定向凝固炉真空密封设计.doc

1 摘要摘要 真空设备一般除了要求具有高效率外还要求具有高可靠性 密封性能是影 响真空设备可靠性的最重要因素之一 高梯度定向凝固设备通过一系列的相关 部件来保证其真空环境 而真空及其密封性的好坏 对工艺控制 产品的质量 都有着直接的影响 考虑密封性对真空定向凝固炉的重要影响 本文基于 5Kg 真空定向凝固炉的设计项目 主要完成以下几点设计内容 1 分析研究真空密封技术各种密封形式 应用场合及各自优缺点 2 分析研究真空熔铸设备中密封结构的技术要求和特征参数 确定定向凝 固设备的整体结构 3 针对高梯度定向凝固设备的法兰 炉门和电极三个关键部件的不同结构 特征 并考虑密封材料 结构特点和机械加工精度的要求 分别对其并进行密 封设计与研究 关键词关键词 真空设备 密封技术 定向凝固炉 法兰密封 炉门密封 电极密封 Abstract Vacuum devices typically require high efficiency in addition to things require high reliability and sealing performance of the vacuum equipment reliability is one of the most important factor High gradient directional solidification equipment through a series of related components to ensure a vacuum environment and the vacuum seal is good or bad and on the process control product quality have a direct impact Consider the directional solidification furnace of vacuum sealing the important influence of 5Kg Based on the design of the vacuum directional solidification furnace project designed primarily to complete the following 1 analysis of the vacuum seal technology of sealing forms applications and their respective advantages and disadvantages 2 analysis of sealed vacuum casting equipment technical requirements and features of the structure parameters Directional solidification equipment to determine the overall structure 3 high gradient directional solidification equipment for the flange door and the three key components of the different electrode structure and consider the sealing material structural characteristics and the requirements of precision machining respectively and sealed its Design and Research keywords Vacuum Equipment Sealing Technology Directional solidification furnace Flange Seal Furnace Door seal Electrode sealed 2 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 前沿 1 1 2 真空设备及应用 1 1 3 真空密封技术进展及应用 2 1 4 本文背景及意义 5 1 4 1 高梯度定向凝固设备 5 1 4 2 密封特点及难点 6 1 4 3 本文设计内容 7 第二章第二章 高梯度定向凝固炉结构设计高梯度定向凝固炉结构设计 8 2 1 定向凝固技术 8 2 2 高梯度定向凝固设备结构 9 2 3 密封特点及难点 11 第三章第三章 真空密封技术真空密封技术 12 3 1 动密封和静密封 12 3 2 真空密封技术 12 3 3 增加真空密封性能的措施 14 第四章第四章 高梯度定向凝固炉关键部件的密封性设计高梯度定向凝固炉关键部件的密封性设计 16 4 1 法兰密封设计 16 4 1 1 法兰密封面常见的几种形式 16 4 1 2 法兰密封方案及对比分析 18 4 1 3 法兰密封材料及加工精度要求 19 4 1 4 法兰密封设计 23 4 2 电极密封设计 28 4 2 1 电极密封的具体要求 28 4 2 2 电极密封方案及对比分析 29 4 2 3 电极密封材料及加工精度要求 31 4 3 炉门密封设计 31 4 3 1 炉门压紧机构设计 31 4 3 2 炉门密封设计 34 第五章第五章 总结总结 36 参考文献参考文献 37 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 前沿 真空处理技术发展到今天不过刚刚走过几十年的历史 但由于真空处理技术 具有传统工艺无法比拟的优越性 自诞生以来 得到了迅猛的发展 我国真空工业 经过 50 多年的发展 已形成了门类齐全结构完整的工业体系 肩负起对国民经 济各领域进行技术装备的重任 多年来 行业企业通过技术引进 技术改造和 合资合作等方式 使企业管理水平 技术水平和产品质量都有显著的提高 从 产品产量 品种 规格和质量上 基本都能满足国民经济各部门和人民生活各 方面的需求 目前 真空技术已广泛用于航空航天 机械电子 有色金属 稀土 永磁 工艺饰品 医药制药等各行各业 可以说 真空技术发展到今天已经是 无处不在了 随着科学技术的进步真空处理水平的不断完善与发展 真空处理 将成为 21 世纪最具潜力技术之一 1 真空设备一般除了要求具有高效率外还要求具有高可靠性 密封性能是影 响真空设备可靠性的最重要因素之一 通常在工作中 真空设备是要求具有非 常高的密封性 对漏气率有严格限制 否则 将会对真空设备本身的电 热性 能产生重要影响 影响设备的工作效率 甚至造成安全事故 因此 在真空设 备的设计中 使设备具有良好的密封性已成为了衡量设备性能的一个重要指标 为了提高设备的密封性能 就需要在设计中对设备的关键联接部分进行全面的 密封性设计 1 2 真空设备及应用 真空设备根据应用行业的不用可以分为冶炼真空设备 热处理真空设备 电力真空设备 电子真空设备 食品加工真空设备等 而总体上 根据真空应 用方式的不同可以分为三类 即真空获得设备 真空应用设备和真空检测仪器 真空获得设备也称真空泵 是指通过利用机械 物理和化学的方法直接抽 去特定空间内的气体在一定的空间范围中产生真空环境的设备 真空泵的主要 参数有 极限真空度 极限压力 抽气速率 最大排气压力 工作压力范围 抽气量等 基本上它可分为机械真空泵和喷射真空泵两大类 机械真空泵又分 为往复式和旋转式两种 往复式真空泵为干式设备 不允许液体进入 效率和 真空度都较高 但结构复杂 维修不便 主要应用于蒸发装置中 旋转式真空 泵有水环式真空泵 纳西泵和旋片泵三种 结构较简单 效率高 喷射真空泵 主要工作方式是通过将真空室的气体喷出而形成真空环境 这种泵结构简单 中小型厂均可自行安装 应用很广 真空获得设备主要应用于制冷设备抽气 2 冶金炉 热处理炉 包装机械 电工产品处理设备 空间装置风洞等大型抽气 系统 电子产品排气系统 化工机械 镀膜机等 真空应用设备是指需要利用真空环境来完成工作目的的设备 这些设备往 往都需要通过真空环境来保证设备的正常运行和工作性能 真空应用设备在化 工 食品 冶炼 热处理等场合应用广泛 如化工和食品行业中的真空过滤 真空干燥 真空精馏 真空蒸发 冷冻干燥 真空浸渍 真空在机械工业中也 得到了广发应用 如真空渗透 真空热处理 真空离子氮化 真空烧结 真空 镀膜等 在冶金工业中有真空冶炼等 真空检测仪器是指用于检测运行环境是否满足设备运行的真空要求或利用 真空环境检测来完成其他检测目的的仪器 如薄膜式真空计 绝对压力规 专 用真空试验台 氦质谱检漏仪等 1 3 真空密封技术进展及应用 不管哪种形式的真空设备 只要设备结构之间或设备与真空系统之间有相 对运动 就存在保证设备结构之间及设备与真空系统之间的可靠密封的问题 真空系统由真空容器和真空机组所组成 对真空系统所用的材料及组成真 空系统的零部件都有一定的特殊要求 真空材料分为结构材料 绝缘密封材料 及真空油 脂三大类 真空常用的结构材料有低碳钢 不锈钢个 黄铜 铅及 铅合金 真空密封的法兰垫片常用金属 对低真空 一般金属即可 但在超高 真空时 由于一般金属和非金属材料均会释放气体 破坏高真空 因此常用贵 重金属 如金 银等 绝缘密封材料主要指陶瓷 橡胶 塑料 云母 陶瓷和 云母主要用于电真空器件 橡胶有丁晴橡胶 异丁晴橡胶 丁苯橡胶 硅橡胶 等 塑料主要是聚四氟乙烯 真空系统中所使用的油脂材料有选择泵油 蒸汽 喷射泵油等 真空的获得是与密封分不开的 特别是旋转轴动密封技术 是制约真空设备性 能的重要技术环节之一 过去由于无可靠的转轴动密封技术 密封形式多种多样 如采用橡胶密封圈 采用端面静密封加电机密封罩 或者做成内藏式结构 将驱动 电机与被驱动装置 如风扇 风机 全部置于密封工作胶体内 实际上后两者本 质是一样的 驱动电机与真空腔相通 其致命弱点是通电导体在一定真空度条件 下易产生真空放电 损坏设备 而且电机系统在真空条件下释放出来的物质容易污 染真空环境 影响设备性能 至于橡胶密封的缺点更是显而易见 因接触磨损使用 寿命极短 可靠性差 易产生磨损粉尘 污染环境 更换维修工作量大等 都是真 空设备致命的缺点 2 针对以上各种密封技术所存在的确定 在真空设备的密封性技术方面 很 多学者都做了相应的研究 针对不同的真空设备提出了很多新的密封方法 3 金建华 3 等针对罗茨泵的漏油问题 分析了罗茨真空泵输入端的内部密封 和外部密封问题 并指出密封失效的三个重要原因 轴的偏心会引起油封刃 口的周期跳动 破坏油封的密封性 轴套或转子轴表面质量对密封性能的影响 油封径向压力的影响 并用密封座结构 将两个油封一起安装在一个密封座 内 密封座安装在端盖内 这种结构简单紧凑 减少了轴的伸出量 安装 维修方便 还有一个最大的优点是能够采用一次性定位装配保证轴与密封座内孔的同轴度 从而提高了密封性能 在文章中他指出影响罗茨泵密封的原因是复杂的 涉及产 品设计 加工工艺 加工过程控制 外购件选购 装配方法和产品防护等 既有 技术因素 也有管理因素 密封失效是各种影响因素的综合结果 要提高密封效 果 必须采取系统的方法 进行综合治理 企业内部应建立内部质量管理体系 特别 是对影响密封的关键过程和技术及管理因素进行充分识别 对各个过程进行有效 控制 并持续改进 只有这样 才能够持续保证产品的密封质量 王普毅 4 等研究了真空电弧炉真空系统与炉室连接处的动密封结构 原理 及其计算方法 针对国内真空电弧炉中大部分采用刚性结构来密封存在的问题 在炉体抽气口与真空系统之间使用特殊密封圈 使其有一定的补偿量 并通过 计算分析 验证了这种方法的可靠性 梁志华 5 等研究了磁流体密封在真空设备中的使用情况及最新进展 在他 的研究中指出 橡胶密封的缺点更是显而易见 因接触磨损使用寿命极短 可靠性 差 易产生磨损粉尘 污染环境 更换维修工作量大等 都是真空设备致命的缺点 转轴磁流体密封技术 由于无接触磨损 且磁液挥发量在 10 5g cm2h 以下 因而其 使用寿命长 可靠性高 转轴摩擦转矩小 功耗小 无磨损粉尘 环境清洁 维修工作量极小是真空设备转轴实现零泄漏最佳的密封技术 磁流体密封的技 术核心包括两个方面 一是适合密封使用条件的磁流体的制备 二是密封装置的结 构与磁场的设计与制造 裴宁 6 也研究了磁流体密封技术及其应用 曹红蓓 7 针对捏合机上普遍采用 的填料密封及机械密封的不足 设计了一种磁流体密封装置 试验结果表明 密封装置应用在大轴径 高转速的捏合机上 密封性能良好 且温升较小 曾大富 8 等介绍了MEMS传感器的几种真空密封方法 1 整体真空密封 2 局部真空密封 3 硅直接键合 SDB 制备自封闭真空密封 4 表面微机械加工制 备真空密封 5 先制得适当的真空 然后利用吸气剂实现真空度控制 并针对 传感器的可动结构提出了一种局部真空密封方法 它是在真空条件下采用硅啵 璃键合方法 实现局部真空密封保护传感器的可动结构 赵近谊 9 研究了真空炉密封结构的改进技术 为了保证真空炉的工作真空 度 减少真空泄漏 安装在炉体上的附件如进电极 热电偶导出装置都设计了 4 密封结构 但该密封结构在安装和使用等方面都存在一定问题 并对进电极密 封结构和热电偶密封结构进行了改进 肖青 10 等针对在机械设备的设计中 经常会遇到法兰密封的问题 一般 情况下 通过螺栓压紧法兰密封垫片即可实现密封 在设计O形环和密封槽时 其关键的问题是泄漏率的计算 在其研究中 对密封的泄漏率计算做了详细分 析 确定所采用的O形环密封具有良好的密封效果 李专 11 等结合生产实践 论述了目前聚醋工业中各类真空密封的性能 结构特点及真空检漏的规范操作与要求 并从改善真空结构设计 提高密封可 靠性 以及系统升温 热紧固与检漏方法等方面进行了有益的探讨 分析了常见 的静密封形式 金属垫密封 包括金属平垫 齿形垫 椭圆垫和缠绕垫等 法兰唇焊密封 橡胶 0 型环密封 卡环式密封等以及动密封 机械密封 填料密 封等 各自的优缺点 王波 12 等对于一种航天高真空结构橡胶密封圈 通过用数值模拟的方法 分析计算了在高温 70 常温 23 以及低温 70 时密封结构的压紧力以及橡 胶密封圈的变形情况 得到密封圈橡胶材料的密封系数 并据此计算了密封圈 在 3 种温度时的泄漏率 蒋道满 13 等针对真空法兰密封结构设计要求 设计了真空橡胶密封抗流 结构波导法兰 李留臣 14 等研究了人工晶体生长设备真空系统的优化设计 在其研究中 指出 真空系统设计的好坏 直接影响着晶体生长设备的成功与否 而提高真 空系统的密封性 降低真空系统的漏气率是提高真空性能的主要措施 并简要 阐述了提高真空系统的密封性和降低漏气率的一些措施 包括真空系统设计中 的结构设计 密封形式的选择 密封材质的选用等 提出了一种新型的静密封 结构 从而提高了真空系统的密封性能 根据真空密封技术的研究现状分析 增加密封性能的主要措施有四种 第一 改进真空系统机械结构 真空系统的结构是影响真空系统密封性和系统漏气率的关键 真空系统的 结构合理与否 将直接影响系统的密封性和系统的漏气率 在系统结构设计中 应注意以下几点 1 真空系统内部尽可能地避免出现小曲率半径的死角 弯角 要圆角光滑 过渡 不留死角 有利于打磨抛光 清洗清扫 2 抽空管道 送气管道等与真空室相连接的管道 采用圆弧过渡 使气路 畅通无阻 但要考虑清洗清扫的方便性 3 认真设计真空室内各种连接件的结构 减少螺纹连接 销钉连接 铆钉 5 铆接 使气路畅通 避免气路堵塞 4 打磨抛光真空系统内表面 使其表面光亮如镜 表面越光亮就越不易气 体吸附 越容易获得真空 5 尽可能减小真空室的体积 缩短管路系统 6 在不影响使用的条件下 可在真空系统内部设置烘烤装置 第二 选择合适的密封形式 密封形式可根据所需真空度的高低及实际工作需要选择密封形式 对于人 工品体生长设备 一般需要的真空度在 10 3Pa 以下 因此 无需采用金属密封 以 TDR 70 型单品炉为例 我们选择磁性流体密封作为旋转动密封 选择高精 度大仲缩量的焊接波纹管进行移动密封 小直径轴的旋转密封选用 O 型密封 圈或威尔逊密封 各种静密封则采用 O 型密封圈密封形式 直径压缩比为 15 25 第三 选择合适的密封结构材料 真空度在 10 3Pa 以下的真空系统 密封材料一般选择橡胶密封圈即可满足 要求 但是 考虑到实际工作条件的需要 根据不同的应用场合 应选用更加 合适的密封结构材料 第四 选择合适的静密封结构 各种真空系统中 80 以上的密封为静密封 静密封效果的好坏 对系统 的真空度及漏气率有很大的影响 因此 对静密封结构进行认真的优化设计 是达到理想真空度要求的关键 对静密封结构的优化设计 主要考虑如何选择 密封槽的结构 选择主要密封面 如何减小残留气体及如何充分发挥橡胶密封 圈功能 静密封的机构设计 除了金属密封外 从理论上分析采用圆弧形密封 槽结构对降低真空系统漏气率最为理想 但考虑到各种密封系统的实际情况 大多数静密封结构需采用矩形槽或梯形燕尾槽 这是在密封系统中最常见的结 构 1 4 本文背景及意义 1 4 1 高梯度定向凝固设备高梯度定向凝固设备 定向凝固 是指在凝固过程中采用强制手段 在凝固金属和未凝固金属熔 体中建立沿特定方向的温度梯度 利用合金凝固时晶粒沿热流相反方向生长的 原理 控制热流方向 使铸件沿规定方向结晶的铸造技术 15 18 定向凝固能得 到一些具有特殊取向的规则组织和优异性能的材料 便于准确测量组织形态和尺 度特征 因而自它诞生以来得到了迅速的发展 19 已广泛地应用于半导体材料 磁性材料 定向单晶 涡轮叶片以及自生复合材料的生产 20 6 在定向凝固技术中 获得高质量定向凝固组织的基本条件是保持凝固界面前 沿具有较高温度梯度 21 根据成分过冷理论分析 温度梯度和生长速度是影响 定向凝固过程中晶粒形态选择的关键因素 22 因此 高的温度梯度是设计定向凝 固设备的关键技术参数 23 而设备在较高的温度梯度下进行较大调速范围运动 时 要求运动的平稳性要高 此外 有些合金在高温下极易氧化 挥发 整个熔炼 及定向凝固过程需要在真空状态下进行 而高的炉温 1 600 的强烈热辐射还 要求炉体必须具有水冷结构 从定向凝固技术的发展过程可以看出 获得高温度梯度和搅拌对流强度的 基本原则可考虑如下几个方面 24 1 提高凝同界面前沿处熔体的温度以强化输入界面的热流 可有效提高界 面前沿液相温度梯度 2 强化已凝固固相内的散热 提高固 液界面固相侧的温度梯度 3 改善高温加热区与冷却区间的隔热 用隔热性能较好的挡板保持两区间 尽可能高的温度著 可有效地加大界面前沿的液相温度梯度 4 在固液界面前沿增加外力的搅拌 根据上述原则 设计要求凝固设备满足以下几点要求及相应的工艺 25 26 1 改变被提纯熔体外部的环境 采用水冷的真空炉室 保证在真空下熔化 保温 以减少熔体表面的氧化吸气 2 采用高精度拉伸装置 采用高精度拉伸装置 以获得精确平稳的牵引速 度 促使柱状晶沿生长方向正常生长 保证平界面的稳定 减少不必要的晶界 产生 提高捉纯的效率 3 增大温度梯度 加热方式采用双线圈双区感应加热 提高界面前沿熔体 的温度 同时采用侧面环状及底部结合的强冷方式 在界面前沿产生稳定的大 温度梯度 保证在一定生长速度下晶体以平界面方式生长 把杂质元素最大限 度地排出到界面前沿 4 搅拌 在晶体生长的同时 利用电磁力对熔体进行充分搅拌 促使排出 到界面前沿的杂质元素混合到熔体中 27 因此 以获得高的温度梯度为目的 根据上述原则及工艺要求 新型真空高梯 度定向凝固设备应该具备以下几个基本系统 加热系统 抽拉系统 真空系统 冷却系统 控制系统等 28 各系统间闭环连接控制 高梯度定向凝固设备的密封主要需要考虑加热电极的密封 联接法兰的密 封 水冷系统处得动密封等 在动密封处 防止高温和硬质颗粒的落入伸入炉 膛内的杆件需作旋转或轴向运动 故需施以动密封 旋转动密封采用了磁流体 密封技术 法兰部分一般采用了 O 形环密封的结构形式进行密封 7 1 4 2 密封特点及难点密封特点及难点 高梯度定向凝固设备通过一系列的相关部件来保证其真空环境 而真空及 其密封性的好坏 对工艺控制 产品的质量都有着直接的影响 29 31 定向凝固 设备的密封通常具备以下几个特点 也是密封设计中的难点 1 对密封性能及可靠性要求高 定向凝固系统除了要具有真空环境以外 泄漏率要求控制住 20Pa L s 以下 并要有很好的可靠性 否则 在正常运行中 微小的泄露都可能给生产带来很大的破坏 因此 在设计中通常最大限度地减 少密封点 并在法兰密封上一般采用诸如金属齿型垫 金属 O 形环等高压密封 手段 使密封可靠性得到保证 32 在动密封处 防止高温和硬质颗粒的落入伸入炉膛内的杆件需作旋转或轴 向运动 故需施以动密封 为了提高籽晶杆 坩埚杆或软轴提拉机构的运动平 稳性 近些年来 旋转动密封采用了磁流体密封技术 轴向动密封正在实验之 中 磁流体的最高工作温度在 80 以下 超过此限即会蒸发 磁流液中主要 含铁元素 若泄入炉膛对单晶电阻率影响很大 采用波纹管连接结构 使动密 封远离高温区 有助于提高运行可靠性 但仍需对其专门通水冷却 在坩埚杆 插入口 容易落进硅渣等硬质颗粒 造成坩埚杆磨损 降低密封性 33 2 密封面的工作温度都比较高 由于定向凝固炉在高温环境下工作 这就 对密封材质的选用 加热速度的控制 安装及紧固方法都有一些特殊的要求 因此在设计中需要考虑这些因素的影响 以保证良好的密封效果 例如 在水冷结构上应该保证密封圈 垫 工作在允许的温度以下 炉室的 静密封大多采用耐高温的密封圈 垫 但极限使用温度在 200 左右 故在机械 设计时需要考虑冷却问题 在个别高温出口 如抽气口 上 可以采用软金属 紫 铜或铝 密封 34 1 4 3 本文设计内容本文设计内容 考虑密封性对真空定向凝固炉的重要影响 本题目基于 5Kg 真空定向凝固 炉的设计项目 主要完成以下几点设计内容 1 分析研究真空密封技术各种密封形式 应用场合及各自优缺点 2 分析研究真空熔铸设备中密封结构的技术要求和特征参数 确定定向凝 固设备的整体结构 3 针对高梯度定向凝固设备的法兰 炉门和电极三个关键部件的不同结构 特征 并考虑密封材料 结构特点和机械加工精度的要求 分别对其并进行密 封设计与研究 8 第二章第二章 高梯度定向凝固炉结构设计高梯度定向凝固炉结构设计 2 1 定向凝固技术定向凝固技术 定向凝固 是指在凝固过程中采用强制手段 在凝固金属和未凝固金属熔 体中建立沿特定方向的温度梯度 利用合金凝固时晶粒沿热流相反方向生长的 原理 控制热流方向 使铸件沿规定方向结晶的铸造技术 20 世纪 80 年代初 大野笃美教授将连续铸造与定向凝固相结合 发明了 OCC Ohno Continuous Casting 法 OCC 法固液界面前沿液相温度梯度较低 而且工艺过程难以控制 特别是对于下拉法 极易拉漏 因此 北京科技大学在其基础上开发了具有较 高的温度梯度 工艺控制方便 适用于多种合金材料的连续定向凝固方法 并 得到了很好的应用 而后又将真空设备与该工艺相结合 开发出一种熔炼 提 纯 凝固一体 工艺简单 生产效率高 金属纯净度高的新型真空连续定向凝 固方法 定向凝固能得到一些具有特殊取向的规则组织和优异性能的材料 便于 准确测量组织形态和尺度特征 因而自它诞生以来得到了迅速的发展 已广泛地应 用于半导体材料 磁性材料 定向单晶 涡轮叶片以及自生复合材料的生产 在定向凝固技术中 获得高质量定向凝固组织的基本条件是保持凝固界面前 沿具有较高温度梯度 21 根据成分过冷理论分析 温度梯度和生长速度是影响 定向凝固过程中晶粒形态选择的关键因素 因此 高的温度梯度是设计定向凝固 设备的关键技术参数 23 而设备在较高的温度梯度下进行较大调速范围运动时 要求运动的平稳性要高 此外 有些合金在高温下极易氧化 挥发 整个熔炼及定 向凝固过程需要在真空状态下进行 而高的炉温 1 600 的强烈热辐射还要求 炉体必须具有水冷结构 35 从定向凝固技术的发展过程可以看出 获得高温度梯度和搅拌对流强度的 基本原则可考虑如下几个方面 1 提高凝同界面前沿处熔体的温度以强化输入界面的热流 可有效提高界 面前沿液相温度梯度 2 强化已凝固固相内的散热 提高固 液界面固相侧的温度梯度 3 改善高温加热区与冷却区间的隔热 用隔热性能较好的挡板保持两区间 尽可能高的温度著 可有效地加大界面前沿的液相温度梯度 4 在固液界面前沿增加外力的搅拌 根据上述原则 设计要求凝固设备满足以下几点要求及相应的工艺 1 改变被提纯熔体外部的环境 采用水冷的真空炉室 保证在真空下熔化 保温 以减少熔体表面的氧化吸气 9 2 采用高精度拉伸装置 采用高精度拉伸装置 以获得精确平稳的牵引速 度 促使柱状晶沿生长方向正常生长 保证平界面的稳定 减少不必要的晶界 产生 提高捉纯的效率 3 增大温度梯度 加热方式采用双线圈双区感应加热 提高界面前沿熔体 的温度 同时采用侧面环状及底部结合的强冷方式 在界面前沿产生稳定的大 温度梯度 保证在一定生长速度下晶体以平界面方式生长 把杂质元素最大限 度地排出到界面前沿 4 搅拌 在晶体生长的同时 利用电磁力对熔体进行充分搅拌 促使排出 到界面前沿的杂质元素混合到熔体中 27 2 2 高梯度定向凝固设备结构高梯度定向凝固设备结构 以获得高的温度梯度为目的 根据上述原则及工艺要求 新型真空高梯度定 向凝固设备应该具备以下几个基本系统 加热系统 抽拉系统 真空系统 冷 却系统 控制系统等 各系统间闭环连接控制 如图 1 8 所示 36 图 1 8 高梯度定向凝固装置原理简图 加热系统设备采用双区加热系统结构 目的是使铸件中有严格的一维热流 以 达到液固界面前沿液相中有高的温度梯度 其结构如图 1 9 所示 设备的抽拉系统要完成试样的输送和定向凝固所需的抽拉运动 炉体内侧设有多层防辐射屏 结晶器 炉体内外壁之间 金属电极等处均使 用循环水冷却 循环水采用下进上出的顺序 随时带走热量 使冷却充分 此措施有 效地将抗高温能力差的不锈钢外壁 橡胶密封圈与石墨发热体隔开 冷却系统 和结晶器结构如图 2 0 所示 其密封是采用动密封形式 29 10 图 1 9 双区加热系统结构示意图 图 2 0 结晶器与冷却系统结构示意图 真空系统选用真空机械泵和高真空油扩散泵 抽气速率为 8 L s 并配备相应 的真空管道 真空阀门 真空压力计 组成二级真空系统 先用机械泵预抽真空 11 然后用油扩散泵抽高真空 高梯度定向凝固设备的密封主要需要考虑加热电极的密封 联接法兰的密 封 水冷系统处得动密封等 在动密封处 防止高温和硬质颗粒的落入伸入炉 膛内的杆件需作旋转或轴向运动 故需施以动密封 旋转动密封采用了磁流体 密封技术 法兰部分一般采用了 O 形环密封的结构形式进行密封 2 3 密封特点及难点密封特点及难点 高梯度定向凝固设备通过一系列的相关部件来保证其真空环境 而真空及 其密封性的好坏 对工艺控制 产品的质量都有着直接的影响 定向凝固设备 的密封通常具备以下几个特点 也是密封设计中的难点 1 对密封性能及可靠性要求高 定向凝固系统除了要具有真空环境以外 泄漏率要求控制住 20Pa L s 以下 并要有很好的可靠性 否则 在正常运行中 微小的泄露都可能给生产带来很大的破坏 因此 在设计中通常最大限度地减 少密封点 并在法兰密封上一般采用诸如金属齿型垫 金属 O 形环等高压密封 手段 使密封可靠性得到保证 32 在动密封处 防止高温和硬质颗粒的落入伸入炉膛内的杆件需作旋转或轴 向运动 故需施以动密封 为了提高籽晶杆 坩埚杆或软轴提拉机构的运动平 稳性 近些年来 旋转动密封采用了磁流体密封技术 轴向动密封正在实验之 中 磁流体的最高工作温度在 80 以下 超过此限即会蒸发 磁流液中主要 含铁元素 若泄入炉膛对单晶电阻率影响很大 采用波纹管连接结构 使动密 封远离高温区 有助于提高运行可靠性 但仍需对其专门通水冷却 在坩埚杆 插入口 容易落进硅渣等硬质颗粒 造成坩埚杆磨损 降低密封性 2 密封面的工作温度都比较高 由于定向凝固炉在高温环境下工作 这就 对密封材质的选用 加热速度的控制 安装及紧固方法都有一些特殊的要求 因此在设计中需要考虑这些因素的影响 以保证良好的密封效果 例如 在水冷结构上应该保证密封圈 垫 工作在允许的温度以下 炉室的 静密封大多采用耐高温的密封圈 垫 但极限使用温度在 200 左右 故在机械 设计时需要考虑冷却问题 在个别高温出口 如抽气口 上 可以采用软金属 紫 铜或铝 密封 34 3 需要重点进行密封设计的关键部件 根据高梯度定向凝固炉的结构中 可以确定 对系统整体密封性能有重要影响的部件有三个 炉门密封 法兰密 封 电极密封 因此需要对这三个关键部件进行可靠的密封性设计 以确保高 梯度定向凝固炉的整体密封性能 12 第三章第三章 真空密封技术真空密封技术 密封性能是评定机械产品质量的一个重要指标 设备中的工作介质或润滑 剂的泄漏 会造成浪费并污染环境 易燃 易爆 剧毒 腐蚀性 放射性物质 的泄漏 会危及人身及设备的安全 环境中的气体 灰尘 水等进入机械设备 内会导致轴承 齿轮等过早地磨损报废 漏入化工装置内会影响化工产品纯度 流体机械内部泄漏会影响容积效率等 因此 在机械产品设计中考虑密封性的 设计是一个对保证产品性能的重要保障 3 1 动密封和静密封动密封和静密封 密封可以分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面间的动密封两 大类 静密封主要有垫密封 胶密封和接触密封三大类 根据工作压力 静密封 又可分为中低压静密封和高压静密封 中低压静密封常用材质较软 垫片较宽 的垫密封 高压静密封则用材料较硬 接触宽度很窄的金属垫片 动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型 按密封件与其作相对 运动的零部件是否接触 可以分为接触式密封和非接触式密封 一般说来 接 触式密封的密封性好 但受摩擦磨损限制 适用于密封面线速度较低的场合 非接触式密封的密封性较差 适用于较高线速度的场合 在接触式密封中 按 密封件的接触位置又可分为圆周 径向 密封和断面 轴向 密封 端面密封又称为 机械密封 非接触动密封有迷宫密封和动力密封等 前者是利用流体在间隙内的节流 效应限漏 泄漏量较大 通常用在级间密封等密封性要求不高的场合 动力密 封有离心密封 浮环密封 螺旋密封等 是靠动力元件产生压头抵消密封两侧 的压力差以克服泄漏 它有很高的密封性 但能耗大 且难以获得高压头 非 接触式密封 由于密封面不直接接触 起动功率小 寿命长 如果设计得合理 泄漏量也不会太大 但这类密封是利用流体力学的平衡状态而工作的 如果运 转条件发生变化 就会引起泄漏量很大的波动 而且市场上不能直接购到这类 密封件 基本上都由用户自行设计 根据密封结构的类型 密封机理 密封件形状和材料等 密封的分类如图 3 1 所示 3 2 真空密封技术真空密封技术 真空联接的密封性能取决于联接处的泄漏和真空材料的放气 对任何真空 系统总希望漏 放气量越小越好 但由于漏 放气量与密封形式 密封材料 加工精度及装配质量等诸因素有关 故在联接处总会存在一定的漏 放气量 13 因此可根据真空系统工作的性质 真空室工作应力的高低及其出口处抽气速度 的大小提出要求 图 3 1 密封的分类 密封 静密封动密封 垫密封胶密封填料密封波纹管接触型动密封 非接触型动密封 非金属密封垫 非金属 金属组合垫 金属密封垫 软填料密封 成型填料密封 油封 防尘密封 机械密封 硬填料密封 胀圈密封 迷宫密封 离心密封 浮环密封 螺旋密封 磁流体密 封 全封闭密 封 真空系统中的压力在高于 10 5Pa 真空范围内广泛使用合成橡胶 环氧树脂 和塑料 当真空度提高到压力 10 7Pa 的真空范围内时 这些密封材料就不能使 用了 需要应用超高真空的密封材料如金或铜做垫圈 而真空壳体不能用软钢 需要改用不锈钢 超高真空系统内的气体状态是动态平衡状态 系统内的压力极限 一方面 与泵的有效抽速有关 另一方面与来自真空壳体及其内部的零部件的气流量有 关 因虽有系统的有效抽速由于泵有结构尺寸和费用等原因 总存在实际限制 所以 减少气流量就成为达到超高真空状态的基本设计目标 成为选择超高真 空材料的主要准则 作为真空系统内部用的材料 要求饱和蒸汽压低 为了减少慢性解吸和体 出气 要求能耐 450 高温烘烤 而不降低机械强度和不发生化学和物理损伤 14 作为真空系统壳体材料 要求能忽略气体渗碳 承受得住大气压的压力 烘烤 期间耐空气侵蚀和不发生漏气 此外 要求选用的材料 加工制作容易 价廉 易得 对于真空度低于 10 7Pa 的超高真空 虽然天然和合成橡胶是理想的密封圈 材料 弹性好 装配成真空密封后法兰螺栓受力很小 而且可以多次重复使用 但由于超高真空系统要求密封圈材料耐 250 烘烤 实际上可供选用的几种橡 胶材料都不能满足要求 真空度更高 即压力更低 的超高真空 则必须采用金 属密封 3 3 增加真空密封性能的措施增加真空密封性能的措施 根据真空密封技术的研究现状分析 增加密封性能的主要措施有四种 第一 改进真空系统机械结构 真空系统的结构是影响真空系统密封性和系统漏气率的关键 真空系统的 结构合理与否 将直接影响系统的密封性和系统的漏气率 在系统结构设计中 应注意以下几点 1 真空系统内部尽可能地避免出现小曲率半径的死角 弯角 要圆角光滑 过渡 不留死角 有利于打磨抛光 清洗清扫 2 抽空管道 送气管道等与真空室相连接的管道 采用圆弧过渡 使气路 畅通无阻 但要考虑清洗清扫的方便性 3 认真设计真空室内各种连接件的结构 减少螺纹连接 销钉连接 铆钉 铆接 使气路畅通 避免气路堵塞 4 打磨抛光真空系统内表面 使其表面光亮如镜 表面越光亮就越不易气 体吸附 越容易获得真空 5 尽可能减小真空室的体积 缩短管路系统 6 在不影响使用的条件下 可在真空系统内部设置烘烤装置 第二 选择合适的密封形式 密封形式可根据所需真空度的高低及实际工作需要选择密封形式 对于人 工品体生长设备 一般需要的真空度在 10 3Pa 以下 因此 无需采用金属密封 以 TDR 70 型单品炉为例 我们选择磁性流体密封作为旋转动密封 选择高精 度大仲缩量的焊接波纹管进行移动密封 小直径轴的旋转密封选用 O 型密封 圈或威尔逊密封 各种静密封则采用 O 型密封圈密封形式 直径压缩比为 15 25 第三 选择合适的密封结构材料 真空度在 10 3Pa 以下的真空系统 密封材料一般选择橡胶密封圈即可满足 要求 但是 考虑到实际工作条件的需要 根据不同的应用场合 应选用更加 15 合适的密封结构材料 第四 选择合适的静密封结构 各种真空系统中 80 以上的密封为静密封 静密封效果的好坏 对系统 的真空度及漏气率有很大的影响 因此 对静密封结构进行认真的优化设计 是达到理想真空度要求的关键 对静密封结构的优化设计 主要考虑如何选择 密封槽的结构 选择主要密封面 如何减小残留气体及如何充分发挥橡胶密封 圈功能 静密封的机构设计 除了金属密封外 从理论上分析采用圆弧形密封 槽结构对降低真空系统漏气率最为理想 但考虑到各种密封系统的实际情况 大多数静密封结构需采用矩形槽或梯形燕尾槽 这是在密封系统中最常见的结 构 16 第四章第四章 高梯度定向凝固炉关键部件的密封性设计高梯度定向凝固炉关键部件的密封性设计 根据第二章和第三章对定向凝固炉的结构及真空密封技术的分析与研究 高梯度定向凝固炉中需要进行重点密封设计的结构有法兰联接部分的密封 炉 门部分的密封 以及电极的密封设计 其中法兰密封和电极密封属于静密封 炉门密封属于动密封 针对三部分的不同结构 本章分别对其进行详细的密封 性设计 4 1 法兰密封设计法兰密封设计 4 1 14 1 1 法兰密封面常见的几种形式法兰密封面常见的几种形式 中 低压法兰常用密封面形式有平面 凹凸面及榫槽面三种 如图 4 1 所 示 a 平面法兰 b 凹凸面法兰 c 榫槽面法兰 图 4 1 法兰密封常见形式 1 平面法兰 该种法兰的密封面是一光滑平面 有时也在密封面上车有二条界面为三角 形的同心圆沟槽 俗称水线 如图 4 1 a 所示 适用于平面法兰的垫片有各种非金属平垫片 包覆垫 金属包垫 缠绕式 垫片 可同时带内环或外环或内外环 由于结构简单 加工方便 便于防腐衬 里的施工 故可在公称压力 p 2 45MPa 时使用 在 0 588MPa 压力以下 温度 不高的场所尤为适宜 但这种密封面与垫片接触面积较大 特别是管道用宽面 法兰 所需压紧力大 安装时垫片不宜定位 预紧后 垫片易向两侧伸展或移 动 故如聚四氟乙烯等摩擦系数较小的垫片 不宜采用该种密封面 另外 如 使用缠绕垫片 为了重复利用垫片 密封面上不车制三角槽 37 17 2 凹凸面法兰 该法兰密封面由一凹面和一凸面组合而成 垫片放置在凹面内 如图 4 1 b 所示 其适用的垫片有 各种非金属平垫 包覆垫 金属包垫 缠绕 垫片 基本型或带内环的 金属波形垫 金属平垫 金属齿形垫 与平面法兰相比 凹凸面法兰中垫片不易被挤出 装配时便于对中 工作 压力范围比平面法兰宽 用于密封要求较严的场合 但对于操作温度高 封口 直径大的设备 使用该种密封面时 垫片仍存在被挤出的可能 例如某换热器 压力 2 45MPa 温度 250 使用纯铝平垫片 根据表 2 2 提供的数据 纯铝最 高使用温度为 425 其密封应该可靠 事实上 换热器投入运转不久就出现 泄漏 二次紧固后也仅维持一段时间 经停车检查 发现垫片内径发生显著变 形 其原因是纯铝的塑性良好 250 时的屈服强度约是常温下的 15 延伸率 高达 4 5 倍 这就是说在高温下铝垫的压延 蠕变现象严重 因此垫片和法兰 面之间无法保持所需要的密封比压 故必须更换垫片材质或采用榫槽面法兰以 及带有两道止口的凹凸面法兰 如高压密封中 金属平垫所采用的法兰面结构 予以解决 3 榫槽面法兰 该法兰密封面由一榫槽面和一槽面配合组成 垫片置于槽内 如图 4 1 c 所示 适用垫片有 金属及非金属平垫 金属包垫 缠绕垫 基本型 等 与凹凸面法兰一样 榫槽面法兰在槽中不会被挤出 压紧面积最小 只有 平面法兰和凹凸面法兰的 52 68 垫片受力均匀 由于垫片与介质不直接接 触 介质腐蚀影响和压力机制的渗透影响最小 可用于高压 易燃 易爆 有 毒介质等密封要求严格的场合 这种密封面垫片安装时对中性好 该密封面加 工和垫片更换较为困难 4 其他密封面型式的法兰 除以上三种密封面型式以外 还有采用梯形槽密封面 以及配用 O 形环 透镜垫时的特殊密封面型式 见图 4 2 18 图 4 2 其他密封形式 a 为采用橡胶 O 形圈和金属中空 O 形环的密封面形式 b 为梯形槽密封面 可配金属八角垫和椭圆垫 c 为透镜垫密封结构 它用于高压管道的连接 4 1 2 法兰密封方案及对比分析法兰密封方案及对比分析 高梯度定向凝固炉属于高真空密封环境 法兰密封一般采用真空橡胶密封 圈进行密封 方案一 采用 J 型真空密封圈密封 J 型真空密封圈结构形式如图 4 3 所示 图 4 3 J 型真空密封圈结构 J 型又称为威尔逊密封 安装结构如图 4 4 所示 其作用是利用中央凸起并 紧箍在转轴上呈锥形的 J 型橡胶密封圈 当内部达到真空时 外部大气压力把 密封圈紧紧地压在旋转轴上从而达到真空密封的目的 19 图 4 4 J 型密封圈的安装结构 1 压紧法兰 2 压套 3 J 型密封圈 4 密封座 5 垫圈 6 传动轴 方案二 采用 O 型真空密封圈密封 真空用 O 型橡胶密封圈结构如图 4 5 所示 密封的安装结构如图 4 6 适用于外部大气 压力 真空室压力高于 1 10 4pa 的往复运动的真空设备的密封 在规定的温度下且往复运 动速度低于 0 2m s 真空机械设备其他情况下的密封 也可以选用 O 形橡胶圈 O 型圈规 定工作温度为 25 80 O 形橡胶密封圈具有如下的优点 1 密封部位结构简单 安装部位紧凑 重量较轻 2 有自密封作用 往往只用一个密封件便能完成密封 3 密封性能较好 用作静密封时几乎可以做到没有泄漏 用于往复运动时 在往复行 程中密封性能不变 泄漏很小 只在速度较高时才有些泄漏 4 运动摩擦阻力很小 对于压力交变的场合也能适应 5 尺寸和沟槽已标注化 成本低 便于使用和外购 经过对比分析 本文确定选用方案二的密封结构进行密封设计 图 4 5 O 型密封圈结构 20 图 4 6 O 形密封圈的安装结构 1 压套 2 O 型密封圈 3 垫圈 4 螺母 5 传动轴 4 1 3 法兰密封材料及加工精度要求法兰密封材料及加工精度要求 针对方案二确定的法兰密封结构后 需要确定法兰密封的材料及其密封面 得加工要求 1 材料 为了保证密封装置的密封性能 必须合理选择适当的密封材料 密封材料 必须有以下基本性能要求 19 弹性好 长时间压缩也不会产生很大的永久变形 适当的硬度 能紧密贴合于密封副工作面 随机性能好 机械强度高 由介质引起的强度变化波动小 材质致密性好 不渗漏 耐介质性能好 容积 硬度和重量变化小 不粘附于密封副工作面 不腐蚀金属 能广泛应用于各种温度环境 温度变化时 材料性能无明显变化 高温 下不软化 分解 低温下不硬化 摩擦系数小 耐磨性高 不易老化 寿命高 加工性能好 可获得准确的尺寸 制造方便 价格低廉 取材容易 但是 任何一种密封材料都不可能同时满足这些条件 所以 必须根据实 际情况的不同 选用不同的材料 在选择 O 形圈材料时 要注意考虑到以下几点因素 1 O 形圈的工作状态 指 O 形圈是用于静密封还是用于动密封 是用在 往复动还是用在旋转运动中 21 2 机械的工作状态 就是指机器是出于连续的工作状态还是处于断续的工 作状态 并要考虑到每次断续时间的长短 是否有冲击载荷作用在密封部位 3 工作介质的情况 工作介质时液体还是气体 并要考虑到其物理 化学 性质 4 工作压力 工作压力的大小 波动幅度以及瞬时出现的最大压力等 5 工作温度 包括瞬时温度和冷热交变时的温度 6 价格和来源等 真空度在 10 3Pa 以下的真空系统 密封材料一般选择橡胶密封圈即可满足 要求 但是 考虑到实际工作条件的需要 真空室内温度最高可达 2300 密封 部位进行水冷后 其温度在 80 左右 个别处温度可达 100 以上 所以 要 选择比较理想的密封圈材料 用于真空密封橡胶材料 除要求具有光洁表面 无划伤 无裂纹外 还要 求有低的渗透率和出气率 良好的耐热性耐油性 同时要有一定的强度 硬度 和弹性等 表 4 1 各种橡胶对空气的渗透性能 各种橡胶材料的主要性能如表 4 1 一表 4 3 氟橡胶是一种具有耐高温 耐 各种介质的密封材料 各种气体在氟橡胶中有较小的扩散速度和较大的溶解度 透气性很小 如表 2 所示 在高温 真空中放气速率很低 在 2 6 x10 7P