真空重熔真空裝置

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1、鈦精煉真空系統(tǒng)：真空泵新技術(shù)述評2010年02月刊　瀏覽次數(shù)：81SimonBruce—Edwards有限公司；英國西蘇塞克斯在全世界的航空、發(fā)電和化工等高技術(shù)行業(yè)中，鈦及其合金是核心部件的重要材料。如今，在鈦的提取、制造和精煉以及新式鈦合金和新用途的開發(fā)等方面的投入逐年增加,旨在提高精煉工藝效率和促進鈦合金普及的設(shè)備和技術(shù)也不斷被開發(fā)出來，使鈦的應(yīng)用范圍日益擴大。用于冶金工藝的大型(1,000立方米/小時)雙端干式螺桿真空泵(型號為IDX1000)在工藝過程中利用真空條件將材料與空氣隔絕，避免鈦在高溫下與空氣中的成分發(fā)生反應(yīng)和被其污染，是鈦

2、的精煉和提純工藝所面臨的主要課題。真空泵技術(shù)的不斷發(fā)展，加上特種真空泵系統(tǒng)的設(shè)計創(chuàng)新，使真空電弧重熔和近來的感應(yīng)凝殼熔煉受益匪淺。這兩種主要的鈦精煉工藝所使用的真空泵系統(tǒng)取得了一些新的技術(shù)成果，本文對此加以介紹。真空電弧重熔真空電弧重熔(VAR)爐被用來提純像鈦(Ti)這樣的活性金屬。利用待提純的海綿鈦、鈦廢料和潔凈的回收金屬鈦制成一根長電極，然后將其放在真空室內(nèi)一個接地的水冷銅模上方。兩者之間產(chǎn)生一道直流電弧，將鈦電極的末端熔化。隨著熔融金屬不斷落入銅模，電極逐漸被消耗，而提純的鈦錠在下方逐漸增大。這樣的熔煉操作通常需要進行兩次，以確保鈦達

3、到期望的純度和冶金結(jié)構(gòu)。在VAR爐內(nèi)的真空條件下用電弧熔化，相比于感應(yīng)熔化技術(shù)具有許多優(yōu)點。它完全避免了與空氣成分的接觸，能夠有效去除溶解氣體(比如氫和氮)以及輕金屬雜質(zhì)。還可以對提純的鈦錠進行定向凝固。鈦VAR爐內(nèi)部的工作壓力必須達到1x10-2毫巴–1x10-3毫巴甚至更低，因此，真空泵必須具有足夠的能力以保證充分去除產(chǎn)生的所有氣態(tài)雜質(zhì)。工藝過程中產(chǎn)生的粉塵和顆粒物會被氣流帶入真空泵。如果在制作電極時使用了大量的海綿鈦原料，還會遇到產(chǎn)生氯化物的問題，從而在抽出的氣體排入大氣時可能出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。圖1.中型鈦VAR爐配備的傳統(tǒng)真空泵系統(tǒng)示意圖

4、傳統(tǒng)VAR系統(tǒng)采用真空傳統(tǒng)的鈦VAR爐真空泵系統(tǒng)采用了蒸汽增壓泵，它能夠在氣體負(fù)荷大和顆粒物含量高的情況下保持極低的工作壓力。蒸汽增壓泵是一種成熟而獨特的設(shè)備，但作為“次級”泵，它們需要由其他能夠?qū)⒊槌龅臍怏w排入大氣的真空泵提供支持。圖1示意了一種典型的鈦VAR爐系統(tǒng)。前級泵通常是一對機械增壓泵和干式主泵的組合，用于真空爐的初級降壓(“粗抽”)，目的是達到蒸汽增壓泵可以開始運轉(zhuǎn)的壓力。這種傳統(tǒng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點是，即使存在著產(chǎn)生自工藝的灰塵，采用蒸汽增壓泵也是在極低的壓力下穩(wěn)定保持高抽速的一種經(jīng)濟的手段?；覊m顆粒被簡單地吸入蒸汽增壓泵的泵油內(nèi)，并

5、且沉降到泵油槽的底部。圖2.一種典型的VAR真空泵系統(tǒng)中兩臺18B4型蒸汽增壓泵與其EH4200>GV600型前級泵抽速曲線的比較壓力/托圖3.大型鈦電極等離子焊接室的真空系統(tǒng)(包括兩組泵)示意圖A線B線減壓閥氬氣管線F1和F2：拉西環(huán)式過濾器…另外，在前級泵組合中使用干式機械主泵比使用傳統(tǒng)的油封式(“濕式”)主泵更容易清理灰塵，真空性能更穩(wěn)定，維護工作量更少。由于干式主泵在熱態(tài)下運轉(zhuǎn)，也降低了氯化物雜質(zhì)在抽出的氣體中凝結(jié)并產(chǎn)生腐蝕作用的風(fēng)險。圖2給出了一種典型的VAR真空泵系統(tǒng)中蒸汽增壓泵和前級泵組合的抽速曲線。電極等離子焊接系統(tǒng)粗鈦電極的

6、制作也是在真空下進行的。電極可以使用新原料(比如潔凈的海綿鈦)加上適當(dāng)?shù)暮辖鹛砑觿┲瞥?，或者可以使用?jīng)過仔細(xì)檢查和清理的鈦廢料和下腳料(也叫“返回料”)制成。一般來說，新的海綿鈦原料需要先被制成壓塊，然后再將其焊接成一根長電極。另外，許多大塊返回料可以直接焊接成一根電極。在氬氣氛下進行氬等離子焊接，是制作鈦電極的常用方法。為了避免在極高的焊接溫度下生成氧化物或氮化物的風(fēng)險，在開始焊接前從焊接室內(nèi)和材料中徹底排除空氣是非常關(guān)鍵的。典型的壓塊等離子焊接爐均配備真空泵系統(tǒng)，以便將空氣抽除到0.1毫巴以下，并且在焊接過程中控制焊接室內(nèi)的氬氣壓力。圖3

7、和圖4給出了一個典型的例子。這種干式泵系統(tǒng)由兩套泵組成，它們有各自的管線，分別由一臺大型過濾器(圖3中的F1和F2)加以保護。過濾器被干式填料環(huán)(比如拉西環(huán)或鮑爾環(huán))部分裝滿，它們在高流速下捕獲等離子焊接工藝所產(chǎn)生的大量顆粒物的效果十分理想。由于壓塊材料的表面積很大，隨后抽真空時的抽氣負(fù)荷很高，所以，需要一套能夠快速達到10毫巴到0.1毫巴范圍的泵系統(tǒng)。為此，使用了兩組大型機械增壓泵(HV8000型)和大型干式主泵(IDX1000型)。開始抽真空時，這兩組泵都需要啟動，抽氣時間一般為30到50分鐘。之后，爐內(nèi)重新充入純氬，達到略微高于大氣壓力

8、的水平，以確保不會再次進入空氣。然后，開始進行等離子焊接，這一過程可能會持續(xù)數(shù)小時。在焊接期間，只有一臺干式泵保持運轉(zhuǎn)(圖3中A線的IDX1000)。這樣，由于爐內(nèi)