真空誘導溶融技術の開発と動向

2021-12-20

現代の産業技術の急速な発展に伴い、機械部品の使用に対する人々の要求はますます高くなり、より厳しい使用環境は、金属材料の耐高温性、耐摩耗性、耐疲労性およびその他の特性に対するより高い要求を提起している。。

一部の特定の金属または合金材料については、初期の研究開発試験または後期の大量生産で使用され、高性能の金属合金材料を研究または入手するには、金属製錬装置、表面熱処理装置などのサポートが必要です。多くの特殊な加熱または製錬方法である誘導加熱技術は、金属材料を製錬して準備するため、または特定のプロセスで材料を製錬して熱処理するために使用されます。これは重要な役割を果たしてきました。

この記事では、真空誘導製錬技術の開発プロセスと、さまざまな場面での誘導製錬技術の適用について紹介します。さまざまな種類の真空誘導炉の構造に応じて、それらの長所と短所を比較します。真空誘導炉の今後の開発の方向性を楽しみにして、その開発動向を説明します。真空誘導炉の開発と進歩は、主に装置の全体的な構造の段階的な改善、モジュール化のますます明白な傾向、およびよりインテリジェントな制御システムに反映されています。

1.真空誘導溶解技術

1.1原則

__kinditor_temp_url__誘導加熱技術とは、通常、電磁誘導の原理を利用して、磁気感度の高い材料の誘導電流を取得し、真空条件下での加熱を目的とした技術を指します。電流は、金属材料を取り巻く電磁コイルを一定の周波数で通過します。電流の変化により誘導磁場が発生し、金属に誘導電流が発生し、大量の熱が発生して材料が加熱されます。熱が比較的低い場合は、真空誘導加熱処理やその他のプロセスで使用できます。熱が高い場合、発生する熱は金属を溶かし、金属または合金材料の調製に使用するのに十分です。

1.2、アプリケーション

1.2.1、真空誘導溶融

真空誘導溶解技術は、現在、金属材料を加熱するための最も効率的で、最速で、低消費で、省エネで、環境に優しい誘導加熱技術です。この技術は、主に誘導溶解炉などに導入されており、幅広い用途に使用されています。固体金属原料は、コイルで包まれたるつぼに入れられます。誘導コイルに電流が流れると、誘導起電力が発生し、金属装入物の内部に渦電流が発生します。現在の熱が金属装入物の熱放散率よりも大きい場合、熱はますます蓄積されます。特定のレベルに達すると、金属は固体状態から液体状態に溶融し、金属を製錬する目的を達成します。このプロセスでは、プロセス全体が真空環境で行われるため、金属内部のガス不純物を除去することが有益であり、得られた金属合金材料はより純粋です。同時に、製錬プロセス中、真空環境の制御と誘導加熱により、製錬温度を調整し、時間内に合金金属を補充して、精製の目的を達成することができます。溶融プロセス中、誘導溶解技術の特性により、電磁力の相互作用により、るつぼ内の液体金属材料を自動的に攪拌して、組成をより均一にすることができます。これは、誘導溶解技術の大きな利点でもあります。

従来の製錬と比較して、真空誘導製錬は、省エネ、環境保護、労働者の良好な労働環境、および低い労働強度のために大きな利点があります。誘導溶解技術を使用すると、最終的な合金材料の不純物が少なくなり、添加される合金の比率がより適切になり、材料の特性に関するプロセスの要件をより適切に満たすことができます。

真空誘導製錬技術は、実験研究用の数キログラムの誘導炉から、実際の生産用の数十トンの大規模誘導炉まで、大規模に使用されてきました。簡単な操作技術により、溶解工程の制御が容易で、溶解温度が速い。、製錬金属は、組成が均一であるという利点があり、応用の可能性が高く、近年急速に発展しています。

1.2.2、真空誘導焼結

真空焼結とは、金属、合金、または金属化合物の粉末を、真空度（10-10-3Pa）の環境で、融点より低い温度で金属製品および金属ブランクに焼結することを指します。真空条件下での焼結では、金属とガスの反応はなく、吸着ガスの影響もありません。緻密化効果が良いだけでなく、精製・還元の役割も果たし、焼結温度を下げ、室温での焼結率を100℃〜150℃下げることができ、エネルギー消費量を節約し、焼結炉の寿命と高品質の製品を取得します。

一部の材料では、加熱による原子の移動による粒子間の結合を実現する必要があり、このプロセスでは誘導焼結技術が加熱の役割を果たします。真空誘導焼結の利点は、真空条件下で大気中の有害物質（水蒸気、酸素、窒素、その他の不純物）を減らし、脱炭、窒化、浸炭、還元、酸化などの一連の反応を回避できることです。。その過程で、細孔内のガスの量が減少し、ガス分子の化学反応が減少します。同時に、材料が液相に現れる前に材料の表面の酸化膜が除去されるため、材料が溶融して結合したときに材料がより密に結合し、その耐摩耗性が向上します。力。また、真空誘導焼結は製品コストの削減にも一定の効果があります。

真空環境ではガス含有量が比較的少ないため、熱の対流と伝導は無視できます。熱は主に加熱コンポーネントから輻射の形で材料の表面に伝達されます。選択は、特定の焼結温度と材料の物理的および化学的特性に基づいています。適切な加熱コンポーネントも非常に重要です。誘導焼結は、真空抵抗加熱と比較して、中間周波数の電力加熱を採用しているため、抵抗加熱を使用する真空炉の高温絶縁の問題をある程度回避できます。

現在、誘導焼結技術は主に鉄鋼および冶金の分野で使用されています。さらに、特殊なセラミック材料では、誘導焼結により固体粒子の結合が強化され、結晶粒の成長が促進され、ボイドが圧縮され、密度が増加して高密度の多結晶焼結体が形成されます。誘導焼結技術は、新素材の研究にも広く使用されています。

1.2.3、真空誘導熱処理

現在、主に高周波焼入れ技術に集中した誘導加熱処理技術がもっとあるはずです。ワークをインダクタ（コイル）に入れ、インダクタに一定周波数の交流電流を流すと、その周囲に交流磁界が発生します。交番磁界の電磁誘導により、ワークピースに閉じた渦電流が発生します。表皮効果、つまり、ワークピースの断面での誘導電流の分布が非常に不均一であるため、ワークピースの表面の電流密度は非常に高く、徐々に内側に向かって減少します。

ワーク表面の高密度電流の電気エネルギーを熱エネルギーに変換することで、表面の温度を上昇させ、表面加熱を実現します。電流周波数が高いほど、ワークピースの表面と内部の電流密度の差が大きくなり、加熱層が薄くなります。加熱層の温度が鋼の臨界点温度を超えた後、それは表面焼入れを達成するために急速に冷却されます。誘導加熱の原理から、誘導コイルを流れる電流の周波数を調整することで、電流の侵入深さを適切に変えることができることがわかります。調整可能な深さは、誘導加熱処理の主な利点でもあります。ただし、高周波焼入れ技術は、適応性が低いため、複雑な機械的ワークピースには適していません。焼入れされたワークピースの表面層は、より大きな圧縮内部応力を持っていますが、疲労破壊抵抗はより高くなっています。ただし、単純なワークピースの組立ライン生産にのみ適しています。

現在、高周波焼入れ技術の応用は主にクランクの表面焼入れに使用されていますシャフトsとカムシャフトs自動車産業。これらの部品は構造は単純ですが、作業環境は過酷ですが、ある程度の耐摩耗性、耐曲げ性、性能への耐性があります。耐摩耗性と耐疲労性を向上させるための高周波焼入れによる疲労要件も、性能要件を満たすための最も合理的な方法です。で広く使用されています 表面処理 自動車産業のいくつかの部品の。

2.真空誘導溶解装置

真空誘導製錬装置は、誘導製錬技術を使用して、機械的構造のマッチングを通じて実際の使用の原理を実現します。装置は通常、電磁誘導の原理を使用して誘導コイルと材料を閉じた空洞に入れ、真空ポンプシステムを介してコンテナ内のガスを抽出し、次に電源を使用して誘導コイルに電流を流します。誘導起電力を発生させて材料の内部に入る渦が形成され、発熱が一定のレベルに達すると、材料が溶け始めます。溶解プロセスでは、電力制御、温度測定、真空測定、補助供給などの一連の操作が機器の他のサポートコンポーネントによって実現され、最後に液体金属がるつぼの反転によって金型に注がれ、金属インゴット。ワカサギ。真空誘導溶解装置の主な構造には、次の部品が含まれます。

上記のコンポーネントに加えて、真空溶解炉には、電源、制御システム、および冷却システムを装備して、機器にエネルギー入力を提供して材料を溶解し、主要部品に一定量の冷却を提供する必要があります。システムが過熱して構造物の寿命が短くなったり損傷したりするのを防ぐため。特定のプロセス要件を持つ誘導製錬装置の場合、トランスミッショントロリー、炉のドアの開閉、遠心鋳造パン、観測窓などの関連する補助コンポーネントがあります。不純物が多い装置の場合は、ガスフィルターも装備する必要がありますシステムなど。必要な部品に加えて、誘導溶解装置の完全なセットは、特定のプロセス要件に従って他の部品を追加することによってさまざまな機能を実現し、金属調製のための便利な条件と実装方法を提供できることがわかります。

2.1。真空誘導溶解炉

真空誘導製錬炉は、最初に真空下で誘導加熱して金属を溶かし、次に液体金属を型に流し込んで金属インゴットを得る製錬装置です。真空誘導炉の開発は1920年頃に始まり、主にニッケル-クロム合金の精錬に使用されました。第二次世界大戦が真空技術の進歩を促進するまで、真空誘導溶解炉は真に開発されました。この間、合金材料の需要により、真空誘導溶解炉は当初の数トンから数十トンの超大型誘導炉まで大規模に発展し続けました。大量生産に適応するために、設備容量の変更に加えて、誘導炉の構造も、サイクルをユニットとして持つサイクル炉から、充填、成形のための連続または半連続真空誘導溶解に進化しました。準備、製錬、および注入操作。炉を停止せずに連続運転することで、装入時間とインゴットが冷えるまでの待ち時間を節約できます。連続生産は効率を高め、合金の生産量も増やします。実際の生産のニーズをよりよく満たす。私の国の初期の真空誘導炉は、海外に比べて容量が比較的少なく、主に2トン未満です。大規模な製錬炉は依然として海外からの輸入に依存しています。ここ数十年の発展に伴い、我が国も大規模な真空誘導製錬を自力で開発することができます。炉、最大製錬はXNUMXトン以上に達します。 VIM真空誘導溶解炉は、構造がシンプルで、使い勝手が良く、メンテナンスコストが低く、初期に開発され、実際の生産に広く使用されています。

真空誘導溶解炉の基本形。金属材料は、回転可能なタレットを介して溶融るつぼに追加されます。反対側はるつぼと位置合わせされ、熱電対を溶融金属に挿入することで温度測定が実現されます。製錬された金属は、旋削機構によって駆動され、成形金型に注入されて、金属の製錬を実現します。プロセス全体はシンプルで操作が便利です。各製錬を完了するには、XNUMX人またはXNUMX人の作業員が必要です。製錬プロセス中に、リアルタイムの温度監視と材料組成の調整を行うことができ、最終的な金属材料はプロセス要件により適合します。

2.2。真空誘導膜ガス炉

特定の材料では、プロセス中に真空チャンバーへの注入を完了する必要はなく、真空環境での保温と脱気のみが必要です。 VIM炉をベースに、VIDデガッシング炉の真空誘導膜ガス炉を徐々に開発しています。

真空誘導デガッシング炉の主な特徴は、コンパクトな構造と小さな炉容積です。容量が小さいほど、ガスの迅速な抽出と真空度の向上に役立ちます。従来の脱気炉と比較して、装置は比較的少量で、温度損失が低く、柔軟性と経済性が高く、液体または固体の供給に適しています。 VID炉は、特殊鋼や非鉄金属の製錬や脱ガスに使用でき、大気環境や保護雰囲気下で金型に流し込む必要があります。製錬プロセス全体で、材料の脱炭や精製、脱水素、脱酸、脱硫などの不純物の除去を実現でき、プロセス要件を満たすための化学組成の正確な調整に役立ちます。
一定の真空条件または保護雰囲気下で、誘導脱気炉の加熱により金属材料が徐々に溶融し、この過程で内部ガスを除去することができます。プロセスで適切な反応ガスが追加されると、それは金属内の炭素元素と結合してガス状の炭化物を生成し、炉から除去され、脱炭および精製の目的を達成します。注湯工程では、脱気した金属材料を大気中のガスから確実に隔離するために一定の保護雰囲気を導入し、最終的に金属材料の脱気と精製を完了する必要があります。

2.3。真空誘導デガッシング注入炉

真空誘導デガッシング注入炉は、最初の1988つの製錬技術に基づいて開発されています。 XNUMX年、ドイツのALD会社の前身であるLeybold-Heraeusが最初のVIDP炉を製造しました。このタイプの炉の技術的コアは、誘導コイルるつぼと統合されたコンパクトな真空溶解チャンバーです。誘導コイルより少しだけ大きく、誘導コイルとるつぼだけが入っています。ケーブル、水冷パイプライン、油圧ターンオーバーメカニズムはすべて溶解チャンバーの外側に設置されています。利点は、溶鋼の飛沫や温度と圧力の周期的な変化によって引き起こされる損傷からケーブルと水冷パイプラインを保護することです。分解とるつぼの交換が容易なため、VIDP炉シェルにはXNUMXつの炉本体が装備されています。準備るつぼ炉ライニングは、生産サイクルを短縮し、生産効率を向上させます。

炉カバーは、真空シールされた炉フレームとXNUMXつの油圧シリンダーカラムでサポートされています ベアリングs。注ぐとき、XNUMXつの油圧シリンダーが側面の炉カバーの上にあり、炉カバーが溶解チャンバーを駆動して真空の周りを傾けます ベアリング。傾斜した注入状態では、溶融チャンバーと誘導コイルるつぼの間に相対的な動きはありません。ランナーはVIDP炉の重要な部分です。 VIDP炉の設計では、溶解チャンバーがインゴットチャンバーから隔離されているため、溶鋼は真空ランナーを通過してインゴットチャンバーに入る必要があります。インゴットチャンバーは、正方形の斜めの側面で開閉されます。それは30つの部分で構成されています。固定部はランナーチャンバーに隣接し、可動部は地盤に沿って水平に移動し、インゴットチャンバーの開閉を完了します。一部の機器では、可動部がXNUMX度になり、左右上向きに開くように設計されているため、インゴット金型の積み下ろしやクレーンの日常のメンテナンスや修理に便利です。製錬の開始時に、炉本体は下の油圧機構によって持ち上げられ、炉の上部構造の炉カバーと結合され、特別な機構でロックされます。炉カバーの上端は、真空を介して供給チャンバーに接続されています バルブ.

製錬部のみを真空チャンバー内に封入し、分流溝から流し出すため、炉の構造がコンパクトになり、溶解チャンバーが小さくなり、真空をより良く、より速く制御することができます。従来の誘導溶解炉に比べ、排気時間が短く、漏れ率が低いという特徴があります。理想的な圧力制御は、PLCロジック制御システムを装備することで実現できます。同時に、電磁攪拌システムは溶融池を安定して攪拌することができ、添加された元素は上から下まで溶融池に均一に溶解し、温度をほぼ一定に保ちます。お金を注ぐとき、ランナーは外部加熱システムによって加熱され、注ぐポートの最初の注ぐ閉塞とランナーの熱亀裂を減らします。フィルターバッフルなどを追加することで、溶鋼の影響を軽減し、金属の純度を向上させることができます。 VIDP炉の容積が小さいため、真空漏れの検出と修理が容易になり、炉内の洗浄時間が短縮されます。さらに、炉内の温度は、小型で交換が簡単な熱電対で測定できます。

2.4、誘導水冷るつぼ

水冷るつぼ電磁誘導真空浮上製錬法は、近年急速に発展している製錬法です。これは主に、高融点、高純度、非常に活性の高い金属または非金属材料を調製するために使用されます。銅るつぼを銅の花びら構造の等しい部分に切断し、水冷を各花びらブロックに通すことにより、この構造は電磁推力を強化し、溶融金属が中央で圧搾されてこぶを形成し、るつぼの壁。金属は交流電磁界に置かれます。この装置は、坩堝内の容積空間に容量を集中させ、次に装薬の表面に強い渦電流を形成します。一方ではジュール熱を放出して電荷を溶かし、他方ではそれはローレンツ力を形成して溶かします。体は浮遊し、強い攪拌を生み出します。添加された合金元素は、溶融物中で迅速かつ均一に混合することができ、化学組成をより均一にし、温度伝導をよりバランスのとれたものにします。磁気浮上の影響により、溶融物はるつぼの内壁と接触せず、るつぼが溶融物を汚染するのを防ぎます。同時に、熱伝導を減らし、熱放射を高めます。これにより、溶融金属の熱放散が減り、高温になります。追加された金属装入物は、必要な時間と設定温度に応じて溶かして保温することができ、事前に装入物を処理する必要がありません。水冷製錬は、金属介在物の除去と脱ガス精製の点で電子ビーム製錬のレベルに達することができますが、蒸発損失が小さく、エネルギー消費量が少なく、生産効率が向上します。誘導加熱の非接触加熱特性により、溶融物への影響が小さく、高純度または超活性金属の調製に良い効果があります。装置の構造が複雑であるため、大容量装置のマグレブ製錬を実現することは依然として困難です。現段階では、大容量の水冷銅るつぼ製錬設備はありません。現在の水冷るつぼ装置は、少量の金属製錬に関する実験的研究にのみ使用されています。

3.誘導溶解装置の今後の開発動向

真空誘導加熱技術の開発に伴い、さまざまな機能を実現するために炉の種類が絶えず変化しています。単純な製錬または加熱構造から、さまざまな機能を実現でき、生産に適した複雑な構造に徐々に発展してきました。将来のより複雑な技術プロセスでは、正確なプロセス制御を実現し、関連情報を測定および抽出し、人件費を可能な限り削減する方法が、誘導溶解装置の開発の方向性です。

3.1、モジュラー

機器の完全なセットでは、さまざまな使用要件に応じてさまざまなコンポーネントが装備されています。コンポーネントの各部分は、独自の使用目的を達成するために独自の機能を実行します。特定の種類の炉では、装置をより完全にするために特定のモジュールを追加します。たとえば、完全な温度測定システムを装備すると、温度による炉内の材料の変化を観察し、より合理的な温度制御を実現できます。材料組成を検出するための質量分析計を装備。プロセスの開発段階で合金の性能を向上させるために、合金元素を追加する時間と順序を調整します。一部の高融点金属の溶解などの問題を解決するために、電子銃とイオン銃を装備しています。将来の誘導冶金装置では、さまざまな機能を実現し、さまざまなプロセス要件を満たすためのさまざまなモジュールのさまざまな組み合わせが開発の必然的な傾向になり、さまざまな分野の組み合わせと参照でもあります。金属製錬プロセスを改善し、より優れた性能の材料を得るために、モジュラー機器はより強力な市場競争力を持ちます。

3.2.インテリジェント制御

従来の製錬と比較して、真空誘導装置はプロセス制御を実現する上で大きな利点があります。コンピュータ技術の発達により、マンマシンインターフェースの使いやすい操作、インテリジェントな信号取得、および機器の合理的なプログラム設定により、製錬プロセスの制御、人件費の削減、および操作の簡素化という目的を簡単に達成できます。便利。

将来の開発では、よりインテリジェントな制御システムが真空装置に追加されます。確立されたプロセスでは、インテリジェント制御システムによって製錬温度を正確に制御し、特定の時間に合金材料を追加し、製錬、保温、および注入の一連のアクションを完了することが容易になります。そして、これらすべてがコンピューターによって制御および記録され、人的エラーによって引き起こされる不必要な損失を減らします。反復製錬プロセスでは、より便利でインテリジェントな最新の制御を実現できます。

3.3。情報化

誘導溶解装置は、誘導プロセス全体、誘導加熱電源のリアルタイムパラメータ変更、チャージの温度場、るつぼ、誘導コイルによって生成される電磁場、金属溶融物の物理的特性など。現在のところ、装置は単純なデータ収集しか実現しておらず、製錬終了後にデータを抽出して分析を行っています。将来的には、情報化、データ収集と処理、および分析プロセスの開発は、必然的に製錬プロセスとほぼ同期するでしょう。冶金機器の内部製錬材料の完全なデータ収集、データのコンピューター処理、現在の状況下での機器の内部温度場と電磁界のリアルタイム表示、およびさまざまなデータのリアルタイムフィードバックによる信号送信、人々に便利製錬プロセスのリアルタイムの観察と調整により、人間の介入と制御が強化されました。製錬プロセスでは、プロセスを改善し、合金の性能を向上させるために、タイムリーな調整が行われます。