مقاله بررسی فرآيند ذوب

دسته بندي : فنی و مهندسی » صنایع
مقاله بررسي فرآيند ذوب در 12 صفحه ورد قابل ويرايش

چکيده

در اين مقاله به فرآيند ذوب و تکنيک هاي ذوب مي پردازد.

فرآيند VAR

فرآيند VAR معروفترين روشي است که در آمريکا، به طور گسترده براي ذوب مجدد الکترودهاي سوپر الياژ VIM به کار مي رود . نمايي از کوره VAR در فرآيند ذوب در يک بوته مسي که با آب خنک مي‌شود در فشار صورت مي گيرد. حرارت مورد نياز از قوس جريان بالا و ولتاژ پايين بين الکترود و فلز مذاب تامين مي شود. نرخ ذوب براي اين فرآيند به صورت تابعي از توان ورودي کنترل مي شود و دماهاي فوق ذوب پايين قابل دسترسي است. نرخ انجماد را مي توان با نرخ ذوب و شدت خنک کاري بوته به وسيله آب کنترل کرد. نرخ انجماد کنترل شده VAR مضرات ويژه الکترودهاي VIM را کم مي کند. ولي، تنها مي تواند آخالهاي اکسيدي را که در اثر فلوتاسيون در فرآيند VIM اوليه به وجود آمده حذف کند.

واژه هاي کليدي: فرآيند ذوب اوليه، فرآيند پالايش، فرآيند ذوب ثانويه
فهرست مطالب

مقدمه ?
تکنيک هاي ذوب ?
فرآيندهاي ذوب اوليه ?
فرآيندهاي پالايش ?
فرآيندهاي ذوب ثانويه ?
فرآيند VAR ??
فرآيند ESR ??
فرآيند EBCHR ??
فرآيند VADER ??
فرآيند ISM ??
نتيجه گيري 15




مقدمه

هر فرآيند ذوب ايده آل براي توليد سوپر آلياژهاي با كيفيت بالا بايد شرايط زير را داشته باشد:

1- قابليت استفاده از هر نوع قراضه و مواد خام را داشته باشد.

2- كنترل دقيق تركيب شيميايي و بازيابي همه عناصر آلياژي امكان پذير باشد.

4- بدون توجه به كلاس و طبقه بندي آلياژ، انعطاف پذيري و تطابق كامل براي ذوب همه نوع سوپر آلياژ را داشته باشد.

4- از نقطه نظر اثر واكنشهاي اصلاح، پالايش و توالي انجماد كاملاً قابل كنترل باشد.

5- از هر نوع منبع آلودگي مانند گازها، ناخالصي ها و آخالهاي غير فلزي مبرا و مصون باشد.

6- بالاترين توليد با كمترين هزينه امكان پذير باشد.

به سادگي مي توان فهميد كه تركيبي از همه موارد بالا را نمي توان در تنها يك روش ذوب خلاصه كرد. به اين ترتيب، ذوب سوپر آلياژها را مي توان در سه شاخه طبقه بندي كرد:

1- فرآيند ذوب اوليه، كه در آن آلياژ با تركيب فلزات خالص، فرو آلياژها، برگشتي‌ها و قراضه ها تهيه مي شود.

2- فرآيند پالايش، كه مي تواند در يك مرحله مجزا و يا همراه با فرآيند ذوب اوليه براي حذف ناخالصي ها و كنترل ميزان گازها بصورت بگيرد.

3- فرآيند ذوب ثانويه، كه تاكيد آن بر كنترل انجماد و توليد شمشهاي با ساختار مناسب و بي عيب است. تهيه شمشهاي با خلوص بالا بدون حضور عيبهاي ناخواسته از مواد دير گداز و يا اتمسفر هوا از اهداف اين مرحله است.
تكنيك هاي ذوب
فرآيندهاي ذوب اوليه

ساده ترين روش براي ذوب اوليه سوپر آلياژها در مقياس زياد، ذوب در كوره قوس الكتريك (EAF) است. فرآيند ذوب در هوا صورت مي گيرد و حرارت مورد نياز نيز از قوس الكتريكي بيش الكترودهاي گرافيتي و مواد شارژ تامين مي شود. عموماً، از اكسيژن گازي نيز براي كاهش مقادير كربن، هيدروژن و نيتروژن استفاده مي شود. ذوب تهيه شده اغلب به صورت شمش براي محصولات نوردي و يا الكترود براي رسيدن به كيفيتهاي بالاتر در فرآيندهاي ذوب مجدد، ريخته مي شود عمده مزاياي (EAF) به ترتيب زير است:

1- انعطاف پذيري در نوع و شكل مواد شارژ

2- كنترل دمايي خوب

3- سرباره فعال سيال براي پالايش متالورژيكي

4- بيشترين توليد با كمترين قيمت

معايب اين روش نيز داراي ترتيب زير است:

1- حضور مواد نسوز

2- هواي محيط

3- سرباره

فقدان شرايط هم زدن خوب باعث افزايش زمان پالايش شده و ذوب از لحاظ همگن بودن فقير خواهد بود.

تعدادي از سوپر آلياژها، به ويژه سوپر آلياژهاي پايه Co و Fe-Ni را مي توان به وسيله روشهاي مختلف ذوب در هوا كه براي فولادهاي زنگ نزن به كار مي‌رود، ذوب و تهيه كرد. با اين وجود، براي اغلب سوپر آلياژهاي پايه Ni و يا پايه Fe-Ni، فرآيند ذوب اوليه بايد در كوره ذوب القايي در خلاء (VIM) صورت بگيرد. استفاده VIM مقدار گازهاي بين نشين (N2,O2) را به مقادير كمتر كاهش داده و شرايط بسيار خوبي را براي افزايش يو كنترل مقادير Ti,Al (و ديگر عناصر نسبتاً فعال) فراهم مي سازد. مقادير سرباره و آخال نيز در مقايسه با روش ذوب در هوا به شدت كاهش مي يابد.

شارژ اوليه براي كوره VIM ، آلياژهاي پايه است و عناصر آلياژي فرار به آن اضافه نمي شود. بعد از آنكه شارژ در اثر يكسري واكنشهاي خروج گاز و جوش ذوب شد، همگن سازي و پالايش انجام مي شود. قبل از ريخته گري الكترودها، تركيب مذاب كاملاً كنترل شده و اصلاح مي شود. الكترودها را مي توان هم در خلاء و هم تحت گاز خنثي ريخته گري كرد.

عمده معايب فرآيند VIM عبارت است از:

1- سايش نسوز و واكنشهاي ذوب- نسوز كه منجر به توليد آخالهاي اكسيدي مي‌شود.

2- عدم كنترل نرخ انجماد كه منجر به تشكيل لوله انقباضي اضافي و جدانشيني انجمادي مي شود.

3- درشت ساختار و ريز ساختار غير يكنواخت.
فرآيندهاي پالايش

سه فرآيند پالايش اوليه براي سوپر آلياژهاي توليد شده از فرآيند EAF مورد استفاده قرار مي گيرد. گاززدايي در خلاء (VD) اولين مرحله براي بالا بردن كيفيت محصول كوره الكتريكي است. در اين فرآيند، فلز مذاب در يك محفظه مجزا و در معرض فشارهاي بسيار پايين پالايش مي شود. تحت اين شرايط گازهاي حل شده مانند مونواكسيد كربن، هيدروژن و نيتروژن كاهش مي يابد. برخي تجهيزات مانند الكترودهاي گرافيتي يا كويلهاي القايي نيز براي حرارت دهي فلز مذاب در حين و يا در ادامه فرآيند گاززدايي استفاده مي شود.

توسعه فرآيندهاي گاززدايي منجر به فرآيند كربن زدايي با اكسيژن در خلاء (VOD) گرديد كه در آن، فولادهاي زنگ نزن و سوپر آلياژها را ميتوان تحت شرايط بسيار كنترل شده عمل آورد. در اين فرآيند پالايش، فلز مذاب تهيه شده از EAF كه داراي مقادير زيادي كربن و كروم است تحت خلاء و با تزريق اكسيژن كربن زدايي مي‌شود. اين عمل، اجازه مي دهد تا در توليد سوپر آلياژها، از مواد خام حاوي كربن زياد با قيمت پايين تر استفاده كرد. براي بالا بردن كيفيت گاززدايي مي توان مذاب را به وسيله آرگون و يا القاء و يا هر دو هم زد.

سومين روش پالايش، تكنيك كربن زدايي به وسيله آرگون و اكسيژن (AOD) است در اين روش، فلز مذاب معمولاً با تزريق اكسيژن و آرگون كربن زدايي مي شود. مخلوط اكسيژن و آرگون از نازلها يا افشانكهاي مجزا تزريق و نسبت آرگون به اكسيژن با پالايش يا كربن زدايي به تدريج افزايش مي يابد. پس از رسيدن كربن بهحد مورد نياز، واكنش هاي مذاب سرباره، مانند احياء كروم و گوگرد زدايي را مي توان با هم زدن مذاب به وسيله تزريق آرگون خالص تشديد كرد. تزريق آرگون همچنين، گازهاي حل شده ديگر را خارج مي كند.



فرآيند VAR

فرآيند VAR معروفترين روشي است كه در آمريكا، به طور گسترده براي ذوب مجدد الكترودهاي سوپر الياژ VIM به كار مي رود ]1،4[. نمايي از كوره VAR در فرآيند ذوب در يك بوته مسي كه با آب خنك مي‌شود در فشار صورت مي گيرد. حرارت مورد نياز از قوس جريان بالا و ولتاژ پايين بين الكترود و فلز مذاب تامين مي شود. نرخ ذوب براي اين فرآيند به صورت تابعي از توان ورودي كنترل مي شود و دماهاي فوق ذوب پايين قابل دسترسي است. نرخ انجماد را مي توان با نرخ ذوب و شدت خنك كاري بوته به وسيله آب كنترل كرد. نرخ انجماد كنترل شده VAR مضرات ويژه الكترودهاي VIM را كم مي كند. ولي، تنها مي تواند آخالهاي اكسيدي را كه در اثر فلوتاسيون در فرآيند VIM اوليه به وجود آمده حذف كند.
فرآيند ESR

در سالهاي اخير به علت امكان تهيه و بهبود سوپر آلياژهاي بسيار تميز ذوب ESR بسيار مورد توجه قرار گرفته است. ذوب ESR نيز در يك بوته مسي آبگرد صورت مي گيرد. الكترود در يك سرباره تصفيه غوطه ور مي شود و حرارت به وجود آمده در سرباره به وسيله جريان مستقيم الكتريكي كه از ميان الكترود و سرباره به حوضچه مذاب مي رسد ايجاد مي‌شود. اولين منرحله تصفيه و پالايش، از واكنشهايي كه در حين تشكيل قطره بر روي نوك الكترود و فصل مشترك حوضچه مذاب- سرباره به وجود مي آيد نتيجه مي شود. عمده ترين مزاياي ESR عبارت است از:

1- بهبود تميزي و كيفيت بالا.

2- فقدان مكانيزم هايي براي تشكيل «لكه هاي سفيد» ]4[.

فرآيند ESR در مقايسه با VAR نسبت به كيفيت شمش (لوله انقباضي و تميزي) كمتر حساس است. Klein و همكاران ]10[، تحقيقي بر روي شمش هاي IN718 توليدي به دو روش VAR و ESR انجام دادند. نتيجه اين تحقيقات نشان داد كه شمش ESR از لحاظ يكنواختي تركيبات شيميايي بهتر، ريز ساختار دندريتي آن ريزتر و توزيع كاربيدهاي آن بسيار يكنواخت تر است.

مضرات ESR نيز عبارت است از:

1- پتانسيل براي گير كردن و به دام افتادن سرباره در مذاب

2- پتانسيل براي جدانشيني در شروع فرآيند

3- سرباره هاي ناپايدار