في صناعة المسابك الحديثة, تستخدم أفران الحث على نطاق واسع بسبب كفاءتها العالية, نظافة, وسهولة التحكم. لكن, أثناء عملية الذوبان, الغازات غير المرئية - في المقام الأول الهيدروجين (ح), نتروجين (ن), والأكسجين (س)- التصرف كما “قتلة غير مرئية,” التسلل بصمت إلى المعدن المنصهر وخلق مخاطر خفية كبيرة على الجودة النهائية للصب. العيب الأكثر شيوعًا الذي تسببه هذه الغازات هو المسامية. الفهم العميق لمصادر ومخاطر هذه الغازات, جنبا إلى جنب مع إتقان استراتيجيات التحكم المتقدمة, أمر بالغ الأهمية لتحسين جودة الصب وتقليل معدل الخردة.
مصادر الغازات: ثلاث قنوات رئيسية لا ينبغي تجاهلها
يتم إدخال الغازات إلى المعدن المنصهر بشكل أساسي من خلال القنوات الثلاث التالية, وهي مترابطة وتؤثر مجتمعة على نقاء الذوبان.
1.مواد وأدوات الشحن الرطب
هذا هو المصدر الأكثر مباشرة وأهمية للغاز, وخاصة الهيدروجين, في عملية الذوبان.
- آلية المصدر: سواء كانت خردة معاد تدويرها, وكلاء صناعة السبائك, أو إضافات مختلفة, إذا أصبحت رطبة, يتعرضون للمطر, أو ملوثة بالزيت, المستحلبات, أو غيرها من المواد التي تحتوي على الماء أثناء التخزين أو النقل, الرطوبة (H₂O) سوف تتحلل بسرعة في درجات حرارة عالية. على سبيل المثال, يتفاعل الحديد المنصهر مع بخار الماء عند درجات حرارة عالية:
- الحديد + H2O → الحديد O + 2[ح]
- الهيدروجين الذري الناتج [ح] نشط للغاية وله قدرة انتشار عالية, مما يسمح له بالذوبان بسرعة في المعدن المنصهر. بصورة مماثلة, الصدأ (هيدرات) على سطح المادة المشحونة سوف يطلق الماء البلوري عند درجات حرارة عالية, تصبح مصدرا هاما للهيدروجين.
- العوامل المؤثرة: بيئة تخزين المواد المشحونة, الظروف الجوية (مواسم الأمطار, رطوبة عالية), ومدى كفاية التسخين المسبق كلها تحدد بشكل مباشر كمية الرطوبة التي يتم إدخالها إلى الفرن. أدوات الذوبان (مثل مكابس الخبث وأنابيب الحماية الحرارية) التي لم يتم تسخينها أو خبزها بشكل كافٍ سوف تتسبب في تحلل الرطوبة الموجودة على أسطحها فورًا عند ملامستها لمادة الذوبان ذات درجة الحرارة العالية, مما يؤدي إلى امتصاص الهيدروجين الموضعي الشديد.
2.رطوبة الهواء والجو المحيط
بخار الماء, نتروجين, والأكسجين الموجود بشكل طبيعي في الهواء يشكل مصدرًا مستمرًا للغاز بالنسبة للمعدن المنصهر.
- مصدر آلية:
- هيدروجين: أثناء الذوبان والصب, يتفاعل سطح المعدن المنصهر المعرض للهواء بشكل مستمر مع بخار الماء في الغلاف الجوي, مما يؤدي إلى ذوبان الهيدروجين في الذوبان. كلما ارتفعت الرطوبة المحيطة, كلما كان معدل التفاعل أسرع, وكلما زادت شدة ميل المنصهر إلى امتصاص الهيدروجين.
- النيتروجين والأكسجين: في فرن الحث, سطح الحمام المنصهر على اتصال مباشر مع الغلاف الجوي. نتروجين (ن₂) والأكسجين (O₂) من الهواء يدخل الذوبان من خلال الذوبان الفيزيائي أو التفاعلات الكيميائية. تزداد قابلية ذوبان النيتروجين والأكسجين في المعدن بشكل ملحوظ عند درجات حرارة الانصهار المرتفعة. على سبيل المثال, في الفولاذ المنصهر, يذوب النيتروجين والأكسجين في حالتهما الذرية, [ن] و [س].
3.المواد المقاومة للحرارة
تعتبر بطانة الفرن مكونًا مهمًا في فرن الحث, ولكن في ظل ظروف معينة, ويمكن أن يصبح أيضًا مصدرًا غير مباشر للغاز.
- مصدر آلية:
- بطانات جديدة: البطانات المثبتة حديثًا أو المصححة, سواء كانت حمضية, حيادي, أو الأساسية, تحتوي على كمية معينة من الرطوبة (كل من المياه المادية والمياه المرتبطة كيميائيا). إذا لم يتم خبز البطانة جيدًا وبشكل صحيح, سيتم إطلاق هذه الرطوبة تدريجيًا أثناء التسخين وتتلامس مع المعدن المنصهر, مما يؤدي إلى زيادة محتوى الهيدروجين.
- بطانات قديمة: يمكن لبطانات الفرن المستخدمة أن تمتص الرطوبة من الهواء. بالإضافة إلى, بعض الأكاسيد الموجودة في المواد الحرارية (مثل SiO₂) قد تتفاعل مع عناصر معينة في الذوبان (مثل ج) في ظل ظروف محددة, إنتاج الغازات مثل ثاني أكسيد الكربون. في حين أن هذا لا يقدم H أو N بشكل مباشر, فهو يزيد من إجمالي محتوى الغاز في الذوبان ويمكن أن يؤدي إلى أنواع أخرى من عيوب المسامية.
أضرار الغازات: الجاني من مسامية الغاز في المسبوكات
تنخفض قابلية ذوبان الغازات الذائبة في المعدن المنصهر بشكل حاد مع انخفاض درجة الحرارة. أثناء عملية التصلب, أثناء تحول المعدن من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة, تترسب هذه الغازات المفرطة التشبع لتشكل فقاعات. إذا فشلت هذه الفقاعات في الهروب في الوقت المناسب, يصبحون محاصرين داخل أو على سطح الصب, تشكيل الغاز المسامية.
- هيدروجين المسامية: هذا هو النوع الأكثر شيوعا من مسامية الغاز. لأن ذوبان الهيدروجين في المعدن الصلب أقل بكثير من ذوبان المعدن السائل, تترسب كمية كبيرة من الهيدروجين أثناء التصلب, مع اندماج الذرات لتكوين فقاعات صغيرة عالية الضغط. عادة ما تكون هذه المسام مستديرة أو بيضاوية ويتم توزيعها داخل القالب, خاصة في المناطق الأخيرة للتصلب (مثل النقاط الساخنة).
- نتروجين المسامية: تكون مسامية النيتروجين بارزة بشكل خاص عند صهر الفولاذ المقاوم للصدأ, سبائك الصلب عالية, وغيرها من السبائك التي تحتوي على عناصر تشكل نيتريدات مستقرة مع النيتروجين. تظهر مسام النيتروجين عادةً أسفل جلد القالب مباشرةً, صغيرة الحجم, ويمكن أن تكون على شكل دبوس أو تشبه الدودة في توزيع كثيف.
- معقد المسامية: في كثير من الحالات, المسامية ناتجة عن العمل المشترك لغازات متعددة. على سبيل المثال, غاز ثاني أكسيد الكربون المتولد من تفاعل الكربون والأكسجين في المصهور, جنبا إلى جنب مع الهيدروجين والنيتروجين المترسبة, يمكن أن تشكل فقاعات معا, مما يجعل مشكلة المسامية أكثر تعقيدا.
تقلل عيوب مسامية الغاز بشدة من مساحة المقطع العرضي الحاملة للحمل في عملية الصب, إضعاف خواصه الميكانيكية (مثل القوة, اللدونة, والمتانة) وكثافته. للمسبوكات محكمة الضغط مثل الصمامات وأجسام المضخات, المسامية هي عيب خطير وغير مقبول.
استراتيجيات التحكم في الغاز المتقدمة: دفاع شامل من المصدر إلى النهاية
لإنتاج ذات جودة عالية, المسبوكات خالية من المسامية, ويجب اعتماد استراتيجية منهجية للتحكم في الغاز, يغطي جميع المراحل بدءًا من الصهر المسبق وأثناء العملية وحتى مرحلة ما بعد الصهر.
1.التحكم في المصدر: إدارة صارمة للمواد تهمة
- مواد شحن التجفيف: جميع المواد المشحونة, الضوء بشكل خاص, رفيع, والمواد المعرضة للرطوبة مثل الخراطة والرقائق, يجب أن تخضع للتسخين المسبق والخبز الصارم قبل شحنها إلى الفرن لضمان الإزالة الكاملة للرطوبة والزيت. يوصى بإنشاء معدات مخصصة لتجفيف المواد المشحونة.
- البيئة يتحكم: يجب أن تظل منطقة تخزين مواد الشحن جافة وجيدة التهوية, محمية من المطر والظروف الرطبة. خلال مواسم الرطوبة العالية, وينبغي تكثيف التفتيش والتسخين المسبق للمواد.
- بطانة للخبز: التقيد الصارم بمنحنى الخبز وأوقات التثبيت التي يوفرها مورد المواد المقاومة للحرارة لضمان تلبيد البطانات الجديدة أو التي تم إصلاحها بالكامل وطرد جميع الرطوبة.
2.تقنيات التحكم المتقدمة في العملية
تكرير الفراغ
ذوبان تحريض الفراغ (همة) هي واحدة من التقنيات الأكثر فعالية للتحكم في محتوى الغاز. يعتمد مبدأها على خلق بيئة مفرغة حيث يكون الضغط الجزئي للغازات منخفضًا للغاية, مما يقلل بشكل كبير من ذوبانها في المعدن المنصهر.
- مبدأ العمل: عن طريق الذوبان تحت فراغ, تتسرب الغازات الذائبة مثل الهيدروجين والنيتروجين بسرعة من الذوبان بسبب فارق الضغط الكبير. يقوم الفراغ أيضًا بإزالة العناصر الضارة بشكل فعال مع نقاط انصهار منخفضة وضغوط بخار عالية, مثل الرصاص والزنك. بالإضافة إلى, فهو يعزز تفاعل الكربون والأكسجين ([ج] + [س] → {شارك}↑), مما يسمح بضخ غاز ثاني أكسيد الكربون الناتج, تحقيق تنقية عميقة من الذوبان.
- المزايا: يمكنها إنتاج معدن منصهر نظيف للغاية بمحتوى غاز منخفض للغاية (على سبيل المثال, ح ≥ 2 جزء في المليون, ن ≥ 20 جزء في المليون, يا ≥ 10 جزء في المليون), مما يجعلها تقنية أساسية لإنتاج مصبوبات عالية الأداء للفضاء, سبيكة الدقة, وغيرها من الصناعات الراقية.
تطهير الأرجون (الادخار)
هذه طريقة فعالة واقتصادية للغاية لتفريغ الغاز والتكرير في الفرن.
- مبدأ العمل: يتم إدخال غاز خامل - الأرجون - إلى المعدن المنصهر على شكل فقاعات دقيقة من خلال سدادة مسامية مثبتة في الجزء السفلي أو الجدار الجانبي للفرن, أو عن طريق الغطس. وفقا لقانون دالتون للضغوط الجزئية, توفر فقاعات الأرجون الصاعدة للنواة ضغطًا جزئيًا منخفضًا جدًا للغازات الذائبة مثل الهيدروجين والنيتروجين. وهذا يشجع هذه الغازات الذائبة على الانتشار في فقاعات الأرجون والهروب معها من الذوبان.
- المزايا: فهو لا يزيل الهيدروجين والنيتروجين بشكل فعال فحسب، بل يحرك أيضًا الحمام المنصهر, مما يساعد على تجانس تركيبة المادة المصهورة ودرجة حرارتها ويعزز التعويم وإزالة الشوائب. العملية سهلة التشغيل, يتطلب الحد الأدنى من التعديل على أفران الحث الموجودة, وهي منخفضة التكلفة نسبيًا.
الجريان أو التغطية المجففة
يعد استخدام عوامل تغطية محددة لإنشاء حاجز مادي على سطح المعدن المنصهر أثناء الصهر طريقة فعالة لمنع تفاعل المنصهر مع الغلاف الجوي.
- مبدأ العمل:
- العزلة الجسدية: عامل التغطية, أو التدفق, يذوب ليشكل طبقة خبث ثابتة تعمل على عزل الذوبان عن الهواء بشكل فعال, منع امتصاص الغاز الثانوي (هيدروجين, نتروجين) والأكسدة.
- التكرير الكيميائي: تحتوي بعض تدفقات التكرير على مكونات تتفاعل مع الغازات أو الأكاسيد الموجودة في المصهور. على سبيل المثال, تنتج بعض عوامل التفريغ فقاعات دقيقة عند درجات حرارة عالية, إنشاء أ “غسل” تأثير مماثل لتطهير الغاز. تقوم بعض عوامل إزالة الأكسدة بإزالة الأكسجين بشكل فعال من الذوبان, تقليل شوائب الأكسيد.
- الامتزاز: يمكن أيضًا لبعض التدفقات الأساسية أو المحايدة أن تمتص الشوائب غير المعدنية, يساعد على تنقية الذوبان.
- طلب: يجب اختيار تدفق التغطية المناسب بناءً على نوع السبيكة التي يتم صهرها. على سبيل المثال, في ذوبان الألومنيوم, تُستخدم تدفقات التكرير الصديقة للبيئة القائمة على الكلور أو الخالية من الكلور بشكل شائع في إزالة الغازات وإزالة الشوائب.
خاتمة
يعد التحكم في الغاز في ذوبان فرن الحث عملية هندسية منهجية. يبدأ الأمر بالرقابة الصارمة على مصادر مثل مواد الشحن الرطبة, رطوبة الهواء, وبطانات حرارية; يستمر في الممارسات التشغيلية الدقيقة أثناء الذوبان; ويتوج بالتنقية العميقة باستخدام تقنيات متقدمة مثل التكرير الفراغي, تطهير الأرجون, وتدفقات تغطية عالية الأداء. فقط من خلال الفهم العميق للضرر المحتمل الذي تسببه الغازات على جودة المسبوكات ومن خلال تطبيق مجموعة شاملة من استراتيجيات التحكم، يمكن للمسابك أن تنتج باستمرار مصبوبات عالية الجودة تلبي المتطلبات الصارمة وتظل قادرة على المنافسة في سوق مليء بالتحديات.
