Температура слива определяет, получится ли отливка нужного качества: перегрев меняет состав сплава и ускоряет износ тигля, недогрев мешает заполнить форму. Для жаропрочных сплавов эта температура иногда превышает 1700, а то и 1800 °C. При этом измерить температуру расплава в вакуумной индукционной печи сложнее, чем кажется: металл закрыт камерой, над тиглем стоит оборудование, а сама поверхность ведёт себя не так, как внутренний объём. Рассмотрим, что мешает двум основным способам — пирометру и погружной термопаре.

Почему поверхность расплава холоднее объёма

Расплавленный металл активно излучает тепло с поверхности. Согласно закону Стефана — Больцмана, поток излучения пропорционален четвёртой степени температуры, поэтому чем горячее металл, тем быстрее остывает его верхний слой. В результате поверхность оказывается холоднее глубинных слоёв, причём разница растёт с ростом общей температуры. Пирометр видит только поверхность, а потому показывает значение ниже температуры в объёме тигля — это систематическая погрешность самого метода.

Что мешает пирометру

• Включения на поверхности. Оксиды, сульфиды, нитриды и шлаки попадают в поле зрения прибора и сильно искажают показания, поэтому на пирометре сложно построить надёжную обратную связь для автоматической плавки.
• Угол наблюдения. Лучше всего смотреть на расплав строго сверху, но это место обычно занимает система дозагрузки. Прибор стоит под углом, а этот угол «плавает»: от объёма металла зависит высота поверхности, а от мощности в индукторе — выпуклость мениска.
• Возгоны. Они оседают на оптике и занижают сигнал, особенно у радиационных пирометров.
• Неизвестный коэффициент излучения. Он зависит от состава и состояния поверхности, и точно его обычно не знают.

Часть этих проблем снимают пирометры мультиспектрального отношения. Они сравнивают интенсивность излучения на двух и более длинах волн, а такое отношение зависит от температуры, но почти не зависит от коэффициента излучения и от частичного затенения оптики возгонами.

Погружная термопара

Термопара, опущенная в расплав, измеряет температуру внутри и от перечисленных факторов не зависит. Для таких температур подходят термопары типа ВР-5/20, но без защитного чехла спай не выдержит контакта с металлом, а чехол становится отдельной проблемой.

• Углеродные чехлы хороши по эксплуатационным свойствам, но могут науглероживать жаропрочные сплавы выше допустимого уровня.
• Керамические чехлы безопасны для расплава, однако плохо переносят термические удары при вводе и выводе, иногда не выдерживая даже одного измерения.
• Одноразовые чехлы лишь ненадолго задерживают разрушение спая, и подходят только тем сплавам, которые нечувствительны к продуктам распада чехла.

Механизм погружения часто объединяют с приводом дозагрузочной корзины, а тот же механизм используют для отбора проб на экспресс-анализ перед сливом. Из-за этого управление термопарой усложняется для плавильщика.

Сравнение способов

Способ Что измеряет Слабые места Радиационный пирометр Температуру поверхности Включения, угол, возгоны, неизвестный коэффициент излучения Пирометр мультиспектрального отношения Температуру поверхности Остаётся зависимость от поверхности расплава, нужна калибровка Погружная термопара Температуру внутри расплава Чехол, ограниченный ресурс, усложнение механизмов

Честно про ограничения

• Идеального способа нет: пирометр удобен, но неточен, термопара точна, но трудоёмка.
• «Быстрые» замеры термопарой в кварцевом колпачке (всего несколько секунд в расплаве, до 1600–1650 °C) не соответствуют строгим метрологическим нормам: тепловая инерция даже минимальных термопар — 5–10 секунд до 95% значения, а чехол её увеличивает.
• Любой пирометр требует регулярной калибровки, а значит, и погружная термопара в системе всё равно нужна.
• Выбор чехла и режима измерения зависит от конкретного сплава и температуры слива, поэтому универсальной схемы не существует.

Что важно запомнить

• Пирометр измеряет температуру поверхности, которая из-за излучения ниже, чем в объёме тигля.
• Мультиспектральный пирометр снижает влияние коэффициента излучения и возгонов, но не отменяет погружную термопару.
• Для высоких температур используют термопары ВР-5/20, а главная трудность — защитный чехол.
• Точность температуры слива складывается из измерительной системы, конструкции печи и опыта плавильщика.

Индукционные вакуумные печи с тиглем до 1000 кг, а также специальные плавильные конструкции, в том числе в боксовом исполнении, проектирует и производит компания ВакЭТО: такие индукционные печи ВакЭТО комплектуют отбором проб металла, автоматической загрузкой шихты и другими опциями под технологию заказчика.