海綿鈦真空熔煉中生產揮發物對真空系統影響與解決辦法

金旭

摘? ?要：文章針對海綿鈦在真空熔煉工業化生產時產生的真空泵組抱死、零件腐蝕等現象，給予十分詳細的研究與分析，指出在實際生產過程中，產生此類故障預防的相關方案和措施，使生產時真空泵組產生的故障率降低，使真空泵組的使用壽命得到延長，并取得較好的生產試驗效果。

關鍵詞：海綿鈦;真空熔煉;揮發物;真空機組;抱死

鈦是金屬材料領域中新發現的一種元素，是一種新型的優良金屬材料，鈦合金自身的密度比較低，但具有很高的強度和比模量，同時具有熔點溫度高、較強的耐腐蝕性和抗高溫性，還有較好的抗蠕變性能與抗氧化性能，是非常具有潛力的新一代高溫合金結構材料，被稱為“太空金屬”“海洋金屬”和“戰略金屬”，所以，其在航空航天和核工業等領域非常重要，能被廣泛使用，是非常重要的戰略物資。

在廣泛的軍用和民用市場需求的帶動下，國內海綿鈦制品市場發展潛力很大，應用的前景非常廣闊。但是，目前中國國內海綿鈦和鈦合金產品的產量與軍用、民用市場需求還存在較大的差距。根據國外統計的鈦產量為鋼產量的萬分之一的比例來計算，中國國內鈦和鈦合金產品的年產量應在3～5萬噸，但當前不足1萬t，并且以鈦的棒料為主，高質量的鈦和鈦合金板帶帶卷等產品仍然依靠進口來維持國內的鈦成品生產需求。

1? ? 問題提出

鈦是一種活性金屬，在高溫下會和空氣中的氧氣發生氧化反應，所以在熔煉時，必須處在真空熔煉設備的環境下進行。真空熔煉方法常采用真空感應熔煉真空電弧熔煉及電子束熔煉等離子熔煉和冷床熔煉等，這些熔煉設備之間的相同點是都要使用真空泵組在真空系統里將氣體排除干凈，使其能夠滿足真空狀態條件。在海綿鈦自身熔煉的真空熔煉爐內，原真空系統設備里有很多粉塵和揮發物質，這些物質與空氣里的水和機械泵的油接觸，共同進行混合后，對機械設備和真空系統設備的運行造成極大危害[1]。

1.1? 揮發物腐蝕前級機械泵泵腔和滑閥的嚴重影響

揮發物使腐蝕前級機械泵泵腔和滑閥的間隙增加，把機械泵自身的額定抽氣速率降低，也會使機械泵的主軸被嚴重腐蝕，同時，與軸配合間隙增大，運行時會產生較大的震動，使機械泵的使用壽命縮短，還會經常產生真空密封泄露和漏油問題。也會腐蝕前級機械泵滑軌上的固定螺栓，在機械泵運行時產生的震動，螺栓會出現脫落現象，導致泵腔被劃傷和出現報廢現象[2]。

1.2? 揮發物進入前級機械泵的影響

揮發物如果混進泵油里，泵油的黏度會變得非常黏稠，使排氣閥和滑閥油孔、磨損閥片等發生阻塞，會使泵體與滑閥之間產生發熱現象，也會讓前級機械泵產生抱死的現象。揮發物會對軸封的氣密性產生影響，出現嚴重漏氣問題。

1.3? 揮發物進入羅茨泵泵腔的影響

揮發物如果附著在泵腔和轉子的表面，會使本來光潔的表面變得非常粗糙。當揮發物積累到一定程度，泵腔和轉子之間的間隙會變小，負荷增加，使泵體表面產生發熱現象，導致轉子產生熱膨脹，泵也發生抱死現象，同時也使羅茨泵的抽氣速率極大減弱，使用效果不好。

1.4? 揮發物進入油擴散泵的影響

當揮發物進入油擴散泵泵腔后，會使泵油的粘度增加，油變得非常黏稠，使擴散泵泵嘴被油污堵塞，導致油擴散真空泵無法進行正常的運行工作。當揮發物進入油后，也會使油的沸點升高，導致自身的工作時間延長，打開閥門的時間縮短，產生返油和無真空或假真空的問題[3]。

2? ? 分析與討論

2.1? 真空泵組中揮發物的來源

海綿鈦的制備工藝流程主要是經過氯化制取粗四氯化鈦、精制制取精四氯化鈦、鎂還原四氯化鈦進行還原得到海綿鈦，并通過高恒溫高真空蒸餾，去除海綿鈦中雜質鎂和氯化鎂、破碎、包裝等工序進行制取生產商品海綿鈦。高鈦渣在氯化工序制備四氯化鈦，四氯化鈦與鎂發生還原反應得到海綿鈦和氯化鎂，再經過蒸餾除去雜質[4]。但在蒸餾除去雜質后，海綿鈦產品里還存留非常多的氯化物雜質和金屬雜質。在國家標準中，零級品的海綿鈦產品里有0.06%的氯含量，經過相關的理化分析檢測能夠得出數據。在真空泵組排除系統空氣的過程中，這些含氯雜質被排除進入真空泵組的前級機械泵，與真空泵油和空氣中的水產生化學反應，生成鹽酸和次氯酸，生成物溶解在真空泵油里，對不同的真空泵油和滑閥等產生腐蝕危害。

2.2? 真空泵組中揮發物的來源

經過大量的生成實踐，通過對真空泵機組中粉塵成分進行分析可得，真空系統中的揮發物主要有兩個粉塵來源：（1）自耗電極中含鈦粉塵被吸入真空泵機組中;（2）鈦在熔化過程中，產生的金屬揮發物被吸入真空泵中。在該組中，真空消耗電弧爐運行期間產生的灰塵和設備內部的灰塵被吸入真空泵組。在這些粉塵中，揮發物和一些混入油擴散泵的油附著在真空管道內和羅茨泵的內表面，有些與機械泵的泵油混合。真空泵中的粉塵和揮發物的聚集在一定程度上會導致上述問題的發生。

3? ? 解決方案

針對上述缺陷和問題，在具體進行使用時，作出以下解決方案，并收到良好的使用效果。每周將氣鎮閥閥門打開一次，把真空泵里的水排干凈，使真空泵油自身的酸濃度降低，同時還能減少對真空泵機組設備的腐蝕。停泵時，需要將充氣閥閥門及時打開，使真空泵油及時返回到油箱，防止鹽酸和次氯酸腐蝕前級機械泵的泵腔。滑軌固定螺栓材質更改為耐腐蝕的鈦螺栓或耐酸腐蝕的不銹鋼螺栓，使固定螺栓被腐蝕脫落的概率降低，減少其對泵腔造成的損壞，在真空泵組的入口位置添置便于拆卸的防塵裝置。

4? ? 結語

因為海綿鈦生產制取的工藝不能改變，裝備受其生產工況限制，海綿鈦產品中的揮發物不能完全被除去，導致雜質氯元素存在，只能通過以上處置方法減緩對真空系統泵機組造成的影響。以上對海綿鈦揮發物進行處置的辦法進行生產實踐后，海綿鈦在進行一次熔煉的過程中，機械泵原本生產3個月進行更換一次，現延長到生產一年更換一次，羅茨泵和油擴散泵的維修次數大大減少，使用效率提高，為生產企業降低生產成本，提高生產效率。

[參考文獻]

[1]王貴生.鈦的應用技術[M].長沙：中南大學出版社，2012.

[2]陳興漢.真空熔煉[M].西安：西安前進印刷廠，2014.

[3]王曉東.真空技術[M].北京：冶金工業出版社，2013.

[4]鄧國珠.鈦冶金[M].北京：冶金工業出版社，2010.