Merkmale und Prinzipien des Vakuum-Induktionsofens

Mit der raschen Entwicklung meines Landes in den Bereichen Hochgeschwindigkeitsbahn, Kernenergie, Erdöl und petrochemische Industrie, Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen werden immer höhere Anforderungen an Stahlmaterialien gestellt: höhere Festigkeit, stärkere Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit und stärkere Ermüdungsbeständigkeit usw. Die Vakuum-Induktionsschmelztechnologie ist eine wichtige Garantie für die Produktion von hochentwickeltem Spezialstahl. Unter vielen speziellen Heiz- oder Schmelzmethoden wird die Induktionsheiztechnologie verwendet, um Metallmaterialien zu schmelzen und vorzubereiten, und sie kann Gase, nichtmetallische Einschlüsse und spurenhafte schädliche Substanzen im Stahl genau kontrollieren. Der Grad der Verunreinigungen spielt eine entscheidende Rolle. In diesem Papier wird der Entwicklungsprozess des Induktionsofens und der Vakuum-Induktionsschmelztechnologie sowie die Anwendung der Induktionsschmelztechnologie in verschiedenen Anlässen vorgestellt. Je nach Struktur der verschiedenen Typen von Vakuum-Induktionsöfen werden ihre Vor- und Nachteile verglichen. Ausblick auf die zukünftige Entwicklungsrichtung des Vakuum-Induktionsofens und Erörterung seines Entwicklungstrends. Die Entwicklung und der Fortschritt der Vakuum-Induktionsöfen spiegeln sich hauptsächlich in der schrittweisen Verbesserung der Gesamtstruktur der Ausrüstung, dem zunehmend offensichtlichen Trend zu großflächigen Geräten und einem intelligenteren Kontrollsystem wider.

Wenn der Wechselstrom durch die Induktionsspule fließt, wird ein wechselndes Magnetfeld um die Spule erzeugt, und das leitfähige Material im Ofen erzeugt unter dem Einfluss des wechselnden Magnetfelds ein induziertes Potenzial, das einen Strom (Wirbelstrom) in einer bestimmten Tiefe an der Oberfläche der Charge bildet, und die Charge wird durch den Wirbelstrom erhitzt und geschmolzen. Der Induktionsofen ist ein Elektroofen, der den induktiven elektrothermischen Effekt von Materialien nutzt, um Materialien zu erhitzen oder zu schmelzen.

Die Methode zum Schmelzen und Raffinieren von Superlegierungen durch das Platzieren eines Induktionsofens in einem Vakuum wird als Vakuum-Induktionsschmelzen (VIM) von Superlegierungen bezeichnet. Derzeit verwenden fast alle hochlegierten hochwertigen Superlegierungen ohne Ausnahme die Methode des Vakuum-Induktionsschmelzens als erste Schmelze und dann die zweite Schmelze oder sogar die dritte Schmelze.

In den 1940er Jahren wurde das Atmosphärenschmelzen eingeführt, und die Betriebstemperatur von Superlegierungen war auf etwa 750 °C begrenzt. In den 1950er Jahren wurde die Vakuumtechnologie erfunden, und das Vakuumschmelzen wurde verwendet, um die Qualität von Superlegierungen zu verbessern und die Warmverarbeitungseigenschaften zu verbessern, sodass die Legierungselemente weiter erhöht werden konnten, wodurch die Betriebstemperatur von verformten Superlegierungen von etwa 800 °C auf 950 °C erhöht wurde. Später wurde die Vakuummetallurgietechnologie zur Entwicklung von Guss-Superlegierungen verwendet, wobei unter derselben Zusammensetzung die Betriebstemperatur von Guss-Superlegierungen etwa 30 °C höher ist als die von verformten Legierungen. Da die Gussformung die Schwierigkeiten der Warmverarbeitung beseitigt, kann der Gehalt an Verstärkungselementen wie Al, Ti, Nb, Ta weiter erhöht werden, und die Betriebstemperatur kann um 20 °C erhöht werden. Daher hat das Vakuumschmelzen eine sehr wichtige Rolle in der Entwicklung von Superlegierungen gespielt.

In den 1920er Jahren wurden industrielle Vakuum-Induktionsöfen in Betrieb genommen. Deutschland verwendete 1923 einen Vakuum-Induktionsofen, um Co- und Ni-Legierungen mit einer Kapazität von 4t und einer Leistung von 350kW zu schmelzen. Seitdem hat sich der Vakuum-Induktionsofen allmählich entwickelt.

1958 wurde ein Vakuum-Induktionsofen mit einer Kapazität von in die Produktion zur Schmelze von Superlegierungen eingeführt, und 1961 wurde ebenfalls ein Vakuum-Induktionsofen mit einer Kapazität von 6t in die Produktion eingeführt. Der Vakuum-Induktionsofen mit einer Kapazität von 60t wurde 1968 offiziell in den USA in der Produktion verwendet, und der Vakuumgrad kann 1,33xlO-2Pa erreichen. Mein Land importierte 1956 zwei 10kg kleine Vakuum-Induktionsöfen aus dem Ausland, von denen einer der Chinesischen Akademie der Wissenschaften Metall gehörte, der zur Schmelze von schäkelbasierten Guss-Superlegierungen verwendet wurde und eine sehr wichtige Rolle in der Forschung früher Superlegierungen im Institut für Metalle spielte.

Auf der Grundlage der Einführung von 3/6t Vakuum-Induktionsöfen in den 1980er Jahren wurden in den letzten Jahren mehrere inländische Spezialstahlwerke mit 12t großen Vakuum-Induktionsöfen ausgestattet, die dem zeitgenössischen weltweiten Stand der Technik entsprechen. Der aus Deutschland importierte 12tVIM1400 Vakuum-Induktionsofen hat einen ultimativen Vakuumgrad von 0,01Pa und eine Luftleckrate von 27Pa·L/S, die die chemische Zusammensetzung der Legierung genau kontrollieren kann, insbesondere die Elemente mit hoher Affinität zu Sauerstoff (wie Al, Ti, B, Zr, Mg). Das fortschrittliche elektromagnetische Rührsystem kann das Schmelzen und die Homogenität von Temperatur und Zusammensetzung beschleunigen, und die Reinheit des geschmolzenen Stahls wird durch zwei Schichten von Schlackensperren und keramischer Filtration während des Gießens gewährleistet, und die Schmelzparameterkurve kann automatisch Prozesskontrolle durchführen. Das vor Ort Datenakquisitionssystem kann die Schmelzprozessparameter wie Leistung, Frequenz, Vakuum, Luftleckrate, Temperatur usw. anzeigen und automatisch aufzeichnen, um sicherzustellen, dass die Produktqualität stabil ist und eine langfristige, wahre und vollständige Rückverfolgbarkeit für Produkte gewährleistet ist.

Zuerst die Eigenschaften des Vakuum-Induktionsofen-Schmelzens von Superlegierungen.

Alle Eigenschaften des Schmelzens von Hochtemperaturlegierungen im Vakuum-Induktionsofen stammen von dem Wort "Vakuum". Diese Methode kann die Nachteile der Legierungselemente vermeiden, die durch atmosphärisches Schmelzen und Gießen entstehen, insbesondere die aktiveren Elemente, die leicht verbrennen und schwer zu kontrollieren sind, sowie den hohen Gehalt an Gasen, nichtmetallischen Einschlüsse und schädlichen metallischen Verunreinigungen in der Legierung, wie folgt:

1. Das Metallmaterial wird unter Vakuum geschmolzen, raffiniert, legiert und gegossen, wodurch die durch die Wechselwirkung mit der Luft verursachte Verschmutzung vermieden wird, und die geschmolzene Superlegierung hat eine hohe Reinheit.

2. Unter Vakuumbedingungen wird der Kontakt zwischen Metall und Luft unterbrochen, Metall oxidiert nicht leicht, und die chemische Zusammensetzung der Superlegierung kann präzise kontrolliert werden, insbesondere die aktiven Elemente mit starker Affinität zu Sauerstoff und Stickstoff wie Al, Ti, B, Zr, Nb, seltene Erden usw. werden streng innerhalb eines sehr engen Bereichs kontrolliert. Al und Ti können im Vakuum im Bereich von ±0,12% kontrolliert werden, während sie nur im Bereich von ±0,25% in der Luft kontrolliert werden können. Zum Beispiel wurde beim Vakuumschmelzen von Inconel718 in einem 6t-Induktionsofen der Schwankungsbereich jedes aktiven Elements in der Produktion von 100 Öfen gezählt, und es wurde festgestellt, dass die Schwankungen von Nb und A1 fast innerhalb des analytischen Fehlerbereichs lagen. Allerdings kann jede 0,1%ige Erhöhung des Nb-Gehalts in dieser Legierung die Streckgrenze um etwa 10MPa erhöhen, was unter Normaldruck schwer zu garantieren ist. Ein weiteres Beispiel ist, dass die beste Gesamtleistung von V-57 nur erreicht werden kann, wenn Si < 0,2% und C zwischen 0,04 und 0,08% ± liegt. Der Bereich ist so streng, dass er nur durch Vakuum-Induktionsschmelzen garantiert werden kann.

3. Das Schmelzen unter Vakuum schafft gute Entgasungsbedingungen, sodass die geschmolzene Superlegierung einen niedrigen Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffgehalt aufweist.

4. Die schädlichen Verunreinigungen mit niedrigem Schmelzpunkt, die durch die Rohstoffe eingebracht werden, wie Te, Pb, Se, Bi, Cu, Sb, As, Sn usw., können aufgrund ihres hohen Dampfdrucks unter Vakuum volatilisiert und entfernt werden, um das Material zu reinigen. Zum Beispiel gibt es eine deformierte schäkelbasierte Legierung mit der Zusammensetzung 0,2C, 20Co, 5Mo, 1,5Ti, 4,8A1, 0,05Zr, 0,003B, und der Gehalt an Blei vor und nach dem Vakuumschmelzen wurde von 5ppm auf <2ppm (begrenzt durch die analytische Präzision) reduziert, die Leistung wurde erheblich verbessert, die Dauer bei 940 °C und 110Pa wurde von 72h auf 153h verlängert, und die Dehnung wurde von 9,5% auf 20% erhöht.

In der Untersuchung der Volatilisation einiger schädlicher Verunreinigungen wie Cr20Ni80-Legierung und reinem Eisen, wie Gott, Zinn, Gui, Kragen, Kupfer, Blei, Ergänzung, Selen usw., wurde festgestellt, dass beim Schmelzen unter einem Vakuum von 5xlO-3nunHg die Volatilisation von Verunreinigungen mit Temperatur, Zeit und Temperatur zusammenhängt. Das Verhältnis von Oberfläche, Tiefe und Rührung des Schmelzbeckens ist ebenfalls relevant. Die Legierungszusammensetzung des Schmelzbeckens hat ebenfalls einen großen Einfluss. Arsen und Zinn ändern sich in Nickellegierungen kaum, aber sie nehmen in reinem Eisen kontinuierlich ab. Wie sie sich in Schmelzbecken auf Basis von Fe-Ni-Cr ändern werden, ist es wert, untersucht zu werden.

5. Unter Vakuumbedingungen ist die Entoxidationsfähigkeit von Kohlenstoff sehr stark, was um mehrere Größenordnungen verbessert wird, und das Entoxidationsprodukt CO wird kontinuierlich aus dem Ofen abgezogen, sodass die Reaktion kontinuierlich durchgeführt wird, wodurch die durch die Verwendung von metallischen Entoxidationsmitteln verursachten Entoxidationsprodukte überwunden werden.

6. Die Atmosphäre und der Luftdruck im Ofen können optional gesteuert werden. Zum Beispiel ist manchmal ein Ar-Gasschutz erforderlich, sodass der oxidationsbedingte Verlust von Legierungselementen geringer und die Ausnutzungsrate hoch ist. Dies ist eines der bedeutendsten Merkmale des Vakuum-Induktionsofen-Schmelzens von Superlegierungen.

7. Die elektromagnetische Induktionsrührtechnik sorgt für eine einheitliche Schmelzzusammensetzung, beschleunigt die Reaktion der Schmelzoberfläche und verkürzt den Schmelzzyklus. In Bezug auf die Produktanwendung werden Vakuum-Induktionsschmelzöfen hauptsächlich zur Herstellung von Superlegierungen, ultrahochfesten Stählen, rostfreien Stählen und anderen speziellen Legierungen verwendet, die von der Luft- und Raumfahrt, der Rüstungsindustrie, der Raketen-, Atomenergie- und Elektronikindustrie benötigt werden.