Индукционный тигель с холодными стенками — технология плавки металлов

Индукционный тигель с холодными стенками - технология плавки металлов

Реакционно-способные (химически активные), а также тугоплавкие металлы, подобные титану, танталу, ниобию, молибдену, невозможно плавить внутри тиглей из керамики или графита, сохраняя высокую чистоту сплава. Химические реакции с материалом таких тиглей образуют примеси в расплаве. Эти примеси способствуют характерной деградации металлов при последующем использовании. Например, плавка титана (сплавов) внутри тигля на основе оксидной керамики сопровождается поглощением кислорода из материала, что приводит к охрупчиванию металла. Между тем от нежелательных примесей помогает избавляться технология индукционный тигель с холодными стенками, применяемая к работе по тугоплавким (химически активным) металлам. Рассмотрим эту технологию подробнее.

Конструкция индукционного тигля с холодными стенками

Здесь используется медный тигель индукционным нагревом и водяным охлаждением, содержащий расплав металла (картинка ниже). На границе контакта металлического расплава и стенки тигля тепло резко отбирается от расплава, за счёт чего образуется твёрдый металлический слой — барьер между стенкой тигля и металлическим расплавом.

Промежуточный слой исключает непосредственный контакт рабочего металла с материалом тигля, предотвращает ход химической реакции. Соответственно, исключается диффузия примесных элементов. Таким образом, тугоплавкие металлы успешно обрабатываются установкой подобного типа без нарушения чистоты расплава.

НАБОР 1000 ВТ

Индукционный тигель с холодными стенками сегментированный
Примерно такой выглядит конструкция палисада тигля (сегментированная), благодаря которой удаётся осуществлять работу с тугоплавкими металлами без потерь чистоты сплава

Плавление металлов внутри тиглей с холодными стенками представляет собой особый вид нагрева электропроводящих материалов переменными электрическими полями. Согласно теории Ампера, электрический ток, следующий по виткам индукционной катушки, создаёт магнитное поле, действующее на электрический проводник. В данном случае проводник, — это холодная стенка медного тигля, помещаемого во внутренней области катушки индуктивности, через которую пропускается переменный ток.

Что даёт простое решение формы палисада (сегментации) тигля?

Простейшая конструкция тигля с холодной стенкой выполнена кольцеобразной формой, выстроенной одиночными медными столбами (сегментами), закреплёнными на нижней плите (своего рода палисад). Охлаждаемые водой сегменты из меди электрически не контактируют один с другим. Потоком индуцированных токов в области палисада создаются единичные магнитные поля, формирующие общее переменное магнитное поле.

Этим общим переменным магнитным полем, воздействующим на материал, генерируется тепло в рабочем материале по закону омических потерь. Образующийся твёрдый металлический слой («скорлупа») на границе раздела расплава и стенки тигля, действует как слой изоляции. На картинке ниже показан схематический чертёж тигля с холодной стенкой внутри индукционной катушки – инструмент работы над тугоплавкими металлами.

НАБОР 4000 ВТ

Индукционный тигель с холодными стенками - схема конструкции
Схематичное изображение конструкции: 1 – вход охлаждающей жидкости; 2 – выход охлаждающей жидкости; 3 – основание палисада; 4 – катушка индуктивности; 5 – сегменты палисада; 6, 7 – расплавляемый металл

Достаточно высокая приложенная мощность (интенсивные магнитные поля) – электромагнитные силы Лоренца по кругу палисада, приводят к образованию так называемой подушки расплава. То есть расплав металла физически не контактирует напрямую с палисадом тигля. Здесь демонстрируется явное преимущество в отношении характеристик плавления для достижения высокой чистоты материала и снижения тепловых потерь.

Применение технологии индукционный тигель с холодными стенками

Несмотря на существенное энергопотребление и низкую энергетическую эффективность, плавка металлов внутри индукционного тигля с холодной стенкой быстро набирает индустриальную популярность. Тугоплавкие металлы и сплавы (3000ºC и выше) высоко агрессивные в жидком состоянии, расплавляются таким способом практически без технологических отходов.

Поскольку исключается риск загрязнения расплава тигельными материалами, плюс допускается произвольный перегрев, технология индукционного тигля с холодными стенками также успешно применяется для испарения загрязнений в материалах, требующих высокой чистоты. Например, в области промышленного производства полупроводников.

Технология тиглей с холодными стенками хорошо зарекомендовала себя в работе с титаном и сплавами, поэтому находит широкое индустриальное применение в этом направлении. Кроме того, плавление внутри тигельной печи с холодной стенкой – одна из наиболее перспективных технологий переплавки и стеклования ядерных отходов.

Поскольку исключается какое-либо загрязнение, вызванное материалами тигля, а также, учитывая, что  тигель с холодной стенкой допускается использовать многократно, образуется крайне незначительное количества отходов и загрязнений в процессе производства.

Наиболее подходящее внедрение технологии медных тиглей

Плавление металлов внутри индукционного тигля с холодной стенкой особенно подходит для материалов, электрическая проводимость которых значительно увеличивается с повышением температуры. Например, такими материалами выступают стекло или оксид циркония (ZrO2).

Исходный материал, электроизоляционный в условиях температуры окружающей среды, помещается внутрь тигля с холодной стенкой в виде порошка. Этот материал предварительно нагревается с целью достижения достаточной электрической проводимости при повышении температуры.

МАШИНА ZVS

Индукционный сегментированный медный тигель - практический пример
Сегментированный медный тигель – как часть полной конструкции плавильной печи, предназначенной для работы с тугоплавкими или химически активными металлами

Соответственно, материал, который можно легко нагревать путём индукции при комнатной температуре, добавляется в качестве токоприёмника внутрь тигля. В случае с оксидом циркония (ZrO2) это может быть реализовано добавлением куска металлического циркония или в случае стекла — куска графита.

В обоих случаях порошок нагревается за счёт теплопроводности в непосредственном окружении токоприёмника до момента, пока не приобретёт достаточную проводимость под непосредственный индуктивный нагрев. В зависимости от материала, температурный диапазон нагрева составляет 600-1200°C.

Исходный материал окисляется при высоких температурах и в атмосфере воздуха. Например, тот же цирконий до ZrO2 или графит до CO2, что не оставляет следов на материале в виде газа. Тем не менее, если существует опасность загрязнения, «исходный материал» также допускает кристаллизацию и удаление из тигля после предварительного нагрева.

Поскольку электропроводность оксидных материалов, как правило, низкая, достаточно глубокое проникновение достигается только путём увеличения необходимой рабочей частоты в диапазоне МГц. В настоящее время получаемый таким способом оксид циркония (ZrO2) является количественно наиболее важным монокристаллическим материалом после кремния и сапфира. Из-за высокого показателя преломления и высокого блеска, оксид циркония используется в качестве драгоценного камня (искусственный алмаз).

Разработки печей на индукционных тиглях с холодными стенками

Лабораторные печи на индукционных тиглях с холодными стенками, с объёмом плавления 2-20 мл (16-160 г нержавеющей стали), достаточно широко представлены на коммерческом рынке. Кроме того, имеются печи для плавления в количествах более объёмных (объём индукционного тигля с холодной стенкой 30 дм3, что соответствует 240 кг нержавеющей стали).

Пример — печи с электрическим нагревом производства компании «LHT – Linn High Therm». Для индукционных тиглей с холодными стенками, малых по размерам, необходим совершенно иной подход конструирования, чем для габаритных производственных индукционных машин аналогичного типа.

Важной деталью для малой конструкции плавильной печи является поверхность тиглей, от которой требуется отводить более 90% введённой энергии. Отведение энергии в данном случае достигается за счёт организации охлаждения индукционного тигля с холодной стенкой водяным потоком.

Расход охлаждающей жидкости (воды) зависит от давления на палисаде. Соответствующие поперечные сечения мощности и тока необходимы такие, чтобы избежать турбулентности и мёртвых зон. Энергия, создаваемая индукционной катушкой, не может изменяться непрерывно, как при плавлении обычным тиглем.

Электромагнитная мощность имеет решающее значение для предотвращения контакта между жидким расплавом и боковой стенкой индукционного тигля с холодной стенкой. Магнитное поле, формируемое в тигле, зависит от положения индукционной катушки над донной областью тигля. В случае описанных размеров и конструкций, оптимальное положение катушки определяется посредством обширных испытаний.

Индукционные лабораторные тигли с холодной стенкой

В зависимости от применения, тигли с холодной стенкой, а также соответствующие индукционные печи, допустимо производить разных размеров. Для испытаний на плавку в лабораторном масштабе, в основном, достаточно небольших объёмов тигля, составляющих всего несколько см3. Однако частотный диапазон необходим максимально широкий, по причине возможной изменчивости материала и последующего широкого диапазона необходимой рабочей частоты.

НАГРЕВАТЕЛЬ

Индукционный тигель с холодными стенками - лабораторная установка
Действующая лабораторная плавильная установка золота, конструкция которой построена с применением медного тигля, дополненного системой водяного охлаждения

Для лабораторных испытаний, а также для изготовления прототипов подходят размеры тиглей от 25 до 1000 см3. На картинке выше представлен один из действующих лабораторных вариантов рассматриваемой конструкции тигля с холодной стенкой и катушкой индуктивности. Для уменьшения среднего времени плавления, соответственно для увеличения производительности, такие печи также могут быть оснащены несколькими независимыми системами с рабочей катушкой и тиглем.

Широкий диапазон характеристик тигля с холодной стенкой и катушки индуктивности позволяет плавить различные материалы, например:

  • нержавеющую сталь,
  • титан,
  • титановые сплавы.

Эти печи могут быть адаптированы для иных применений с помощью ряда опций:

  • устройства подачи газа,
  • пирометра,
  • стенда вакуумных насосов.

В результате интенсивных испытаний с различными печами и индукционными тиглями с холодными стенками, получен ряд необходимых применимых характеристик в зависимости от объема тигля. Некоторые из используемых тиглей, объёмом 25-500 см3 демонстрируются в качестве примера. Диапазон флуктуаций является результатом влияния различных плавящихся материалов и, следовательно, связанных различных технологических температур.

Завершающий штрих

Реализация индукционных тиглей с холодными стенками в лабораторных и / или производственных масштабах требует адаптации к соответствующим требованиям, касающимся размера загрузки и состава расплавляемого материала. В зависимости от спецификации в основном необходимы различные концепции. Например, чтобы гарантировать достаточное охлаждение тигля, иметь возможность использовать электрические токи, индуцированные в индукционном тигле с холодной стенкой, для полного и стабильного магнитного поля.


При помощи информации: University-Directory