کوره القایی ذوب در خلاء

فرایند ذوب القایی تحت خلأ یکی ازروش های معمول در متالورژی ثانویه است که برای تولید آلیاژهای تمیز با کیفیت شیمیایی دقیق وخلوص بالا مورد استفاده قرارمی گیرد. شماتیک مراحل تولید در کوره ذوب القایی خلأ (VIM)در شکل 1 مشاهده می شود.
اولین کوره VIM در سال 1920 توسط Rohn با ظرفیت 300 کیلوگرم و خلأ torr5-2 برای ذوب آلیاژ های نیکل کروم ساخته شد.
در سال 1926 کوره های VIM با ظرفیت 40 تن ساخته شدند. نیاز به آلیاژهای مستحکم در جنگ جهانی دوم سبب رشد سرع این نکنولوژی شد. امروزه در این کوره ها تا ظرفیت 100 تن ذوب صورت می گیرد و همچنین دستگاه های جدیدتر از اتوماسیون و کنترل بهتری برخوردار هستند.
 بسته به نوع کاربرد، طرح های مختلفی از VIM وجود دارد. این کوره ها به طور کلی در انواع یک و دو محفظه ای ساخته می شوند. درشکل2 شماتیک کوره VIM نشان داده شده است. ظرفیت این کوره ها ازچند کیلوگرم برای کاربرد های آزمایشگاهی تا ١٠٠ تن برای مصارف صنعتی متغیر می باشد.
در روش ذوب القایی تحت خلأ واکنش عناصر آلیاژی فعال با اتمسفر حداقل شده، امکان کنترل دقیق ترکیب شیمیایی و رسیدن به خلوص بالا فراهم می شود. این فرایند بطورعمده برای تولید سوپرآلیاژها و فولاد های تمیز و برخی فلزات و آلیاژهای غیرآهنی فعال مورد استفاده قرارمی گیرد.


شکل 1: شماتیک مراحل تولید در کوره القایی ذوب خلأ
 
شکل 2: شماتیک کوره ذوب القایی خلأ (1- کوره ساکن 2- سیستم تخلیه خلأ 3- محفظه باردهی بزرگ 4- محفظه شارژ کوچک 5- قفسه کنترل 6- محفظه مذاب 7- صفحه چرخشی قالب)

در روش ذوب القایی تحت خلأ عملیات ذوب، آلیاژ سازی و ریخته گری در محفظه خلأ انجام می گیرد که در آن جهت ذوب از القای مغناطیسی استفاده می گردد. عملیات ذوب و ریخته گری معمولا تحت خلأ انجام می گیرد که برای تخلیه محفظه  از ترکیب مناسبی از پمپ های مکانیکی و نفوذی استفاده می شود.
 توان مصرفی این کوره ها از 30 کیلووات برای کوره های چند کیلویی تا حدود 7000 کیلووات برای کوره های بالای 30 تن می باشد. عملیات ذوب در بوته نسوز  و در داخل کویل مسی آبگرد انجام می شود. بوته معمولا از نسوزها ی سرامیکی است که به دو صورت جرم کوبیدنی و یا بوته پیش ساخته تهیه می شوند.
روش ذوب بدین ترتیب است که ابتدا محفظه تا فشار پایین خلأ شده و پس از بررسی میزان نشستی، شارژ گرم می شود. با گرم شدن شارژ و ذوب شدن آن در اثر خروج گاز و ایجاد بخارات فلزی، فشار افزایش پیدا می کند. تثبیت فشار محفظه در ادامه عملیات نشان دهنده پایان مرحله گاززدایی و تصفیه شدن ذوب می باشد.

ساختمان کوره VIM
کوره های  VIM همانند سایر کوره های القایی هستند. با این تفاوت که دارای سیستم کنترل دقیق تر، سیستم ایجاد خلأ، سیستم دمش گاز آرگون و سیم پیچ های اضافی هستند.
1-سیستم کنترل:
سیستم های کنترل VIM دارای ترموکوپل ها، فشارسنج و گیج های اندازه گیری ضخامت نسوزها هستند.
2-سیستم ایجاد خلأ
بیشینه ی خلأ قابل دسترسی در این کوره ها   mbar5-10- 6-10  است.  مکانیزم ایجاد خلأ بدین ترتیب است که ابتدا پمپ با توان کمتر، ایجاد خلأ کرده و سپس پمپ های قوی تر مورد استفاده قرار می گیرند.
پمپ روغنی گردشی که بطور خلاصه به پمپ گردشی یا روتاری موسوم هستند، پراستفاده ترین وسایل برای ایجاد خلأ پایین و متوسط می باشند. با هر گردش هسته ی دوار مرکزی، قسمتی از ذرات موجود در پمپ متراکم و در پشت بطن خروجی جمع می شوند. وقتی فشار طرف درونی بطن خروجی بیش از فشار طرف دیگر باشد، دریچه باز شده و ذرات متراکم  خارج رانده می شوند.
 گستره عمل پمپ های روتس در فاصله torr1-10- 2-10 قرار دارد.  عیب این پمپ ها این است که نیاز به پیش خلأ دارند، همچنین فشار آن چنان پایینی هم ایجاد نمی کنند. از محاسن این پمپ ها می توان به سرعت تخلیه بالای آن ها اشاره کرد، که در این حالت باید پمپ دیگری نیز برای جلوگیری از افزایش فشار وجود داشته باشد.
شاخصترین و پرمصرف ترین نوع پمپ برای ایجاد خلأ بالا، پمپ روغنی انتشاری یا نفوذی است. قسمت پایین دستگاه با روغن پوشانده و به وسیله یک سیم پیچ حرارت داده می شود. جدار قسمت بالایی پمپ توسط آب خنک می شود.  روغن تبخیر شده از میان استوانه ی هم مرکز به بالا صعود کرده و از روزنه های تعبیه شده با فشار به  بیرون استوانه هم مرکز رانده می شود. ذره های موجود در پمپ، در اثر برخورد با ذرات روغن و چسبیدن به آن ها به سمت پایین رانده شده و به جداره برخورد می کنند. به علت سرد بودن جداره پمپ، ذرات روغن بخار(به خصوص مقدار ناچیزی که به سمت بالا نشر کرده است)جذب جدار درونی پمپ شده و به حالت مایع درآمده و به پایین پمپ رانده می شوند و در آنجا، ذرات هوا توسط پمپ
روتاری تخلیه می شود. اغلب برای بالا بردن توان ایجاد خلأ توسط این نوع پمپ ها، در قسمت فوقانی آن ها ظرف محتوی ازت مایع تعبیه شده و بدین ترتیب از نفوذ و نشر معکوس ذره های روغن به داخل محیط خلأ جلوگیری می شود.

تلاطم حمام مذاب
تلاطم حمام مذاب با استفاده از کویل های این کوره انجام می گیرد. که شدت این تلاطم وابسته به جریان ورودی به کوره و همچنین فرکانس کاری کوره می باشد. این تلاطم ایجاد شده توسط سیم پیچ ها در واقع به حجم های کم مذاب محدود می شود. با توجه به موارد فوق معمولاً جهت ایجاد تلاطم از سیستم تلاطمی دو گانه استفاده  به عمل می آید؛ در این صورت یکی و یا هر دوی تجهیزات زیر مورد استفاده قرار می گیرند:
الف- تلاطم الکترومغناطیسی با استفاده از سیم پیچ های اضافی
ب- تلاطم به وسیله آرگون دهی از قسمت پایینی کوره.
تفاوت تلاطم الکترومغناطیسی  ایجاد شده توسط سیم پیچ های اصلی با تلاطم ایجاد شده با کمک گرفتن از سیم پیچ های اضافی در این است که در روش دوم گردش و تلاطم حمام مذاب را در فرکانس 5٠ تا 6  هرتز، بدون افزایش دما می توان حاصل نمود.در نتیجه معمولا از ترانسفورماتورهای ثانویه استفاده به عمل می آید.
گاززدایی نیز با استفاده از تجهیزات مناسب، ایجاد تلاطم حمام مذاب را بهبود می بخشد. معروفترین این حالت استفاده از آرگون در متالورژی پاتیلی است. گرچه تلاطم می تواند فقط توسط سیم پیچ های القایی با جریان ورودی بالا انجام شود و نتیجتا دمای کاری مذاب بالا برود، اما این افزایش دما تا حد زیاد، معمولا از نظر متالورژیکی مناسب نمی باشد. آرگون دهی یک تاریخ طولانی را در استفاده در کوره های القایی روباز دارد. یک ویژگی این کار این است که توپی متخلخل در تماس مستقیم با فلز مذاب نیست. درعوض، توپی با مواد نسوز به طور یکسانی پوشش داده شده است که آن برای آستر کشی کوره هاا استفاده می شود. یک پیشرفت جدید که تفاوت اساسی دارد، در تماس توپی متخلخل با فلز مذاب می باشد که این امر قابل استفاده شدن برای عملیات تحت خلا را موجب می شود. این اطمینان می دهد که گازهای ورودی اضافه شده، از میان مذاب جریان یافته و قسمت هایی با استحکام کم را در طول مسیر از طریق آستر کوره سبب نمی شوند. شکل 3 سیستم آرگون دهی کوره VIM را به صورت شماتیک نشان می دهد.

شکل 3: سیستم آرگون دهی کورهVIM

هر دو فرآیند پیشنهادی ایجاد تلاطم، در صورتی دارای مزیت و عمل کافی هستند که ملاحظات: تنظمیم درست درجه حرارت، یکنواخت سازی همراه با  بهبود دادن فرسایش آستر کوره و تمیز کازی بهتر مذاب برای میزان عملکرد آن ها لحاظ شود. روش ایجاد تلاطم را در یک نوع فرآیند ٢٠٠ تا 6٠٠ هرتز و در فاز مذاب به کاهش زمان ذوب کمک می کند. به منظور ریزدانگی و وجود فوق ذوب برای مدت زمان طولانی، بهتر است که از تلاطم مغناطیسی در 5٠ تا 6٠ هرتز و یا آرگون دهی از طریق توپی متخلخل برای ایجاد تلاطم استفاده شود.
لزوم دستیابی به مذابی با کیفیت بالا استفاده از عملیات کیفی مذاب را ضروری می سازد. در عملیات کوره های کیفی و خصوصا اعمال اکسیژن زدایی، نیتروژن زدایی، هیدروژن زدایی، گوگرد زدایی و آخال زدایی در تولید فولادها و آلیاژهای تمیز اهمیت ویژه ای دارند. لذا در ادامه به بررسی تک تک این فرآیندها می پردازیم.
1-نیتروژن زدایی
چنانچه ترکیبات نیترید زای قوی در مذاب کم باشد مشکلی برای کاهش این گاز، حتی تا مقادیر کمتر از ppm ٢٠ وجود نخواهد داشت. اما اگر نیتریدزاهای قوی چون  Li، V، Ti،Cr،Al  در مذاب موجود باشند عمل زدایش نیتروژن و حذف آن به کندی و نیز به سختی صورت می گیرد علت این امر در تجزیه شوندگی ضعیف ترکیبات نیتروژن و عناصر فوق الذکر نهفته است. نتیجتا اولین چاره برای کاهش و زدایش نیتروژن، جلوگیری از ورود و واکنش نیترید سازهای فوق به مذاب می باشد. شکل 4 نمودار کاهش مقادیر نیتروژن یک فولاد ابزار را در ذوب تحت خلأ نشان می دهد.  طبق این نمودار در مراحل آغازین عملیات نیتروژن زدایی، مقادیر متوسط نیتروژن در حدود ppm 400 می باشد که این مقدار پس از مدتی به  ppm 50 کاهش می یابد. نکته مهم در این نمودار تاثیر کم آرگون دهی بر کاهش نیتروژن می باشد.  این امر را می توان با مقایسه خطوط مربوط به مراحل قبل و پس از پاکسازی با آرگون مشاهده نمود. نتیجتا استفاده از آرگون تزریقی به مذاب خصوصا در مواردی که آلیاژ ذوب بر پایه آهن- نیکل باشد، محدود بوده واغلب مورد استفاده قرار نمی گیرد.

شکل 4: کاهش نیتروژن فولاد آلیاژی در VIM

٢- اکسیژن زدایی
از نظر تئوری، اکسیژن موجود در مذاب آلیاژهای آهن- نیکل در دمای 1600 درجه سانتی گراد فشار 1/0 پاسکال باید ppm 1 باشد. این مقدار در عمل بسیار بیشتر و در حدود ppm 20-2 می باشد. علت این امر ناشی از عوامل خارجی نظیر وجود  لایه های اکسیدی و ناخالصی های همراه شارژ، مواد نسوز بوته و هوای محبوس داخل خلل و فرج بوته و همچنین نشت احتمالی  هوا به داخل کوره می باشد. اکسیژن اضافی موجود در مذاب را از طریق واکنش مونوکسید کربن خارج می سازند. در این حین علاوه بر زدایش اکسیژن نوعی کربن زدایی نیز صورت می گیرد.
مقدار کاهش کربن و اکسیژن به فشار گاز مونوکسیدکربن  خروجی بستگی دارد. کاهش فشارگاز  مونوکسیدکربن خروجی بیانگر تحصیل  کربن زدایی و اکسیژن زدایی بهتر است.  
واکنش اکسیژن زدایی در دو مرحله صورت می گیرد:
١ – مرحله جوشیدن و غلیان: در طول مرحله اول ذوب شدن، حباب های مونوکسید کربن بطور غیر همگن در فصل مشترک گاز – مذاب جوانه زده و تشکیل می شوند. پس از مراحل فوق حباب ها از یکدیگر جدا شده و از مذاب بالا می آیند این عمل موجب جوشیدن مذاب وحتی پاشش آن به بیرون از بوته می شود.
 ٢ – اگر فشار مونوکسید کربن در حد جوانه زنی حباب نباشد،تشکیل مونوکسید کربن درسطح مذاب در اثر جذب توسط خلا و نیز با مکانیزم جوانه زنی ناهمگن انجام می گیرد. پس از تشکیل حباب عمل رشد آن ها شروع شده که سرعت این عمل به عوامل زیر بستگی دارد:
١- حد اشباع مونوکسید کربن ٢- کاهش فشار فرو استاتیکی ٣- زمان به سطح رسیدن حباب 4- فشار کلی محفظه.
علاوه بر نیتروژن زدایی و اکسیژن زدایی عملیات گوگردزدایی،هیدروژن زدایی و آخال زدایی نیز در این کوره ها انجام می شود.

 
مزایای VIM:
مهمترین مزایای VIM به طور خلاصه عبارتند از:
١- انعطاف پذیری و قابلیت تطبیق با ظرفیت های کوچک
٢- سهولت تغییر برنامه ی تولید فولادها و آلیاژهای دیگر
٣- کاربری آسان
4- کاهش موثر اتلاف عناصر آلیاژی
5- امکان تهیه ترکیبات با دقت بالا
6- کنترل دقیق درجه حرارت
٧- کاهش اساسی آلودگی محیط زیست
٨- حذف ناخالصی های فرار
٩- حذف گازهای محلول

  محدودیت های VIM:
این روش با وجود داشتن برتری های قابل توجهی نسبت به دیگر روشهای،دارای محدودیت هایی نیز است که دایره فعالیت این کوره ها را محدود می نماید. در میان این مشکلات می توان به دو مشکل حادتر پرداخت که در زیر به آن ها اشاره شده است.
١-جدایش های ساختار انجمادی:
جدایش عناصر حل شونده در مقیاس میکروسکوپی و ماکروسکوپی در حین انجماد وجود دارد. در اثر انجماد، ساختار با دانه های بزرگ و غیر یکنواخت و همچنین حفره های انقباضی بزرگ بوجود می آید و لذا نیاز به ذوب مجدد در قالب های مسی آبگرد دارد که با روش های VAR &ESR صورت می گیرد.
٢-واکنش مذاب با مواد نسوز:
آلودگی مذاب در اثر واکنش عناصر آلیاژی با اکسیدهای نسوز و امکان ورود آخال ها به مذاب وجود دارد.