真空重熔真空装置.doc

钛精炼真空系统：真空泵新技术述评2010年02月刊 浏览次数：81Simon Bruce Edwards有限公司；英国西苏塞克斯 在全世界的航空、发电和化工等高技术行业中，钛及其合金是核心部件的重要材料。如今，在钛的提取、制造和精炼以及新式钛合金和新用途的开发等方面的投入逐年增加,旨在提高精炼工艺效率和促进钛合金普及的设备和技术也不断被开发出来，使钛的应用范围日益扩大。用于冶金工艺的大型(1,000立方米/小时)双端干式螺杆真空泵(型号为IDX1000) 在工艺过程中利用真空条件将材料与空气隔绝，避免钛在高温下与空气中的成分发生反应和被其污染，是钛的精炼和提纯工艺所面临的主要课题。 真空泵技术的不断发展，加上特种真空泵系统的设计创新，使真空电弧重熔和近来的感应凝壳熔炼受益匪浅。这两种主要的钛精炼工艺所使用的真空泵系统取得了一些新的技术成果，本文对此加以介绍。真空电弧重熔 真空电弧重熔(VAR)炉被用来提纯像钛(Ti)这样的活性金属。利用待提纯的海绵钛、钛废料和洁净的回收金属钛制成一根长电极，然后将其放在真空室内一个接地的水冷铜模上方。两者之间产生一道直流电弧，将钛电极的末端熔化。随着熔融金属不断落入铜模，电极逐渐被消耗，而提纯的钛锭在下方逐渐增大。这样的熔炼操作通常需要进行两次，以确保钛达到期望的纯度和冶金结构。在VAR炉内的真空条件下用电弧熔化，相比于感应熔化技术具有许多优点。它完全避免了与空气成分的接触，能够有效去除溶解气体(比如氢和氮)以及轻金属杂质。还可以对提纯的钛锭进行定向凝固。钛VAR炉内部的工作压力必须达到1x10-2毫巴 1x10-3毫巴甚至更低，因此，真空泵必须具有足够的能力以保证充分去除产生的所有气态杂质。工艺过程中产生的粉尘和颗粒物会被气流带入真空泵。如果在制作电极时使用了大量的海绵钛原料，还会遇到产生氯化物的问题，从而在抽出的气体排入大气时可能出现腐蚀现象。图1. 中型钛VAR炉配备的传统真空泵系统示意图 传统VAR系统采用真空传统的钛VAR炉真空泵系统采用了蒸汽增压泵，它能够在气体负荷大和颗粒物含量高的情况下保持极低的工作压力。蒸汽增压泵是一种成熟而独特的设备，但作为“次级”泵，它们需要由其他能够将抽出的气体排入大气的真空泵提供支持。图1示意了一种典型的钛VAR炉系统。前级泵通常是一对机械增压泵和干式主泵的组合，用于真空炉的初级降压(“粗抽”)，目的是达到蒸汽增压泵可以开始运转的压力。 这种传统系统的主要优点是，即使存在着产生自工艺的灰尘，采用蒸汽增压泵也是在极低的压力下稳定保持高抽速的一种经济的手段。灰尘颗粒被简单地吸入蒸汽增压泵的泵油内，并且沉降到泵油槽的底部。 图2. 一种典型的VAR真空泵系统中两台18B4型蒸汽增压泵与其EH4200GV600型前级泵抽速曲线的比较压力/托图3. 大型钛电极等离子焊接室的真空系统(包括两组泵)示意图A线B线减压阀氩气管线F1和F2：拉西环式过滤器另外，在前级泵组合中使用干式机械主泵比使用传统的油封式(“湿式”)主泵更容易清理灰尘，真空性能更稳定，维护工作量更少。由于干式主泵在热态下运转，也降低了氯化物杂质在抽出的气体中凝结并产生腐蚀作用的风险。图2给出了一种典型的VAR真空泵系统中蒸汽增压泵和前级泵组合的抽速曲线。电极等离子焊接系统 粗钛电极的制作也是在真空下进行的。电极可以使用新原料(比如洁净的海绵钛)加上适当的合金添加剂制成，或者可以使用经过仔细检查和清理的钛废料和下脚料(也叫“返回料”)制成。一般来说，新的海绵钛原料需要先被制成压块，然后再将其焊接成一根长电极。 另外，许多大块返回料可以直接焊接成一根电极。在氩气氛下进行氩等离子焊接，是制作钛电极的常用方法。为了避免在极高的焊接温度下生成氧化物或氮化物的风险，在开始焊接前从焊接室内和材料中彻底排除空气是非常关键的。典型的压块等离子焊接炉均配备真空泵系统，以便将空气抽除到0.1毫巴以下，并且在焊接过程中控制焊接室内的氩气压力。图3和图4给出了一个典型的例子。 这种干式泵系统由两套泵组成，它们有各自的管线，分别由一台大型过滤器(图3中的F1和F2)加以保护。过滤器被干式填料环(比如拉西环或鲍尔环)部分装满，它们在高流速下捕获等离子焊接工艺所产生的大量颗粒物的效果十分理想。 由于压块材料的表面积很大，随后抽真空时的抽气负荷很高，所以，需要一套能够快速达到10毫巴到0.1毫巴范围的泵系统。为此，使用了两组大型机械增压泵(HV8000型)和大型干式主泵(IDX1000型)。开始抽真空时，这两组泵都需要启动，抽气时间一般为30到50分钟。之后，炉内重新充入纯氩，达到略微高于大气压力的水平，以确保不会再次进入空气。然后，开始进行等离子焊接，这一过程可能会持续数小时。在焊接期间，只有一台干式泵保持运转(图3中A线的IDX1000)。这样，由于炉内的氩气氛受热膨胀而使得氩气管线上的减压阀间歇性打开时，这台运转着的泵能够将排出的氩气安全抽除。最终，当工艺结束后，再用这台泵在空气进入炉内之前将氩气抽出。 这里介绍的泵系统有一个特别之处：IDX1000主泵使用了压缩空气作为大流量气镇。首先，这样保证了IDX1000有稳定的气流通过，能够防止灰尘和腐蚀性颗粒物在泵的内部残留；其次，它方便而有效地减轻了氩气压缩所产生的热效应，消除了泵过热的风险。感应凝壳熔炼 感应凝壳熔炼(ISM)工艺有多方面的优点，特别是对于钛的熔模铸造。它很快就成为了一种低成本生产优质钛铸件的富于吸引力的高效工艺。它还能使用任意配比的钛废料、返回料和海绵钛而获得高质量的结果。 ISM使用的真空炉内有一个采取了绝缘措施的水冷铜坩埚，能够在坩埚内的钛原料中产生感应磁场但不会加热坩埚本身。感应磁场使钛被熔化和产生流动，形成一个下部凝固的拱形熔池，从而产生一个内部含有纯净钛液的固态钛“壳”。纯净的钛液立刻被浇铸到适当的模具中，坩埚内只留下一个凝固“壳”。这个纯钛壳可以在下一次熔炼中继续使用。ISM对于真空度水平的要求不像VAR那样严格，但ISM真空系统由于生产超高纯钛铸件而有一些特殊的要求，ISM炉本身在技术和安全性方面也有一定的要求。传统ISM系统采用真空 ISM工艺中容易产生大量颗粒物和灰尘，其中含有腐蚀性的氯化物。这意味着，在工艺初期的湍流抽气过程中，随着炉室的真空度从大气压力下降到200毫巴左右，大量的杂质会被吸入真空泵系统。所以，另外使用一套液体环式泵(LRP)辅助系统将炉室抽气到200毫巴以下的压力，因为液体环式泵适用于达到这种“粗真空”条件，而且能够适应存在大量杂质颗粒物的情况。 然而，为了达到ISM工艺所要求的高真空度(典型值为0.05毫巴以下)，并且为了避免在如此低的压力下泵液回流造成炉室污染的可能性，主真空泵系统只能考虑使用干式泵系统。 系统的抽气能力必须足以保证从工艺中抽出最大的理论气体负荷，使最高炉压降低到一个可以接受的水平。对于一台典型的ISM炉，这意味着在最大系统流量下保持住低于0.1毫巴的压力。图4. 大型钛电极等离子焊接室的一组干式机械真空泵图5. 多室钛精炼设备(包括两台ISM炉)的双组干式机械真空泵系统示意图泵组A泵组B这需要采用三级抽气方案才能实现。特别是当要求的抽气能力是以氢(H2)来衡量的时候，这一要求的难度可想而知，因为氢是金属中的一种常见杂质，而干式主泵对于氢的抽气效率相对较低，除非采取专门的措施。灵活型真空泵系统 在最先进的ISM设备中，采用了能够根据生产需要而在多台ISM炉和VAR炉之间切换的灵活型真空泵系统。图5和图6给出了这种灵活型三级真空系统(两级机械增压泵辅以干式爪型主泵)的一个实例，它为一套由1台大型ISM炉、1台小型ISM炉和1台小型VAR炉组成的精炼设备提供真空条件。系统能力的确定原则是，当所有泵同时投入运转时，能够满足大型ISM炉的抽真空要求。不过，它也可以被分成两套泵组彼此独立运行(即图5中标示的泵组A和泵组B，需要将阀V1和V2关闭)。这样，如果生产中有需要，小型ISM炉和VAR炉可以同时操作。 最近，对该系统进行了所有泵同时运转的实际测试。结果表明，它在0.1毫巴时达到的有效对氢抽速超过了25,000立方米/小时，非常接近于该系统对氢抽速的计算机理论预测指标。这种特殊系统的其他重要特点还包括，在干式主泵之前设置了大型灰尘过滤器(图5中GV1和GV2前面的F1和F2标记)。在此处对气流进行过滤的效果非常好，因为这里的气压相对较高，意味着过滤后的抽速损失会很小，而且灰尘容易通过过滤器上游的两级机械增压泵。为了避免长期运行后灰尘积聚，主泵GV1和GV2还配备了停机空气吹扫系统，在工艺末期关闭阀V51和V52以及主泵之前，让大气压力下的空气流过它们数分钟。总结 干式真空泵新技术的应用，加上钛精炼工艺真空系统的丰富经验，为现代钛精炼设备提供了更可靠和更经济的真空泵方案。它让制造商实现了更高效和更灵活的生产，保证了钛材料的竞争优势。这些技术改进将为钛这种重要金属进一步拓宽应用领域。欲了解更多资料，请联系：Dr. Simon Bruce，英国Edwards有限公司产品销售经理，Dolphin Road, Shore