CÁC PHƯƠNG PHÁP NẤU CHẢY KIM LOẠI (Phần 3)

NẤU CHẢY BẰNG LÒ ĐIỆN CẢM ỨNG

I.             ĐỊNH NGHĨA:

Nấu chảy bằng điện cảm ứng (điện tử), bây giờ là phương pháp nấu chảy rất phổ biến

II.          PHÂN LOẠI: Lò điện cảm ứng được chia ra hai loại:

-          Lò điện cảm ứng trung tần

-          Lò điện cảm ứng cao tần

III.       LÒ ĐIỆN CẢM ỨNG TRUNG TẦN:

Vận hành dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, lợi dụng hiệu ứng Jun (Joule) của dòng điện cảm ứng trong việc nấu chảy kim loại. Điều đó có nghĩa là dựa vào điện trở của kim loại cản trở dòng điện lưu thông bên trong nó. Dòng điện bị cản trở nên các điện tử không lưu thông được, bị dồn ép tăng lên theo số lượng tại nơi bị cản trở và va đập vào nhau, tạo ra nhiệt lượng cần thiết để nấu chảy kim loại.

Rõ ràng hiệu ứng này, cao hơn cường độ dòng điện sử dụng và cao hơn điện trở bên trong của kim loại

1.      DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG:

Nồi nấu chứa hợp kim cần nấu chảy được đưa vào một cuộn dây cảm ứng, bên trong có dòng điện xoay chiều với điện áp thấp hay trung bình chạy dọc theo cuộn dây. Việc điều chỉnh điện áp của dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào các cảm biến điện tử đặc biệt (gọi đây là sự nấu chảy điện tử không chính xác, vì trong đó, việc thay đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, phải sử dụng bộ nắn dòng, để phóng thích các điện tử tự do).

Dòng điện một chiều này làm phát sinh một từ trường xoay chiều có cùng điện áp như dòng điện xoay chiều. Do đó, hợp kim được đặt hoàn toàn trong vùng từ trường xoay chiều này có dòng điện xoáy hay dòng điện Fu-cô (Foucault) đi qua.

Qua hình vẽ chúng ta thấy, hợp kim được nấu chảy là nhờ cuộn dây thứ cấp của một biến thế  đoản mạch và do đó toàn bộ điện năng được biến đổi thành nhiệt năng.

Biến thế này có hai cuộn dây: Cuộn sơ cấp cho dòng điện đi qua và chỉ có dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp mới được biến đổi thành nhiệt năng. Việc nung nóng và nấu chảy hợp kim phụ thuộc vào điện trở của chính hợp kim đó khi có dòng điện xoáy đi qua (với các cuộn dây cảm ứng này, nhiệt độ có thể đạt đến 7.000 độ C). Hợp kim càng nóng thì sự biến thiên về số lượng từ thông của hiện tượng cảm ứng từ càng lớn và sự biến thiên này diễn ra càng nhanh (Năng lượng tạo ra từ dòng điện Fu-cô (Focault) thì tỷ lệ thuận bình phương với tần số của nó).

2.      HIỆU ỨNG KHUẤY TRỘN:

Ngoài việc làm nóng hợp kim, ảnh hưởng của dòng điện truyền dẫn bên trong hợp kim nóng chảy còn tạo ra một hiệu ứng khuấy trộn, thúc đẩy quá trình trộn lẫn đồng đều giữa các thành phần của hợp kim.

 

3.      VÒNG TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC LÀM MÁT:

Nhiệt độ cao được tạo ra bởi sự chuyển động của các điện tích trong cuộn dây, thậm chí có thể làm nóng chảy ngay chính cuộn dây trước khi làm nóng chảy hợp kim. Để tránh nguy cơ này, người ta cho nước chảy tuần hòan bên trong ống đồng để giải nhiệt cho cuộn dây. Để thay đổi nhiệt độ, điện áp của dòng điện được tạo ra bởi cuộn dây cũng phải thay đổi. Tuy nhiên, sự thay đổi nhiệt độ này không thể điều chỉnh đến mức quá nhỏ như trong trường hợp của lò điện trở. Sự thay đổi nhiệt độ này chỉ xảy ra trong những dải hay những khoảng nhiệt độ rộng. Do đó, nó có liên quan đến phạm vi nhiệt độ nhất định. Nhược điểm của việc thay đổi nhiệt độ này được khắc phục nhờ vào đặc tính của các hợp kim thế hệ mới, có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn từ 100 – 200 độ C tốt nhất mà không có bất kỳ sự phá vỡ cấu trúc hợp kim.

4.      LỰA CHỌN NỒI NẤU KIM LOẠI:

Như chúng ta biết, nếu kim loại được nấu chảy thì sẽ trở thành một chất dẫn điện tốt, tức là chúng có điện trở nhỏ và cho phép dòng điện truyền dẫn trong nó, do đó, sẽ khó nấu chảy kim loại.

Vì vậy, nếu các hợp kim dẫn điện cao, chẳng hạn như các hợp kim quý, muốn nấu chảy, cần sử dụng một nồi nấu làm bằng than chì (graphite): Trên thực tế, chỉ cần có điện trở nhỏ, nồi nấu bằng than chì mau hấp thụ nhiệt, gián tiếp làm nóng các hợp kim chứa bên trong. Ngược lại, các hợp kim của kim loại cơ bản (đồng, thau , niken, bạc, vv ...), chỉ cần có điện trở cao là chúng có thể nấu chảy dễ dàng mà không cần sử dụng nồi nấu bằng than chì, thậm chí điện trở cao có thể làm hư nồi nấu.

Trên thực tế, than chì (graphite) không được sử dụng với những hợp kim, vì carbon sẽ kết hợp với một số nguyên tố cấu tạo nên hợp kim, hình thành hợp chất cacbua và làm cho chúng trở nên giòn.

Tuy nhiên, trong trường hợp của lò điện cảm ứng trung tần, cần thiết sử dụng nồi nấu kim loại bằng than chì (graphite) nguyên chất.

5.      ƯU ĐIỂM:

Lò điện cảm ứng trung tần có hiệu suất điện năng tốt, tiêu thụ điện năng thấp, bảo đảm sự kết hợp của kim loại và độ tinh khiết của hợp kim, đáp ứng mục đích sử dụng đa dạng trong nấu luyện, kích thước tổng thể của lò nhỏ gọn và lợi thế quan trọng nhất là lò có thể nấu chảy liên tục với cường độ làm việc cao. Có thể điều chỉnh điện năng lên đến giá trị tối đa tạo điều kiện để lựa chọn thời điểm nấu chảy thích hợp và giữ nhiệt độ định trước.

Một số lò cảm ứng áp dụng kỹ thuật mới dùng chất bán dẫn silicon: Nó gần như loại bỏ hết quá trình oxy hóa bề mặt kim loại quý trong quá trình nấu chảy. Ngoài ra, việc ứng dụng chất bán dẫn silicon đánh dấu sự cải tiến của lò cảm ứng, thay vào đó là đặc trưng của hệ thống ống điện tử, đảm bảo chúng có tuổi thọ lâu hơn. Cuối cùng, chúng có mức tiêu thụ điện năng thấp hơn.

6.      NHƯỢC ĐIỂM:

Trong số những nhược điểm của lò cảm ứng, đó là tạo ra quá nhiều nhiệt cho hợp kim trong một thời gian ngắn làm thay đổi sự cân bằng hóa học của hợp kim. Đối với trang sức, chỉ cần chọn tần số thấp khi sử dụng, cho nên không tận dụng hết công suất của lò. Ngay khi bắt đầu nóng chảy, khuyến cáo nên thiết lập cường độ dòng điện có trị số cao nhất. Sau đó, khi nhiệt độ của hợp kim tăng lên, nên giảm dần cường độ dòng điện trước khi bắt đầu đúc. Theo cách đó, các kim loại trong thành phần hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất không thể bốc hơi.

Trong hình dưới đây, chúng ta có thể thấy một lò nấu cảm ứng có chứa nồi nấu, được vận hành bởi cơ cấu có thể làm nghiêng nồi nấu để rót kim loại nóng chảy tạo thuận lợi cho các hoạt động đúc. Hơn nữa, khuôn phôi đúc được đặt bên cạnh các nồi nấu nhờ các phương tiện hỗ trợ đặc biệt. Do đó, quá trình đổ khuôn có thể được thực hiện dễ dàng và an toàn.

Còn trong hình dưới đây, là một loại lò cảm ứng khác có cấu tạo đơn giản hơn, trong đó nồi nấu được đặt cố định trong lò. Mỗi khi đúc, người ta dùng kẹp gắp nồi nấu ra khỏi lò để rót kim loại nóng chảy vào khuôn đúc.

IV.       LÒ ĐIỆN CẢM ỨNG CAO TẦN:

Lò điện cảm ứng cao tần tương tự như lò điện cảm ứng trung tần. Tuy nhiên, nó chỉ khác ở điểm là sử dụng dòng điện truyền dẫn có tần số 1 MHz thay vì 3000 Hz như lò điện cảm ứng trung tần.

1.      ĐIỆN ÁP:

Điện áp của dòng điện xoay chiều phải được xác định trên cơ sở các đặc tính về điện của vật liệu được đúc, thể tích của nó và đường kính nồi nấu. Điện áp quá cao có thể đốt nóng lớp bề mặt hợp kim gây ra nguy cơ quá nhiệt cho hợp kim.

2.      ƯU ĐIỂM:

Nó cũng có những ưu điểm giống như những lò trung tần. Ngoài ra, nó còn có ưu điểm là chi phí sản xuất thấp, do lượng hợp kim được nấu chảy nhanh và dễ đúc.

3.      CHÂN KHÔNG:

Kỹ thuật nấu chảy có thể mang lại kết quả tốt hơn, nếu thực hiện trong môi trường chân không, sẽ loại trừ được sự kết hợp không có lợi của ô-xy có trong khí quyển với các thành phần của hợp kim tạo thành ô-xít. Trong thực tế, lớp ô-xit bề mặt hình thành trong bầu không khí hoàn nguyên của lò sẽ lan rộng trên tất cả các bề mặt trong quá trình cán, gây khó khăn trong việc loại bỏ ô-xít sau này. Nấu chảy trong chân không hay nấu chảy trong không khí trơ thường nấu chảy nhanh hơn nấu chảy trong môi trường bình thường, trong đó kim loại chuyển sang trạng thái lỏng ở nhiệt độ thấp hơn, với một cấu trúc dày đặc hơn, ít xốp và ít bị oxy hóa. Chân không được tạo ra bằng cách dùng một máy bơm hút hết không khí ra, cho đến khi đạt được áp suất thấp khoảng 1 bar.