Características y principios del horno de inducción al vacío

Con el rápido desarrollo de mi país en los campos de ferrocarril de alta velocidad, energía nuclear, petróleo y petroquímica, aeroespacial y otros campos, se plantean requisitos cada vez más altos para los materiales de acero: mayor resistencia, mayor resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas y mayor resistencia a la fatiga, etc., y la tecnología de fusión por inducción al vacío es una garantía importante para la producción de acero especial de alta gama. Entre los muchos métodos especiales de calentamiento o fusión, se utiliza la tecnología de calentamiento por inducción para fundir y preparar materiales metálicos, y puede controlar con precisión los gases, inclusiones no metálicas y sustancias nocivas traza en el acero. El nivel de impurezas juega un papel crucial. Este documento presenta el proceso de desarrollo del horno de inducción y la tecnología de fusión por inducción al vacío, así como la aplicación de la tecnología de fusión por inducción en diferentes ocasiones. Según la estructura de los diferentes tipos de hornos de inducción al vacío, se comparan sus ventajas y desventajas. Se espera el futuro desarrollo del horno de inducción al vacío y se expone su tendencia de desarrollo. El desarrollo y progreso de los hornos de inducción al vacío se reflejan principalmente en la mejora gradual de la estructura general del equipo, la tendencia cada vez más evidente de equipos a gran escala y un sistema de control más inteligente.

Cuando la corriente alterna pasa a través de la bobina de inducción, se genera un campo magnético alterno alrededor de la bobina, y el material conductor en el horno genera un potencial inducido bajo la acción del campo magnético alterno, formando una corriente (corriente de Foucault) a una cierta profundidad en la superficie de la carga, y la carga se calienta y funde por la corriente de Foucault. El horno de inducción es un horno eléctrico que utiliza el efecto electro térmico de inducción de los materiales para calentar o fundir materiales.

El método de fusión y refinación de superaleaciones colocando un horno de inducción en un vacío se llama fusión por inducción al vacío (VIM) de superaleaciones. En la actualidad, las superaleaciones de alta calidad y alto contenido de aleación utilizan casi sin excepción el método de fusión por inducción al vacío como la primera fusión, y luego la segunda fusión, o incluso la tercera fusión.

La fusión atmosférica se adoptó en la década de 1940, y la temperatura de servicio de las superaleaciones se limitó a unos 750 °C. En la década de 1950, se inventó la tecnología de vacío, y se utilizó la fusión al vacío para mejorar la calidad de las superaleaciones y mejorar las propiedades de trabajo en caliente, de modo que los elementos de aleación pudieran aumentarse aún más, aumentando así la temperatura de servicio de las superaleaciones deformadas de aproximadamente 800 °C a 950 °C. Más tarde, utilizando la tecnología de metalurgia al vacío para desarrollar superaleaciones fundidas, bajo la misma composición, la temperatura de servicio de la superaleación fundida es aproximadamente 30 °C más alta que la de la aleación deformada. Dado que el moldeo por fundición elimina la dificultad del trabajo en caliente, el contenido de elementos de refuerzo como Al, Ti, Nb, Ta puede aumentarse aún más, y la temperatura de servicio puede aumentarse en 20 °C. Por lo tanto, la fusión al vacío ha desempeñado un papel muy importante en el desarrollo de superaleaciones.

En la década de 1920, se pusieron en uso hornos de inducción al vacío industriales. Alemania utilizó un horno de inducción al vacío para fundir aleaciones de Co y Ni en 1923, con una capacidad de 4t y una potencia de 350kW. Desde entonces, el horno de inducción al vacío ha ido desarrollándose gradualmente.

En 1958, se puso en producción un horno de inducción al vacío con una capacidad de fusión de superaleaciones, y en 1961, también se puso en producción un horno de inducción al vacío con una capacidad de 6t. El horno de inducción al vacío con una capacidad de 60t se utilizó oficialmente en producción en los Estados Unidos en 1968, y el grado de vacío puede alcanzar 1.33xlO-2Pa. Mi país importó dos pequeños hornos de inducción al vacío de 10 kg del extranjero en 1956, de los cuales la Academia China de Ciencias Metales poseía uno, utilizado para fundir superaleaciones de fundición basadas en grilletes, y desempeñó un papel muy importante en la investigación de las primeras superaleaciones en el Instituto de Metales.

Sobre la base de la introducción de hornos de inducción al vacío de 3/6t en la década de 1980, varios molinos de acero especial nacionales se han equipado con hornos de inducción al vacío de 12t de nivel avanzado contemporáneo en los últimos años. El horno de inducción al vacío 12tVIM1400 importado de Alemania tiene un grado de vacío final de 0.01Pa y una tasa de fuga de aire de 27Pa·L/S, lo que puede controlar con precisión la composición química de la aleación, especialmente los elementos con alta afinidad por el oxígeno (como Al, Ti, B, Zr, Mg), el avanzado sistema de agitación electromagnética puede acelerar la fusión y la uniformidad de temperatura y composición, y la pureza del acero fundido se garantiza mediante dos capas de bloqueo de escoria y filtración cerámica durante el vertido, y la curva de parámetros de fusión puede llevarse a cabo automáticamente. El sistema de adquisición de datos en el sitio puede mostrar y registrar automáticamente los parámetros del proceso de fusión, como potencia, frecuencia, vacío, tasa de fuga de aire, temperatura, etc., para garantizar que la calidad del producto sea estable y proporcionar trazabilidad a largo plazo, verdadera y completa para los productos.

Primero, las características de la fusión de superaleaciones en hornos de inducción al vacío.

Todas las características de la fusión de aleaciones de alta temperatura en hornos de inducción al vacío provienen de la palabra "vacío". Este método puede evitar las desventajas de los elementos de aleación producidos por la fusión y fundición atmosférica, especialmente los elementos más activos que son fáciles de quemar y difíciles de controlar, y el alto contenido de gas, inclusiones no metálicas y impurezas metálicas nocivas en la aleación, como sigue:

1. El material metálico se funde, refina, alea y vierte bajo vacío, evitando la contaminación causada por la interacción con el aire, y la superaleación fundida tiene alta pureza.

2. En condiciones de vacío, se corta el contacto entre el metal y el aire, el metal no se oxida fácilmente, y la composición química de la superaleación se puede controlar con precisión, especialmente los elementos activos con fuerte afinidad por el oxígeno y el nitrógeno, como Al, Ti, B, Zr, Nb, elementos de tierras raras, etc., se controlan estrictamente dentro de un rango muy estrecho. Al y Ti se pueden controlar en el rango de ±0.12% en vacío, pero solo se pueden controlar en el rango de ±0.25% en aire. Por ejemplo, en la fusión al vacío de Inconel718 en un horno de inducción de 6t, se contabilizó el rango de fluctuación de cada elemento activo en la producción de 100 hornos, y se concluyó que las fluctuaciones de Nb y A1 estaban casi dentro del rango de error analítico. Sin embargo, cada aumento del 0.1% en el contenido de Nb en esta aleación puede aumentar la resistencia de rendimiento en aproximadamente 10MPa, lo que es difícil de garantizar cuando se funde a presión normal. Otro ejemplo es que el mejor rendimiento integral de V-57 solo se puede obtener cuando Si < 0.2% y C está entre 0.04 y 0.08% ±. El rango es tan estricto que solo se puede garantizar mediante fusión por inducción al vacío.

3. La fusión bajo vacío crea buenas condiciones de desgasificación, de modo que la superaleación fundida tiene bajo contenido de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.

4. Las impurezas nocivas de bajo punto de fusión traídas por las materias primas, como Te, Pb, Se, Bi, Cu, Sb, As, Sn, etc., debido a su alta presión de vapor, pueden volatilizarse y eliminarse bajo vacío para purificar el material. Por ejemplo, hay una aleación deformada basada en grilletes con la composición de 0.2C, 20Co, 5Mo, 1.5Ti, 4.8A1, 0.05Zr, 0.003B, y el cambio del contenido de plomo antes y después de la fusión al vacío se reduce de 5ppm a <2ppm (limitado por la precisión analítica), el rendimiento mejora enormemente, el tiempo de duración a 940 °C y 110Pa se extiende de 72h a 153h, y la elongación aumenta del 9.5% al 20%.

En el estudio de la volatilización de algunas impurezas nocivas como la aleación Cr20Ni80 y el hierro puro, como el dios, el estaño, el gui, el collar, el cobre, el plomo, el suplemento, el selenio, etc., cuando se funden bajo un vacío de 5xlO-3nunHg, la volatilización de las impurezas está relacionada con la temperatura, el tiempo y la temperatura. La superficie, la relación de profundidad y la agitación del baño de fusión están relacionadas. La composición de la aleación del baño de fusión también tiene una gran influencia. El arsénico y el estaño apenas cambian en las aleaciones de níquel, pero disminuyen continuamente en el hierro puro. En cuanto a cómo cambiarán en los baños de fusión de aleaciones basadas en Fe-Ni-Cr, vale la pena estudiarlo.

5. En condiciones de vacío, la capacidad de desoxidación del carbono es muy fuerte, lo que se mejora en varios órdenes de magnitud, y el producto de desoxidación CO se extrae continuamente del horno, de modo que la reacción se lleva a cabo de manera continua, superando así los productos de desoxidación que trae el uso de desoxidantes metálicos.

6. La atmósfera y la presión del aire en el horno se pueden controlar opcionalmente. Por ejemplo, a veces se requiere protección con gas Ar, por lo que la pérdida por oxidación de los elementos de aleación es menor y la tasa de utilización es alta. Esta es una de las características más significativas de la fusión de superaleaciones en hornos de inducción al vacío.

7. La agitación por inducción electromagnética hace que la composición del fundido sea uniforme, acelera la reacción de la superficie del fundido y acorta el ciclo de fusión. En términos de aplicación de productos, los hornos de fusión por inducción al vacío se utilizan principalmente para producir superaleaciones, aceros de ultra alta resistencia, aceros inoxidables y otras aleaciones de propósito especial requeridas por las industrias aeroespacial, de misiles, cohetes, energía atómica y electrónica.