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1 緒 論
1.1 非晶合金發(fā)展概述
非晶態(tài)合金不具備長(zhǎng)程原子有序，也叫玻璃態(tài)合金，是新型材料研究的熱點(diǎn)之一。非晶合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能（高的強(qiáng)度、硬度等），耐腐蝕性能，軟、硬磁性能以及儲(chǔ)氫性能等，在機(jī)械、通訊、航空航天、汽車工業(yè)乃至國(guó)防軍事上都具有廣泛的應(yīng)用潛力。因此，開(kāi)發(fā)塊體非晶合金成為這類材料實(shí)用化的重點(diǎn)。
1943年，德國(guó)物理學(xué)家Kramer用蒸發(fā)沉積的方法成功制備出了非晶態(tài)薄膜，自此，非晶的研究逐步開(kāi)展。1951年，美國(guó)物理學(xué)家Turnbull通過(guò)水銀的過(guò)冷實(shí)驗(yàn)，提出液態(tài)金屬可以過(guò)冷到遠(yuǎn)離平衡熔點(diǎn)以下而不產(chǎn)生形核與長(zhǎng)大，達(dá)到非晶態(tài)，Turnbull是非晶態(tài)合金的理論奠基人。
1960年Duwe等采用熔體快速冷卻方法首先制備出Au-Si非晶態(tài)合金。1969年，Pond等用扎輥發(fā)制備出了長(zhǎng)達(dá)幾十米的非晶薄帶。20世紀(jì)70年代后，人們制備出厚度小于50μm、寬15cm的連續(xù)非晶薄帶。1974年Chen在約103K/s的冷卻速度條件下用Pd-Cu-Si熔體首次得到毫米級(jí)直徑的非晶。20世紀(jì)80年代前期，Turnbull等采用氧化物包覆技術(shù)以10K/s的冷卻速度制備出厘米級(jí)的Pd-Ni-P非晶。20世紀(jì)80年代，A.Inoue等在日本東北大學(xué)成功發(fā)現(xiàn)了La-Al-Ni和La-Al-Cu等三元合金。此后，又制備了厘米級(jí)的四元和五元塊體非晶合金。2000年Inoue課題組成功發(fā)展了高強(qiáng)度Cu-Zr-Hf-Ti和Co-Fe-Ta-B快體非晶合金。2003年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Lu和Liu使Fe基非晶合金的尺寸從過(guò)去的毫米推進(jìn)到厘米級(jí)，最大直徑可達(dá)12mm。此后哈工大沈軍等又將Fe基快體非晶合金尺寸提高到16mm。最近，中科院金屬所的Ma等發(fā)現(xiàn)了尺寸可達(dá)25mm的Mg-Cu-Ag-Pd非晶態(tài)合金。目前世界上最大的稀土基金屬玻璃材料—直徑為35mm的鑭基金屬玻璃系，由浙江大學(xué)蔣建中等研制成功。由此，發(fā)現(xiàn)具有大的非晶形成能力的非晶合金系是目前比較重要的。
鋯基非晶合金作為一種新型的非晶合金系列在近年來(lái)引起了人們的關(guān)注。多組元鋯基非晶合金系列都具有較低的臨界冷卻速度，采用傳統(tǒng)的方法如吸鑄法，水淬法等均可以將其制備成大塊非晶。目前，通過(guò)負(fù)壓鑄造法已制備出直徑達(dá)30mm的鋯基大塊非晶合金。鋯基非晶合金的研究主要集中在熱力學(xué)計(jì)算、晶化行為、短程和中程有序結(jié)構(gòu)以及性能等幾個(gè)方面。鋯基多組元非晶合金由多種常用金屬或類金屬元素組成，其非晶形成的臨界冷卻速度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)非晶合金，有些已經(jīng)接近于傳統(tǒng)的氧化物玻璃。由于其具有熱穩(wěn)定性高、過(guò)冷液相區(qū)寬等諸多特點(diǎn)，因此在國(guó)際上引起了廣泛重視。
1.2 Zr基非晶合金的性能
1.2.1 力學(xué)性能
非晶合金的原子呈長(zhǎng)程無(wú)序排列、沒(méi)有晶體缺陷, 使其具有獨(dú)特的變形行為和力學(xué)性能。一些典型鋯基非晶合金的力學(xué)性能如表1.1所示。
表1.1 Zr 基非晶合金的典型力學(xué)性能
1.2.1.1 彈性
雖然塊狀非晶合金的彈性模量由于合金體系的不同而有較大差別，但與相同成分的晶態(tài)合金相比他們的彈性模數(shù)值較低，彈性應(yīng)變量卻很大，可達(dá)2%左右。Zr 基非晶合金具有極高的彈性比例，Howmen 公司已成功開(kāi)發(fā)出Zr基非晶合金的高爾夫球桿。表1.2為典型Zr 基非晶合金的楊氏模量和斷裂強(qiáng)度。
表1.2 Zr 基大塊非晶合金的楊氏模量和強(qiáng)度
1.2.1.2 強(qiáng)度和硬度
圖1.1 為Zr基非晶合金與La-、Mg-、Pd-、Fe-基非晶合金, 以及一些典型的晶態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度、硬度與彈性模量間的關(guān)系?？梢钥闯? Zr 基非晶合金具有較高的屈服強(qiáng)度和硬度, 遠(yuǎn)高于晶態(tài)合金。
鑄態(tài) 非晶合金的屈服強(qiáng)度為1.56GPa, 斷裂強(qiáng)度為1.65 Gpa； (x=7.5%～12.5%)塊體非晶合金的壓縮斷裂強(qiáng)度和硬度分別1.73～1.86 GPa 和693～824 HV, 并隨Ti含量的增加而提高；經(jīng)高強(qiáng)脈沖電流預(yù)處理的 大塊非晶在不發(fā)生晶化的條件下其抗壓強(qiáng)度最高達(dá)2.02GPa?？梢?jiàn)Zr基大塊非晶合金的強(qiáng)度仍有進(jìn)一步提高的潛力。
對(duì)非晶合金的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)表明, 在高應(yīng)變速率(102～/s)下, 屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變速率不敏感。Bruck 等人發(fā)現(xiàn), 試樣的長(zhǎng)徑比對(duì) 非晶合金的壓縮屈服強(qiáng)度有較大影響。但在動(dòng)態(tài)載荷作用下,壓縮強(qiáng)度對(duì)長(zhǎng)徑比的變化不敏感。大塊非晶合金的強(qiáng)度還受制備方法的影響。如采用壓鑄法和銅模法制備的Zr-Al-Ni-Cu 非晶合金的彎曲強(qiáng)度, 前者要比后者高得多, 這是由于這兩種方法在冷卻過(guò)程中造成的殘余應(yīng)力差別很大的緣故。Liu 等研究了一系列試驗(yàn)環(huán)境下的拉伸和壓縮行為, 結(jié)果表明試驗(yàn)環(huán)境并不影響塊狀非晶合金的強(qiáng)度和韌性。
1.2.1.3 塑性和韌性
室溫下非晶合金一般呈現(xiàn)脆性斷裂特征, 塑性變形量主要由應(yīng)力狀態(tài)決定。在拉伸條件下, 非晶合金的變形局限于一狹窄的剪切帶內(nèi), 塑性變形也集中于剪切帶內(nèi), 而在試樣其他部分仍保持剛性狀態(tài)。在彎曲條件下可產(chǎn)生多個(gè)剪切帶, 相應(yīng)地增大了伸長(zhǎng)率。
Conner 等人和Gilbert 等人最早對(duì)塊狀 非晶合金的斷裂韌性()進(jìn)行了測(cè)試。采用三點(diǎn)彎曲法, 試樣的厚度為2.2mm,測(cè)得約55。相當(dāng)于高強(qiáng)鋼和Ti 合金的水平。2001 年,Xing采用真空吸鑄法制備出φ3mm 的非晶合金, 壓縮時(shí)的塑性變形為4.9%左右。2005 年, Jayanta研制出具有超高強(qiáng)度和較高塑性的CuZr 非晶合金材料, 斷裂強(qiáng)度達(dá)2265 MPa, 同時(shí)具有一般非晶材料中不具備的加工硬化效應(yīng)和極大的延展性(延展率達(dá)20%)；隨后,Wang在2007 年研制出非晶合金, 它在室溫條件下同時(shí)具有超高塑性, 延展率達(dá)160%。
1.2.2 耐腐蝕性能
在腐蝕過(guò)程中, 由于晶體具有晶界、位錯(cuò)和偏析等缺陷, 不易生成穩(wěn)定的鈍化膜, 成為腐蝕的源區(qū)。非晶合金沒(méi)有這些缺陷和不均勻性, 能夠形成均勻鈍化膜, 因此, 非晶合金具有良好的耐腐蝕性能。
Zr 基非晶合金比晶體合金更耐腐蝕, 它的耐腐蝕性是不銹鋼的100 倍, 有“超不銹鋼”的美譽(yù)。含有少量鈮或鈦的 非晶合金, 在NaC1 溶液中的具有良好的抗腐蝕性能。 鑄態(tài)非晶合金在水中具有良好的耐腐蝕性能, 但隨水溫的升高, 其耐腐蝕性能有所下降, 這主要是由于在室溫時(shí), 非晶合金表面形成一層致密的保護(hù)膜, 而隨著水溫的升高膜越來(lái)越厚并形成多孔結(jié)構(gòu)。
1.2.3 加工性能
非晶合金的塑性變形量受溫度和應(yīng)力狀態(tài)影響很大, 在溫度低于玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg 時(shí), 非晶合金以剪切方式變形。由于多數(shù)塊狀非晶合金都存在大的過(guò)冷液相區(qū), 當(dāng)過(guò)冷液體的黏度達(dá)到Pa·s 數(shù)量級(jí)時(shí), 過(guò)冷液體形成類似于氧化物玻璃的無(wú)序結(jié)構(gòu), 表現(xiàn)為牛頓流動(dòng)狀態(tài), 可在較寬的應(yīng)變率范圍內(nèi)發(fā)生黏性流動(dòng), 獲得極高的塑性形成能力。
1.3 真空獲得設(shè)備發(fā)展概述
1.3.1 真空技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介
隨著真空技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用的日益寬泛和不可或缺,人們對(duì)實(shí)現(xiàn)和保證真空狀態(tài)下工藝過(guò)程的重復(fù)性可靠性及其技術(shù)進(jìn)步,已在不斷地提出新的要求。這其中對(duì)真空成套設(shè)備,特別是對(duì)真空獲得設(shè)備的性能、性價(jià)比和服務(wù)最為關(guān)切,當(dāng)然還有工藝軟件、管理技術(shù)等。真空獲得技術(shù)是一切真空應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ),真空獲得設(shè)備關(guān)系到所有真空應(yīng)用設(shè)備的運(yùn)行和使用。真空獲得設(shè)備行業(yè)如何適應(yīng)我們不斷發(fā)展的真空事業(yè),如何滿足人們?cè)谛阅?、性價(jià)比和服務(wù)方面不斷提出的新要求?本文試圖通過(guò)對(duì)我國(guó)真空設(shè)備行業(yè)制造的,在應(yīng)用中量大面廣的水環(huán)泵、旋片泵、滑閥泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵等泵種的產(chǎn)能和質(zhì)量分析對(duì)比,給出其量和質(zhì)的基本狀況以及面對(duì)國(guó)內(nèi)外激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)所應(yīng)采取的對(duì)策
1.3.2 綜合評(píng)價(jià)
我們真空設(shè)備行業(yè)制造的系列低端真空獲得設(shè)備產(chǎn)品在量的方面能夠滿足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的需求,如往復(fù)泵、水環(huán)泵、滑閥泵、旋片泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵等。這些泵種的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)近10年來(lái)有了一定程度的提高,在性能方面也基本上能夠滿足不同工藝過(guò)程的要求,目前在國(guó)內(nèi)有較高的市場(chǎng)占有率,在3~5年內(nèi)會(huì)有一定的生命力。
這些泵種必須進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新,提高其關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo),如抽速與效率、極限壓力、返油率、噪聲、要降低能耗以取悅用戶、要減輕重量以降低成本。特別是要積極開(kāi)展可靠性或壽命的實(shí)驗(yàn)研究,要有效開(kāi)展減振、降噪、消煙等研究,以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求,這些都是未來(lái)與外商品牌爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額最主要的戰(zhàn)場(chǎng)。
配套附件研發(fā)和備件供應(yīng)是主機(jī)成熟的標(biāo)志,如油霧撲集器、消音器、冷阱等。在國(guó)外這部分配套附件和易損備件的銷售收入接近主機(jī)銷售收入的60%,利潤(rùn)空間大,又能滿足客戶需求,還能使主機(jī)性能得以充分發(fā)揮。我們應(yīng)該重視配套附件研發(fā)和供應(yīng),并把這一工作列到主機(jī)的工作序列中去。
目前我國(guó)中外企業(yè)在生產(chǎn)品種上,除分子泵、少量的離子濺射泵外,其他高端真空獲得設(shè)備基本上是空白,如低溫泵、各式干泵等。我們可能有3~5年較為寬松的時(shí)空環(huán)境來(lái)研發(fā)高端真空獲得設(shè)備或提高其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。面對(duì)IT行業(yè)不斷增長(zhǎng)的巨大需求,有條件的單位應(yīng)早做打算。綜合上述,我認(rèn)為未來(lái)3~5年是決定我國(guó)真空獲得設(shè)備制造行業(yè)各個(gè)企業(yè)命運(yùn)走向的關(guān)鍵時(shí)段。
2 鋯基非晶合金真空熔煉壓力熔滲爐真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 工作原理及主要技術(shù)性能指標(biāo)
① 真空感應(yīng)熔煉技術(shù)：利用電磁感應(yīng)與渦流熱的原理將金屬原材料融化，同時(shí)利用感應(yīng)熔煉的電動(dòng)力效應(yīng)與攪拌原理使合金各組分分布均勻。
② 壓力熔滲技術(shù)：使鎢絲與塊體非晶合金復(fù)合材料之間的界面處于理想狀態(tài)。
③ 快速凝固技術(shù)：制備鎢絲增強(qiáng)的塊體非晶合金基復(fù)合材料。
本系統(tǒng)為三室立臥組合全不銹鋼式結(jié)構(gòu)。主要由“真空獲得及測(cè)量系統(tǒng)”,“感應(yīng)熔煉澆鑄系統(tǒng)”,“壓力熔滲系統(tǒng)及介質(zhì)冷卻快淬系統(tǒng)”,“電控系統(tǒng)”，“工作氣體充氣排氣系統(tǒng)”，“工作臺(tái)架系統(tǒng)”、“冷卻水系統(tǒng)”等組成。
1極限真空度：熔煉室：6×10-4Pa（冷態(tài)）；熔滲室：6×10-4Pa（冷態(tài)）；快淬室6×10-1Pa；漏率<10-8Pa.L/s；
2感應(yīng)熔煉坩堝容量：≤10Kg(Fe)；采用電動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)澆鑄方式；
3單爐每次產(chǎn)量5只鑄件；
4感應(yīng)熔煉最高加熱溫度：1300℃；采用熱電偶測(cè)溫；
5感應(yīng)熔煉電源：60Kw/4KHz(IGBT)，風(fēng)冷；
6熔滲室內(nèi)保溫爐加熱均溫區(qū)高度300mm；熔滲室保溫電阻爐加熱電源: 20KW低壓直流加熱電源；熔滲室加熱器采用鉬片電熱元件；鉬+不銹鋼組合金屬筒屏蔽保溫；
7熔滲室加熱溫度：1000℃±2℃；PID控溫；溶滲室保護(hù)性氣氛壓力最大50Bar;溶滲室上蓋電動(dòng)升降。
8熔滲室保護(hù)氣氛：氬氣，通過(guò)氬氣瓶向熔滲室充氣；排氣時(shí)，氣體排入儲(chǔ)氣罐；
9熔滲室設(shè)有保護(hù)性的安全閥及由壓力傳感器和充排氣系統(tǒng)組成的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)；
10鑄模管內(nèi)部尺寸：?30×300；鑄模管石英件一套，鑄模管對(duì)開(kāi)金屬模一套；
11控制模式分為手動(dòng)繼電控制及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，兩種模式可切換；相關(guān)工藝參數(shù)及曲線可存儲(chǔ)及打??；
12.重要冷卻部位單獨(dú)設(shè)有水流保護(hù)聯(lián)鎖裝置；
2.2 真空獲得系統(tǒng)
2.2.1 真空機(jī)組選用原則
1、真空泵的工作壓強(qiáng)應(yīng)該滿足真空設(shè)備的極限真空及工作壓強(qiáng)要求。如：真空鍍膜要求1×10-5mmHg的真空度，選用的真空泵的真空度至少要5×10-6mmHg。通常選擇泵的真空度要高于真空設(shè)備真空度半個(gè)到一個(gè)數(shù)量級(jí)。
2、正確地選擇真空泵的工作點(diǎn)。每種泵都有一定的工作壓強(qiáng)范圍，如：擴(kuò)散泵為10-3~10-7mmHg，在這樣寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)，泵的抽速隨壓強(qiáng)而變化，其穩(wěn)定的工作壓強(qiáng)范圍為5×10-4~5×10-6mmHg。因而，泵的工作點(diǎn)應(yīng)該選在這個(gè)范圍之內(nèi)，而不能讓它在10-8mmHg下長(zhǎng)期工作。又如鈦升華泵可以在10-2mmHg下工作，但其工作壓強(qiáng)應(yīng)小于1×10-5mmHg為好。
3、真空泵在其工作壓強(qiáng)下，應(yīng)能排走真空設(shè)備工藝過(guò)程中產(chǎn)生的全部氣體量。
4、正確地組合真空泵。由于真空泵有選擇性抽氣，因而，有時(shí)選用一種泵不能滿足抽氣要求，需要幾種泵組合起來(lái)，互相補(bǔ)充才能滿足抽氣要求。如鈦升華泵對(duì)氫有很高的抽速，但不能抽氦，而三極型濺射離子泵，（或二極型非對(duì)稱陰極濺射離子泵）對(duì)氬有一定的抽速，兩者組合起來(lái)，便會(huì)使真空裝置得到較好的真空度。另外，有的真空泵不能在大氣壓下工作，需要預(yù)真空；有的真空泵出口壓強(qiáng)低于大氣壓，需要前級(jí)泵，故都需要把泵組合起來(lái)使用。
5、真空設(shè)備對(duì)油污染的要求。若設(shè)備嚴(yán)格要求無(wú)油時(shí)，應(yīng)該選各種無(wú)油泵，如：水環(huán)泵、分子篩吸附泵、濺射離子泵、低溫泵等。如果要求不嚴(yán)格，可以選擇有油泵，加上一些防油污染措施，如加冷阱、障板、擋油阱等，也能達(dá)到清潔真空要求。
6、了解被抽氣體成分，氣體中含不含可凝蒸氣，有無(wú)顆?；覊m，有無(wú)腐蝕性等。選擇真空泵時(shí)，需要知道氣體成分，針對(duì)被抽氣體選擇相應(yīng)的泵。如果氣體中含有蒸氣、顆粒、及腐蝕性氣體，應(yīng)該考慮在泵的進(jìn)氣口管路上安裝輔助設(shè)備，如冷凝器、除塵器等。
7、真空泵排出來(lái)的油蒸氣對(duì)環(huán)境的影響如何。如果環(huán)境不允許有污染，可以選無(wú)油真空泵，或者把油蒸氣排到室外。
8、真空泵工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)工藝過(guò)程及環(huán)境有無(wú)影響。若工藝過(guò)程不允許，應(yīng)選擇無(wú)振動(dòng)的泵或者采取防振動(dòng)措施。
9、真空泵的價(jià)格、運(yùn)轉(zhuǎn)及維修費(fèi)用。
2.2.2 真空泵工作壓力范圍
根據(jù)設(shè)計(jì)要求真空室冷態(tài)極限真空為6×10-4 Pa，該真空爐真空系統(tǒng)為高真空系統(tǒng)。表1為目前各種真空泵的工作壓力范圍，可獲得要求極限真空的泵有油擴(kuò)散泵、鈦泵、渦輪分子泵、低溫泵。
鈦泵和低溫泵通常用在超高真空，在超高真空范圍，低溫泵是可以取代其它類泵的一種清潔抽氣設(shè)備。另外鈦泵由于鈦升華有污染，低溫泵在低溫下工作，因此這兩種泵都不適合作為此真空爐的主泵，此外這兩種泵價(jià)格也比較昂貴。油擴(kuò)散泵抽氣速率大，也可滿足真空度的要求，缺點(diǎn)是有返油，使用起來(lái)也比較麻煩。
表1各種真空泵工作壓力范圍
我國(guó)分子泵的抽速有110、150、450、550、600、1200、1600和3500等多種規(guī)格，國(guó)際上渦輪分子泵抽速?gòu)?0已發(fā)展到25000（日本）甚至達(dá)40000（俄羅斯）。此真空爐用分子泵為主泵可滿足設(shè)計(jì)要求，分子泵工作環(huán)境清潔，無(wú)油，能耗低，啟?？欤秉c(diǎn)是應(yīng)避免抽除帶粉塵、腐蝕性或爆炸性氣體，價(jià)格較貴。
因此，該真空爐以分子泵為主泵，設(shè)計(jì)的真空系統(tǒng)如圖1所示。
1 旋片泵、 2 放氣閥、3羅茨泵 、4預(yù)抽泵閥I、5前級(jí)泵閥I、6分子泵I、7 高真空閥、8除塵器、9 熔煉室 、10 真空規(guī) 、11放氣閥I、 12壓力表閥、13壓力表、14 真空規(guī)II（ZDF-IV復(fù)合真空計(jì)）、15 真空規(guī)閥II 、16 放氣閥II、17 熔滲室、18預(yù)抽泵閥II、19高真空閥、20分子泵II、 21前級(jí)泵閥II、 22羅茨泵II 、23前級(jí)管道放氣閥、24旋片泵II、 25放氣閥、26旁通閥III 、27高真空閥 、28羅茨泵III 、29前級(jí)泵閥III 、30 前級(jí)管道放氣閥III、 31 2X-70旋片式真空泵、32 真空規(guī)III、 33高壓閥
圖1 真空獲得系統(tǒng)
真空獲得方案簡(jiǎn)圖
2.2.3 旋片泵工作原理及其型號(hào)確定
2.2.3.1 旋片泵簡(jiǎn)介
旋片式真空泵是利用轉(zhuǎn)子和可在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)滑動(dòng)的旋片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以獲得真空的一種變?nèi)輽C(jī)械真空泵。當(dāng)采用工作液來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑并填充泵腔死隙，分隔排氣閥和大氣時(shí)，即為通常所稱的油封旋片真空泵。無(wú)工作液時(shí)，即為干式旋片真空泵。在油封旋片真空泵中，國(guó)內(nèi)習(xí)慣上稱帶傳動(dòng)的為旋片真空泵，而把泵與電動(dòng)機(jī)直接連接或用聯(lián)軸器連接的稱為直聯(lián)旋片真空泵。在每種泵中，又有單級(jí)和雙級(jí)之分。在單級(jí)泵中，由于選用的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)不同，泵的極限壓力和用途也不同。它們的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，使用方便，能從大氣壓力下起動(dòng)，可直接排人大氣，偏心質(zhì)量較小，維護(hù)簡(jiǎn)便，雙級(jí)系的極限壓力為6x10一2一lxro一ZPa，一種單級(jí)泵可達(dá)4Pa左右，另一種單級(jí)泵為50~200Pa左右。自1909年蓋德(W.Gaede)發(fā)明旋片泵并取得德國(guó)專利，1936年又發(fā)明氣鎮(zhèn)泵，1941年取得專利以來(lái)，旋片真空泵得到廣泛應(yīng)用和不斷完善。20世紀(jì)60年代末，國(guó)際上出現(xiàn)了提高轉(zhuǎn)速，直聯(lián)的小型化趨勢(shì)，70年代初出現(xiàn)了直聯(lián)系列產(chǎn)品，到80年代初，又推出了改進(jìn)的系列產(chǎn)品，有多種可供用戶選配的附件，可以保護(hù)泵或保護(hù)環(huán)境，泵本身結(jié)構(gòu)也有改進(jìn)而使可靠性提高。在泵的結(jié)構(gòu)方面，為了能在停泵時(shí)防止返油，有的設(shè)有能自動(dòng)切斷油路的止回閥，有的設(shè)有進(jìn)氣通道截止閥，有的為了能在泵開(kāi)氣鎮(zhèn)運(yùn)轉(zhuǎn)突然停電時(shí)自動(dòng)切斷氣路來(lái)保持泵口處于真空狀態(tài)而設(shè)有油泵和控制結(jié)構(gòu)。在附件方面，有消霧器、氣味過(guò)濾器、阻擋碎玻璃等雜物用的擴(kuò)口過(guò)濾器、灰塵過(guò)濾器、蒸汽凝結(jié)阱、化學(xué)阱，有控制泵溫以提高水蒸氣抽除率和保護(hù)泵的溫控水量調(diào)節(jié)閥。到了20世紀(jì)80年代末90年代初，又推出了油過(guò)濾器，能監(jiān)視油溫、油壓、油質(zhì)等的電子顯示器，甚至可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)，進(jìn)行自動(dòng)控制，采用強(qiáng)制潤(rùn)滑和風(fēng)冷，使泵的連續(xù)工作人口壓力達(dá)10kPa，甚至更高，同一臺(tái)系的適用范圍因而更大。雙級(jí)旋片真空泵，可以廣泛用于冰箱，空調(diào)機(jī)，燈泡、日光燈、瓶膽生產(chǎn)和電子、冶金、醫(yī)藥、化工、濾油機(jī)、印刷機(jī)械、包裝機(jī)等工業(yè)，可作為擴(kuò)散泵、羅茨泵、分子泵等的前級(jí)泵，供電子儀器、醫(yī)療儀器等配套和試驗(yàn)研究應(yīng)用。由于直聯(lián)泵沒(méi)有帶傳動(dòng)摩擦的粉塵的污染，體積小，重量輕，材料節(jié)約，功能日趨完善，更被廣泛推廣應(yīng)用。
2.2.3.2 旋片泵結(jié)構(gòu)及工作原理
如圖為旋片泵的工作原理示意圖，旋片泵主要由定子、轉(zhuǎn)子、旋片、定蓋、彈簧等零件組成。其結(jié)構(gòu)是利用偏心地裝在定子腔內(nèi)的轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子的外圓與定子的內(nèi)表面相切兩者之間的間隙非常小）和轉(zhuǎn)子槽內(nèi)滑動(dòng)的借助彈簧張力和離心力緊貼在定子內(nèi)壁的兩塊旋片，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，始終沿定子的內(nèi)壁滑動(dòng)。
兩個(gè)旋片把轉(zhuǎn)子、定子內(nèi)腔和定蓋所圍成的月牙型空間分隔成A、B、C三個(gè)部分，當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，與吸氣口相通的空間A的容積不斷地增大，A空間的壓強(qiáng)不斷的降低，當(dāng)A空間內(nèi)的壓強(qiáng)低于被抽容器內(nèi)的壓強(qiáng)，根據(jù)氣體壓強(qiáng)平衡的原理，被抽的氣體不斷地被抽進(jìn)吸氣腔A，此時(shí)正處于吸氣過(guò)程。B腔的空間的容積正逐漸減小，壓力不斷地增大，此時(shí)正處于壓縮過(guò)程。而與排氣口相通的空間C的容積進(jìn)一步地減小，C空間的壓強(qiáng)進(jìn)一步的升高，當(dāng)氣體的壓強(qiáng)大于排氣壓強(qiáng)時(shí)，被壓縮的氣體推開(kāi)排氣閥，被抽的氣體不斷地穿過(guò)油箱內(nèi)的油層而排至大氣中，在泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，不斷地進(jìn)行著吸氣、壓縮、排氣過(guò)程，從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。
排氣閥浸在油里以防止大氣流入泵中，油通過(guò)泵體上的間隙、油孔及排氣閥進(jìn)入泵腔，使泵腔內(nèi)所有運(yùn)動(dòng)的表面被油覆蓋，形成了吸氣腔與排氣腔的密封，同時(shí)油還充滿了一切有害空間，以消除它們對(duì)極限真空的影響。
雙級(jí)旋片式真空泵由兩個(gè)工作室組成，兩室前后串聯(lián)，同向等速旋轉(zhuǎn)，Ⅰ室是低真空級(jí)，Ⅱ室是高真空級(jí)，被抽氣體由進(jìn)氣口進(jìn)入Ⅱ室，當(dāng)進(jìn)入的氣體壓力較高時(shí)，氣體經(jīng)Ⅱ室壓縮，壓強(qiáng)急速增大，被壓縮的氣體不僅從高級(jí)排氣閥排出，而且經(jīng)過(guò)中壁通道，進(jìn)入Ⅰ室，在Ⅰ室被壓縮，從低級(jí)排氣閥排出；當(dāng)進(jìn)入Ⅱ室的氣體壓力較低時(shí)，雖經(jīng)Ⅱ室的壓縮，也推不開(kāi)高級(jí)排氣閥排出，氣體全部經(jīng)中壁
通道進(jìn)入Ⅰ室，經(jīng)Ⅰ室的繼續(xù)壓縮，由低級(jí)排氣閥排出，因此雙級(jí)旋片式真空泵比單級(jí)旋片式真空泵的極限真空高
2.2.3.3 旋片泵型確定號(hào)
2XT-70機(jī)械泵一臺(tái) 2XT-30機(jī)械泵一臺(tái)
TRP-48機(jī)械泵一臺(tái)
2.2.4 羅茨泵工作原理及其型號(hào)確定
用于較高真空的羅茨真空泵(機(jī)械增壓泵)不能直排大氣，如直排大氣會(huì)造成羅茨真空泵吸氣口與排氣口壓差太大，從而使羅茨真空泵過(guò)載，如單純加大羅茨真空泵電機(jī)功率又會(huì)造成羅茨真空泵過(guò)熱以致羅茨真空泵轉(zhuǎn)子之間的微小間隙很快因熱膨脹而卡死。為保證羅茨真空泵能達(dá)到較高真空必須保證羅茨真空泵轉(zhuǎn)子之間的間隙。所以羅茨真空泵使用時(shí)必須設(shè)有前級(jí)泵，用前級(jí)泵將系統(tǒng)內(nèi)壓力抽至一定范圍內(nèi)時(shí)再啟動(dòng)羅茨真空泵，如此可以避免羅茨真空泵過(guò)載。前級(jí)泵可以選用水(液)環(huán)式真空泵、旋片式真空泵、滑閥式真空泵、往復(fù)式真空泵等可直排大氣的真空泵。
羅茨泵－水環(huán)泵機(jī)組廣泛地用于化工、食品升華干燥、高空模擬試驗(yàn)等的抽真空系統(tǒng)中。這類聯(lián)合機(jī)組，大致有如下幾種類型。
?。?）羅茨泵－水環(huán)泵：機(jī)組中水環(huán)泵的作用是造成羅茨泵所需的預(yù)備真空，因此要求該水環(huán)泵的最大允許排氣壓力，即是說(shuō)，一方面要盡量提高水環(huán)泵的極限真空，另一方面，也要設(shè)法提高羅茨泵的最大允許排氣壓力。
一般情況，單級(jí)水環(huán)泵極限真空度不高，而目前我國(guó)生產(chǎn)的羅茨泵要求的預(yù)真空又較高，故實(shí)際上不用單級(jí)水環(huán)泵作為羅茨泵的前級(jí)泵，而用能提高極限真空度的雙級(jí)水環(huán)泵作為前級(jí)泵使用，采用雙級(jí)水環(huán)泵，還可以提高機(jī)組的極限真空度。
一臺(tái)羅茨泵的極限真空度是較低的，特別是當(dāng)它與水環(huán)泵組合運(yùn)行時(shí)，使用范圍受到限制，整個(gè)機(jī)組的極限真空度可能更低，但若用兩臺(tái)羅茨泵串聯(lián)再與水環(huán)泵組合，就能大大提高機(jī)組的極限真空度。
故在這種類型里通常見(jiàn)到的是兩臺(tái)羅茨泵串聯(lián)后再用雙級(jí)水環(huán)泵作前級(jí)泵組成機(jī)組。
（2）羅茨泵－水環(huán)泵－大氣泵機(jī)組：即使采用雙級(jí)水環(huán)泵，極限真空度的提高也只是在一定的范圍之內(nèi)，這是因?yàn)槭艿剿娘柡驼羝麎旱南拗?。水環(huán)泵的理論極限壓力就是水的飽和蒸汽壓。如果考慮氣體返流等因素的影響，實(shí)際上水環(huán)泵的極限壓力顯著比該水溫上的飽和蒸汽壓力為高。為了提高前級(jí)泵的極限真空度，還可以使水環(huán)泵與大氣泵組合使用。
見(jiàn)圖3-55這樣，串聯(lián)一級(jí)大氣泵后的極限真空度可達(dá)20~30Torr,如果水環(huán)泵與二級(jí)大氣泵組合，則極限真空可達(dá)2~10Torr。
（3）羅茨泵－水環(huán)泵并聯(lián)機(jī)械真空泵：此機(jī)組主要用于需要處理大量水蒸汽，且極限真空度要求較高的抽真空系統(tǒng)，例如在真空干燥方面。
要求處理大量水蒸汽的真空系統(tǒng)中，使用水環(huán)泵是較合適的，但由于其極限真空度不高，致使整個(gè)機(jī)組的極限真空度較低。雖然在要求真空度較高的抽真空系統(tǒng)中，需要極限真空較高的機(jī)械真空泵作為前級(jí)泵使用。但由于水環(huán)泵的耗電量大，效率很低，噪聲高，在需要長(zhǎng)時(shí)間的真空干燥系統(tǒng)中，用水環(huán)泵作為羅茨泵前級(jí)泵很不經(jīng)濟(jì)。
在上述情況下，可將氣鎮(zhèn)機(jī)械真空泵與水環(huán)泵并聯(lián)，作為羅茨泵的前級(jí)泵。真空干燥時(shí)，先用水環(huán)泵進(jìn)行預(yù)抽，直至水蒸汽大量減少時(shí)，再開(kāi)動(dòng)氣鎮(zhèn)機(jī)械真空泵，切斷水環(huán)泵。如需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成干燥的場(chǎng)合，所需冷卻水和功率都較少，如圖3所示。
2.2.4.2 羅茨泵機(jī)組的運(yùn)行
?。?）機(jī)組前裝冷凝器
為了盡量使機(jī)組的體積小些，可設(shè)法使待抽的蒸汽在進(jìn)入泵機(jī)組之前冷凝，這樣剩下來(lái)的就是非可凝性氣體和微量殘余蒸汽。氣體降溫后在相同壓力下體積也減小。所以冷凝后所需抽氣量減小，相應(yīng)地泵也可以選得小一些。
采用哪種方式較經(jīng)濟(jì)？應(yīng)視其具體情況而定，舉例說(shuō)明如下：
冷凝蒸汽有兩種方式：一種是安裝一臺(tái)冷卻裝置，另一種是在機(jī)組的高壓級(jí)中裝一臺(tái)冷凝器，以便能用普通的水冷卻。
其系統(tǒng)需要每小時(shí)抽除50kg的水蒸汽量，在吸入壓力為1Torr時(shí)的容積流量為50000m3/h。
1)要抽吸上述的水蒸汽量，需要三個(gè)羅茨泵串聯(lián)，并用一臺(tái)水環(huán)泵作前級(jí)組成的機(jī)組，該機(jī)組的總功率90kW。
2）為了使蒸汽在到達(dá)真空泵之前冷凝，就要在位于A處裝一個(gè)冷凝器和一個(gè)功率為30000kcal/h的冷卻裝置，如圖4所示。在1Torr的吸入壓力下，水蒸汽的冷凝溫度均為-19℃，為了能保證連續(xù)工作，應(yīng)取冷凝裝置的冷凝溫度為-25℃，且并聯(lián)安裝2臺(tái)冷凝器。根據(jù)非冷凝氣體的組成部分計(jì)算得，真空泵的抽氣量就可以降低到1000~2000m3/h，總機(jī)組（包括冷凝器的消耗功率）的功率同樣是90kW。
3）先用羅茨泵抽出水蒸汽，并在45Torr壓力下進(jìn)行冷凝，該壓力下有的冷凝溫度約為36℃，于是可使冷凝器的冷凝溫度保持在30~35℃之間，可用普通冷卻水冷卻。冷凝器設(shè)在B處。這時(shí)總功率的消耗為75kW左右。
通過(guò)上述三組方式的比較可知，第三種方案最好，可減少15kW的動(dòng)力消耗。
綜上所述，水蒸汽冷卻后只剩下非可凝性氣體。在壓力很低時(shí)，水蒸汽的比容相當(dāng)大，這些可凝性蒸汽冷凝后，泵所需要的抽氣量顯然就大為降低了。另外，不論蒸汽是否冷凝，在同樣壓力下只要?dú)怏w溫度降低，其容積流量就會(huì)減少。例如化工流程中200~300℃溫度的氣體并不少見(jiàn)。若從300℃冷卻到50℃之后，干燥空氣的容積減少45%左右，這樣就可以選擇較小容量的抽氣真空泵機(jī)組裝置。
?。?）機(jī)組的操作順序：
1）機(jī)組中無(wú)旁通閥時(shí)，應(yīng)先開(kāi)動(dòng)水環(huán)泵，被抽系統(tǒng)中的氣體由羅茨泵（氣體推動(dòng)羅茨泵轉(zhuǎn)子自行轉(zhuǎn)動(dòng)，如同流量計(jì)一般）進(jìn)入水環(huán)泵后再排至大氣，待水環(huán)泵的吸入壓力（如串聯(lián)有大氣泵，則為大氣泵的吸入壓力）達(dá)到羅茨泵的起初規(guī)定值時(shí)（即允許排氣壓力），始啟動(dòng)羅茨泵，機(jī)組正式運(yùn)轉(zhuǎn)，開(kāi)始工作。
2）機(jī)組中有旁通閥時(shí)，如圖所示，先啟動(dòng)水環(huán)泵，接著開(kāi)動(dòng)羅茨泵，此時(shí)，羅茨泵進(jìn)排氣壓差較大，旁通閥自動(dòng)開(kāi)啟，被抽容器中的氣體一部分經(jīng)過(guò)旁通閥進(jìn)入水環(huán)泵，另一部分在羅茨泵的作用下通過(guò)該泵也進(jìn)入水環(huán)泵，顯然抽氣速率增加，這樣很快達(dá)到羅茨泵的預(yù)真空，進(jìn)排氣壓差較小，閥門自動(dòng)關(guān)閉（或人工關(guān)閉），機(jī)組正式工作。這種方法能大大縮短預(yù)抽時(shí)間，但設(shè)備較復(fù)雜。
?。?）機(jī)組－羅茨泵－前級(jí)泵性能關(guān)系
機(jī)組的性能與羅茨泵的性能密切相關(guān)，而羅茨泵的性能又隨前級(jí)泵的不同而有所不同。
1）由于羅茨泵的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與殼體之間存在著間隙，因此有返流存在，而這種返流受進(jìn)口壓力和出口壓力的影響，即使是同一臺(tái)羅茨泵，使用不同的前級(jí)泵時(shí)，其抽氣速率也會(huì)有所不同。
羅茨泵的抽氣速率可由下式確定：
δ＝δ0(P2/P1/K)
式中：δ0－設(shè)計(jì)的抽氣速率；
P1－進(jìn)口壓力；
P2－出口壓力；
K－固有常數(shù)，由該泵轉(zhuǎn)子的形狀、間隙量、轉(zhuǎn)子圓周速度和出口壓力來(lái)確定。
由上式可知，抽氣量受到出口壓力與進(jìn)口壓力之比的影響，亦即若增加前級(jí)泵的抽氣速率，那么羅茨泵的抽氣速率也會(huì)增大。
?。?）極限壓力由泵的抽氣速率，各間隙的返流量，泵體泄漏量及高真空側(cè)的放氣量所決定。即：
P0＝(Q1+Q2+Q3)/δ 式中：P0－極限壓力；
δ－抽氣速率；
Q1－返流量；
Q2－泄漏量；
Q3－放氣量。
在這些參數(shù)中，Q1受排氣壓力即前級(jí)泵的極限壓力的影響很大，在用水環(huán)泵作前級(jí)泵時(shí)，羅茨泵的極限壓力隨水環(huán)的飽和蒸汽壓的不同而不同。
圖6是用同一臺(tái)羅茨泵配不同的前級(jí)泵時(shí)的性能比較。
從圖可見(jiàn)，前級(jí)泵的極限真空度愈高時(shí)，機(jī)組的極限真空度也隨之增高；兩級(jí)羅茨泵串聯(lián)使用，則能提高機(jī)組的極限真空度（實(shí)質(zhì)上就是前一個(gè)羅茨泵為后一個(gè)羅茨泵的前級(jí)泵），且性能曲線平緩擴(kuò)大，也即使用的范圍擴(kuò)大（由曲線1與2，曲線3與5的比較而得）。機(jī)組1、2的曲線大致相同。同樣，機(jī)組3、4、5的曲線也有相同之處。然而1、2機(jī)組曲線和3、4、5機(jī)組曲線卻是完全不同的兩組曲線。這說(shuō)明對(duì)于同一羅茨泵而言，選用不同的前級(jí)泵時(shí)，其機(jī)組的性能曲線有本質(zhì)的差異。由此可見(jiàn)，前級(jí)泵對(duì)機(jī)組性能有相當(dāng)大的影響。
（4）水環(huán)泵的選擇
所謂水環(huán)泵就是用水作為液環(huán)的液環(huán)泵，用水作液環(huán)有很多優(yōu)點(diǎn)，如價(jià)廉、易得、不會(huì)污染環(huán)境等。但也有一個(gè)很大缺點(diǎn)，由于水的飽和蒸汽壓高，使得水環(huán)泵的吸入壓力也高。這時(shí)如改用飽和蒸汽壓低的液體作為液環(huán)，則可提高泵的極限真空度。如果某機(jī)組中羅茨泵最大允許的排氣壓力為10Torr，則用水作液環(huán)時(shí)還須加大氣泵才能作為該羅茨泵的前級(jí)泵，若改用礦物油作液環(huán)則不加大氣泵即可作為前級(jí)泵，這樣可以簡(jiǎn)化裝置。
（5）機(jī)組性能與羅茨泵允許排出壓力
機(jī)組的性能在很大程度上取決于羅茨泵的允許排出壓力。這種允許值越低，水環(huán)泵作為前級(jí)泵的可能性就越小。如果羅茨泵這種允許值為1~10Torr，而不論單、多級(jí)的水環(huán)泵極限壓力大大高于這個(gè)數(shù)值，因此就不可能單獨(dú)與這種羅茨泵組合使用，而需要加二級(jí)大氣泵。如果羅茨泵排出壓力允許值在100Torr以上，則前級(jí)的水環(huán)泵也可以作為羅茨泵的前級(jí)泵的前級(jí)泵，這就大大地?cái)U(kuò)充了前級(jí)泵的應(yīng)用范圍。
?。?）應(yīng)用實(shí)例
某化纖產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程為：低分子－高分子－制成帶狀－切片－干燥（運(yùn)用羅茨泵－水環(huán)泵機(jī)組進(jìn)行真空干燥）－抽絲－牽伸、加熱－紡織－成品。
其中一個(gè)重要的工序是將5×5×5(mm)大小的切片進(jìn)行干燥，以便進(jìn)行抽絲，抽絲過(guò)程中理想的狀況是使水份含量為零，實(shí)際上由于不能達(dá)到這一目的，故要求水份含量不大于0.02%，如果水份超過(guò)這一要求，要高溫高壓下抽絲，會(huì)使高分子分解，影響產(chǎn)品的強(qiáng)度。
在干燥這一工序中所應(yīng)用的羅茨泵－水環(huán)泵機(jī)組的抽真空系統(tǒng)裝置如圖7所示。機(jī)組中各泵的技術(shù)參數(shù)如下表。
名 稱
抽 氣 速 率
(m3/h)
轉(zhuǎn)子直徑
(mm)
轉(zhuǎn) 速
(r/min)
配用功率
(kW)
羅茨泵1
400
160
1450
2.2
羅茨泵2
200
102
2900
1.3
雙級(jí)水環(huán)泵
100
前級(jí)葉輪為后級(jí)之半
1450
5.5
主要設(shè)備的功用簡(jiǎn)介如下：
（1）真空閥 關(guān)閉真空閥，機(jī)組停止運(yùn)行，可保持干燥系統(tǒng)一定的真空度。
?。?）自動(dòng)氣動(dòng)安全閥 為防止機(jī)組突然停車時(shí)水環(huán)泵系統(tǒng)中的水向羅茨泵及真空干燥系統(tǒng)中倒灌。
?。?）壓差閥 機(jī)組開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，先啟動(dòng)水環(huán)泵，在壓差閥兩端逐漸產(chǎn)生壓差，達(dá)到一定值時(shí)，閥自動(dòng)開(kāi)啟，使系統(tǒng)中大部分氣體經(jīng)此閥流進(jìn)水環(huán)泵。當(dāng)大氣逐漸通過(guò)大氣泵流進(jìn)水環(huán)泵，壓差閥兩端壓力又逐漸減小，以致關(guān)閥，于是大氣泵隨即開(kāi)始正常工作，壓差閥的作用是為了縮短大氣泵正常工作前的預(yù)抽時(shí)間。
2.2.5 羅茨泵真空機(jī)組抽氣速率
Qe=SP/T=SvPv/Tv (1)
羅茨泵的有效壓縮比為羅茨泵進(jìn)出口壓力比,即
Ke=Pv/P (2)
羅茨泵的理論壓縮比Kth為羅茨泵的理論抽速與前級(jí)泵的抽速之比,即
Kth=Sth/Sv (3)
由(2)、(3)、式可得
(4)
將(3)、(6)式代入(7)式可得
(5)
羅茨泵的實(shí)際抽速與羅茨泵的理論抽速之比,即為羅茨泵的容積效率ηv,也即羅茨真空機(jī)組的容積效率。
(6)
化簡(jiǎn)得
(7)
相應(yīng)羅茨泵機(jī)組的抽速
(8)
根據(jù)前級(jí)泵的進(jìn)口壓力Pv,羅茨泵在進(jìn)口壓力P下的有效抽速,通過(guò)(8)式可變換為下式計(jì)算
當(dāng)已知前級(jí)泵的抽氣速率,此時(shí)機(jī)組的有效抽速
2.2.6 分子泵工作原理及其型號(hào)確定
2.2.6.1 分子泵工作原理
分子泵是用高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉輪將動(dòng)量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動(dòng)而抽氣的真空泵。?
結(jié)構(gòu)和工作原理
1958年，聯(lián)邦德國(guó)的W.貝克首次提出有實(shí)用價(jià)值的渦輪分子泵，以后相繼出現(xiàn)了各種不同結(jié)構(gòu)的分子泵，主要有立式和臥式兩種,圖1為立式渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)圖。渦輪分子泵主要由泵體、帶葉片的轉(zhuǎn)子(即動(dòng)葉輪)、靜葉輪和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。動(dòng)葉輪外緣的線速度高達(dá)氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的速度(一般為150～400米／秒)。單個(gè)葉輪的壓縮比很小，渦輪分子泵要由十多個(gè)動(dòng)葉輪和靜葉輪組成。動(dòng)葉輪和靜葉輪交替排列。動(dòng)、靜葉輪幾何尺寸基本相同,但葉片傾斜角相反。圖2為20個(gè)動(dòng)葉輪組成的整體式轉(zhuǎn)子。每?jī)蓚€(gè)動(dòng)葉輪之間裝一個(gè)靜葉輪。靜葉輪外緣用環(huán)固定并使動(dòng)、靜葉輪間保持1毫米左右的間隙,動(dòng)葉輪可在靜葉輪間自由旋轉(zhuǎn)。
圖3為一個(gè)動(dòng)葉片的工作示意圖。在運(yùn)動(dòng)葉片兩側(cè)的氣體分子呈漫散射。在葉輪左側(cè)(圖3a),當(dāng)氣體分子到達(dá)A點(diǎn)附近時(shí)，在角度α1內(nèi)反射的氣體分子回到左側(cè)；在角度β1內(nèi)反射的氣體分子一部分回到左側(cè)，另一部分穿過(guò)葉片到達(dá)右側(cè)；在角度γ1內(nèi)反射的氣體分子將直接穿過(guò)葉片到達(dá)右側(cè)。同理，在葉輪右側(cè)(圖3b),當(dāng)氣體分子入射到B點(diǎn)附近時(shí)，在α2角度內(nèi)反射的氣體分子將返回右側(cè)；在β2角度內(nèi)反射的氣體分子一部分到達(dá)左側(cè)，另一部分返回右側(cè)；在γ2角度內(nèi)反射的氣體分子穿過(guò)葉片到達(dá)左側(cè)。傾斜葉片的運(yùn)動(dòng)使氣體分子從左側(cè)穿過(guò)葉片到達(dá)右側(cè)，比從右側(cè)穿過(guò)葉片到達(dá)左側(cè)的幾率大得多。葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，氣體分子便不斷地由左側(cè)流向右側(cè)，從而產(chǎn)生抽氣作用。?
性能和特點(diǎn)
泵的排氣壓力與進(jìn)氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比除與泵的級(jí)數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)外，還與氣體種類有關(guān)。分子量大的氣體有高的壓縮比。對(duì)氮(或空氣)的壓縮比為108～109;對(duì)氫為102～104；對(duì)分子量大的氣體如油蒸氣則大于1010。泵的極限壓力為10-9帕,工作壓力范圍為10-1～10-8帕,抽氣速率為幾十到幾千升每秒(1升＝10-3米3)。渦輪分子泵必須在分子流狀態(tài)(氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)大于導(dǎo)管截面最大尺寸的流態(tài))下工作才能顯示出它的優(yōu)越性,因此要求配有工作壓力為1～10-2帕的前級(jí)真空泵。分子泵本身由轉(zhuǎn)速為10000～60000轉(zhuǎn)／分的中頻電動(dòng)機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)。
2.2.6.2 分子泵的優(yōu)點(diǎn)
1、優(yōu)點(diǎn)
由于渦輪分子在某些方面，要比低溫泵、離子泵和擴(kuò)散泵表現(xiàn)得更優(yōu)越。故在一般情況下，多選用渦輪分子泵。它的優(yōu)點(diǎn)有：
（1）清潔，無(wú)油蒸汽返流
渦輪分子泵可不用任何阱，按操作規(guī)程工作，就能為被抽容器提供一個(gè)極為清潔的真空環(huán)境，且不含有任何碳?xì)浠衔?。由于現(xiàn)代的渦輪分子泵除大泵外很少用油潤(rùn)滑的了，對(duì)于小泵多用油脂潤(rùn)滑，也有用空氣軸承的，但磁懸浮軸承用得較多。近幾年來(lái)也有不少干式前級(jí)泵出現(xiàn)，使渦輪分子泵系統(tǒng)不存在油蒸汽返流，使它真正成為一種清潔的干式高真空泵（如圖4）。
圖4??渦輪分子泵典型的殘余氣體的頻譜圖
極限壓力為2×10-7Pa
圖4渦輪分子泵典型的殘余氣體的頻譜圖
圖4表明渦輪分子泵系統(tǒng)中不含有碳?xì)浠衔?，曲線上17和18為OH+和H2O+。
（2）使用方便
在許多應(yīng)用中，渦輪分子泵可不用高真空閥門或粗真空。只是簡(jiǎn)單地一按電鈕，泵便能開(kāi)始工作。從大氣壓力可降至極限壓力。這種系統(tǒng)可以通過(guò)渦輪分子泵進(jìn)行粗抽，可一直加速到工作速度為止。這樣就可以不用閥門、管道、阱、控制器等真空元件。同時(shí)也消除了這些元件所帶來(lái)的故障。因此渦輪分子泵系統(tǒng)所占的空間小，而且渦輪分子泵的安裝方向不受限制，可在任意方向安裝（用油潤(rùn)滑的泵除外，它只能在垂直±5°范圍內(nèi)工作）。這個(gè)特點(diǎn)，可用于安裝位置受限制的地方。
（3）氣體輸送能力強(qiáng)
大多數(shù)渦輪分子泵對(duì)于輸送輕氣體（如氫、氦）的能力很強(qiáng)。因而它非常適于超高真空下的工藝操作。對(duì)于那些富氫的工藝過(guò)程，氦質(zhì)譜檢漏儀等場(chǎng)合均可得到應(yīng)用。有專門設(shè)計(jì)用于抽除腐蝕性氣體的渦輪分子泵，適用于刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕，離子束加工，低壓化學(xué)氣相沉積，外延及離子注入等工藝操作。在這些工藝過(guò)程中，抽除的氣體會(huì)對(duì)低溫泵、離子泵、擴(kuò)散泵油等有腐蝕作用。甚至也會(huì)破壞標(biāo)準(zhǔn)的未加保護(hù)的渦輪分子泵。由于渦輪分子泵屬于傳輸型泵，被抽氣體可穿膛而過(guò)，不在泵內(nèi)積存。因而它適于氣體負(fù)荷高的工藝過(guò)程。如濺射、刻蝕等。
（4）適于超高真空應(yīng)用
一臺(tái)密封和除氣良好的渦輪分子泵，配以性能良好的雙級(jí)旋片泵（或同樣性能的干式前級(jí)泵），其極限真空一般可達(dá)到10-9～10-10Torr（即133.3～13.33nPa）之間。若一臺(tái)渦輪分子泵再串一臺(tái)渦輪分子泵，用金屬密封并除氣良好的泵，一般其極限壓力在1×10-10～1×10-11Torr（即13.33～1.333nPa）之間。而且不像低溫泵或離子泵那樣，渦輪分子泵在超高真空條件下能滿抽速運(yùn)轉(zhuǎn)。這些性能再加上它有良好的清潔性（測(cè)不到碳?xì)浠衔铮@然用戶會(huì)選擇渦輪分子泵用于高分辨率質(zhì)譜儀，分子束外延設(shè)備及超高真空分析儀器等設(shè)備上的。
（5）高壓力下性能良好
有些渦輪分子泵的入口壓力可在10-1～10-3Torr（即13.33Pa～133.3mPa）之間運(yùn)行。在這個(gè)壓力范圍內(nèi)，離子泵不能應(yīng)用，對(duì)于低溫泵需要節(jié)流抽速或經(jīng)常再生，對(duì)擴(kuò)散泵的工作也會(huì)變得不穩(wěn)定。
（6）循環(huán)的時(shí)間短
多數(shù)渦輪分子泵，尤其小一些的，要達(dá)到正常的運(yùn)行速度的時(shí)間，一般需要1～3min。對(duì)于不同品種和型號(hào)的泵有所不同。并且能立即關(guān)閉，并可暴露大氣。這種快速循環(huán)特性在樣品輸入系統(tǒng)中很有用，尤其對(duì)手提式氦檢漏儀有用。
（7）正常使用時(shí)間長(zhǎng)
在某些應(yīng)用中，渦輪分子泵的正常使用時(shí)間要比其它泵優(yōu)越。因?yàn)樵谥貧怏w負(fù)荷和閥門漏氣的情況下，會(huì)引起低溫泵經(jīng)常不定時(shí)的再生或離子泵經(jīng)常修復(fù)，而渦輪分子泵使用還能消除因泵油對(duì)真空室的污染。
2.2.6.3 分子泵型號(hào)確定
FF250-1600C分子泵
F400/3500分子泵
3 熔煉室殼體計(jì)算
大多數(shù)真空室的殼體都是圓形的，原因是制造容易且強(qiáng)度好。真空室除用板材制造外，對(duì)于直徑較小的真空室筒體亦可用熱軋無(wú)縫鋼管制造。圓筒體焊制后應(yīng)進(jìn)行整形和矯直。本設(shè)計(jì)真空室殼體大小為φ800×750mm，采用1Cr18Ni9Ti作為真空室材料。
⑴ 計(jì)算殼體壁厚
圓筒殼體只承受外壓時(shí)，可按穩(wěn)定條件計(jì)算，其壁厚為：
p—外壓設(shè)計(jì)壓力[MPa]；真空容器選擇p=0.5MPa（加上水壓0.4MPa）；
L—圓筒長(zhǎng)度[mm]；L=750mm；
Et—材料溫度為t時(shí)的彈性模量[MPa]；查表得Et=1.8×MPa；
代入公式計(jì)算得 ×=5.84mm；
壁厚附加量 ； (2.2)
式中 —鋼板的最大負(fù)公差附加量[mm]；查表取1mm；
—腐蝕裕度[mm]；查得為2mm；
—封頭沖壓時(shí)的拉伸減薄量；取值為1mm；
圓筒的實(shí)際壁厚應(yīng)為 S=+C=5.84+1+2+1=9.84mm；取整為10mm；
⑵ 對(duì)真空室殼體進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算
對(duì)真空室殼體強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)按薄殼理論進(jìn)行驗(yàn)算。所謂薄殼就是其厚度大大小于它的曲率半徑。
即應(yīng)滿足 ≤0.04 (2.3)
則 = =0.0125≤0.04 即滿足使用條件。
4 熔滲爐的殼體設(shè)計(jì)與壁厚計(jì)算
4.1 殼體壁厚計(jì)算
設(shè)計(jì)壓力是指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件。設(shè)計(jì)壓力從概念上說(shuō)不同于容器的工作壓力。工作壓力是由工藝過(guò)程決定的，在工作過(guò)程中工作壓力可能是變動(dòng)的，同時(shí)在容器的頂部和底部壓力也可能是不同的。
容器的工作壓力既然可能是變動(dòng)的，所以將容器在正常操作情況下容器頂部可能出現(xiàn)的最高工作壓力稱為容器的最大工作壓力。容器的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)該高于其最大工作壓力。
我們知道容器的最大工作壓力為1.8MPa，設(shè)計(jì)壓力一般取值為最高工作壓力的1.05～1.10倍。至于是取1.05還是取1.10，就取決于介質(zhì)的危害性和容器所附帶的安全裝置。介質(zhì)無(wú)害或裝有安全閥等就可以取下限1.05，否則就取上限1.10?？紤]到高溫等不確定因素，取上限值1.1.。
的選擇: 焊縫區(qū)是容器上強(qiáng)度比較薄弱的地方。焊縫區(qū)強(qiáng)度降低的原因在于焊接時(shí)可能出現(xiàn)缺陷；焊接熱影響區(qū)往往形成粗大晶粒區(qū)而使強(qiáng)度和塑性降低；由于結(jié)構(gòu)鋼性約束造成焊接內(nèi)應(yīng)力過(guò)大。
焊接區(qū)強(qiáng)度主要決定于熔焊金屬，焊縫結(jié)構(gòu)和施焊質(zhì)量。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮母材的可焊性與焊接件的結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)?shù)暮笚l和焊接工藝，而后按焊接接頭型式和焊縫的無(wú)損探傷檢驗(yàn)要求，選取焊接接頭系數(shù)。
推薦的焊接接頭系數(shù)如下：
1、 雙面焊的對(duì)接焊縫：① 100％無(wú)損探傷 ＝1.0
②局部無(wú)損探傷＝0.85
2、 單面焊的對(duì)接焊縫：① 100％無(wú)損探傷 ＝0.9
②局部無(wú)損探傷＝0.8
⑶、雙面焊的對(duì)接焊縫：無(wú)無(wú)損探傷 ＝0.8
⑷、單面焊的對(duì)接焊縫：無(wú)無(wú)損探傷 ＝0.6
JB 4732標(biāo)準(zhǔn)中要求受壓元件焊縫必須100無(wú)損檢測(cè)，所以本次設(shè)計(jì)取焊縫系數(shù)為1.00
內(nèi)壁計(jì)算具體如下：
筒內(nèi)要求工作壓力1.8Mpa
Di＝400mm
設(shè)計(jì)壓力 P=1.1×1.8MPa =1.98MPa
壁厚：在1.98MPa
查壓力容器設(shè)計(jì)手冊(cè)知，1Cr18Ni9Ti在400℃材料的許用應(yīng)力為 =108MPa
由公式計(jì)算內(nèi)壓圓筒壁厚為：
= 6 mm
2)強(qiáng)度校核
① 內(nèi)壓筒壁校核公式
上述計(jì)算所以滿足要求
②容器內(nèi)壓圓筒最高許可工作壓力
=
=
4.2 筒體上部大法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算
又計(jì)算式4-14[2]得蓋厚
其中t——蓋的厚度mm
其中Dc——計(jì)算直徑mm
p——設(shè)計(jì)壓力MPa
——工作溫度下材料許用應(yīng)力MPa
——焊縫系數(shù)
C——壁厚附加量mm
K——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K=0.14（表4-26[2]）
所以 mm
所選法蘭蓋的厚度為36mm,滿足要求。
采用M1690螺栓20個(gè)，低合金螺栓1Cr18Ni9Ti，200C以下許用應(yīng)力
螺栓承受拉力：
=
=
=
=
所以上述計(jì)算滿足要求。
5 真空室抽氣時(shí)間計(jì)算
5.1 氣體沿管道流動(dòng)狀態(tài)及流導(dǎo)計(jì)算
氣體分子平均自由程
對(duì)于20 的空氣
=
=
式中 ——平均自由程[m]
n——?dú)怏w分子數(shù)密度[]
——?dú)怏w分子直徑[m]
T——?dú)怏w熱力學(xué)溫度[K]
k——玻耳茲曼常數(shù)，
p——?dú)怏w的壓力[Pa]
氣體的內(nèi)摩擦（粘滯性）
各層之間的遷移量是動(dòng)量，根據(jù)遷移方程列出內(nèi)摩擦方程
=
由于麥克斯韋速度分布，方程式變?yōu)?
式中 L——內(nèi)摩擦力[N]
——?dú)怏w分子的平均自由程[m]
——?dú)怏w分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度[m/s]
——?dú)怏w的密度[kg/]取1.293
S——面積[]
——?dú)怏w的粘滯系數(shù)[Pa·s]
T——?dú)怏w熱力學(xué)溫度[K]，去293K
M——?dú)怏w的摩爾質(zhì)量[kg/mol]，取0.29kg/mol
——?dú)怏w分子直徑[m]，取m
C——肖節(jié)倫德常數(shù)[K]
代入公式得
氣體量
流量 Q=pS
流阻
G——?dú)怏w量[Pa·或Pa·L]
t——時(shí)間[s]
S——抽速[L/s]
p——壓力[Pa]
Q——流量[Pa·L/s]
W——流阻[s/L]
V——?dú)怏w體積[L]
氣體沿管道流動(dòng)的狀態(tài)可分為4種：湍流、粘滯流、粘滯—分子流和分子流。
（1） 湍流：當(dāng)氣體壓力和流速較高時(shí)，氣體流動(dòng)是由慣性力在起作用，氣體流線不直，也不規(guī)則，而是出于漩渦狀態(tài)，即漩渦有時(shí)出現(xiàn)有時(shí)消失。管路中沒(méi)一點(diǎn)氣體的壓力和流速隨時(shí)間變化。氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度和方向與氣流的平均速度和氣流的方向大致相同。實(shí)驗(yàn)證明，管道中氣體的流量與氣體壓力梯度的平方根成正比，即。
（2） 粘滯流：粘滯流出現(xiàn)于氣體壓力較高、流速較小的情況下，通常發(fā)生在低真空管路中。它的慣性力很小，氣體內(nèi)摩擦力起主要作用。流線的方向?yàn)橹本€，只是在管道的不規(guī)則處稍許玩去。管道中的氣體流量與壓力梯度成正比，即 。管壁附近的氣體幾乎不流動(dòng)，一層氣體在另一層氣體上滑動(dòng)，流速的最大值在管道的中心。氣體分子的平均自由程比管道截面線性尺寸小的多。
（3） 分子流:分子流出現(xiàn)于管道壓力很低時(shí)，一般出現(xiàn)于高真空管道中。此時(shí)氣體分子的平均自由程（管道直徑），分子之間碰撞次數(shù)很少，主要與管壁發(fā)生碰撞。每次碰撞之后，分子向前或向后運(yùn)動(dòng)。經(jīng)數(shù)次后，部分分子有低壓端離開(kāi)管道；有的返回到高壓端。
粘滯—分子流：介于粘滯流和分子流之間的流動(dòng)狀態(tài)。
Re>2200 為湍流
Re<1200 為粘滯流
1200
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