Главная → Продукция → Вакуумные индукционные печи

Вакуумные индукционные печи

Особый класс вакуумных печей - конструкции с индукционным способом нагрева, широко используемые в цветной металлургии, машиностроении и других отраслях. Как правило, подобный подход применяется при необходимости получать сплавы металлов, требующие вакуума или контролируемой атмосферы во время переплава на этапе шихтоподготовки и при литье, например, по выплавляемым моделям или центробежным способом.

Помимо производства вакуумных индукционных печей общепромышленного применения с объемом тигля до 1000 кг, НПП ВакЭТО имеет опыт успешного создания специализированных индукционных вакуумных плавильных конструкций, например, в боксовом исполнении для плавки расщепляющихся материалов.

В зависимости от задач заказчиков, создававшиеся ВакЭТО индукционные печи комплектовались различными опциями: автоматической загрузки шихты, отбора пробы металла во время плавки, автоматической системой слива металла с поддержанием заданной точки попадания струи расплава, устройствами направленной кристаллизации и многими другими.

Проектируя вакуумную систему индукционных плавильных установок, мы предлагаем одно из перспективных направлений - отказ от паромасляных бустерных насосов, необходимых для поддержания остаточного давления при плавке на уровне около 10-3 мм рт. ст. Подобные остаточные давления можно получить, применяя только механически насосы типа Рутс, что значительно облегчает эксплуатацию и увеличивает производительность вакуумных индукционных печей в реальных условиях промышленного производства.

Еще одно важное направление при создании вакуумных плавильных печей - системы улавливания возгонов, или других выделяющихся в процессе веществ, препятствующие их попаданию в вакуумную систему. Соответствующие фильтры и иные системы улавливания обычно представляют отдельные конструкторские проблемы, которые мы готовы разрешить, исходя из конкретной ситуации в вашем технологическом процессе.

Помимо применения индукционного способа нагрева в плавильных конструкциях печного оборудования, наши специалисты используют индукционные нагреватели в конструкциях с менее распространенным решением – при сусцепторном исполнении нагревательного блока. Как правило, такой подход целесообразен при разработке сверхвысокотемпературных конструкций. В частности, ВакЭТО создало промышленную установку для проведения процессов графитации при температурах до 2500 °С c размерами рабочего пространства 2 метра высоты и 1 метр в диаметре.

Направьте запрос в нашу компанию, и мы дадим Вам исчерпывающую консультацию.

Области применения и современные конструкторские решения

Получение специализированных сплавов, востребованных в высокотехнологичных отраслях современной промышленности, невозможно без вакуумных индукционных плавильных печей. В них создаются не загрязненные посторонними включениями однородные отливки, с последующей разливкой в литьевые формы для получения заданной бездефектной конфигурации и других специальных свойств изделия. Направлений технологического применения вакуумных индукционных печей множество, и для конкретных типов задач они подробно описаны в специализированной литературе. Поскольку мы в первую очередь – машиностроители, создающие «инструменты» в области вакуумной электротермии, рассмотрим современные конструкции индукционных вакуумных плавильных печей с точки зрения особенностей характерных компоновочных и иных конструкторских решений с акцентом на их «вакуумной» составляющей.

На первоначальных этапах проектировании любых печей основное внимание конструктора сосредоточено на особенностях разогрева садки, что для рассматриваемого нами типа индукционного нагрева означает электрическую колебательную систему: «нагрузка» - «индуктор» – «конденсаторная ёмкость» – «внешний источник», где:

под «нагрузкой» понимается расплавляемый металл в проводящем/непроводящем типе тигля;
под «индуктором» – катушка индуктивности, изготавливаемая из меди разного сечения с внутренним водоохлаждением;
под «конденсаторной емкостью» - необходимый набор конденсаторных банок, включенный в основной колебательный контур совместно с индуктором;
«внешний источник» - внешний, по отношению к основному колебательному контуру, источник вынуждающих электрических колебаний (транзисторный или тиристорный преобразователь частоты – ТПЧ).

Нагрев и последующее плавление металлов в тигле происходит за счет возникновения в этих металлах вихревых токов (токов Фуко) вследствие изменения магнитного поля, создаваемого индуктором. Конденсаторная емкость отвечает за оптимизацию частоты изменений электромагнитного поля индуктора, а ТПЧ обеспечивает ввод «внешней» энергии в основной колебательный контур с подстройкой его текущей резонансной частоты, учитывающей изменяющиеся параметры нагрузки. В общем случае плавления металла в керамических (не электропроводящих) типах тиглей эта частота для крупных промышленных конструкций вакуумных печей находится в интервале от 50 – 500 Гц, а для минимальных объемов плавки (порядка 1 кг), например, драгоценных металлов, редко превышает 5 - 10 кГц.

Индукционные вакуумные печи, как и обычные открытые индукционные, обладают тем преимуществом, что после расплавления металлов в тигле не допускают сегрегации расплава и за счет электромагнитного перемешивания обеспечивают его гомогенизацию, в отличие от плавильных печей сопротивления, подходящих только для монометаллов. Низкое остаточное давление (вакуум) во время расплавления позволяет эффективно удалять газовые и другие легколетучие включения из расплава. Тяжелые элементы отделяют так же, как в обычных индукционных печах, оставляя их на дне расплава и фильтруя тугоплавкие включения при сливе металла через тандиш или фильтры других типов.

Сливать металл из тигля в холодные изложницы или подогреваемые формы можно как поворачивая тигль, так и используя различные конструкции донного слива – например, с помощью пробойника или вынимаемой пробки в дне тигля. Именно вакуумные печи предпочтительны при заливке особо тонких конструкций отливок, таких как тонкостенные турбинные лопатки, когда требуется заливать стенки длиной более метра при толщинах около миллиметра. Подобную заливку невозможно осуществить в «открытых» печах – для нее нужен вакуум, где нет газовых пузырей, препятствующих протеканию металлического сплава внизу заливаемой формы, обычно подогреваемой.

Еще одно частое применение индукционных плавильных вакуумных печей – рафинировочная плавка металлов для удаления легколетучих примесей и отделения тяжелых или тугоплавких загрязнителей. В основе такого способа очистки лежат «особенности вакуума», рассмотренные нами в статье про вакуумные электропечи сопротивления. Кроме того, плавление в вакууме само по себе не может «добавить» загрязнений, что происходит в индукционных плавильных печах открытого типа и особенно актуально при повышении температуры, т. е. для жаропрочных сплавов.

Материалы, требующие плавления в вакууме, востребованы в основном там же, где требуется вакуумная термообработка без изменения агрегатного состояния металлов, поэтому основные заказчики вакуумных индукционных электропечей те же, что и вакуумных печей сопротивления: ГК «Росатом», ГК «Роскосмос», ГК «Ростех». По направлениям применения акцент можно поставить на том, что получение особенно чистых металлов требуется предприятиям, занимающимся электро- и электровакуумной техникой, а также находящимся в контуре Росатома. Авиастроение и космонавтика – постоянные потребители жаростойких и жаропрочных сплавов. Однако разнообразие вакуумных литейных технологий и направлений использования индукционных вакуумных печей столь широко, что невозможно однозначно разделить типы плавящихся материалов / используемых конструкций печей по заказчикам / областям применения, учитывая обычное пожелание покупателя оборудования использовать его для различных технологических операций в области «вакуумного» литья.

Печи подогрева форм в составе индукционных вакуумных плавильных комплексов

Отсутствие газовых «загрязнителей» в вакуумной печи сильно расширяет возможности точного фасонного литья, например, по выплавляемым моделям, без последующей механической обработки деталей или с минимальной обработкой, что, как правило, требует разогрева литейной формы до определенной температуры к моменту заливки металла.

В высокопроизводительных промышленных технологиях вакуумного литья часто используются внешние, по отношению к вакуумной литейной установке, печи предварительного подогрева форм с газовым или электрическим типом нагрева. Это особенно актуально для форм из керамики, где разогрев занимает часы и требуется максимально плавный нагрев с минимальными температурными градиентами внутри формы. Он лучше осуществляется при низких температурах в воздушной среде, которая, в отличие от вакуума, обладает конвекционной составляющей теплопередачи. Однако, вне зависимости от наличия внешней печи, сами вакуумные индукционные литейные комплексы все равно оснащают печами разогрева форм. При наличии внешней печи разогрева печь, установленную внутри плавильной вакуумной камеры, называют печью подогрева, поскольку она должна не полностью разогреть форму, а лишь довести предварительно нагретую форму до точно определенной температуры непосредственно перед ее наполнением расплавленным в тигле металлом, а также компенсировать неизбежное частичное охлаждение формы при ее переносе из внешней печи разогрева в индукционную вакуумную плавильную печь.

Обычные рабочие температуры печей подогрева форм в составе плавильного комплекса, в зависимости от типа разливаемого сплава и геометрии получаемой жаропрочной отливки, колеблются в интервале 800 – 1200 ⁰С, однако для разных применений температуры могут быть как ниже, так и выше. Благодаря совокупности преимуществ, например, возможности быстро развакуумировать залитую форму, не дожидаясь охлаждения печи подогрева, а также по экономическим соображениям, в качестве нагревателя обычно используют сплав сопротивления, как правило, нихром (Х20Н80-Н). Для более высокотемпературных применений могут применяться нагреватели из углеродных материалов, но это связано с рядом технологических ограничений и является редким конструкторским решением. Вне зависимости от типа материала нагревателя, учитывая «вакуумную» среду при работе печи подогрева форм (ППФ), необходимо реализовывать комплекс конструктивных решений, характерных для вакуумных печей сопротивления, подробнее о которых можно прочитать здесь. ППФ должна быть надлежащим образом теплоизолирована, для протяженных (высоких) отливок может быть выполнена многозонной, иметь, в зависимости от максимальной температуры применения ППФ, систему понижения напряжения на тепловыделяющих частях нагревателя до значений напряжения около 50 В и менее, обладать собственной системой обратной связи от термопар контроля температуры ППФ и системой защиты от перегрева. В относительно редких случаях ППФ изготавливают как вторую индукционную печь, что может быть обусловлено предельно высокой температурой подогрева формы либо необходимостью ее быстрого нагрева не во внешней печи, а непосредственно в плавильной камере, но такое решение требует изготовления формы не из керамики (которую невозможно разогреть стандартной промышленной частотой), а из проводящих материалов - металлических или углеродных, комбинированных с «инертной» керамикой, в которую, как правило, непосредственно заливают металл.

Зачастую для повышения общей производительности литейного комплекса его изготавливают в конструктиве полупериодического действия, оснащая форкамерой подогрева форм, куда и загружают форму непосредственно в расположенную там же ППФ, в то время как отделенная вакуумным затвором плавильная камера остается под низким остаточным давлением (в вакууме) и может в это время осуществлять операции подготовки расплава. После закрытия форкамеры ее откачивают и открывают межкамерный затвор с плавильной камерой, куда переносится форма, как правило, вместе с ППФ, для заливки металла. После заливки ППФ с отливкой возвращают в загрузочную форкамеру, которую развакуумируют для повторения цикла, а в плавильной камере начинают плавление следующей порции металла.

Дозагрузка и легирование сплавов

Описанное выше конструктивное решение с форкамерой для загрузки и выгрузки форм требует создания второй форкамеры для загрузки следующих порций металла в плавильную камеру без ее развакуумирования, иначе теряется смысл создания первой форкамеры.

Форкамера дозагрузки обладает всеми основными системами: отдельной вакуумной системой с системой измерения остаточного давления, вакуумным межкамерным затвором, загрузочной дверью, системой охлаждения и теплоизоляции от излучения из тигля (поскольку наиболее удобное место для дозагрузки находится сверху тигля, одновременно являясь и наиболее термонагруженным из-за излучения с поверхности расплавленного металла), а также механизмом перемещения загрузочной корзины с металлом для добавления в тигель. Загрузочная корзина нужна для предотвращения падения металла в тигель с большой высоты, поскольку это неизбежно приводит к выходу из строя керамических и иных тиглей, или к недопустимому расплескиванию предварительно расплавленного металла.

Следует отметить, что дозагрузочные камеры используются и на «обычных» индукционных вакуумных плавильных печах без форкамеры, поскольку при загрузке металлической шихты ее насыпная плотность существенно ниже плотности расплава (редко выше 0,5), поэтому для наполнения тигля «по расплаву» до обычных 75 – 80% объема необходимо производить дозагрузку после оседания и расплавления первой порции металла, когда развакуумирование, очевидно, недопустимо.

«Вакуумная среда» при расплавлении и активном перемешивании расплава металлов приводит к быстрому обеднению сплавов легколетучими элементами и выходу химического состава расплавов за нормативные значения. Для обеспечения необходимого объема легирующих элементов в расплаве их вводят в него в последнюю очередь или учитывают ожидающийся унос таких элементов за то время, пока они будут растворяться и гомогенизироваться в расплаве. Для введения легирующих добавок в нужное по технологии время используют основное загрузочное устройство и также проектируют специальные упрощенные устройства для ввода небольших объемов легирующих элементов.

Подобные упрощенные устройства ввода легирующих добавок могут не содержать отдельной вакуумной системы, либо используя для вакуумирования насос основной дозагрузочной форкамеры, либо – из-за малого объема воздуха внутри камеры дозагрузки легирующих – откачиваясь основной вакуумной системой плавильной камеры в момент открытия небольшого межкамерного затвора устройства ввода легирующих в плавильную камеру. Ввиду небольшого объема и веса легирующих добавок они вводятся также без специального механизма, а просто путем падения в тигель. Поскольку пространство над тиглем, как правило, занято основным дозагрузочным устройством, для доставки легирующих непосредственно в расплав используют подвижный направляющий канал (трубу) внутри плавильной камеры или другие типы простых направляющих механизмов.

Существуют еще более простые конструкции ввода добавок, когда дозагрузка легирующих происходит один раз на несколько плавок (например, 5 - 10). В этих случаях дозагрузочное устройство размещают непосредственно в плавильной камере, без возможности доступа к нему без развакуумирования, и разделяют его на отдельные, последовательно расположенные ячейки, загружаемые легирующими добавками до начала вакуумирования и плавления первой партии. Когда расплав готов, содержимое ячеек последовательно вводят в тигель, по мере готовности очередной порции сплава. Недостаток такого конструктивного решения – необходимость рано или поздно прерывать серию плавок для развакуумирования плавильной камеры и пополнения запаса легирующих, зато оно позволяет максимально упростить внутрикамерные механизмы легирования.

Система измерения температуры

Для погружения термопары в расплав используют специальный внутрипечной механизм ее перемещения, который (при отсутствии достаточного места над тиглем) объединяют с приводом механизма дозагрузки, что вносит дополнительные сложности в управлении плавильщиком погружной термопарой. Тот же механизм перемещения дозагрузочной корзины, объединенный с погружной термопарой, часто используют и для механизма отбора проб металла для быстрого анализа химического состава расплава перед принятием решения о сливе металла в форму.

Основные сложности измерения температуры расплавленного металла методом погружения возникают, когда конструктивно затруднено постоянное расположение термопары в расплаве. Особенно актуальны эти проблемы для жаропрочных сплавов, температура слива которых иногда превышает 1700 и даже 1800 0С.

Высокие измеряемые температуры позволяют использовать в качестве погружных только термопары типа ВР-5/20. Очевидно, что термопара без защитного чехла не сможет дать необходимый сигнал из расплава металла, и для защиты термопарного спая от расплавленного металла конструируют специальные чехлы различных типов. Среди основных сложностей – взаимодействие расплава металла с материалом защитного чехла термопары. Например, хорошими эксплуатационными свойствами обладают чехлы из углеродных материалов, однако их применение крайне ограничено возможностью взаимодействия с жаропрочными сплавами, которые в результате измерений с такими чехлами «науглероживаются» до недопустимых значений. Керамики, аналогичные тем, которые используются в качестве материала тигля, являются допустимой альтернативой, но низкое сопротивление к термическим ударам, неизбежно возникающим при вводе и выводе погружных термопар, сильно ограничивает время их применения, иногда не позволяя надежно провести даже единичное измерение. Используются конструкции намеренно одноразовых защитных чехлов, цель которых – не защитить, а лишь на время измерения отсрочить выход из строя термопары, однако сплавы, в которых производят измерения такого типа, должны быть нечувствительными к деструкции внутри них материалов чехлов, что на практике выполняется далеко не всегда.

Существуют подходы «быстрого» измерения температур, когда используются, например, недорогие и относительно инертные кварцевые колпачки, позволяющие измерить температуру до 1600 – 1650 0С, хотя стойкость кварца при этих температурах крайне ограничена. Для измерения температуры предполагается введение в расплав защищенной таким колпачком термопары всего на 3 – 5 секунд, что позволяет с некоторой точностью определить температуру расплава. Однако подобные «быстрые» измерения не соответствуют строгим метрологическим нормам, поскольку тепловая инерционность даже минимальных термопар составляет 5 – 10 секунд до получения значения 95% от измеряемой величины, а поскольку термопара защищена от расплава чехлом, ее тепловая инерционность существенно увеличивается. Подобные ограничения пытаются нивелировать, например, предварительным прогревом погружной термопары над поверхностью расплава до введения непосредственно в расплав, однако метрологическая точность таких измерений все же остается сомнительной.

В умении учесть при плавке совокупность сложно влияющих друг на друга факторов, подготовить гомогенный расплав нужного химического состава и слить его при точно определенной температуре, получая отливку заданного качества, и заключается «искусство плавильщика».

Поддержание точки слива расплава в конструкциях с поворотным тиглем

Одна из важных составляющих успешной заливки формы – постоянство потока металла и его приблизительно одинаковая высота слива. В конструкциях с донным сливом это не требует специальных усилий конструктора и, как правило, выполняется просто в силу отсутствия изменения геометрии при сливе металла, чего нельзя сказать про весьма распространенные конструкции с поворотным тиглем, когда по мере его наклона меняются и высота слива, и объем потока металла.

Для компенсации неравномерности потока при сливе металла плавильщик управляет скоростью поворота тигля – обычно джойстиком или подобным устройством с пропорциональной аналоговой обратной связью. Для сохранения места точки слива используют либо промежуточные воронки (если это технологически допустимо), либо дополнительные внутрипечные механизмы, изменяющие положение в пространстве изложницы (формы) или индукционного плавильного узла в зависимости от угла его наклона.

Конструкции, где в зависимости от угла поворота тигля сам плавильный узел смещается в рамках, обеспечивающих равномерный поток металла из одной и той же пространственной точки, наиболее удобны для плавильщика, но и наиболее сложны в практической реализации. Они требуют перемещать вместе с тиглем индуктор с соответствующими силовыми токовыми линиями, отказаться от цилиндрической геометрии плавильной вакуумной камеры и обеспечивать подвижное вакуумное уплотнение «плоскость по плоскости» между вакуумным корпусом и пластиной для ввода индуктора.

Обычно существенно проще перемещать изложницу (форму), особенно если это не нужно делать вместе с ППФ, однако подобные механизмы, как правило, перемещаются только по одной координате и компенсируют только место попадания струи в форму, но не изменение высоты падения струи.

Конструкции смотровых окон плавильных вакуумных печей

Наиболее ответственные окна для приготовления расплава располагаются по возможности ближе к вертикали оси тигля, одновременно являясь наиболее загрязняемыми возгонами. Для защиты стекол смотровых окон применяется много разных конструкций, от оперативной смены стекла при запылении предыдущего (обойма сменных стекол) до всевозможных щеток, позволяющих протереть стекло изнутри без развакуумирования плавильной камеры, или шторок, открывающих стекло только на непродолжительное время фактической работы плавильщика. Существуют также конструкции с подачей вдоль стекла инертного газа, препятствующего попаданию возгонов на стекло, но они плохо применимы в технологиях, требующих поддержания предельного остаточного давления в плавильной камере на уровне 10^-1 - 10^-2 мм рт. ст. и ниже.

Универсальными, но наиболее сложными являются конструкции смотровых окон, позволяющих без развакуумирования плавильной камеры оперативно получить доступ к внутренней поверхности смотрового стекла для его быстрой очистки / замены, без прерывания процесса плавки в вакууме.

При обсуждении количества смотровых окон для индукционных вакуумных плавильных печей необходимо отметить, что в конструкциях с поворотным тиглем помимо окна приготовления расплава и окна для слива металла в изложницу целесообразно предусматривать еще одно окно, которое можно использовать для обучения персонала без помех работающему плавильщику либо для установки видеокамеры, фиксирующей действия внутри печи во время приготовления расплава и разлива садки.

Вакуумные индукционные плавильные печи сусцепторного типа

Как уже отмечалось, одно из основных преимуществ плавильных вакуумных печей индукционного типа – «автоматическая» гомогенизация расплавов в электропрозрачном тигле за счет электромагнитного перемешивания металлов, связанного с природой их нагрева индуктором. Однако это не единственное применение, в котором целесообразно использовать индукционный способ разогрева. В отличие от вакуумных электропечей сопротивления, нагревательный элемент (индуктор) остается холодным, поскольку имеет внутреннее водоохлаждение и разогревает не излучением, а электромагнитным полем. При согласованности колебательного контура это позволяет передавать много энергии в садку или в специальный «промежуточный» элемент, называемый сусцептором. Конечно, сусцептор должен быть выполнен из проводящих материалов, чтобы воспринимать индуцируемую электромагнитную энергию и трансформировать ее в собственный нагрев, после чего он становится вторичным излучателем и, подобно нагревателю сопротивления, осуществляет дальнейший нагрев садки, расположенной внутри него.

Подобные сусцепторные конструкции целесообразны при особенно высоких температурах нагрева, когда нагреватели сопротивления из тех же материалов не могут надежно работать в силу механических и иных ограничений.

В качестве примера приведем созданный НПП ВакЭТО комплекс для графитации, позволяющий в объеме графитового сусцептора около кубического метра получать температуру в вакууме до 2500 ⁰С. Создание надежного нагревателя сопротивления из углеродных материалов при таких температурах и для такого объема затруднительно по ряду причин, среди которых высокая вероятность объемных или иных паразитных разрядов нагревателя, а также высокая упругость пара углерода при этих температурах (до 1 Па), что будет приводить к быстрой деструкции относительно сложного и дорогого углеродного нагревателя в сравнении с массивным и простым, а потому дешевым, сусцептором из графита простых сортов, например, электродного.

По аналогичным соображениям НПП ВакЭТО разработало высокотемпературные индукционные сусцепторные комплексы для спекания оксидных и нитридных специальных материалов при температурах до 2000 ⁰С, без использования углерода. В качестве сусцептора применяется вольфрамовая труба, имеющая несоизмеримо больший ресурс, чем любые конструкции нагревателей сопротивления из вольфрама, что особенно актуально для сложных в обслуживании конструкций, например, задействованных в спекании топлива для ТВЭЛ.

Преимущества сотрудничества с НПП ВакЭТО

Есть еще много типов вакуумных печей с использованием индукционного способа нагрева, конструкции которых продиктованы разными технологическими соображениями, включая экзотические решения, например, создание стенок вакуумной плавильной камеры из электропрозрачного материала и размещение индуктора снаружи такого корпуса, в обычной воздушной среде, а также огромное количество важных технологических и конструктивных нюансов индукционных печей, описать которые в рамках одной статьи невозможно.

Более чем 25-летний опыт НПП ВакЭТО в проектировании, изготовлении и внедрении вакуумного электротермического оборудования, в частности, с индукционным способом нагрева, позволяет нам уверенно решать технологические задачи любой сложности на самом современном мировом уровне развития такого оборудования.

Если у вас есть нестандартные или сложные задачи в области индукционных плавильных вакуумных печей или, еще шире, в области вакуумно-компрессионных процессов с любым способом нагрева, то наши специалисты охотно проведут консультацию и помогут найти оптимальное конструктивное решение для вашей технологической задачи в предметной области, в которой мы ведем повседневную работу.

Индукционные вакуумные электропечи: области применения и современные конструкторские решения

Получение специализированных сплавов, востребованных в высокотехнологичных отраслях современной промышленности, невозможно без вакуумных индукционных плавильных печей. В них создаются не загрязненные посторонними включениями однородные отливки, с последующей разливкой в литьевые формы для получения заданной бездефектной конфигурации и других специальных свойств изделия. Направлений технологического применения вакуумных индукционных печей множество, и для конкретных типов задач они подробно описаны в специализированной литературе. Поскольку мы в первую очередь — машиностроители, создающие «инструменты» в области вакуумной электротермии, рассмотрим современные конструкции индукционных вакуумных плавильных печей с точки зрения особенностей характерных компоновочных и иных конструкторских решений с акцентом на их «вакуумной» составляющей.

На первоначальных этапах проектировании любых печей основное внимание конструктора сосредоточено на особенностях разогрева садки, что для рассматриваемого нами типа индукционного нагрева означает электрическую колебательную систему: «нагрузка» - «индуктор» — «конденсаторная ёмкость» — «внешний источник», где:

под «нагрузкой» понимается расплавляемый металл в проводящем/непроводящем типе тигля;
под «индуктором» — катушка индуктивности, изготавливаемая из меди разного сечения с внутренним водоохлаждением;
под «конденсаторной емкостью» - необходимый набор конденсаторных банок, включенный в основной колебательный контур совместно с индуктором;
«внешний источник» - внешний, по отношению к основному колебательному контуру, источник вынуждающих электрических колебаний (транзисторный или тиристорный преобразователь частоты — ТПЧ).

Нагрев и последующее плавление металлов в тигле происходит за счет возникновения в этих металлах вихревых токов (токов Фуко) вследствие изменения магнитного поля, создаваемого индуктором. Конденсаторная емкость отвечает за оптимизацию частоты изменений электромагнитного поля индуктора, а ТПЧ обеспечивает ввод «внешней» энергии в основной колебательный контур с подстройкой его текущей резонансной частоты, учитывающей изменяющиеся параметры нагрузки. В общем случае плавления металла в керамических (не электропроводящих) типах тиглей эта частота для крупных промышленных конструкций вакуумных печей находится в интервале от 50 — 500 Гц, а для минимальных объемов плавки (порядка 1 кг), например, драгоценных металлов, редко превышает 5 - 10 кГц.

Сливать металл из тигля в холодные изложницы или подогреваемые формы можно как поворачивая тигль, так и используя различные конструкции донного слива — например, с помощью пробойника или вынимаемой пробки в дне тигля. Именно вакуумные печи предпочтительны при заливке особо тонких конструкций отливок, таких как тонкостенные турбинные лопатки, когда требуется заливать стенки длиной более метра при толщинах около миллиметра. Подобную заливку невозможно осуществить в «открытых» печах — для нее нужен вакуум, где нет газовых пузырей, препятствующих протеканию металлического сплава внизу заливаемой формы, обычно подогреваемой.

Еще одно частое применение индукционных плавильных вакуумных печей — рафинировочная плавка металлов для удаления легколетучих примесей и отделения тяжелых или тугоплавких загрязнителей. В основе такого способа очистки лежат «особенности вакуума», рассмотренные нами в статье про вакуумные электропечи сопротивления. Кроме того, плавление в вакууме само по себе не может «добавить» загрязнений, что происходит в индукционных плавильных печах открытого типа и особенно актуально при повышении температуры, т. е. для жаропрочных сплавов.

Материалы, требующие плавления в вакууме, востребованы в основном там же, где требуется вакуумная термообработка без изменения агрегатного состояния металлов, поэтому основные заказчики вакуумных индукционных электропечей те же, что и вакуумных печей сопротивления: ГК «Росатом», ГК «Роскосмос», ГК «Ростех». По направлениям применения акцент можно поставить на том, что получение особенно чистых металлов требуется предприятиям, занимающимся электро- и электровакуумной техникой, а также находящимся в контуре Росатома. Авиастроение и космонавтика — постоянные потребители жаростойких и жаропрочных сплавов. Однако разнообразие вакуумных литейных технологий и направлений использования индукционных вакуумных печей столь широко, что невозможно однозначно разделить типы плавящихся материалов / используемых конструкций печей по заказчикам / областям применения, учитывая обычное пожелание покупателя оборудования использовать его для различных технологических операций в области «вакуумного» литья.

Печи подогрева форм в составе индукционных вакуумных плавильных комплексов

Обычные рабочие температуры печей подогрева форм в составе плавильного комплекса, в зависимости от типа разливаемого сплава и геометрии получаемой жаропрочной отливки, колеблются в интервале 800 — 1200 °С, однако для разных применений температуры могут быть как ниже, так и выше. Благодаря совокупности преимуществ, например, возможности быстро развакуумировать залитую форму, не дожидаясь охлаждения печи подогрева, а также по экономическим соображениям, в качестве нагревателя обычно используют сплав сопротивления, как правило, нихром (Х20Н80-Н). Для более высокотемпературных применений могут применяться нагреватели из углеродных материалов, но это связано с рядом технологических ограничений и является редким конструкторским решением. Вне зависимости от типа материала нагревателя, учитывая «вакуумную» среду при работе печи подогрева форм (ППФ), необходимо реализовывать комплекс конструктивных решений, характерных для вакуумных печей сопротивления, подробнее о которых можно прочитать здесь. ППФ должна быть надлежащим образом теплоизолирована, для протяженных (высоких) отливок может быть выполнена многозонной, иметь, в зависимости от максимальной температуры применения ППФ, систему понижения напряжения на тепловыделяющих частях нагревателя до значений напряжения около 50 В и менее, обладать собственной системой обратной связи от термопар контроля температуры ППФ и системой защиты от перегрева. В относительно редких случаях ППФ изготавливают как вторую индукционную печь, что может быть обусловлено предельно высокой температурой подогрева формы либо необходимостью ее быстрого нагрева не во внешней печи, а непосредственно в плавильной камере, но такое решение требует изготовления формы не из керамики (которую невозможно разогреть стандартной промышленной частотой), а из проводящих материалов - металлических или углеродных, комбинированных с «инертной» керамикой, в которую, как правило, непосредственно заливают металл.

Дозагрузка и легирование сплавов

Следует отметить, что дозагрузочные камеры используются и на «обычных» индукционных вакуумных плавильных печах без форкамеры, поскольку при загрузке металлической шихты ее насыпная плотность существенно ниже плотности расплава (редко выше 0,5), поэтому для наполнения тигля «по расплаву» до обычных 75 — 80% объема необходимо производить дозагрузку после оседания и расплавления первой порции металла, когда развакуумирование, очевидно, недопустимо.

Подобные упрощенные устройства ввода легирующих добавок могут не содержать отдельной вакуумной системы, либо используя для вакуумирования насос основной дозагрузочной форкамеры, либо — из-за малого объема воздуха внутри камеры дозагрузки легирующих — откачиваясь основной вакуумной системой плавильной камеры в момент открытия небольшого межкамерного затвора устройства ввода легирующих в плавильную камеру. Ввиду небольшого объема и веса легирующих добавок они вводятся также без специального механизма, а просто путем падения в тигель. Поскольку пространство над тиглем, как правило, занято основным дозагрузочным устройством, для доставки легирующих непосредственно в расплав используют подвижный направляющий канал (трубу) внутри плавильной камеры или другие типы простых направляющих механизмов.

Существуют еще более простые конструкции ввода добавок, когда дозагрузка легирующих происходит один раз на несколько плавок (например, 5 - 10). В этих случаях дозагрузочное устройство размещают непосредственно в плавильной камере, без возможности доступа к нему без развакуумирования, и разделяют его на отдельные, последовательно расположенные ячейки, загружаемые легирующими добавками до начала вакуумирования и плавления первой партии. Когда расплав готов, содержимое ячеек последовательно вводят в тигель, по мере готовности очередной порции сплава. Недостаток такого конструктивного решения — необходимость рано или поздно прерывать серию плавок для развакуумирования плавильной камеры и пополнения запаса легирующих, зато оно позволяет максимально упростить внутрикамерные механизмы легирования.

Система измерения температуры

В системе измерения температуры ППФ, как правило, применяют хромель-алюмелевые или нихросил-нисиловые термопары, обычно в кабельном исполнении, обеспечивающие стабильное и точное измерение температуры заливочной формы / ППФ. Существенно сложнее, но и технологически важнее, измерение температуры расплава в тигле. Для этого традиционно используют пирометр и погружную термопару, однако оба метода имеют свои недостатки.

Из-за активного излучения энергии (тепла) с поверхности расплавленного металла эта поверхность имеет меньшую температуру в сравнении с внутренними (более глубокими) слоями, при этом разница температуры поверхностного слоя и «внутренних» объемов металла тем выше, чем выше общая температура расплава. Объясняется это законом Стефана-Больцмана, согласно которому энергетическая светимость (поток излучаемой с поверхности энергии) пропорциональна четвертой степени температуры.

Поскольку пирометром можно измерить температуру только поверхности расплава, сам способ такого измерения уже вносит плохо оцениваемую систематическую погрешность, показывая температуру поверхности ниже, чем температура металла в объеме тигля. Кроме того, на измерение пирометром поверхностной температуры очень сильно влияют попадающие в его «поле зрения» поверхностные неметаллические включения: оксиды, сульфиды, нитриды и другие формы плавильных шлаков, что не позволяет строить надежные системы обратной связи по информации от пирометра, и это препятствует автоматизированной плавке. Еще одна систематическая погрешность измерения температуры пирометром связана с «непредсказуемым» углом пирометра по отношению к поверхности расплава, также влияющим на показатели измеряемой температуры. Наилучшее расположение пирометра по отношению к расплаву — строго вертикально над расплавом, но пространство сверху тигля обычно занято системой дозагрузки, поэтому пирометры располагают с некоторым отклонением от перпендикулярной оси, и в результате пирометр считывает температуру «под углом». Этот угол мы назвали «непредсказуемым», поскольку на него влияет не только систематическое отклонение конструктивного расположения пирометра, но и объем расплава в тигле (от изменения объема металла зависит высота поверхности расплава), а также подаваемая в индуктор мгновенная мощность, которая влияет на степень выпуклости поверхностного мениска, кривизна которого сложным образом зависит от большой совокупности факторов. Среди проблем пирометрического считывания температуры необходимо упомянуть возгоны, загрязняющие прозрачные поверхности оптического канала пирометра, что особенно сильно влияет на измерения одноканальных радиационных пирометров, а также сильную зависимость измеряемой температуры от коэффициента излучения поверхности расплава, обычно доподлинно не известного.

Вышеописанные проблемы пирометрического измерения частично решаются путем применения пирометров мультиспектрального отношения, которые, в отличие от радиационных, измеряющих полную мощность теплового излучения в широком диапазоне длин волн, измеряют отношение интенсивности на двух (и более) отдельных длинах электромагнитного излучения. Такое отношение интенсивностей разных длин волн зависит от температуры, но почти не зависит от коэффициента излучения поверхности и степени затенённости оптического канала возгонами.

Низкая точность пирометрического измерения и необходимость регулярной «калибровки» пирометров вне зависимости от их типа требует обязательного наличия погружной термопары, сигнал от которой не зависит от перечисленной совокупности факторов, благодаря чему температуру можно измерять внутри расплава тигля, практически на любой глубине.

Высокие измеряемые температуры позволяют использовать в качестве погружных только термопары типа ВР-5/20. Очевидно, что термопара без защитного чехла не сможет дать необходимый сигнал из расплава металла, и для защиты термопарного спая от расплавленного металла конструируют специальные чехлы различных типов. Среди основных сложностей — взаимодействие расплава металла с материалом защитного чехла термопары. Например, хорошими эксплуатационными свойствами обладают чехлы из углеродных материалов, однако их применение крайне ограничено возможностью взаимодействия с жаропрочными сплавами, которые в результате измерений с такими чехлами «науглероживаются» до недопустимых значений. Керамики, аналогичные тем, которые используются в качестве материала тигля, являются допустимой альтернативой, но низкое сопротивление к термическим ударам, неизбежно возникающим при вводе и выводе погружных термопар, сильно ограничивает время их применения, иногда не позволяя надежно провести даже единичное измерение. Используются конструкции намеренно одноразовых защитных чехлов, цель которых — не защитить, а лишь на время измерения отсрочить выход из строя термопары, однако сплавы, в которых производят измерения такого типа, должны быть нечувствительными к деструкции внутри них материалов чехлов, что на практике выполняется далеко не всегда.

Существуют подходы «быстрого» измерения температур, когда используются, например, недорогие и относительно инертные кварцевые колпачки, позволяющие измерить температуру до 1600 — 1650 °С, хотя стойкость кварца при этих температурах крайне ограничена. Для измерения температуры предполагается введение в расплав защищенной таким колпачком термопары всего на 3 — 5 секунд, что позволяет с некоторой точностью определить температуру расплава. Однако подобные «быстрые» измерения не соответствуют строгим метрологическим нормам, поскольку тепловая инерционность даже минимальных термопар составляет 5 — 10 секунд до получения значения 95% от измеряемой величины, а поскольку термопара защищена от расплава чехлом, ее тепловая инерционность существенно увеличивается. Подобные ограничения пытаются нивелировать, например, предварительным прогревом погружной термопары над поверхностью расплава до введения непосредственно в расплав, однако метрологическая точность таких измерений все же остается сомнительной.

Поддержание точки слива расплава в конструкциях с поворотным тиглем

Одна из важных составляющих успешной заливки формы — постоянство потока металла и его приблизительно одинаковая высота слива. В конструкциях с донным сливом это не требует специальных усилий конструктора и, как правило, выполняется просто в силу отсутствия изменения геометрии при сливе металла, чего нельзя сказать про весьма распространенные конструкции с поворотным тиглем, когда по мере его наклона меняются и высота слива, и объем потока металла.

Для компенсации неравномерности потока при сливе металла плавильщик управляет скоростью поворота тигля — обычно джойстиком или подобным устройством с пропорциональной аналоговой обратной связью. Для сохранения места точки слива используют либо промежуточные воронки (если это технологически допустимо), либо дополнительные внутрипечные механизмы, изменяющие положение в пространстве изложницы (формы) или индукционного плавильного узла в зависимости от угла его наклона.

Конструкции смотровых окон плавильных вакуумных печей

Существуют также конструкции с подачей вдоль стекла инертного газа, препятствующего попаданию возгонов на стекло, но они плохо применимы в технологиях, требующих поддержания предельного остаточного давления в плавильной камере на уровне 10^-1 - 10^-2 мм рт. ст. и ниже.

Вакуумные индукционные плавильные печи сусцепторного типа

Как уже отмечалось, одно из основных преимуществ плавильных вакуумных печей индукционного типа — «автоматическая» гомогенизация расплавов в электропрозрачном тигле за счет электромагнитного перемешивания металлов, связанного с природой их нагрева индуктором. Однако это не единственное применение, в котором целесообразно использовать индукционный способ разогрева. В отличие от вакуумных электропечей сопротивления, нагревательный элемент (индуктор) остается холодным, поскольку имеет внутреннее водоохлаждение и разогревает не излучением, а электромагнитным полем. При согласованности колебательного контура это позволяет передавать много энергии в садку или в специальный «промежуточный» элемент, называемый сусцептором. Конечно, сусцептор должен быть выполнен из проводящих материалов, чтобы воспринимать индуцируемую электромагнитную энергию и трансформировать ее в собственный нагрев, после чего он становится вторичным излучателем и, подобно нагревателю сопротивления, осуществляет дальнейший нагрев садки, расположенной внутри него.

В качестве примера приведем созданный НПП ВакЭТО комплекс для графитации, позволяющий в объеме графитового сусцептора около кубического метра получать температуру в вакууме до 2500 °С. Создание надежного нагревателя сопротивления из углеродных материалов при таких температурах и для такого объема затруднительно по ряду причин, среди которых высокая вероятность объемных или иных паразитных разрядов нагревателя, а также высокая упругость пара углерода при этих температурах (до 1 Па), что будет приводить к быстрой деструкции относительно сложного и дорогого углеродного нагревателя в сравнении с массивным и простым, а потому дешевым, сусцептором из графита простых сортов, например, электродного.

По аналогичным соображениям НПП ВакЭТО разработало высокотемпературные индукционные сусцепторные комплексы для спекания оксидных и нитридных специальных материалов при температурах до 2000 °С, без использования углерода. В качестве сусцептора применяется вольфрамовая труба, имеющая несоизмеримо больший ресурс, чем любые конструкции нагревателей сопротивления из вольфрама, что особенно актуально для сложных в обслуживании конструкций, например, задействованных в спекании топлива для ТВЭЛ.