الف روتور گاز زدایی نیترید سیلیکون جزء دوار در قلب یک سیستم گاززدایی پروانه دوار است که برای خالص سازی آلومینیوم مذاب قبل از ریخته گری استفاده می شود. در طی ذوب و نگهداری آلومینیوم، گاز هیدروژن محلول از رطوبت موجود در جو، مواد شارژ و محیط کوره به مذاب جذب می شود. هیدروژن علت اصلی تخلخل در ریختهگریهای آلومینیومی است - وقتی فلز جامد میشود، هیدروژنی که در حالت مایع حل شده از محلول خارج میشود و منافذ گازی را تشکیل میدهد که در داخل قطعه محبوس شدهاند و مقاومت مکانیکی، سفتی فشار و کیفیت سطح را کاهش میدهد. کار روتور گاز زدایی این است که این هیدروژن را قبل از ریخته گری فلز از بین ببرد.
روتور با چرخش در سرعت های کنترل شده - معمولاً بین 200 تا 600 دور در دقیقه بسته به سیستم و آلیاژ - این کار را انجام می دهد در حالی که یک گاز بی اثر، معمولاً آرگون یا نیتروژن، از طریق یک محور توخالی و به بدنه روتور تغذیه می شود. هندسه روتور این جریان گاز را به میلیونها حباب ریز میشکند که در یک الگوی جریان کنترلشده از طریق مذاب پراکنده میشوند. هیدروژن محلول در آلومینیوم با توجه به تعادل فشار جزئی به داخل این حبابها پخش میشود - حبابها وقتی وارد مذاب میشوند هیچ هیدروژنی ندارند، بنابراین هیدروژن به طور طبیعی به داخل آنها مهاجرت میکند که از طریق فلز بالا میروند. زمانی که حباب ها به سطح می رسند، هیدروژن استخراج شده را با خود به بیرون از مذاب می برند. مواد نیترید سیلیکونی که این روتور از آن ساخته شده است به آن اجازه می دهد تا در محیطی که به سرعت اکثر مواد دیگر را از بین می برد، به طور قابل اعتماد عمل کند.
نیترید سیلیکون (Si3N4) یک سرامیک مهندسی پیشرفته با ترکیبی از خواص است که اتفاقاً با نیازهای محیط گاززدایی آلومینیوم مذاب تقریباً کاملاً مطابقت دارد. این تصادفی نیست – روتورهای گاز زدایی Si3N4 به عنوان استاندارد صنعتی پدیدار شدند، دقیقاً به این دلیل که ویژگیهای این ماده به هر حالت خرابی عمدهای که بر مواد روتور رقیب تأثیر میگذارد، میپردازد.
تنها ویژگی مهم نیترید سیلیکون در این کاربرد این است که آلومینیوم مذاب آن را خیس نمی کند. خیس شدن به تمایل یک فلز مایع به چسبیدن و نفوذ به یک سطح جامد اشاره دارد. گرافیت، که از لحاظ تاریخی ماده اصلی روتور گاززدایی بود، به آسانی با آلومینیوم خیس میشود - فلز مایع به سطح گرافیت میپیوندد، و به مرور زمان آلومینیوم به منافذ سطح میکروسکوپی نفوذ میکند و با کربن واکنش میدهد تا کاربید آلومینیوم (Al4C3) را تشکیل دهد. کاربید آلومینیوم شکننده است، در مجاورت رطوبت هیدرولیز می شود و گاز استیلن تولید می کند و ذرات آن مذاب را آلوده می کند. نیترید سیلیکون چنین واکنشی با آلومینیوم ندارد. مذاب به سطح متصل نمی شود، به مواد نفوذ نمی کند، و هیچ واکنش شیمیایی بین Si3N4 و آلومینیوم باعث تولید محصولات آلودگی تحت دمای معمولی پردازش بین 680 درجه سانتیگراد و 780 درجه سانتیگراد نمی شود.
روتورهای گاززدایی در مذابی که ممکن است 730 درجه سانتیگراد یا داغتر باشد وارد می شوند و آنها را خارج کرده و در بین چرخه های تولید می گذارند تا خنک شوند. این چرخه حرارتی مکرر اکثر سرامیک ها را در چند دوره کوتاه به دلیل شوک حرارتی ترک می کند - تنش مکانیکی که هنگام گرم شدن یا سرد شدن سطح یک ماده با سرعت های مختلف ایجاد می شود. نیترید سیلیکون به دلیل ضریب انبساط حرارتی پایین (تقریباً 3.2 × 10-6/°C) همراه با هدایت حرارتی نسبتاً بالا برای یک سرامیک، این چرخه را به خوبی اداره می کند. این ترکیب به این معنی است که گرادیان های دما در بدنه روتور در طول غوطه وری و استخراج، قابل کنترل باقی می مانند و تنش های حرارتی حاصل در زیر آستانه شکست ماده در عملکرد معمولی باقی می مانند. روتورها هنوز باید قبل از اولین غوطه ور شدن در یک دوره تولید جدید از قبل گرم شوند - اما مقاومت در برابر شوک حرارتی این ماده یک حاشیه ایمنی قابل توجهی را زمانی که پیش گرمایش به درستی انجام می شود فراهم می کند.
نیترید سیلیکون بیشتر استحکام خمشی خود را در دمای اتاق در دماهایی که در گاززدایی آلومینیوم با آن مواجه می شود، حفظ می کند. گریدهای معمولی Si3N4 که برای گاززدایی قطعات استفاده میشوند، استحکام خمشی در محدوده 700 تا 900 مگاپاسکال در دمای اتاق نشان میدهند که به حدود 600 تا 750 مگاپاسکال در دمای 800 درجه سانتیگراد کاهش مییابد - هنوز هم به طور قابلتوجهی قویتر از اکثر مواد سرامیکی رقیب در دماهای معادل. این استحکام گرم را حفظ می کند زیرا روتور هم تنش گریز از مرکز چرخش و هم کشش مکانیکی حرکت از طریق آلومینیوم مایع متراکم را تجربه می کند. یک ماده روتور که در دمای عملیاتی به طور قابل توجهی نرم یا ضعیف می شود، تحت این بارهای ترکیبی، به ویژه در نقطه اتصال شفت که در آن تنش های خمشی متمرکز می شود، در معرض خطر تغییر شکل یا شکستگی قرار می گیرد.
بخشی از شفت روتور بالای سطح مذاب در معرض یک اتمسفر داغ و اکسید کننده قرار می گیرد که می تواند به 400 درجه سانتیگراد تا 600 درجه سانتیگراد نزدیک سطح مذاب برسد. نیترید سیلیکون یک لایه نازک و چسبنده سیلیس (SiO2) بر روی سطح خود هنگامی که در دمای بالا در معرض اکسیژن قرار می گیرد تشکیل می دهد. بر خلاف اکسیداسیون فلزات، که می تواند منجر به پوسته پوسته شدن و پوسته پوسته شدن لایه های اکسیدی شود، این لایه سیلیسی خود محدود شونده و محافظ است - به جای انتشار آن، اکسیداسیون بیشتر را کند می کند. این بدان معنی است که شفت نیترید سیلیکون بالای مذاب یکپارچگی خود را در طول صدها ساعت کار در محیطی حفظ می کند که باعث تخریب سریع گرافیت (که در هوا در دمای بالا می سوزد) یا نیترید بور (که در شرایط مرطوب بالای 850 درجه سانتیگراد اکسید می شود) می شود.
درک اینکه چرا Si3N4 بر بازار روتورهای گاززدایی آلومینیوم تسلط دارد، زمانی واضح تر می شود که مواد رقیب در کنار هم بررسی شوند. هر جایگزین دارای محدودیت های خاصی است که نیترید سیلیکون به آنها توجه می کند:
| مواد | خیس شدن توسط Al Melt | مقاومت در برابر شوک حرارتی | مقاومت در برابر اکسیداسیون | خطر آلودگی مذاب | عمر سرویس معمولی |
| نیترید سیلیکون (Si3N4) | هیچ کدام | عالی | عالی | خیلی کم | 300-700 ساعت |
| گرافیت | متوسط | خوب | ضعیف (سوختگی در هوا) | بالا (تشکیل Al4C3) | 50-150 ساعت |
| الفlumina (Al2O3) | کم | بیچاره | عالی | کم | 50-100 ساعت |
| کاربید سیلیکون (SiC) | کم–Moderate | خوب | خوب | متوسط (SiC reacts with some alloys) | 100-250 ساعت |
| نیترید بور (BN) | هیچ کدام | عالی | منصفانه (در هوای مرطوب در دمای بالا تخریب می شود) | کم | 100-200 ساعت |
هزینه کم گرافیت آن را به عنوان پیشفرض اولیه برای گاززدایی روتورها تبدیل کرد، اما خطر آلودگی آن یک محدودیت اساسی برای هر برنامهای است که در آن تمیزی مذاب حیاتی است - ریختهگریهای ساختاری خودرو، اجزای هوافضا یا هر قسمتی که نیاز به سفتی فشار دارد. اجزای کاربید آلومینیومی که تولید میکند، ذرات سخت و شکننده هستند که عمر خستگی را در ریختهگری تمامشده کاهش میدهند و میتوانند باعث ایجاد مسیرهای نشتی در قسمتهای مقاوم در برابر فشار شوند. نیترید سیلیکون این ناقل آلودگی را به طور کامل از بین می برد، این دلیل اصلی است که کارخانه های ریخته گری آلیاژهای حساس به کیفیت را با وجود هزینه اولیه بالاتر به روتورهای گاز زدایی Si3N4 تغییر دادند.
همه روتورهای گاز زدایی Si3N4 به یک شکل طراحی نشده اند و جزئیات هندسی و ساختاری روتور به طور قابل توجهی بر عملکرد گاز زدایی، الگوی پراکندگی حباب و عمر مفید آن تأثیر می گذارد. درک اینکه چه چیزی یک روتور به خوبی مهندسی شده را از یک روتور اصلی متمایز می کند به ارزیابی تامین کنندگان و مشخص کردن قطعات کمک می کند.
سر یک روتور گاز زدایی نیترید سیلیکون - بخش غوطهوری که در واقع با مذاب تماس میگیرد - شامل هندسه پره یا پروانه است که اندازه و پراکندگی حباب را تعیین میکند. سرهای روتور معمولاً با کانال ها یا پره هایی با جهت شعاعی طراحی می شوند که گاز بی اثر را از سوراخ مرکزی به سمت بیرون به سمت حاشیه روتور تغذیه می کنند. هندسه خروجی در نوک پره ها برشی اعمال شده روی گاز را هنگام خروج از روتور کنترل می کند - برش بالاتر حباب های ریزتری تولید می کند که به طور کلی مطلوب است زیرا حباب های کوچکتر نسبت سطح به حجم بالاتری دارند و به طور موثرتری هیدروژن محلول را برای حجم معینی از گاز تصفیه کننده استخراج می کنند. طرحهای پرههای روتور با لبههای خروجی تیز و هندسه کانال ظریفتر نسبت به طرحهای کانال سادهتر و وسیعتر، قطر حبابهای متوسط کوچکتری تولید میکنند.
شفت روتور نیترید سیلیکون باید به اندازهای بلند باشد که سر روتور را در عمق غوطهوری صحیح قرار دهد - معمولاً در نقطه میانی عمق مذاب یا کمی پایینتر - در حالی که اتصال شفت به آداپتور را بالاتر از سطح مذاب و خارج از منطقه تشعشع گرمای فوری نگه میدارد. قطر شفت برای متعادل کردن دو الزام رقیب اندازهگیری میشود: سطح مقطع کافی برای استحکام ساختاری تحت بارهای خمشی و پیچشی ترکیبی، و یک گذرگاه گاز به اندازه کافی بزرگ برای ارائه نرخ جریان گاز مورد نیاز در فشار معکوس قابلقبول. اکثر شفتهای روتور Si3N4 برای سیستمهای گاززدایی صنعتی بین 40 میلیمتر تا 80 میلیمتر در قطر بیرونی، با قطر سوراخهای داخلی بین 8 تا 20 میلیمتر بسته به نیاز جریان گاز سیستم، کار میکنند.
رابط بین شفت نیترید سیلیکون سرامیکی و آداپتور محرک فلزی که آن را به موتور متصل می کند، یک جزئیات طراحی حیاتی است که باعث تعداد نامتناسبی از خرابی های زودرس می شود. سرامیک و فلز دارای ضرایب انبساط حرارتی بسیار متفاوتی هستند - Si3N4 تقریباً در 3.2 × 10-6/°C منبسط می شود در حالی که فولاد تقریباً 12 × 10-6 / ° C منبسط می شود. اتصال پیچ و مهره ای سفت و سخت بین این مواد باعث ایجاد تنش های واسط بسیار زیادی در طول چرخه حرارتی می شود زیرا آداپتور فلزی بسیار سریعتر از شفت سرامیکی منبسط می شود. سیستم های اتصال خوب طراحی شده از اجزای میانی سازگار - واشرهای گرافیتی انعطاف پذیر، گیره های فنری، یا کوپلینگ های مکانیکی مخروطی - برای سازگاری با این انبساط دیفرانسیل بدون انتقال تنش مخرب به سرامیک استفاده می کنند. روتورهایی که در بالای شفت خراب می شوند اغلب نتیجه تطبیق ناکافی این عدم تطابق انبساط حرارتی هستند.
هنگام تعیین یک روتور گاز زدایی Si3N4 برای یک نصب خاص، چندین پارامتر عملیاتی باید به دقت مطابقت داده شوند. استفاده از روتور کم اندازه یا با تناسب نادرست یک منبع رایج از نتایج ضعیف گاززدایی است که به اشتباه به سایر متغیرهای فرآیند نسبت داده می شود.
الف silicon nitride degassing rotor that is properly handled and operated routinely achieves service lives of 300 to 700 hours or more. The same rotor subjected to avoidable operational errors may fail within 50 hours. The gap between these outcomes is almost entirely determined by handling and startup practices, not material quality.
این تنها تاثیرگذارترین روش برای افزایش طول عمر هر روتور گاز زدایی سرامیکی است. هنگامی که یک روتور نیترید سیلیکون در دمای اتاق مستقیماً در آلومینیوم مذاب 730 درجه سانتیگراد غوطه ور می شود، سطح سرامیک فوراً گرم می شود در حالی که هسته خنک می ماند. گرادیان حرارتی حاصل، تنش کششی را بر روی هسته خنکتر ایجاد میکند که میتواند باعث ایجاد یا انتشار ترک شود - بهویژه در غلظتهای تنش مانند پایههای پره، سوراخهای خروج گاز، یا انتقال شفت به سر. پیش گرمایش مناسب شامل قرار دادن روتور در داخل یا بالای محیط کوره برای حداقل 15 تا 30 دقیقه قبل از غوطه وری است و کل مجموعه را قبل از تماس با مذاب به دمای بالای 300 درجه سانتیگراد می رساند. ریخته گری هایی که به طور مداوم روتورهای خود را پیش گرم می کنند، میانگین عمر مفید بسیار بهتری را نسبت به آنهایی که از این مرحله صرف نظر می کنند، گزارش می دهند، حتی در صورت استفاده از اجزای روتور یکسان.
نیترید سیلیکون به طور قابلتوجهی از اکثر سرامیکها سختتر است - مانند آلومینا در اثر ضربههای جزئی خرد نمیشود - اما همچنان یک سرامیک است و بارگذاری ضربهای در غلظتهای تنش میتواند باعث ایجاد ترکهایی شود که فوراً قابل مشاهده نیستند اما در اثر چرخه حرارتی به شکست تبدیل میشوند. روتورها باید به صورت عمودی یا در یک گهواره بالشتک دار نگهداری شوند و هرگز به صورت افقی بدون تکیه گاه روی سطح سختی قرار نگیرند که وزن شفت در محل اتصال سر فشار خمشی ایجاد می کند. حمل و نقل بین عملیات باید از تماس نوک پره یا سوراخ شفت با سطوح فلزی جلوگیری شود. روتور را قبل از هر نصب به صورت بصری از نظر وجود براده ها، ترک های سطحی یا آسیب به سوراخ های خروج گاز بازرسی کنید - روتور آسیب دیده باید قبل از اینکه در مذاب خراب شود از کار خارج شود.
جریان گاز بی اثر باید قبل از غوطه ور شدن در مذاب از طریق روتور برقرار شود نه بعد از آن. شروع جریان گاز پس از غوطه ور شدن روتور به گاز نیاز دارد که بر فشار هیدرواستاتیک ستون مذاب بالای سوراخ های خروج گاز غلبه کند - این فشار برگشتی لحظه ای می تواند آلومینیوم را قبل از برقراری جریان گاز به داخل سوراخ روتور وارد کند و آلومینیومی که در داخل سوراخ منجمد می شود می تواند باعث شکستگی فاجعه بار در هنگام چرخاندن روتور شود. ترتیب صحیح این است: جریان گاز را با سرعت کم شروع کنید، جریان را در سر روتور تأیید کنید، روتور در حال چرخش را در مذاب غوطه ور کنید، سپس به سرعت کارکرد و سرعت جریان بروید. پیروی از این ترتیب به طور مداوم هیچ زمانی به فرآیند اضافه نمی کند و به طور قابل توجهی خطر خرابی آلودگی حفره را کاهش می دهد.
دانستن زمان بازنشستگی روتور نیترید سیلیکون قبل از از کار افتادن آن، یک مهارت عملی است که از حوادث پرهزینه آلودگی مذاب و توقف های برنامه ریزی نشده تولید جلوگیری می کند. خرابی یک روتور در مذاب - جایی که قطعات سرامیکی به آلومینیوم می ریزند - می تواند منجر به موادی با گنجایش شود که ممکن است تا کنترل کیفیت پایین دست یا بدتر از آن در سرویس قطعات مشتری نهایی شناسایی نشود.
فقط به ما اطلاع دهید که چه می خواهید، و ما در اسرع وقت با شما تماس خواهیم گرفت!