真空熱處理爐爐況對鉭粉碳含量影響因素分析

李麗君，雒國清

（1.寧夏東方鉭業股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.國家鉭鈮特種金屬材料工程技術研究中心，寧夏石嘴山 753000；3.稀有金屬特種材料國家重點實驗室，寧夏石嘴山 753000）

隨著真空技術的不斷發展，真空設備在冶金工業被廣泛應用。真空熱處理爐作為處理鉭粉的重要設備，以此進一步提高鉭粉純度，改善其物理加工性能，滿足電容器用鉭粉使用的技術要求［1］。鉭粉主要用于制作電解電容器，鉭粉中碳是有害的雜質元素之一［2］。真空熱處理鉭粉增碳的主要原因為油擴散泵的返油導致鉭粉增碳，但多年以來，此問題卻在生產實際中難以得到有效的解決。文獻［3，4］介紹了油擴散泵返油率的控制分析，本文將從真空熱處理爐爐況對鉭粉碳含量的影響進行分析。

1 試驗原料及設備

1.1 原料選擇

試驗所使用的原料粉末為鈉還原氟鉭酸鉀得到的原粉，碳含量為18μg/g。將鉭粉真空包裝密封放置，試驗前重新對樣品進行碳分析。

1.2 試驗設備及分析設備

試驗設備為高溫真空熱處理爐，分析設備為美國LECOCS廠家生產的CS-444型碳硫測定儀。

2 真空熱處理爐爐況對鉭粉碳含量影響因素分析

2.1 不同熱處理溫度對鉭粉碳含量的影響

在真空高溫燒結時，鉭粉中的氧和碳會發生反應生成一氧化碳［5］，在實際生產中多數擴散泵油分子存在爐膛回流的現象，因此鉭粉中的氧與爐膛揮發的碳結合生成的一氧化碳，隨著抽空系統排出真空爐內。但隨著溫度的升高，一氧化碳氣體分子無序運動速度加快，更容易揮發被前級抽空系統排出真空爐內。表1為不同處理溫度下的樣品碳含量，各取原料50 g裝入鉭制坩堝內，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，在不同燒結溫度下處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析。從表1可以看出，較高的燒結溫度能夠有效地降低鉭粉中的碳含量。因此為了降低真空爐擴散泵返油對鉭粉增碳的影響，可在真空爐空載烘爐時，提高處理溫度，減少爐膛內油分子對鉭粉的污染。

表1 不同處理溫度樣品碳含量

2.2 真空閥加裝限位的試驗

現場有不同型號的真空爐，存在真空閥加裝限位器與不加裝限位器的情況。表2為采用真空閥加裝限位器與不加裝限位器進行的試驗結果。各取原料50 g裝入鉭制坩堝內，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，1 200℃保溫30 min處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析。表2表明真空爐真空閥未加裝限位器較加裝限位器生產鉭粉碳含量明顯偏高。由于真空熱處理高低真空過渡階段，真空爐未加裝限位器的真空閥存在高閥關不嚴，爐膛負壓大，瞬間油擴散泵的油蒸汽進入爐膛，導致生產鉭粉的碳含量偏高。加裝限位器的真空閥門能有效地實現閥門的連鎖開啟關閉，有效控制高低真空過渡階段擴散泵油分子出現爐膛回流的現象。

表2 真空閥加裝限位器與未加裝限位器樣品碳含量

2.3 油擴散泵冷凝壁冷卻水連接方式的試驗

生產現場油擴散泵的冷凝壁采用冷卻水進行冷卻，通常冷卻水的接通方式為下進上出，針對擴散泵冷卻水的連接方式采用下進上出、上進下出進行試驗。在油擴散泵冷卻水不同連接方式下，各取原料50 g裝入鉭制坩堝內，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，1 200℃保溫30 min處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析，試驗結果見表3。

表3 油擴散泵不同冷卻水連接方式樣品碳含量

表3表明油擴散泵冷凝壁冷卻水采用上進下出方式較下進上出方式生產鉭粉的碳含量明顯偏低。因為擴散泵油在密封的、底部加熱的蒸發器里，經加熱，其蒸汽被迫從蒸發器底部向上運行。蒸汽以超聲速穿過噴嘴狹窄的環形孔，且以一定角度向下噴。油擴散泵冷凝壁冷卻水采用下進上出的方式，上部出水溫度偏高，增大了一級噴嘴表面的油膜和油滴再蒸發的返油率，導致油蒸汽進入爐膛，造成鉭粉碳含量偏高。

2.4 油擴散泵關閉維持泵后不同管道真空的試驗

生產現場真空爐擴散泵的管道真空在關閉維持泵后會出現管道真空不一致的情況。選取兩臺真空爐，其管道真空為擴散泵前級管道抽空至5.33 Pa后關閉維持泵，在6 h后管道真空分別為5 333.2 Pa、6.67 Pa。各取原料50 g裝入鉭制坩堝內，放入兩臺真空爐內，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，1 200℃保溫30 min處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析，試驗結果見表4。表4表明擴散泵前級管道在關閉維持泵6 h后的管道真空不同，生產鉭粉的碳含量不同。擴散泵前級管道在關閉維持泵6 h后的管道壓力越大碳含量越高，原因為擴散泵前級管道存在漏氣的情況，在生產運行結束關閉維持泵后，油擴散泵管道壓力越大漏氣越嚴重。由于擴散泵前級管道漏氣會導致擴散泵油在升溫過程中氧化，導致擴散泵油純度下降，擴散泵抽空能力變弱。同時鉭粉在升溫過程中油擴散泵管道漏氣嚴重的會使空氣在相對負壓的狀態進入爐膛，油擴散泵的油蒸汽進入爐膛，導致生產鉭粉的碳含量偏高。可采用將擴散泵前級管道抽空至一定壓力后關閉維持泵，計算管道壓力的下降速度，判斷擴散泵管道的漏氣情況，對漏氣嚴重的及時進行維修，降低真空爐生產鉭粉的碳含量。

表4 油擴散泵關閉維持泵后不同管道真空樣品碳含量

2.5 擴散泵障板冷卻方式對鉭粉碳含量的影響

由于油蒸汽從泵口處向被抽容器中返流，因此在泵入口處可裝上阻擋油蒸汽返流的障板，來減少油的返流。生產現場擴散泵的障板的方式為采用水冷或者氟利昂制冷。選取生產現場均為10 a的真空爐，擴散泵障板采用水冷、氟利昂制冷進行試驗。各取原料50 g裝入鉭制坩堝內，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，1 200℃保溫30 min處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析，試驗結果見表5。表5表明油擴散泵障板處采用氟利昂制冷的碳含量較采用水冷的碳含量明顯偏低。原因為在高真空情況下，蒸汽分子是直線運動的，障板不能使蒸汽分子直線穿過。當油蒸汽向高真空端運動時，就必然要和障板相碰撞，使油蒸汽分子或者凝結在障板上，或者減弱它的漫射能力。障板采用氟利昂制冷的較使用水冷制冷的溫度較低，能夠有效地阻止油蒸汽的返流。使用氟利昂制冷生產過程中要保證氟量充足，氟利昂壓縮機制冷正常。

表5 油擴散泵不同障板冷卻方式樣品碳含量

2.6 油擴散泵壁不同回水溫度對鉭粉碳含量的影響

生產現場擴散泵壁采用冷卻水進行冷卻，冷卻水壓0.15 MPa，冷卻水進水水溫在18～20℃，擴散泵泵壁出口溫度為30～35℃，部分擴散泵泵壁出口溫度為50～60℃。各取原料50 g裝入鉭制坩堝內，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，1 200℃保溫30 min處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析。表6為油擴散泵壁不同回水溫度鉭粉碳含量。表6表明擴散泵泵壁出口溫度偏高較出口溫度略低的真空爐生產鉭粉碳含量偏高。原因為擴散泵油被電爐加熱時，產生油蒸氣沿著導流管經傘形噴嘴向下噴，射流最后泵上冷卻水冷卻的泵壁凝結為液體流回蒸發器，冷卻水回水溫度偏高，降低了擴散泵的泵壁的冷凝效果。針對擴散泵泵壁出口溫度偏高的問題可在擴散泵泵壁出口端增加增加泵，有效解決出口溫度偏高、真空爐生產鉭粉碳含量偏高的問題。

表6 油擴散泵壁不同回水溫度鉭粉碳含量 μg/g

3 結 論

1.較高的燒結溫度能夠有效地降低鉭粉中的碳含量。因此為了降低真空爐擴散泵返油對鉭粉增碳的影響，可在真空爐空載烘爐時，提高處理溫度，減少爐膛內油分子對鉭粉的污染。

2.真空爐真空閥未加裝限位器較加裝限位器生產鉭粉碳含量明顯偏高。真空爐的真空閥需加裝限位器有效實現閥門的連鎖開啟關閉，避免瞬間壓差過擴散泵油返流造成生產鉭粉碳含量偏高。

3.油擴散泵冷凝壁冷卻水連接方式采用下進上出的方式生產鉭粉的碳含量明顯偏高，油擴散泵冷凝壁冷卻水需采用上進下出的方式。

4.擴散泵前級管道在關閉維持泵6 h后的管道壓力越大碳含量越高，可采用將擴散泵前級管道抽空至一定壓力后關閉維持泵，計算管道壓力的下降速度，判斷擴散泵管道的漏氣情況，對漏氣嚴重的及時進行維修，降低真空爐生產鉭粉的碳含量。

5.油擴散泵障板處采用氟利昂制冷的碳含量較采用水冷的碳含量明顯偏低。使用氟利昂制冷生產過程中要保證氟量充足，氟利昂壓縮機制冷正常。

6.擴散泵泵壁出口溫度偏高較擴散泵泵壁出口溫度略低的真空爐生產鉭粉碳含量偏高。冷卻水回水溫度偏高，降低了擴散泵的泵壁的冷凝效果。可在擴散泵泵壁出口端增加增加泵，有效解決出口溫度偏高，真空爐生產鉭粉碳含量偏高的問題。