Вакуумная металлургия

обеспечить откачку от атмосферного давления до давления в 25 мм рт. ст. со скоростью около 100 м3/мин. Этот насос особенно пригоден для откачки больших количеств конденсирующихся паров. Обычно в качестве насосной жидкости применяется вода, и поэтому сконденсированные пары выбрасываются с циркулирующей водой или используются. Расход воды и электроэнергии довольно высок.

ПАРОСТРУЙНЫЕ НАСОСЫ

Конденсирующиеся пары используются в качестве откачивающего средства в двух главных типах вакуумных насосов — диффузионных и эжекторных.

Диффузионные насосы, как правило, применяются при давлениях 10-2—10-7 мм рт. ст. Разрез типичного диффузионного насоса показан на фиг. 9. Корпус насоса представляет собой водоохлаждаемый цилиндр. Нагреватель расположен вне цилиндра внизу или встроен через нижнюю часть этого цилиндра в резервуар для масла или ртути. Насосная жид­ кость испаряется в кипятильнике и поднимается по внутреннему паро­ проводу вверх. Пары удаляются через два или три кольцевых отверстия (сопла), которые направляют струю пара на охлаждаемые стенки насоса. Молекулы газа из камеры диффундируют в струю пара и в момент дви­ жения последнего вниз попадают внутрь насоса. После прохождения через два или три сопла молекулы достигают форвакуумной линии, по которой они движутся в пластинчато-роторный или плунжерный форвакуумные насосы. Работа диффузионного насоса возможна, если противодавление, создаваемое форвакуумным насосом, ниже 1 мм рт. ст. Вообще работа диф­ фузионного насоса не зависит от величины форвакуумного давления до тех пор, пока не будет достигнут максимально возможный предел проти­

насосы, работающие в области давлений 10-2—10~7 мм рт. ст., имеют допустимое противодавление в пределах 0,2—0,3 мм рт. ст.

Бустерный диффузионный насос отличается от описанного выше неко­ торыми изменениями в форме сопел и большей потребляемой мощностью. Кроме того, в этих насосах применяют хлорированное масло. Бустерные насосы работают в области давлений от 0,1 до 500 мк рт. ст. при допусти­ мом противодавлении около 1 мм рт. ст. Эти характеристики бустерных вакуумных насосов позволяют широко использовать их в вакуумной металлургии. Диапазон рабочих давлений пригоден для различных об­ ластей, а допустимое высокое противодавление позволяет применять небольшие и недорогие форвакуумные насосы. Бустерные масляные насосы строятся с различными диаметрами всасывающего патрубка — от 25 до 400 мм, что соответствует скоростям откачки 8—4200 л/сек. Воз­ можность откачки больших объемов с помощью этих насосов оправдывает капитальные затраты на их изготовление. Насосы удобны в эксплуатации из-за отсутствия каких-либо движущихся частей и малых отверстий, подверженных быстрому засорению. Главный их недостаток состоит в том, что часть масла попадает в высоковакуумную камеру.

Диффузионные и бустерные насосы используются параллельно или последовательно в одной и той же системе для создания глубокого вакуума. Однако при подобном сочетании необходимо следить, чтобы откачивающая жидкость не переносилась из одного типа насоса в другой, поскольку эти жидкости в бустерных и диффузионных Насосах обычно неодинаковы. Улучшенная термическая стойкость недавно предложенных

в аналитической аппаратуре. Они используются также там, где загряз­ нение парами масла недопустимо. Главные недостатки ртутных насосов: токсичность ртути и необходимость установки на входе насоса вымора­ живающей ловушки, так как при комнатной температуре давление паров ртути относительно велико (около 2 мк рт. ст.).

На фиг. 10 показан разрез типичного диффузионного эжекторного ртутного насоса. Изготовляется много типов этих насосов, и размеры их колеблются в широких пределах.

Фиг . 10. Ртутный диффузионно-эжекторный насос.

Эжекторы работают с парами конденсирующихся газов, обычно ртути, масла или водяного пара. Пар при относительно высоком дав­ лении, проходя через коническое сопло, расширяется. В результате струя пара приобретает высокую скорость и увлекает откачиваемый газ. Пар, несущий газ, проходит через диффузор, из которого в свою очередь газ выделяется в атмосферу или в другую ступень более высо­ кого давления. Для насосов этого типа благодаря высокой скорости потока пара допустимы очень большие противодавления. Применяют эжекторные масляные насосы с допустимым противодавлением в 12 мм рт. ст. Так как одноступенчатые эжекторные насосы имеют очень узкий

интервал давлений, обычно практикуют сочетание эжекторной ступени с несколькими диффузионными ступенями. На фиг. 11 представлена рабо­ чая характеристика подобного сочетания. Возможно также последова­ тельное включение эжекторов, при котором обеспечивается желательная степень откачки.

Кривая скорости откачки шестиступенчатого пароструйного эжек­ торного насоса, который может работать в диапазоне давлений от 6 мк до 760 мм рт. ст., показана на фиг. 12.

Использование эжекторов постепенно вытесняет применение механи­ ческих насосов, а при наличии в системе пароструйных эжекторных насосов механические насосы полностью исключаются. На заводах, где имеется пар, особое внимание должно быть привлечено к пароструй­ ным эжекторным блокам. Капитальные затраты и эксплуатационные рас­ ходы, связанные с использованием эжекторных насосов, такие же, как и для других ранее упомянутых систем. В некоторых случаях можно сочетать масляные диффузионные насосы или насосы-воздуходувки в качестве высоковакуумной ступени с пароструйными эжекторными насо­ сами в качестве вспомогательных.

Большинство современных исследований в области вакуумных насо­ сов направлено на получение вакуума ниже 10~6 мм рт. ст. Работа этих ультравысоковакуумных насосов основана либо на принципе химического взаимодействия откачиваемых газов с насосными парами, либо на прин­ ципе ионизации. В последнем случае газовые молекулы ионизируются и направляются электростатическим полем на абсорбирующую поверхность. Новая высоковакуумная технология быстро развивается на основе приме­ нения насосов такого типа и использования металлических или стек­ лянно-металлических систем, которые прокаливают при высоких темпера­ турах (400° и выше) для десорбции газов. Эти высоковакуумные системы пока на вышли за пределы исследовательских лабораторий, но, по-види­ мому, в течение следующих пяти лет они войдут в практику промышлен­ ного применения.

ВЫБОР НАСОСОВ

Выбор вакуумных насосов определяется следующими тремя основ­ ными условиями: 1) объемом откачиваемого резервуара и необходимым временем для откачки, 2) количеством газа, подлежащего откачке,

3)давлением, при котором должен откачиваться газ.

Для начальной эвакуации камеры обычно используют ротационные

механические насосы или пароструйные эжекторы. Если допустить, что выбранный насос имеет скорость откачки, не зависящую от входного давления, и если отсутствуют течи и адсорбированные газы, заполняющие насос во время эвакуации камеры, то время, требуемое для эвакуации при постоянном значении 8 будет равно

где V — объем системы, 8 — скорость откачки, Р0 — давление в камере в; момент времени t — 0, Р — давление в момент времени t.

Указанные допущения возможны до давлений 10 мм рт. ст. В случае более низких давлений большинство заводов-изготовителей отмечает в документации снижение при низких давлениях и десорбции газов со стенок камеры к. п. д. насоса.

Как же определяется количество откачиваемого газа? В случае вакуумного отжига давление обычно зависит от чистоты поверхности или других условий. Зная исходное и конечное содержание газа в отжи-

%

гаемом металле и время, отводимое для заданного снижения содержания газа, можно выбрать насос, исходя из того, что один моль газа при стан­ дартной температуре и давлении занимает объем 22,4 л. Например, если Нужно удалить 1 моль за 1 час при давлении в 10 мк рт. ст., теорети­ ческая скорость откачки будет: 22,4 л X (760 000 мк/Ю мк) х 1/3600 сек. Таким образом, определенная скорость откачки равна приблизительно 470 л/сек при 10 мк рт. ст. и может быть обеспечена масляным бустерным насосом с диаметром всасывающего патрубка, равным 150 мм. Эти ре­ зультаты получаются, если допустить, что газ выделяется с постоянной скоростью при давлении 10 мк рт. ст. На самом деле это не так, если учесть диффузионные процессы в самом металле. Однако это первое при­ ближение является все же приемлемым. Выбрав такой бустерный насос, необходимо подобрать к нему подходящий ротационный механический насос. Форвакуумный насос должен создавать для бустерного насоса воз­ можно более низкое противодавление. При выборе механического насоса необходимо учитывать максимальную нагрузку или максимальную произ­ водительность бустерного насоса. Типичный бустерный насос диаметром 150 мм может иметь максимальную производительность в 12 000 л • мк/сек. Если максимально допустимое противодавление равно 1 мм рт. ст., то рекомендуемое рабочее противодавление должно быть значительно ниже этого — обычно около 300 мк рт. ст., что необходимо для предотвращения термического распада масла и устранения миграции его в откачиваемый объем. Для достижения противодавления в 300 мк рт. ст. при произво­ дительности в 12 000 л • мк/сек подходит форвакуумный насос со ско­ ростью откачки в 40 л/сек. Это соответствует механическому насосу со скоростью откачки в 28 м3/мин.

Обычно один и тот же насос используют для предварительного разрежения или откачки.с атмосферного давления и в качестве форвакуумного к диффузионным насосам. При расчете необходимо учитывать воз­ можность создания насосом предварительного разрежения, а также воз­ можность работы его в качестве бустерного. Более высокие требования к одной из этих функций и определяют выбор насоса. Обычно, кроме вспо­ могательного насоса, используют еще дополнительный небольшой механи­ ческий насос в комбинации с масляными бустерными и диффузионными насосами. Дополнительный насос поддерживает низкое противодавление в трубопроводах, соединенных с горячими диффузионными насосами, в то время как вспомогательный насос по байпасной линии откачивает вакуум­ ную камеру установки. Это устраняет нежелательную связь горячего диф­ фузионного насоса с областью давлений, превышающих допустимое проти­ водавление. При отсутствии дополнительного насоса после окончания каж­ дого цикла требовалось бы охлаждать бустерный (или диффузионный) насос, а в начале следующего операционного цикла, т. е. после откачки вспо­ могательным насосом определенного объема, снова разогревать его.

Применение насоса-воздуходувки также позволяет повысить скорость откачки до 470 л/сек при давлении в 10 мк рт. ст. Скорость откачки механи­ ческого насоса с масляным уплотнением, присоединяемого к насосувоздуходувке, составляет обычно 0,1 скорости откачки насоса-воздухо­ дувки. Насос-воздуходувка имеет два основных преимущества по срав­ нению с бустерным насосом : 1) более широкий диапазон рабочих давле­ ний до 15 мм рт. ст. по сравнению с 0,3 мм рт. ст. у бустерного насоса и 2) насос-воздуходувка не нуждается в нагреве и охлаждении, т. е. терми­ ческое разложение масла в данном случае не имеет места. Однако этот насос дороже и сложнее в эксплуатации.

Выбор откачивающих систем для дуговых печей описан в работе Хема и Сайбли [2].

Минимальная скорость откачки для удаления водорода из титана равна

s = x m Ci~ Ci,

где 8 — скорость откачки в м3/мин через откачной патрубок печи; X — растворимость Н2 в жидком титане при давлении водорода, равном 1 атм (измеряется в атм • м3/кг; в титане около 0,0124 атм • м3/кг) ; В — ско­ рость расплавления, /сг/лшн; Сг, С2— начальная и конечная концентрации водорода, атм • м3/кг.

С аналитической точки зрения расчет откачных систем для индук­ ционных вакуумных печей чрезвычайно сложен. Современная практика обычно основывается на эмпирических данных. В табл. 1 даны характе­ ристики некоторых успешно работающих в настоящее время откачиваю­ щих систем.

Таблица 1

Вакуумные системы индукционных печен для выплавки сплавов на железной основе

ВЫБОР ВАКУУМПРОВОДОВ

Неудачная конструкция вакуумпроводов может серьезно затруднить работу хорошей откачной системы. Необходимо обязательно рассчитать пропускную способность вакуумпроводов, чтобы установить, насколько она снижает эффективную скорость откачки. Этот вопрос особенно важен при анализе молекулярного истечения газов, которое имеет место,

то эффективная скорость откачки 8е в точке, где труба входит в камеру, вычисляется по уравнению

Падение скорости откачки из-за конструкции вакуумпроводов можно оценить, исходя из следующего примера: диффузионный насос со ско­ ростью откачки 500 л/сек с диаметром входного фланца, равным 150 мм, будучи соединен с камерой трубой диаметром 150 мм и длиной 100 см, имеет скорость откачки несколько меньше 50% от величины, измеренной на входе в камеру при молекулярном течении газа.

При определении сопротивления колена вакуумпровода его можно заменить сопротивлением прямой трубы эквивалентной длины, которая равна длине оси колена плюс диаметр трубы, умноженный на 1,33. В большинстве случаев при использовании вакуума для проведения метал­

лургических процессов на стороне глубокого вакуума включают фильтры, которые значительно снижают скорость откачки, что также должно быть учтено. Иногда, по-видимому, можно использовать фильтры только в на­ чальной стадии цикла, а затем процесс достижения весьма низких зна­ чений вакуума осуществлять по байпасной линии откачивающей системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При конструировании вакуумного металлургического оборудования в настоящее время имеется возможность большого выбора вакуум-насо­ сов. Выбор мощности и типа насосов должен базироваться на учете общего количества откачиваемых газов, давления, при котором производится откачка, а также должны приниматься во внимание особенности произ­ водственного цикла, капитальные и эксплуатационные затраты. В табл.