Funktionsprinzip der Vakuum-Entgasung in Vakuum-Lichtbogenöfen

A Vakuum-Lichtbogenofen ist ein Industrieofen, der die Prinzipien des Vakuum-Lichtbogenschmelzens zur Veredelung von Metallen nutzt. Dieser Ofen arbeitet in einer Vakuumumgebung und verwendet einen Hochstrom-Niederspannungs-Kurzbogen für seinen Schmelzprozess.

Grundlagen der Vakuum-Lichtbogenentladung

Der Vakuum-Lichtbogenofen arbeitet nach dem Prinzip der Gasbogenentladung. In dieser Anordnung ist die Spannung zwischen den Elektroden bemerkenswert niedrig, aber der Strom, der durch das Gas fließt, ist beträchtlich, was zu einer extrem hohen Temperatur innerhalb der Bogenzone von etwa 5000 K führt. Diese große Stromdichte entsteht durch thermische Emission und Selbstemission von Elektronen. Insbesondere bildet sich eine Schicht positiver Ionen um die negative Elektrode, die ein starkes elektrisches Feld erzeugt, das die Kathode dazu veranlasst, automatisch Elektronen zu emittieren. Diese Elektronen kollidieren mit Gasmolekülen zwischen den Elektroden, ionisieren sie und erzeugen zusätzliche positive Ionen und Sekundärelektronen. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes kollidieren diese geladenen Teilchen mit der Kathode bzw. Anode und erzeugen intensive Wärme. Die Temperatur der Kathode bleibt niedriger als die der Anode, da ein Teil der Energie für die Elektronenemission aufgewendet wird. Darüber hinaus trägt die Rekombination einiger positiver Ionen und Elektronen zu den hohen Temperaturen bei.

Betriebsparameter des Vakuum-Lichtbogenschmelzens

Das Vakuum-Lichtbogenschmelzen verwendet typischerweise eine Bogenspannung von 22 bis 65 Volt, mit einer entsprechenden Bogenlänge von 20 bis 50 Millimetern (letzteres gilt für größere Barren). Dieser Kurzbetrieb ist charakteristisch für Vakuum-Lichtbogenöfen und gewährleistet effiziente und kontrollierte Schmelzprozesse.

Historische Entwicklung und industrielle Anwendungen

Seit dem erfolgreichen Experiment zum Schmelzen von Platindraht im Jahr 1839 dauerte es über ein Jahrhundert, bis Forscher begannen, das Schmelzen von hochschmelzenden Metallen zu untersuchen. 1953 wurden Vakuum-Lichtbogenöfen in die industrielle Produktion eingeführt. Bis 1956 nutzten die Vereinigten Staaten und mehrere europäische Länder noch nicht verbrauchbare Öfen zum Titanschmelzen, während 1955 der Beginn der verbrauchbaren Öfen für die Stahlproduktion markierte. Um 1960 überstieg das Gewicht der von verbrauchbaren Öfen produzierten Stahlbarren 30 Tonnen, was einen bedeutenden Fortschritt auf diesem Gebiet signalisierte. Gegenwärtig veranschaulichen die von der Kangsai Company hergestellten Vakuum-Verbraucheröfen diese Entwicklung, die gemeinsame Hauptstromversorgungen, Vakuumsysteme und automatische Steuerungssysteme zwischen zwei Öfen aufweisen, um die Produktionseffizienz und die Geräteauslastung zu verbessern.

Vakuum-Wärmebehandlungsvorteile

Die Wärmebehandlung von Werkstücken oder Materialien in einer Vakuumumgebung bietet zahlreiche Vorteile. Sie verlängert die Lebensdauer von Werkzeugen und Formen, indem sie Oxidation und Entkohlung verhindert, was zu einer hellen Oberflächenbeschaffenheit, minimaler Verformung, Energieeinsparungen und schadstofffreien Arbeitsabläufen führt. Darüber hinaus kann die Vakuum-Wärmebehandlung die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften von Materialien verändern und ihre Gesamtleistung verbessern.

Vorteile von Vakuumschmelzöfen

Vakuumschmelzöfen werden hauptsächlich zum Schmelzen von reaktiven und unlöslichen Metallen, Hartlegierungen, magnetischen Materialien und Edelstahl eingesetzt. Unter Niederdruckbedingungen (Dekomprimierung) bieten diese Öfen mehrere Vorteile:

1. Gasentfernung: Vakuumumgebungen erleichtern die Entfernung von adsorbierten Gasen und fördern ein signifikantes Schrumpfen in den späteren Phasen des Schmelzens.
2. Verunreinigungsreinigung: Vakuum hilft, Verunreinigungen wie Silizium, Aluminium, Magnesium, Kalzium und deren Oxide zu eliminieren und das Material zu reinigen.
3. Verbesserte Benetzbarkeit: Vakuum verbessert die Benetzbarkeit des Schmelzens in der flüssigen Phase, unterstützt das Schrumpfen während des Schmelzprozesses und verfeinert die Struktur der Legierung.
4. Inerte Umgebung: Wenn andere primäre oder inerte Gase ungeeignet sind oder wenn Materialien zu Entkohlung und Aufkohlung neigen, bietet ein Vakuumschmelzofen eine ideale Lösung.
5. Reduzierte Umweltverschmutzung: Das Vakuumschmelzen minimiert die Produktkontamination durch schädliche atmosphärische Bestandteile wie Wasser, Sauerstoff und Stickstoff. So ist es beispielsweise eine Herausforderung, einen Taupunkt von -40 °C in elektrolytischem Wasserstoff zu erreichen, während das Vakuumschmelzen bei einigen hundert Pa äquivalent dieses Reinheitsniveau erreicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Vakuum-Lichtbogenöfen ein ausgeklügeltes und effizientes Mittel zum Schmelzen von Metallen darstellen, das die Prinzipien der Vakuum-Lichtbogenentladung nutzt, um überlegene Materialeigenschaften und Produktionsergebnisse zu erzielen.

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