دانلود 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.

روش ذوب بدین ترتیب است که ابتدا محفظه تا فشار پایین خلا شده و پس از بررسی میزان نشستی، شارژ گرم می شود.

ساختمان کوره VIM کوره های VIM همانند سایر کوره های القایی هستند، با این تفاوت که دارای سیستمهای کنترلی دقیقتر، سیستم ایجاد خلا، سیستم دمش گاز آرگون و سیم پیچهای اضافی است.

سیستم کنترل : سیستمهای کنترلی VIM شامل ترموکوپلها، فشارسنج و گیجهای اندازه گیری ضخامت نسوز هستند.

سیستم ایجاد خلا: ماکسیمم سطح خلا قابل دسترسی در این نوع کوره ها mbar 6-10 ، 5-10، بوده سطح خلا در هنگام ذوب در این کوره ها mbar 3-10، 2-10 میباشد.

همانطور که در قبل اشاره شد، برای ایجاد خلا درVIM از ترکیب پمپھای مکانیکی (روغنی گردشی ١ و روتس ٢) و دیفیوژن ٣ استفاده میشود.

مکانیزم ایجاد خلا بدین ترتیب است که ابتدا پمپ با توان کمتر، ایجاد خلا کرده و سپس پمپهای قویتر مورد استفاده قرار میگیرند.

الف- پمپ روغنی گردشی این دستگاهها که بطور خلاصه به پمپ گردشی یا روتاری موسومند، پراستفاده ترین وسایل برای ایجاد خلأ پایین و متوسط ( تا حدود 3-10 تور ) میباشند.

در شکل 5 ساختمان ساده پمپهای گردشی نشان داده شده است.

با هر گردش هسته دوار مرکزی، قسمتی از ذرات موجود در پمپ متراکم و در پشت بطن خروجی جمع میشود.

وقتی فشار طرف درونی بطن خروجی بیش از فشار طرف دیگر باشد، دریچه باز شده و ذرات متراکم به خارج رانده میشوند ب- پمپ روتس : گستره عمل این پمپها در فاصله 3-10 تور تا 3-10 تور قرار دارد .

عیب این پمپها این است که نیاز به پیش خلا دارند، همچنین فشار آنچنان پایینی هم ایجاد نمی کنند.

از محاسن این پمپها می توان به سرعت تخلیه بالای آنها اشاره کرد، که در این حالت باید پمپ دیگری نیز برای جلوگیری از افزایش فشار وجود داشته باشد.

ج- پمپ روغنی انتشاری شاخصترین و پرمصرفترین نوع پمپ برای ایجاد خلأ بالا، پمپ روغنی انتشاری یا دیفیوژن است.

در شکل 6 ساختمان و طرز کار این دستگاه نشان داده شده است.

قسمت پایین دستگاه با روغن پوشانده و به وسیله یک سیم پیچ حرارت داده میشود.

جدار قسمت بالایی پمپ توسط آب خنک میشود.

روغن تبخیر شده از میان استوانه ای هم مرکز ب بالا صعود کرده و از روزنه های تعبیه شده با فشار به بیرون استوانه هم مرکز رانده میشود.

ذره های موجود در پمپ، در اثر برخورد با ذرات روغن و چسبیدن به آنها به سمت پایین رانده شده و به جداره برخورد میکنند.

به علت سرد بودن جداره پمپ، ذرات روغن بخار ( به خصوص مقدار ناچیزی که به سمت بالا نشر کرده است) جذب جدار درونی پمپ شده و به حالت مایع درآمده و به پایین پمپ رانده میشوند و در آنجا، ذرات هوا توسط پمپ روتاری تخلیه میشود.

اغلب برای بالا بردن توان ایجاد خلأ توسط این نوع پمپها، در قسمت فوقانی آنها ظرف محتوی ازت مایع تعبیه شده و بدین ترتیب از نفوذ و نشر معکوس ذره های روغن به داخل محیط خلأ جلوگیری میشود تلاطم حمام مذاب در کوره ھای VIM : تلاطم حمام مذاب با استفاده از کویلهای این کوره انجام میگیرد.

که شدت این تلاطم وابسته به جریان ورودی به کوره و همچنین فرکانس کاری کوره میباشد.

این تلاطم ایجاد شده توسط سیم پیچھا در واقع به حجمهای کم مذاب محدود میشود.

با توجه به موارد فوق معمولاً جهت ایجاد تلاطم از سیستم تلاطمی دو گانه استفاده به عمل می آید؛ در این صورت یکی و یا هر دوی تجهیزات زیر مورد استفاده قرار میگیرند: الف - تلاطم الکترومغناطیسی با استفاده از سیم پیچهای اضافی.

ب- تلاطم به وسیله آرگون دهی از قسمت پایینی کوره.

تفاوت تلاطم الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچهای اصلی با تلاطم ایجاد شده با کمک گرفتن از سیم پیچهای اضافی در این است که در روش دوم گردش و تلاطم حمام مذاب را در فرکانس ۵٠ تا ۶٠ هرتز، بدون افزایش دما میتوان حاصل نمود.

نتیجتاً معمولاً از ترانسفورماتورهای ثانویه استفاده به عمل می آید.

گاززدایی نیز با استفاده از تجهیزات مناسب، ایجاد تلاطم حمام مذاب را بهبود میبخشد.

معروفترین این حالت استفاده از آرگون در متالورژی پاتیلی است.

گرچه تلاطم میتواند فقط توسط سیم پیچهای القایی با جریان ورودی بالا انجام شود و نتیجتاً دمای کاری مذاب بالا برود، اما این افزایش دما تا حد زیاد، معمولاً از نظر متالورژیکی مناسب نمیباشد.

آرگون دهی یک تاریخ طولانی را در استفاده در کوره های القایی روباز دارد.

یک ویژگی این کار این است که توپی متخلخلدر تماس مستقیم با فلز مذاب نیست.

درعوض، توپی با مواد نسوز به طور یکسانی پوشش داده شده است که آن برای آستر کشی کوره ها استفاده میشود.

یک پیشرفت جدید(شکل 7) کھ تفاوت اساسی دارد، در تماس توپی متخلخل با فلز مذاب میباشد کھ این امر قابل استفاده شدن برای عملیات تحت خلأ را موجب میشود.

این اطمینان میدهد که گازهای ورودی اضافه شده، از میان مذاب جریان یافته و قسمتهایی با استحکام کم را در طول مسیر از طریق آستر کوره7 سبب نمیشوند.

هر دو فرآیند پیشنهادی ایجاد تلاطم، در صورتی دارای مزیت و عمل کافی هستند که ملاحظات: تنظمیم درست درجه حرارت، یکنواخت سازی همراه با بهبود دادن فرسایش آستر کوره و تمیز کازی بهتر مذاب برای میزان عملکرد آنها لحاظ شود.

شکل ٨ تفاوت سه نوع روش ایجاد تلاطم را در یک نوع فرآیند VIM پیوسته نشان میدهد.

تلاطم در ٢٠٠ تا ٦٠٠ هرتز و در فاز مذاب به کاهش زمان ذوب کمک میکند.

به منظور ریزدانگی و وجود فوق ذوب برای مدت زمان طولانی، بهتر است که از تلاطم مغناطیسی در ٥٠ تا ٦٠ هرتز و یا آرگون دهی از طریق توپی متخلخل برای ایجاد تلاطم استفاده شود.

لزوم دستیابی به مذابی با کیفیت بالا استفاده از عملیات کیفی مذاب را ضروری میسازد.

در کوره های VIM عملیات کیفی و خصوصا اعمال اکسیژن زدایی، نیتروژن زدایی، هیدروژن زدایی، گوگرد زدایی و آخال زدایی در تولید فولادها وآلیاژهای تمیز اهمیت ویژه ای دارند.

لذا در ادامه به بررسی تک تک این فرآیند ها میپردازیم.

نیتروژن زدایی چنانچه ترکیبات نیترید زای قوی در مذاب کم باشد مشکلی برای کاهش این گاز،حتی تا مقادیر کمتر از 20 ppm وجود نخواهد داشت.

اما اگر نیترید زاهای قوی چون Li، V، Ti،Cr،Al در مذاب موجود باشند عمل زدایش نیتروژن و حذف آن به کندی ونیز به سختی صورت میگیرد علت این امر در تجزیه شوندگی ضعیف ترکیبات نیتروژن و عناصر فوق الذکر نهفته است.

نتیجتا اولین چاره برای کاهش و زدایش نیتروژن، جلوگیری از ورود و واکنش نیترید سازهای فوق به مذاب میباشد.

شکل 9 نمودار کاهش مقادیر نیتروژن یک فولاد ابزار را در ذوب تحت خلأ نشان میدهد .

طبق این نمودار در مراحل آغازین عملیات نیتروژن زدایی، مقادیر متوسط نیتروژن در حدود 400 ppm میباشد.

که این مقدار پس از مدتی به 50 ppm کاهش میابد.

نکته مهم در این نمودار تأ ثیر کم آرگون دهی بر کاهش نیتروژن میباشد .

این امر را میتوان با مقایسه خطوط مربوط به مراحل قبل و پس از پاکسازی با آرگون مشاهده نمود.

نتیجتا استفاده از آرگون تزریقی به مذاب خصوصا در مواردی که آلیاژ ذوب بر پایه آهن- نیکل باشد، محدود بوده واغلب مورد استفاده قرار نمیگیرد.

اکسیژن زدایی از نظر تئوری، اکسیژن موجود در مذاب آلیاژهای آهن- نیکل در دمای 1600 c فشار 0/1 pa ، باید 1 ppm باشد.

این مقدار در عمل بسیار بیشتر و در حدود 20-2 ppm میباشد.

علت این امر ناشی از عوامل خارجی نظیر وجود لایه های اکسیدی و ناخالصیهای همراه شارژ، مواد نسوز بوته و هوای محبوس داخل خلل و فرج بوته و همچنین نشست احتمالی هوا به داخل کوره میباشد.

اکسیژن اضافی موجود در مذاب را از طریق واکنش مونوکسید کربن «C+O+CO» خارج میسازند.

در این حین علاوه بر زدایش اکسیژن نوعی کربن زدایی توام نیز صورت میگیرد.

مقدار کاهش کربن و اکسیژن به فشار گاز CO خروجی بستگی دارد و کاھش فشار CO خروجی بیانگر تحصیل کربن زدایی و اکسیژن زدایی بهتر است.

واکنش اکسیژن زدایی در دو مرحله صورت میگیرد : ١ – مرحله جوشیدن و غلیان : در طول مرحله اول ذوب شدن، حباب های CO بطور غیر همگن در فصل مشترک گاز – مذاب جوانه زده و تشکیل میشوند .

پس از مراحل فوق حباب ها از یکدیگر جدا شده و از مذاب بالا می آیند این عمل موجب جوشیدن مذاب وحتی پاشش آن به بیرون از بوته می شود .

٢ – اگر فشار CO در حد جوانه زنی حباب نباشد، تشکیل در سطح مذاب در اثر جذب توسط خلا و نیز با مکانیزم جوانه زنی ناهمگن انجام میگیرد .

پس از تشکیل حباب عمل رشد آن شروع شده که سرعت این عمل به عوامل زیر بستگی دارد: ١- حد اشباعCO ٢- کاهش فشار فرو استاتیکی.

٣- زمان به سطح رسی حباب.

۴- فشار کلی محفظه.

وقتی حد اشباع CO از یک حدی کاهش یافت، بسته به فشار خارجی، مرحله جوشش مذاب و یا دفع سطحی وجود خواهد داشت.

در این حین ضریب انتقال فازی از مذاب به جامد باید مد نظر قرار گیرد این پارامتر سرعت مرحله دفع سطحی را تعیین میکند.

کاهش ناخالصی های غیر فلزی مضر : کاهش فشار در سیسیتمهای خلأ سبب تبخیر و در نتیجه کاھش میزان عناصر غیر فلزی نامطلوب نظیر Sb , Te, Se , Bi , ، As عناصر دارای فشار بخار بالا از قبیل Mg نیز تبخیر شده و کاهش می یابند .

در شکل مقابل تاثیر زمان نگهداری در خلا روی میزان عناصر فوق در آلیاژ Ni-20Cr نشان داده شده است هیدروژن زدایی حلالیت هیدروژن در مذاب سوپر آلیاژها و فولادهای تمیز، تحت مکانیزم تبدیل هیدروژن مولکولی به اتمی انجام میشود.

در این حالت تا حد زیادی خارج سازی هیدروژن با کاهش فشار خارجی، امکان میپذیرد.

برای نمونه میتوان به کاهش حلالیت هیدروژن در مذاب آهن و نیکل به کمتر از 1 ppm در اثر ذوب در خلأ اشاره کرد.

قبل از عملیات ذوب در خلأ، مقدار اکسیژن موجود در مذاب آهن- نیکل، در دمای 1600c و فشار 1 atm به ترتیب 30 ppm و 15 ppm بود.

از جمله نکات قابل توجه در ارتباط با هیدروژن زدایی تحت خلأ، تأثیر کم آرگون بر کاهش هیدروژن و نیز مفید بودن ایجاد تلاطم در مقادیر متوسط برای هیدروژن زدایی میباشد.

فرآیند دوم در تولید سوپرآلیاژها تاحدودی انجام میشود.

واکنش گوگرد زدایی : در کوره القایی تحت خلا به خاطر نحوه حرکت مذاب تحت میدان مغناطیسی، سرباره به جداره بوته می چسبد و لذا امکان واکنش کافی سرباره با مذاب وجود ندارد و در نتیجه انجام واکنش های گوگرد زدایی و فسفر زدایی در این کوره محدود میگردد.

گرچه گوگرد زدایی از طریق تشکیل گاز SO2 بعنوان روش گوگرد زدایی مطرح نیست،لیکن در کوره های ذوب خلا مقداری از گوگرد کاهش میابد.

روش دیگر برای کاهش گوگرد در خلا، کاهش فشار جزیی گاز S2 بعنوان روش گوگرد زدایی مطرح نیست،لیکن در کوره های ذوب خلا مقداری از گوگرد کاهش میابد.

روش دیگر برای کاهش گوگرد در خلا، کاهش فشار جزیی گازS2 کاهش قابل ملاحضه ای از گوگرد دراثر ایجاد ترکیبات قابل تبخیر مثل CoS-SiS-CS گزارش شده است.

همچنین حذف گوگرد از طریق تشکیل سولفیدهای نامحلول پایدارمثل LaS2 , Ces , MgS نیز گزارش شده است.

استفاده از آهک (CaO) سبب کاهش قابل توجهی در میزان گوگرد می شود، ولی آهک موجب تشکیل سرباره نامطلوبی می گردد که باعث بروز مشکلاتی در تمیزی ذوب و عمر نسوزها میگردد.

افزودن کاربید کلسیم نیز می تواند بطور همزمان بر روی اکسیژن زدایی و سولفور زدایی اثرگذار باشد، ولی مدارکی دال بر استفاده عملی از این تکنیک در جایی ذکر نشده است.

افزودن عناصر خاکی نادر نیز بر سولفور زدایی اثر بسزایی دارد ولی باید باقیمانده عناصر خاکی در مذاب به دقت کنترل شود .

لانتالیم تأثیر بسیار خوبی در سولفور زدایی و اکسیژن زدایی از خود نشان میدهد.

میش متال Ce, 24% La , 13% Nb , 5% Pr) (54%، ترکیب مناسب دیگری برای گوگرد زدایی میباشد؛ مثال عملی در رابطه با این ماده، تأثیر 2/0 %از آن بر روی ۴۵۴ کیلوگرم از آلیاژ 718-INC میباشد که این امر باعث کاهش مقدار سولفور آلیاژ از ppm ٢٠ به کمتر از 4٠ppm ، در حدود ١٠ دقیقه میشود.

افزودن 0.07% Ce به سوپر آلیاژ پایه آهن و نیکل ٩٠١ بعد از تصفیه، مقدار اکسیژن را از13-12 ppm به ppm 8-4 و مقدار گوگرد را از ppm 12-11 بھ ppm 8-4 میرساند.

سلنیم نیز از لحاظ شیمیایی شباهت زیادی به گوگرد دارد.

سلنیم سوپر آلیاژ پایه نیکل U700 میتواند توسط تبخیر از ppm 120 به ppm100 کاهش پیدا کند.

با توجه به مطالب فوق میتوان گفت که با استفاده از عناصر خاکی نادر در کورهVIM میتوان سولفور زدایی نیز انجام داد؛ لیکن انجام این عمل نیازمند کنترل بسیار دقیق است.

آخال زدایی : تمیزی مذاب که بستگی به مقدار آخال موجود در محصول نهایی دارد، امروزه یکی از مهمترین عوامل موثر در کیفیت محصول بویژه برای سوپر آلیاژها که در معرض تنش و دمای بالا قرار دارند می باشد.

برای افزایش تنش، دمای کار، مقاومت خوردگی و عمر مفید بالا تر، باید حد مجاز اخالها کاهش یابد.

یکی از معایب کوره های VIM تماس مذاب تمیز با مواد نسوز بوته است که در نتیجه آن عناصر فعال مذاب با بوته واکنش نشان می دهد.

به عنوان مثال از واکنش کربن با اکسید منیزیم میتوان نام برد (C+MgO=Mg+CO) نتیجه چنین واکنشهایی Mg,CO است که از کوره خارج میشوند .

استفاده از بوته با مواد نسوز پایدارتر و فشرده تر ، از میزان چنین واکنش های نامطلوبی می کاهد .

قابل ذکر است که جهت بدست آوردن مذاب خیلی تمیز نیاز به سرباره فعال می باشد که بتواند با مذاب در تماس باشد و اکسیدها ، سولفیدها و دیگر آخال ها را جذب نماید و در خود حل کند ولی این امر در کوره القایی تحت خلا امکان پذیر نیست ، و عموما در کنار ذوب VIM از فرآیند دیگری مثل جهت تصفیه ESR یا VAR استفاده میشود .

پاکسازی و تصفیه مذاب درVIM در آلیاژهای تمیز تصفیه مذاب و کاهش ناخالصیها بسیار حائز اهمیت است .

زیرا این امر تاثیر بسزایی بر خواص ویژه آلیاژهای فوق دارند .

مثال این امر در شکل 11 آورده شده است، این شکل اثر مقدار اکسیژن بر روی گسیختگی دو نوع سوپر آلیاژ را نشان میدهد .

علاوه بر تاثیر منفی حاصل از گازها و ترکیبات آنها مواد ناخالصی ممکن است از بوته وارد مذاب شوند که علت این امر، واکنش بین مذاب تمیز و بوته میباشد .

شکل 12 شمای کلی از واکنشهای دونوع بوته با مذاب تمیز را نشان میدهد.

دراین شکلAl و Mg ، Zr ،C از بوته تجزیه شده و به مذاب راه یافته (در مقادیر بسیار کم) و کاهش خواص مکانیکی آلیاژ را منجر میشود.

همچنین مشاهده میشود که گازهای حاصل از واکنش با استفاده پمپ خلا خارج میشود.

اگرچه کیفیت مذاب حاصل از VIM بسیار بالا و حجم اکسیدها و ناخالصیهای آن بسیار کم است، اما مذاب همواره حاوی مقادیری اکسید و برخی ناخالصیهای دیگر (گرچه به صورت جزئی) میباشد .

این امر ناشی از طبیعت گازها و نیز ویژگیهای کوره VIM نظیر عدم وجود سرباره فعال) میباشد) با توجه به مطالب فوق انجام امور زیر را برای تهیه مذاب تمیز توصیه میشود : ١: انتخاب بوته از جنس نسوز پایدارتر .

٢: حداقل زمان نگهداری مذاب در تماس با نسوز ٣: استفاده از خلا کمتر با فشار بالا جهت کاهش تجزیه نسوز .

۴: کنترل دقیق دما جهت کاهش واکنش جداره با نسوز .

۵: انتخاب مواد شارژ و یا قراضه مناسب .

۶: استفاده از گاز خنثی جهت تلاطم مذاب .

٧: فیلتراسیون مذاب ٨: ذوب مجدد شمش تولیدی در کورههای VAR یا ESRجهت حذف ناخالصیها بوته و مواد نسوز تماس دیواره کوره با ترکیبات سرباره ای و فلز مذاب و نیز فشار مولکولی ناشی از واکنشهای عناصر مایع و گازی در حین عملیات ذوب، باعث حساسیت دیواره کوره و واکنش درآن و حتی سوراخ شدن و ترک و فرسایش آستر آن دیواره میشود.

لذا توجه به این امور نوع نسوز و آستر داخلی کوره اهمیت میابد.

با توجه به موارد فوق، آستر کوره باید از نوعی باشد که میل به واکنش با مذاب کمتری داشته و نیز از دیرگدازی و مقاومت مکانیکی برخوردار باشد.

معمولاً از مواد سرامیکی بدین منظور استفاده میشود.

همچنین استفاده از مواد سرباره ای دیگری که از اکسیدها در مقادیر کم یا زیاد اشباع شده اند، مفید است.

ترکیب مواد اکسیدی مصرف شونده در آسترکوره هر یک از مواد ZrO2 ، CaO Al2O3 , Mgo , میتواند باشد.

آستر کوره تقریباً همیشه سوراخ وزینتر میشود، لذا در کوره های بزرگ عمل ترمیم همیشگی و ضروری است.

یک ترکیب مناسب دیواره کوره، مخلوطی از سیلیکات خشک به همراه مقدار کمی از نسوزهای اکسیدی است.

این ترکیب خواص خوبی چون مقاومت حرارتی و انبساط حرارتی کم (کمتر از ٨% در ١٠٠٠ درجه سانتیگراد) را دارا است و به همین دلیل در کارخانه های بزرگ استفاده میشود.

واکنش عناصر و ترکیبات مختلف با آستر نسوز: فشار جزئی CO ، در آستر اکسیدی مذاب کاهش میابد.

CaO افزایش استحکام را موجب میشود، درحالیکه SiO2 کاهش استحکام در فشارهای نسبتاً زیاد و نیز کاهش عناصر آلیاژی مذاب چون منگنز، کروم، آلومینیوم، تیتانیم و زیرکنیم را سبب میشود که این امر کاهش عمر نسوز را به دنبال دارد.

تکنولوژیهای جدید: فرآیند VIDP : این فرآیند تکنولوژی جدیدی از ذوب القایی تحت خلأ میباشد که در آن به جای تخلیه محفظه ذوب، فقط بوته تخلیه میگردد.

این روش به VIDP معروف بوده و شکل شماتیک آن در زیر دیده میشود.

کوره های VIDP برای واحدهای ذوب و عملیاتی طراحی شده اند و به عبارت دیگر قابلیت اتصال به واحدهای ریخته گری شمش، ریخته گری مداوم عمودی و افقی و تولید پودر میباشد.

به دلیل حجم کوچک کوره ھای VIDP در مقایسه با کوره ھای VIM، این کوره ها نشت کمتری داشته و به راحتی با پمپهای کوچکتر و با ظرافت پایینتر قابل دسترسی به فشارهای پایین میباشند.

روش VIDP برای تولید در مقیاس صنعتی مناسب بوده و در آن از طریق تزریق گاز آرگون از کف بوته جهت گاززدایی و به هم زدن مذاب استفاده میشود.

فرآیند ریخته گری کاسه ای در بوته مسی ( جداره سرد): آلیاژهای تیتانیم، زیرکونیم، ابر رساناها، محفظه نگهدارنده هیدروژن، آلیاژهای حافظه دار، مواد مغناطیسی، آلیاژهای بین فلزی و آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت نیازمند به کنترل دقیق ساختار و تصفیه بالا ھستند.

برای ذوب این دسته از مواد از فرآیند ذوب و ریخته گری در بوته مسی خنک شونده با آب استفاده به عمل می آید.

مزایای :VIM مهمترین مزایای سیستم VIM به طور خلاصه عبارتند از: ١- انعطاف پذیری و قابلیت تطبیق با ظرفیتهای کوچک.

٢- سهولت تغییر برنامه تولید فولادها و آلیاژهای دیگر.

٣- کاربری آسان.

۴- کاهش موثر اتلاف عناصر آلیاژی.

۵- امکان تهیه ترکیبات با دقت بالا.

۶- کنترل دقیق درجه حرارت.

٧- کاهش اساسی آلودگی محیط زیست.

٨- حذف ناخالصیهای فرار.

٩- حذف گازهای محلول.

محدودیت های : VIM این روش با وجود داشتن برتری های قابل توجهی نسبت به دیگر روش ها،دارای محدودیتهایی نیز است که دایره فعالیت این کوره ها را محدود می نماید.

در میان این مشکلات می توان به دو مشکل حادتر پرداخت که در زیر به آنها اشاره شده است: ١) جدایشهای ساختار انجمادی : جدایش عناصر حل شونده در مقیاس میکروسکوپی و ماکروسکوپی در حین انجماد وجود دارد.

در اثر انجماد، ساختار با دانه های بزرگ و غیر یکنواخت و همچنین حفره های انقباضی بزرگ به وجود می آید و لذا نیاز به ذوب مجدد در قالب های مسی آبگرد دارد ، که با روش های VAR &ESR صورت می گیرد.

٢) واکنش مذاب با مواد نسوز : آلودگی مذاب در اثر واکنش عناصر آلیاژی با اکسیدهای نسوز و امکان ورود آخالها به مذاب وجود دارد.

محصولات تولیدی VIM از مصارف VIM می توان به ذوب و آلیاژ سازی در مورد عناصر خاصی که امکان تولید آنها در روش های دیگر با موانع زیادی همراه است اشاره کرد،از این دست می توان به آلیاژهای آلمینیوم و مس اشاره کرد.

آلیاژهای مس : تولید مس خالص با داشتن کمتر از 2 ppm اکسیژن می تواند تنها در کوره های تحت خلا انجام گیرد.

اکسیژن باعث کاهش قابلیت هدایت التریکی در آلیاژهای مس می شود .

برای کاهش مس آزاد موجود در مس ،ابتدا در کوره های عادی ذوب وسپس به کوره های تحت خلا انتقال می یابد.

آلیاژهای آلومینیوم : با ورود عناصری مانند زیرکونیوم، برلیم، تلریم و کادمیوم به آلیاژهای آلومینیوم و واکنش پذیری بالای این عناصر با هوا تنها راه تولید آلیاژهای سالم از این عناصر تولید آنها در کوره های ذوب تحت خلا است تا از واکنش شدید میان آنها و هوا (اکسیژن وهیدروژن) جلوگیری شود .

گزینه اول برای تولید آلیاژها ی آلمینیوم - لیتیم استفاده از کوره های VIM است.

تبخیر عناصر آلیاژی : از دیگر کاربردهای کوره های ذوب تحت خلا می توان به اکسیژن زدایی و کربن زدایی اشاره کرد.

در آنها حرارت دادن به تبخیر عناصر با فشار بخار بالا کمک می کند .

برای جدا سازی فلزات نیز این کوره ها از فعالان صنعت هستند، برای مثال : ١)برای جدا سازی سرب و روی در تصفیه سرب ٢)در تولید روی و بر، کاهش منیزیم و فلزات قلیایی شمش ها و الکترود های تولیدی با VIM محدوده های مختلفی را از نظر ابعادی و وزنی شامل می شوند.از این روش جهت تولید مواد پیشرفته نظیر سوپر آلیاژهای مورد استفاده در صنایع هوا فضا،آلیاژهای پایه Niو Co-Ni در صنایع شیمیایی ، آلیاژهای پایه Fe-Niدر صنایع الکترونیک ،آلیاژهای غیر آهنی نظیر مس و Al-Li فولاد های فوق مستحکم ویژه،آلیاژهای عناصر خاکی نادر جهت کاربرد های مغناطیسی الکترود ها و تولید پودر فلزات.

برخی از استفاده های آلیاژهای تمیز به صورت موردی در زیر آمده است: اتومبیل: اجزای حساس موتور، توربو شارژر، اگزوز، سیستم ایمنی، قطعات بدن، محور و گاردان هوا و فضا : تیغه های توربین ، بدنه و موتور شاتل ها ، ژنراتور های الکتریکی پزشکی : قطعات پیوندی در ارتوپدی، بدنه دوچرخه های درمانی ، قاب های عینک ، مته های دندانپزشکی، پرتز های بدن صنعت شیمی : مبدل های گرمایی، والو ها – پمپ ها – آب بند ها، همزن های ضد خوردگی اتوماسیون کوره های VIM امروزه در اکثریت کوره های VIM کنترل کامپیوتری رایج است.

نتیجه این امر دستیابی به کیفیت بالاتر محصولات و نیز آسانتر شدن کنترل آنها میباشد.

دراین حالت کوره به یک کامپیوتر متصل میباشد و اطلاعات مربوط به ترکیبات شارژ و نیز مقادیر افزودنیها و یا مقدار ناخالصی ها توسط کامپیوتر محاسبه میشوند.

همچنین محاسبات دمایی مذاب نیز به سهولت با استفاده از این سیستم انجام میگیرد.

علاوه بر قابلیتهای سیستمهای کامپیوتری در سهولت انجام محاسبات و نیز سرعت بالای آنها در انجام این امر، ویژگی مناسب دیگر استفاده از این روش قابلیت ذخیره، چاپ و مشاهده اطلاعات میباشد.

این امور با استفاده از صفحات مانیتور و پرینتر انجام میشود.

قابلیت مناسب دیگر برای اتوماسیون VIM امکان استتفاده از انواع طیف سنجها برای مطالعه بهتر ترکیب میباشد.

ساختمان کورهای القایی مقدمه : یکی از انواع کوره های الکتریکی کوره های القائی می باشد.

در این کوره ها حرارت لازم برای ذوب فلز بوسیله ایجاد جریان القائی حاصل از یک میدان الکترومغناطیسی با فرکانس کم یا زیاد تامین می گردد.

در حال حاضر انواع و اقسام کوره های الکتریکی جهت ذوب فلزات آهنی و غیر آهنی وانجام عملیات حرارتی ساخته شده و مورداستفاده قرار می گیرند.

کوره های الکتریکی رانسبت به نحوه تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی می توان به سه نوع تقسیم نمود:{1}