化工-高壓、真空技術(shù)

1、4 高壓、真空技術(shù) 近四十年來，真空技術(shù)在冶金領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，并形成了“真空冶金”這一專門的學(xué)術(shù)領(lǐng)域。冶金領(lǐng)域中常用低真空和高真空。在冶金中應(yīng)用的真空技術(shù)有真空脫氣、真空冶煉、真空澆注等。由于采用真空技術(shù)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，從而提供了優(yōu)質(zhì)的新材料。真空技術(shù)的應(yīng)用也改變了冶金物理化學(xué)條件，因而出現(xiàn)了大量的真空冶金物化問題等待人們?nèi)パ芯?、解決。與此同時，在近代冶金科研和分析領(lǐng)域中也離不開真空技術(shù)，如電子探針、離子探針等。1 真空是指在給定空間內(nèi)低于1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體狀態(tài)。在真空技術(shù)中，真空度用絕對壓強(qiáng)的大小表示，氣體壓強(qiáng)低，表示真空度高，反之則低。 習(xí)慣上常把真空度分為 粗真空 1.011051

2、.33103Pa 低真空 1.331031.3310-1Pa 高真空 1.3310-11.3310-6Pa 超高真空 1.3310-61.3310-10Pa 極高真空 1.310-10Pa4 高壓、真空技術(shù)24 高壓、真空技術(shù) 獲得其空的過程俗稱“抽真空”，其主要方法是在工作系統(tǒng)中用泵抽氣。 輔助措施:安置冷阱并放吸附劑 以一個大氣壓開始抽氣的泵叫前級泵，低于一個大氣壓才能抽氣的叫次級泵，次級泵開始工作的氣壓稱為預(yù)備真空或前級真空。 抽氣速率：在規(guī)定氣壓下單位時間抽出的氣體體積。 極限真空度：真空泵進(jìn)氣口處在不接任何容器的情況 下，經(jīng)充分抽氣后所能達(dá)到的最低氣壓。4.1 真空的獲得及設(shè)備34

3、高壓、真空技術(shù) 真空泵可分為機(jī)械真空泵、蒸汽流泵和高真空機(jī)組。其工作原理各異，應(yīng)用范圍也不相同。4.1 真空的獲得及設(shè)備 機(jī)械真空泵包括旋片式、潤滑式機(jī)械真空泵、機(jī)械增壓泵、分子泵等，在冶金生產(chǎn)和科研中以旋片式機(jī)械泵應(yīng)用最廣。4.1.1 機(jī)械真空泵44 高壓、真空技術(shù) （1）旋片式機(jī)械真空泵 其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。整個泵體浸在機(jī)械泵油中，轉(zhuǎn)子緊貼在定子圓柱形空腔的上部和空腔不同軸，轉(zhuǎn)子通過軸由電動機(jī)帶動并在空腔內(nèi)轉(zhuǎn)動。 為了提高抽氣效果，常將兩個泵搭配在一起。在結(jié)構(gòu)上這兩個泵是串聯(lián)的，這樣就可獲得更高的真空度。如國產(chǎn)2X-2型，型號中第一個“2”表示兩級，X表示旋片式，第二個“2”表示抽速。該

4、泵屬低真空泵，可單獨或做前級泵用。 4.1 真空的獲得及設(shè)備54 高壓、真空技術(shù)4.1 真空的獲得及設(shè)備 圖4-1 旋片式機(jī)械泵結(jié)構(gòu) 1-排氣管；2-進(jìn)氣管；3-外殼；4-排氣閥5-真空泵油；6-定子；7-轉(zhuǎn)子；8-翼片；9-彈簧64 高壓、真空技術(shù)4.1 真空的獲得及設(shè)備表4-2 2X型旋片式機(jī)械泵性能表 型號參數(shù)2X-0.22X-0.52X-12X-22X-42X-82X-152X-302X-70在1大氣壓時抽氣速度，L/s0.20.52248153070極限真空度，Pa6.66510-2轉(zhuǎn)速，rpm500500500450450320320315300配用功率，KW0.120.180.2

5、50.400.601.12.247.5進(jìn)氣口徑，mm101012162250506380排氣口徑，mm810101616505065100用油量，L0.160.250.450.71.02.02.84035.274 高壓、真空技術(shù) （2）機(jī)械增壓泵（羅茨真空泵） 該種泵由兩個“8”形轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，形成容積重復(fù)變化，達(dá)到吸氣排氣目的。其工作過程如圖3-5所示。由于轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵體之間不接觸，因而無摩擦，轉(zhuǎn)速很高，因此這種泵抽速大、體積小、噪音低、驅(qū)動功率小，啟動快，在冶金生產(chǎn)和科研中應(yīng)用很廣泛。 在1001Pa真空度下，其抽速較大。它也可在大型機(jī)組中作為前級泵配套使用，極限真空度可達(dá)

6、0.01Pa。4.1 真空的獲得及設(shè)備84 高壓、真空技術(shù)4.1 真空的獲得及設(shè)備圖4-2 羅茨真空泵的抽氣過程a、b、c進(jìn)氣和排氣順序 94 高壓、真空技術(shù) （2）往復(fù)式真空泵 該泵屬粗真空設(shè)備，運轉(zhuǎn)時通過曲軸與連桿的作用，使氣缸內(nèi)的活塞做往復(fù)運動?；钊囊欢私哟橄到y(tǒng)，另一端通過氣閥使氣體進(jìn)入氣閥箱再排入大氣，整個進(jìn)排氣循環(huán)過程中，活塞起驅(qū)動作用，進(jìn)排氣閥片起逆止作用。通過活塞不斷地做往返運動，可將真空系統(tǒng)中的氣體抽除而達(dá)到所需要的真空度，極限真空度可達(dá)1000Pa。 這種泵一般適用于真空蒸餾、真空蒸發(fā)與濃縮、真空干燥、真空過濾等。但不適于抽除有腐蝕性或有顆粒灰塵的氣體。4.1 真空的獲得

7、及設(shè)備104 高壓、真空技術(shù) （3）滑閥式機(jī)械真空泵 此種泵可單獨使用，也可做前級泵配套使用，該泵的容量比旋片式機(jī)械泵的容量大得多，一般用于大型的真空設(shè)備，不宜抽除含氧過高、有爆炸性以及有黑色金屬但能與真空泵油起化學(xué)作用的氣體。其極限真空度為610-2Pa，其結(jié)構(gòu)如圖4-3。此類泵在真空干燥、真空處理、真空蒸餾中得到廣泛應(yīng)用。4.1 真空的獲得及設(shè)備114 高壓、真空技術(shù)4.1 真空的獲得及設(shè)備圖4-3 滑閥式機(jī)械真空泵 1-排氣口；2-進(jìn)氣口；3-栓塞桿；4-栓塞導(dǎo)軌 5-栓塞環(huán)；6-軸；7-泵體 124 高壓、真空技術(shù) 機(jī)械真空泵使用的注意事項： 1）若用做前級泵，其裝機(jī)位置應(yīng)便于工作人員

8、檢修和維護(hù)； 2）不能反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)會將油壓入被抽系統(tǒng)而造成污染； 3）停止工作時一定要向泵中放入經(jīng)過干燥的空氣，否則會經(jīng)排氣閥和進(jìn)氣管將油壓入被抽系統(tǒng)而造成污染； 4）不能混入異物（如金屬屑、玻璃渣等），不能用于抽取易蒸發(fā)的雜質(zhì)和含水分較多的系統(tǒng)，以免磨損和腐蝕翼片，降低真空度； 5）按泵的說明書，加入所需牌號的泵油，同時應(yīng)定期清洗泵體和更換泵油，以保持系有良好的運轉(zhuǎn)條件。4.1 真空的獲得及設(shè)備134 高壓、真空技術(shù)4.1 真空的獲得及設(shè)備 它的工作原理是借助高速運轉(zhuǎn)的蒸汽流，將沿氣流高速運動的被抽氣體帶到泵體下部，同時將其壓縮到機(jī)械轉(zhuǎn)動真空泵（前級泵）能夠作用的較高壓強(qiáng)，再由前級泵排出。 根

9、據(jù)蒸汽介質(zhì)不同，分為油擴(kuò)散泵和水蒸汽噴射真空泵等。4.1.2 蒸汽流泵144 高壓、真空技術(shù) （1）油擴(kuò)散泵 抽速快，效率高，無轉(zhuǎn)動部分，結(jié)構(gòu)簡單。它由加熱部分、冷卻部分和噴射部分組成，如圖3-4所示。工作時經(jīng)電爐加熱使泵體內(nèi)的擴(kuò)散油揮發(fā)成蒸汽，油蒸汽沿導(dǎo)管上升由噴嘴噴出，噴嘴可設(shè)若干級，有幾級噴嘴就稱幾級泵，圖4-4為三級油擴(kuò)散泵。（極限真空度10-6Pa以下） 主要缺點：因被抽氣體分子的上下存在密度差以及油分子與待抽氣體分子的互相碰撞而造成反擴(kuò)散，致使一定的油氣分子進(jìn)入被抽系統(tǒng)而造成污染，同時也限制了擴(kuò)散泵極限真空度的提高。 4.1 真空的獲得及設(shè)備154.1 真空的獲得及設(shè)備圖4-4 三

10、級油擴(kuò)散泵 164 高壓、真空技術(shù)4.1 真空的獲得及設(shè)備表4-2 K系列高真空油擴(kuò)散泵性能174 高壓、真空技術(shù) （2）水蒸汽噴射真空泵 其工作介質(zhì)是水蒸汽，由高速水蒸汽噴入抽氣機(jī)內(nèi)造成低壓空間，該系統(tǒng)中的氣體不斷流向這一低壓空間，同時被蒸汽帶向出口排出，因而達(dá)到抽真空的自的，其極限真空度可達(dá) 0.1Pa。該種泵抽氣量大，真空度較高，安裝方便，容易維修，故在冶金領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。4.1 真空的獲得及設(shè)備184 高壓、真空技術(shù) 在使用擴(kuò)散泵時，應(yīng)注意下述幾點：l）金屬擴(kuò)散泵裝機(jī)時一定要將擴(kuò)散泵內(nèi)壁以及各種需件清洗干凈，一般可用苯做洗滌劑。如系玻璃泵，則需要新配制的洗液浸泡，再用去離子水多次沖洗

11、，干燥后再裝機(jī)；2）配備的前級泵必須與擴(kuò)散泵相匹配，即前級泵的抽速在預(yù)真空度下至少能抽走擴(kuò)散泵所排出的氣體；3）在操作程序上應(yīng)先開冷卻水，后開加熱系統(tǒng)，停機(jī)時應(yīng)先停止加熱，后停冷卻水，以免油蒸汽進(jìn)入被抽系統(tǒng)和防止泵體損壞。4.1 真空的獲得及設(shè)備194 高壓、真空技術(shù)4.1 真空的獲得及設(shè)備 高真空機(jī)組是能獨立完成抽真空工作的成套設(shè)備，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便。將機(jī)組直接接于被抽系統(tǒng)就可獲得高真空。機(jī)組的高、低真空泵間裝有儲氣罐，當(dāng)?shù)驼婵毡枚唐谕Ｖ构ぷ鲿r，擴(kuò)散泵可照常運轉(zhuǎn)，前級真空由儲氣罐實現(xiàn)，一般能維持一小時。機(jī)組內(nèi)裝有擋板和冷阱，以減少油蒸汽返流至真空室內(nèi)，機(jī)組本身還設(shè)有高、低真空測量規(guī)

12、管接頭，可以方便地測量各點真空度。目前冶金系統(tǒng)常用JK型高真空機(jī)組，其技術(shù)性能見表4-3。4.1.3 高真空機(jī)組204真空技術(shù)4.1 真空的獲得及設(shè)備表4-3 JK型高真空抽氣機(jī)組性能214 高壓、真空技術(shù)4.2 真空系統(tǒng)4.2.1 真空系統(tǒng)的基本要求 用于進(jìn)行某項真空工作的綜合裝置稱“真空系統(tǒng)”，通常由泵、量具、管道、閥門及其它附屬設(shè)備組合而成。選擇和設(shè)計真空系統(tǒng)時，應(yīng)考慮待抽系統(tǒng)的容積、被抽氣體的性質(zhì)、需要達(dá)到的最高真空度及系統(tǒng)的工藝要求，以使主機(jī)、管道及其它輔件能相互匹配。并盡量做到結(jié)構(gòu)緊湊、工藝合理、便于測量、檢漏和維修等。224 高壓、真空技術(shù)4.2 真空系統(tǒng) 設(shè)計真空系統(tǒng)時，最重要

13、的是能達(dá)到最高真空度和抽氣速率。在系統(tǒng)沒有漏氣的情況下，最高真空度由泵的極限真空度決定，但抽氣速率除與泵有關(guān)外還與管道的設(shè)計有關(guān)。 氣導(dǎo)率F（L/s）與管道直徑D（cm）、管道長度l（cm）的關(guān)系為： 而有效抽氣速率Se與泵的標(biāo)準(zhǔn)抽氣速率S 和管道氣導(dǎo)率F的關(guān)系為：234 高壓、真空技術(shù)4.2 真空系統(tǒng) 不難看出，管道的氣導(dǎo)率對有效抽氣速率影響很大，在真空系統(tǒng)管道設(shè)計時應(yīng)盡量挑選短而粗的管道，并盡量減少管道直徑和安裝方向的突變。這樣才能保證有較高的抽氣速率。只有管道氣導(dǎo)率足夠大時，大泵才能發(fā)揮作用，不然大泵接在氣導(dǎo)率較小的管道上，其有效抽氣率不會增加很多。244 高壓、真空技術(shù)4.2 真空系統(tǒng)

14、4.2.2 真空系統(tǒng)材料 真空系統(tǒng)所用材料主要指真空管道系統(tǒng)、閥門及密封材料等，真空管道系統(tǒng)材質(zhì)有金屬、橡皮和玻璃等幾類，它們各有特點，究竟采用何種視具體情況而定。 管道與真空元件之間的聯(lián)結(jié)可采用焊接、熔接、法蘭盤聯(lián)結(jié)等。 系統(tǒng)中的閥門分為金屬閥門和玻璃真空活栓兩種。 真空系統(tǒng)中常用的密封材料有真空封油、真空封臘、真空封泥、真空漆和環(huán)氧樹脂等。254 高壓、真空技術(shù)4.2 真空系統(tǒng) 采用油擴(kuò)散泵的真空系統(tǒng)中，為防止油蒸汽進(jìn)入被抽系統(tǒng)，常采用擋板或冷阱來隔斷油蒸汽。在冷阱中可放置干冰或液氮以冷凝和吸附系統(tǒng)內(nèi)油蒸汽，并可進(jìn)一步提高真空度。264 高壓、真空技術(shù) 測量真空度的儀器叫做真空計。由于真空

15、系統(tǒng)的壓強(qiáng)范圍在1.0131051.3310-10Pa之間，如此寬的測量范圍是不可能用一種真空計來完成的，所以應(yīng)根據(jù)壓強(qiáng)范圍選擇不同的真空計。按照工作原理不同，真空計可分為兩大類。4.3 真空測量 （1）U型管真空計 其測量原理與U型壓力計類同，它有開口與閉口之分，其測量范圍在1.0131050.6665102Pa。 （2）壓縮真空計（麥克勞真空計）4.3.1 絕對真空計274 高壓、真空技術(shù)4.3 真空測量 該種真空計的測量范圍為1.331021.33103Pa。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高。 以上兩種真空計的共同缺點是不能連續(xù)測量和自動記錄，操作較煩瑣，玻璃制品易碎，工作介質(zhì)（汞）易污染環(huán)

16、境，故不宜用于生產(chǎn)現(xiàn)場，同時也不宜用于可凝性氣體。284 高壓、真空技術(shù)4.3 真空測量 通過測量與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量的變化來測量真空度的稱為相對真空計。它能連續(xù)測量并能自動記錄，但其準(zhǔn)確度較低，這是由于低壓測量本身的困難，加上所利用的物理性質(zhì)常受到其它因素的干擾。實際上這類儀器能做到數(shù)量級準(zhǔn)確即可。這類真空計種類較多，工作原理和測量范圍也各不相同。4.3.2 相對真空計294 高壓、真空技術(shù)4.3 真空測量（1）熱電阻真空計 其基本原理是利用氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)與氣體壓強(qiáng)的關(guān)系，但不是直接由熱傳導(dǎo)系數(shù)測真空度，而是通過與溫度有關(guān)的物理量（電阻）的變化來間接測量的。測量范圍為l.3310-20.133

17、Pa的中真空。（2）熱偶真空計 通過熱絲溫度的變化來反映真空度的高低和熱電阻真空計一樣，它也不能測量低真空和高真空，其測量范圍也在1.3310-20.133Pa。304 高壓、真空技術(shù)4.3 真空測量（3）熱陰極電離真空計 利用電離現(xiàn)象的原理，測量范圍為0.13310-51.33Pa。 為工作方便，有時將上述三種真空計組裝在一起成為復(fù)合真空計，它可以從低真空一直測到高真空。31真空計的選擇原則（1）在壓力區(qū)域內(nèi)能達(dá)到精度；（2）被測氣體與真空計互不影響；（3）盡可能在整個真空度范圍內(nèi)都能測量；（4）盡可能連續(xù)指示，反應(yīng)時間越短越好；（5）良好的穩(wěn)定性、復(fù)現(xiàn)性和可靠性，壽命長；（6）易于安裝，操

18、作方便，規(guī)格全。324 高壓、真空技術(shù)4.4 真空檢漏 漏氣是真空的大敵，要想獲得并維持真空，必須掌握真空檢漏技術(shù)。檢漏就是要找出真空系統(tǒng)上的漏點和漏氣原因并加以克服。4.4.1 真空檢漏的確定 將組裝好的真空系統(tǒng)抽至一定壓強(qiáng)后，關(guān)閉閥門，使其與真空泵斷開。然后測量系統(tǒng)壓強(qiáng)的變化，將所測壓強(qiáng)對時間作曲線，可能出現(xiàn)四種情況，如圖所示。334 高壓、真空技術(shù)4.4 真空檢漏圖4-5 孤立系統(tǒng)的壓強(qiáng)變化 344 高壓、真空技術(shù)4.4 真空檢漏曲線A說明該系統(tǒng)既不漏氣，也不放氣（系統(tǒng)內(nèi)有蒸汽源所致）；如果系統(tǒng)抽不到預(yù)定壓強(qiáng)，是由于泵工作不正常所致。曲線B在開始時上升較快，而后呈飽和狀，表明系統(tǒng)本身不漏氣，但內(nèi)部有放氣源。曲線C呈直線上升，說明系統(tǒng)漏氣。曲線D表明系統(tǒng)壓強(qiáng)開始上升很快，而后變得較慢但不出現(xiàn)飽和，說明放氣和漏氣兩種情況都存在。354 高壓、真空技術(shù)4.4 真空檢漏4.4.2 真空檢漏方法 判斷真空系統(tǒng)確實漏氣之后，就開始著手尋找漏孔的所在位置。檢查的方法有： 加壓法 抽氣法364 高壓