خمس طرق لصهر سبائك التيتانيوم

خمس طرق لصهر سبائك التيتانيوم

تنقسم طرق صهر سبائك التيتانيوم بشكل عام إلى: 1. طريقة ذوبان فرن القوس الفراغي المستهلك; 2. طريقة ذوبان فرن القوس الفراغي غير القابل للاستهلاك; 3. طريقة ذوبان طبقة الفرن البارد; 4. طريقة ذوبان البوتقة الباردة; 5. خمس طرق لصهر الخبث الكهربائي.

1. طريقة ذوبان فرن القوس الفراغي المستهلك (طريقة VAR باختصار)

مع تطور تكنولوجيا الفراغ وتطبيقات الحاسب الآلي, وسرعان ما أصبحت طريقة VAR تقنية إنتاج صناعية ناضجة للتيتانيوم. اليوم, يتم إنتاج الغالبية العظمى من التيتانيوم وسبائكه باستخدام هذه الطريقة. الخصائص الهامة لطريقة VAR هي انخفاض استهلاك الطاقة, سرعة ذوبان عالية, واستنساخ ذات نوعية جيدة. تتمتع السبائك المذابة بطريقة VAR ببنية بلورية جيدة وتركيب كيميائي موحد. عادة, يجب صهر السبائك النهائية باستخدام طريقة VAR وإخضاعها لعمليتي إعادة صهر على الأقل. يتم استخدام طريقة VAR لإنتاج سبائك التيتانيوم, والعمليات التي يستخدمها المصنعون حول العالم متشابهة بشكل أساسي, مع الاختلاف في استخدام طرق ومعدات تحضير القطب الكهربائي المختلفة. يمكن تقسيم إعداد القطب إلى ثلاث فئات: أولاً, باستخدام أقطاب كهربائية متكاملة يتم الضغط عليها بشكل مستمر عن طريق إضافة المواد على دفعات, باستثناء عمليات اللحام الكهربائي; ثانية, قطب كهربائي واحد يضغط ويربط في أقطاب كهربائية مستهلكة. ويتم لحامها معًا بواسطة لحام قوس الأرجون البلازما أو اللحام الفراغي; والثالث هو استخدام طرق صهر أخرى لتحضير أقطاب الصب.

الخصائص والمزايا التقنية لأفران VAR الحديثة والمتطورة:

(1) مدخلات الطاقة المحورية الكاملة, which refers to the complete coaxiality of the entire furnace height, is called coaxial power supply, reducing the occurrence of segregation phenomenon;

(2) The electric calibration inside the crucible can be fine tuned in the X-axis/Y-axis direction;

(3) Equipped with a precise electrode weighing system, the melting rate is automatically controlled, achieving constant melting speed and ensuring melting quality;

(4) Ensure the repeatability and consistency of each melting process;

(5) Flexibility refers to the ability of one furnace to produce multiple ingot types and the large-scale production of ingots, which can significantly improve productivity;

(6) Has good economic viability. ال “coaxial power supply” method can avoid magnetic leakage caused by unbalanced current supply to the crucible, إضعاف أو إزالة الآثار الضارة للمجالات المغناطيسية المستحثة على المنتجات المنصهرة, وتحسين الكفاءة الكهربائية, وبالتالي الحصول على سبائك ذات جودة مستقرة. الغرض من “ذوبان السرعة الثابتة” هو تحسين نوعية السبائك, وذلك باستخدام أنظمة التحكم الإلكترونية المتقدمة وأجهزة استشعار الوزن لضمان ثبات طول القوس ومعدل الذوبان أثناء عملية الذوبان, وبالتالي السيطرة على عملية التصلب. يمكن أن يمنع الفصل بشكل فعال ويضمن الجودة الجوهرية للسبائك.

بالإضافة إلى الخاصيتين السابقتين, حققت أفران VAR الحديثة لصهر التيتانيوم أيضًا إنتاجًا واسع النطاق لأفران VAR. يمكن لأفران VAR الحديثة صهر السبائك الكبيرة التي يبلغ قطرها 1.5 مترًا ووزنها 32 طنًا.

طريقة VAR هي طريقة صهر صناعية تعتبر معيارًا حديثًا للتيتانيوم وسبائك التيتانيوم. ولكن لا تزال هناك التقنيات التالية التي تحتاج إلى معالجة:

أولاً, طريقة تحضير القطب. عملية تحضير القطب الكهربائي معقدة للغاية, مما يتطلب استخدام مكابس باهظة الثمن لضغط التيتانيوم الإسفنجي, سبائك وسيطة, وإعادة المواد المتبقية إلى أقطاب كهربائية متكاملة أو لوحات كهربائية صغيرة واحدة. تحتاج الأقطاب الكهربائية المفردة أيضًا إلى اللحام في أقطاب كهربائية مستهلكة. في نفس الوقت, من أجل ضمان توحيد مكونات القطب المستهلكة, المرافق المقابلة مثل النسيج, وزن, ويجب تكوين الخلط.

ثانيًا, في بعض الأحيان العيوب المعدنية مثل الفصل, مثل الفصل التركيبي والفصل المتصلب.

الأول ناتج عن التوزيع غير المتكافئ لعناصر الشوائب أو عناصر السبائك في القطب, الذي يتصلب قبل الوصول إلى توزيع التوازن أثناء الذوبان; هذا الأخير يرجع إلى إدخال شوائب عالية الكثافة في بعض الأحيان (مؤشر التنمية البشرية) والادراج منخفضة الكثافة (LDI) في المواد الخام أو العملية, والتي لا يمكن حلها بالكامل أثناء عملية الذوبان, مما يؤدي إلى إنتاج عيوب معدنية شديدة الخطورة مثل الادراج.

2. طريقة ذوبان فرن القوس الفراغي غير القابل للاستهلاك (مبسطة كطريقة NC)

في الوقت الحالي, حلت أقطاب النحاس المبردة بالماء محل قطب التنغستن والثوريوم أو قطب الجرافيت في المرحلة الأولى من صناعة التيتانيوم, حل مشكلة التلوث الصناعي وجعل طريقة NC وسيلة هامة لصهر التيتانيوم وسبائك التيتانيوم. Several ton NC furnaces have been operating in Europe and America.

There are two types of water-cooled copper electrodes: one is self rotating; Another type is a rotating magnetic field, which aims to prevent electrode burnout caused by electric arcs.

NC furnaces can also be divided into two types: one is to melt raw materials in a water-cooled copper crucible and cast them into ingots in a water-cooled copper mold; Another method is to continuously feed raw materials into a water-cooled copper crucible for melting and solidification.

The advantages of NC melting method are: ① It can eliminate the processes of pressing electrodes and welding electrodes; ② Can make the arc stay on the material for a longer period of time, thereby improving the uniformity of the ingot composition; ③ يمكن استخدام أشكال وأحجام مختلفة من المواد الخام, و 100% يمكن إضافة المواد المتبقية أثناء عملية الصهر لتحقيق إعادة تدوير التيتانيوم.

طريقة NC, كعملية صهر, يعد مفيدًا جدًا من حيث تحسين معدل استرداد المواد المتبقية وخفض التكاليف. عادة, يتم استخدام أفران NC وأفران VAR جنبًا إلى جنب للاستفادة الكاملة من مزايا كل منهما.

3. طريقة ذوبان طبقة الفرن البارد (يشار إليها باسم طريقة آلية تبادل المعلومات (CHM).)

تؤثر عيوب التضمين المعدني في سبائك التيتانيوم وسبائك التيتانيوم الناتجة عن تلوث المواد الخام وعمليات الصهر غير الطبيعية على تطبيق التيتانيوم وسبائك التيتانيوم في مجال الفضاء الجوي. من أجل القضاء على الشوائب المعدنية في الأجزاء الدوارة لمحركات الطائرات المصنوعة من سبائك التيتانيوم, تم إدخال تقنية ذوبان الموقد البارد.

أكبر ميزة لطريقة آلية تبادل المعلومات هي فصل الذوبان, تكرير, وعمليات التصلب. إنه, تدخل مادة الفرن المنصهر إلى طبقة فرن Ling لتذوب أولاً, ثم يدخل منطقة التكرير في طبقة الفرن البارد للتكرير, ويتصلب أخيرًا إلى سبائك في منطقة التبلور. الميزة المهمة لتقنية CHM هي أنها يمكن أن تشكل غلافًا مكثفًا على جدار طبقة الفرن البارد, ولها “منطقة لزجة” يمكن التقاط الادراج عالية الكثافة (مؤشر التنمية البشرية) مثل المرحاض, شهر, مواجهة, إلخ. في نفس الوقت, في منطقة الدقة, زمن بقاء الادراج منخفضة الكثافة (LDI) تطول الجزيئات الموجودة في السائل ذو درجة الحرارة العالية, والتي يمكن أن تضمن الحل الكامل لـ LDI وإزالة عيوب التضمين بشكل فعال. وهذا يعني, يمكن تقسيم آلية تنقية ذوبان طبقة الفرن البارد إلى نوعين: فصل الجاذبية النوعية وفصل الذوبان.

3.1 شعاع الإلكترون ذوبان السرير البارد (EBCHM) ذوبان شعاع الإلكترون (إب) هي عملية تستخدم طاقة الإلكترونات عالية السرعة لتوليد الحرارة في المادة نفسها من أجل الصهر والتكرير. فرن EB مع طبقة فرن بارد يسمى EBCHM. تتمتع طريقة EBCHM بوظائف ممتازة لا تمتلكها طرق الصهر التقليدية:

(1) إزالة الادراج عالية الكثافة بشكل فعال (مؤشر التنمية البشرية) مثل التنتالوم, الموليبدينوم, التنغستن, كربيد التنغستن, ونيتريد التيتانيوم. شوائب منخفضة الكثافة (LDI) مثل أكسيد التيتانيوم;

(2) طرق التغذية المتعددة مقبولة, ومن السهل نسبيًا استعادة بقايا التيتانيوم. حتى لو كان من الممكن استخدام مواد النفايات التي لا يمكن استخدامها بطرق صهر أخرى, لا يزال من الممكن إنتاج سبائك التيتانيوم النقي, تقليل تكلفة المنتج بشكل كبير;

(3) ويمكن أخذ عينات مباشرة, تم تحليلها, واختبارها من المعدن السائل;

(4) يمكن أن تنتج سبائك غير منتظمة الشكل, تقليل عمليات الإنتاج, انخفاض استهلاك المواد الخام, وتحسين إنتاجية المنتج;

طريقة EBCHM لها أيضًا العيوب التالية:

(1) يجب أن يتم الذوبان في ظل ظروف فراغ عالية, لذلك لا يمكن صهر التيتانيوم الإسفنجي الذي يحتوي على نسبة عالية من الكلوريد مباشرة;

(2) عناصر السبائك متطايرة ويصعب التحكم في تركيبها الكيميائي.

3.2 طريقة ذوبان السرير البارد بالبلازما (طريقة أنبوب PCHM)

تستخدم طريقة PCHM قوس البلازما الناتج عن تأين الغاز الخامل كمصدر للحرارة, ويمكن أن يكتمل الذوبان في نطاق ضغط واسع من الفراغ المنخفض إلى الضغط الجوي القريب. الميزة المهمة لهذه الطريقة هي أنها يمكن أن تضمن تكوين السبائك ذات ضغوط بخار مختلفة, ولا يوجد فرق واضح أثناء عملية الذوبان. تتمتع هذه الطريقة بالقدرة على توفير خصائص معدنية تقليدية محسنة ويمكنها تحقيق ذوبان السبائك المتنوعة. إنها طريقة صهر اقتصادية مقارنة بطرق الصهر التقليدية. باستخدام هذه الطريقة في الذوبان, يمكن الحصول على السبائك المثالية في عملية صهر واحدة للتيتانيوم وسبائك التيتانيوم. مزايا طريقة PCHM الحديثة هي:

① انخفاض الاستثمار في المعدات, عملية سهلة, آمنة وموثوقة;

② يمكن استخدام أنواع وأشكال مختلفة من المواد الخام, مع ارتفاع معدل استرداد المواد المتبقية;

③ التأكد من التركيب الكيميائي للسبائك المتنوعة;

④ تم تحقيق إعادة التدوير وإعادة استخدام الغازات الخاملة باهظة الثمن, خفض تكاليف الإنتاج.

عيب طريقة PCHM هو انخفاض الكفاءة الكهربائية. التشابه بين EBCHM وPCHM يكمن في قدرتها على القضاء على HDI وLDI. الأول بشكل عام أكثر ملاءمة لصهر التيتانيوم النقي; للسبائك, هذا الأخير هو أكثر ملاءمة. مثل طريقة VAR, تحقق الطريقتان المذكورتان أعلاه التحكم الآلي في العمليات على نطاق واسع, بما في ذلك معلمات العملية (سرعة الذوبان, توزيع درجة الحرارة أثناء عمليات الذوبان والتصلب, التغيرات في التكوين أثناء الذوبان, درجة إزالة الادراج غير القابلة للذوبان, إلخ.) والجودة.

4. طريقة ذوبان البوتقة الباردة (طريقة CCM للاختصار)

في الثمانينات, قامت شركة الفيروسيليكون الأمريكية بتطوير تقنية الصهر بالحث الخالي من الخبث, دفع طريقة CCM إلى تطبيقات الإنتاج الصناعي لإنتاج سبائك التيتانيوم والمسبوكات الدقيقة. في السنوات الأخيرة, في بعض الدول المتقدمة اقتصاديا, بدأت طريقة CCM في دخول نطاق الإنتاج الصناعي, ويبلغ الحد الأقصى لقطر السبائك 1 متر وطولها 2 متر, وآفاق تطورها ملحوظة. تتم عملية الصهر CCM في بوتقة معدنية مكونة من كتل غير موصلة للحرارة ومبردة بالماء على شكل قوس أو أنابيب نحاسية. أكبر ميزة لهذا المزيج هو أن الفجوة بين كل كتلتين عبارة عن مجال مغناطيسي معزز, والتحريك القوي الناتج عن المجال المغناطيسي يجعل التركيب الكيميائي ودرجة الحرارة متسقين, وبالتالي تحسين جودة المنتج. تجمع طريقة CCM بين خصائص طريقة VAR والصهر التعريفي للمواد المقاومة للحرارة في البوتقات. لا يتطلب الأمر مواد حرارية أو أقطاب كهربائية للحصول على سبائك عالية الجودة بتركيبة موحدة ولا يوجد بها تلوث بوتقة في عملية صهر واحدة. مقارنة بطريقة VAR, تتميز طريقة CCM بمزايا انخفاض تكلفة المعدات وسهولة التشغيل, ولكن من المنظور الحالي, هذه التكنولوجيا لا تزال في مرحلة التطوير.

5. طريقة ذوبان الخبث الكهربائي (طريقة ESR باختصار)

تعمل طريقة ESR على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية عن طريق الاستفادة من تصادم الجسيمات المشحونة عندما يمر التيار عبر الخبث الموصل. يتم استخدام الحرارة الناتجة عن مقاومة الخبث لإذابة وصقل مادة الفرن. تستخدم طريقة ESR أقطابًا كهربائية مستهلكة لصهر الخبث الكهربائي في الخبث غير النشط (CaF2), والتي يمكن صهرها مباشرة في سبائك من نفس الشكل ولها جودة سطحية جيدة, مناسبة للمعالجة المباشرة في العملية التالية. ومن مزايا هذا القانون:

(1) تضمن المحورية الكاملة لفرن ESR تكرار أفضل السبائك ذات الجودة;

(2) التبلور المحوري للسبائك, مع بنية كثيفة وموحدة;

(3) نظام وزن كهربائي عالي الدقة ونظام التحكم في معدل الذوبان;

(4) المعدات بسيطة وسهلة التشغيل. العيب هو أنه لا يمكن تفريغ تلوث الخبث الموجود على السبيكة.