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文档简介

1、精选优质文档-倾情为你奉上真空冶金理论与技术复习题及答案真空基础1.什么是(气体)分子密度?分子的平均自由程、分子入射率、吸附、解吸、物质的蒸发速率、流量?2.计算粗真空、中真空、和高真空环境中气体分子的密度。3.简述黏滞流、分子流的基本特征。4.真空系统由哪些部件构成?真空系统应满足哪些基本要求?5.真空系统中要达到0.1Pa的压强,需要什么抽气和测压设备?6.流导的大小由什么确定?用公式推证流导对有效抽速的影响?7.扩散泵为什么要在较低压强下工作?其抽气原理是什么?8.金属高真空系统包括哪些结构部件?如何进行操作和维护?9.麦氏真空计的工作原理是什么?为何可以作为校核其他真空计的标准?10

2、.一套真空系统在开始使用后发现真空度达不到要求,可能由哪些因素构成?如何解决?11.真空冶金的主要特点是什么?真空蒸馏1. 环境压力如何影响金属的蒸发速率?如何解释环境压力与金属蒸发速率之间的关系?2. 金属在真空中蒸发和在大气中蒸发有何区别?如何利用其为生产服务?3. 什么是蒸气密度?如何判断合金中各组分用真空蒸馏分离的可能性?4. 试分析铅铋合金用真空蒸馏分离的可能性?5. 已知锌在1179K、763K、692.5K时的饱和蒸气压分别为1.013105Pa、1.33102Pa、13.3Pa,试计算锌在三种条件下的蒸气密度,并计算锌蒸气从沸点降至熔点时锌的冷凝率?6. 如何利用真空技术制备超

3、细金属粉末?7. 一级蒸馏和多级蒸馏各自的特点有哪些?8. 如何进行铅铋合金的真空蒸馏分离?真空基础1. 什么是(气体)分子密度?分子的平均自由程、分子入射率、吸附、解吸、物质的蒸发速率、流量?气体分子密度:理想状态下单位体积内的分子数。平均自由程:一个分子连续两次碰撞之间移动的距离称为“自由程”。在此距离内分子自由运动,没有发生碰撞。众多分子自由程的平均值被称作“平均自由程”。气体分子自由程由气体分子速度和分子间的碰撞数来确定。分子入射率:单位时间内向单位面积的器壁上碰撞的分子数目。吸附:表面吸附:当气体分子碰撞固体表面时,就可能被该表面所“捕获”,暂时停留在其上面。物理吸附:在一个原子距离

4、内气体分子受到固体离子电场吸引的结果。化学吸附:由表面剩余价键力所引起,与气体种类、温度等有关。气体解吸(脱附):吸附在固体表面上的气体分子释放出来的过程。在真空中(分子流的条件下),物质表面的分子飞向空间形成的蒸发(由液相变为气相)或升华(由固体变成气体),达到平衡时飞出的分子数等于分子入射率,即为物质的蒸发速率。流量(气体量流率):单位时间流过特定界面的气体量,Pa·m3/s。2. 计算粗真空、中真空、和高真空环境中气体分子的密度。PV=nRT=PMRTR=8.314J·mol-1·K-1,T=293.15K,M=29g/mol计算得粗真空、中真空、和高真空的

5、气体分子密度:真空度压强/Pa粗真空1.01×105133.31.591.2103g/m3中真空133.31.33×10-11.5910-31.59g/m3高真空1.33×10-11.33×10-51.5910-71.5910-3g/m33.简述黏滞流、分子流的基本特征。黏滞流:湍流状态:气体的压强和流速较高,气体的流动是惯性力起作用, 气体流线不直。层流状态:气体压强仍然较高,分子间的碰撞数多于与容器壁的碰撞数,内摩擦力起主要作用,气体的流线呈直线。分子流状态:气体压强较低,分子与容器壁碰撞为主,内摩擦力已不存在,通过管道的气体量与管道两端的压差成正比

6、。3. 真空系统由哪些部件构成?真空系统应满足哪些基本要求?真空系统:由真空泵、真空计及其他元件(如阀门、冷阱等)按一定要求组合而成,具有抽气功能的装置。真空系统的基本要求(1)在被抽器件(工作室)中获得所需的极限真空度和工作真空度。极限真空度:系器件无漏气、无放气时所能达到的真空度。工作真空度:器件在进行真空处理时所能维持的真空。 2)在被抽器件(工作室)中获得所需的抽速。抽速大小取决于达到工作真空度所需的时间。(3)在被抽器件(工作室)中有合适的残气成分。例如:排氧化物阴极器件的真空系统,残气中不应含有硫、氯或其化合物;排高压器件的真空系统,不应含有碳氢化合物。此外:真空系统须满足结构简单

7、,操作维护方便,价格便宜等要求。同时,根据要求选择泵、确定管道尺寸及配置、确定装配工艺等。5.真空系统中要达到0.1Pa的压强,需要什么抽气和测压设备?由于不同的泵所处的压强工作范围不同,因此单个的泵有可能无法达到工作目的,应当使用不同的真空泵组合,或者使用多级真空泵来达到目的。假设是对常压进行抽真空,那么可以采用这样的设备来达到目的。(1) 二级旋片真空泵(105Pa到10-1Pa)油扩散泵(1.33Pa到1.33×10-7Pa)(2) 五级蒸气喷射泵(1.013×105Pa到4Pa)涡轮分子泵(13.3Pa到6.67×10-8Pa)6.流导的大小由什么确定?用

8、公式推证流导对有效抽速的影响?由流导的公式,知流导C由两端压差(p1-p2)和流量Q确定。推证如下:式中:S0 -泵的抽速; Se -有效抽速;C-管道的流导;p1、 p2-容器、泵入口处的压强由于C、 S0 均为正数,所以总有Se S0 。只有当C时,才有Se S0 ,即流导很大时,有效抽速才接近泵的抽速。在C很小时,有Se C ,这时有效抽速与泵的抽速无关。7.扩散泵为什么要在较低压强下工作?其抽气原理是什么?以油扩散泵为例:油扩散泵,是一种蒸气流泵,是利用低压、高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空泵,因而在低压1010-7Pa范围内有较大抽速。工作原理:电加热器将泵内的油加热,油蒸气沿中

9、心导管上升至各层的伞形喷嘴高速喷出,形成一定方向的射流。射流上方的气体分子因密度差而向油蒸气中扩散,并被射流携带到水冷的泵壁处,油蒸气大部分被冷凝成油滴沿泵壁回流至油锅,而气体分子则被推送压缩至前级泵抽空系统而排出。气体分子在每一个喷口被压缩一次,各喷口处的压强都不一样,越往上越低。8.金属高真空系统包括哪些结构部件?如何进行操作和维护?构件:由电离规管、真空室、扩散泵、热电偶管、挡板阀、放气阀、电磁阀、机械泵等部件构成。操作和维护:机械泵与双通活栓用胶管连接;当系统使用完毕后,将活栓通向大气,防止机械泵返油,保持扩散泵真空。需要高真空时,可在扩散泵上加液氮冷阱。预抽时气体通过扩散泵再到机械泵

10、,将因路程长而耗费更多的时间;设置预抽阀时,预抽时开启此阀,达到要求后关闭。当扩散泵返油严重时,需要加挡板,如要求更高真空,可加冷阱。设置的前置真空室可起到前级压强稳定作用。为防止突然停电时会自动封闭真空系统,可采用电磁阀。9. 麦氏真空计的工作原理是什么?为何可以作为校核其他真空计的标准?麦氏真空计工作原理图玻璃球麦氏真空计:玻璃球的内部体积包括A-A线以上部分(V),上部还连接一玻璃毛细管(内径不宜小于1mm);玻璃球右边设有玻璃管,其顶部(D)接待测系统;玻璃球下端管(E)接水银贮槽,升降和转动水银贮槽时整个仪器内的水银面可以升降。工作时先将水银面降至A-A线以下,此时玻璃球、毛细管、右

11、边管中压强相等。升高水银面至A-A线,此时玻璃球和毛细管的体积之和为V+V(其中V是毛细管的容积),则体积与压强之积为 p×(V+V)继续升高水银面,右侧管内水银面可升至 C-C 线,而左侧只能升至 F-F 线,左右两边水银面高度差为 h。设h高的毛细管内体积为 V,其所受压强为 : p+ h,则体积与压强之积为 (p+h) × V。由玻玛定律:得待测压强 p:由于V比V-V大百倍以上,因此可将V-V忽略,则:设毛细管的内径为d,得 ,得:设,则:将毛细管高度对应的P值刻度出来,使用时读数即可。麦氏真空计是直接测压计,不涉及将物理量转化电信号,因而比较可靠,故可用来校核一些

12、间接读数的真空计。10. 一套真空系统在开始使用后发现真空度达不到要求,可能由哪些因素构成?如何解决?1、 真空泵工作不正常,抽气不好。如工作时部件受损、转子和定子上出现缝痕而结合不好、装配时密封不好、长期使用后进入灰尘、水汽或油变质。2、 系统放气,不易抽到应有的真空度。如部件吸气、挥发性的气源、使用前除气不够。3、 漏气。系统各部件、管道接头处可能存在缝隙,部件焊缝处存在孔和缝,部件材料本身可能有微小孔隙。 若为漏气,可用充气法、抽气法检查漏气位置。充气法:将受检的零件或系统的一部分隔开,往里面充气(5atm),此时里面压强大于外界,漏气的孔隙就向外界喷气,用特定物质进行检验可确定漏气部位

13、(如火苗、声音、肥皂水、氨气等)。由气泡的大小、形状、气泡形成的快慢可以估计漏孔的大小。抽气法:将待测的系统抽空,则漏的地方就会渗入气体,在系统与泵之间安装一种仪器来检定漏人气体的成分。用一种特定的气体向系统可能漏气的地方喷吹,吹至漏气处则气体被吸入,仪器上就会反映此气体存在于系统内,可决定漏孔的位置。11.真空冶金的主要特点是什么?1、有利于一切增容反应2、真空中气体稀薄,很少有气体参加反应3、可控制系统内外物质流动4、没有污染5、气体分子小真空蒸馏1. 环境压力如何影响金属的蒸发速率?如何解释环境压力与金属蒸发速率之间的关系?(1)一定温度下当系统压强大于临界压强Pcrit时,随着系统压强

14、的减小,金属的蒸发速率明显提高;而当系统压强小于临界压强Pcrit时,金属的蒸发速率趋向于一个定值。(2)金属蒸发速率的表达式:当PiP残时,Pi可省略,而温度一定和设备不变时,、x、k皆为定值,则:当Pi P残时,即在Pcrit附近,则:当PiP残时,P残可省略,则:2. 金属在真空中蒸发和在大气中蒸发有何区别?如何利用其为生产服务?两者蒸发速率不同。温度一定时,真空度越大,单位体积分子数越少,大气条件下,气体中含有的气体分子数较多,分子间距离较小,因而碰撞程度很大,必然减小蒸发速率,而真空条件下,气体中含有的气体分子数较少,分子间距离也较大,因而碰撞不那么频繁,蒸发所受阻力小,蒸发速率增加

15、。生产上,为了增加真空蒸发的速度,可以通过增大系统的真空度,使待蒸馏物质蒸发速率增加,进而提高生产的效率。增加真空度,亦可以使金属蒸发的温度降低。3. 什么是蒸气密度?如何判断合金中各组分用真空蒸馏分离的可能性?(1)蒸气密度用表示,其等于气体中的分子密度与单个分子的质量之积:(2)引入比例系数A,也称为分离系数,分离系数可用于判断能否用蒸馏法分离或分离的难易程度。A1不易分离;A1,容易分离。4. 试分析铅铋合金用真空蒸馏分离的可能性?可用分离系数值A值来判断铅铋合金能否用真空蒸馏方法分离,且这种方法亦较为可靠。对铅铋二元系进行热力学分析与计算表明:当Bi在0.600.99时,A值在1.27

16、22.277之间, 即A>1,表明此时铋将在气相中富集;当Bi在0.10.30时,A值在0.5470.73, 即A<1,表明铅将在气相中富集;当Bi在0.400.50 时,A值在0.9061.056,A接近于1,此时可能存在恒沸点混合物,难以用蒸馏法把铋和铅分离开。蒸馏操作时,一般需经多级蒸馏才能得到精铋和精铅,最佳条件为将蒸馏条件控制在温度850,真空度40Pa,料层厚度30g,蒸馏时间40min, 经两段真空蒸馏可将铋中的含铅从2%降到0.01%,可达到符合国标2号精铋的要求。5. 已知锌在1179K、763K、692.5K时的饱和蒸气压分别为1.013105Pa、1.3310

17、2Pa、13.3Pa,试计算锌在三种条件下的蒸气密度,并计算锌蒸气从沸点降至熔点时锌的冷凝率?由克拉伯龙方程PV=nRT,得=PMRT,将各物理量代入,得到下表:锌的沸点1179K,熔点692.5K,采用公式计算蒸气密度改变值。将Pi,=1.013105Pa、Pi,=13.3Pa代入,得i=7.29310-4Pa,冷凝率为99.9%。6. 如何利用真空技术制备超细金属粉末?(1) VEROS法蒸发室为厘米的水冷不锈钢钟罩,在其中央的上部有一带有中心小孔的圆盘,由变速马达带动旋转。冷却液体从圆盘中心孔供给,当圆盘旋转时,借离心力作 用,供给的液体在圆盘下面形成连续膜,当金属原子与液体相遇,随即冷

18、凝弥散于液体中,并随之带走,积于收集器中。(2) 冷冻法制粉时先将试样放在钨丝加热器中,蒸发室抽至10-6托以下,关闭真空阀,引入有机溶剂(如乙醚),再将盛液氮的容器升至蒸发室底部,使有机溶剂凝固,并通入少量氦气,然后加热蒸发,金属蒸气在固态有机溶剂表面上冷凝沉积下来;当表面变为淡褐色时,停止蒸发,移下液氮容器,有机溶剂回复为液体,沉积的细粉则弥散于溶剂中。返复操作,直至溶剂中收集所希望的粉量为止。最后蒸发溶剂,即得超细粉末。7. 一级蒸馏和多级蒸馏各自的特点有哪些?一级蒸馏的特点:方法简单,但不易处理复杂情况。粗金属中杂质元素挥发性与主体金属差别不大,杂质挥发量很大,难以达到分离要求。粗金属中杂质浓度发生变化,其在真空蒸馏开始阶段和后续阶段的挥发速率不同,会导致总的挥发效率降低。一级蒸馏为间断作业,单台设备的生产效率低。多级蒸馏的特点:相当于多次的一级蒸馏,产品质量高,设备生产效率显著增加。8. 如何进行铅锑合金的真空蒸馏分离?图1不同温度下Pb-Sb合金分离系数 图2 不同温度时Pb-Sb合金中Sb在气相和液相中的成分分布图从图1可以明显看出,在Pb-Sb二元合金体系,Pb-Sb合金Sb分离系数在同一成分下随着温度的升高而降低,在相同温度条件下分离系数随合金中Sb含量的增加而增加,其原因为温度升高、Sb含量增大导致Sb和Pb饱

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