真空熔煉中海綿鈦揮發(fā)物對真空系統(tǒng)的影響和解決方法

摘 要：文章通過對鈦在真空熔煉時(shí)發(fā)生的真空泵組抱死，零件腐蝕等現(xiàn)象進(jìn)行了細(xì)致的研究和分析，提出了預(yù)防此類故障發(fā)生的措施，降低了真空泵組故障率，提高了真空泵組的使用壽命。

關(guān)鍵詞：海綿鈦；揮發(fā)物；機(jī)械泵；羅茨真空泵；油擴(kuò)散噴射真空泵

1概述

鈦是金屬材料領(lǐng)域族群中的一支新秀，鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度和比模量、高熔點(diǎn)、耐腐蝕、在高溫時(shí)依然可以維持較高的強(qiáng)度和剛性，并具有良好的抗蠕變性和抗氧化性，是具有潛力的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料，被譽(yù)為“太空金屬”和“海洋金屬”。因此在航空航天、核工業(yè)、軍事工業(yè)及冶金等領(lǐng)域有廣泛的用途，是重要的戰(zhàn)略物資，是高溫領(lǐng)域中不能代替的材料。

2 實(shí)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)

鈦由于屬于活性金屬，容易和空氣中氧發(fā)生反應(yīng)，在熔煉中需處于真空熔煉設(shè)備中，真空熔煉最常用的方法包括真空感應(yīng)熔煉、真空電弧熔煉、電子束熔煉、等離子熔煉、冷床熔煉等，這些設(shè)備的相同之處都需要真空泵組從系統(tǒng)中排除氣體以獲得真空，（如圖1真空泵組示意圖）。在海綿鈦的真空熔煉中，真空系統(tǒng)中會(huì)含有大量的粉塵和揮發(fā)物，這些物質(zhì)和空氣中的水和機(jī)械泵油混合在一起，對中機(jī)械設(shè)備和真空系統(tǒng)的的運(yùn)行產(chǎn)生極大的危害，根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)和對真空系統(tǒng)故障的統(tǒng)計(jì)具體如下：

圖1 真空泵組示意圖

2.1 腐蝕前級機(jī)械泵腔及滑閥（如圖2所示），使兩者間隙增大，機(jī)械泵的抽氣速率被大大降低。腐蝕機(jī)械泵的主軸軸承（如圖3所示）、排氣閥，使配合間隙變大，運(yùn)行過程中震動(dòng)變大，降低了機(jī)械泵使用壽命，容易發(fā)生密封漏氣、漏油的現(xiàn)象。腐蝕前級機(jī)械泵滑軌上的固定螺栓，在泵的運(yùn)行過程中由于震動(dòng)，容易脫落，造成泵腔劃傷甚至報(bào)廢。

圖2 被腐蝕的泵腔 圖3 被腐蝕的軸承

圖4 被污染的真空泵油 圖5 附著在泵腔及轉(zhuǎn)子表面的金屬粉塵

2.2 金屬粉末進(jìn)入前級機(jī)械泵泵油中，使泵油變的粘稠（如下圖4所示），堵塞排氣閥及滑閥油孔、磨損閥片，使泵體和滑閥發(fā)熱，是前級機(jī)械泵發(fā)生抱死現(xiàn)象。金屬粉塵影響軸封的氣密性，從而產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。

2.3 金屬粉塵進(jìn)入羅茨泵泵腔，附著在泵腔及轉(zhuǎn)子表面上，使原本光潔度高的表面變的十分粗糙，金屬粉塵積累到一定程度（如圖5所示），泵腔及轉(zhuǎn)子的間隙減小，負(fù)荷增大，引起泵體發(fā)熱，從而使轉(zhuǎn)子墊膨脹，泵抱死；并使羅茨泵的抽氣速率大大降低。

2.4 金屬粉塵進(jìn)入油擴(kuò)散泵體后，使油的粘度增加，堵塞噴嘴，使油擴(kuò)散噴濺真空泵不能正常工作。金屬粉塵進(jìn)入油里，油的沸點(diǎn)提高，加熱時(shí)間延長，使打開閥門的時(shí)間過短，從而引起返油及無真空的現(xiàn)象。

3 分析與討論

3.1 分析與討論真空泵組中腐蝕物的來源

海綿鈦是由選礦、富集、氯化、精制、鎂熱還原、真空蒸餾等工藝制取而來。海綿鈦氯化的過程中，加入的Cl2并沒有完全和富鈦料TiO2發(fā)生反應(yīng)，在海綿鈦中殘留有大量的，該檢測說明書表明：0級的海綿鈦中含有0.06%的Cl2，我公司每爐料真空泵組需要吸收48kg的Cl2。經(jīng)檢測可知，在真空泵組排除系統(tǒng)中的空氣的過程中，這些Cl2被排除到真空泵組的的前級機(jī)械泵處，和真空泵油中和空氣中的水發(fā)生如下反應(yīng)，有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)式是：

H2O+Cl2=HCl+HClO

生成的鹽酸和次氯酸以大量溶解在真空泵油中，對各真空泵腔、滑閥等造成很大的腐蝕。

3.2 分析與討論真空泵組中粉塵的來源

由分析真空泵組的粉塵的組成可知，真空系統(tǒng)中粉塵主要有三方面的來源：自耗電極中的鈦粉末被抽入真空泵組中；在熔化的過程中，產(chǎn)生的金屬揮發(fā)物被抽入真空泵組中；真空自耗電弧爐中在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的粉塵和設(shè)備內(nèi)部的灰塵被抽入真空泵組中。

這些粉塵、揮發(fā)物和一部分混入油擴(kuò)散泵的油中，一部分附著在真空管道和羅茨泵的內(nèi)表面，還有一部分和機(jī)械泵的油混合在一起。滯留在真空泵組的粉塵和揮發(fā)物積累到一定的程度，會(huì)發(fā)生以上統(tǒng)計(jì)的故障。

綜合以上分析可以看出，解決真空熔煉中海綿鈦揮發(fā)物對真空系統(tǒng)的影響，主要從防止海綿鈦Cl2和水發(fā)生反應(yīng)和粉塵、金屬揮發(fā)物進(jìn)入真空泵組兩方面著手。海綿鈦的Cl2由于海綿鈦的制取工藝限制，無法清除，所以只有及時(shí)排除真空泵組由于空氣壓縮而產(chǎn)生的水。Cl2和水的反應(yīng)主要發(fā)生在真空泵組的前級機(jī)械泵處，H型系列滑閥式機(jī)械真空泵都帶有氣鎮(zhèn)裝置，利用氣鎮(zhèn)裝置可以排除泵腔中的水；防止粉塵和金屬揮發(fā)物進(jìn)入真空泵組，首先需要讓粉塵和金屬揮發(fā)物停留在真空泵組入口處，所以在真空泵組入口處需加裝可便于清理、拆卸的防塵裝置。

4 解決方案

針對以上出現(xiàn)的諸多問題，在實(shí)際的使用過程中我們總結(jié)出了一系列解決方案并取得了一定的實(shí)際效果，每一周打開氣鎮(zhèn)閥一次，排出真空泵油中的水，降低真空泵油的酸度，延緩對真空泵組的腐蝕。停泵時(shí)要打開充氣閥，使真空泵油返回油箱，防止鹽酸和次氯酸腐蝕前級機(jī)械泵泵腔。滑軌固定螺栓更換成鈦或不銹鋼耐腐蝕螺栓，減緩固定螺栓被腐蝕而脫落，造成泵腔的損壞。在真空泵組的入口處加裝便于拆卸的防塵裝置。

5 結(jié)束語

由于海綿鈦制取工藝難以改變，海綿鈦揮發(fā)物無法完全消除，只能通過上述的解決辦法緩解對真空系統(tǒng)的影響。上述針對海綿鈦揮發(fā)物的解決辦法實(shí)施以后，海綿鈦一次熔煉時(shí)，機(jī)械泵原來使用3個(gè)月需要更換，現(xiàn)在可以使用一年，羅茨泵和油擴(kuò)散噴射泵很少需要檢修，給企業(yè)顯著降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

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