بهترین روش های گاز زدایی از مذاب آلومینیوم در حجم کم و صنعتی

صنعت ریخته گری آلومینیوم همواره با چالش های متعددی روبرو است که یکی از بزرگ ترین و مخرب ترین این چالش ها، حضور گاز در داخل فلز مایع است. اگر در صنعت ذوب و تولید قطعات آلومینیومی فعالیت می کنید، قطعا با مشکل وجود سوراخ های ریز در سطح یا داخل قطعه نهایی مواجه شده اید. این مشکل که به آن تخلخل گازی می گویند، مستقیما به دلیل عدم اجرای صحیح فرایند پاک سازی فلز مایع رخ می دهد. در این مقاله قصد داریم به صورت جامع و کاربردی به بررسی بهترین روش های گاز زدایی از مذاب آلومینیوم در حجم کم و صنعتی بپردازیم و لزوم انجام این کار را موشکافی کنیم.

چرا گاز زدایی از مذاب آلومینیوم یک ضرورت مطلق است؟

برای درک لزوم این فرایند، ابتدا باید بدانیم چه گازی و چگونه وارد فلز مایع می شود. آلومینیوم در حالت مذاب، میل ترکیبی بسیار شدیدی با رطوبت محیط دارد. رطوبت موجود در هوا، رطوبت روی ابزار کوره، شارژ مرطوب و حتی رطوبت موجود در نسوزهای کوره، در تماس با آلومینیوم مایع تجزیه شده و به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می شوند. اکسیژن با آلومینیوم ترکیب شده و اکسید آلومینیوم (سرباره) را می سازد، اما داستان هیدروژن کاملا متفاوت است.

گاز هیدروژن تنها گازی است که قابلیت حل شدن در آلومینیوم مایع را دارد. هر چه دمای کوره بالاتر برود، میزان انحلال هیدروژن در فلز مایع بیشتر می شود. فاجعه زمانی رخ می دهد که فلز مایع در داخل قالب شروع به سرد شدن و انجماد می کند. با کاهش دما و تبدیل شدن مایع به جامد، حلالیت هیدروژن به شدت و به صورت ناگهانی کاهش می یابد. در نتیجه، هیدروژن محلول سعی می کند از فلز خارج شود، اما چون فلز در حال انجماد است، این گاز در داخل شبکه فلزی گیر افتاده و حباب های ریزی را تشکیل می دهد که به آن تخلخل گازی یا حفره های سوزنی می گویند.

وجود این حفره ها در قطعه نهایی باعث افت شدید خواص مکانیکی از جمله کاهش مقاومت به کشش، کاهش مقاومت به خستگی، افت کیفیت سطح پس از ماشین کاری و حتی نشتی در قطعات تحت فشار می شود. بنابراین، استفاده از بهترین روش های گاز زدایی از مذاب آلومینیوم در حجم کم و صنعتی برای تضمین کیفیت قطعه نهایی، نه یک انتخاب، بلکه یک الزام است.

اصول اولیه خروج گاز از فلز مایع

اساس کار تمامی روش های پاک سازی مذاب از هیدروژن، بر مبنای قانون فشارهای جزئی است. در این فرایند، یک گاز خنثی (مانند آرگون یا نیتروژن) که فاقد هیدروژن است، به شکل حباب های ریز وارد کوره می شود. از آنجایی که فشار جزئی هیدروژن در داخل این حباب های گاز خنثی صفر است، هیدروژن محلول در فلز مایع به داخل این حباب ها نفوذ کرده و با حرکت حباب ها به سمت سطح کوره، هیدروژن نیز به اتمسفر تخلیه می شود.

روش های گاز زدایی از مذاب آلومینیوم در مقادیر کم (کارگاهی)

در کارگاه های کوچک ریخته گری که حجم بوته های ذوب معمولا زیر صد کیلوگرم است، استفاده از تجهیزات پیچیده و گران قیمت توجیه اقتصادی ندارد. به همین دلیل، روش های دستی و شیمیایی بیشتر مورد توجه قرار می گیرند.

1. استفاده از قرص های شیمیایی (قرص های گاز زدا)
   یکی از رایج ترین روش ها در مقیاس کوچک، استفاده از انواع  قرص های گاززدا است. این قرص ها با استفاده از یک ابزار زنگوله شکل به کف بوته هدایت می شوند. در اثر حرارت کوره، قرص تجزیه شده و حباب های گاز کلر و ترکیبات کلردار تولید می کند. این حباب ها در حین بالا آمدن، هیدروژن را به خود جذب کرده و از کوره خارج می کنند.
   مزیت این روش، ارزانی و سادگی آن است. اما معایب بزرگی نیز دارد. گازهای تولید شده توسط این قرص ها به شدت سمی و برای محیط زیست و سلامت اپراتورها مضر هستند. همچنین، این روش برای حجم های بالا کارایی لازم را ندارد و ممکن است باعث ایجاد ناخالصی در ساختار فلز شود.

2. استفاده از لانس دستی و کپسول گاز خنثی
   در این روش، یک لوله معمولا از جنس گرافیت یا فولاد پوشش دار (لانس) به یک کپسول گاز آرگون یا نیتروژن متصل می شود. اپراتور لوله را به صورت دستی وارد کف بوته کرده و گاز را باز می کند. حباب های گاز خنثی باعث تلاطم در کوره شده و هیدروژن را خارج می کنند.
   این روش نسبت به قرص ها بسیار سالم تر است، اما عیب اصلی آن تولید حباب های بسیار بزرگ است. حباب های بزرگ سرعت صعود بالایی دارند و زمان کافی برای جذب هیدروژن را ندارند. در نتیجه، راندمان این روش در مقایسه با روش های مدرن تر پایین است.

روش های گاز زدایی از مذاب آلومینیوم در مقادیر زیاد (صنعتی)

در کارخانه های بزرگ، تولید بیلت ها، شمش ها و قطعات حساس خودرویی یا هوافضایی، حجم فلز مایع به چندین تن می رسد. در اینجا، بهترین روش های گاز زدایی از مذاب آلومینیوم در حجم کم و صنعتی تفاوت چشمگیری پیدا می کنند. در مقیاس صنعتی، نیاز به راندمان بالا، تکرار پذیری و اتوماسیون است.

1. دستگاه های روتاری با پروانه چرخشی (Rotary Impeller Degassing)
   این روش در حال حاضر استاندارد طلایی و کارآمدترین روش در صنعت آلومینیوم جهان محسوب می شود. در این سیستم، یک شفت و پروانه از جنس گرافیت نسوز وارد عمق کوره می شود. پروانه با سرعت بالا (معمولا بین سیصد تا ششصد دور در دقیقه) می چرخد. همزمان گاز خنثی (آرگون یا نیتروژن) از سوراخ های تعبیه شده در زیر پروانه به داخل کوره تزریق می شود.
   چرخش سریع پروانه باعث می شود که حباب های بزرگ گاز خنثی به هزاران حباب بسیار ریز (میکرو حباب) شکسته شوند. این حباب های ریز به دلیل سطح مقطع بسیار بالا و سرعت صعود پایین، بیشترین زمان تماس را با فلز مایع دارند و هیدروژن را با بالاترین راندمان ممکن استخراج می کنند. این روش نه تنها هیدروژن را حذف می کند، بلکه به دلیل تلاطم ملایم، ناخالصی های غیر فلزی و اکسیدها را نیز به سطح کوره هدایت می کند تا به صورت سرباره جمع آوری شوند.

2. سیستم توپی متخلخل (Porous Plug)
   در این روش، در کف کوره های نگهدارنده بزرگ، بلوک های نسوز متخلخلی نصب می شود. گاز خنثی با فشار از میان منافذ این بلوک ها عبور کرده و به صورت حباب های نسبتا ریز وارد فلز مایع می شود. مزیت بزرگ این روش این است که نیازی به ورود قطعه متحرک از بالای کوره نیست و می توان آن را به صورت مداوم روشن نگه داشت. این روش برای همگن سازی دمایی کوره های بسیار بزرگ نیز فوق العاده موثر است، اما از نظر قدرت خروج هیدروژن، کمی ضعیف تر از سیستم روتاری عمل می کند.

3. گاز زدایی در خلاء (Vacuum Degassing)
   این روش بیشتر برای آلیاژهای فوق حساس و در صنایع پیشرفته کاربرد دارد. در این سیستم، بوته حاوی فلز مایع در داخل یک محفظه کاملا بسته قرار می گیرد و پمپ های قدرتمند، هوای داخل محفظه را تخلیه کرده و خلاء ایجاد می کنند. طبق قوانین فیزیک، با کاهش فشار روی سطح مایع، گازهای حل شده در آن به شدت تمایل به خروج پیدا می کنند. این روش بسیار پر هزینه است و تجهیزات پیچیده ای نیاز دارد، به همین دلیل تنها در مقیاس صنعتی خاص و تولید قطعات فوق ایمنی توجیه اقتصادی دارد.

4. فناوری امواج فراصوت (Ultrasonic Degassing)
   یکی از روش های نوین که در سال های اخیر مورد توجه صنایع پیشرفته قرار گرفته، استفاده از امواج اولتراسونیک است. در این روش، یک پروب تیتانیومی یا سرامیکی وارد کوره شده و امواج صوتی با فرکانس بالا تولید می کند. این امواج باعث ایجاد پدیده کاویتاسیون (حفره زایی) در داخل فلز مایع می شوند. حباب های میکروسکوپی ایجاد شده در اثر کاویتاسیون، هیدروژن را جذب کرده و به سطح می آورند. این روش کاملا سبز و دوستدار محیط زیست است و نیازی به مصرف گازهای گران قیمت ندارد، اما تجهیزات آن هنوز برای تناژهای بسیار بالا در حال توسعه است.

نکات کلیدی برای افزایش راندمان پاک سازی مذاب

فارغ از اینکه از کدام روش استفاده می کنید، رعایت چند نکته برای موفقیت عملیات الزامی است.

• اول از همه، دمای کوره است. هرچه دما بالاتر باشد، خروج هیدروژن سخت تر است. بنابراین عملیات باید در پایین ترین دمای ممکن (نزدیک به دمای ریخته گری) انجام شود.
• دوم، نوع گاز خنثی مصرفی است. گاز آرگون سنگین تر است و معمولا تلاطم کمتری روی سطح ایجاد می کند، اما قیمت بالاتری دارد. نیتروژن ارزان تر است اما در برخی آلیاژهای خاص آلومینیوم (که دارای منیزیم بالا هستند) ممکن است واکنش های ناخواسته ای ایجاد کند. انتخاب گاز باید بر اساس نوع آلیاژ و بودجه کارخانه صورت گیرد.

نتیجه گیری

کیفیت قطعات ریخته گری شده به صورت مستقیم به کیفیت فلز مایع بستگی دارد. بررسی بهترین روش های گاز زدایی از مذاب آلومینیوم در حجم کم و صنعتی نشان می دهد که هیچ روش واحدی برای تمامی شرایط وجود ندارد. در کارگاه های کوچک و متوسط، به دلیل محدودیت بودجه، استفاده از لانس های دستی و کپسول گاز خنثی گزینه ای منطقی تر و سالم تر از قرص های شیمیایی مخرب است. اما در مقیاس صنعتی و تولید انبوه، سرمایه گذاری روی دستگاه های روتاری چرخشی یک الزام قطعی است که در کوتاه ترین زمان ممکن، هزینه های خود را از طریق کاهش ضایعات و افزایش چشمگیر کیفیت قطعات نهایی جبران می کند. شناخت دقیق این روش ها به مهندسان و صنعتگران کمک می کند تا بهترین تصمیم را برای ارتقای خط تولید خود اتخاذ کنند