第六章---真空技术

•黏度真空是指在给定空间内低于1标准大气压的气体状态。在真空技术中，真空度用绝对压强的大小表示，气体压强低，表示真空度高，反之则低。习惯上常把真空度（pa）分为粗真空1.01×105～1.33×103低真空1.33×103～1.33×10-1高真空1.33×10-1～1.33×10-6超高真空1.33×10-6～1.33×10-10极高真空1.3×10-10第六章真空技术6.1真空度•黏度近四十年来，真空技术在冶金领域中得到广泛应用，并形成了“真空冶金”这一专门的学术领域。冶金领域中常用低真空和高真空。冶金真空技术有真空脱气、真空冶炼、真空浇注等。在近代冶金科研和分析领域中也离不开真空技术，如电子探针、离子探针等。第六章真空技术6.1冶金真空技术•黏度获得真空的过程俗称“抽真空”，其主要方法是在工作系统中用泵抽气。辅助措施:安置冷阱并放吸附剂以一个大气压开始抽气的泵叫前级泵，低于一个大气压才能抽气的叫次级泵，次级泵开始工作的气压称为预备真空或前级真空。第六章真空技术6.1真空的获得及设备•黏度抽气速率：在规定气压下单位时间抽出的气体体积。极限真空度：真空泵进气口处在不接任何容器的情况下，经充分抽气后所能达到的最低气压。第六章真空技术6.1真空的获得及设备•黏度真空泵可分为机械真空泵、蒸汽流泵和高真空机组。其工作原理各异，应用范围也不相同。1机械真空泵机械真空泵包括旋片式、润滑式机械真空泵、机械增压泵、分子泵等，在冶金生产和科研中以旋片式机械泵应用最广。第六章真空技术6.1真空的获得及设备6.2真空设备机械真空泵•黏度其结构如图6-1所示。整个泵体浸在机械泵油中，转子紧贴在定子圆柱形空腔的上部和空腔不同轴，转子通过轴由电动机带动并在空腔内转动。为了提高抽气效果，常将两个泵搭配在一起。在结构上这两个泵是串联的，这样就可获得更高的真空度。如国产2X-2型，型号中第一个“2”表示两级，X表示旋片式，第二个“2”表示抽速。该泵属低真空泵，可单独或做前级泵用。第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵旋片式机械真空泵•黏度第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵旋片式机械真空泵图6-1旋片式机械泵结构1-排气管2-进气管3-外壳4-排气阀5-真空泵油6-定子7-转子8-翼片9-弹簧•黏度第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵旋片式机械真空泵•黏度第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵旋片式机械真空泵表6-12X型旋片式机械泵性能表•黏度该泵属粗真空设备，运转时通过曲轴与连杆的作用，使气缸内的活塞做往复运动。活塞的一端接待抽系统，另一端通过气阀使气体进入气阀箱再排入大气，整个进排气循环过程中，活塞起驱动作用，进排气阀片起逆止作用。通过活塞不断地做往返运动，可将真空系统中的气体抽除而达到所需要的真空度，极限真空度可达1000Pa。第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵往复式真空泵•黏度这种泵一般适用于真空蒸馏、真空蒸发与浓缩、真空干燥、真空过滤等。但不适于抽除有腐蚀性或有颗粒灰尘的气体。第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵往复式真空泵•黏度第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵往复式真空泵•黏度该种泵由两个“8”形转子在定子内旋转，形成容积重复变化，达到吸气排气目的。其工作过程如图4-2所示。由于转子与转子之间，转子与泵体之间不接触，因而无摩擦，转速很高，因此这种泵抽速大、体积小、噪音低、驱动功率小，启动快，在冶金生产和科研中应用很广泛。在100～1Pa真空度下，其抽速较大。它也可在大型机组中作为前级泵配套使用，极限真空度可达0.01Pa。第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵机械增压泵（罗茨真空泵）•黏度第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵机械增压泵（罗茨真空泵）图6-2罗茨真空泵的抽气过程a、b、c—进气和排气顺序•黏度此种泵可单独使用，也可做前级泵配套使用，该泵的容量比旋片式机械泵的容量大得多，一般用于大型的真空设备，不宜抽除含氧过高、有爆炸性以及有黑色金属但能与真空泵油起化学作用的气体。极限真空度为6×10-2Pa，其结构如图6-3。此类泵在真空干燥、真空处理、真空蒸馏中得到广泛应用。第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵滑阀式机械真空泵•黏度第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵滑阀式机械真空泵图6-3滑阀式机械真空泵•黏度第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵滑阀式机械真空泵•黏度第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵使用注意事项1）若用做前级泵，其装机位置应便于工作人员检修和维护；2）不能反转，反转会将油压入被抽系统而造成污染；3）停止工作时一定要向泵中放入经过干燥的空气，否则会经排气阀和进气管将油压入被抽系统而造成污染；4）不能混入异物（如金属屑、玻璃渣等），不能用于抽取易蒸发的杂质和含水分较多的系统，以免磨损和腐蚀翼片，降低真空度；•黏度5）按泵的说明书，加入所需牌号的泵油，同时应定期清洗泵体和更换泵油，以保持系有良好的运转条件。第六章真空技术6.2真空设备机械真空泵使用注意事项•黏度它的工作原理是借助高速运转的蒸汽流，将沿气流高速运动的被抽气体带到泵体下部，同时将其压缩到机械转动真空泵（前级泵）能够作用的较高压强，再由前级泵排出。根据蒸汽介质不同，分为油扩散泵和水蒸汽喷射真空泵等。第六章真空技术6.2真空设备蒸汽流泵•黏度抽速快，效率高，无转动部分，结构简单。它由加热部分、冷却部分和喷射部分组成，如图6-4所示。工作时经电炉加热使泵体内的扩散油挥发成蒸汽，油蒸汽沿导管上升由喷嘴喷出，喷嘴可设若干级，有几级喷嘴就称几级泵，图6-4为三级油扩散泵。（极限真空度10-6Pa以下）第六章真空技术6.2真空设备蒸汽流泵油扩散泵•黏度主要缺点：因被抽气体分子的上下存在密度差以及油分子与待抽气体分子的互相碰撞而造成反扩散，致使一定的油气分子进入被抽系统而造成污染，同时也限制了扩散泵极限真空度的提高。第六章真空技术6.2真空设备蒸汽流泵油扩散泵•黏度第六章真空技术6.2真空设备蒸汽流泵油扩散泵图6-4三级油扩散泵1-泵壳；2-油蒸气导管；3-进气口4-冷阱；5-水冷套；6-喷嘴；7-排气口；8-扩散泵油；9-加热器•黏度第六章真空技术6.2真空设备蒸汽流泵油扩散泵•表4-2K系列高真空油扩散泵性能•黏度其工作介质是水蒸汽，由高速水蒸汽喷入抽气机内造成低压空间，该系统中的气体不断流向这一低压空间，同时被蒸汽带向出口排出，因而达到抽真空的自的，其极限真空度可达0.1Pa。该种泵抽气量大，真空度较高，安装方便，容易维修，故在冶金领域中被广泛应用。第六章真空技术6.2真空设备蒸汽流泵水蒸汽喷射真空泵•黏度l）金属扩散泵装机时一定要将扩散泵内壁以及各种零件清洗干净，一般可用苯做洗涤剂。如系玻璃泵，则需要新配制的洗液浸泡，再用去离子水多次冲洗，干燥后再装机；2）配备的前级泵必须与扩散泵相匹配，即前级泵的抽速在预真空度下至少能抽走扩散泵所排出的气体；第六章真空技术6.2真空设备蒸汽流泵蒸汽流泵使用注意事项•黏度3）在操作程序上应先开冷却水，后开加热系统，停机时应先停止加热，后停冷却水，以免油蒸汽进入被抽系统和防止泵体损坏第六章真空技术6.2真空设备蒸汽流泵蒸汽流泵使用注意事项•黏度高真空机组是能独立完成抽真空工作的成套设备，其特点是结构紧凑、操作方便。将机组直接接于被抽系统就可获得高真空。机组的高、低真空泵间装有储气罐，当低真空泵短期停止工作时，扩散泵可照常运转，前级真空由储气罐实现，一般能维持一小时。第六章真空技术6.2真空设备高真空机组•黏度机组内装有挡板和冷阱，以减少油蒸汽返流至真空室内，机组本身还设有高、低真空测量规管接头，可以方便地测量各点真空度。目前冶金系统常用JK型高真空机组，其技术性能见表6-3。第六章真空技术6.2真空设备高真空机组•黏度第六章真空技术6.2真空设备高真空机组表6-3JK型高真空抽气机组性能•黏度用于进行某项真空工作的综合装置称“真空系统”，通常由泵、量具、管道、阀门及其它附属设备组合而成。选择和设计真空系统时，应考虑待抽系统的容积、被抽气体的性质、需要达到的最高真空度及系统的工艺要求，以使主机、管道及其它辅件能相互匹配。并尽量做到结构紧凑、工艺合理、便于测量、检漏和维修等。第六章真空技术6.3真空系统•黏度设计真空系统时，最重要的是能达到的最高真空度和抽气速率。在系统没有漏气的情况下，最高真空度由泵的极限真空度决定，但抽气速率除与泵有关外还与管道的设计有关。气导率F（L/s）与管道直径D（cm）、管道长度l（cm）的关系为：第六章真空技术6.3真空系统气导率3/FDl•黏度而有效抽气速率Se与泵的标准抽气速率S和管道气导率F的关系为：不难看出，管道的气导率对有效抽气速率影响很大，在真空系统管道设计时应尽量挑选短而粗的管道，并尽量减少管道直径和安装方向的突变。这样才能保证有较高的抽气速率。第六章真空技术6.3真空系统有效抽气速率111()eSSF•黏度只有管道气导率足够大时，大泵才能发挥作用，不然大泵接在气导率较小的管道上，其有效抽气率不会增加很多。第六章真空技术6.3真空系统有效抽气速率•黏度对真空材料的性能要求是：气密性好，不渗漏；饱和蒸汽压足够低；材料吸气尽量少并易于除去；化学稳定性好，不易被氧化和腐蚀；温度稳定性好，在工作范围内，其真空性能和力学性能不致变坏；加工容易，经济合理等。第六章真空技术6.3真空系统真空系统材料•黏度真空材料大致可分为三类：（1）结构材料。主要是各种金属和玻璃。金属材料多用于大的真空系统，玻璃材料多用于小型的真空系统。（2）绝缘及密封材料。主要是陶瓷、橡胶、塑料、云母片等。（3）辅助密封材料。主要是真空封油、真空封腊、真空封泥、真空漆和环氧树脂等。第六章真空技术6.3真空系统真空系统材料•黏度真空系统由真空泵、真空计及各种零件组合而成。真空零件主要包括真空阀门和冷阱。真空阀门用于改变气流方向或气体流量的大小。冷阱是一种制冷容器，用玻璃或金属制成各种形状。第六章真空技术6.3真空系统真空零件•黏度测量真空度的仪器叫做真空计。由于真空系统的压强范围在1.013×105～1.33×10-10Pa之间，如此宽的测量范围是不可能用一种真空计来完成的，所以应根据压强范围选择不同的真空计。按照工作原理不同，真空计可分为两大类。第六章真空技术6.3真空系统真空测量•黏度（1）U型管真空计其测量原理与U型压力计类同，它有开口与闭口之分，其测量范围在1.013×105～0.6665×102Pa。第六章真空技术6.3真空系统真空测量真空计绝对真空计•黏度（2）压缩真空计（麦克劳真空计）开始测量时（即状态c），管中水银即将真空计的测量部分与真空系统断开，这时测量部分（包括1和2）内的气体体积为V1，其压强与真空系统中欲测的压强相等，此时压强与体积的乘积为PV1。第六章真空技术6.3真空系统真空测量真空计绝对真空计•黏度第六章真空技术6.3真空系统真空测量真空计绝对真空计图中a为未抽真空状态，b为测量前标准状态，c为测量开始状态，d为测量中状态。1-玻泡;2-测量毛细管;3-玻管;4-分支;5-比较毛细管;6-储存器;7-橡皮管;8-接真空系统管•黏度根据波义尔定律可得：PV1=(h'-h'')V2,则所求压强P可用下式表示：P=(V2/V1)(h'-h'')式中（h’-h”）可由肉眼直接读出，而V2/V1值，则不能直接测出。为求V2/V1值，可利用预先刻出真空计该数的方法，通常有直线刻度法和平方刻度法。第六章真空技术6.3真空系统真空测量真空计绝对真空计•黏度该种真空计的测量范围为1.33×102~1.33×103Pa。其优点是结构简单、测量精度高。以上两种真空计的共同缺点是不能连续测量和自动记录，操作较烦琐，玻璃制品易碎，工作介质（汞）易污染环境，故不宜用于生产现场，同时也不宜用于可凝性气体。第六章真空技术6.3真空系统真空测量真空计绝对真空计•黏度通过测量与压强有关的物理量的变化来测量真空度的称为相对真空计。它能连续测量并能自动记录，但其准确度较低，这是由于低压测量本身的困难，加