تحقیق مقاله فرآیند ذوب

مقدمه

هر فرآیند ذوب ایده آل برای تولید سوپر آلیاژ های با کیفیت بالا باید شرایط زیر را داشته باشد:

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

2- کنترل دقیق ترکیب شیمیایی و بازیابی همه عناصر آلیاژی امکان پذیر باشد.

4- بدون توجه به کلاس و طبقه بندی آلیاژ، انعطاف پذیری و تطابق کامل برای ذوب همه نوع سوپر آلیاژ را داشته باشد.

4- از نقطه نظر اثر واکنشهای اصلاح، پالایش و توالی انجماد کاملاً قابل کنترل باشد.

5- از هر نوع منبع آلودگی مانند گازها، ناخالصی ها و آخالهای غیر فلزی مبرا و مصون باشد.

6- بالاترین تولید با کمترین هزینه امکان پذیر باشد.

به سادگی می توان فهمید که ترکیبی از همه موارد بالا را نمی توان در تنها یک روش ذوب خلاصه کرد. به این ترتیب، ذوب سوپر آلیاژها را می توان در سه شاخه طبقه بندی کرد:

1- فرآیند ذوب اولیه، که در آن آلیاژ با ترکیب فلزات خالص، فرو آلیاژها، برگشتی‌ها و قراضه ها تهیه می شود.

2- فرآیند پالایش، که می تواند در یک مرحله مجزا و یا همراه با فرآیند ذوب اولیه برای حذف ناخالصی ها و کنترل میزان گازها بصورت بگیرد.

3- فرآیند ذوب ثانویه، که تاکید آن بر کنترل انجماد و تولید شمشهای با ساختار مناسب و بی عیب است. تهیه شمشهای با خلوص بالا بدون حضور عیبهای ناخواسته از مواد دیر گداز و یا اتمسفر هوا از اهداف این مرحله است.

تکنیک های ذوب

فرآیندهای ذوب اولیه

ساده ترین روش برای ذوب اولیه سوپر آلیاژها در مقیاس زیاد، ذوب در کوره قوس الکتریک (EAF) است. فرآیند ذوب در هوا صورت می گیرد و حرارت مورد نیاز نیز از قوس الکتریکی بیش الکترودهای گرافیتی و مواد شارژ تامین می شود. عموماً، از اکسیژن گازی نیز برای کاهش مقادیر کربن، هیدروژن و نیتروژن استفاده می شود. ذوب تهیه شده اغلب به صورت شمش برای محصولات نوردی و یا الکترود برای رسیدن به کیفیتهای بالاتر در فرآیندهای ذوب مجدد، ریخته می شود عمده مزایای (EAF) به ترتیب زیر است:

1- انعطاف پذیری در نوع و شکل مواد شارژ

2- کنترل دمایی خوب

3- سرباره فعال سیال برای پالایش متالورژیکی

4- بیشترین تولید با کمترین قیمت

معایب این روش نیز دارای ترتیب زیر است:

1- حضور مواد نسوز

2- هوای محیط

3- سرباره

فقدان شرایط هم زدن خوب باعث افزایش زمان پالایش شده و ذوب از لحاظ همگن بودن فقیر خواهد بود.

تعدادی از سوپر آلیاژها، به ویژه سوپر آلیاژهای پایه Co و Fe-Ni را می توان به وسیله روشهای مختلف ذوب در هوا که برای فولادهای زنگ نزن به کار می‌رود، ذوب و تهیه کرد. با این وجود، برای اغلب سوپر آلیاژهای پایه Ni و یا پایه Fe-Ni، فرآیند ذوب اولیه باید در کوره ذوب القایی در خلاء (VIM) صورت بگیرد. استفاده VIM مقدار گازهای بین نشین (N2,O2) را به مقادیر کمتر کاهش داده و شرایط بسیار خوبی را برای افزایش یو کنترل مقادیر Ti,Al (و دیگر عناصر نسبتاً فعال) فراهم می سازد. مقادیر سرباره و آخال نیز در مقایسه با روش ذوب در هوا به شدت کاهش می یابد.

شارژ اولیه برای کوره VIM ، آلیاژهای پایه است و عناصر آلیاژی فرار به آن اضافه نمی شود. بعد از آنکه شارژ در اثر یکسری واکنشهای خروج گاز و جوش ذوب شد، همگن سازی و پالایش انجام می شود. قبل از ریخته گری الکترودها، ترکیب مذاب کاملاً کنترل شده و اصلاح می شود. الکترودها را می توان هم در خلاء و هم تحت گاز خنثی ریخته گری کرد.

عمده معایب فرآیند VIM عبارت است از:

1- سایش نسوز و واکنشهای ذوب- نسوز که منجر به تولید آخالهای اکسیدی می‌شود.

2- عدم کنترل نرخ انجماد که منجر به تشکیل لوله انقباضی اضافی و جدانشینی انجمادی می شود.

3- درشت ساختار و ریز ساختار غیر یکنواخت.

فرآیند های پالایش

سه فرآیند پالایش اولیه برای سوپر آلیاژهای تولید شده از فرآیند EAF مورد استفاده قرار می گیرد. گاززدایی در خلاء (VD) اولین مرحله برای بالا بردن کیفیت محصول کوره الکتریکی است. در این فرآیند، فلز مذاب در یک محفظه مجزا و در معرض فشارهای بسیار پایین پالایش می شود. تحت این شرایط گازهای حل شده مانند مونواکسید کربن، هیدروژن و نیتروژن کاهش می یابد. برخی تجهیزات مانند الکترودهای گرافیتی یا کویلهای القایی نیز برای حرارت دهی فلز مذاب در حین و یا در ادامه فرآیند گاززدایی استفاده می شود.

توسعه فرآیندهای گاززدایی منجر به فرآیند کربن زدایی با اکسیژن در خلاء (VOD) گردید که در آن، فولادهای زنگ نزن و سوپر آلیاژها را میتوان تحت شرایط بسیار کنترل شده عمل آورد. در این فرآیند پالایش، فلز مذاب تهیه شده از EAF که دارای مقادیر زیادی کربن و کروم است تحت خلاء و با تزریق اکسیژن کربن زدایی می‌شود. این عمل، اجازه می دهد تا در تولید سوپر آلیاژها، از مواد خام حاوی کربن زیاد با قیمت پایین تر استفاده کرد. برای بالا بردن کیفیت گاززدایی می توان مذاب را به وسیله آرگون و یا القاء و یا هر دو هم زد.

سومین روش پالایش، تکنیک کربن زدایی به وسیله آرگون و اکسیژن (AOD) است در این روش، فلز مذاب معمولاً با تزریق اکسیژن و آرگون کربن زدایی می شود. مخلوط اکسیژن و آرگون از نازلها یا افشانکهای مجزا تزریق و نسبت آرگون به اکسیژن با پالایش یا کربن زدایی به تدریج افزایش می یابد. پس از رسیدن کربن بهحد مورد نیاز، واکنش های مذاب سرباره، مانند احیاء کروم و گوگرد زدایی را می توان با هم زدن مذاب به وسیله تزریق آرگون خالص تشدید کرد. تزریق آرگون همچنین، گازهای حل شده دیگر را خارج می کند.

فرآیند AOD به دلایل زیر به سرعت مقبولیت و  توسعه یافت:

1- سادگی و انعطاف پذیری

2- کنترل آسان و قابلیت تولید مجدد

3- کیفیت مذاب عالی

این روش را می توان انقلابی در تولید فولاد و سوپر آلیاژهایی دانست که نیاز به کربن و مقادیر عناصر فعال پایین دارند. این فرآیند شرایط استفاده از فرو کروم های پر کربن دیگر مواد خام ارزانتر از برای تولید بسیاری از آلیاژها فراهم آورده است.ساختمان ساده محفظه AOD نیز مشکلات فرآیندی و تعمیر و نگهداری را بسیار کاهش داده است. همچنین، مصرف بالای آرگون را می توان به طور جزئی با جایگزینی نیتروژن کاهش داد. از AOD بیشتر در تولید فولادهای زنگ نزن استفاده می‌شود ولی برخی شرکتها از این فرآیند برای تولید آلیاژهای پایه نیکل دما بالا و مقاوم در برابر خوردگی استفاده می کنند.

فرآیندهای ذوب ثانویه

معمولترین روشهای ذوب ثانویه برای سوپر آلیاژها عبارت است از VAR و ESR. فرآیند VIM عموماً به عنوان فرآیند ذوب اولیه سوپر آلیاژها به کار می رود و ممکن است برای ریخته گری دقیق قطعات سوپر آلیاژ کافی باشد با این وجود، برای موادیکه قرار است در معرض فرآیندهای شکل دادن باشند، به ویژه برای سوپر آلیاژهای با استحکام بالاتر که برای تولید توربین های گازی بزرگ در معرض کار قرار می گیرند، فرآیند ذوب ثانویه کاملاً ضروری است شمشهای VIM عموماً دارای اندازه دانه‌های بزرگ و غیر یکنواخت است و همچنین انقباض و جدا نشینی عناصر آلیاژی نیز رخ می دهد.

با این حال در مواردیکه محصولات تحت فرآیندهای شکل دادن قرار خواهند گرفت و نیاز به استحکام بالایی است. فرآیند ذوب ثانویه کاملاً ضروری است.

این موارد مشکلی برای مواد خامی که قرار است ذوب مجدد شوند ایجاد نمی‌کند، در حالیکه برای سوپر آلیاژهایی مانند Incoloy 901 و Waspaloy و In cone 1718 و Astroloy که فورج پذیراند و تحت کار گرم قرار می گیرند بسیار محدود کننده و مشکل زاست. این مشکلات را می توان با توالی ذوب VIM با VAR یا ESR کاملاص حل کرد. VAR و ESR علاوه بر اصلاح ترکیب آلیاژ، ساختار انجمادی شمش را نیز اصلاح می کنند. ]1،3،6[

پیشرفتهای اخیر در تکنولوژی ریخته گری و ذوب شمش مانند VADER شرایط مناسبی را برای اصلاح و بهبود ساختار سوپر آلیاژهای با استحکام بالا برای روشهای فورج و اکستروژن به شکل شمش فراهم می آورد. ]9-7[

یکی از روشهای جدید برای بهبود خواص و کارپذیری سوپر آلیاژهای پایه Ni و Fe-Ni که مقادیر آخال و ناخالصی های سرباره را به شدت کاهش می دهد، روش EBR است. EBR فرآیند بسیار مناسبی برای تهیه شمشهای ریختگی و کارپذیر با کیفیت عالی است. ]1[

با این وجود، هر روز روشها و فرآیندهای بسیار پیشرفته و کاملتری نیز برای ذوب و تهیه سوپر آلیاژهای اختراع و ابداع می شود از جمله جدیدترین روشهای بسیار پیشرفته برای ذوب ثانویه ISM و EBCHR است. در ادامه، شرح مختصری از هر یک از فرآیندهای ذوب ثانویه ارائه می شود.

فرآیند VAR

فرآیند VAR معروفترین روشی است که در آمریکا، به طور گسترده برای ذوب مجدد الکترودهای سوپر الیاژ VIM به کار می رود ]1،4[. نمایی از کوره VAR در فرآیند ذوب در یک بوته مسی که با آب خنک می‌شود در فشار  صورت می گیرد. حرارت مورد نیاز از قوس جریان بالا و ولتاژ پایین بین الکترود و فلز مذاب تامین می شود. نرخ ذوب برای این فرآیند به صورت تابعی از توان ورودی کنترل می شود و دماهای فوق ذوب پایین قابل دسترسی است. نرخ انجماد را می توان با نرخ ذوب و شدت خنک کاری بوته به وسیله آب کنترل کرد. نرخ انجماد کنترل شده VAR مضرات ویژه الکترودهای VIM را کم می کند. ولی، تنها می تواند آخالهای اکسیدی را که در اثر فلوتاسیون در فرآیند VIM اولیه به وجود آمده حذف کند.

فرآیند ESR

در سالهای اخیر به علت امکان تهیه و بهبود سوپر آلیاژهای بسیار تمیز ذوب ESR بسیار مورد توجه قرار گرفته است. ذوب ESR نیز در یک بوته مسی آبگرد صورت می گیرد. الکترود در یک سرباره تصفیه غوطه ور می شود و حرارت به وجود آمده در سرباره به وسیله جریان مستقیم الکتریکی که از میان الکترود و سرباره به حوضچه مذاب می رسد ایجاد می‌شود. اولین منرحله تصفیه و پالایش، از واکنشهایی که در حین تشکیل قطره بر روی نوک الکترود و فصل مشترک حوضچه مذاب- سرباره به وجود می آید نتیجه می شود