真空熔炉设计【18张图/16800字】【优秀机械毕业设计论文】
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说明书一份,44页,16800字左右.
图纸共18张,如下所示
A0-真空室装配图.dwg
A0-真空室.dwg
A0-总装配图.dwg
A2-抽气管道组件.dwg
A2-联接法兰.dwg
A2-球阀法兰.dwg
A2-真空组件顶盖.dwg
A4-35角阀法兰.dwg
A4-过渡管道堵.dwg
A4-Dg35角阀法兰接管.dwg
A4-Dg角阀接管.dwg
A4-过渡管组件.dwg
A4-过渡管道过渡接头.dwg
A4-过渡管道接管.dwg
A4-联接法兰.dwg
A4-压力表接管.dwg
A4-闸板阀接管.dwg
A4-真空压力表座.dwg
摘 要
本论文设计的是为冶金工业中用来提高镐基合金性能的设备提供必要条件的系统——真空获得系统，设计主要包括：溶炼室真空机组、熔渗室真空机组、快淬室真空机组的设计等等。
真空获得技术是一切真空应用的技术基础,真空获得设备关系到所有真空应用设备的运行和使用。为了满足设备可以在高真空的条件下工作，所以选择合适的机械泵，罗茨泵，分子泵组成合适的真空机组，使各真空室达到工作的真空条件。
在设计中，为了使溶炼室、熔炼室达到高真空选择机械泵与罗茨泵组成前级泵机组进行预抽达到粗真空，分子泵为高级泵即主抽泵。快淬室在低真空条件下工作选择机械泵、罗茨泵进行抽真空。密封方面，采用了机械密封，密封性能可靠。
关键词：真空机组；机械泵；罗茨泵；分子泵；粗真空；高真空
Abstract
This thesis is for the metallurgical industry to improve the Ho-based alloys to provide the necessary conditions for the system equipment——Vacuum access system，Design includes：Smelting chamber vacuum unit、Infiltration chamber vacuum unit、Quenching chamber vacuum unit design and others。
Vacuum access to technology is the technical foundation for all vacuum applications，Vacuum obtain equipment related to the operation of all vacuum equipment and the use of。To meet the device can work under high vacuum conditions，So choose a suitable mechanical pumps, Roots pumps, molecular composition of a suitable vacuum pump unit，So that the work of the vacuum chamber to vacuum conditions。
In the design，In order to smelting room, select the melting chamber to high vacuum mechanical pump and Roots pump before the pump unit composed of pre-pumping to rough vacuum，High molecular pump that is the main pumping pumps。Quenched room to work in low vacuum conditions select mechanical pump, Roots vacuum pump。Seal, the use of mechanical seals, sealing performance and reliable。
Keywords：Vacuum unit; mechanical pump; Roots pump; molecular pump;
rough vacuum; high vacuum
目 录
1 绪论 1
1.1 非晶合金发展概述 1
1.2 Zr基非晶合金的性能 2
1.2.1 力学性能 2
1.2.2 耐腐蚀性能 4
1.2.3 加工性能 4
1.3 真空获得设备发展概述 4
1.3.1 真空技术发展简介 4
1.3.2 综合评价 5
2 锆基非晶合金真空熔炼压力熔渗炉真空系统设计 6
2.1 工作原理及主要技术性能指标 6
2.2 真空获得系统 7
2.2.1 真空机组选用原则 7
2.2.2 真空泵工作压力范围 8
2.2.3 旋片泵工作原理及其型号确定 10
2.2.4 罗茨泵工作原理及其型号确定 15
2.2.5 罗茨泵真空机组抽气速率 22
2.2.6 分子泵工作原理及其型号确定 23
3 熔炼室壳体计算 28
4 熔渗炉的壳体设计与壁厚计算 29
4.1 壳体壁厚计算 29
4.2 筒体上部大法兰的设计计算 33
5 真空室抽气时间计算 33
5.1 气体沿管道流动状态及流导计算 33
5.2 抽气时间计算 38
5.2.1 粗真空、低真空下抽气时间 38
5.2.2 高真空下抽气时间计算 40
6 结论 42
7 致谢 43
8 参考文献 44
![真空熔炉设计[4A0]](/images/A5786/A5786_2.gif)
- 内容简介：
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I 摘 要 本论文设计的是为冶金工业中用来提高镐基合金性能的设备提供必要条件的系统 真空获得系统，设计主要包括：溶炼室真空机组、熔渗室真空机组、快淬室真空机组的设计等等。 真空获得技术是一切真空应用的技术基础 ,真空获得设备关系到所有真空应用设备的运行和使用。为了满足设备可以在高真空的条件下工作，所以选择合适的机械泵，罗茨泵，分子泵组成合适的真空机组，使各真空室达到工作的真空条件。 在设计中，为了使溶炼室 、熔炼室达到高真空 选择机械泵与罗茨泵组成前级泵机组进行预抽达到粗真空，分子泵为高级泵即主抽泵。快淬室 在低真空条件下工作选择机械泵、罗茨泵进行抽真空。密封方面，采用了机械密封，密封性能可靠。 关键词： 真空机组；机械泵；罗茨泵；分子泵；粗真空；高真空 is to to to is to of To So a of a So of to In In to to of to is to in of 录 1 绪论 . 1 非晶合金发展概述 . 1 非晶合金的性能 . 2 力学性能 . 2 耐腐蚀性能 . 4 加工性能 . 4 空获得设备发展概述 . 4 真空技术发展简介 . 4 综合评价 . 5 2 锆基非晶合金真空熔炼压力熔渗炉真空系统设计 . 6 工作原理及主要技术性能指标 . 6 真空获得系统 . 7 真空机组选用原则 . 7 真空泵工作压力范围 . 8 旋片泵工作原理及其型号确定 . 10 罗茨泵工作原理及其型号确定 . 错误 !未定义书签。 罗茨泵真空机组抽气速率 . 22 分子泵工作原理及其型号确定 . 23 3 熔炼室壳体计算 . 28 4 熔渗炉的壳体设计与壁厚计算 . 29 壳体壁厚计算 . 29 筒体上部大法兰的设计计算 . 33 5 真空室抽气时间计算 . 33 气体沿管道流动状态及流导计算 . 33 抽气时间计算 . 38 粗真空、低真空下抽气时间 . 38 高真空下抽气时间计算 . 40 6 结论 . 42 7 致谢 . 43 8 参考文 献 . 44 1 1 绪 论 非晶合金发展概述 非晶态合金不具备长程原子有序，也叫玻璃态合金，是新型材料研究的热点之一。非晶合金具有优异的力学性能（高的强度、硬度等），耐腐蚀性能，软、硬磁性能以及储氢性能等，在机械、通讯、航空航天、汽车工业乃至国防军事上都具有广泛的应用潜力。因此，开发块体非晶合金成为这类材料实用化的重点。 1943年，德国物理学家 此，非晶的研究逐步开展。 1951 年，美国物理学家 过水银的过冷实验，提出液态金属可以过冷到远离平衡 熔点以下而不产生形核与长大，达到非晶态， 非晶态合金的理论奠基人。 1960 年 采用熔体快速冷却方法首先制备出 晶态合金。 1969年， 用扎辊发制备出了长达几十米的非晶薄带。 20 世纪 70 年代后，人们制备出厚度小于 50m、宽 15连续非晶薄带。 1974 年 约 10K/s 的冷却速度条件下用 体首次得到毫米级直径的非晶。 20 世纪 80 年代前期， 采用氧化物包覆技术以 10K/s 的冷却速度制备出厘米级的 20 世纪 80 年代， 在日本东北大学成功发现了 三元合金。此后，又制备了厘米级的四元和五元块体非晶合金。 2000年 2003年，美国橡树岭国家实验室 非晶合金的尺寸从过去的毫米推进到厘米级，最大直径可达 12后哈工大沈军等又将 快体非晶合金尺寸提高到 16近，中科院金属所的 发现了尺寸可达 25晶态合金。目前世界上最大的 稀土基金属玻璃材料 直径为35镧基金属玻璃系，由浙江大学蒋建中等研制成功。由此，发现具有大的非晶形成能力的非晶合金系是目前比较重要的。 锆基非晶合金作为一种新型的非晶合金系列在近年来引起了人们的关注。 多组元锆基 非晶合金 系列都具有较低的临界冷却速度，采用传统的方法如吸铸法，水淬法等均可以将其制备成大块非晶。目前，通过负压铸造法已制备出直径达30锆 基大块非晶合金。锆基非晶合金的研究主要集中在热力学计算、晶化行为、短程和中程有序结构以及性能等几个方面。锆基多组元非晶合金由多种常2 用金属或类金属元素组成，其非晶形成的临界冷却速度远低于传统非晶合金，有些已经接近于传统的氧化物玻璃。由于其具有热稳定性高、过冷液相区宽等诸多特点，因此在国际上引起了广泛重视。 非晶合金的性能 力学性能 非晶合金的原子呈长程无序排列、没有晶体缺陷 , 使其具有独特的变形行为和力学性能。一些典型锆基非晶合金的力学性能如表 表 r 基非晶 合金的典型力学性能 弹性 虽然块状非晶合金的弹性模量由于合金体系的不同而有较大差别 ， 但与相同成分的晶态合金相比他们的弹性模数值较低 ， 弹性应变量却很大 ， 可达 2%左右。非晶合金具有极高的弹性比例 ， 司已成功开发出 r 基非晶合金的杨氏模量和断裂强度。 表 r 基大块非晶合金的杨氏模量和强度 3 强度和硬度 图 以及一些典型的晶态 合金的抗拉强度、硬度与弹性模量间的关系。可以看出 , 非晶合金具有较高的屈服强度和硬度 , 远高于晶态合金。 铸态5 7 2 0 8 5Z r C u N i T 断裂强度为 0 40 x r x= 块体非晶合金的压缩断裂强度和硬度分别 693 824 并随 经高强脉冲电流预处理的4 1 . 3 1 4 . 2 1 2 . 8 1 0 . 3 2 1 . 4Z r T i C u N i B 见 对4 1 . 2 1 3 . 8 1 2 . 5 1 0 . 0 2 2 . 5Z r T i C u N i B 在高应变速率(10 410 /s)下 , 屈服强度对应变速率不敏感。 人发现 , 试样的长径比对4 1 . 2 1 3 . 8 1 2 . 5 1 0 . 0 2 2 . 5Z r T i C u N i B 在动态载荷作用下 ,压缩强度对长径比的变化不敏感。大块非晶合金的强 度还受制备方法的影响。如采用压铸法和铜模法制备的 晶合金的弯曲强度 , 前者要比后者高得多 , 这是由于这两种方法在冷却过程中造成的残余应力差别很大的缘故。 研究了一系列试验环境下的拉伸和压缩行为 , 结果表明试验环境并不影响块状非晶合金的强度和韧性。 塑性和韧性 室温下非晶合金一般呈现脆性断裂特征 , 塑性变形量主要由应力状态决定。在拉伸条件下 , 非晶合金的变形局限于一狭窄的剪切带内 , 塑性变形也集中于剪切带内 , 而在试样其他部分仍保持刚性状态。在弯曲条件下可 产生多个剪切带 , 相应地增大了伸长率。 人和 人最早对块状4 1 . 2 1 3 . 8 1 2 . 5 1 0 . 0 2 2 . 5Z r T i C u N i B 1行了测试。采用三点弯曲法 , 试样的厚度为 得15 1/2m 。相当于高强钢和 金的水平。 2001 年 , 35 9 5 1 8 8 1 0Z r T a C u N i A 压缩时的塑性变形为 右。2005 年 , 晶合金材料 , 断裂强度达 2265 同时具有一般非晶材料中不具备的加工硬化效应和极大的延展性 (延展率达 20%)； 随后 ,007 年研制出6 1 . 8 8 1 8 . 0 0 1 0 . 1 2 1 0Z r C u N i A 它在室温条件下同时具有超高塑性 , 延展率达 160%。 4 耐腐蚀性能 在腐蚀过程中 , 由于晶体具有晶界、位错和偏析等缺陷 , 不易生成稳定的钝化 膜 , 成为腐蚀的源区。非晶合金没有这些缺陷和不均匀性 , 能够形成均匀钝化膜 , 因此 , 非晶合金具有良好的耐腐蚀性能。 非晶合金比晶体合金更耐腐蚀 , 它的耐腐蚀性是不锈钢的 100 倍 , 有“超不锈钢”的美誉。含有少量铌或钛的5 5 3 0 5 1 0Z r C u N i A 在 液中的具有良好的抗腐蚀性能。5 5 3 0 5 1 0Z r C u N i A 但随水温的升高 , 其耐腐蚀性能有所下降 , 这主要是由于在室温时 , 非晶合金 表面形成一层致密的保护膜 , 而随着水温的升高膜越来越厚并形成多孔结构。 加工性能 非晶合金的塑性变形量受温度和应力状态影响很大 , 在温度低于玻璃转变点 , 非晶合金以剪切方式变形。由于多数块状非晶合金都存在大的过冷液相区 , 当过冷液体的黏度达到 1210 s 数量级时 , 过冷液体形成类似于氧化物玻璃的无序结构 , 表现为牛顿流动状态 , 可在较宽的应变率范围内发生黏性流动 , 获得极高的塑性形成能力。 空获得设备发展概述 真空技术发展简介 随着真空技术在各行各业应用的日益宽泛和不可或缺 ,人们对实现和保证真空状态下工艺过程的重复性可靠性及其技术进步 ,已在不断地提出新的要求。这其中对真空成套设备 ,特别是对真空获得设备的性能、性价比和服务最为关切 ,当然还有工艺软件、管理技术等。真空获得技术是一切真空应用的技术基础 ,真空获得设备关系到所有真空应用设备的运行和使用。真空获得设备行业如何适应我们不断发展的真空事业 ,如何满足人们在性能、性价比和服务方面不断提出的新要求 ?本文试图通过对我国真空设备行业制造的 ,在应用中量大面广的水环泵、旋片 泵、滑阀泵、罗茨泵、扩散泵等泵种的产能和质量分析对比 ,给出其量和质的5 基本状况以及面对国内外激烈的市场竞争所应采取的对策 综合评价 我们真空设备行业制造的系列低端真空获得设备产品在量的方面能够满足我国国民经济的需求 ,如往复泵、水环泵、滑阀泵、旋片泵、罗茨泵和扩散泵等。这些泵种的技术经济指标近 10年来有了一定程度的提高 ,在性能方面也基本上能够满足不同工艺过程的要求 ,目前在国内有较高的市场占有率 ,在 35 年内会有一定的生命力。 这些泵种必须进一步改进和创新 ,提高其关键的技术指标 ,如抽速与效率、极限压 力、返油率、噪声、要降低能耗以取悦用户、要减轻重量以降低成本。特别是要积极开展可靠性或寿命的实验研究 ,要有效开展减振、降噪、消烟等研究 ,以满足日益严格的环保要求 ,这些都是未来与外商品牌争夺市场份额最主要的战场。 配套附件研发和备件供应是主机成熟的标志 ,如油雾扑集器、消音器、冷阱等。在国外这部分配套附件和易损备件的销售收入接近主机销售收入的 60%,利润空间大 ,又能满足客户需求 ,还能使主机性能得以充分发挥。我们应该重视配套附件研发和供应 ,并把这一工作列到主机的工作序列中去。 目前我国中外企业在生产品种上 ,除分子 泵、少量的离子溅射泵外 ,其他高端真空获得设备基本上是空白 ,如低温泵、各式干泵等。我们可能有 35 年较为宽松的时空环境来研发高端真空获得设备或提高其技术经济指标。面对 业不断增长的巨大需求 ,有条件的单位应早做打算。综合上述 ,我认为未来 35 年是决定我国真空获得设备制造行业各个企业命运走向的关键时段。 6 2 锆基非晶合金真空熔炼压力熔渗炉真空系统设计 工作原理及主要技术性能指标 真空感应熔炼技术：利用电磁感应与涡流热的原理将金属原材料融化，同时利用感应熔炼的电动力效应与搅拌原理使合金各组分分 布均匀。 压力熔渗技术：使钨丝与块体非晶合金复合材料之间的界面处于理想状态。 快速凝固技术：制备钨丝增强的块体非晶合金基复合材料 。 本系统为三室立卧组合全不锈钢式结构。主要由 “ 真空获得及测量系统 ” ,“ 感应熔炼浇铸系统 ” ,“ 压力熔渗系统及介质冷却快淬系统 ” ,“ 电控系统 ” ， “ 工作气体充气排气系统 ” ， “ 工作台架系统”、“冷却水系统 ”等组成。 1极限真空度：熔炼室： 6 10态）；熔渗室： 6 10态）；快淬室 6 10率 （ 4）水环泵的选择 所谓水环泵就是用水 作为液环的液环泵，用水作液环有很多优点，如价廉、易得、不会污染环境等。但也有一个很大缺点，由于水的饱和蒸汽压高，使得水环泵的吸入压力也高。这时如改用饱和蒸汽压低的液体作为液环，则可提高泵的极限真空度。如果某机组中罗茨泵最大允许的排气压力为 10用水作液环时还须加大气泵才能作为该罗茨泵的前级泵，若改用矿物油作液环则不加大气泵即可作为前级泵，这样可以简化装置。 （ 5）机组性能与罗茨泵允许排出压力 机组的性能在很大程度上取决于罗茨泵的允许排出压力。这种允许值越低，水环泵作为前级泵的可能性就越小。 如果罗茨泵这种允许值为 110不论单、多级的水环泵极限压力大大高于这个数值，因此就不可能单独与这种罗茨20 泵组合使用，而需要加二级大气泵。如果罗茨泵排出压力允许值在 100上，则前级的水环泵也可以作为罗茨泵的前级泵的前级泵，这就大大地扩充了前级泵的应用范围。 （ 6）应用实例 某化纤产品的生产过程为：低分子高分子制成带状切片干燥（运用罗茨泵水环泵机组进行真空干燥）抽丝牵伸、加热纺织成品。 其中一个重要的工序是将 5 5 5(小的切片进行干燥，以便进行抽丝，抽 丝过程中理想的状况是使水份含量为零，实际上由于不能达到这一目的，故要求水份含量不大于 如果水份超过这一要求，要高温高压下抽丝，会使高分子分解，影响产品的强度。 在干燥这一工序中所应用的罗茨泵水环泵机组的抽真空系统装置如 图 7所示。机组中各泵的技术参数如下表。 名 称 抽 气 速 率 (m3/h) 转子直径 ( 转 速 (r/配用功率 ( 罗茨泵 1 400 160 1450 茨泵 2 200 102 2900 级水环泵 100 前级叶轮为后级之半 1450 1 主要设备的功用简介如下： （ 1） 真空阀 关闭真空阀，机组停止运行，可保持干燥系统一定的真空度。 （ 2） 自动气动安全阀 为防止机组突然停车时水环泵系统中的水向罗茨泵及真空干燥系统中倒灌。 （ 3） 压差阀 机组开始运行时，先启动水环泵，在压差阀两端逐渐产生压差，达到一定值时，阀自动开启，使系统中大部分气体经此阀流进水环泵。 当大气逐渐通过大气泵流进水环泵，压差阀两端压力又逐渐减小，以致关阀，于是大气泵随即开始正常工作，压差阀的作用是为了缩短大气泵正常工作前的预抽时间。 22 01 ( / 1 )100 1 / 00( 1 ) / T T K 00 1/et h t h v t T K K T 00 1h t h t K K 罗茨泵真空机组抽气速率 P/T=v (1) 罗茨泵的有效压缩比为罗茨泵进出口压力比 ,即 v/P (2) 罗茨泵的理论压缩比 的抽速之比 ,即 v (3) 由 (2)、 (3)、式可得 (4) 将 (3)、 (6)式代入 (7)式可得 (5) 罗茨泵的实际抽速与罗茨泵的理论抽速之比 ,即为罗茨泵的容积效率 v,也即罗茨真空机组的容积效率。 (6) 化简得 (7) 相应罗茨泵机组的抽速 (8) 23 根据前级泵的进口压力 茨泵在进口压力 通过 (8)式可变换为下式计算 当已知前级泵的抽气速率 ,此时机组的有效抽速 分子泵工作原理及其型号确定 分子 泵工作原理 分子泵是 用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。 结构和工作原理 24 1958 年，联邦德国的 后相继出现了各种不同结构的分子泵，主要有立式和卧式两种 ,图 1 为立式涡轮分子泵的结构图。涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子 (即动叶轮 )、静叶轮和驱动系统等组成。动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度 (一般为 150 400米秒 )。单个叶轮的压缩比很小，涡轮分子泵要由十多个动叶轮和静叶轮组成。动叶轮 和静叶轮交替排列。动、静叶轮几何尺寸基本相同 ,但叶片倾斜角相反。图 2 为 20 个动叶轮组成的整体式转子。每两个动叶轮之间装一个静叶轮。静叶轮外缘用环固定并使动、静叶轮间保持 1 毫米左右的间隙 ,动叶轮可在静叶轮间自由旋转。 图 3 为一个动叶片的工作示意图。在运动叶片两侧的气体分子呈漫散射。在叶轮左侧 (图 3a),当气体分子到达 角度 1 内反射的气体分子回到左侧；在角度 1 内反射的气体分子一部分回到左侧，另一部分穿过叶片到达右侧；在角度 1 内反射的气体分子将直接穿过叶片到 达右侧。同理，在叶轮右侧 (图 3b),当气体分子入射到 2 角度内反射的气体分子将返回右侧；在 2 角度内反射的气体分子一部分到达左侧，另一部分返回右侧；在2 角度内反射的气体分子穿过叶片到达左侧。倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧，比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。叶轮连续旋转，气体分子便不断地由左侧流向右侧，从而产生抽气作用。 性能和特点 25 泵的排气压力与进气压力之比称为压缩比。压缩比除与泵的级数和转速有关外，还与气体种类有关。分子量大的气体有高的压缩比。对氮 (或 空气 )的压缩比为 108 109;对氢为 102 104；对分子量大的气体如油蒸气则大于 1010。泵的极限压力为 10工作压力范围为 1010抽气速率为几十到几千升每秒 (1 升 10 3)。涡轮分子泵必须在分子流状态 (气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态 )下工作才能显示出它的优越性 ,因此要求配有工作压力为 1 10的前级真空泵。分子泵本身由转速为 10000 60000 转分的中频电动机直联驱动。 分子泵的优点 1、优点 由于涡轮分子在某些方面，要比低温泵、 离子泵和扩散泵表现得更优越。故在一般情况下，多选用涡轮分子泵。它的优点有： （ 1）清洁，无油蒸汽返流 涡轮分子泵可不用任何阱，按操作规程工作，就能为被抽容器提供一个极为清洁的真空环境，且不含有任何碳氢化合物。由于现代的涡轮分子泵除大泵外很少用油润滑的了，对于小泵多用油脂润滑，也有用空气轴承的，但磁悬浮轴承用得较多。近几年来也有不少干式前级泵出现，使涡轮分子泵系统不存在油蒸汽返流，使它真正成为一种清洁的干式高真空泵（如图 4）。 图 4 涡轮分子泵典型的残余气体的频谱图 极限压力为 210 图 4涡轮分子泵典型的残余气体的频谱图 图 4表明涡轮分子泵系统中不含有碳氢化合物，曲线上 17和 18为 （ 2）使用方便 在许多应用中，涡轮分子泵可不用高真空阀门或粗真空。只是简单地一按电钮，泵便能开始工作。从大气压力可降至极限压力。这种系统可以通过涡轮分子泵进行粗抽，可一直加速到工作速度为止。这样就可以不用阀门、管道、阱、控制器等真空元件。同时也消除了这些元件所带来的故障。因此涡轮分子泵系统所占的空间小，而且涡轮分子泵的安装方向不受限制，可在任意方向安装（用油润滑的泵除外， 它只能在垂直 5 范围内工作）。这个特点，可用于安装位置受限制的地方。 （ 3）气体输送能力强 26 大多数涡轮分子泵对于输送轻气体（如氢、氦）的能力很强。因而它非常适于超高真空下的工艺操作。对于那些富氢的工艺过程，氦质谱检漏仪等场合均可得到应用。有专门设计用于抽除腐蚀性气体的涡轮分子泵，适用于刻蚀、反应离子刻蚀，离子束加工，低压化学气相沉积，外延及离子注入等工艺操作。在这些工艺过程中，抽除的气体会对低温泵、离子泵、扩散泵油等有腐蚀作用。甚至也会破坏标准的未加保护的涡轮分子泵。由于涡轮分子泵属于传输型泵 ，被抽气体可穿膛而过，不在泵内积存。因而它适于气体负荷高的工艺过程。如溅射、刻蚀等。 （ 4）适于超高真空应用 一台密封和除气良好的涡轮分子泵，配以性能良好的双级旋片泵（或同样性能的干式前级泵），其极限真空一般可达到 1010 间。若一台涡轮分子泵再串一台涡轮分子泵，用金属密封并除气良好的泵，一般其极限压力在 110 110 间。而且不像低温泵或离子泵那样，涡轮分子泵在超高真空条件下能满抽 速运转。这些性能再加上它有良好的清洁性（测不到碳氢化合物），显然用户会选择涡轮分子泵用于高分辨率质谱仪，分子束外延设备及超高真空分析仪器等设备上的。 （ 5）高压力下性能良好 有些涡轮分子泵的入口压力可在 1010 间运行。在这个压力范围内，离子泵不能应用，对于低温泵需要节流抽速或经常再生，对扩散泵的工作也会变得不稳定。 （ 6）循环的时间短 多数涡轮分子泵，尤其小一些的，要达到正常的运行速度的时间，一般需要1 3于不同品种 和型号的泵有所不同。并且能立即关闭，并可暴露大气。这种快速循环特性在样品输入系统中很有用，尤其对手提式氦检漏仪有用。 （ 7）正常使用时间长 在某些应用中，涡轮分子泵的正常使用时间要比其它泵优越。因为在重气体负荷和阀门漏气的情况下，会引起低温泵经常不定时的再生或离子泵经常修复，而涡轮分子泵使用还能消除因泵油对真空室的污染。 27 分子泵型号确定 子泵 500 分子泵 28 3 熔炼室壳体计算 大多数真空室的壳体都是圆形的，原因是制造容易且强度好。真空室除用板材制造外，对于直径较小的真空室筒体亦可用热轧无缝钢管制造。圆 筒体焊制后应进行整形和矫直。本设计真空室壳体大小为 800750采用 1 计算壳体壁厚 圆筒壳体只承受外压时，可按稳定条件计算，其壁厚为： p 外压设计压力 真空容器选择 p=上水压 L 圆筒长度 L=750 材料温度为 查表得 510 代入公式计算得 50 8000 . 5S 1 . 2 5 1 1= （ = 壁 厚 附 加 量 1 2 3C C C C= + +； (式中 1C 钢板的最大负公差附加量 查表取 1 2C 腐蚀裕度 查得为 2 3C 封头冲压时 的拉伸减薄量；取值为 1 圆筒的实际壁厚应为 S=0S+C=+2+1=整为 10 对真空室壳体进行强度计算 对真空室壳体强度计算应按薄壳理论进行验算。所谓薄壳就是其厚度大大小于它的曲率半径。 即应满足 (则 = = 即满足使用条件。 熔渗炉的壳体设计与壁厚计算 壳体壁厚计算 设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件。设计压力从概念上说不同于容器的工作压力。工作压力是由工艺过程决定的，在工作过程中工作压力可能是变动的，同时在容器的顶部和底部压力也可能是不同的。 容器的工作压力既然可能是变动的，所以将容器在正常操作情况下容器顶部可能出现的最高工作压力称为容器的最大工作压力。容器的设计压力应该高于其最大工作压力。 我们知道容器的最大工作压力为 计压力 一般取值为最高工作压力的 于是取 取决于介质的危害性和容器所附带的安全装置。介质无害或装有安全阀等就可以取下限 则就取上限 虑到高温等不确定因素，取上限值 焊 缝 系 数 的选择 : 焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构钢性约束造成焊接内应力过大。 焊接区强度主要决定于熔焊金属，焊缝结构和施焊 质量。因此在设计时应考虑母材的可焊性与焊接件的结构，选择适当的焊条和焊接工艺，而后按焊接接头型式和焊缝的无损探伤检验要求，选取焊接接头系数。 推荐的焊接接头系数如下： 、 双面焊的对接焊缝： 100无损探伤 局部无损探伤 、 单面焊的对接焊缝： 100无损探伤 局部无损探伤 、双面焊的对接焊缝：无无损探伤 、单面焊的对接焊缝：无无损探伤 B 4732标准中要求受压元件焊缝必须 10000 无损检测，所以本次设计取焊缝系数为 0 内壁计算具体如下： 筒内要求工作压力 i 400计压力 P=厚： 在 压力容器设计手册知， 1 400材料的 许用应力为 t =108由公式计算内压圆筒壁厚为： 2 = 6 P 设 计 压 力 筒 的 内 径 t 设 计 温 度 下 材 料 的 许 用 应 力 焊 缝 系 数 C 壁 厚 附 加 量 1 . 9 8 4 0 0 3 . 72 1 0 8 1 1 . 9 82 . 3s C CC m m 取2)强度校核 内压筒壁校核公式 ( ) 2 ( ) i s 9 8 . 0 1 7 1 0 8t 上述计算所以满足要求 容器内压圆筒最高许可工作压力 31 m a ( )()t i s c= 2 1 0 8 ( 6 2 . 3 ) 14 0 0 ( 6 2 . 3 ) =筒体上部大法兰的设计计算 又计算式 4得盖厚 c其中 t 盖的厚度 中 计算 直径 mm p 设计压力 t 工作温度下材料许用应力 焊缝系数 C 壁厚附加量 结构特征系数 K= 4） 所以 2 0 . 2 61 0 8 1 C 0 . 1 4 1 . 9 8t=400 所选法兰盖的厚度为 36足要求 。 采用 90 螺栓 20 个，低合金螺栓 1200C 以下许用应力 1 0 8t M 螺栓承受拉力： 24P m P D i = 21 4 0 04 32 = 0 N 22 0 1 64 = 52 02 0 2 5 64= 6 2 a 所以上述计算满足要求。 33 0()13 v n d 13vv d 13 v 0 . 4 9 9 v d _ 24221 3 . 1 0 7 1 02 5 真空室抽气时间计算 气体沿管道流动状态及流导计算 气体分子平均自由程 对于 20 C 的空气 _ 36 . 6 6 7 1 0 / p = 356 . 6 6 7 1 0 / 1 . 0 1 3 2 5 1 0 = 0 式中 _ 平均自由程 m n 气 体分子数密度 3m 气体分子直径 m T 气体热力学温度 K k 玻耳兹曼常数， 231 . 3 8 1 1 0 / p 气体的压力 气体的内摩擦（粘滞性） 各层之间的迁移量是动量0根据迁移方程列出内摩擦方程 = 0 由于麦克斯韦速度分布，方程式变为 34 122 5 20 . 4 9 9 8 . 5 7 1 0 /v M T 式中 L 内摩擦力 N 气体分子的平均自由程 m v 气体分子热运动的平均速度 m/s 气体的密度 3m 取 面积 2m 气体的粘滞系数 s T 气体热力学温度 K，去 293K M 气体的摩尔质量 kg/取 气体分子直径 m，取 0 m C 肖节伦德常数 K 代入公式得 60 3 7 1 0 气体量 16 1 0 5 0 2 . 4 3 0 1 . 4 4G p V 流量 Q=1Q = 1 . 0 1 3 2 5 1 0 7 0 7 0 . 9 2 / 6 1 0 1 5 0 9 / 43Q 6 1 0 3 5 0 0 2 . 1 / 流阻 G 气体量 3m 或 L t 时间 s S 抽速 L/s p 压力 Q 流量 L/s W 流阻 s/L 35 60 . 4 1 2 0 . 1 1 . 2 9 3 22000 . 4 2 4 1 0 V 气体体积 L 气体沿管道流动的状态可分为 4种：湍流、粘滞流、粘滞 分子流和分子流。 （ 1） 湍流：当气体压力和流速较高时，气体流动是由惯性力在起作用，气体流线不直，也不规则，而是出于漩涡状态，即漩涡有时出现有时消失。管路中没一点气体的压力和流速随时间变化。气体分子的运动速度和方向与气流的平均速度和气流的方向大致相同。实验证明，管道中气体的流量与气体压力梯度的平方根成正比，即 /Q dp 。 （ 2） 粘滞流：粘滞流出现于气体压力较高、流速较小的情况下，通常发生在低真空管路中。它的惯性力很小，气体内摩擦力起主要作用。流线的方向为直线，只是在管道的不规则处稍许玩去。管道中的气体流量与压力梯度成正比，即 。管壁附近的气体几乎不流动，一层气体在另一层气体上滑动，流速的最大值在管道的中心。气体分子的平均自由程比管道截面线性尺寸小的多。 （ 3） 分子流 :分子流出现于管道压力很低时，一般出现于高真空管道中。此时气体分子的平均自由程 d （管道直径），分子之间碰撞次数很少，主要与管壁发生碰撞。每次碰撞之后，分子向前或向后运动。经数次后，部分分子有低压端离开管道；有的返回到高压端。 粘滞 分子流：介于粘滞流和分子流之间的流动状态。 200 为湍流 200 为粘滞流 1200200 为湍流或粘滞流 雷诺系数 式中： w 气体流速 m/s d 管道当量直径，对于圆管道即为几何直径 m 气体密度 3 / kg m 气体粘滞系数 m s) 机械泵启动时 36 U 4 4 8 0 . 1 0 . 1 2 3 4 20800 . 2 6 5 7 1 0 3 3 5 2937 . 8 7 1 0 ( ) 7 . 8 7 1 0 (1 . 8 2 9 1 0 ) 0 . 10 . 2 9T 4433n 2 0 . 1U 1 . 3 4 1 0 p 1 . 3 4 1 0 0 . 5L 1 . 4 管道中气体流动状态为湍流 罗茨泵启动时 1200200为湍流或粘滞流 对于 20气 521 . 8 2 9 1 0 /N s m 管道直径 d，通过的气体流量为 = . 6 7 1 . 4 5d Q d 则为湍流到粘滞流过渡状态，此状态时间甚短，常以湍流计算 但由于时间过短则以粘滞流计算 =中 长管对 20气的流导 d 管道直径 L 管道长度 p 管道中平均压力， 1分子泵启动时 _ 1 管道中气体流动状态为分子流 分子流时管道的流导 长度 L 20d 的管道称为短管。 d 为管道直径。在分子流时其流导 f 37 f 20 0 1 1 6 0 . 0 6 1 1 1 6 0 . 1 2 5 6 0 . 8 8 9 33 1 2 8 . 3 1 4 3 2 9 3 0 . 2 0 . 6 1 2 56 6 0 . 2 9 0 . 5R T 对于 20空气 式中 分子流时圆截面短管流 导 3m /s 分子流时 20气圆截面短管流导 3m /s 圆孔流导 3m /s 0A 圆孔面积 2m 克劳辛系数 ,如表 长度 L 20d 的管道称为长管。其流导为 式中 分子流时圆截面短管流导 3m /s d 管道直径 m L 管道长度 m R 摩尔气体常数， (K M 气体摩尔质量 kg/T 气体温度 K 数据代入公式可得： 38 pp 1 U2 . 3 iq 抽气时间计算 粗真空、低真空下抽气时间 机械泵抽气时间 真空室抽气口处泵的有效抽速 根据流量定义 () p p 泵口压力 泵的抽速 泵抽走的气体流量 p通过入口的气流量 Q 在动态平衡时，流经任意截面的气体流量相等。得 则 当流导很大时， U 150L/s 抽速只受泵的限制 在粗真空、低真空下，真空设备本身内表面的出气量与设备总的气体负荷相比，可以忽略不计。在这种情况下一般不考虑出气影响。 漏气量很小忽略不计时，真空设备从压力p 所需要的抽气
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