毕业设计（论文）-真空熔炉设计【全套图纸】.doc

1 绪 论全套图纸，加1538937061.1 非晶合金发展概述非晶态合金不具备长程原子有序，也叫玻璃态合金，是新型材料研究的热点之一。非晶合金具有优异的力学性能（高的强度、硬度等），耐腐蚀性能，软、硬磁性能以及储氢性能等，在机械、通讯、航空航天、汽车工业乃至国防军事上都具有广泛的应用潜力。因此，开发块体非晶合金成为这类材料实用化的重点。1943年，德国物理学家Kramer用蒸发沉积的方法成功制备出了非晶态薄膜，自此，非晶的研究逐步开展。1951年，美国物理学家Turnbull通过水银的过冷实验，提出液态金属可以过冷到远离平衡熔点以下而不产生形核与长大，达到非晶态，Turnbull是非晶态合金的理论奠基人。1960年Duwe等采用熔体快速冷却方法首先制备出Au-Si非晶态合金。1969年，Pond等用扎辊发制备出了长达几十米的非晶薄带。20世纪70年代后，人们制备出厚度小于50m、宽15cm的连续非晶薄带。1974年Chen在约10K/s的冷却速度条件下用Pd-Cu-Si熔体首次得到毫米级直径的非晶。20世纪80年代前期，Turnbull等采用氧化物包覆技术以10K/s的冷却速度制备出厘米级的Pd-Ni-P非晶。20世纪80年代，A.Inoue等在日本东北大学成功发现了La-Al-Ni和La-Al-Cu等三元合金。此后，又制备了厘米级的四元和五元块体非晶合金。2000年Inoue课题组成功发展了高强度Cu-Zr-Hf-Ti和Co-Fe-Ta-B快体非晶合金。2003年，美国橡树岭国家实验室Lu和Liu使Fe基非晶合金的尺寸从过去的毫米推进到厘米级，最大直径可达12mm。此后哈工大沈军等又将Fe基快体非晶合金尺寸提高到16mm。最近，中科院金属所的Ma等发现了尺寸可达25mm的Mg-Cu-Ag-Pd非晶态合金。目前世界上最大的稀土基金属玻璃材料直径为35mm的镧基金属玻璃系，由浙江大学蒋建中等研制成功。由此，发现具有大的非晶形成能力的非晶合金系是目前比较重要的。锆基非晶合金作为一种新型的非晶合金系列在近年来引起了人们的关注。多组元锆基非晶合金系列都具有较低的临界冷却速度，采用传统的方法如吸铸法，水淬法等均可以将其制备成大块非晶。目前，通过负压铸造法已制备出直径达30mm的锆基大块非晶合金。锆基非晶合金的研究主要集中在热力学计算、晶化行为、短程和中程有序结构以及性能等几个方面。锆基多组元非晶合金由多种常用金属或类金属元素组成，其非晶形成的临界冷却速度远低于传统非晶合金，有些已经接近于传统的氧化物玻璃。由于其具有热稳定性高、过冷液相区宽等诸多特点，因此在国际上引起了广泛重视。1.2 Zr基非晶合金的性能1.2.1 力学性能非晶合金的原子呈长程无序排列、没有晶体缺陷, 使其具有独特的变形行为和力学性能。一些典型锆基非晶合金的力学性能如表1.1所示。表1.1 Zr 基非晶合金的典型力学性能1.2.1.1 弹性虽然块状非晶合金的弹性模量由于合金体系的不同而有较大差别，但与相同成分的晶态合金相比他们的弹性模数值较低，弹性应变量却很大，可达2%左右。Zr 基非晶合金具有极高的弹性比例，Howmen 公司已成功开发出Zr基非晶合金的高尔夫球杆。表1.2为典型Zr 基非晶合金的杨氏模量和断裂强度。表1.2 Zr 基大块非晶合金的杨氏模量和强度1.2.1.2 强度和硬度图1.1 为Zr基非晶合金与La-、Mg-、Pd-、Fe-基非晶合金, 以及一些典型的晶态合金的抗拉强度、硬度与弹性模量间的关系。可以看出, Zr 基非晶合金具有较高的屈服强度和硬度, 远高于晶态合金。铸态 非晶合金的屈服强度为1.56GPa, 断裂强度为1.65 Gpa； (x=7.5%12.5%)块体非晶合金的压缩断裂强度和硬度分别1.731.86 GPa 和693824 HV, 并随Ti含量的增加而提高；经高强脉冲电流预处理的 大块非晶在不发生晶化的条件下其抗压强度最高达2.02GPa。可见Zr基大块非晶合金的强度仍有进一步提高的潜力。对非晶合金的动态压缩试验表明, 在高应变速率(10/s)下, 屈服强度对应变速率不敏感。Bruck 等人发现, 试样的长径比对 非晶合金的压缩屈服强度有较大影响。但在动态载荷作用下,压缩强度对长径比的变化不敏感。大块非晶合金的强度还受制备方法的影响。如采用压铸法和铜模法制备的Zr-Al-Ni-Cu 非晶合金的弯曲强度, 前者要比后者高得多, 这是由于这两种方法在冷却过程中造成的残余应力差别很大的缘故。Liu 等研究了一系列试验环境下的拉伸和压缩行为, 结果表明试验环境并不影响块状非晶合金的强度和韧性。1.2.1.3 塑性和韧性室温下非晶合金一般呈现脆性断裂特征, 塑性变形量主要由应力状态决定。在拉伸条件下, 非晶合金的变形局限于一狭窄的剪切带内, 塑性变形也集中于剪切带内, 而在试样其他部分仍保持刚性状态。在弯曲条件下可产生多个剪切带, 相应地增大了伸长率。Conner 等人和Gilbert 等人最早对块状 非晶合金的断裂韧性()进行了测试。采用三点弯曲法, 试样的厚度为2.2mm,测得约55。相当于高强钢和Ti 合金的水平。2001 年,Xing采用真空吸铸法制备出3mm 的非晶合金, 压缩时的塑性变形为4.9%左右。2005 年, Jayanta研制出具有超高强度和较高塑性的CuZr 非晶合金材料, 断裂强度达2265 MPa, 同时具有一般非晶材料中不具备的加工硬化效应和极大的延展性(延展率达20%)；随后,Wang在2007 年研制出非晶合金, 它在室温条件下同时具有超高塑性, 延展率达160%。1.2.2 耐腐蚀性能在腐蚀过程中, 由于晶体具有晶界、位错和偏析等缺陷, 不易生成稳定的钝化膜, 成为腐蚀的源区。非晶合金没有这些缺陷和不均匀性, 能够形成均匀钝化膜, 因此, 非晶合金具有良好的耐腐蚀性能。Zr 基非晶合金比晶体合金更耐腐蚀, 它的耐腐蚀性是不锈钢的100 倍, 有“超不锈钢”的美誉。含有少量铌或钛的 非晶合金, 在NaC1 溶液中的具有良好的抗腐蚀性能。 铸态非晶合金在水中具有良好的耐腐蚀性能, 但随水温的升高, 其耐腐蚀性能有所下降, 这主要是由于在室温时, 非晶合金表面形成一层致密的保护膜, 而随着水温的升高膜越来越厚并形成多孔结构。1.2.3 加工性能非晶合金的塑性变形量受温度和应力状态影响很大, 在温度低于玻璃转变点Tg 时, 非晶合金以剪切方式变形。由于多数块状非晶合金都存在大的过冷液相区, 当过冷液体的黏度达到Pas 数量级时, 过冷液体形成类似于氧化物玻璃的无序结构, 表现为牛顿流动状态, 可在较宽的应变率范围内发生黏性流动, 获得极高的塑性形成能力。1.3 真空获得设备发展概述1.3.1 真空技术发展简介随着真空技术在各行各业应用的日益宽泛和不可或缺,人们对实现和保证真空状态下工艺过程的重复性可靠性及其技术进步,已在不断地提出新的要求。这其中对真空成套设备,特别是对真空获得设备的性能、性价比和服务最为关切,当然还有工艺软件、管理技术等。真空获得技术是一切真空应用的技术基础,真空获得设备关系到所有真空应用设备的运行和使用。真空获得设备行业如何适应我们不断发展的真空事业,如何满足人们在性能、性价比和服务方面不断提出的新要求?本文试图通过对我国真空设备行业制造的,在应用中量大面广的水环泵、旋片泵、滑阀泵、罗茨泵、扩散泵等泵种的产能和质量分析对比,给出其量和质的基本状况以及面对国内外激烈的市场竞争所应采取的对策1.3.2 综合评价我们真空设备行业制造的系列低端真空获得设备产品在量的方面能够满足我国国民经济的需求,如往复泵、水环泵、滑阀泵、旋片泵、罗茨泵和扩散泵等。这些泵种的技术经济指标近10年来有了一定程度的提高,在性能方面也基本上能够满足不同工艺过程的要求,目前在国内有较高的市场占有率,在35年内会有一定的生命力。这些泵种必须进一步改进和创新,提高其关键的技术指标,如抽速与效率、极限压力、返油率、噪声、要降低能耗以取悦用户、要减轻重量以降低成本。特别是要积极开展可靠性或寿命的实验研究,要有效开展减振、降噪、消烟等研究,以满足日益严格的环保要求,这些都是未来与外商品牌争夺市场份额最主要的战场。配套附件研发和备件供应是主机成熟的标志,如油雾扑集器、消音器、冷阱等。在国外这部分配套附件和易损备件的销售收入接近主机销售收入的60%,利润空间大,又能满足客户需求,还能使主机性能得以充分发挥。我们应该重视配套附件研发和供应,并把这一工作列到主机的工作序列中去。目前我国中外企业在生产品种上,除分子泵、少量的离子溅射泵外,其他高端真空获得设备基本上是空白,如低温泵、各式干泵等。我们可能有35年较为宽松的时空环境来研发高端真空获得设备或提高其技术经济指标。面对IT行业不断增长的巨大需求,有条件的单位应早做打算。综合上述,我认为未来35年是决定我国真空获得设备制造行业各个企业命运走向的关键时段。2 锆基非晶合金真空熔炼压力熔渗炉真空系统设计 2.1 工作原理及主要技术性能指标 真空感应熔炼技术：利用电磁感应与涡流热的原理将金属原材料融化，同时利用感应熔炼的电动力效应与搅拌原理使合金各组分分布均匀。 压力熔渗技术：使钨丝与块体非晶合金复合材料之间的界面处于理想状态。 快速凝固技术：制备钨丝增强的块体非晶合金基复合材料。本系统为三室立卧组合全不锈钢式结构。主要由“真空获得及测量系统”,“感应熔炼浇铸系统”,“压力熔渗系统及介质冷却快淬系统”,“电控系统”，“工作气体充气排气系统”，“工作台架系统”、“冷却水系统”等组成。1极限真空度：熔炼室：610-4Pa（冷态）；熔渗室：610-4Pa（冷态）；快淬室610-1Pa；漏率10-8Pa.L/s；2感应熔炼坩埚容量：10Kg(Fe)；采用电动翻转机构浇铸方式；3单炉每次产量5只铸件；4感应熔炼最高加热温度：1300；采用热电偶测温；5感应熔炼电源：60Kw/4KHz(IGBT)，风冷； 6熔渗室内保温炉加热均温区高度300mm；熔渗室保温电阻炉加热电源: 20KW低压直流加热电源；熔渗室加热器采用钼片电热元件；钼+不锈钢组合金属筒屏蔽保温；7熔渗室加热温度：10002；PID控温；溶渗室保护性气氛压力最大50Bar;溶渗室上盖电动升降。8熔渗室保护气氛：氩气，通过氩气瓶向熔渗室充气；排气时，气体排入储气罐；9熔渗室设有保护性的安全阀及由压力传感器和充排气系统组成的压力自动控制系统；10铸模管内部尺寸：30300；铸模管石英件一套，铸模管对开金属模一套；11控制模式分为手动继电控制及计算机自动控制，两种模式可切换；相关工艺参数及曲线可存储及打印；12.重要冷却部位单独设有水流保护联锁装置；2.2 真空获得系统2.2.1 真空机组选用原则1、真空泵的工作压强应该满足真空设备的极限真空及工作压强要求。如：真空镀膜要求110-5mmHg的真空度，选用的真空泵的真空度至少要510-6mmHg。通常选择泵的真空度要高于真空设备真空度半个到一个数量级。2、正确地选择真空泵的工作点。每种泵都有一定的工作压强范围，如：扩散泵为10-310-7mmHg，在这样宽压强范围内，泵的抽速随压强而变化，其稳定的工作压强范围为510-4510-6mmHg。因而，泵的工作点应该选在这个范围之内，而不能让它在10-8mmHg下长期工作。又如钛升华泵可以在10-2mmHg下工作，但其工作压强应小于110-5mmHg为好。3、真空泵在其工作压强下，应能排走真空设备工艺过程中产生的全部气体量。4、正确地组合真空泵。由于真空泵有选择性抽气，因而，有时选用一种泵不能满足抽气要求，需要几种泵组合起来，互相补充才能满足抽气要求。如钛升华泵对氢有很高的抽速，但不能抽氦，而三极型溅射离子泵，（或二极型非对称阴极溅射离子泵）对氩有一定的抽速，两者组合起来，便会使真空装置得到较好的真空度。另外，有的真空泵不能在大气压下工作，需要预真空；有的真空泵出口压强低于大气压，需要前级泵，故都需要把泵组合起来使用。5、真空设备对油污染的要求。若设备严格要求无油时，应该选各种无油泵，如：水环泵、分子筛吸附泵、溅射离子泵、低温泵等。如果要求不严格，可以选择有油泵，加上一些防油污染措施，如加冷阱、障板、挡油阱等，也能达到清洁真空要求。6、了解被抽气体成分，气体中含不含可凝蒸气，有无颗粒灰尘，有无腐蚀性等。选择真空泵时，需要知道气体成分，针对被抽气体选择相应的泵。如果气体中含有蒸气、颗粒、及腐蚀性气体，应该考虑在泵的进气口管路上安装辅助设备，如冷凝器、除尘器等。7、真空泵排出来的油蒸气对环境的影响如何。如果环境不允许有污染，可以选无油真空泵，或者把油蒸气排到室外。8、真空泵工作时产生的振动对工艺过程及环境有无影响。若工艺过程不允许，应选择无振动的泵或者采取防振动措施。9、真空泵的价格、运转及维修费用。2.2.2 真空泵工作压力范围根据设计要求真空室冷态极限真空为610-4 Pa，该真空炉真空系统为高真空系统。表1为目前各种真空泵的工作压力范围，可获得要求极限真空的泵有油扩散泵、钛泵、涡轮分子泵、低温泵。钛泵和低温泵通常用在超高真空，在超高真空范围，低温泵是可以取代其它类泵的一种清洁抽气设备。另外钛泵由于钛升华有污染，低温泵在低温下工作，因此这两种泵都不适合作为此真空炉的主泵，此外这两种泵价格也比较昂贵。油扩散泵抽气速率大，也可满足真空度的要求，缺点是有返油，使用起来也比较麻烦。表1各种真空泵工作压力范围我国分子泵的抽速有110、150、450、550、600、1200、1600和3500等多种规格，国际上涡轮分子泵抽速从50已发展到25000（日本）甚至达40000（俄罗斯）。此真空炉用分子泵为主泵可满足设计要求，分子泵工作环境清洁，无油，能耗低，启停快，缺点是应避免抽除带粉尘、腐蚀性或爆炸性气体，价格较贵。因此，该真空炉以分子泵为主泵，设计的真空系统如图1所示。1 旋片泵、 2 放气阀、3罗茨泵 、4预抽泵阀I、5前级泵阀I、6分子泵I、7 高真空阀、8除尘器、9 熔炼室 、10 真空规 、11放气阀I、 12压力表阀、13压力表、14 真空规II（ZDF-IV复合真空计）、15 真空规阀II 、16 放气阀II、17 熔渗室、18预抽泵阀II、19高真空阀、20分子泵II、 21前级泵阀II、 22罗茨泵II 、23前级管道放气阀、24旋片泵II、 25放气阀、26旁通阀III 、27高真空阀 、28罗茨泵III 、29前级泵阀III 、30 前级管道放气阀III、 31 2X-70旋片式真空泵、32 真空规III、 33高压阀图1 真空获得系统真空获得方案简图2.2.3 旋片泵工作原理及其型号确定2.2.3.1 旋片泵简介旋片式真空泵是利用转子和可在转子槽内滑动的旋片的旋转运动以获得真空的一种变容机械真空泵。当采用工作液来进行润滑并填充泵腔死隙，分隔排气阀和大气时，即为通常所称的油封旋片真空泵。无工作液时，即为干式旋片真空泵。在油封旋片真空泵中，国内习惯上称带传动的为旋片真空泵，而把泵与电动机直接连接或用联轴器连接的称为直联旋片真空泵。在每种泵中，又有单级和双级之分。在单级泵中，由于选用的结构形式和参数不同，泵的极限压力和用途也不同。它们的共同特点是结构较简单，使用方便，能从大气压力下起动，可直接排人大气，偏心质量较小，维护简便，双级系的极限压力为6x10一2一lxro一ZPa，一种单级泵可达4Pa左右，另一种单级泵为50200Pa左右。自1909年盖德(W.Gaede)发明旋片泵并取得德国专利，1936年又发明气镇泵，1941年取得专利以来，旋片真空泵得到广泛应用和不断完善。20世纪60年代末，国际上出现了提高转速，直联的小型化趋势，70年代初出现了直联系列产品，到80年代初，又推出了改进的系列产品，有多种可供用户选配的附件，可以保护泵或保护环境，泵本身结构也有改进而使可靠性提高。在泵的结构方面，为了能在停泵时防止返油，有的设有能自动切断油路的止回阀，有的设有进气通道截止阀，有的为了能在泵开气镇运转突然停电时自动切断气路来保持泵口处于真空状态而设有油泵和控制结构。在附件方面，有消雾器、气味过滤器、阻挡碎玻璃等杂物用的扩口过滤器、灰尘过滤器、蒸汽凝结阱、化学阱，有控制泵温以提高水蒸气抽除率和保护泵的温控水量调节阀。到了20世纪80年代末90年代初，又推出了油过滤器，能监视油温、油压、油质等的电子显示器，甚至可以与计算机联结，进行自动控制，采用强制润滑和风冷，使泵的连续工作人口压力达10kPa，甚至更高，同一台系的适用范围因而更大。双级旋片真空泵，可以广泛用于冰箱，空调机，灯泡、日光灯、瓶胆生产和电子、冶金、医药、化工、滤油机、印刷机械、包装机等工业，可作为扩散泵、罗茨泵、分子泵等的前级泵，供电子仪器、医疗仪器等配套和试验研究应用。由于直联泵没有带传动摩擦的粉尘的污染，体积小，重量轻，材料节约，功能日趋完善，更被广泛推广应用。2.2.3.2 旋片泵结构及工作原理如图为旋片泵的工作原理示意图，旋片泵主要由定子、转子、旋片、定盖、弹簧等零件组成。其结构是利用偏心地装在定子腔内的转子（转子的外圆与定子的内表面相切两者之间的间隙非常小）和转子槽内滑动的借助弹簧张力和离心力紧贴在定子内壁的两块旋片，当转子旋转时，始终沿定子的内壁滑动。两个旋片把转子、定子内腔和定盖所围成的月牙型空间分隔成A、B、C三个部分，当转子按图示方向旋转时，与吸气口相通的空间A的容积不断地增大，A空间的压强不断的降低，当A空间内的压强低于被抽容器内的压强，根据气体压强平衡的原理，被抽的气体不断地被抽进吸气腔A，此时正处于吸气过程。B腔的空间的容积正逐渐减小，压力不断地增大，此时正处于压缩过程。而与排气口相通的空间C的容积进一步地减小，C空间的压强进一步的升高，当气体的压强大于排气压强时，被压缩的气体推开排气阀，被抽的气体不断地穿过油箱内的油层而排至大气中，在泵的连续运转过程中，不断地进行着吸气、压缩、排气过程，从而达到连续抽气的目的。排气阀浸在油里以防止大气流入泵中，油通过泵体上的间隙、油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有运动的表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔的密封，同时油还充满了一切有害空间，以消除它们对极限真空的影响。双级旋片式真空泵由两个工作室组成，两室前后串联，同向等速旋转，室是低真空级，室是高真空级，被抽气体由进气口进入室，当进入的气体压力较高时，气体经室压缩，压强急速增大，被压缩的气体不仅从高级排气阀排出，而且经过中壁通道，进入室，在室被压缩，从低级排气阀排出；当进入室的气体压力较低时，虽经室的压缩，也推不开高级排气阀排出，气体全部经中壁通道进入室，经室的继续压缩，由低级排气阀排出，因此双级旋片式真空泵比单级旋片式真空泵的极限真空高2.2.3.3 旋片泵型确定号2XT-70机械泵一台 2XT-30机械泵一台TRP-48机械泵一台2.2.4 罗茨泵工作原理及其型号确定用于较高真空的罗茨真空泵(机械增压泵)不能直排大气，如直排大气会造成罗茨真空泵吸气口与排气口压差太大，从而使罗茨真空泵过载，如单纯加大罗茨真空泵电机功率又会造成罗茨真空泵过热以致罗茨真空泵转子之间的微小间隙很快因热膨胀而卡死。为保证罗茨真空泵能达到较高真空必须保证罗茨真空泵转子之间的间隙。所以罗茨真空泵使用时必须设有前级泵，用前级泵将系统内压力抽至一定范围内时再启动罗茨真空泵，如此可以避免罗茨真空泵过载。前级泵可以选用水(液)环式真空泵、旋片式真空泵、滑阀式真空泵、往复式真空泵等可直排大气的真空泵。罗茨泵水环泵机组广泛地用于化工、食品升华干燥、高空模拟试验等的抽真空系统中。这类联合机组，大致有如下几种类型。（1）罗茨泵水环泵：机组中水环泵的作用是造成罗茨泵所需的预备真空，因此要求该水环泵的最大允许排气压力，即是说，一方面要尽量提高水环泵的极限真空，另一方面，也要设法提高罗茨泵的最大允许排气压力。 一般情况，单级水环泵极限真空度不高，而目前我国生产的罗茨泵要求的预真空又较高，故实际上不用单级水环泵作为罗茨泵的前级泵，而用能提高极限真空度的双级水环泵作为前级泵使用，采用双级水环泵，还可以提高机组的极限真空度。一台罗茨泵的极限真空度是较低的，特别是当它与水环泵组合运行时，使用范围受到限制，整个机组的极限真空度可能更低，但若用两台罗茨泵串联再与水环泵组合，就能大大提高机组的极限真空度。故在这种类型里通常见到的是两台罗茨泵串联后再用双级水环泵作前级泵组成机组。（2）罗茨泵水环泵大气泵机组：即使采用双级水环泵，极限真空度的提高也只是在一定的范围之内，这是因为受到水的饱和蒸汽压的限制。水环泵的理论极限压力就是水的饱和蒸汽压。如果考虑气体返流等因素的影响，实际上水环泵的极限压力显著比该水温上的饱和蒸汽压力为高。为了提高前级泵的极限真空度，还可以使水环泵与大气泵组合使用。见图3-55这样，串联一级大气泵后的极限真空度可达2030Torr,如果水环泵与二级大气泵组合，则极限真空可达210Torr。（3）罗茨泵水环泵并联机械真空泵：此机组主要用于需要处理大量水蒸汽，且极限真空度要求较高的抽真空系统，例如在真空干燥方面。要求处理大量水蒸汽的真空系统中，使用水环泵是较合适的，但由于其极限真空度不高，致使整个机组的极限真空度较低。虽然在要求真空度较高的抽真空系统中，需要极限真空较高的机械真空泵作为前级泵使用。但由于水环泵的耗电量大，效率很低，噪声高，在需要长时间的真空干燥系统中，用水环泵作为罗茨泵前级泵很不经济。在上述情况下，可将气镇机械真空泵与水环泵并联，作为罗茨泵的前级泵。真空干燥时，先用水环泵进行预抽，直至水蒸汽大量减少时，再开动气镇机械真空泵，切断水环泵。如需要较长时间才能完成干燥的场合，所需冷却水和功率都较少，如图3所示。2.2.4.2罗茨泵机组的运行（1）机组前装冷凝器为了尽量使机组的体积小些，可设法使待抽的蒸汽在进入泵机组之前冷凝，这样剩下来的就是非可凝性气体和微量残余蒸汽。气体降温后在相同压力下体积也减小。所以冷凝后所需抽气量减小，相应地泵也可以选得小一些。采用哪种方式较经济？应视其具体情况而定，举例说明如下：冷凝蒸汽有两种方式：一种是安装一台冷却装置，另一种是在机组的高压级中装一台冷凝器，以便能用普通的水冷却。 其系统需要每小时抽除50kg的水蒸汽量，在吸入压力为1Torr时的容积流量为50000m3/h。1)要抽吸上述的水蒸汽量，需要三个罗茨泵串联，并用一台水环泵作前级组成的机组，该机组的总功率90kW。2）为了使蒸汽在到达真空泵之前冷凝，就要在位于A处装一个冷凝器和一个功率为30000kcal/h的冷却装置，如图4所示。在1Torr的吸入压力下，水蒸汽的冷凝温度均为-19，为了能保证连续工作，应取冷凝装置的冷凝温度为-25，且并联安装2台冷凝器。根据非冷凝气体的组成部分计算得，真空泵的抽气量就可以降低到10002000m3/h，总机组（包括冷凝器的消耗功率）的功率同样是90kW。3）先用罗茨泵抽出水蒸汽，并在45Torr压力下进行冷凝，该压力下有的冷凝温度约为36，于是可使冷凝器的冷凝温度保持在3035之间，可用普通冷却水冷却。冷凝器设在B处。这时总功率的消耗为75kW左右。通过上述三组方式的比较可知，第三种方案最好，可减少15kW的动力消耗。综上所述，水蒸汽冷却后只剩下非可凝性气体。在压力很低时，水蒸汽的比容相当大，这些可凝性蒸汽冷凝后，泵所需要的抽气量显然就大为降低了。另外，不论蒸汽是否冷凝，在同样压力下只要气体温度降低，其容积流量就会减少。例如化工流程中200300温度的气体并不少见。若从300冷却到50之后，干燥空气的容积减少45%左右，这样就可以选择较小容量的抽气真空泵机组装置。（2）机组的操作顺序：1）机组中无旁通阀时，应先开动水环泵，被抽系统中的气体由罗茨泵（气体推动罗茨泵转子自行转动，如同流量计一般）进入水环泵后再排至大气，待水环泵的吸入压力（如串联有大气泵，则为大气泵的吸入压力）达到罗茨泵的起初规定值时（即允许排气压力），始启动罗茨泵，机组正式运转，开始工作。2）机组中有旁通阀时，如图所示，先启动水环泵，接着开动罗茨泵，此时，罗茨泵进排气压差较大，旁通阀自动开启，被抽容器中的气体一部分经过旁通阀进入水环泵，另一部分在罗茨泵的作用下通过该泵也进入水环泵，显然抽气速率增加，这样很快达到罗茨泵的预真空，进排气压差较小，阀门自动关闭（或人工关闭），机组正式工作。这种方法能大大缩短预抽时间，但设备较复杂。（3）机组罗茨泵前级泵性能关系机组的性能与罗茨泵的性能密切相关，而罗茨泵的性能又随前级泵的不同而有所不同。1）由于罗茨泵的转子与转子之间、转子与壳体之间存在着间隙，因此有返流存在，而这种返流受进口压力和出口压力的影响，即使是同一台罗茨泵，使用不同的前级泵时，其抽气速率也会有所不同。罗茨泵的抽气速率可由下式确定： 0(P2/P1/K)式中：0设计的抽气速率；P1进口压力；P2出口压力；K固有常数，由该泵转子的形状、间隙量、转子圆周速度和出口压力来确定。由上式可知，抽气量受到出口压力与进口压力之比的影响，亦即若增加前级泵的抽气速率，那么罗茨泵的抽气速率也会增大。（2）极限压力由泵的抽气速率，各间隙的返流量，泵体泄漏量及高真空侧的放气量所决定。即：P0(Q1+Q2+Q3)/式中：P0极限压力； 抽气速率； Q1返流量； Q2泄漏量； Q3放气量。在这些参数中，Q1受排气压力即前级泵的极限压力的影响很大，在用水环泵作前级泵时，罗茨泵的极限压力随水环的饱和蒸汽压的不同而不同。图6是用同一台罗茨泵配不同的前级泵时的性能比较。从图可见，前级泵的极限真空度愈高时，机组的极限真空度也随之增高；两级罗茨泵串联使用，则能提高机组的极限真空度（实质上就是前一个罗茨泵为后一个罗茨泵的前级泵），且性能曲线平缓扩大，也即使用的范围扩大（由曲线1与2，曲线3与5的比较而得）。机组1、2的曲线大致相同。同样，机组3、4、5的曲线也有相同之处。然而1、2机组曲线和3、4、5机组曲线却是完全不同的两组曲线。这说明对于同一罗茨泵而言，选用不同的前级泵时，其机组的性能曲线有本质的差异。由此可见，前级泵对机组性能有相当大的影响。 （4）水环泵的选择所谓水环泵就是用水作为液环的液环泵，用水作液环有很多优点，如价廉、易得、不会污染环境等。但也有一个很大缺点，由于水的饱和蒸汽压高，使得水环泵的吸入压力也高。这时如改用饱和蒸汽压低的液体作为液环，则可提高泵的极限真空度。如果某机组中罗茨泵最大允许的排气压力为10Torr，则用水作液环时还须加大气泵才能作为该罗茨泵的前级泵，若改用矿物油作液环则不加大气泵即可作为前级泵，这样可以简化装置。（5）机组性能与罗茨泵允许排出压力机组的性能在很大程度上取决于罗茨泵的允许排出压力。这种允许值越低，水环泵作为前级泵的可能性就越小。如果罗茨泵这种允许值为110Torr，而不论单、多级的水环泵极限压力大大高于这个数值，因此就不可能单独与这种罗茨泵组合使用，而需要加二级大气泵。如果罗茨泵排出压力允许值在100Torr以上，则前级的水环泵也可以作为罗茨泵的前级泵的前级泵，这就大大地扩充了前级泵的应用范围。（6）应用实例某化纤产品的生产过程为：低分子高分子制成带状切片干燥（运用罗茨泵水环泵机组进行真空干燥）抽丝牵伸、加热纺织成品。其中一个重要的工序是将555(mm)大小的切片进行干燥，以便进行抽丝，抽丝过程中理想的状况是使水份含量为零，实际上由于不能达到这一目的，故要求水份含量不大于0.02%，如果水份超过这一要求，要高温高压下抽丝，会使高分子分解，影响产品的强度。在干燥这一工序中所应用的罗茨泵水环泵机组的抽真空系统装置如图7所示。机组中各泵的技术参数如下表。名 称抽 气 速 率(m3/h)转子直径(mm) 转 速(r/min)配用功率(kW) 罗茨泵140016014502.2罗茨泵220010229001.3双级水环泵100前级叶轮为后级之半14505.5主要设备的功用简介如下：（1）真空阀关闭真空阀，机组停止运行，可保持干燥系统一定的真空度。（2）自动气动安全阀为防止机组突然停车时水环泵系统中的水向罗茨泵及真空干燥系统中倒灌。（3）压差阀机组开始运行时，先启动水环泵，在压差阀两端逐渐产生压差，达到一定值时，阀自动开启，使系统中大部分气体经此阀流进水环泵。当大气逐渐通过大气泵流进水环泵，压差阀两端压力又逐渐减小，以致关阀，于是大气泵随即开始正常工作，压差阀的作用是为了缩短大气泵正常工作前的预抽时间。2.2.5 罗茨泵真空机组抽气速率Qe=SP/T=SvPv/Tv (1)罗茨泵的有效压缩比为罗茨泵进出口压力比,即Ke=Pv/P (2)罗茨泵的理论压缩比Kth为罗茨泵的理论抽速与前级泵的抽速之比,即Kth=Sth/Sv (3)由(2)、(3)、式可得 (4)将(3)、(6)式代入(7)式可得 (5)罗茨泵的实际抽速与罗茨泵的理论抽速之比,即为罗茨泵的容积效率v,也即罗茨真空机组的容积效率。 (6)化简得 (7)相应罗茨泵机组的抽速 (8)根据前级泵的进口压力Pv,罗茨泵在进口压力P下的有效抽速,通过(8)式可变换为下式计算当已知前级泵的抽气速率,此时机组的有效抽速 2.2.6 分子泵工作原理及其型号确定2.2.6.1 分子泵工作原理分子泵是用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。 结构和工作原理 1958年，联邦德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵，以后相继出现了各种不同结构的分子泵，主要有立式和卧式两种,图1为立式涡轮分子泵的结构图。涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子(即动叶轮)、静叶轮和驱动系统等组成。动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度(一般为150400米秒)。单个叶轮的压缩比很小，涡轮分子泵要由十多个动叶轮和静叶轮组成。动叶轮和静叶轮交替排列。动、静叶轮几何尺寸基本相同,但叶片倾斜角相反。图2为20个动叶轮组成的整体式转子。每两个动叶轮之间装一个静叶轮。静叶轮外缘用环固定并使动、静叶轮间保持1毫米左右的间隙,动叶轮可在静叶轮间自由旋转。 图3为一个动叶片的工作示意图。在运动叶片两侧的气体分子呈漫散射。在叶轮左侧(图3a),当气体分子到达A点附近时，在角度1内反射的气体分子回到左侧；在角度1内反射的气体分子一部分回到左侧，另一部分穿过叶片到达右侧；在角度1内反射的气体分子将直接穿过叶片到达右侧。同理，在叶轮右侧(图3b),当气体分子入射到B点附近时，在2角度内反射的气体分子将返回右侧；在2角度内反射的气体分子一部分到达左侧，另一部分返回右侧；在2角度内反射的气体分子穿过叶片到达左侧。倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧，比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。叶轮连续旋转，气体分子便不断地由左侧流向右侧，从而产生抽气作用。 性能和特点 泵的排气压力与进气压力之比称为压缩比。压缩比除与泵的级数和转速有关外，还与气体种类有关。分子量大的气体有高的压缩比。对氮(或空气)的压缩比为108109;对氢为102104；对分子量大的气体如油蒸气则大于1010。泵的极限压力为10-9帕,工作压力范围为10-110-8帕,抽气速率为几十到几千升每秒(1升10-3米3)。涡轮分子泵必须在分子流状态(气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态)下工作才能显示出它的优越性,因此要求配有工作压力为110-2帕的前级真空泵。分子泵本身由转速为1000060000转分的中频电动机直联驱动。2.2.6.2 分子泵的优点1、优点 由于涡轮分子在某些方面，要比低温泵、离子泵和扩散泵表现得更优越。故在一般情况下，多选用涡轮分子泵。它的优点有： （1）清洁，无油蒸汽返流 涡轮分子泵可不用任何阱，按操作规程工作，就能为被抽容器提供一个极为清洁的真空环境，且不含有任何碳氢化合物。由于现代的涡轮分子泵除大泵外很少用油润滑的了，对于小泵多用油脂润滑，也有用空气轴承的，但磁悬浮轴承用得较多。近几年来也有不少干式前级泵出现，使涡轮分子泵系统不存在油蒸汽返流，使它真正成为一种清洁的干式高真空泵（如图4）。 图4涡轮分子泵典型的残余气体的频谱图极限压力为210-7Pa 图4涡轮分子泵典型的残余气体的频谱图 图4表明涡轮分子泵系统中不含有碳氢化合物，曲线上17和18为OH+和H2O+。 （2）使用方便 在许多应用中，涡轮分子泵可不用高真空阀门或粗真空。只是简单地一按电钮，泵便能开始工作。从大气压力可降至极限压力。这种系统可以通过涡轮分子泵进行粗抽，可一直加速到工作速度为止。这样就可以不用阀门、管道、阱、控制器等真空元件。同时也消除了这些元件所带来的故障。因此涡轮分子泵系统所占的空间小，而且涡轮分子泵的安装方向不受限制，可在任意方向安装（用油润滑的泵除外，它只能在垂直5范围内工作）。这个特点，可用于安装位置受限制的地方。 （3）气体输送能力强 大多数涡轮分子泵对于输送轻气体（如氢、氦）的能力很强。因而它非常适于超高真空下的工艺操作。对于那些富氢的工艺过程，氦质谱检漏仪等场合均可得到应用。有专门设计用于抽除腐蚀性气体的涡轮分子泵，适用于刻蚀、反应离子刻蚀，离子束加工，低压化学气相沉积，外延及离子注入等工艺操作。在这些工艺过程中，抽除的气体会对低温泵、离子泵、扩散泵油等有腐蚀作用。甚至也会破坏标准的未加保护的涡轮分子泵。由于涡轮分子泵属于传输型泵，被抽气体可穿膛而过，不在泵内积存。因而它适于气体负荷高的工艺过程。如溅射、刻蚀等。 （4）适于超高真空应用 一台密封和除气良好的涡轮分子泵，配以性能良好的双级旋片泵（或同样性能的干式前级泵），其极限真空一般可达到10-910-10Torr（即133.313.33nPa）之间。若一台涡轮分子泵再串一台涡轮分子泵，用金属密封并除气良好的泵，一般其极限压力在110-10110-11Torr（即13.331.333nPa）之间。而且不像低温泵或离子泵那样，涡轮分子泵在超高真空条件下能满抽速运转。这些性能再加上它有良好的清洁性（测不到碳氢化合物），显然用户会选择涡轮分子泵用于高分辨率质谱仪，分子束外延设备及超高真空分析仪器等设备上的。 （5）高压力下性能良好 有些涡轮分子泵的入口压力可在10-110-3Torr（即13.33Pa133.3mPa）之间运行。在这个压力范围内，离子泵不能应用，对于低温泵需要节流抽速或经常再生，对扩散泵的工作也会变得不稳定。 （6）循环的时间短 多数涡轮分子泵，尤其小一些的，要达到正常的运行速度的时间，一般需要13min。对于不同品种和型号的泵有所不同。并且能立即关闭，并可暴露大气。这种快速循环特性在样品输入系统中很有用，尤其对手提式氦检漏仪有用。 （7）正常使用时间长 在某些应用中，涡轮分子泵的正常使用时间要比其它泵优越。因为在重气体负荷和阀门漏气的情况下，会引起低温泵经常不定时的再生或离子泵经常修复，而涡轮分子泵使用还能消除因泵油对真空室的污染。2.2.6.3 分子泵型号确定 FF250-1600C分子泵 F400/3500分子泵3 熔炼室壳体计算 大多数真空室的壳体都是圆形的，原因是制造容易且强度好。真空室除用板材制造外，对于直径较小的真空室筒体亦可用热轧无缝钢管制造。圆筒体焊制后应进行整形和矫直。本设计真空室壳体大小为800750mm，采用1Cr18Ni9Ti作为真空室材料。 计算壳体壁厚 圆筒壳体只承受外压时，可按稳定条件计算，其壁厚为：p外压设计压力MPa；真空容器选择p=0.5MPa（加上水压0.4MPa）；L圆筒长度mm；L=750mm；Et材料温度为t时的弹性模量MPa；查表得Et=1.8MPa；代入公式计算得 =5.84mm；壁厚附加量 ； (2.2)式中 钢板的最大负公差附加量mm；查表取1mm；腐蚀裕度mm；查得为2mm；封头冲压时的拉伸减薄量；取值为1mm；圆筒的实际壁厚应为 S=+C=5.84+1+2+1=9.84mm；取整为10mm； 对真空室壳体进行强度计算 对真空室壳体强度计算应按薄壳理论进行验算。所谓薄壳就是其厚度大大小于它的曲率半径。即应满足 0.04 (2.3)则 = =0.01250.04 即满足使用条件。4 熔渗炉的壳体设计与壁厚计算4.1 壳体壁厚计算设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件。设计压力从概念上说不同于容器的工作压力。工作压力是由工艺过程决定的，在工作过程中工作压力可能是变动的，同时在容器的顶部和底部压力也可能是不同的。容器的工作压力既然可能是变动的，所以将容器在正常操作情况下容器顶部可能出现的最高工作压力称为容器的最大工作压力。容器的设计压力应该高于其最大工作压力。我们知道容器的最大工作压力为1.8MPa，设计压力一般取值为最高工作压力的1.051.10倍。至于是取1.05还是取1.10，就取决于介质的危害性和容器所附带的安全装置。介质无害或装有安全阀等就可以取下限1.05，否则就取上限1.10。考虑到高温等不确定因素，取上限值1.1.。的选择: 焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构钢性约束造成焊接内应力过大。 焊接区强度主要决定于熔焊金属，焊缝结构和施焊质量。因此在设计时应考虑母材的可焊性与焊接件的结构，选择适当的焊条和焊接工艺，而后按焊接接头型式和焊缝的无损探伤检验要求，选取焊