真空熔煉中海綿鈦揮發物對真空系統的影響和解決方法

摘 要：文章通過對鈦在真空熔煉時發生的真空泵組抱死，零件腐蝕等現象進行了細致的研究和分析，提出了預防此類故障發生的措施，降低了真空泵組故障率，提高了真空泵組的使用壽命。

關鍵詞：海綿鈦；揮發物；機械泵；羅茨真空泵；油擴散噴射真空泵

1概述

鈦是金屬材料領域族群中的一支新秀，鈦合金具有低密度、高比強度和比模量、高熔點、耐腐蝕、在高溫時依然可以維持較高的強度和剛性，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構材料，被譽為“太空金屬”和“海洋金屬”。因此在航空航天、核工業、軍事工業及冶金等領域有廣泛的用途，是重要的戰略物資，是高溫領域中不能代替的材料。

2 實驗與統計

鈦由于屬于活性金屬，容易和空氣中氧發生反應，在熔煉中需處于真空熔煉設備中，真空熔煉最常用的方法包括真空感應熔煉、真空電弧熔煉、電子束熔煉、等離子熔煉、冷床熔煉等，這些設備的相同之處都需要真空泵組從系統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，真空系統中會含有大量的粉塵和揮發物，這些物質和空氣中的水和機械泵油混合在一起，對中機械設備和真空系統的的運行產生極大的危害，根據我們的實驗和對真空系統故障的統計具體如下：

圖1 真空泵組示意圖

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

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 附著在泵腔及轉子表面的金屬粉塵

2.2 金屬粉末進入前級機械泵泵油中，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，使泵體和滑閥發熱，是前級機械泵發生抱死現象。金屬粉塵影響軸封的氣密性，從而產生漏氣現象。

2.3 金屬粉塵進入羅茨泵泵腔，附著在泵腔及轉子表面上，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），泵腔及轉子的間隙減小，負荷增大，引起泵體發熱，從而使轉子墊膨脹，泵抱死；并使羅茨泵的抽氣速率大大降低。

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

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發生反應，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。經檢測可知，在真空泵組排除系統中的空氣的過程中，這些Cl2被排除到真空泵組的的前級機械泵處，和真空泵油中和空氣中的水發生如下反應，有關的化學反應式是：

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，產生的金屬揮發物被抽入真空泵組中；真空自耗電弧爐中在運行過程中產生的粉塵和設備內部的灰塵被抽入真空泵組中。

這些粉塵、揮發物和一部分混入油擴散泵的油中，一部分附著在真空管道和羅茨泵的內表面，還有一部分和機械泵的油混合在一起。滯留在真空泵組的粉塵和揮發物積累到一定的程度，會發生以上統計的故障。

綜合以上分析可以看出，解決真空熔煉中海綿鈦揮發物對真空系統的影響，主要從防止海綿鈦Cl2和水發生反應和粉塵、金屬揮發物進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，所以只有及時排除真空泵組由于空氣壓縮而產生的水。Cl2和水的反應主要發生在真空泵組的前級機械泵處，H型系列滑閥式機械真空泵都帶有氣鎮裝置，利用氣鎮裝置可以排除泵腔中的水；防止粉塵和金屬揮發物進入真空泵組，首先需要讓粉塵和金屬揮發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

針對以上出現的諸多問題，在實際的使用過程中我們總結出了一系列解決方案并取得了一定的實際效果，每一周打開氣鎮閥一次，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 結束語

由于海綿鈦制取工藝難以改變，海綿鈦揮發物無法完全消除，只能通過上述的解決辦法緩解對真空系統的影響。上述針對海綿鈦揮發物的解決辦法實施以后，海綿鈦一次熔煉時，機械泵原來使用3個月需要更換，現在可以使用一年，羅茨泵和油擴散噴射泵很少需要檢修，給企業顯著降低了生產成本，提高了生產效率。

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