشفیات و اختراعات جدیدی بوده است که با سعی و تلاش اهالی این علم صورت گرفته است.

نیاز به داشتن قطعاتی از جنس آلیاژهای خاص، که دارای ویژگیهای مطلوبی مانند استحکام و تافنس بالا، عمر خستگی زیاد، خواص فیزیکی بهتر و ضریب اطمینان بالاتر هستند، مورد توجه میباشد. از همین رو محققین پی به نیاز خود برده و در صدد دستیابی به آن برآمدند.

آنها این خواص را در نوعی از آلیاژها با عنوان « آلیاژهای تمیز » پیداکرده اند. این آلیاژها به خاطر دارا بودن نسبت استحکام به وزن عالی، ارزش افزوده بالایی دارند و مجموعه خواص فوق، نیروی محرکه ای برای تحقیق در جهت تولید آلیاژهای تمیزتر، از طریق ابداع و بکارگیری روش های ذوب پیشرفته تر میباشد.

اصطلاح تمیز برای آلیاژها، یک نسبت است که به معنی پایین بودن میزان عناصر ناخالصی مضر نظیر اکسیژن، گوگرد، فسفر، نیتروژن، هیدروژن و دربعضی مواردکربن به کار میرود. این تعریف را می توان به یک آلیاژ فولاد تمیز و یا یک سوپر آلیاژ غیر آهنی نسبت داد؛ درشمشها نیز واژه تمیز، به پایین بودن میزان آخالهای غیرفلزی و بطورعمده آخالهای اکسیدی وسولفیدی اشاره دارد.

تولید آلیاژهای تمیز در شرایط معمولی امکان پذیر نبوده و از این رو استفاده از تکنولوژیهای نوینی به منظور کاهش ناخالصیهای این مواد توسعه یافته است، بطوریکه میزان ناخالصیها بصورت روزافزونی در حال تقلیل است و گواه این بیان نمودار تصویر شده در شکل ١ میباشد.

ذوب القایی تحت خلا یکی از بهترین روشهایی است که به مدد آن میتوان، آلیاژهای تمیز و به بیان بهتر آلیاژ های با مقادیر ناخالصی کمتر را تولید کرد. و لذا در ادامه این مطالعه به بررسی این تکنولوژی پرداخته خواهد شد.

معرفی   : V.I.M

تکنولوژیهای ذوب متعددی برای تولید آلیاژهای تمیز از قبیل سوپر آلیاژها، آلیاژهای تیتانیوم  و فولادهای تمیز توسعه یافته اند. این تکنولوژیها شامل ذوب القایی تحت خلا  یا ذوب مجدد تحت سرباره ی الکتریکی (V.A.R) ذوب مجدد قوسی تحت خلا  ،V.I.M میباشند. (EB) وذوب تحت باریکه الکترونیکی (ESR) درچارت صفحه بعد روشها وارتباطات میان آنها بررسی شده است:

ذوب تحت خلا به جهت کاهش گازهای محلول، کاهش اکسیداسیون عناصر آلیاژی فعال درحین ذوب، آلیاژسازی و کاهش میزان آخالها به همراه تکنولوژی ساده تر، صرفه اقتصادی بیشتر و توان تولیدی بالاتر مورد توجه بیشتری است.

ذوب در خلا اولین بار در سال ١٩١۶ توسط  Rohn  برای ذوب آلیاژ پایه نیکل درکوره مقاومتی تحت خلا بکار گرفته شد. سپس درسال ١٩٢٣ درآلمان به نحوه عمل کوره های القایی تحت خلا پی برده شد. در سال ١٩٢۶ دو واحد ۴ تنی ذوب القایی تحت خلا با توان ٣۵٠ KW  جهت تولید آلیاژهای مورد استفاده درترموکوپل و آلیاژهای مقاوم به حرارت ساخته شد. در سال ١٩٣٠ در انگلیس جهت تولید آلیاژهای الکتریکی ومغناطیسهای نرم ازروش ذوب در خلا استفاده شد. در دهه ۵٠ میلادی کوره های ذوب مجدد تحت خلا با الکترودهای مصرفی توسعه یافتند که استفاده وسیعی درتولید آلیاژهای پایه نیکل کارشده برای پره های توربین و فولادهای تمیز پیدا نمود. در اواخر دهه ۶٠ میلادی استفاده از ترکیب روش ذوب VIM و VAR برای تولید آلیاژهای با کیفیت بالاتر شروع گردید. به این تکنیک، ذوب دوتایی و در خلا گفته میشود که امروزه در تولید بسیاری از آلیاژها کاربرد دارد. در حال حاضر کوره های VIM  با ظرفیت ٣٠ تا ١٠٠ تن مورد و کوره های VAR با ظرفیت تا ٢٠٠ تن مورد استفاده قرارمی گیرند. دراروپا از روش  VARیشتر برای تصفیه فولادهای تمیز و در امریکا ازروش ذوب دوتایی (VIM+VAR) برای تولید سوپرآلیاژها استفاده میشود.

متالورژی خلا امروزه عرصه جدیدی را درصنعت متالورژی و تولید آلیاژهای حساس با کاربردهای خاص گشوده است. فرآیندهای پیشرفته خلا نظیر ذوب وذوب مجدد، ریخته گری، متالورژی پودر، عملیات حرارتی، پوشش دهی سطحی ، بازیافت حرارتی مواد و... موجب تولید محصولات متالورژیکی باکیفیت بالا شده اند. فرایند های جدیدتری نیز امروزه درزمینه متالورژی خلا در حال توسعه است تا بهره وری وارزش افزوده محصولات فلزی گسترش یابد.

استفاده ازفرایندهای مدرن تولید آلیاژ، بازیابی و فرآوری قراضه فلزات گرانقیمت نظیر فولاد ماراجینگ، صرفه اقتصادی فراوانی را به همراه دارد. علاوه بر این تولید سوپرآلیاژها، فلزات دیرگداز و فعال با درجه خلوص بالا و ساختار مناسب، ریخته گری دقیق با انجماد جهت دار و ساختار تک کریستالی، آهنگری تا نزدیک شکل نهایی و تولید پودرهایی با خلوص بالا برای قطعات مستحکم و همگن، از مزایای استفاده از تکنولوژی خلا در متالورژی تولید آلیاژهای فوق مستحکم برای صنایع هوافضا، فلزات بسیار خالص برای صنایع الکترونیک ودیگر کاربردهایی از این دست میباشد که همگی موجب ایجاد تحولات اساسی در این صنایع شده اند.

ذوب القایی تحت خلا :(VIM)

فرایند ذوب القایی تحت خلا یکی ازروشهای معمول در متالورژی ثانویه است که برای تولید آلیاژهای تمیز با کیفیت شیمیایی دقیق وخلوص بالا مورد استفاده قرارمی گیرد. شماتیک مراحل تولید در VIM در شکل ٣ دیده میشود.

اولین کوره VIM درسال ١٩٢٠ توسط  Rohn باظرفیت ٣٠٠ Kg و خلا Torr 2-5 برای ذوب آلیاژهای نیکل- کروم مورد استفاده قرارگرفت.

درسال ١٩٢۶ کوره های VIM با ظرفیت 4 تن ساخته شدند . نیاز به آلیاژهای مستحکم در دهه ۴٠ میلادی (جنگ جهانی دوم) سبب رشد سریع این تکنولوژی گردید.

دردهه ی ۵٠ میلادی کوره  VIM با ظرفیت 5/1 تن و در دهه ۶٠ میلادی کوره  VIMبا ظرفیت 5/5 تن ساخته شد  امروزه تا ظرفیت بالا تراز ١٠٠ تن نیز وجود دارد. ضمن اینکه دستگاههای جدیدتر از اتوماسیون و کنترل بهتری برخوردارهستند.

بسته به نوع کاربرد، طرحهای مختلفی از VIM وجود دارد. این کوره ها بطورکلی در انواع تک و دو محفظه ای وجود دارند. درشکل ۴ شماتیک کوره  VIM نشان داده شده است. ظرفیت این کوره ها ازچند کیلوگرم برای کاربردهای آزمایشگاهی تا ١٠٠ تن برای مصارف صنعتی متغیر میباشد.

در روش ذوب القایی تحت خلا واکنش عناصر آلیاژی فعال با اتمسفر حداقل شده، امکان کنترل دقیق ترکیب شیمیایی و رسیدن به خلوص بالا فراهم میشود. این فرایند بطورعمده برای تولید سوپرآلیاژها و فولادهای تمیز وبرخی فلزات و آلیاژهای غیرآهنی فعال مورد استفاده قرارمی گیرد.

شرح فر ایند:

در روش ذوب القایی تحت خلا عملیات ذوب، آلیاژ سازی و ریخته گری در محفظه خلا انجام می گیرد که در آن جهت ذوب از القای مغناطیسی استفاده می گردد. عملیات ذوب و ریخته گری معمولا تحت خلا انجام می گیرد که برای تخلیه محفظه از ترکیب مناسبی از پمپ های مکانیکی (روتاری و روتس) و دیفوزیونی استفاده می شود.

توان مصرفی این کوره ها از 30 KW برای کوره های چند کیلویی تا حدود 7000 KW برای کوره های بالای 30 تن می باشد. عملیات ذوب در بوته نسوز قرار داده شده در داخل کویل مسی خنک شونده با آب صورت می گیرد. بوته معمولا از نسوز های سرامیکی است که به دو صورت جرم کوبیدنی و یا بوته پیش ساخته تهیه می شوند. در جدول زیر انواع نسوزهای مورد استفاده در بوته های  VIM نشان داده شده است

روش ذوب بدین ترتیب است که ابتدا محفظه تا فشار پایین خلا شده و پس از بررسی میزان نشستی، شارژ گرم می شود. با گرم شدن شارژ و ذوب شدن آن در اثر خروج گاز و ایجاد بخارات فلزی، فشار افزایش پیدا می کند. تثبیت فشار محفظه در ادامه عملیات نشان دهنده پایان مرحله گاززدایی و تصفیه شدن ذوب می باشد.