Fusione speciale: Tutto quello che c'è da sapere

1. Introduzione

1.1 Sviluppo della fusione di specialità

La fusione speciale è un metodo particolare ed efficace per produrre acciai speciali, leghe ad alta temperatura, leghe di precisione e acciai ad alta lega.

I materiali metallici rappresentati dall'acciaio sono stati ampiamente utilizzati nell'economia nazionale, nella costruzione della difesa nazionale, nei settori scientifici e tecnologici, ecc.

Il rapido progresso della tecnologia elettronica contemporanea, della tecnologia aerospaziale, della tecnologia della navigazione e dell'energia e di altri settori ha fatto sì che i requisiti per la qualità e la varietà dell'acciaio e delle leghe siano sempre più elevati.

 Ad esempio, è necessario che l'acciaio o le leghe possano lavorare in modo affidabile in condizioni di alta temperatura, alta pressione, alta velocità, carico dinamico, radiazioni elevate e mezzi altamente corrosivi.

Tuttavia, i metodi di fusione convenzionali, come il convertitore, il forno a focolare aperto e il forno ad arco, difficilmente soddisfano i requisiti effettivi e non possono fornire prodotti di qualità così elevata, il che richiede l'uso di metodi di fusione speciali.

I metodi di fusione speciali più comuni includono la fusione a induzione, la metallurgia a scorie elettriche, arco al plasma fusione, rifusione ad arco sotto vuoto e processo di fusione a fascio di elettroni.

(1) Fusione a induzione

La fusione a induzione è un metodo per riscaldare e fondere i metalli utilizzando il principio dell'induzione elettromagnetica.

In base alla frequenza, può essere suddiviso in forno a frequenza di potenza, forno a media frequenza e forno ad alta frequenza; in base all'atmosfera e alla struttura, può essere classificato in forno a induzione sotto vuoto e forno a induzione al plasma e altri forni per scopi diversi.

I forni a frequenza di potenza sono utilizzati principalmente per la fusione della ghisa, i forni ad alta frequenza sono utilizzati principalmente per la ricerca di laboratorio, mentre i forni a media frequenza sono utilizzati principalmente per la produzione di acciaio e leghe di alta qualità, con i vantaggi di una rapida velocità di fusione, un'elevata efficienza di produzione, una forte adattabilità, un uso flessibile, un buon effetto di agitazione elettromagnetica e una comoda operazione di avvio.

Attualmente, la fusione in forno a induzione è diventata un metodo importante per la produzione di leghe speciali come acciai speciali, leghe di precisione, leghe per riscaldamento elettrico, leghe ad alta temperatura e leghe resistenti alla corrosione.

(2) Metallurgia delle scorie elettrolitiche

L'elettroscoria metallurgica è un metodo di fusione speciale che utilizza il calore generato dalla resistenza delle scorie causata dalla corrente che attraversa le scorie liquide per riscaldare e raffinare il metallo.

Il suo fulcro è la rifusione con scorie elettriche (ESR), che mira a purificare ulteriormente l'acciaio e le leghe e a migliorare la struttura cristallina dei lingotti sulla base della raffinazione iniziale, ottenendo così prodotti metallici di alta qualità.

La rifusione con scorie elettrolitiche è adatta alla produzione di fucinati di medie e grandi dimensioni. Il prodotto dopo la rifusione ha un basso contenuto di fosforo e zolfo, basso non metallico inclusioni, struttura densa del lingotto rifuso e colata senza ritiro, migliorando notevolmente la qualità del prodotto, nonché le sue proprietà meccaniche, le prestazioni di lavorazione e l'utilizzabilità.

(3) Fusione ad arco sotto vuoto

La fusione ad arco sotto vuoto può creare una condizione di fusione a basso potenziale di ossigeno e ad alta temperatura, per cui è stata utilizzata già nel secolo scorso per la fusione di metalli refrattari o ossidabili come platino, tantalio e tungsteno.

Con lo sviluppo dell'industria meccanica, il metodo di rifusione ad arco con elettrodi consumabili sotto vuoto è stato applicato con successo alla produzione di titanio e sue leghe, leghe di precisione, leghe ad alta temperatura e metalli refrattari.

Questo metodo di fusione si è sviluppato rapidamente negli anni '40 e '50, con capacità sempre maggiori. Ad oggi, nella fusione di specialità, la fusione ad arco sotto vuoto è ancora uno dei metodi principali per la rifusione e la raffinazione.

(4) Fusione a fascio di elettroni

La rifusione a fascio di elettroni (EBM) è un metodo di fusione che utilizza un cannone elettronico per emettere fasci di elettroni ad alta velocità come fonte di calore per fondere i metalli in condizioni di alto vuoto.

Iniziata con la fusione di metalli refrattari (tantalio, niobio, afnio, tungsteno, molibdeno, ecc.), si è ora estesa alla produzione di materiali semiconduttori, leghe magnetiche ad alte prestazioni e alcuni acciai speciali, come ad esempio acciaio per cuscinetti, acciaio inox resistente alla corrosione e ferro puro a bassissimo tenore di carbonio.

Inoltre, i forni di rifusione a fascio elettronico possono essere utilizzati anche per la fusione di alcune leghe resistenti al calore, in particolare leghe contenenti tungsteno e molibdeno con niobio o tantalio come componente principale.

(5) Fusione ad arco di plasma

La fusione al plasma è un nuovo metodo di fusione che utilizza un arco di plasma come fonte di calore per fondere, raffinare e rifondere i metalli.

I potenziali vantaggi dell'utilizzo di un arco di plasma come fonte di calore metallurgico sono: energia concentrata, alta temperatura (5000-300.000 K), velocità di flusso degli ioni (100-500 m/s), riscaldamento e reazione rapidi, ecc. Il gas è in uno stato ionizzato e l'attività di reazione è forte.

Il gas può essere selezionato in base alle esigenze, ad esempio utilizzando gas riducenti (idrogeno, monossido di carbonio, alcani e alcheni, ecc.) per ridurre o raffinare direttamente la carica e può anche disossidare per rendere i lingotti privi di prodotti residui di disossidazione.

Sotto l'azione dell'arco di plasma ad alta temperatura, le impurità come S, P, Pb, Bi, Sn e As sono facili da volatilizzare. Può fondere materiali metallici e fondere anche materiali non metallici.

1.2 Principali prodotti dell'impianto di fusione speciale

La fusione speciale è un metodo particolare ed efficace per la produzione di leghe avanzate come acciai speciali, leghe ad alta temperatura, leghe di precisione, acciai ad alta lega, metalli e leghe refrattarie, titanio e leghe di titanio, leghe per riscaldamento elettrico, ecc.

(1) La lega di precisione, un tipo di metallo e lega con proprietà fisiche speciali, è utilizzata principalmente per produrre materiali importanti come strumenti di precisione, controlli, telemetria, apparecchi elettrici, accessori e dispositivi elettronici nel settore aerospaziale, nonché sensori e trasduttori nei sistemi d'arma, basandosi sulle sue proprietà fisiche piuttosto che sui componenti strutturali.

In Cina, la lettera "J" viene utilizzata prima di un numero per indicare la categoria di lega; ad esempio, "1J" rappresenta una lega magnetica morbida, "2J" una lega magnetica permanente, "3J" una lega elastica, "4J" una lega ad espansione termica, "5J" un bimetallo termico e "6J" una lega di resistenza.

(2) La lega per alte temperature (lega resistente alle alte temperature o superlega resistente al calore) è un'importante materiale metallico per le turbine a gas dell'aviazione, le turbine a gas navali e i motori a razzo. Presenta una maggiore resistenza alla deformazione per scorrimento e alla frattura per scorrimento, nonché alla corrosione e agli shock termici.

1.3 Indicatori di valutazione della qualità per la fusione di acciaio e leghe

(1) Controllo dei componenti:

Oltre al controllo di C, Mn, Si, P, S, che sono solitamente controllati nella produzione dell'acciaio, il controllo dei componenti comprende anche il controllo di elementi in lega come Cr, Ni, Mo, W, Nb, V, Al, Ti, e oligoelementi B, Ce, La, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, Sm. La possibilità di controllare in modo ottimale la composizione dipende in larga misura dal processo di fusione.

(2) Purezza:

La purezza dell'acciaio e delle leghe si riferisce alla quantità di impurità nocive e al contenuto di gas, comprendendo principalmente i seguenti aspetti.

1. Impurità non metalliche

Le impurità non metalliche si riferiscono solitamente a S, P, Ce, Br, I, ecc. I diversi gradi di acciaio hanno requisiti diversi per quanto riguarda il contenuto di S e P.

Ad esempio, per l'acciaio ordinario, w(S)≤0,055%, w(P)≤0,045%; per l'acciaio di alta qualità, w(S)≤0,045%, w(P)≤0,040%; per l'acciaio di alta qualità, w(P)≤0,040%; per l'acciaio di alta qualità, w(S)≤0,045%. acciaio legato, sia S che P sono inferiori a 0,04%; per gli acciai avanzati di alta qualità, w(S)≤0,030%, w(P)≤0,035%; mentre per alcune leghe ad alta temperatura, w(S)≤0,030%.

Per Ce, Br, I, ecc. alcune norme tecniche prevedono che siano inferiori a 0,0025%.

2. Gas

In generale, quanto più basso è il contenuto di ossigeno, idrogeno e azoto nell'acciaio e leghe, migliori sono le loro prestazioni.

3. Inclusioni non metalliche

L'influenza delle inclusioni non metalliche sulle prestazioni dell'acciaio e delle leghe non è legata solo alla loro quantità, ma anche al tipo, alle dimensioni, alla morfologia e alla distribuzione.

Pertanto, il contenuto e lo stato di distribuzione delle inclusioni non metalliche sono uno degli indicatori importanti per valutare la qualità dell'acciaio e delle leghe, e l'ispezione convenzionale utilizza il metodo di confronto dei gradi standard.

4. Impurità metalliche

Le impurità metalliche si riferiscono principalmente a Pb, Sn, As, Sb, Bi e altre impurità in tracce nell'acciaio e nelle leghe. Il contenuto di impurità metalliche ha un impatto significativo sulle prestazioni di acciaio e leghe.

5. Struttura del getto

La struttura della colata dei lingotti di acciaio e di leghe ha un'importante influenza sulla plasticità a caldo dei lingotti e sulla proprietà meccaniche dell'acciaio.

La struttura fusa di un buon prodotto metallurgico deve presentare le seguenti condizioni: le specifiche soddisfano i requisiti; la qualità della superficie è buona; il ritiro è ridotto; il lingotto è denso; la composizione e la struttura organizzativa sono uniformi, il grado di segregazione è ridotto; la struttura cristallina è buona.

1.4 Influenza del processo sulla microstruttura e sulle proprietà di acciaio e leghe

(1) Il controllo dei componenti influisce sulle prestazioni dell'acciaio e delle leghe.

I diversi metodi di fusione hanno gradi diversi di controllo dei componenti, con i forni ad arco sottovuoto che controllano meglio gli elementi facilmente ossidabili e la rifusione a scoria elettrolitica che ha una minore perdita di elementi volatili.

(2) La purezza influisce sulle prestazioni dell'acciaio e delle leghe.

La fusione sotto vuoto ha un basso contenuto di impurità metalliche nocive e di ossigeno, mentre la rifusione a scoria elettrolitica ha una buona capacità di desolforazione e di rimozione delle inclusioni di ossido.

(3) Il controllo della microstruttura influisce sulle prestazioni di acciaio e leghe.

I lingotti da rifusione a scoria elettrolitica presentano uno sviluppo colonnare dell'asse cristallino e una bassa segregazione della porosità.

2. Fusione in forno a induzione

2.1 Principio di funzionamento e attrezzatura del forno a induzione

2.1.1 Principio di funzionamento del forno a induzione

Tutti i tipi di forni a induzione, indipendentemente dal fatto che siano con o senza nucleo e che funzionino a bassa frequenza, a frequenza intermedia o ad alta frequenza, hanno un circuito di base composto da un alimentatore variabile, condensatori, una bobina di induzione e materiali metallici nel crogiolo (Figura 2-1).

(1) Principio del riscaldamento a induzione

Il principio del riscaldamento a induzione si basa sulle due leggi fondamentali dell'elettricità: la prima è la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica.

        E=B-L-v-sin∠（v-B） (2-1)

dove L è la lunghezza del filo nel campo magnetico;

(v-B) è l'angolo tra la direzione dell'intensità dell'induzione magnetica e la direzione della velocità.

L'altra legge fondamentale è la legge di Joule-Lenz. Questa legge è nota anche come principio dell'effetto termico elettrico. La legge di Joule-Lenz può essere espressa sotto forma di equazione (2-3):

Q = I ² R t                                    (2-2)

dove Q è il calore di Joule-Lenz, in J; I è l'intensità di corrente, in A;

R è la resistenza del conduttore, in Ω; t è il tempo in cui il conduttore è sotto tensione, in s.

Quando una corrente alternata con una frequenza f attraversa la bobina di induzione di un forno a induzione senza nucleo, si genera un campo magnetico alternato nello spazio che circonda la bobina di induzione e le sue vicinanze.

La polarità, l'intensità dell'induzione magnetica e la frequenza del campo magnetico alternato cambiano con la corrente alternata che lo genera. Se il crogiolo è rivestito con la bobina di induzione e riempito con materiali metallici da forno, parte delle linee del campo magnetico alternato passerà attraverso i materiali metallici da forno.

L'alternanza delle linee di campo magnetico equivale al movimento relativo delle linee di campo magnetico di taglio tra i materiali del forno metallico e le linee di campo magnetico.

Pertanto, nei materiali del forno metallico si genererà una forza elettromotrice indotta (E), la cui entità può essere determinata dalla seguente equazione:

E = 4,44 Ф- f - n (2-3)

dove Ф è il flusso magnetico del campo magnetico alternato nella bobina di induzione, in Wb;

f è la frequenza della corrente alternata, in Hz;

n è il numero di spire della spira formata dai materiali del forno, solitamente n=1;

Dall'equazione sopra riportata, si evince che per generare una tensione indotta maggiore nei materiali del forno, è possibile aumentare teoricamente il flusso magnetico, la frequenza e il numero di spire.

Tuttavia, poiché le linee di campo magnetico generate dopo l'attivazione della bobina di induzione sono costrette a passare attraverso l'aria (nel caso di un forno a induzione senza nucleo) e l'aria ha un'elevata riluttanza magnetica, il flusso magnetico è relativamente piccolo, rendendo difficile l'aumento del flusso magnetico, e il numero di spire dei materiali del forno è generalmente pari a l.

Pertanto, per aumentare la tensione indotta, è meglio utilizzare il metodo dell'aumento della frequenza.

Poiché i materiali del forno metallico formano essi stessi un anello chiuso t, la corrente indotta (I) generata nei materiali del forno metallico è:

dove R è la resistenza effettiva del materiale del forno metallico, in Ω;

La velocità di riscaldamento del materiale del forno dipende dalla corrente indotta, dalla resistenza effettiva del materiale del forno e dal tempo di eccitazione. La corrente indotta dipende dall'entità della forza elettromotrice indotta, cioè dall'entità del flusso magnetico che attraversa il materiale del forno e dalla frequenza della corrente alternata che lo attraversa. L'entità della corrente indotta dipende dalle dimensioni del blocco di materiale del forno.

(2) Agitazione elettromagnetica

Quando una corrente indotta attraversa il materiale del forno, esso sarà inevitabilmente soggetto a forze elettromagnetiche, causando un movimento direzionale del materiale metallico del forno; si tratta dell'effetto di "agitazione elettromagnetica". I suoi vantaggi sono i seguenti:

1) temperatura uniforme del liquido metallico.

2) Omogeneizzazione del liquido metallico.

3) Migliorare le condizioni cinetiche delle reazioni fisiche e chimiche.

2.1.2 Apparecchiature di lavoro del forno a induzione

I forni a induzione possono essere suddivisi in due tipi: quelli senza nucleo e quelli con nucleo; questi ultimi sono raramente utilizzati nella produzione dell'acciaio e non saranno discussi in questa sede. Per quanto riguarda i forni a induzione senza nucleo, essi possono essere generalmente classificati in tre tipi in base alla frequenza di alimentazione: il forno a frequenza di rete (con una frequenza di 50 o 60Hz), collegato direttamente alla rete elettrica tramite un trasformatore e utilizzato principalmente per la fusione della ghisa; il forno ad alta frequenza (con una gamma di frequenze da 10KHz a 300KHz), che utilizza un oscillatore elettronico a tubo ad alta frequenza ed è utilizzato principalmente per piccole ricerche di laboratorio; e il forno a media frequenza (con una gamma di frequenze da 150Hz a 10000Hz), che utilizza un gruppo generatore a media frequenza, un triplatore o un tiristore statico. convertitore di frequenza.

Il set completo di apparecchiature per i forni a induzione a media frequenza comprende: la parte di alimentazione e controllo elettrico, il corpo del forno, il dispositivo di trasmissione e il sistema di raffreddamento ad acqua.

2.2 Caratteristiche della fusione in forno a induzione

(1) Riscaldamento a induzione elettromagnetica. Poiché il metodo di riscaldamento è diverso, i forni a induzione non richiedono gli elettrodi di grafite necessari per il riscaldamento ad arco elettrico, né zone di surriscaldamento localizzate sotto l'arco, eliminando così la possibilità di aumento del carbonio negli elettrodi. I forni a induzione possono fondere acciai e leghe a basso tenore di carbonio, difficili da fondere nei forni ad arco elettrico, creando condizioni favorevoli per la produzione di prodotti a basso contenuto di gas.

(2) Nel bagno fuso è presente un certo livello di agitazione elettromagnetica. L'agitazione del metallo causata dall'induzione elettromagnetica favorisce una composizione e una temperatura uniformi, la coalescenza, la crescita e la flottazione delle inclusioni nell'acciaio. La perdita di elementi di lega durante il processo di fusione in forno a induzione è relativamente ridotta, quindi la composizione prevista è più accurata, il che favorisce il controllo dei componenti e riduce il tempo di fusione.

(3) Il rapporto tra la superficie del bagno fuso e la superficie del metallo fuso è ridotto. Ciò è vantaggioso per ridurre la perdita di elementi facilmente ossidabili nel metallo fuso e per ridurre l'assorbimento di gas. Pertanto, i forni a induzione hanno creato condizioni relativamente favorevoli per la fusione di acciai e leghe ad alta lega, in particolare quelli contenenti titanio, alluminio o boro. Tuttavia, sono soggetti a una scarsa fluidità e a una bassa forza di reazione, che non favoriscono la reazione metallurgica all'interfaccia tra scorie e acciaio. Per questo motivo, i requisiti delle materie prime nella fusione in forno a induzione sono relativamente severi.

(4) Comoda regolazione della potenza in ingresso. Durante il processo di fusione nel forno a induzione, la potenza in ingresso può essere comodamente regolata. Pertanto, la temperatura di fusione del bagno fuso può essere controllata con maggiore precisione, il forno può essere isolato e l'acciaio può essere prodotto più volte, creando le condizioni per fondere prodotti con composizioni diverse in un unico lotto.

(5) La stessa fonte di energia può alimentare diversi forni di diversa capacità (ma non contemporaneamente), quindi la flessibilità dei forni a induzione è maggiore di quella dei forni elettrici ad arco in termini di capacità di fusione.

(6) Alta efficienza termica. Il metodo di riscaldamento dei forni a induzione e la superficie ridotta comportano una minore dissipazione di calore, per cui l'efficienza termica dei forni a induzione è superiore a quella dei forni elettrici ad arco. Tuttavia, l'efficienza elettrica dei forni a induzione è inferiore a quella dei forni elettrici ad arco, quindi l'efficienza totale dei due tipi di forni elettrici è simile.

(7) Meno fumo e poco inquinamento ambientale. La fusione nei forni a induzione è praticamente priva di fiamme e prodotti di combustione.

(8) Consuma più materiale refrattario rispetto ai forni elettrici ad arco e ha una durata inferiore del crogiolo. Il fabbisogno di materiali refrattari nel crogiolo è elevato, pertanto anche il costo dei materiali refrattari per tonnellata di acciaio è superiore a quello dei forni elettrici ad arco.

2.3 Principi di fusione del forno a induzione

2.3.1 Ossidazione e disossidazione degli elementi

L'ossigeno esiste in due stati nell'acciaio fuso. Uno è l'ossigeno disciolto, rappresentato da [O], la cui solubilità aumenta con l'aumento della temperatura. L'altro è l'ossigeno che esiste sotto forma di inclusione nell'acciaio fuso. Quando nell'acciaio fuso sono presenti elementi disossidanti, l'ossigeno disciolto nell'acciaio fuso si combina con essi per formare inclusioni di ossido. Le fonti di ossigeno nell'acciaio fuso includono principalmente l'invasione di ossigeno dall'atmosfera durante la fusione e la colata, l'ossigeno portato con le materie prime e l'ossigeno che entra dai materiali refrattari.

(1) Capacità di disossidazione degli elementi

Il grado di difficoltà di ossidazione dei vari elementi è chiamato stato di ossidazione, noto anche come capacità di disossidazione. Si riferisce al contenuto di ossigeno residuo disciolto nell'acciaio in equilibrio con una certa concentrazione di elementi disossidanti a una determinata temperatura e pressione. Più basso è il contenuto di ossigeno, più forte è la capacità di disossidazione di questo elemento. La formula generale della reazione di disossidazione di un elemento è:

x[M]+y[O]=M_xO_y                       （2-5）

Se gli ossidi metallici sono considerati sostanze pure non solubili nell'acciaio fuso e il contenuto di elementi metallici e l'ossigeno è basso nell'acciaio fuso, allora abbiamo:

Nella formula, a_MxOy rappresenta l'attività dell'ossido ottenuto dalla disossidazione dell'elemento, a_[M] rappresenta l'attività dell'elemento disossidante nell'acciaio e a_[O] rappresenta l'attività dell'ossigeno nell'acciaio. Quando il prodotto della disossidazione è un ossido puro o allo stato saturo, un_MxOy è uguale a 1. Quando fM=1, f0=1 o fMx.f0y=costante, allora,

Sia KM = 1/K. Quindi, KM = [%M]x.[%O]y (2-8).

L'entità di KM può essere utilizzata per determinare la capacità di disossidazione di un elemento. Più piccolo è il valore di KM, più forte è la capacità di disossidazione dell'elemento. La Figura 2-7 e la Tabella 2-8 forniscono un confronto delle capacità di disossidazione degli elementi nel ferro fuso e nel nichel a una temperatura di 1600℃. In generale, nel ferro fuso a 1600℃, l'ordine della capacità di disossidazione, dal più forte al più debole, è il seguente: Ba → Ca → Ce → La → Mg → Zr → Al → Ti → B → Si → Mn → W → Fe.

(2) Effetti di disossidazione e fattori di influenza degli elementi

1. Affinità degli elementi con l'ossigeno: Più forte è l'affinità di un elemento con l'ossigeno, maggiore è la sua capacità di disossidazione, il che è più vantaggioso per migliorare l'effetto di disossidazione.

2. Proprietà fisiche degli elementi disossidanti: Tra queste, il punto di fusione, il peso specifico, il punto di ebollizione (pressione di vapore) e la solubilità nel liquido dell'acciaio.

3. Caratteristiche fisiche dei prodotti di disossidazione: Il punto di fusione, il peso specifico, la tensione interfacciale del liquido di acciaio, la capacità di formare ossidi compositi liquidi a basso punto di fusione con ossidi ad alto punto di fusione, nonché la solubilità nel liquido di acciaio, hanno tutti un impatto significativo sull'effetto di disossidazione.

(3) Caratteristiche degli elementi disossidanti e dei disossidanti compositi:

1. Disossidazione dell'alluminio e disossidazione simultanea con alluminio, manganese o silicio e manganese: L'alluminio è un forte disossidante con un'elevata affinità con l'ossigeno, ma la sua capacità di disossidazione è inferiore a quella di calcio, magnesio, bario, terre rare e superiore a quella di silicio, manganese, titanio e altri elementi.

2. Caratteristiche del calcio e delle leghe di calcio per la disossidazione: Il calcio è un disossidante molto forte e anche un elemento desolforante molto efficace. Tuttavia, a causa del suo basso punto di ebollizione (1484℃), esiste allo stato di vapore nel ferro fuso, il che ne riduce l'efficacia. Inoltre, la solubilità del calcio nel ferro fuso è molto bassa, il che influisce sui suoi effetti di disossidazione e desolforazione, riducendone l'efficienza di utilizzo.

2.3.2 Disossidazione per diffusione e per precipitazione

(1) Diffusione Disossidazione

Principio della disossidazione per diffusione: Secondo la legge di distribuzione dell'energia, durante la disossidazione per diffusione, l'ossigeno può dissolversi simultaneamente sia nella scoria che nel liquido dell'acciaio. A una certa temperatura, esiste la seguente relazione di equilibrio:

(FeO) = Fe(l) + [O] (2-9)

A questo punto, il rapporto della concentrazione di ossigeno tra scorie e liquido d'acciaio deve essere costante, ovvero

Fattori che influenzano la disossidazione per diffusione:

a) L'effetto della temperatura sull'efficienza di disossidazione per diffusione. L'impatto della temperatura sul contenuto massimo di ossigeno saturo nella ghisa fusa è duplice e la relazione è espressa dalla seguente formula: Log [%O]saturo = -6320/T + 2,734 (2-11).

b) L'influenza delle condizioni di contatto delle scorie di acciaio.

c) L'influenza della composizione delle scorie.

(2) Disossidazione per precipitazione:

Principio della disossidazione per precipitazione: La disossidazione per precipitazione si riferisce all'aggiunta di elementi all'acciaio fuso con un'affinità per l'ossigeno superiore a quella del ferro, con lo scopo di reagire con l'ossigeno disciolto per formare un ossido insolubile nell'acciaio fuso. L'ossido viene poi rimosso dall'acciaio fuso per galleggiamento, riducendo così il contenuto di ossigeno nell'acciaio fuso.

Tipi e campi di applicazione dei disossidanti per precipitazione: I disossidanti per precipitazione comunemente utilizzati includono principalmente disossidanti di metalli puri, disossidanti a base di nichel, disossidanti a base di alluminio, disossidanti a base di silicio-manganese e silicio-calcio. Utilizzando disossidanti compositi contenenti forti elementi disossidanti come calcio, bario e magnesio per ridurre il contenuto totale di ossigeno, è possibile ottenere un acciaio liquido con un contenuto totale di ossigeno di ≤0,003%. Solo attraverso l'uso combinato di diversi disossidanti è possibile ottenere un acciaio altamente puro.

2.3.3 Desolforazione delle leghe

In sostanza, la desolforazione delle leghe comporta la conversione dello zolfo disciolto nel ferro fuso in un composto ad alto punto di fusione (come CaS, MgS, CeS) o in un ossido di solfuro. La solubilità di questi solfuri nel ferro fuso è molto inferiore a quella del solfuro di ferro, garantendo la rimozione o la dispersione dello zolfo dall'acciaio. I principali metodi di desolforazione sono l'utilizzo di agenti di raffinazione o la reazione delle scorie.

(1) Desolforazione dell'agente di raffinazione

Il principio di base della desolforazione degli agenti di raffinazione consiste nell'utilizzare sostanze con un'elevata affinità per lo zolfo per formare solfuri. Questi solfuri sono insolubili o hanno una solubilità molto bassa nel ferro fuso e hanno una densità inferiore a quella del liquido di lega. L'affinità relativa dei vari elementi per lo zolfo può essere misurata dalla variazione standard di energia libera di ciascun elemento che reagisce con una mole di zolfo. Alla stessa temperatura, più piccolo è il valore dell'energia libera standard, maggiore è l'affinità tra l'elemento e lo zolfo. L'affinità relativa dei diversi elementi con lo zolfo diminuisce nell'ordine di La, Ca, Ba, Mg, Mn, Fe.

(2) Desolforazione per reazione delle scorie

La desolforazione per reazione delle scorie può essere effettuata solo in un forno a induzione alcalino. Il processo di desolforazione può essere suddiviso nelle seguenti tre fasi:

1. Gli ioni di zolfo nel liquido metallico si diffondono all'interfaccia con la scoria e gli ioni di ossigeno nella scoria si diffondono all'interfaccia scoria-acciaio;

2. All'interfaccia della scoria avviene la seguente reazione: [S] + (O2-) = (S2-) + [O] (2-12)

3. Gli atomi di zolfo generati si diffondono nella scoria e gli atomi di ossigeno generati si diffondono nell'acciaio. Empiricamente, la velocità della reazione di desolforazione è determinata dalla diffusione degli ioni di zolfo nella scoria. La costante di equilibrio K indicata nell'equazione 2-12 è una costante che varia con la temperatura. La capacità di desolforazione della scoria è solitamente espressa dal coefficiente di distribuzione Ls, che

N_O^2- rappresenta l'alcalinità delle scorie e un'alcalinità più elevata è più favorevole alla desolforazione. Tuttavia, quando l'alcalinità è troppo alta, il tasso di desolforazione può essere limitato a causa dell'aumento del punto di fusione e della viscosità delle scorie, che non favoriscono la desolforazione. Quando il contenuto di ossigeno nella fusione del metallo è basso, anche il contenuto di ossido di ferro nella scoria è basso, il che favorisce la desolforazione. Gli esperimenti hanno dimostrato che esiste una relazione tra il contenuto di equilibrio di zolfo e ossigeno nel ferro fuso puro a 1600℃: [S]/[O] = 4. L'aumento della temperatura è favorevole alla desolforazione, non solo perché aumenta Ls, ma anche perché può migliorare la fluidità delle scorie d'acciaio.

2.3.4 Rimozione delle inclusioni non metalliche

La presenza di un gran numero di sostanze non metalliche inclusioni nell'acciaio possono distruggere la continuità della matrice dell'acciaio, indebolire le forze interatomiche, favorire la concentrazione delle tensioni e portare alla formazione di cricche. Essi degradano gravemente le proprietà meccaniche dell'acciaio, riducendone in particolare la plasticità, la tenacità all'impatto, le prestazioni a fatica e persino alcune proprietà fisiche durante la lavorazione a freddo e a caldo delle leghe. Questo effetto non è legato solo al loro contenuto, ma anche alla loro forma e dimensione.

L'idrogeno e l'azoto residui nelle leghe, oltre a formare idruri e nitruri, sono anche inclini a causare fenomeni come le macchie bianche, infragilimento da idrogenoe l'invecchiamento. [H] e [N] precipitati in forma gassosa possono formare dei pori nella lingotto d'acciaioe possono facilmente causare difetti come bolle sottocutanee durante la laminazione dei nastri. I forni a induzione atmosferica utilizzano metodi di galleggiamento per rimuovere le inclusioni. Quando la densità delle inclusioni non metalliche è inferiore a quella del metallo fuso, le inclusioni galleggiano all'interfaccia del metallo fuso e della scoria per effetto della galleggiabilità e vengono assorbite dalla scoria.

La velocità di risalita delle inclusioni può essere calcolata utilizzando la legge di Stokes.

2.4 Materie prime per la fusione in forno a induzione

Requisiti delle materie prime: La composizione chimica dei materiali in ingresso deve essere accurata; i materiali metallici devono essere puliti, asciutti, privi di olio e ruggine; le dimensioni del blocco sono adeguate; tutti i materiali devono essere conservati in un ambiente asciutto.

Tipi di materie prime: Materiali siderurgici: ghisa, ferro puro industriale, rottami di acciaio, materiali di ritorno. Materiali in lega: W, Mo, Nb e loro leghe di ferro; Ni Cr, Co e loro leghe; Si, Mn e loro leghe; V, B e loro leghe; Al, Ti e loro leghe; metalli delle terre rare e loro leghe; additivi speciali. Materiali per la produzione di scorie: calce, fluorite, frammenti di mattoni di argilla.

Calcolo degli ingredienti:

In base alla composizione della carica e alla composizione target del prodotto fuso, calcolare il peso di ciascun tipo di materia prima da aggiungere al forno.

Poiché il forno a induzione si concentra principalmente sui processi di fusione e riscaldamento, i requisiti per il calcolo degli ingredienti sono più precisi. Per calcolare il tasso di recupero degli elementi di lega sono necessari metodi di calcolo accurati.

2.5 Crogioli per forni a induzione (Lezione 4)

2.5.1 Classificazione e requisiti di qualità dei crogioli dei forni a induzione

(1) Classificazione dei crogioli:

I crogioli dei forni a induzione possono essere classificati in tre tipi in base ai loro materiali: alcalini, acidi e neutri. Il legante più utilizzato è l'acido borico.

Il ruolo dell'acido borico nella produzione di crogioli acidi (sabbia di silice) o alcalini (magnesia) comprende:

a. Abbassamento della temperatura di sinterizzazione.

b. Promuovere la formazione di spinello.

c. Ridurre la velocità di variazione del volume del crogiolo.

I crogioli possono essere classificati anche in base ai metodi di produzione: crogioli prefabbricati, crogioli formati in situ e crogioli rivestiti di mattoni refrattari.

(2) Requisiti di qualità per i crogioli

I principali requisiti dei materiali refrattari dei crogioli includono:

Elevata refrattarietà e resistenza strutturale alle alte temperature.

Buona resistenza al riscaldamento/raffreddamento rapido.

Buona resistenza alla corrosione da scorie.

Conducibilità termica più bassa possibile.

Buone prestazioni di isolamento.

Assenza di inquinamento, innocuità, bassa volatilità, forte resistenza all'idratazione e basso costo.

2.5.2 Preparazione dei crogioli

(1) Rapporto di dimensione delle particelle:

Un rapporto ragionevole tra le dimensioni delle particelle consente di ottenere la migliore densità di volume per garantire che il crogiolo abbia un tasso di porosità minimo, solitamente intorno a 20%. Le dimensioni grossolane, medie e fini delle particelle di sabbia dipendono dalla capacità del forno.

Il rapporto granulometrico di crogioli di magnesia con la stessa capacità

(2) Metodi di formatura

Esistono due metodi principali per la formatura di un crogiolo per forno a induzione: la formatura esterna e la formatura interna. In base alla differenza di leganti, il metodo di formatura interna può essere suddiviso in formatura a umido e formatura a secco.

(3) Produzione di crogioli

Per i crogioli formati esternamente, la produzione si riferisce al modo in cui il crogiolo viene installato nella bobina di induzione e alla riparazione della bocca del forno. Qui presentiamo il processo di produzione dei crogioli formati internamente. Il lavoro di preparazione prima della produzione comprende la preparazione e la miscelazione della sabbia, la pulizia e l'ispezione della bobina di induzione, la preparazione dello stampo del crogiolo e la preparazione degli strumenti e delle attrezzature di formatura.

Prima della produzione di ogni crogiolo, la bobina di induzione viene controllata per verificare che non vi siano perdite, infiltrazioni d'acqua, danni all'isolamento e che i dispositivi di fissaggio tra la bobina di induzione e le spire siano affidabili e saldi.

Lo stampo si riferisce principalmente al nucleo del crogiolo, che viene utilizzato per controllare la forma e il volume all'interno del crogiolo. Il nucleo del crogiolo del forno a induzione è saldato con piastre di acciaio o è realizzato in grafite.

Anima di grafite Macchina per stampaggio vibrante

(4) Sinterizzazione a crogiolo

Scopo: migliorare la compattezza, la resistenza e la stabilità di volume del crogiolo.

Processo: La superficie di contatto del materiale sabbioso viene riscaldata ad alta temperatura per formare una rete di sinterizzazione continua attraverso il legame in fase liquida, che collega l'intero materiale sabbioso in un tutt'uno.

Metodi di sinterizzazione: sinterizzazione ad alta temperatura e sinterizzazione a bassa temperatura.

A. Sinterizzazione ad alta temperatura di crogioli di magnesia (suddivisa in quattro fasi)

Fase 1: temperatura di sinterizzazione a 850℃, principalmente per la reazione di disidratazione del materiale sabbioso e la decomposizione del carbonato.

Fase 2: temperatura di sinterizzazione tra 850-1500℃, i composti a basso punto di fusione iniziano a fondere, si forma una rete di sinterizzazione e il volume del crogiolo si riduce notevolmente. In questa fase è possibile aumentare adeguatamente la velocità di riscaldamento.

Fase 3: temperatura di sinterizzazione compresa tra 1500-1700℃, l'olivina di magnesio e lo spinello di magnesio-alluminio iniziano a fondere, si formano nuovi composti, si forma una rete di sinterizzazione e il volume del crogiolo si riduce drasticamente, con un aumento significativo della densità e della resistenza. In questa fase è necessario ridurre la velocità di riscaldamento.

Fase 4: temperatura di sinterizzazione tra 1700-1850℃, principalmente per promuovere la crescita continua della forsterite e ottenere lo spessore ideale dello strato di sinterizzazione e la struttura di sinterizzazione della sezione trasversale del crogiolo.

B. Sinterizzazione a bassa temperatura di crogioli di magnesia (suddivisa in tre fasi)

Fase 1: temperatura a 850℃, principalmente per la reazione di disidratazione e la decomposizione del carbonato, con una lenta velocità di riscaldamento.

Fase 2: temperatura compresa tra 850℃-1400℃, la rete di sinterizzazione dei composti a basso punto di fusione contenenti B2O3 si forma rapidamente e la resistenza del crogiolo aumenta.

Fase 3: temperatura compresa tra 850℃-1400℃, per continuare ad aumentare lo spessore dello strato di sinterizzazione del crogiolo sinterizzato in via preliminare e raggiungere la struttura di sinterizzazione ideale.

2.6 Processo di fusione in forno a induzione

2.6.1 Processo di fusione

I rottami di acciaio utilizzati per la fusione contengono solitamente una certa quantità di umidità e di contaminazione da olio. Non è sicuro aggiungere direttamente tale materiale nel forno, soprattutto nel caso di una piscina fusa già formata, poiché spesso provoca schizzi. Allo stesso tempo, è anche una delle principali fonti di ossigeno nel prodotto.

Per questo motivo, alcune fabbriche hanno creato sistemi di preriscaldamento o di essiccazione per i rottami di acciaio, utilizzando metodi di riscaldamento per rimuovere l'umidità e la contaminazione da olio attaccati ai rottami di acciaio per garantire un uso sicuro e prevenire l'introduzione di idrogeno. Inoltre, l'aggiunta di rottami di acciaio preriscaldati può abbreviare il tempo di fusione e ridurre il consumo energetico.

(1) Carica

Requisiti delle materie prime:

a. La composizione chimica del materiale caricato deve essere accurata;

b. Il materiale metallico deve essere pulito, asciutto, privo di olio e con poca ruggine;

c. Dimensioni adeguate dei blocchi di materiale;

d. Stoccaggio a secco.

Requisiti di ricarica:

Lo strato inferiore del materiale del forno deve essere compatto, mentre lo strato superiore deve essere sciolto per evitare la formazione di ponti nello strato superiore del materiale del forno durante il processo di fusione;

Prima di caricare materiali di grandi dimensioni, è necessario stendere uno strato di materiale piccolo e leggero sul fondo del forno；.

Alcune leghe o materiali in acciaio con punti di fusione più bassi di altri dovrebbero essere caricati per primi sul fondo del forno；.

I materiali con elevato punto di fusione e non facilmente ossidabili devono essere caricati nella parte superiore dei materiali stratificati, cioè nella zona ad alta temperatura；.

La zona a bassa temperatura nella parte superiore del crogiolo deve essere caricata principalmente con materiali in acciaio；.

I materiali devono essere caricati in modo non rigido per evitare la formazione di ponti.

(2) Fusione

La fusione del materiale del forno è direttamente correlata alla variazione del contenuto di gas nel metallo liquido e al recupero degli elementi di lega, oltre a influenzare indicatori tecnici quali il tempo di fusione, la durata del crogiolo e il consumo energetico. Il periodo di fusione è una fase importante della fusione in forno a induzione, con i seguenti compiti principali:

Per fondere rapidamente il materiale del forno, desolforarlo, ridurre la perdita di elementi di lega e aggiungere prontamente scorie per evitare che il metallo fuso assorba gas.

(3) Raffinazione

Il periodo di raffinazione è un anello importante nella fusione in forno a induzione, in quanto completa compiti quali la disossidazione, l'alligazione e la regolazione della composizione e della temperatura del liquido d'acciaio attraverso la raffinazione.

Regolazione della composizione delle scorie per ridurre il contenuto di elementi di lega nelle scorie.

Disossidazione e lega del liquido di acciaio.

(4) Maschiatura e colata

Quando l'acciaio o la lega fusi soddisfano i requisiti per la maschiatura, possono essere maschiati. Per i forni di piccola capacità, può essere colato direttamente. Per i forni di maggiore capacità, può essere prima versato in una siviera di colata e poi fuso. A seconda dei requisiti del prodotto, può essere fusa in lingotti, getti o elettrodi consumabili. Il processo di spillatura richiede anche la selezione del metodo di colata in base alla qualità e al flusso di processo del prodotto, ad esempio se utilizzare la colata sottovuoto o non sottovuoto e se utilizzare la colata dall'alto o la colata dal basso.

In genere, le leghe per il riscaldamento elettrico e le leghe ad alta temperatura necessitano di un'ulteriore raffinazione, per cui vengono generalmente colate in elettrodi consumabili, mentre le leghe di precisione vengono generalmente colate sotto vuoto. La colata sotto vuoto può evitare l'ossidazione secondaria e il riassorbimento del liquido d'acciaio durante il processo di fusione. processo di fusionee può rimuovere efficacemente l'idrogeno e parte dell'azoto, ottenendo così un acciaio con meno impurità e una maggiore purezza.

2.7 Controllo della composizione nella fusione in forno a induzione (Lezione 5)

La composizione chimica ha un impatto significativo sulla qualità e sulle prestazioni dell'acciaio. Per alcuni tipi di acciaioLa composizione chimica deve essere controllata all'interno di un intervallo più rigoroso, oltre a rispettare le specifiche tecniche, per soddisfare i requisiti più elevati di qualità e prestazioni. Il controllo della composizione chimica attraversa tutti i processi siderurgici del forno ed è strettamente correlato alla perdita di elementi di lega, alle proprietà fisico-chimiche, allo stato fisico-chimico delle scorie, alla temperatura del liquido d'acciaio, al metodo di fusione, ecc.

(1) Principali fattori che influenzano il tasso di recupero degli elementi in lega

Proprietà fisico-chimiche degli elementi della lega stessa.

Tempo di fusione. Più lungo è il tempo di fusione, maggiore è la perdita di C e Si e maggiore è la perdita di elementi di lega quando vengono aggiunti elementi attivi e il tempo di spillatura è più lungo.

Temperatura di fusione. Con l'aumento della temperatura, l'energia libera degli elementi di lega nell'acciaio diminuisce, favorendo la dissoluzione degli elementi di lega. Tuttavia, una temperatura troppo elevata aggrava la perdita di elementi di lega.

Sistema di scorie. Lo stato fisico-chimico delle scorie ha un impatto significativo sul tasso di recupero degli elementi in lega. In particolare, la viscosità e l'alcalinità delle scorie hanno un'influenza maggiore. Maggiore è il contenuto di FeO e SiO2 nelle scorie, maggiore è la perdita di elementi.

Perdita volatile degli elementi. Occorre prestare attenzione alla perdita volatile causata dagli ossidi di W, Mo e Mn.

Contenuto di [O], [N] e [S] nel liquido dell'acciaio. Maggiore è il contenuto di [O], [N] e [S] nell'acciaio, maggiore è la perdita di elementi. Il liquido di acciaio deve essere completamente disossidato, desolforato e denitrificato prima di aggiungere elementi di lega.

Tempistica, dimensione del blocco e metodo di aggiunta degli elementi in lega. Quanto prima vengono aggiunti gli elementi attivi, tanto maggiore è la perdita. Il tasso di recupero degli elementi di lega è più elevato quando si aggiungono elementi di lega in blocchi rispetto a quelli in polvere. Esiste anche una leggera differenza nel tasso di recupero tra l'aggiunta al forno e l'aggiunta alla siviera.

(2) Metodi per migliorare il tasso di recupero degli elementi in lega

1. Metodo di controllo per gli elementi a bassa perdita: Gli elementi della lega con un tasso di perdita inferiore a 5% in condizioni normali di fusione sono chiamati elementi a bassa perdita, tra cui Ni, Co, Mo, W, Cu, ecc. Gli elementi a bassa perdita possono generalmente essere aggiunti insieme alla carica del forno, mentre il rame elettrolitico dovrebbe essere aggiunto alla fine della fusione a causa del suo basso punto di fusione. La perdita di Mo e W durante la fusione è dovuta principalmente alla perdita volatile dei loro ossidi.

Inoltre, le leghe contenenti tungsteno non possono essere fuse in un nuovo crogiolo, in quanto ciò comporterebbe una perdita di tungsteno e una composizione chimica non conforme a causa dell'assorbimento del tungsteno da parte del crogiolo. I materiali contenenti tungsteno possono anche causare il "fenomeno del fondo", in cui una grande quantità di materiale contenente tungsteno si deposita sul fondo del crogiolo e non può fondere per lungo tempo. Per ridurre la perdita di W e Mo, è necessario garantire una fusione e un'agitazione sufficienti durante la fusione.

2. Metodo di controllo degli elementi a media perdita: Gli elementi a media perdita si riferiscono a elementi con un tasso di perdita compreso tra 5% e 20%, tra cui Cr, V, Si, Mn, Nb, ecc. e la loro aggiunta dipende dalla situazione del forno. In genere, il Nb viene aggiunto alla fine della raffinazione e mescolato a sufficienza. Quando si fonde un acciaio contenente Cr, occorre fare attenzione a evitare che il cromo si ossidi nelle scorie. Se il contenuto di cromo non è elevato, è meglio aggiungerlo dopo la completa disossidazione. Quando si aggiunge Mn per eliminare l'effetto di infragilimento termico del FeS, si deve controllare Mn/S>8.

3. Metodo di controllo per gli elementi ad alta perdita: Elementi in lega come Ti, Al, Re, Zr, ecc. hanno un tasso di perdita superiore a 20% nelle normali condizioni di fusione e sono elementi ad alta perdita. In genere, devono essere aggiunti dopo la disossidazione finale. Il metodo di aggiunta dipende dal sistema di disossidazione.

Inoltre, il metodo e i tempi di aggiunta degli elementi di lega devono essere considerati in modo completo per controllare il tasso di recupero degli elementi di lega. Ad esempio, quando si fondono leghe ad alta temperatura, è necessario aggiungere Ti. Se il Ti viene aggiunto sotto forma di spugna di titanio, anche se viene aggiunto dopo la disossidazione finale, il tasso di recupero sarà solo di circa 70%. Tuttavia, se il titanio viene trasformato in lega intermedia Ni-Ti e aggiunto, il tasso di recupero può raggiungere più di 95%.

3. Fusione a induzione sotto vuoto (VIM)

3.1 Panoramica

La fusione a induzione sotto vuoto (VIM) è un metodo di fusione di materiali in condizioni di vuoto che utilizza l'induzione elettromagnetica per generare correnti parassite per il riscaldamento dei conduttori metallici. La nuova tecnologia di degassificazione e colata sottovuoto a induzione (VIDP) presenta i vantaggi di un volume di fusione ridotto, di un breve tempo di pompaggio sottovuoto e di un ciclo di fusione, di un facile controllo della temperatura e della pressione, di un facile recupero degli elementi volatili, di un accurato controllo della composizione, ecc. Fin dalla sua comparsa nel 1988, è stata annoverata tra i principali oggetti di selezione per i forni a induzione sottovuoto su larga scala nei Paesi sviluppati.

3.1.1 Apparecchiature del forno a induzione sottovuoto

Il forno a induzione sotto vuoto è un'apparecchiatura utilizzata per la produzione di superleghe. In base alla modalità di funzionamento, può essere suddiviso in forni di tipo batch e forni a funzionamento semi-continuo. Il forno a induzione sottovuoto può essere utilizzato per la raffinazione delle superleghe e per la fusione di leghe speciali. Le apparecchiature di supporto del forno a induzione sottovuoto possono essere suddivise in quattro parti: alimentazione e controllo elettrico, corpo del forno, sistema del vuoto e sistema di raffreddamento ad acqua, come illustrato nelle Figure 3-1 e 3-2.

3.1.2 Alimentazione del forno a induzione sottovuoto

L'alimentazione del forno a induzione sottovuoto ha i seguenti requisiti:

(1) Il potenziale terminale dell'induttore deve essere basso. La tensione operativa utilizzata dal forno a induzione sottovuoto è inferiore a quella del forno a induzione a media frequenza, di solito inferiore a 750 V, per evitare la scarica di gas sottovuoto causata da una tensione troppo elevata e danni all'isolamento, con conseguenti incidenti.

(2) Impedire che le armoniche di ordine elevato entrino nel circuito di carico. Quando si utilizza un circuito di conversione di frequenza a tiristori, le armoniche di ordine superiore entrano spesso nel circuito di carico, causando l'aumento della tensione dell'induttore sul mantello del forno e la conseguente scarica. Pertanto, è necessario aggiungere un trasformatore di isolamento a media frequenza all'estremità di uscita dell'alimentatore per intercettare l'ingresso di armoniche di ordine superiore.

(3) La corrente del circuito di oscillazione deve essere elevata;

1 - Camera di fusione a induzione sotto vuoto; 2 - valvola di sgrossatura; 3 - valvola di alto vuoto; 4 - pompa meccanica; 5 - pompa di diffusione; 6 - valvola

3.1.3 Struttura del corpo del forno del forno a induzione sottovuoto

La struttura convenzionale del forno a induzione sottovuoto può essere suddivisa in un forno verticale a camera singola e in un forno orizzontale a due camere, in base alla forma di apertura e chiusura del corpo del forno. Il corpo del forno a induzione sottovuoto è costituito principalmente da un guscio del forno, un induttore, un crogiolo, un meccanismo di inclinazione, un sistema di colata, un sistema di raffreddamento ad acqua e un dispositivo di alimentazione. La struttura del corpo del forno comprende due tipi: il tipo di colata rotante del crogiolo e il tipo di colata inclinata del corpo del forno.

Il corpo del forno a induzione sottovuoto è dotato di accessori quali dispositivi di alimentazione, agitazione, misurazione della temperatura e campionamento. La caratteristica principale del forno a induzione sottovuoto è che i processi di fusione e colata vengono eseguiti all'interno del guscio del forno. Il guscio del forno si divide in un guscio fisso e in un guscio mobile. Il guscio del forno deve resistere alla forte pressione formata dal vuoto interno e avere una sufficiente resistenza strutturale.

Il guscio del forno dei piccoli forni a induzione sottovuoto adotta una struttura a doppio strato, con un rivestimento in acciaio inossidabile non magnetico. lamiera d'acciaio per lo strato interno e una normale piastra d'acciaio saldata allo strato esterno, con l'acqua di raffreddamento che scorre in mezzo. I grandi forni a induzione sottovuoto utilizzano una struttura a doppio strato in alcune parti, con una piastra d'acciaio a singolo strato raffreddata da tubi d'acqua all'esterno. La superficie di contatto tra la parte mobile e la parte fissa del guscio del forno deve essere sigillata con parti in gomma sottovuoto. Il principio del sistema a vuoto è illustrato nella Figura 3-3.

3.1.4 Caratteristiche della fusione in forno a induzione sotto vuoto

(1) Basso contenuto di gas ed elevata purezza del prodotto;

(2) Controllo preciso della composizione del prodotto;

(3) Forte adattabilità alle materie prime;

(4) Può essere fusa in lingotti sotto vuoto e in getti di forma complessa.

Tuttavia, la fusione in forno a induzione sotto vuoto presenta anche alcuni problemi. Durante il processo di fusione, il metallo fuso rimane a lungo a contatto con il materiale refrattario del crogiolo, causando inevitabilmente la contaminazione del metallo da parte del materiale refrattario. In secondo luogo, le condizioni di solidificazione del metallo fuso e il metodo di colata generale non sono diversi, per cui si verificano ancora difetti come l'allentamento e la segregazione.

Tabella 3-1 Contenuto di gas nell'acciaio SAE4340 prodotto con diversi metodi di fusione

Tabella 3-2 Contenuto di gas nell'acciaio SAE4340 prodotto con diversi metodi di fusione

3.2 Basi teoriche della fusione sotto vuoto

(1) Disossidazione del carbonio sotto vuoto

La capacità di disossidazione del carbonio sotto vuoto aumenta significativamente con l'aumento del grado di vuoto. A 1600℃, quando il grado di vuoto è di 10-3 atm, la capacità di disossidazione del carbonio ha superato quella dell'alluminio; quando il grado di vuoto del sistema è di 10-5 atm, la capacità di disossidazione del carbonio è 105 volte quella in condizioni atmosferiche. La disossidazione del carbonio viene utilizzata principalmente sotto vuoto.

(2) Dissoluzione gassosa nell'acciaio e fattori che la influenzano

La solubilità delle molecole di gas biatomici nel metallo fuso è proporzionale alla radice quadrata della pressione del gas nell'atmosfera. Pertanto, maggiore è il grado di vuoto, minore è la solubilità del gas nel metallo.

A 1600℃ e PH2=100Kpa, occorre tenere conto dell'effetto degli elementi di lega sulla solubilità dell'azoto nella ghisa fusa, nonché dell'effetto sulla solubilità dell'idrogeno nella ghisa fusa a 1600℃ e PN2=100Kpa.

3.3 Processo di fusione con forno a induzione sotto vuoto

L'intero ciclo di fusione in forno a induzione sotto vuoto può essere suddiviso in diverse fasi principali, tra cui la carica, la fusione, la raffinazione, la lega e la disossidazione, la colata, ecc.

3.3.1 Carica

(1) Requisiti delle materie prime

Il materiale di carica utilizzato nel forno a induzione sottovuoto è generalmente costituito da materie prime pulite che sono state sottoposte a trattamento superficiale. derubricato e sgrassato, con l'aggiunta della maggior parte degli elementi di lega sotto forma di metallo puro. I materiali di carica bagnati non devono essere utilizzati durante la carica per evitare di compromettere la qualità del prodotto finito e di causare schizzi durante la fusione. Durante la carica, la parte superiore del materiale di carica deve essere allentata, mentre la parte inferiore deve essere stretta per evitare il "bridging" causato dall'incastro o dalla saldatura del materiale di carica superiore durante il processo di fusione. Prima di caricare materiali di grandi dimensioni, è necessario stendere uno strato di materiale leggero di piccole dimensioni sul fondo del crogiolo. I materiali di carica ad alta fusione e di difficile ossidazione devono essere caricati nella zona ad alta temperatura nella parte centrale e inferiore del crogiolo. Alcuni elementi attivi come Al, Ti, Mn, B e terre rare possono essere caricati in alimentatori separati.

(2) Requisiti di ricarica

I. Lo strato inferiore del materiale di carica deve essere compatto, mentre lo strato superiore deve essere sciolto per evitare che lo strato superiore di materiale di carica si sovrapponga durante il processo di fusione; uno strato di materiale leggero di piccole dimensioni deve essere depositato sul fondo del crogiolo prima di caricare materiali di grandi dimensioni.

II. I materiali di carica ad alta fusione e di difficile ossidazione devono essere caricati nella zona ad alta temperatura nella parte centrale e inferiore del crogiolo.

III. I materiali di carica facilmente ossidabili devono essere aggiunti in buone condizioni per la disossidazione dei metalli.

IV. Per ridurre la perdita di elementi volatili, alla fusione del metallo può essere aggiunta una lega sotto forma di legante o può essere introdotto del gas inerte nella camera di fusione per mantenere una certa pressione del forno.

3.3.2 Fase di fusione

Per un forno a vuoto che opera su base intermittente, dopo il caricamento del materiale di carica, la camera del vuoto viene chiusa e il vuoto viene pompato fuori. Quando la pressione nella camera del vuoto raggiunge 0,67 Pa (5×10^-3 mmHg), l'alimentazione può essere attivata per riscaldare il materiale di carica. Per i forni a produzione continua con materiali di carica caricati in condizioni di vuoto, l'alimentazione può essere fornita per entrare nella fase di fusione non appena la carica è completata. Considerando l'effetto di degassamento del materiale di carica durante la fusione, non è necessaria la massima potenza in ingresso durante la fase iniziale di fusione. La potenza deve invece essere aumentata gradualmente in base alla situazione di degassamento del materiale di carica, per evitare che un degassamento eccessivo provochi schizzi. Quando si verifica un'ebollizione violenta o schizzi, è possibile ridurre la potenza in ingresso o aumentare leggermente la pressione del forno per controllarla. Il segno di una piscina fusa chiara è che la superficie della piscina fusa è calma, senza fuoriuscite di bolle. A questo punto si può procedere alla fase di raffinazione.

3.3.3 Fase di raffinazione

I compiti principali della fase di raffinazione sono il miglioramento della purezza del metallo liquido e la realizzazione di leghe. Allo stesso tempo, è necessario regolare la temperatura del metallo fuso e la lega. L'obiettivo della fase di raffinazione è ridurre il contenuto di gas, rimuovere le impurità dannose e rendere la composizione dell'acciaio qualificata. La temperatura della fase di affinazione deve essere controllata al di sopra dei 100 ℃ del punto di fusione del metallo fuso. Il grado di vuoto per i grandi forni a induzione sottovuoto è solitamente compreso tra 15-150Pa; per i piccoli forni è compreso tra 0,1-1Pa. Il tempo di raffinazione è di 15-25 minuti per un forno da 200 kg e di 60-100 minuti per circa una tonnellata.

3.3.4 Leghe

La lega si riferisce all'aggiustamento della composizione, che avviene in buone condizioni di disossidazione e degassificazione mediante l'aggiunta di elementi di lega. Il tipo e la quantità di elementi aggiunti sono determinati dai requisiti per le proprietà della lega, mentre l'ordine e le condizioni di aggiunta sono determinati dall'affinità e dalla volatilità degli elementi di lega con l'ossigeno. Dopo l'aggiunta di ciascun elemento, la potenza deve essere aumentata e agitata per un certo periodo di tempo per accelerare la fusione e garantire una distribuzione uniforme.

3.3.5 Colata e colata di acciaio

Dopo la fase di lega, quando il liquido metallico nel crogiolo raggiunge la composizione e la temperatura desiderata, e la lega di metalli si trasforma in una miscela di metalli. rettilineità della camera a vuoto soddisfa i requisiti tecnici, l'acciaio può essere colato. Quando si versa nel tappo isolante, il vuoto viene rotto immediatamente e vengono aggiunti l'agente riscaldante e l'agente isolante per evitare che la porosità da ritiro entri nel corpo del lingotto. Per le leghe ad alta temperatura con composizioni complesse, è necessario lasciarle nel vuoto per 15-20 minuti dopo la colata prima di rompere il vuoto. Per i grandi forni a induzione continui sotto vuoto, i lingotti possono essere lasciati raffreddare sotto vuoto.

3.4 La volatilità degli elementi e il controllo della composizione

Tutti i metalli (compresi alcuni non metalli) hanno una pressione di vapore di equilibrio Poi, che dipende dalle proprietà fisiche del metallo, dalla forma allo stato gassoso (atomo singolo, molecola biatomica o multiatomica) e dalla temperatura. La relazione tra la pressione di vapore Po della sostanza i e la temperatura è la seguente: (P0 è la pressione standard e non necessita di modifiche)

             lg(Po_i/133,3)=AT^-1+BlgT+TC×10^-3+D (3-1)

dove l'unità di Poi è Pa. I parametri A, B, C, D e le altre proprietà fisiche rilevanti degli elementi legati alla metallurgia dell'acciaio sono elencati nella Tabella 3-5. Più alta è la pressione di vapore di un elemento, più è probabile che si volatilizzi durante la fusione sotto vuoto. In base ai dati della Tabella 3-5, l'ordine decrescente di Poi per ciascun elemento a 1873K può essere calcolato come segue: Zn, Mg, Ca, Sb, Bi, Pb, Mn, Al, Sn, Cu, Cr, Fe, Co, Ni, Y, Ce, Sl, La, Ti, V, B, Zr, Mo, Nb, W, Ta.

La pressione di vapore Pi del componente i in una lega o in un metallo grezzo non è uguale alla pressione di vapore Poi della sostanza pura i perché la concentrazione di i nella lega è necessariamente inferiore a quella della sostanza pura. Inoltre, l'interazione tra le molecole di i e gli altri elementi componenti la lega non è uguale a quella tra le molecole di i. La formula per il calcolo di Pi è:

P_i= a_i .P^o_i，= r _i  .N _i .P^o_i                          (3-2)

Nella formula:

ai: attività del componente i nella lega

ri: coefficiente di attività di i

Ni: concentrazione molare frazionaria di i

Nelle leghe ferrose, gli elementi di lega possono essere suddivisi in tre categorie: elementi non volatili, facilmente volatili e impurità che possono essere rimosse per volatilizzazione. Gli elementi non volatili includono Ti, V, B, Zr, Mc (Hf), Nb, Ta e W. Gli elementi facilmente volatili includono Mn, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ca e Mg. In condizioni di fusione sotto vuoto, questi elementi volatilizzano in misura variabile. L'acciaio e le leghe contengono alcuni elementi metallici in tracce che hanno un impatto significativo sulle prestazioni dell'acciaio e delle leghe. Sono difficili da rimuovere con i metodi chimici convenzionali. Se questi elementi hanno un'elevata pressione di vapore, possono essere rimossi per volatilizzazione durante la fusione sotto vuoto. Questi elementi metallici includono Sn, Pb, Bi, Sb e Zn.

Gli elementi in tracce come magnesio, zirconio, boro, ecc. sono utilizzati per la microlega; le impurità in tracce come Pb, Bi, As, Sb e Sn sono dannose per l'acciaio e le leghe. Il magnesio puro ha un'elevata pressione di vapore alle temperature di fusione, una bassa densità e una forte affinità per l'ossigeno, che rende difficile la formazione di leghe di magnesio.

Nella fusione sotto vuoto, il magnesio viene aggiunto sotto forma di leghe binarie o ternarie durante la fase successiva della fusione. Per migliorare il tasso di recupero del magnesio, è necessario tenere presente i seguenti punti quando si aggiunge magnesio:

(1) La temperatura dell'acciaio fuso deve essere di circa 20°C inferiore alla temperatura di spillatura prima di aggiungere il magnesio.

(2) Il tempo di mantenimento deve essere controllato dopo l'aggiunta di magnesio, generalmente aggiunto entro 1-5 minuti prima della spillatura.

(3) Il gas argon deve essere introdotto nel forno prima di aggiungere il magnesio per garantire un elevato tasso di recupero del magnesio.

Le tracce di elementi nocivi presenti nell'acciaio e nelle leghe sono di solito impurità a bassa fusione accumulate dall'uso ripetuto di rottami o contenute in alcuni minerali di ferro. L'affinazione sottovuoto è il metodo più efficace per rimuovere queste impurità nocive, perché in genere hanno un'elevata pressione di vapore. A causa delle diverse pressioni di vapore e della diversa influenza di altri elementi componenti, i tassi di volatilizzazione di questi elementi variano notevolmente.

3.5 Interazione tra fusioni metalliche e materiali refrattari sotto vuoto

Con il continuo sviluppo della tecnologia dei forni a induzione, la capacità dei forni a induzione senza nucleo è aumentata e i forni a induzione tradizionali e sottovuoto che sono stati messi in produzione hanno raggiunto rispettivamente 60 e 40 tonnellate. Negli anni '60, gli Stati Uniti hanno prodotto in successione forni VIM (Vacuum Induction Melting Furnace) con capacità di 15, 30 e addirittura 60 tonnellate. L'aumento della capacità dei forni elettrici fa crescere di conseguenza anche la domanda di materiali refrattari di elevata purezza con proprietà fisiche speciali.

Le condizioni operative per i materiali refrattari utilizzati nella fusione sotto vuoto sono generalmente più severe di quelle utilizzate nella fusione convenzionale. Questo perché molti materiali refrattari si decompongono in base alla loro composizione e reagiscono con il metallo fuso in condizioni di vuoto. Da un lato, ciò contamina il metallo fuso e, dall'altro, aumenta la corrosione del materiale refrattario. Ciò è particolarmente evidente nei materiali refrattari contenenti grandi quantità di silice e ossido di ferro.

Le cricche da ritiro che si verificano nei materiali refrattari utilizzati nella fusione sottovuoto sono più gravi di quelle della fusione tradizionale, soprattutto nei forni a induzione senza nucleo ad alta capacità (>2,5 t). Pertanto, i materiali refrattari per i forni a induzione su larga scala devono avere le seguenti caratteristiche:

(1) Espansione irreversibile, assenza di crepe da ritiro;

(2) Elevata purezza;

(3) Buona stabilità in ambiente sottovuoto;

(4) In grado di resistere all'erosione di metallo fuso e scorie.

I materiali refrattari con queste caratteristiche includono magnesia-allumina-spinello e allumina di elevata purezza. Negli ultimi anni, il dosaggio di questi materiali refrattari, così come i corrispondenti materiali di riparazione e leganti, si sono sviluppati in modo significativo.

La magnesia e l'allumina reagiscono per formare magnesia-allumina-spinel di elevata purezza e bassa densità. Il rivestimento in magnesia-allumina-spinel può essere utilizzato a una temperatura di 1647℃ e, dopo essere stato raffreddato a temperatura ambiente o riempito con materiali freddi, può essere riscaldato e utilizzato a 1647℃ senza incrinarsi dopo decine di cicli. Secondo quanto riportato, il rivestimento di un forno a induzione di capacità nominale pari a 6 t è realizzato con allumina 95%. Nella produzione di acciaio inox serie 300 e 400, il rivestimento del forno può essere utilizzato ininterrottamente per 150 forni senza alcun trattamento.

3.6 Applicazione delle nuove tecnologie nella fusione con forno a induzione

Nei quasi 80 anni trascorsi dall'invenzione del forno a induzione, sono stati compiuti notevoli progressi sia nelle attrezzature che nei processi. Di conseguenza, sono state adottate misure per migliorare la fusione in forno a induzione in termini di volume di produzione, produttività, qualità e gamma di prodotti. Queste misure includono il trattamento al magnesio delle leghe, la difosforilazione a basso potenziale di ossigeno, l'insufflazione di argon, l'iniezione di polveri, la miscelazione di gas idrogeno e ossigeno. decarburazionee la raffinazione a idrogeno dell'acciaio liquido.

3.6.1 Trattamento del magnesio nelle leghe

Le leghe a base di nichel o ferro per alte temperature, così come le leghe di precisione contenenti alti livelli di elementi di lega, alcuni dei quali più reattivi di altri, come l'alluminio e il titanio, non possono garantire proprietà soddisfacenti come la plasticità termica, saldabilitàLa resistenza alle alte temperature e la resistenza al creep anche quando la fusione avviene sotto vuoto. Per questo motivo, alla fine della raffinazione viene aggiunta una certa quantità di magnesio. Il magnesio residuo nel metallo può migliorare significativamente queste proprietà.

Le specifiche proprietà fisico-chimiche del magnesio rendono difficile controllare il metodo di aggiunta e il tasso di recupero durante il processo di aggiunta del magnesio. Per risolvere questo problema, vengono utilizzate leghe di magnesio come Ni-Mg e Ni-Mg-Me per ridurre la pressione di vapore del magnesio e aumentarne il punto di fusione e di ebollizione. Il processo operativo per il trattamento del magnesio è il seguente:

(1) Al termine del periodo di raffinazione, se è necessario aggiungere B e Ce, regolare la temperatura della massa fusa in modo che sia inferiore di 20℃ rispetto alla temperatura di spillatura dopo l'aggiunta di B e Ce;

(2) Riempire la camera da vuoto con gas argon di elevata purezza a una pressione di 13-27kPa;

(3) Aggiungere alla fusione metallica il magnesio sotto forma di lega intermedia a blocchi contenente magnesio;

(4) Mescolare immediatamente e vigorosamente dopo l'aggiunta di magnesio, evitando di mescolare troppo a lungo per ridurre la perdita di magnesio. L'acciaio deve essere picchiettato entro 1-5 minuti dall'aggiunta del magnesio.

3.6.2 Defosforilazione a basso potenziale di ossigeno

Quando si fonde l'acciaio legato, soprattutto se si utilizzano materiali di ritorno come carica del forno, è necessario controllare il potenziale di ossigeno del gas del forno e delle scorie durante il processo di fusione e raffinazione per ridurre la perdita di elementi di lega. Pertanto, i metodi di ossidazione non possono essere utilizzati per la de-fosforilazione durante il processo di fusione. Quando è richiesto un acciaio a basso tenore di fosforo, è possibile utilizzare solo materie prime con un contenuto di fosforo inferiore ai requisiti di specifica, con conseguente aumento dei costi di produzione. Per risolvere il problema della de-fosforilazione durante la fusione dei materiali di ritorno dell'acciaio altamente legato, negli ultimi anni sono state proposte la teoria e la pratica della de-fosforilazione a basso potenziale di ossigeno, che sono state applicate anche nella fusione in forno a induzione.

Il calcio e il fosforo presenti nell'acciaio possono reagire in condizioni di sufficiente disossidazione e desolforazione del liquido di acciaio come segue:

3Ca+2[P] = Ca₃P₂ (3-3)

Il prodotto che si forma è il fosfuro di calcio. Il calcio coinvolto nella reazione può essere calcio metallico, leghe di calcio (come le leghe silicio-calcio) o composti di calcio (come il CaC2). A causa del basso punto di fusione (839℃), dell'elevata pressione di vapore (P = 1,775×105 Pa a 1600℃) e della bassa solubilità nel liquido dell'acciaio del calcio metallico, questo evapora rapidamente sotto forma di vapore dopo essere stato aggiunto al liquido dell'acciaio e galleggia verso l'alto sotto forma di bolle. Durante il processo di galleggiamento, il vapore di calcio può reagire con il fosforo presente nell'acciaio per generare Ca3P2, ma il tasso di utilizzo del calcio è molto basso. Al suo posto vengono comunemente utilizzate leghe o composti di calcio.

Il Ca₃P₂ generato dalla reazione è un composto insolubile nel liquido dell'acciaio, con un punto di fusione di 1320℃ e una densità di 3,3 g/cm³. Galleggerà in forma liquida ed entrerà nelle scorie alla temperatura di produzione dell'acciaio. Tuttavia, il fosfuro di calcio non è stabile nelle condizioni di produzione dell'acciaio ed è un forte agente riducente. Quando il potenziale di ossigeno dell'atmosfera del forno è elevato e nella scoria sono presenti ossidi facilmente riducibili, si verifica la seguente reazione:

(Ca₃P₂) + 4O₂  = 3 (CaO)+ (P₂O₅) ； （3-4）

 y (Ca₃P₂) + 8 (Me_xO_y) = 3y (CaO) + y (P₂O₅) + 8x [Me] （3-5）

Quando c'è vapore acqueo nel gas del forno:

  (Ca₃P₂)十3H₂O= 3 (CaO) + 2PH3 ↑; （3-6）

Il PH3 è un gas che, in presenza di vapore acqueo, sottrae fosforo al gas di fornace; tuttavia, questo gas è tossico e occorre prendere precauzioni per evitare che questa reazione si verifichi durante il funzionamento. È necessario adottare misure speciali per garantire la sicurezza durante la lavorazione di scorie di fornace contenenti Ca₃P₂. Quando le scorie hanno un'elevata alcalinità, CaO.P₂O₅ con una maggiore stabilità.

3 (CaO) + (P₂ O₅)= (3 CaO^.P₂ O₅) （3-7）

Tuttavia, sia il calcio silicio che il CaC₂ utilizzati per la de-fosforilazione a basso potenziale di ossigeno hanno forti proprietà riducenti. Pertanto, in presenza di un eccesso di silicio-calcio o CaC₂ nelle scorie, il fosfato di calcio si decompone e il P₂O₅ si ridurrà, causando il ritorno del fosforo nell'acciaio e riducendo l'efficienza della disfosforazione in condizioni di basso potenziale di ossigeno.

Nel funzionamento effettivo, il mantenimento di un basso potenziale di ossigeno dell'acciaio e la rimozione tempestiva delle scorie contenenti fosforo sono i fattori chiave per migliorare l'efficienza della de-fosforilazione del calcio. Quando si aggiunge il calcio, occorre prendere precauzioni per evitare una gassificazione violenta del calcio, che può causare schizzi. Quando il CaC₂ viene utilizzato come agente defosforilante, è necessario coprire il crogiolo e riempirlo con un gas riducente o inerte per evitare l'ossidazione del CaC₂ nelle scorie. Nella fusione di Cr₁₂Per l'acciaio da stampo MoV, la quantità di polvere utilizzata è di 10-15 kg/t e il tasso di disfosforazione è di circa 0,005%. Al termine della spruzzatura della polvere, rimuovere immediatamente le scorie e produrre nuove scorie.

3.6.3 Soffiaggio di argon

L'insufflazione di argon nella siviera è già una tecnologia matura nella fusione dell'acciaio ordinario e dell'acciaio basso legato. Si basa sulla risalita di bolle di argon per agitare l'acciaio fuso, promuovere la reazione carbonio-ossigeno, aderire e promuovere la collisione, la crescita e la risalita delle inclusioni sulla superficie della bolla e, in determinate condizioni, può anche degassare.

Quando la purezza dell'argon è elevata e molto secca, il soffiaggio dell'argon può rimuovere alcuni gas, soprattutto l'idrogeno. Quando il tempo di soffiaggio dell'argon è di circa 20 minuti, il tasso di deidrogenazione può raggiungere circa 50%. Anche gli oligoelementi nocivi con elevata pressione di vapore alla temperatura di produzione dell'acciaio, come il piombo e l'arsenico, possono essere rimossi in misura diversa attraverso il soffiaggio di argon. Secondo i rapporti, soffiando argon per 20 minuti si possono rimuovere 70-80% di piombo nell'acciaio, ma il tasso di rimozione dell'arsenico è solo di 10%.

3.6.4 Iniezione di polvere

La metallurgia a iniezione di polveri è una nuova tecnologia sviluppata di recente per affinare l'acciaio fuso. L'iniezione di polvere in siviera è stata ampiamente utilizzata nella produzione siderurgica convenzionale e diversi agenti in polvere possono essere utilizzati per completare attività metallurgiche come la disfosforilazione, la desolforazione, la disossidazione, il controllo della morfologia delle inclusioni, l'aggiunta di leghe o di carbonio. La tecnologia di iniezione delle polveri è essenzialmente una tecnologia che aggiunge materiali solidi all'acciaio fuso.

Poiché la polvere è trasportata dal gas di trasporto, il gas di trasporto che entra contemporaneamente alla polvere provoca l'agitazione della fusione, migliorando così le condizioni cinetiche delle reazioni metallurgiche. Pertanto, l'iniezione di polvere è più efficace della tradizionale tecnologia di aggiunta di materiale solido. Naturalmente, questa tecnica di aggiunta può essere utilizzata anche per la fusione in forno a induzione.

Nella fusione in forno a induzione, è possibile insufflare un agente desforizzante (lega di calcio o composto di calcio) o un agente desolforante. L'agente desolforante comunemente utilizzato è principalmente la polvere di calce (w(CaO) 60-80%, w(CaF₂) 20-40%). Questo agente desolforante è facile da ottenere, è economico e non ha alcun effetto sul controllo della composizione dell'acciaio fuso; il tasso di desolforazione è di circa 30-50%.

Un altro agente desolforante ampiamente utilizzato è il Ca-Si-CaF₂ (dove w(CaF₂) è di 20-30%), la maggior parte del silicio contenuto in questo agente desolforante sarà assorbito dall'acciaio fuso, il che può aumentare il contenuto di silicio e il tasso di desolforazione può raggiungere 40-80%. Per gli acciai che non richiedono l'aggiunta di carbonio, è possibile ottenere un buon effetto di desolforazione anche aggiungendo una certa percentuale di CaC2 agli agenti desolforanti a base di calce.

Il gas argon in bottiglia è comunemente utilizzato come gas vettore per l'iniezione di polveri. L'azoto può essere utilizzato anche per gli acciai che non richiedono un contenuto di azoto, riducendo così i costi. La pressione di esercizio è generalmente di 0,2-0,3 MPa. Per garantire un'erogazione uniforme della polvere, la pressione di esercizio deve essere ridotta al minimo. Come pistola di iniezione si utilizza un tubo di acciaio con materiale refrattario esterno, inserito a una profondità pari alla profondità del bagno di fusione meno la profondità di penetrazione.

3.6.5 Decarburazione con argon e ossigeno

La United Carbide Corporation degli Stati Uniti ha studiato la relazione di equilibrio del sistema quaternario Fe-Cr-C-O in un forno a induzione e ha scoperto che esiste una relazione corrispondente tra il contenuto di carbonio e cromo disciolti nel ferro e la pressione parziale del monossido di carbonio (PCO) nella fase gassosa con la temperatura. In presenza di un determinato contenuto di cromo, il contenuto di carbonio all'equilibrio diminuisce con l'aumento della temperatura o con la diminuzione della PCO in fase gassosa. Pertanto, finché il PCO a contatto con l'acciaio fuso può essere ridotto, il carbonio nell'acciaio fuso può essere ridotto a un livello basso a una temperatura non troppo elevata e il cromo non subirà un'eccessiva perdita di ossidazione.

Su questa base, è stato proposto il metodo AOD di diluizione della pressione parziale del PCO con argon, ovvero la decarburazione per soffiaggio con gas misto argon-ossigeno. Questo metodo supera gli svantaggi legati all'alta temperatura, alla grande perdita di cromo, all'aumento di contenuto di carbonio di elettrodi di grafite, bassa durata del rivestimento del forno e grande consumo di ferro cromato a basso tenore di carbonio o di cromo metallico durante la fusione dell'acciaio inossidabile al cromo mediante insufflazione di ossigeno nei forni ad arco, è stato rapidamente sviluppato e ampiamente utilizzato.

Poiché il metodo AOD è stato sviluppato per il forno a induzione, il metodo di decarburazione con argon e ossigeno dovrebbe essere applicabile anche alla fusione in forno a induzione. Quando si fonde l'acciaio al cromo o al nichel-cromo in un forno a induzione, il gas misto argon-ossigeno può essere soffiato per rimuovere il carbonio dall'acciaio.

4. Rifusione elettrica delle scorie

4.1 Apparecchiatura di rifusione elettrica delle scorie e principi di base

La rifusione elettrica delle scorie (ESR) è un metodo di raffinazione secondaria ampiamente utilizzato per la produzione di acciaio e leghe di alta qualità. Questo processo utilizza il calore generato dalla resistenza elettrica delle scorie per rifondere l'elettrodo consumabile in un cristallizzatore raffreddato ad acqua. Rispetto alla fusione ad arco con elettrodi consumabili sottovuoto, la ESR non richiede un sistema sottovuoto e spesso utilizza una fonte di alimentazione a corrente alternata, rendendola un processo più semplice e facilmente utilizzabile con lingotti compatti e di alta qualità.

4.1.1 Apparecchiatura elettrica di rifusione delle scorie

Rispetto alla fusione ad arco con elettrodi consumabili sotto vuoto, le apparecchiature per la rifusione delle scorie elettriche sono relativamente semplici e sono costituite da diversi componenti, tra cui un trasformatore di potenza e un dispositivo di cortocircuito, un sistema di sollevamento degli elettrodi consumabili, un cristallizzatore con un serbatoio di acqua di fondo, un sistema di misurazione e controllo e un sistema di alimentazione e rimozione delle polveri. In questa sede ci limiteremo a presentare il trasformatore di potenza, il cristallizzatore, il serbatoio dell'acqua di fondo e i vari tipi di forni elettrici a scorie.

(1) Trasformatore di potenza

La caratteristica unica del processo di rifusione delle scorie elettriche è l'utilizzo di fonti di alimentazione ad alta corrente e bassa tensione in CA o CC. Pertanto, è necessario scegliere un trasformatore adeguato per convertire l'ingresso ad alta tensione in un'uscita a bassa tensione (40-100V) che corrisponda alla capacità del forno per scorie elettriche.

(2) Cristallizzatore

Il cristallizzatore è il componente più importante del forno elettrico a scorie. Durante il processo di ESR, l'elettrodo consumabile fonde all'interno del cristallizzatore e il metallo liquido viene raffreddato forzatamente e cristallizzato per formare un lingotto o una colata di metallo. Il cristallizzatore è sia la camera di fusione del forno che lo stampo per la solidificazione del metallo. Ha una forma e una struttura complessa e ne esistono tre tipi principali: cristallizzatore a lingotto, cristallizzatore a scorrimento e cristallizzatore combinato (come mostrato nella Figura 4-4).

1-Elettrodo consumabile; 2-Piscina di scorie; 3-Piscina di fusione del metallo; 4-Magnete di metallo;

1-3 Cristallizzatore in modalità lingotto;

4-5 Cristallizzatore a scorrimento; 5-Cristallizzatore; 6-Contenitore dell'acqua

6-7 Tipo staccabile; 8-Tipo mobile

4.1.2 Principi di base della rifusione ad arco elettrico

(1) Principio di base della rifusione

Durante il processo di rifusione ad arco elettrico, la corrente passa attraverso l'elettrodo di consumo, la scoria, il bagno di fusione del metallo, il lingotto di metallo solidificato e la cassa d'acqua di fondo, e infine fluisce attraverso il cortocircuito, il trasformatore e così via, formando un anello (vedere Figura 4-6). In un forno elettrico bipolare ad arco in serie, la corrente passa da uno degli elettrodi consumabili attraverso le scorie (una piccola parte della corrente passa anche attraverso il bagno di fusione del metallo e poi ritorna alle scorie), quindi passa attraverso l'altro elettrodo consumabile e infine ritorna al trasformatore formando un anello.

Il processo di rifusione ad arco elettrico comprende la formazione di una piscina di scorie, la fusione dell'elettrodo consumabile, la solidificazione del metallo rifuso, la riparazione e il ritiro del lingotto rifuso, il tutto in una procedura di lavoro continua.

Quando la corrente attraversa la scoria, a causa dell'elevata resistenza della scoria, si genera un forte riscaldamento Joule nella piscina di scorie. Il calore Q precipitato nella piscina di scorie per unità di tempo è espresso come segue:

  Q = I²R (4-1)

Dove: Q - Joule di calore generato per unità di tempo, J/s;

I - intensità di corrente della scoria elettricamente conduttiva, A;

R - resistenza della piscina di scorie alla temperatura di fusione, Ω.

Quando l'elettrodo consumabile viene inserito nello strato di scorie, la parte di inserimento dell'elettrodo consumabile viene riscaldata dall'alta temperatura delle scorie e supera il proprio punto di fusione. Di conseguenza, lo strato superficiale della punta dell'elettrodo inizia a fondere, formando un sottile strato di metallo liquido che si attacca alla parte superiore della punta dell'elettrodo. Allo stesso tempo, sotto l'azione della forza di gravità g, della forza elettromagnetica R e della forza di lavaggio del movimento della piscina di scorie F, il metallo liquido scorre verso il basso lungo la superficie dell'estremità dell'elettrodo e si concentra nella parte centrale dell'elettrodo formando gocce fuse. La gravità fa cadere le goccioline fuse verso il basso, mentre la tensione interfacciale δ tra la scoria e le goccioline fuse impedisce alle goccioline fuse di cadere (vedere Figura 4-7).

La fusione dell'elettrodo consumabile e la transizione delle gocce di metallo durante il processo di rifusione possono essere suddivise nelle seguenti tre fasi:

1) All'estremità dell'elettrodo consumabile si forma una pellicola di metallo liquido;

2) Si sono aggregati in gocce fuse e sono passati al pool di metallo fuso attraverso lo strato di scorie;

3) Entrata nella superficie della piscina di fusione del metallo.

1 - piscina di scorie; 2 - strato di liquido fuso; 3 - piscina di metallo fuso; 4 - pelle di scorie; 5 - lingotto di scorie elettriche; 6 - cristallizzatore;

7 - cassetta dell'acqua di fondo; 8 - trasformatore; 9 - cortocircuito; 10 - supporto; 11 - elettrodo di consumo

4.2 Vantaggi della rifusione ad arco elettrico

Rispetto ai metodi di fusione generali, il processo di rifusione ad arco elettrico si differenzia per il fatto che il processo di rifusione, che comprende la formazione della piscina di scorie, la fusione dell'elettrodo consumabile, la solidificazione del metallo rifuso e la riparazione e il restringimento del lingotto rifuso, sono tutti eseguiti in una procedura di lavoro continua. Pertanto, presenta una serie di vantaggi.

(1) Il metallo rifuso può essere efficacemente raffinato dalle scorie.

(2) Migliorare le condizioni di cristallizzazione del lingotto metallico e aumentare la resa del metallo.

(3) L'attrezzatura è semplice, il costo di produzione è basso e il funzionamento è facile da padroneggiare.

(4) Esistono molte varietà di prodotti e un'ampia gamma di applicazioni.

(5) Anche la rifusione ad arco elettrico presenta un vantaggio importante: può produrre lingotti metallici con sezioni diverse, come tondi, quadrati, rettangolari e lingotti metallici con ampi rapporti larghezza-lunghezza. Può anche produrre tubi cavi e getti di forme diverse, come sbozzi di tubi cavi, billette per laminatoi, recipienti ad alta pressione, grandi valvole ad alta pressione e alberi a gomito.

Tuttavia, la rifusione ad arco elettrico presenta alcuni svantaggi, come la bassa produttività, l'elevato consumo di elettricità, lo scarso effetto di degassificazione, la difficoltà di controllare accuratamente la composizione chimica quando si rifondono acciai con elevati elementi di Ti e Al e i costi di produzione più elevati rispetto ai metodi di fusione generali.

4.3 Selezione delle materie prime, del sistema di scorie e dei parametri di processo per la rifusione ad arco elettrico

4.3.1 Materie prime per la rifusione ad arco elettrico

(1) Elettrodo consumabile

L'elettrodo consumabile utilizzato nella rifusione ad arco elettrico è generalmente un lingotto metallico fuso in un forno ad arco o in un forno a induzione, che viene trasformato in una barra metallica dopo la laminazione o la forgiatura. La sua sezione trasversale può essere circolare, quadrata o rettangolare e la sua varietà deve essere la stessa del prodotto finito dopo la rifusione. Per evitare l'ossidazione e la combustione di elementi facilmente ossidabili durante il processo di rifusione, è necessario che la superficie dell'elettrodo consumabile sia priva di ruggine e pelle di ossido, soprattutto quando si rifondono acciai e leghe contenenti Al, Ti, B e altri elementi. Durante il processo di rifusione, ad eccezione degli elementi facilmente ossidabili (come Ti, Al, ecc.) che possono essere bruciati, gli altri elementi sostanzialmente non cambiano. Per questi elementi facilmente ossidabili, è necessario controllarli entro un certo intervallo quando si prepara l'elettrodo consumabile in base alla quantità di combustione durante il processo di rifusione. Per evitare l'eccentricità dell'elettrodo di consumo durante il processo di rifusione, è necessario che sia il più dritto possibile, con un'altezza di circa 1,5 metri. raggio di curvatura non superiore a 6 mm per metro.

(2) Piastra di protezione del lingotto

All'inizio della rifusione, per evitare che il contenitore dell'acqua di fondo venga bruciato, è possibile posizionare una piastra metallica chiamata piastra di protezione del lingotto sotto il cristallizzatore e sopra il contenitore dell'acqua di fondo. La piastra di protezione del lingotto è fatta dello stesso materiale dell'elettrodo consumabile. La superficie della piastra di protezione del lingotto non deve presentare pelle di ossido e ruggine e deve essere molto piatta, in modo da garantire uno stretto contatto con la superficie della scatola dell'acqua di fondo e ottenere un buon effetto conduttivo. Lo spessore della piastra di protezione del lingotto è generalmente scelto tra 12 e 18 mm.

(3) Materiale delle scorie di accensione

Come è noto, durante la rifusione ad arco elettrico, le scorie fuse hanno una certa conduttività. Quando la scoria è solida, la sua conducibilità è scarsa e non può essere utilizzata per condurre il calore e creare direttamente una piscina di scorie. Se si utilizzano scorie solide come materiale di accensione, è necessario trovare una scoria con una conduttività sufficiente allo stato solido. In pratica, si è visto che quando la scoria solida contiene una certa quantità di TiO₂è in grado di soddisfare questo requisito. Pertanto, per un periodo di tempo considerevole, le scorie solide contenenti TiO₂ è stato utilizzato come scoria di accensione per la rifusione ad arco elettrico.

(4) Materiale di rifusione delle scorie

Le scorie svolgono un ruolo importante nel processo di rifusione ad arco elettrico. Le scorie comunemente utilizzate sono composte principalmente da fluorite (CaF₂), allumina (Al₂O₃), calce (CaO) e magnesia (MgO), ecc. (vedi Tabella 4-1).

4.3.2 Selezione dei parametri di processo per la rifusione ad arco elettrico

(1) Dimensioni del lingotto di scorie elettriche

La relazione tra il peso e le dimensioni del lingotto soddisfa l'Equazione 4-2.

Peso del mandrino G, t; diametro del mandrino D, cm; altezza del mandrino h, cm; peso specifico del metallo fuso γ, g/cm³.

Tabella 4-1: Sistemi di scorie comuni e relative densità allo stato liquido, nonché punti di fusione.

(2) Dimensioni del cristallizzatore e dell'elettrodo autoconsumante

Il diametro D del cristallizzatore è determinato dalla seguente formula:

dove D è il diametro medio del cristallizzatore in millimetri (mm); D_pro è il diametro del prodotto in millimetri (mm); M è il margine di lavorazione del grezzo (per i lingotti, M=0; per le fusioni, M=10-15mm); δ% è il ritiro del lingotto (generalmente 3±0,5%).

L'altezza H del cristallizzatore è determinata dalla seguente formula:

Se D è superiore a 300 mm, H deve essere considerato il limite inferiore.

Il diametro dell'elettrodo autoconsumante d_polo può essere determinato dalla seguente formula empirica, che dipende dal diametro D del cristallizzatore:

dove K è il rapporto di riempimento, solitamente scelto tra 0,4-0,6; d_pole è il diametro dell'elettrodo autoconsumante in millimetri (mm); D è il diametro del cristallizzatore in millimetri (mm).

Attualmente, i diversi Paesi del mondo scelgono rapporti di riempimento K diversi in base alle loro situazioni reali. Un valore K maggiore è più adatto a ridurre il consumo di energia, migliorare la produttività e la qualità del lingotto, garantendo al contempo la qualità del metallo rifuso e la sicurezza del funzionamento. Il diametro dell'elettrodo autoconsumante non può essere troppo grande, poiché ciò influisce sulla sicurezza dell'operazione.

La lunghezza L_polo dell'elettrodo autoconsumante può essere calcolata con la seguente formula:

dove G è la massa del lingotto metallico in tonnellate (t); n è il numero di elettrodi autoconsumanti necessari per produrre un lingotto metallico; γ è la densità del metallo rifuso, che è generalmente considerata pari a 7,9 g/cm3 per l'acciaio ordinario; Z è la densità dell'elettrodo, che è considerata pari a 0,95 per gli elettrodi fusi e approssimativamente uguale a 1 per gli elettrodi forgiati e laminati; ΔL è la lunghezza della coda dell'elettrodo, che dovrebbe essere determinata in base all'elettrodo serraggio generalmente assunto come (2-3)d.

(3) Tensione di fusione

La tensione di fusione si riferisce alla somma della tensione di lavoro e della caduta di tensione nella linea durante la rifusione. La tensione di lavoro è vicina alla tensione dello strato di scoria e rappresenta più accuratamente la tensione reale. Determina la profondità di immersione dell'elettrodo autoconsumante, influisce sulla formazione di cristalli assiali del lingotto soddisfacenti e sulla qualità della superficie ed è correlata al grado di ossidazione degli elementi. Aumentando correttamente la tensione di bocca del forno si possono affinare le gocce fuse, aumentare la temperatura della scoria e promuovere la crescita dei cristalli assiali del lingotto. In generale, per i sistemi di scorie con buona conducibilità e bassa resistenza, si dovrebbe scegliere una tensione di lavoro inferiore. Quando si fondono leghe contenenti elementi facilmente ossidabili come Al, Ti e acciai o leghe soggette a segregazione, è necessario scegliere una tensione di lavoro inferiore. La tensione di lavoro può essere selezionata utilizzando la seguente formula empirica:

dove U è la tensione di lavoro in volt (V); D è il diametro del cristallizzatore in centimetri (cm); B è una costante, considerata 27-37V.

(4) Corrente di fusione

La corrente di fusione è un parametro importante che ha un impatto significativo sulla qualità del prodotto e sugli indicatori economici e tecnici. L'aumento della corrente di fusione comporta una maggiore profondità di immersione dell'elettrodo di autoconsumo, che è dannosa per i cristalli assiali del lingotto. La corrente di fusione è determinata principalmente dalla sezione dell'elettrodo autoconsumante e dalla densità di corrente.

I = A*J （4-8）

dove A è l'area sezionale dell'elettrodo autoconsumante in millimetri quadrati (mm2); J è la densità di corrente in ampere per millimetro quadrato (A/mm2).

La densità di corrente J può essere selezionata utilizzando la seguente formula empirica:

dove d è il diametro dell'elettrodo autoconsumante in millimetri (mm).

(5) Potenza in ingresso

La potenza di ingresso viene utilizzata per verificare se i valori di tensione e corrente sono appropriati o per fornire una base per la selezione dei trasformatori per le apparecchiature. La potenza di ingresso viene determinata in base alla potenza di ingresso del volume unitario del bacino di scorie. Se D =400-800mm, la potenza di ingresso effettiva è di 0,15-0,30KW/cm.²Se D =200-400mm, la potenza effettiva in ingresso è di 0,30-0,60KW/cm.²Se D < 200 mm, la potenza effettiva in ingresso è superiore a 0,60KW/cm.².

(6) Quantità di scorie e profondità del bacino di scorie

La quantità di scorie viene determinata utilizzando la seguente formula, con i sistemi di scorie e le densità comunemente utilizzati riportati nella Tabella 4-3:

dove G è il peso delle scorie in chilogrammi (kg); D è il diametro del cristallizzatore in centimetri (cm); h è la profondità della piscina di scorie in centimetri (cm); γ è la densità del metallo rifuso in chilogrammi per centimetro cubo (kg/cm³).

La profondità della piscina di scorie può essere determinata utilizzando la seguente formula empirica:

Considerare il limite superiore quando D ≤250 mm e il limite inferiore quando D >350 mm. Secondo la letteratura, la quantità di scorie per i forni elettrici monofase in Cina è di 30-40 kg/t, la quantità di scorie per i forni elettrici trifase in Cina è di 60-70 kg/t e la quantità di scorie all'estero è di 3-5% del peso del lingotto.

(7) Temperatura dell'acqua di raffreddamento

Per promuovere la cristallizzazione dei lingotti e prevenire gli incidenti, è necessaria una maggiore intensità di raffreddamento per il cristallizzatore e il serbatoio dell'acqua di fondo. La pressione dell'acqua di raffreddamento è solitamente di 1,5-2,0 kg/mm2 e la temperatura dell'acqua in uscita dal cristallizzatore deve essere controllata a 40-60℃.

4.4 Caratteristiche metallurgiche della rifusione di scorie elettriche (Lezione 11)

Il processo di rifusione elettrica delle scorie comprende la formazione della piscina di scorie, la fusione dell'elettrodo autoconsumante, la solidificazione del metallo rifuso e l'integrazione e il restringimento del lingotto rifuso. Questi processi vengono eseguiti in una procedura di lavoro continua.

4.4.1 Formazione del bacino di scorie di rifusione elettriche

(1) Funzione delle scorie

Fonte di calore per il processo di rifusione.

Affinamento efficace.

Protezione del metallo rifuso con lo strato di scorie.

Inoltre, durante il processo di solidificazione del metallo rifuso, sulla superficie del lingotto si forma un guscio di scorie sottile e uniforme, che protegge il cristallizzatore dal contatto diretto con le scorie ad alta temperatura e rende la superficie del lingotto liscia e facile da sformare.

(2) Proprietà delle scorie

Una certa conducibilità elettrica.

Bassa viscosità e punto di fusione.

Bassa pressione di vapore.

Tensione interfacciale adeguata delle scorie.

Densità moderata delle scorie.

Permeabilità adeguata delle scorie.

(3) Selezione del sistema di scorie

La scelta della scoria deve essere effettuata in base all'analisi delle proprietà fisiche della scoria di cui sopra. I sistemi di scorie comunemente utilizzati sono riportati nella Tabella 4-1.

Il punto di fusione del sistema di scorie deve essere 100-200℃ inferiore a quello del metallo rifuso e anche la viscosità delle scorie deve essere ridotta. Ciò consentirà una buona fluidità della scoria durante il processo di rifusione, a vantaggio della desolforazione e della rimozione delle inclusioni non metalliche. Inoltre, contribuirà a formare un guscio di scoria sottile e uniforme sulla superficie del lingotto, facilitando la solidificazione del lingotto e ottenendo una superficie liscia.

Il sistema di scorie CaF2-CaO ha una notevole capacità di desolforazione, che aumenta con l'aumento della basicità delle scorie. Quando si rifonde un acciaio a taglio libero contenente zolfo, è necessaria una scoria acida con R<1 per garantire il contenuto di zolfo nell'acciaio.

Durante la rifusione di scorie elettriche, è meglio avere meno ossidi instabili (FeO, MnO, ecc.) e ossidi di metalli a valenza variabile (MexOy) nelle scorie per evitare l'aumento del contenuto di [O] nel metallo e la perdita di elementi bruciati. Quando si fondono acciai e leghe contenenti elementi come Al, Ti e B, le scorie non devono contenere SiO2.

Poiché gli ossidi di metalli alcalini, come Na2O e K2O, hanno un basso punto di fusione e sono facili da volatilizzare, le scorie non dovrebbero contenere questi ossidi.

(4) Creazione di un bacino per le scorie

All'inizio del processo di rifusione, il bacino di scorie rifuse deve essere creato rapidamente per garantire il regolare svolgimento del processo di rifusione delle scorie elettriche. Esistono due metodi per creare il bacino di scorie: il metodo dell'arco visibile e il metodo dell'arco invisibile, quest'ultimo utilizzato principalmente nella produzione attuale. Nel metodo dell'arco invisibile, vengono utilizzati principalmente il metodo di accensione della scoria solida conduttiva e il metodo della scoria liquida.

4.4.2 Fusione dell'elettrodo autoconsumante

Durante il processo di gocciolamento delle gocce di metallo rifuse, le caratteristiche di transizione si manifestano principalmente come la frequenza di gocciolamento delle gocce e la dimensione del diametro delle gocce, che hanno una notevole influenza sull'affinamento del metallo.

In primo luogo, la composizione della scoria ha un effetto significativo sulle dimensioni delle gocce. Quando si utilizza un elettrodo autoconsumante in acciaio ЭП65 con un diametro di d_pole=200 mm, un diametro del cristallizzatore di D_pro=425 mm e un sistema di scorie CaF2-Al2O3 con diverse quantità di Al2O3 aggiunto per la rifusione, la variazione della qualità delle gocce è elencata nella Tabella 4-2.

Tabella 4-2 Modifiche alla fusione di gocce.

Inoltre, esiste una certa relazione tra la profondità della piscina di scorie e la frequenza e la dimensione delle gocce. Quando si utilizza un elettrodo di autoconsumo di piccola sezione, l'aumento della profondità della piscina di scorie porta a una diminuzione della frequenza di caduta delle gocce e a un aumento del diametro delle gocce (vedere Tabella 4-3).

Tabella 4-3 Relazione tra profondità della piscina di scorie, frequenza di caduta delle gocce e diametro delle gocce.

Nota: la velocità di sollevamento dell'elettrodo è di 1,55m/h; la tensione è di 45V.

La stabilità del processo di rifusione nella produzione di scorie elettrolitiche è strettamente legata alla velocità di discesa dell'elettrodo di autoconsumo. Quando l'elettrodo scende lentamente, il processo di elettrolisi si trasforma in un processo ad arco. In questo momento, l'estremità dell'elettrodo è piatta e le goccioline sono solitamente distribuite sul bordo della superficie dell'elettrodo (vedere Figura 4-18a). Nel momento in cui le goccioline cadono, si può osservare un arco e il processo di elettroscoria è instabile. Quando la velocità di discesa dell'elettrodo viene aumentata, appare una sporgenza conica all'estremità dell'elettrodo (vedere Figura 4-18b) e le gocce si formano al centro dell'estremità dell'elettrodo (la punta della sporgenza). Con un ulteriore aumento della velocità di discesa dell'elettrodo, le dimensioni della parte conica dell'elettrodo inserita nella scoria aumentano e la concavità della superficie laterale del cono diminuisce.

Figura 4-8 Caratteristiche di fusione dell'elettrodo

a - Bassa velocità di discesa dell'elettrodo; b - Moderata velocità di discesa dell'elettrodo; c - Alta velocità di discesa dell'elettrodo.

Con un ulteriore aumento della velocità di discesa dell'elettrodo, la superficie laterale del corpo conico all'estremità dell'elettrodo diventa convessa e anche parte della parte cilindrica dell'elettrodo viene sepolta nella piscina di scorie. A questo punto, con l'aumento della velocità di discesa dell'elettrodo, si osserva un lento aumento della corrente (vedere Figura 4-19).

Figura 4-9 Relazione tra velocità di discesa dell'elettrodo e corrente

1 - Diametro elettrodo 180 mm, U=80 V; 2 - Diametro elettrodo 180 mm, U=51 V;

3 - Diametro dell'elettrodo 100 mm, U=51V; 4 - Diametro dell'elettrodo 80 mm, U=51V;

Quando la velocità di discesa dell'elettrodo è troppo elevata, si verificano archi periodici tra l'estremità dell'elettrodo e la superficie del bagno di metallo fuso a causa del distacco delle gocce, con conseguente ebollizione sul fondo del bagno di scorie. A volte può verificarsi un cortocircuito tra l'elettrodo e la piscina di metallo fuso, rendendo instabile il processo di rifusione.

In sintesi, quando si utilizza un elettrodo di grande sezione per la rifusione a scoria elettrolitica, l'estremità dell'elettrodo dovrebbe avere la forma di un cono regolare, che rende il processo di rifusione più stabile.

4.4.3 Solidificazione del metallo rifuso

Le differenze tra il processo di solidificazione dei lingotti a scoria elettrolitica e quello dei lingotti convenzionali metodi di colata sono i seguenti:

(1) La segregazione dei lingotti rifusi a scoria elettrolitica è minore rispetto a quella di altri metodi;

(2) Durante il processo di rifusione a scoria elettrolitica, è possibile fornire continuamente nuovo metallo liquido all'interno del cristallizzatore mediante la fusione continua dell'elettrodo di autoconsumo, mentre ciò non è necessario nella normale colata in stampo;

(3) Sulla superficie del lingotto elettrolagico è presente un sottile guscio di scoria che rende la velocità di raffreddamento assiale molto maggiore di quella radiale e la struttura cristallina tende a essere assiale;

(4) La struttura cristallina del lingotto a scoria elettrolitica non è legata solo al guscio di scorie sulla superficie del lingotto, ma anche alla forma del bagno di metallo fuso.

La pratica ha dimostrato che i principali fattori che influenzano la formazione della forma della piscina di metallo fuso includono la velocità di discesa dell'elettrodo di autoconsumo, la corrente di lavoro, la tensione di lavoro, la profondità della piscina di scorie e la conducibilità termica del metallo rifuso.

4.4.4 Compensazione di restringimento, sformatura e raffreddamento

Restringimento di compensazione: Il ritiro di compensazione deve essere effettuato 10-15 minuti prima della fine del processo di rifusione per garantire un lingotto liscio senza fori da ritiro e migliorare la resa del lingotto metallico.

Sformatura e raffreddamento: Al termine della rifusione, il lingotto metallico deve essere lasciato raffreddare per 10 minuti prima di essere sformato. Il tempo di raffreddamento dello stampo è solitamente determinato in base alle diverse qualità di acciaio e alle dimensioni del lingotto. Dopo la sformatura, gli acciai legati devono essere generalmente raffreddati lentamente e i metodi di raffreddamento lento includono il raffreddamento ad aria, a sabbia, a cappa e a fossa.

4.5 Qualità metallurgica della rifusione a scoria elettrolitica

4.5.1 Desolforazione e defosforilazione nel processo a scorie elettrolitiche

L'effetto di desolforazione della rifusione a scorie elettrolitiche è significativo e il tasso di desolforazione può generalmente raggiungere 50-80%, il che rappresenta uno dei vantaggi della rifusione a scorie elettrolitiche. Nei normali metodi di produzione dell'acciaio, per rimuovere efficacemente lo zolfo dal metallo, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:

(1) Le scorie devono avere un'elevata alcalinità;

(2) Per far fluire bene la scoria, la temperatura della scoria deve essere elevata;

(3) L'interfaccia di contatto tra il metallo e la scoria deve essere la più ampia possibile.

Il processo di rifusione a scoria elettrolitica prevede tre forme di desolforazione:

(1) Si tratta di desolforazione delle scorie, il che significa che lo zolfo viene trasferito dal metallo alle scorie.

La formula di reazione è: [S]+(O^2-)→(S^2-)+[O] (4-12)

La costante di equilibrio della reazione è: (4-13)

Pertanto, l'equazione 4-13 dà come risultato 

Se il contenuto di ioni di ossigeno nelle scorie è più alto e l'attività dell'ossigeno nel metallo è più bassa, una maggiore quantità di zolfo si trasferisce dal metallo alle scorie. Per aumentare il contenuto di ioni ossigeno nelle scorie, è possibile utilizzare scorie ad alta alcalinità. Dalla formula della reazione chimica di desolforazione delle scorie, si evince che, con la rimozione dello zolfo, il contenuto di ossigeno nel metallo dovrebbe aumentare.

(2) Durante il processo di rifusione, viene effettuata anche la desolforazione per gassificazione, il che significa che lo zolfo viene trasferito dalle scorie all'atmosfera.

(S^2-) + 3/2{O₂} = (O^2-) + {SO₂} (4-15)

La costante di equilibrio di questa reazione è:

L'equazione 4-16 dà come risultato:

Dall'equazione 4-17 si evince che quanto più alta è la pressione parziale dell'ossigeno nell'atmosfera e quanto più bassa è l'attività degli ioni di ossigeno nelle scorie, tanto più favorevole è la desolforazione per gassificazione durante il processo di rifusione. Esiste una certa contraddizione tra questi due processi di reazione. Tuttavia, entrambi i processi avvengono all'interno dello stesso sistema, quindi l'effetto finale di desolforazione dovrebbe essere il risultato complessivo dell'interazione tra queste due reazioni.

(3) Lo zolfo presente nel metallo passa alle scorie.

Anche le diverse polarità di corrente e tensione hanno un certo effetto sulla rimozione dello zolfo nel metallo. Se si utilizza la corrente continua inversa (cioè l'elettrodo di autoconsumo collegato all'elettrodo positivo), lo zolfo presente nel metallo può passare alle scorie, ottenendo migliori risultati di desolforazione. In pratica, non si osserva alcun effetto di desolforazione quando si utilizza la corrente continua positiva. Durante la rifusione ad arco elettrico, la desolforazione per gassificazione rappresenta una percentuale considerevole dei tre metodi di desolforazione sopra menzionati. In generale, il miglior effetto di desolforazione si ottiene utilizzando una fonte di alimentazione a corrente alternata e scorie ad alta alcalinità per la rifusione in condizioni atmosferiche. Quando si utilizza una sorgente di corrente alternata, il CaF₂-Il sistema di scorie CaO ha il miglior effetto di desolforazione nel sistema di scorie al fluoro.

Per quanto riguarda la disfosforazione del metallo, il metodo tradizionale consiste nel creare condizioni di "tre alti e un basso" (alta alcalinità, alto contenuto di (FeO), grande quantità di scorie e temperatura più bassa) il più possibile durante il processo di fusione. Tuttavia, nel processo di rifusione ad arco elettrico, è difficile ottenere buoni risultati di disfosforilazione a causa della natura non ossidante delle scorie e dell'elevata temperatura del bagno fuso.

4.5.2 Rimozione delle inclusioni non metalliche durante la rifusione ad arco elettrico

La rifusione ad arco elettrico è molto efficace nel rimuovere le inclusioni non metalliche dal metallo. La tabella seguente mostra le variazioni del contenuto di inclusioni non metalliche nell'acciaio per cuscinetti a sfera dopo la rifusione ad arco elettrico.

Tabella 4-4 Variazioni delle inclusioni di ossido nell'acciaio per cuscinetti a sfera dopo la rifusione ad arco elettrico

Tabella 4-10: Perdita di [Ti] durante la rifusione a scoria elettrolitica in diverse condizioni.

4.6 Applicazioni della rifusione a scoria elettrolitica

(1) Nuove applicazioni della rifusione a scorie elettrolitiche

Fusione elettrolitica ESR; colata elettrolitica ESC; colata elettrolitica ESP; colata continua ESMPC; colata elettrolitica centrifuga CESC;

Fusione a caldo ESHT; rifusione rapida ESRR; Saldatura a elettroerosione ESW; Rivestimento a scoria elettrolitica Rivestimento E.S;

Formatura a spruzzo con elettroerosione E.S. Osprey; Fusione diretta con elettroerosione Direct ESM;

(2) Prospettive future per i prodotti a scorie elettrolitiche

I. Nella produzione di fucinati di medie e grandi dimensioni, la rifusione si troverà in una posizione monopolistica.

II. Nei settori degli acciai per utensili di alta qualità, acciaio per stampi, acciai duplex inossidabili resistenti al calore, acciai ultraresistenti contenenti azoto, tubi grezzi e rotoli laminati a freddo, la rifusione a scoria elettrolitica ha un vantaggio assoluto e sostituirà la rifusione ad arco sotto vuoto in questo campo.

III. Nel campo delle superleghe (leghe ad alta temperatura, leghe resistenti alla corrosione, leghe di precisione, leghe per riscaldamento elettrico), la rifusione a scoria elettrolitica e la rifusione ad arco sotto vuoto si trovano in una situazione di concorrenza. Alla fine degli anni '80, la produzione della rifusione a scoria elettrolitica ha superato quella della rifusione ad arco sotto vuoto. Molti materiali che seguono la rifusione ad arco sottovuoto sono materiali più vecchi, limitati da precedenti valutazioni tecniche, mentre i nuovi materiali elettrolitici hanno un vantaggio assoluto.

IV. Nella produzione di metalli non ferrosi, la rifusione a scoria elettrolitica è in fase iniziale.

5. Rifusione ad arco sotto vuoto

5.1 Panoramica

La rifusione ad arco sotto vuoto è un processo che prevede l'utilizzo di un arco di corrente continua generato tra un elettrodo metallico e una piscina di metallo fuso, in un ambiente privo di scorie e a bassa pressione. Gli effetti dell'alta temperatura dell'arco fondono gli elettrodi autoconsumanti strato per strato e formano goccioline fuse all'estremità dell'elettrodo. Queste goccioline entrano nella piscina di metallo fuso attraverso la zona dell'arco ad alta temperatura e vengono rapidamente riscaldate dall'arco ad alta temperatura, portando alla purificazione e alla raffinazione, seguita dalla solidificazione in un cristallizzatore raffreddato ad acqua.

Un forno ad arco sottovuoto può creare una condizione di fusione a basso potenziale di ossigeno e ad alta temperatura, che lo rende adatto alla fusione di metalli refrattari o facilmente ossidabili come platino, tantalio e tungsteno. Con lo sviluppo dell'industria meccanica, il processo di rifusione ad arco sotto vuoto ad autoconsumo è stato applicato con successo nella produzione di titanio e leghe di titanio, leghe di precisione, leghe ad alta temperatura e metalli refrattari. Per questo motivo, a partire dagli anni '40 e '50 si è rapidamente sviluppato ed è cresciuto di dimensioni. Nei processi di fusione speciali, la fusione ad arco sotto vuoto è uno dei metodi principali per la rifusione e la raffinazione. Il diagramma schematico della fusione ad arco sottovuoto è mostrato nella Figura 5-1.

Cristallizzatore di rame; 2. Piattaforma operativa; 3. Sistema di osservazione ottica; 4. Dispositivo di sollevamento dell'elettrodo; 5. Palo dell'elettrodo; 6. Corpo del forno; 7. Elettrodo; 8. Sistema di vuoto; 9. Arco; 10. Lingotto; 11. Bobina di controllo elettrico.

I forni ad arco sottovuoto possono essere suddivisi in due categorie: autoconsumanti e non autoconsumanti. Quest'ultimo si riferisce a un tipo di forno ad arco sottovuoto che utilizza conduttori resistenti alle alte temperature, come elettrodi di tungsteno o grafite, e il metallo da fondere viene posto nel cristallizzatore per essere fuso e raffinato dal calore dell'arco.

Durante il processo di fusione, l'elettrodo stesso non viene consumato, o viene consumato solo in minima parte, per cui si parla di forno non autoconsumante. I forni ad arco autoconsumanti utilizzano il metallo da fondere come elettrodo, che fonde e si raffina a una certa velocità durante il processo di arco, rendendo questo tipo di forno ad arco un forno autoconsumante. Poiché la maggior parte dei forni ad arco sottovuoto utilizzati nella produzione di acciaio e leghe sono forni ad arco autoconsumanti, se non diversamente specificato nelle sezioni successive, tutti i riferimenti saranno ai forni ad arco autoconsumanti.

5.2 Introduzione e classificazione della struttura dei forni ad arco non autoconsumanti sottovuoto

5.2.1 Panoramica strutturale

Esistono diversi tipi di forni ad arco autoconsumanti sottovuoto, ma la loro struttura di base è la stessa. La Figura 5-1 mostra un forno ad arco autoconsumante sottovuoto. Un set completo di apparecchiature per un forno ad arco autoconsumante sottovuoto comprende il corpo del forno, le apparecchiature di alimentazione, il sistema di vuoto, il sistema di controllo, il sistema di osservazione, il sistema di raffreddamento ad acqua e altri componenti. Il diagramma schematico del principio di rifusione ad arco sottovuoto e il diagramma schematico strutturale del forno ad arco sottovuoto ad elettrodi autoconsumanti sono mostrati rispettivamente nella Figura 5-2 e nella Figura 5-3.

1. Elettrodo autoconsumante di metallo; 2. Zona di fase gassosa; 3. Zona di colonna d'arco; 4. Pool di metallo fuso; 5. Lingotto.

Polo negativo; 2. Meccanismo di alimentazione dell'elettrodo; 3. Asta di collegamento; 4. Manicotto di tenuta scorrevole a vuoto; 5. Corpo del forno; 6. Morsetto; 7. Asta corta; 8. Elettrodo autoconsumante; 9. Crogiolo di rame; 10. Lingotto fuso; 11. Camicia d'acqua; 12. Polo positivo; a. Ingresso dell'acqua di raffreddamento; b. Uscita dell'acqua di raffreddamento; c. Scarico della pompa del vuoto.

5.2.2 Classificazione dei forni ad arco a vuoto autoconsumanti

Esistono molti tipi di forni, che possono essere classificati in base alle diverse caratteristiche del forno ad arco. In base alla struttura del corpo del forno, si possono suddividere in tipi fissi e rotanti. In base alla forma del lingotto, può essere suddiviso in lingotto fisso e lingotto estratto. In base alla modalità di funzionamento, può essere suddiviso in intermittente e continuo.

5.3 Processo di rifusione per acciaio e leghe

5.3.1 Fasi della rifusione ad arco

Il processo di rifusione ad arco può essere suddiviso in quattro fasi: saldatura degli elettrodi, arco, fusione normale e rabbocco.

La saldatura avviene in un'atmosfera di vuoto o di protezione. Uno strato di materiale di partenza dell'arco (di solito dello stesso tipo di trucioli) viene steso sull'estremità dell'elettrodo autoconsumante da saldare, quindi il materiale di partenza viene spalmato sulla superficie dell'elettrodo. asta per elettrodi viene abbassata in modo che si verifichi un arco tra l'elettrodo di transizione e l'elettrodo autoconsumante. Quando le due estremità della zona d'arco sono riscaldate e l'arco è stabile con una grande quantità di fase liquida formata, l'asta dell'elettrodo viene rapidamente abbassata per rendere le due estremità della zona d'arco a stretto contatto e saldate insieme.

Lo scopo dell'arco è quello di formare un arco tra l'elettrodo autoconsumante e il materiale di partenza dell'arco sul fondo del cristallizzatore, aumentare la temperatura della zona dell'arco e formare una piscina di metallo fuso di determinate dimensioni sul fondo del cristallizzatore, mantenere un arco stabile tra l'elettrodo autoconsumante e la piscina di metallo fuso e passare dalla rifusione dell'elettrodo autoconsumante al normale periodo di fusione.

Il normale periodo di fusione è la fase principale del processo di rifusione, durante il quale l'acciaio o le leghe vengono raffinati e solidificati in lingotti. In questo modo si eliminano dal metallo i gas e le impurità metalliche a basso punto di fusione, si rimuovono le inclusioni non metalliche, si riduce la segregazione e si ottiene una struttura cristallina ideale.

Lo scopo della cimatura è quello di ridurre le cavità da ritiro nella parte superiore del lingotto rifuso, ridurre la porosità della zona di contrazione a "V" nella parte superiore, favorire la flottazione finale e la rimozione delle inclusioni, ridurre la quantità di taglio in testa e aumentare il tasso di rendimento.

5.3.2 Parametri di processo

(1) Diametro dell'elettrodo autoconsumante

Il diametro dell'elettrodo autoconsumante influisce direttamente sulla qualità del lingotto rifuso. Quando il diametro è grande, il calore dell'arco viene distribuito uniformemente su tutta la superficie del bagno di fusione, che risulta così piatto. In questo modo è facile ottenere un lingotto rifuso con una piccola segregazione, una struttura densa e un orientamento cristallino colonnare che favorisce il miglioramento delle prestazioni del processo termico (l'angolo tra la direzione dei grani colonnari e l'asse del lingotto è piccolo). In generale, per selezionare il diametro dell'elettrodo si utilizza la seguente formula:

       d/D=0,65～0,85 (5-1)

dove d è il diametro dell'elettrodo autoconsumante in mm e D è il diametro del cristallizzatore in mm.

Per l'acciaio o le leghe, attualmente, d/D viene generalmente scelto nell'intervallo tra 0,7 e 0,8. Scegliere il limite superiore per lingotti di dimensioni maggiori e il limite inferiore per lingotti di dimensioni minori.

Inoltre, il diametro dell'elettrodo può essere determinato con la seguente formula empirica:

d=D-2δ (5-2)

dove δ è la distanza in mm tra l'elettrodo e il cristallizzatore.

Quando l'elettrodo è un cilindro sfaccettato, il valore rappresenta la distanza tra i bordi dell'elettrodo e la parete interna del cristallizzatore. Nel determinare il valore di δ, occorre assicurarsi che sia maggiore della lunghezza dell'arco durante la normale fusione, per eliminare il rischio di generare archi di bordo.

Durante la rifusione di metalli e leghe non ferrosi o refrattari, in particolare durante la prima rifusione sotto vuoto (con una grande quantità di gas rilasciati), per rimuovere completamente i gas e garantire un funzionamento sicuro, il δ deve essere più grande di quello scelto per la rifusione dell'acciaio. In generale, δ viene scelto in un intervallo compreso tra 25 e 50 mm, con il limite superiore per lingotti di dimensioni maggiori.

Tabella 5-1 Formula empirica per la determinazione della corrente di fusione

Formula	Unità		Campo di applicazione	Osservazione
	I o I	d o D
	iA/cm2	d mm	Acciaio, acciaio legato, leghe a base di ferro o nichel.	i- densità di corrente  I- Corrente di fusione  d- Diametro dell'elettrodo autoconsumante  D- Diametro del cristallizzatore
	IA	D mm	Acciaio, acciaio legato D=145～150 d/D=0,7～0,8
	IA	d mm	Leghe a base di ferro o nichel d=10～300 d/D=0,65～0,85

(2) Grado di vuoto:

Il grado di vuoto ha un impatto diretto sulla disossidazione, sul degassamento, sulla volatilizzazione degli elementi, sulla decomposizione e sulla rimozione delle inclusioni durante il processo di rifusione, nonché sul comportamento dell'arco e sulla sicurezza del funzionamento. Pertanto, il grado di vuoto è un parametro di processo molto importante. Per migliorare l'effetto di raffinazione, è necessario aumentare il grado di vuoto della camera di fusione, ma per stabilizzare l'arco, il grado di vuoto non deve essere troppo alto, soprattutto evitando la gamma di pressioni che causano scariche incandescenti. La pressione della camera di fusione deve essere mantenuta a circa 1,3 Pa.

(3) Corrente:

La corrente di fusione determina il tasso di fusione dell'elettrodo autoconsumante e la temperatura del bagno fuso. Una corrente elevata porta a un'alta temperatura dell'arco e a una rapida velocità di fusione dell'elettrodo, che si traduce in una migliore qualità superficiale del lingotto rifuso. Tuttavia, l'elevata temperatura del bagno fuso ne approfondisce la profondità e fa sì che la direzione di cristallizzazione del lingotto rifuso tenda all'orizzontale. Di conseguenza, lo sviluppo lasco del lingotto rifuso aumenta, la deviazione della composizione aumenta, l'anisotropia si intensifica e le prestazioni del processo termico peggiorano.

Quando la corrente di fusione è piccola, anche se il tasso di fusione è basso, la forma del bagno di metallo fuso è poco profonda e piatta e la direzione di cristallizzazione tende ad essere assiale, garantendo così che il lingotto rifuso sia denso, con inclusioni piccole e disperse che possono fluttuare tra i cristalli dendritici. La selezione della corrente di fusione deve tenere conto anche del diametro dell'elettrodo, delle dimensioni del lingotto e delle proprietà fisiche del prodotto raffinato (come punto di fusione, composizione, viscosità, conducibilità termica, ecc.) Le espressioni formule per la selezione della corrente di fusione sono riportate nella Tabella 5-1.

(4) Tensione:

In condizioni di corrente fissa, la lunghezza dell'arco è determinata dalla tensione dell'arco stesso. Se la lunghezza dell'arco è troppo breve (meno di 15 mm), è probabile che si verifichino cortocircuiti periodici, che causano la fluttuazione della temperatura del bagno fuso, con conseguenti ripercussioni sull'uniformità della struttura cristallina e sulla qualità superficiale del lingotto rifuso. Se l'arco è troppo lungo, il calore non è concentrato, la distribuzione termica del bagno fuso non è uniforme e l'uniformità della struttura cristallina del lingotto rifuso ne risente, aumentando il rischio di arco di bordo. Nella fusione ad arco sotto vuoto, il controllo della lunghezza dell'arco è sostanzialmente lo stesso. Attualmente, la lunghezza dell'arco è per lo più controllata nell'intervallo 22-26 mm, corrispondente a una tensione di 24-26V. Il valore di δ in questo momento dovrebbe essere superiore a 25 mm.

(5) Tasso di fusione:

Il numero di chilogrammi di liquido metallico fuso dall'elettrodo autoconsumatore e che entra nel cristallizzatore per unità di tempo è indicato come tasso di fusione, comunemente espresso in kg/min. La velocità di fusione (V) può essere determinata dalla distanza (S, mm/min) che il righello collegato al movimento verso l'alto e verso il basso dell'elettrodo autoconsumante percorre nell'unità di tempo. La formula di calcolo è

V= K-S (5-3)

dove K è il coefficiente di velocità di fusione, kg/mm, cioè il numero di chilogrammi di elettrodo autoconsumante fusi dall'elettrodo bianco per ogni goccia di 1 mm. Il valore K può essere ricavato dal bilancio di massa tra il movimento verso il basso dell'elettrodo e il movimento verso l'alto del livello del liquido.

(6) Tasso di perdita:

Il tasso di perdita E del sistema di vuoto si riferisce alla quantità di aria che permea nella camera da vuoto dall'esterno per unità di tempo, con un'unità di misura pari a μmHg.L/s. Il tasso di perdita ha un impatto significativo sulla qualità del metallo rifuso, soprattutto per le leghe difficili da fondere o che contengono elementi attivi. Il gas fuoriuscito nel sistema del vuoto aumenta la pressione parziale di ossigeno, azoto e vapore acqueo nella camera del vuoto, aumentando così il numero di ossidi e nitruri nel metallo rifuso, con conseguente diminuzione della resistenza e della plasticità della lega. Pertanto, la rifusione ad arco sotto vuoto richiede che il tasso di perdita dell'apparecchiatura sia controllato a ≤ 6,67Pa.L/s. Quando si fondono metalli difficili da fondere e le loro leghe, il requisito per E è di 0,400-0,667 Pa.L/s.

(7) Intensità di raffreddamento:

L'intensità di raffreddamento del cristallizzatore influisce sul processo di solidificazione e sulla struttura di fusione del lingotto rifuso. Nella produzione reale, l'intensità di raffreddamento è influenzata da fattori quali la portata, la pressione, la temperatura dell'acqua di ingresso e di uscita dell'acqua di raffreddamento, nonché il tipo di lingotto, il peso, il grado di acciaio, la struttura del cristallizzatore e la temperatura di fusione. A causa della complessità di questi fattori, la portata dell'acqua di raffreddamento viene spesso regolata in base all'esperienza acquisita durante il funzionamento, in modo che le temperature dell'acqua in ingresso e in uscita rientrino nell'intervallo richiesto, mantenendo un tasso di solidificazione coerente con il tasso di fusione e mantenendo stabile la forma del bagno di fusione del metallo.

I requisiti per la temperatura dell'acqua in uscita dal cristallizzatore sono i seguenti: la differenza di temperatura tra l'acqua in entrata e quella in uscita dal cristallizzatore inferiore deve essere inferiore a 3°C; la differenza di temperatura tra l'acqua in entrata e quella in uscita dal cristallizzatore superiore non deve essere inferiore a 20°C e la temperatura dell'acqua in uscita deve essere compresa nell'intervallo 45-50°C.

5.4 Problemi comuni di qualità metallurgica nella rifusione ad arco sotto vuoto

5.4.1 Macroscopico Difetti dell'acciaio e leghe

I difetti macroscopici più comuni includono principalmente la scarsa qualità della superficie e le cricche dei lingotti rifusi.

(1) Scarsa qualità superficiale dei lingotti rifusi.

La caratteristica della rifusione ad arco sotto vuoto è l'assenza di scorie in un ambiente a bassa pressione. Il liquido metallico dopo la rifusione si solidifica rapidamente nel cristallizzatore raffreddato ad acqua, il che può causare difetti superficiali come cicatrici, inclusioni di scorie, segni pesanti e alterazioni della pelle sul lingotto rifuso.

(2) Crepe

Le cricche possono essere presenti sulla billetta o sul materiale durante la lavorazione a caldo o dopo la finitura. In base alle loro cause, le cricche possono essere suddivise in cricche superficiali, cricche causate da fori da ritiro e cricche intergranulari.

5.4.1 Difetti microscopici di acciaio e leghe

(1) Porosità

Durante la solidificazione, si formano micropori tra i cristalli dendritici a causa del ritiro volumetrico e dell'insufficiente integrazione del liquido metallico. Questo difetto può essere superato selezionando un sistema di processo ad arco ragionevole e aumentando la potenza in ingresso per un breve periodo (la corrente di fusione dovrebbe essere aumentata di 10-20% rispetto al normale per aumentare la temperatura del bagno di fusione e rendere il tasso di fusione del metallo maggiore del tasso di solidificazione).

(2) Segregazione

La segregazione è fondamentalmente causata dal processo di separazione dei cristalli selezionato. Vari fattori che influenzano la separazione dei cristalli, come la composizione, il tipo di lingotto, le dimensioni del lingotto, la velocità di fusione, la forma del bagno di fusione, la velocità di solidificazione e le dimensioni del campo magnetico, influiscono sullo sviluppo della segregazione.

5.5 Caratteristiche della rifusione ad arco sotto vuoto

(1) Il processo di fusione viene condotto in un ambiente a bassa pressione, che non solo elimina l'inquinamento dell'aria esterna alle leghe, ma riduce anche il contenuto di gas e le impurità nocive con basso punto di fusione che sono inclini alla volatilizzazione nell'acciaio e nelle leghe, migliorando così la purezza della lega.

(2) Gli elementi attivi, come l'alluminio e il titanio, hanno poche perdite di combustione durante il processo di rifusione e la composizione chimica della lega è relativamente stabile.

(3) La fusione avviene in un ambiente privo di scorie e di materiali refrattari, evitando che inclusioni estranee provenienti da queste due fonti contaminino la lega.

(4) Migliora il tipo e la distribuzione delle inclusioni.

(5) Le condizioni di solidificazione di questo metodo di fusione possono garantire la produzione di lingotti rifusi di alta qualità con basso grado di segregazione e alta densità.

(6) L'alta temperatura dell'arco consente la rifusione di metalli e leghe con punti di fusione elevati.

(7) Un sistema di processo di sigillatura ragionevole può ridurre al minimo i fori di ritiro nella parte superiore del lingotto rifuso e la struttura cristallina dell'area di ritiro finale può essere più vicina al corpo del lingotto, migliorando così la resa.

(8) L'atmosfera durante la rifusione sotto vuoto può essere controllata.

(9) Rispetto alla rifusione ad arco elettrico, la qualità superficiale e la densità dei lingotti rifusi sono più scadenti e i fori da ritiro non possono essere completamente eliminati. A causa della scarsa qualità della superficie, i lingotti rifusi devono solitamente essere pelati, con conseguente riduzione della resa del metallo.

(10) La rimozione di zolfo e inclusioni è meno favorevole rispetto alla rifusione ad arco elettrico.

(11) Per le leghe ad alta temperatura, le prestazioni di lavorazione a caldo dei lingotti rifusi prodotti mediante rifusione ad arco sotto vuoto sono inferiori.

(12) È difficile controllare la composizione delle leghe contenenti elementi facilmente volatili come il manganese durante la rifusione ad arco sotto vuoto. Durante la rifusione del GCrl5, la perdita di manganese nell'acciaio può raggiungere 15-18% e il manganese evaporato si condensa sulla parete interna del cristallizzatore, causando un contenuto eccessivo di manganese sulla superficie del lingotto rifuso. Il lingotto deve essere sottoposto a un processo di pelatura prima della lavorazione a caldo.

(13) Le attrezzature sono complesse e i costi di manutenzione sono elevati, con conseguente aumento del costo di produzione delle leghe.

5.6 Varietà prodotte dal forno ad arco a vuoto

(1) Metalli refrattari e attivi e loro leghe come W, Mo, Ta, Nb, Zr, Hf, Ti e U.

(2) Leghe speciali: leghe per alte temperature e leghe di precisione.

(3) Acciaio speciale inossidabile e acciaio resistente al calore.

(4) Importanti acciai da costruzione, in particolare lingotti fusi di grandi dimensioni.

(5) Acciaio per cuscinetti di alta gamma.

(6) Acciaio rapido di grande sezione e acciaio per utensili.

(7) Metalli non ferrosi di elevata purezza e loro leghe.

6. Fusione al plasma

6.1 Caratteristiche della fusione al plasma

Il plasma è una potente fonte di calore ad alta temperatura ampiamente utilizzata non solo nelle industrie di saldatura, taglio, spruzzatura e chimica, ma anche nell'industria metallurgica, in particolare nella fusione al plasma.

La fusione al plasma utilizza un arco di plasma come fonte di calore, in grado di fondere materiali metallici e non metallici. È stata applicata per la prima volta nel campo della metallurgia all'inizio degli anni '60 ed è stata utilizzata principalmente per la raffinazione dei materiali metallici e la fusione di acciai e leghe ad alta purezza e prestazioni speciali, in particolare nella produzione di leghe ad alta temperatura e di precisione.

6.1.1 Generazione del plasma e caratteristiche dell'arco di plasma

L'arco al plasma presenta le seguenti caratteristiche:

• Alta temperatura dell'arco di plasma.
• Forte conduttività dell'arco di plasma.
• Elevata portata dell'arco di plasma.
• Combustione stabile dell'arco di plasma.

6.1.2 Vantaggi della fusione al plasma

Il forno di fusione al plasma non solo può produrre acciaio legato e leghe, ma può anche fondere alcuni metalli refrattari e metalli attivi come W, Mo, Nb, Ta, Zr, Ti, ecc. Questa apparecchiatura è stata continuamente migliorata e si è sviluppata rapidamente a livello tecnologico e ha una forte vitalità economica perché presenta i seguenti vantaggi:

(1) Rapida velocità di fusione ed elevata efficienza termica.

(2) Adeguata rimozione del gas e delle inclusioni non metalliche.

(3) Piccola perdita di elementi di lega.

(4) Corrente e tensione di lavoro stabili.

(5) Può lavorare in atmosfere e pressioni diverse. Durante la fusione al plasma, nel forno si possono utilizzare pressioni e atmosfere diverse (ad esempio, riducente o inerte) in base ai diversi requisiti di processo.

(6) Può effettuare la raffinazione delle scorie. Il forno al plasma non solo può utilizzare materiali fini per la fusione, ma anche materiali grossolani, persino materiali ad alto contenuto di zolfo.

(7) Evita la possibilità di aggiunta di carbonio.

(8) Piccola quantità di evaporazione degli elementi. La differenza tra la fusione al plasma e altri metodi di fusione (come la fusione ad arco sottovuoto, la fusione a induzione sottovuoto e la fusione a fascio di elettroni) consiste nel fatto che la pressione atmosferica si trova al di sopra del bacino di fusione, per cui l'evaporazione degli elementi nel metallo è ridotta.

(9) Può nitrificare il metallo.

(10) Attrezzature semplici e facile regolazione della temperatura. Rispetto a un forno a vuoto, il forno al plasma ha un'attrezzatura semplice e la temperatura dell'arco è relativamente facile da regolare.

(11) Ampia gamma di materiali da rifondere. Rispetto al forno ad arco sottovuoto, il forno di rifusione al plasma è in grado di rifondere non solo le barre, ma anche i blocchi.

6.2 Fusione al plasma

In base al metodo di riscaldamento, la fusione al plasma comprende principalmente la fusione ad arco di plasma, la fusione ad induzione di plasma, la rifusione ad arco di plasma, la fusione a fascio elettronico di plasma e così via.

(1) La fusione ad arco di plasma (PAM) utilizza la temperatura ultraelevata e l'atmosfera di gas inerte di un arco di plasma per fondere metalli refrattari ed elementi attivi in un crogiolo refrattario. Il processo presenta elevati tassi di recupero delle leghe, un'efficace decarburazione e produce leghe di elevata purezza.

(2) La fusione a induzione al plasma (PIM) è un forno che combina la temperatura ultraelevata e l'atmosfera di gas inerte di un arco al plasma con il riscaldamento a induzione e l'agitazione elettromagnetica. Il PIM è in grado di desolforare, decarburare e degasare efficacemente i materiali metallici e presenta vantaggi nel controllo degli elementi volatili.

(3) La rifusione ad arco di plasma (PAR) fonde il metallo e le scorie utilizzando un arco di plasma in un'atmosfera di gas inerte e solidifica in un cristallizzatore raffreddato ad acqua, producendo buoni risultati metallurgici.

(4) La rifusione a plasma a fascio di elettroni (PER) utilizza il plasma di argon per riscaldare il catodo di tantalio sotto vuoto ridotto, facendogli emettere elettroni termici. Questi elettroni collidono con il materiale metallico anodico sotto l'influenza di un campo elettrico e si solidificano in un cristallizzatore raffreddato ad acqua. Questo metodo può fondere efficacemente il titanio spugnoso e altri metalli refrattari.

1 - Pistola al plasma; 2 - Foro di ispezione; 3 - Uscita dell'acciaio; 4 - Bobina di induzione; 5 - Crogiolo; 6 - Elettrodo di fondo del forno; 7 - Guscio del forno; 8 - Arco di plasma; 9 - Elettrodo di fondo del forno. Ugello al plasma; 10 - Imbuto di alimentazione in lega.

6.2.1 Fusione a induzione al plasma (PIM)

Il forno a induzione al plasma è una combinazione di un normale forno a induzione e di un dispositivo di riscaldamento ad arco al plasma. Grazie all'aggiunta di una fonte di calore al plasma nel forno a induzione, è possibile adottare la fusione delle scorie e creare scorie attive ad alta temperatura, con una temperatura fino a circa 1850℃, che crea condizioni favorevoli per la riduzione del contenuto di zolfo nei metalli. Pertanto, evita gli svantaggi delle scorie fredde e dell'atmosfera non protetta del normale forno a induzione e migliora significativamente la capacità di raffinazione del forno a induzione.

I forni a induzione al plasma operano solitamente in condizioni di pressione normale e possono anche lavorare in condizioni di pressione negativa, se richiesto dal processo.

Per ottenere metalli con un contenuto di [N] più elevato, il forno a induzione al plasma può utilizzare il gas non attivo N2 o N2+Ar come gas di lavoro. Formando un arco di plasma attraverso un flusso di azoto e conducendo contemporaneamente l'alligazione, il contenuto di azoto nel metallo aumenta. A volte, per decarburare l'acciaio liquido, alcune fabbriche utilizzano anche l'aria come gas di lavoro nel forno a induzione al plasma.

Questo tipo di impianto di fusione ha una caratteristica importante: può funzionare con o senza scorie. Quando il processo di fusione richiede il funzionamento con scorie, è possibile completare le operazioni di desolforazione, disossidazione e decarburazione. Quando si utilizza il funzionamento senza scorie, la superficie del metallo liquido viene riscaldata direttamente da un arco al plasma ad alta temperatura.

Come mostrato nella Figura 6-1, il forno a induzione al plasma è composto dalle seguenti quattro parti: corpo del forno a induzione al plasma, alimentatore del forno a induzione, pistola al plasma e generatore di arco al plasma.

La fusione a induzione al plasma è un metodo di fusione speciale altamente competitivo che si avvicina o supera il livello della fusione a induzione sotto vuoto in termini di desolforazione, rimozione delle impurità non metalliche e riduzione del contenuto di gas nell'acciaio e nelle leghe.

1 - Pistola al plasma; 2 - Coperchio del forno; 3 - Anodo ausiliario; 4 - Uscita dell'acciaio; 5 - Bobina di agitazione; 6 - Rivestimento del forno; 7 - Anodo raffreddato ad acqua; 8 - Catodo di tungsteno; 9 - Arco di plasma; 10 - Porta del forno; 11 - Metallo fuso; 12 - Scorie fuse.

6.2.2 Fusione ad arco di plasma (PAM)

Il forno ad arco plasma utilizza la temperatura ultraelevata e l'atmosfera inerte dell'arco plasma per fondere metalli refrattari ed elementi attivi in un crogiolo di materiale refrattario. La lega ha un alto tasso di recupero, può essere efficacemente decarbonizzata e ha un'elevata purezza.

La Figura 6-2 mostra un forno al plasma ad arco, dall'aspetto simile a quello di un normale forno ad arco, dotato di coperchio del forno 2, porta del forno 10, uscita dell'acciaio 4, dispositivo di agitazione elettromagnetica 5, pistola al plasma 1 e anodo di fondo 7. Per evitare l'inquinamento da gas, il forno al plasma può anche essere sigillato.

Le pistole sono composte da ugelli di rame raffreddati ad acqua e da catodi di cerio-tungsteno (o torio-tungsteno) raffreddati ad acqua. L'ugello è isolato dal catodo di cerio-tungsteno e lascia passare il gas argon. Il gas argon fluisce nel forno dalla parte superiore della pistola attraverso il manicotto della pistola e si ionizza in plasma. Il corpo della fornace è costituito da materiali refrattari e nella parte centrale del fondo della fornace è interrata una barra di grafite (o di acciaio-rame raffreddata ad acqua) che funge da anodo inferiore. Quando è alimentato, l'anodo inferiore è collegato al polo positivo dell'alimentazione CC.

A causa dell'alta temperatura e del calore concentrato dell'arco al plasma e della debole miscelazione causata da questo tipo di arco, il metallo nel bagno fuso può surriscaldarsi e talvolta si formano pezzi non fusi sul fondo del forno. Per garantire una sufficiente agitazione del metallo durante il processo di fusione e per rendere uniforme la temperatura e la composizione chimica del bagno fuso, sullo strato esterno del materiale refrattario sul fondo del forno sono installate due bobine di rame raffreddate ad acqua. La corrente di lavoro passa attraverso di esse per generare un campo magnetico e agitare il metallo fuso.

1 - Pistola al plasma; 2 - Anello di tenuta; 3 - Asta di alimentazione; 4 - Piscina di metallo fuso; 5 - Lingotto; 6 - Sistema di prelievo; 7 - Sistema di vuoto; 8 - Camera del forno; 9 - Alimentazione; 10 - Cristallizzatore.

Per i forni ad arco al plasma non sigillati, è necessario produrre una certa quantità di scorie per coprire la superficie del metallo fuso e prevenire l'ossidazione e l'assorbimento. In caso di desolforazione, si possono produrre scorie di forno alcaline e si può anche ricorrere all'operazione di sostituzione delle scorie per ottenere il contenuto di zolfo richiesto.

L'effetto di raffinazione del forno al plasma è molto significativo e può essere utilizzato per fondere diversi tipi di acciaio e leghe, come l'acciaio per utensili ad alta velocità, l'acciaio resistente al calore, l'acciaio per cuscinetti, l'acciaio inossidabile a bassissimo tenore di carbonio, le leghe di precisione e le leghe ad alta temperatura.

Oltre che per fondere l'acciaio legato, il forno al plasma può essere utilizzato anche per fondere le ferroleghe. Durante il processo di produzione dell'acciaio, quando il rottame d'acciaio viene fuso, l'irraggiamento del pool di metallo verso la parete del forno è maggiore, accelerando il danneggiamento dei materiali refrattari del rivestimento del forno. Per prolungare la durata del rivestimento del forno, alcuni forni elettrici ad arco vengono utilizzati solo come impianti di fusione e le attività di raffinazione del liquido siderurgico vengono svolte nella siviera.

Per riscaldare il liquido d'acciaio nella siviera, si è fatto riferimento al principio di funzionamento del forno al plasma ad arco e sono state sviluppate apparecchiature per il riscaldamento della siviera al plasma. Ad esempio, il dispositivo di riscaldamento secondario della siviera al plasma da 220 t costruito oggi negli Stati Uniti, il forno di riscaldamento della siviera al plasma da 150 t della Krupp Steel Works in Germania e il cannone al plasma in corrente alternata con una corrente di 12kA installato su questo forno per siviere.

6.2.3 Rifusione ad arco di plasma (PAR).

Il metodo di rifusione ad arco plasma è un metodo di fusione speciale che utilizza un arco plasma per fondere i metalli in un'atmosfera inerte o controllata. Può anche essere considerato un processo di rifusione del metallo. Durante il processo di rifusione, le gocce di metallo fuso attraversano lo strato di scorie e si solidificano nel cristallizzatore. Come la rifusione ad arco con elettrodi consumabili sotto vuoto e la rifusione a scoria elettrolitica, fonde e solidifica contemporaneamente, cioè la fusione e la colata del metallo avvengono simultaneamente. Il materiale metallico rifuso può essere in barre o in blocchi. Quando si utilizzano materiali in barre, l'arco di plasma colpisce direttamente il materiale in barre per fonderlo.

A seconda delle dimensioni del lingotto, la rifusione al plasma può essere eseguita con un'unica pistola o con più pistole. Per il funzionamento a pistola singola, la pistola al plasma è installata verticalmente al centro della camera del forno e l'asta di alimentazione si estende nella camera del forno dal foro di caricamento del materiale sul lato del corpo del forno (come mostrato nella Figura 6-3). Per il funzionamento a più pistole, l'asta di alimentazione si estende nel forno direttamente dall'alto e più pistole al plasma (da 4 a 6) sono disposte intorno all'asta di alimentazione e inclinate rispetto alla parete laterale del forno.

Quando si rifondono materiali in blocco, per fondere rapidamente e completamente la carica, questa deve essere aggiunta al centro della vasca fusa attraverso un imbuto. Il mantello del forno di rifusione ad arco plasma adotta solitamente una struttura a doppio strato in acciaio inox, con raffreddamento ad acqua al centro. Il cristallizzatore è posizionato al centro del fondo della camera del forno, un'estremità dell'alimentazione è collegata all'elettrodo della pistola al plasma e l'altra estremità è collegata alla piscina fusa attraverso il lingotto di metallo solidificato.

Prima della rifusione, il forno viene evacuato e il gas Ar viene utilizzato come gas di lavoro per la pistola al plasma. Durante il funzionamento, il gas viene introdotto nella camera del forno mentre il gas all'interno del forno viene pompato fuori e la pressione all'interno del forno viene mantenuta a un certo livello.

Rispetto ai forni ad arco plasma e ai forni ad induzione plasma, la differenza della rifusione al plasma è che utilizza cristallizzatori raffreddati ad acqua per fondere e solidificare simultaneamente il metallo. Grazie all'alta temperatura dell'arco al plasma, sulla superficie del metallo fuso si può formare una pozza di scorie e un sottile strato di guscio di scorie sulla superficie del lingotto, ottenendo una buona struttura di fusione. Durante il processo di rifusione, il metallo è protetto dai gas Ar, quindi le fluttuazioni della composizione chimica del metallo sono ridotte e il contenuto di gas e inclusioni non metalliche è basso. La quantità totale di inclusioni e il contenuto di ossigeno nell'acciaio rifuso al plasma sono secondi solo alla rifusione a fascio elettronico.

Attualmente, questo metodo di fusione può essere utilizzato per fondere acciai per cuscinetti, acciai strutturali legati, acciai resistenti alla corrosione, acciai legati contenenti azoto, metalli refrattari e loro leghe, acciai per stampi ad alta temperatura, leghe di precisione e metalli attivi.

7. Rifusione in forno a fascio di elettroni

7.1 Panoramica

La fusione a fascio di elettroni (EBM) è un metodo metallurgico che utilizza l'alta densità di energia di un fascio di elettroni per fondere i metalli bombardandoli con il calore. Questa tecnologia è stata applicata in vari campi, soprattutto per la fusione, la purificazione e il riciclaggio di metalli rari, metalli preziosi e metalli refrattari. Può essere utilizzata anche per produrre materiali semiconduttori e cristalli singoli di metalli refrattari e loro leghe.

La rifusione a fascio di elettroni (EBR) è un processo di raffinazione che utilizza un fascio di elettroni ad alta velocità emesso da un cannone elettronico come fonte di calore per raffinare i materiali metallici in condizioni di alto vuoto. L'energia cinetica del fascio di elettroni viene convertita in energia termica, che fonde e purifica il metallo. Il metallo fuso viene poi raffreddato in un cristallizzatore raffreddato ad acqua per formare gocce solidificate.

Poiché l'EBM è condotta in condizioni di alto vuoto, la temperatura di surriscaldamento è elevata e il tempo di mantenimento allo stato liquido è lungo, con conseguente efficace purificazione e raffinazione del metallo. Il processo è in grado di rimuovere impurità come il degasaggio, la disossidazione e le impurità volatili del metallo. Durante il processo di fusione dei lingotti, le impurità galleggiano in alto e si raccolgono nella parte superiore del lingotto, mentre i metalli ad alto punto di fusione si concentrano sulla superficie. Rimuovendo la parte superiore del lingotto e raffinando lo strato esterno, è possibile ottenere un lingotto metallico di elevata purezza. La Figura 7-1 mostra un diagramma schematico di un forno di fusione a fascio di elettroni.

1 - Pompa a diffusione d'olio; 2 - Pompa meccanica; 3 - Pompa a radici; 4 - Pavimento della fabbrica; 5 - Piattaforma operativa; 6 - Valvola di carico; 7 - Meccanismo di spinta dell'asta di carico; 8 - Asta di carico; 9 - Sistema di deviazione del fascio di elettroni; 10 - Cannone elettronico; 11 - Interfaccia di vuoto del cannone elettronico; 12 - Fascio di elettroni; 13 - Camera di fusione; 14 - Cristallizzatore; 15 - Base dello stampo per lingotti raffreddata ad acqua; 16 - Carrozza per lingotti; 17 - Meccanismo di traino; 18 - Telaio del meccanismo di traino;

Il processo di rifusione a fascio di elettroni è iniziato con la fusione di metalli refrattari come tantalio, niobio, afnio, tungsteno e molibdeno, ma ora si è esteso alla produzione di materiali semiconduttori, leghe magnetiche ad alte prestazioni e alcuni acciai speciali come l'acciaio per cuscinetti, l'acciaio inossidabile resistente alla corrosione e il ferro puro a bassissimo tenore di carbonio. Inoltre, il forno di rifusione a fascio di elettroni può essere utilizzato anche per fondere alcune leghe resistenti al calore, in particolare quelle contenenti tungsteno e molibdeno con niobio o tantalio come componente principale. Secondo quanto riportato, anche l'ex Unione Sovietica utilizzava forni di fusione a fascio di elettroni per fondere rame e nichel. Oltre che per la fusione di materiali metallici come l'acciaio e le leghe, la fusione a fascio di elettroni può essere utilizzata anche per fondere ceramica e vetro con proprietà diverse.

Le caratteristiche della tecnologia di fusione a fascio di elettroni possono essere riassunte come segue:

(1) Poiché la fusione a fascio di elettroni avviene in condizioni di vuoto, lo stato di fusione del materiale può essere controllato in qualsiasi momento, ottenendo così materiali refrattari di elevata purezza.

(2) L'elevata densità di energia del fascio di elettroni consente di regolare facilmente la densità di energia della superficie del bagno fuso controllando la convergenza e la divergenza del fascio, rendendo possibile la fusione di metalli refrattari.

(3) Il controllo dell'automazione è facilmente realizzabile, rendendolo sicuro e affidabile, soprattutto con l'applicazione delle moderne tecnologie informatiche, elettroniche e di automazione. In questo modo è più facile estrarre e ottenere materiali di elevata purezza dai materiali refrattari.

(4) La composizione chimica del materiale fuso può essere controllata con precisione, consentendo la produzione di metalli refrattari rari e di materiali metallici di elevata purezza che soddisfano requisiti di prestazione specifici.

Tuttavia, questo metodo di rifusione presenta alcuni svantaggi, come la bassa produttività, la struttura complessa delle apparecchiature, la necessità di utilizzare un'alimentazione in corrente continua ad alta tensione e gli elevati costi di investimento delle apparecchiature. Pertanto, questo metodo di fusione difficilmente diventerà il metodo principale di fusione speciale. Dal punto di vista dei costi di produzione, la rifusione a fascio di elettroni è la più elevata. Se il costo della produzione di acciaio speciale con i metodi di fusione ordinari è considerato pari a 1, i costi degli altri metodi di fusione per fondere la stessa capacità e lo stesso tipo di acciaio sono: 1,75 per la rifusione in forno elettrico, 2,03 per quella al plasma, 2,4 per quella sotto vuoto e 2,72 per quella a fascio elettronico.

7.2 Principi di base della rifusione a fascio di elettroni

Il principio di funzionamento della rifusione a fascio di elettroni è simile a quello di un diodo a vuoto, in cui il catodo e l'anodo sono collocati in una camera a vuoto e collegati rispettivamente ai poli negativo e positivo di un alimentatore CC. Quando il catodo viene riscaldato da un'altra fonte di energia, la temperatura aumenta e alcuni elettroni liberi nel materiale del catodo vengono eccitati ed emessi a causa del calore.

Se il catodo e l'anodo sono poi collegati a un'alimentazione a corrente continua di una certa tensione, gli elettroni eccitati sono sottoposti a un campo elettrico di una certa intensità e vengono accelerati e diretti verso l'anodo. Nel forno di rifusione a fascio di elettroni, gli elettroni in rapido movimento bombardano il materiale metallico anodico e l'energia cinetica degli elettroni viene convertita in energia termica sull'anodo, riscaldandolo e fondendolo. Il principio del processo di rifusione a fascio di elettroni è illustrato nella Figura 7-2.

7.3 Apparecchiature principali del forno di rifusione a fascio di elettroni

Il forno di rifusione a fascio di elettroni è composto da tre parti principali: il corpo del forno, il sistema di vuoto e il sistema elettrico. Il diagramma schematico dell'apparecchiatura di fusione è riportato nella Figura 7-3.

Sistema di generazione del fascio di elettroni; 2. Valvola a vuoto; 3. Sistema a vuoto; 4. Sistema di messa a fuoco e deflessione; 5. Camera di lavoro; 6. Pezzo in lavorazione; 7. Alimentazione ad alta tensione; 8. Alimentazione della lente magnetica; 9. Alimentazione della bobina di deflessione; 10. Sistema di controllo.

In questa sezione verranno presentate le parti principali del corpo del forno, con particolare attenzione al cannone elettronico. Inoltre, sono presenti anche la camera a vuoto, il cristallizzatore e il meccanismo di alimentazione e trazione.

7.3.1 Pistola a elettroni

Il cannone elettronico è un componente chiave per la generazione del fascio di elettroni nel forno di rifusione a fascio elettronico. Ha diverse forme strutturali, come il cannone assiale, il cannone trasversale e il cannone anulare. Attualmente, il cannone assiale è il più utilizzato.

La forma esterna del cannone assiale è simile a un cilindro, mentre la sua struttura interna è illustrata nella Figura 7-4. Il diagramma di principio e il modello di simulazione tridimensionale del cannone elettronico sono mostrati rispettivamente nelle Figure 7-5 e 7-6. Il fascio di elettroni viene emesso dal catodo a blocchi, accelerato dall'anodo, focalizzato dal focalizzatore. Il fascio di elettroni viene emesso dal catodo a blocchi, accelerato dall'anodo, focalizzato dalla bobina di focalizzazione e diretto verso il metallo riscaldato a velocità molto elevata sotto il controllo della bobina di deflessione, fondendo così il metallo.

Il cannone elettronico è composto dall'elemento di emissione del fascio di elettroni, dal catodo di formazione del fascio, dall'anodo di accelerazione, dal collettore di ioni, dal sistema di focalizzazione del fascio di elettroni e dal sistema di deviazione del fascio di elettroni. L'elemento di emissione del fascio di elettroni è costituito da un catodo riscaldante 3 e da un catodo emettitore 4.

Il catodo riscaldante è costituito da un filo di tungsteno avvolto a doppia spirale. Quando una corrente alternata di 40-50 A (tensione di 5 V) passa attraverso il filo di tungsteno, questo può essere riscaldato a circa 2800℃. La tensione tra il catodo di riscaldamento e il catodo di emissione è di 1500 V CC, in cui gli elettroni termici emettono dal filo di tungsteno e colpiscono il catodo di emissione sotto il campo elettrico.

1. Pentola isolante in ceramica; 2. Porta di pompaggio del vuoto; 3. Filamento; 4. Catodo di blocco; 5. Anodo di accelerazione; 6. Ingresso/uscita dell'acqua di raffreddamento; 7,9. Bobina di messa a fuoco Bobina di focalizzazione; 8. Fascio di elettroni; 10. Tubo guida; 11. Bobina di deflessione.

1. Alimentazione del riscaldamento del filamento; 2. Filamento; 3. Alimentazione della bobina di deflessione; 4. Alimentazione della tensione di accelerazione; 5. Alimentazione della bobina di focalizzazione; 6. Fascio di elettroni; 7. Bobina di focalizzazione; 8. Anodo (Terra); 9. Catodo. Fascio di elettroni; 7. Bobina di focalizzazione; 8. Anodo (terra); 9. Catodo.

1. Supporto del piombo; 2. Sistema di generazione del fascio di elettroni; 3. Connettore a T; 4,5. Prima e seconda lente magnetica; 6. Valvola a vuoto; 7. Sistema di deflessione magnetica. Prima e seconda lente magnetica; 6. Valvola a vuoto; 7. Sistema di deflessione magnetica.

7.3.2 Cristallizzatore

Il cristallizzatore del forno a fascio elettronico è simile a quello del forno ad arco sottovuoto, realizzato in rame viola e raffreddato ad acqua. Il fondo del cristallizzatore è di due tipi: fisso e mobile (usato per tirare i lingotti). Inoltre, la sezione trasversale della cavità interna del cristallizzatore può essere realizzata in forma di cerchio, anello o rettangolo in base alle diverse esigenze del prodotto metallico.

7.3.3 Dispositivo di alimentazione

Il forno a fascio di elettroni è un tipo di apparecchiatura che fonde e solidifica allo stesso tempo. Quando la barra di metallo viene fusa in modo continuo, la barra non fusa deve essere spinta immediatamente nell'area di bombardamento del fascio di elettroni. Il meccanismo di alimentazione è per lo più azionato da una trasmissione meccanica. Esistono due tipi di dispositivi di alimentazione: longitudinale e trasversale; esiste anche un tipo trasversale con alimentazione alternata su due lati.

7.3.4 Meccanismo di trazione

Per il cristallizzatore con fondo mobile, è necessario installare un meccanismo di trazione. Infatti, quando il metallo nel cristallizzatore continua a solidificarsi, il lingotto di metallo già solidificato deve essere continuamente tirato verso il basso per mantenere una certa altezza della vasca fusa. Il meccanismo di trazione del forno a fascio di elettroni può adottare una trasmissione meccanica o trasmissione idraulica.

7.4 Processo di rifusione a fascio di elettroni e sue caratteristiche metallurgiche

7.4.1 Processo di rifusione a fascio di elettroni

(1) Prima di avviare il forno, è necessario ispezionare attentamente tutte le parti del forno per evitare incidenti o manutenzioni a caldo causate da pericoli nascosti nell'apparecchiatura. D'altra parte, è necessario preparare i materiali da rifondere nel forno.

(2) Prima della fusione, installare il cristallizzatore e il materiale della barra, quindi sigillare il forno ed evacuare. Quando il grado di vuoto nel forno raggiunge (1~3)×10mmHg (0,00133~0,00399Pa), iniziare a riscaldare il catodo e contemporaneamente raffreddare con acqua.

(3) All'inizio la potenza non deve essere troppo elevata. Aumentare gradualmente la potenza quando nel cristallizzatore è presente una certa quantità di metallo liquido e la piscina di metallo ha una certa profondità, raggiungendo il normale tasso di fusione.

(4) Durante il processo di rifusione, occorre prestare particolare attenzione per evitare che il fascio di elettroni colpisca la parete del cristallizzatore e la danneggi, causando incidenti. Durante il processo di rifusione, i tempi di estrazione devono essere determinati in base al livello di liquido della piscina di metallo, prestando attenzione anche al coordinamento tra la velocità di estrazione e la velocità di fusione del metallo.

7.4.2 Caratteristiche metallurgiche della rifusione a fascio di elettroni

Il metodo di rifusione a fascio elettronico è un metodo di fusione che purifica e raffina l'acciaio o le leghe in condizioni di alto vuoto e alta temperatura. Rispetto ad altri metodi di fusione speciali per acciaio e leghe, presenta le seguenti caratteristiche:

(1) La rifusione a fascio di elettroni viene eseguita in condizioni di vuoto molto elevato (fino a ~0,00133Pa). Il grado di vuoto è molto più elevato rispetto al forno a induzione e al forno ad arco sottovuoto. Pertanto, è molto più completo e approfondito nella rimozione di gas, inclusioni non metalliche e alcuni elementi nocivi dai metalli, e il tasso di purificazione e di reazione di raffinazione è più elevato rispetto ad altri forni a vuoto.

(2) Durante il processo di rifusione, è possibile regolare separatamente la potenza di fusione dei materiali del forno e la potenza di riscaldamento del bagno fuso. Pertanto, quando il tasso di fusione cambia, è possibile mantenere la temperatura richiesta del bagno fuso.

(3) Poiché il fascio di elettroni rilasciato sull'anodo ha un'energia molto elevata, il bagno di fusione del metallo può raggiungere una temperatura molto elevata (la temperatura superficiale del bagno di fusione può raggiungere i 1850℃). Ciò non solo favorisce la reazione di purificazione durante il processo di rifusione, ma è anche applicabile alla fusione di metalli ad alto punto di fusione come tantalio, niobio, tungsteno e molibdeno.

(4) La controllabilità del fascio di elettroni è buona, per cui la posizione di riscaldamento del bagno fuso può essere controllata mediante il controllo del fascio di elettroni, garantendo così una distribuzione uniforme della temperatura del bagno fuso. Ciò consente di ottenere lingotti metallici con una qualità superficiale e una struttura cristallina eccellenti.

(5) Il forno a fascio di elettroni non solo può fondere materiali in barre, ma può anche essere progettato per fondere materiali metallici in blocchi, trucioli o polveri.

7.5 Effetto della rifusione a fascio di elettroni

I materiali rifusi con fascio di elettroni hanno un'elevata qualità e possono ridurre il contenuto di elementi a basso punto di fusione e facilmente evaporabili a un livello molto basso. Può essere utilizzato per la fusione e la purificazione dei seguenti metalli: produzione di lingotti di titanio e nichel per la lavorazione a freddo con superficie liscia e sufficiente plasticità; produzione di lingotti di tungsteno e molibdeno della massima purezza; rispetto al piombo fuso con forno ad arco sotto vuoto, il piombo rifuso ha una purezza superiore, che può essere utilizzata per i componenti di controllo dei reattori nucleari sottomarini; i lingotti di vanadio raffinati possono essere utilizzati per la produzione di parti di reattori nucleari sottomarini.

Il vantaggio principale della fusione a fascio di elettroni per l'acciaio è che riduce notevolmente le impurità metalliche e non metalliche e gli elementi di impurità. La fusione a flusso continuo o la raffinazione a letto freddo di acciai speciali e leghe super resistenti al calore possono ridurre notevolmente i costi di produzione.

7.5.1 Rimozione di gas e inclusioni nei metalli

La caratteristica principale della fusione a fascio di elettroni è che può mantenere un alto vuoto, un'alta temperatura e un metallo liquido per lungo tempo. Pertanto, è molto utile per rimuovere gas, elementi impuri e i loro ossidi a bassa valenza. Attraverso esperimenti su diversi materiali, è stato inoltre dimostrato che il materiale ottenuto dopo la rifusione a fascio di elettroni ha la massima purezza, che può migliorare notevolmente le prestazioni dei metalli. Il metodo di rifusione a fascio di elettroni non solo ha una buona capacità di degassificazione per le leghe, ma anche per i metalli puri. Per alcuni metalli speciali, è possibile ottenere una purezza ancora più elevata attraverso metodi di rifusione multipli.

Il contenuto di gas nel metallo dopo la rifusione è legato al numero di rifusioni e al tempo di ciascuna rifusione. Più lungo è il tempo di rifusione, minore è il contenuto di ossigeno e azoto nel metallo. Tuttavia, prolungare il tempo di rifusione significa ridurre il tasso di fusione, con conseguente diminuzione del tasso di produzione e aumento dei costi di produzione.

Il metodo di rifusione a fascio di elettroni ha anche un effetto ideale sulla rimozione delle inclusioni non metalliche dai metalli.

7.5.2 Miglioramento delle proprietà dei metalli

Grazie alla capacità della rifusione a fascio elettronico di ridurre significativamente il contenuto di gas e inclusioni nei metalli e di migliorare le condizioni di solidificazione, le proprietà dei metalli rifusi sono notevolmente migliorate. Secondo quanto riportato, dopo la rifusione a fascio di elettroni, il contenuto di azoto, idrogeno e ossigeno nelle leghe resistenti al calore si riduce rispettivamente di 60-70%, 40-50% e 70-80%, migliorando notevolmente le prestazioni della lega. Nella rifusione dell'acciaio strutturale a fascio di elettroni, rispetto ai metodi di fusione ordinari, l'allungamento del materiale è aumentato di 35%, il ritiro trasversale è aumentato di 65% e il coefficiente isotropico è aumentato da 0,6 a 0,9.

8. Confronto e selezione dei processi di fusione

8.1 Processo tipico di fusione delle leghe di espansione

La lega a espansione si riferisce a un tipo di lega sigillata con vetro o materiali ceramici. In Cina esistono 29 gradi e varie specifiche di questo tipo di lega. Le leghe principali per la sigillatura con il vetro sono 4J29, 4J49, 4J52, 4J54 e 4J6, mentre le leghe principali per la sigillatura con la ceramica sono 4J33 e 4J34.

Tra queste, la 4J29 appartiene a una lega a espansione fissa, con un determinato coefficiente di espansione lineare compreso tra -60℃ e +400℃. Viene utilizzata per abbinare e sigillare il vetro duro ed è ampiamente utilizzata come materiale strutturale di tenuta nell'industria del vuoto elettrico. Il suo utilizzo è relativamente ampio, con una domanda interna che raggiunge le centinaia di tonnellate all'anno e il principale metodo di fornitura dei prodotti è rappresentato dalle strisce.

Il 4J36 è una lega a bassa espansione, con un coefficiente di espansione molto basso nell'intervallo tra 0℃ e +100℃ e tra -60℃ e +100℃. Viene utilizzato per la produzione di componenti con dimensioni approssimativamente costanti nell'ambito delle variazioni di temperatura ed è ampiamente utilizzato in settori quali la radio, gli strumenti di precisione, la strumentazione e altri.

8.1.1 Norme pertinenti per le leghe di espansione

I requisiti di composizione e i relativi indicatori per alcuni gradi di leghe di espansione sono riportati nelle Tabelle 8-1, 8-2, 8-3 e 8-4.

Tabella 8-1 Requisiti per la composizione della lega di espansione

Tabella 8-2 Requisiti di composizione per la lega 4J36

Tabella 8-3 Relazione tra permeabilità e temperatura della lega 4J36

Tabella 8-4 Proprietà meccaniche della lega 4J36 a temperatura ambiente

8.1.2 Raffinazione della lega di espansione 4J36

Le forme di prodotto della lega di espansione comprendono principalmente fili, nastri, tubi e barre tonde. La forma più diffusa è il nastro e le principali attrezzature utilizzate per la produzione comprendono forni elettrici, magli per la forgiatura (3-5t), mulini a lastre, forni di ricottura, macchine per la raddrizzatura, rettificatrici, saldatura ad arco di argon, laminatoi a freddo a quattro rulli (multi-rotolo), forni di ricottura continua, attrezzature per il trattamento superficiale, ecc.

8.2 Processi tipici di fusione di leghe magnetiche morbide

Dalla scoperta iniziale delle leghe ferro-nichel nel XIX secolo alle successive serie di studi sperimentali del XX secolo, nonché all'uso della raffinazione sotto vuoto, le proprietà delle leghe sono state notevolmente migliorate. Con l'approfondimento della ricerca e le esigenze delle applicazioni pratiche, ai sistemi binari sono stati aggiunti altri elementi come il molibdeno, il rame e il cromo, creando così una serie di materiali come la famosa lega super-Invar, la lega rame-permallo con una maggiore permeabilità iniziale e la lega cromo-nichel-ferro con una maggiore resistività elettrica. Due parametri fondamentali sono: la costante di anisotropia del cristallo magnetico K e la costante di magnetostrizione λ, che determinano il processo tecnico di magnetizzazione e le proprietà magnetiche della lega.

Leghe magnetiche morbide ferro-nichel. Le caratteristiche di queste leghe includono principalmente: alta permeabilità e forza coercitiva molto ridotta in campi magnetici deboli (o medi); buone prestazioni di lavorazione, possono essere trasformate in dispositivi di forma complessa; buona resistenza alla ruggine; alcuni materiali hanno proprietà magnetiche speciali dopo una lavorazione specifica, come anelli di isteresi rettangolari, magnetismo residuo molto basso o permeabilità costante in un intervallo considerevole di campi magnetici.

8.2.1 Composizione chimica delle leghe rilevanti

La Tabella 8-5 mostra i requisiti di composizione chimica di alcune tipiche leghe magnetiche morbide.

Tabella 8-5 Composizione chimica (%) delle leghe magnetiche dolci

8.2.2 Caratteristiche delle prestazioni della lega magnetica morbida 1J86

La lega 1J86 contiene principalmente 81% di nichel e 6% di molibdeno. Questa lega ha un μi più alto e un Hc più basso rispetto a 1J77 e 1J85, e il suo valore μm è vicino a loro. Poiché la lega contiene molibdeno 6%, la resistività è più elevata, il che migliora le prestazioni magnetiche alle alte frequenze. Per ottenere proprietà magnetiche statiche più elevate, alla lega non vengono aggiunti silicio e manganese, poiché la loro influenza sulle proprietà magnetiche è meno significativa di quella di nichel e molibdeno. L'aggiunta di manganese 1% e di una piccola quantità di silicio alla lega ha lo scopo di migliorare la stabilità alla temperatura e la lavorabilità a caldo della lega.

8.3 Processo di fusione di leghe ad alta temperatura

8.3.1 Composizione chimica delle leghe rilevanti

La Tabella 8-6 mostra la composizione chimica richiesta per alcune leghe tipiche per alte temperature.

8.3.2 Processo di fusione di leghe ad alta temperatura

Per garantire che le leghe per alte temperature abbiano le proprietà richieste di resistenza alle alte temperature e alla corrosione, la lega deve avere una certa composizione chimica, purezza e microstruttura appropriata, e la composizione e la purezza della lega dipendono dalla tecnologia di fusione. Pertanto, il processo di fusione è un anello fondamentale nel processo di produzione delle leghe ad alta temperatura.

A causa dell'elevato grado di lega, le leghe ad alta temperatura contengono una grande quantità di elementi pesanti come tungsteno, molibdeno, niobio, cromo, oltre a elementi facilmente ossidabili come alluminio, titanio e boro. Queste caratteristiche fanno sì che le leghe ad alta temperatura abbiano requisiti rigorosi per i processi di fusione e che in genere utilizzino la fusione sotto vuoto. Attualmente, la maggior parte delle leghe viene fusa in forni a induzione sottovuoto o in forni a induzione atmosferica, per poi essere sottoposta a rifusione in forno a vuoto consumabile o a scoria elettrolitica per migliorarne la purezza e ottenere una buona microstruttura e proprietà.

Le apparecchiature nazionali ed estere per la fusione di leghe ad alta temperatura comprendono forni ad arco, forni a induzione, forni a induzione sottovuoto, forni ad arco sottovuoto e forni a elettrolag. Inoltre, vi sono forni a fascio di elettroni e forni al plasma.

Nei molti anni di produzione cinese, l'esplorazione e lo sviluppo continui hanno portato a varie combinazioni di metodi di fusione, dall'iniziale fusione in forno ad arco all'attuale processo di fusione, come mostrato nella Tabella 8-7.

Tabella 8-7 Percorso di processo per la fusione di leghe ad alta temperatura tipiche a base di Ni e di Fe

8.3.3 Selezione dei percorsi del processo metallurgico

Per la fusione speciale, esistono molte opzioni comuni per gli schemi di flusso del processo. Si può utilizzare un singolo metodo di fusione per fondere direttamente, oppure adottare un processo doppio o triplo. Lo schema di processo appropriato deve essere scelto in base alla varietà e alla qualità della fusione. I vantaggi e gli svantaggi dei diversi metodi di fusione devono essere considerati in modo esaustivo sotto aspetti quali il consumo energetico, l'investimento in attrezzature, gli indicatori tecnici ed economici e la qualità della fusione.

Tabella 8-8 Flussi comuni del processo di fusione speciale