Глава VI

Вакуумные печи

§ 1. Техника получения и измерения вакуума

Общие сведения

Высокая эффективность проведения металлургических процессов в вакууме^* определяет необходимость применения плавильных вакуумных печей, имеющих герметическое рабочее пространство и оборудованных системой откачки, в которую входят вакуумные насосы, трубопроводы, арматура (клапаны, затворы, краны) и аппаратура (ловушки, фильтры, манометрические преобразователи и т.п.).

Понятие «вакуумная техника» охватывает совокупность методов получения, поддержания и измерения вакуума. Для разреженных газов и ненасыщенных металлических паров (в условиях вакуумной плавки) применимо уравнение состояния идеального газа Менделеева – Клапейрона^**:

, (176)

где k – постоянная Больцмана; R₀ = kN_A = 8,314 кДж/(кмоль  K) – универсальная газовая постоянная; N и п_мол – число молекул и число киломолей газа массой т, на- ходящегося в объеме V под давлением р при температуре Т; п_мол = N/N_a = т/М; N_а – число Авогадро^***; N_а ≈ 6,022·10²⁶ кмоль^–1; М – молекулярная масса газа, кг/кмоль.

Согласно (176), при данной температуре Т количество газа (масса и число киломолей п_мол, число молекул N) пропорционально произведению pV, характеризующему кинетическую энергию поступательного движения молекул газа. Это соотношение широко используют в вакуумной технике для измерения количества газа.

Кинетические параметры разреженного газа: молекулярная концентрация N₁ = N/V и средняя длина свободного пути молекул ℓ_мол.ср при данной температуре Т – зависят от величины давления и служат основой классификации степени вакуума (табл. 27).

Таблица 27

Характеристика вакуума и кинетические параметры воздуха при Т = 298 К

Давление, Па	N1, м–3	ℓмол.ср, м	Условие	Степень вакуума
1,01325∙105	2,46∙1025	6,1∙10–8	–	–
105...102	1025...1022	Менее 6,2∙10–5	ℓмол.ср << lопр	Низкий
100...0,1	1022...1019	Менее 6,2∙10–2	ℓмол.ср ≈ lопр	Средний
0,1...10–5	1019...1016	Менее 6,2∙102	ℓмол.ср >> lопр	Высокий
Менее 10–5	Менее 1016	Менее 6,2∙102	ℓмол.ср >> lопр	Сверхвысокий

Примечание. l_опр – определяющий геометрический размер рабочего пространства вакуумной печи.

Диапазоны давлений при различных вакуумных металлургических процессах показаны на рис. 93.

Рис. 93. Диапазон давлений, при которых протекают металлургические процессы черной металлургии (а), работают вакуумные насосы (б) и вакуумметры (в): 1 – дегазация в ковше; 2 – вакуумная индукционная плавка; 3 – вакуумно-дуговой переплав; 4 – электронно-лучевая плавка; насосы: 5 – водокольцевые, 6 – механические с масляным уплотнением, 7 – пароводяные эжекторные, 8 – двухроторные, 9 – паро-масляные эжекторные, 10 – паромасляные диффузионные; вакуумметры: 11 – тепловые сопротивления, 12 – тепловые термопарные, 13 – ионизационные

Основные определения вакуумной техники

Рассмотрим откачную систему (рис. 94), которая состоит из следующих элементов: откачиваемый сосуд (например, рабочее пространство вакуумной электропечи), манометрические преобразователи, вакуумный клапан (кран), вакуумный трубопровод и вакуумный насос.

Рис. 94. Схема откачной системы: 1 – откачиваемый сосуд; 2 – манометрический преобразователь; 3 – ва-куумный клапан; 4 – вакуум-провод; 5 – вакуумный насос

До начала работы насоса давление во всей откачной системе одинаково и газ неподвижен. С началом работы насоса начинается перемещение газа из откачиваемого сосуда по трубопроводу в насос, причем количество газа в откачной системе непрерывно уменьшается, а так как объем системы и температура газа остаются практически неизменными, происходит понижение давления в откачной системе. Давление p_нас на входе в насос становится ниже, чем давление р на выходе из откачиваемого сосуда. Таким образом, создается разность давлений Δр = р – р_нас, которая обусловлена наличием в системе трубопровода клапана и других элементов, оказывающих сопротивление прохождению потока газа.

Различное изменение давлений в откачиваемом сосуде и у входа вакуумного насоса характеризуют (ГОСТ 5197–85) следующими понятиями:

быстрота откачки сосуда (Q_V)_сoс, определяемая объемом газа dV, поступающего в единицу времени dτ из сосуда в трубопровод 4 (см. рис. 94) при данном давлении р в откачиваемом сосуде:

(Q_V)_сoс = dV/dτ при р = const; (177)

быстрота действия вакуумного насоса (Q_V)_нас, определяемая объемом газа dV_нас, поступающего в работающий насос в единицу времени dτ при данном впускном давлении:

(Q_V)_нас = dV_нас/dτ при p_нас = const. (178)

По аналогии с (Q_V)_сoс и (Q_V)_нас можно считать, что быстрота действия откачной системы в любом сечении трубопровода при давлении p_i

(Q_V)_i = dV_i /dτ при p_i = const, (179)

где dV_i – объем газа, проходящего через это сечение за время dτ при давлении р.

Количество газа, проходящего через поперечное сечение вакуумного трубопровода в единицу времени, называют потоком газа _гз и определяют, согласно (176):

(Ф_гз)_i = p_i(Q_V)_i, (180)

где p_i – в Па; (Q_V)_i – в м³/с; (Ф_гз)_i – в Вт.

Поток газа на входе в насос (Ф_гз)_нас называют производительностью вакуумного насоса при данном впускном давлении р_нас.

(Ф_гз)_нас = р_нас(Q_V)_нас. (181)

Зная быстроту действия вакуумного насоса (Q_V)_нас, которая обычно указана в его технической характеристике, можно определить производительность насоса при любом впускном давлении.

Во время откачки в вакуум-проводе перепад давлений Δр возникает из-за гидравлического сопротивления течению газа R_гд.

По аналогии между потоком газа и электрическим током разность давлений уподобляют разности потенциалов в электрической цепи, а частное от деления потока молекул газа на разность давлений называют проводимостью G_гд (м³/с) данного элемента откачной системы:

G_гд = _гз/Δр = Q_Vp/Δp = 1/R_гд. (182)

Чем больше гидравлическое сопротивление вакуумного трубопровода, тем ниже его проводимость, больше разность давлений при данном потоке газа _гз или заданной производительности насоса (Q_V)_нас при впускном давлении р_нас.

Проводимость G_гд является основной характеристикой элементов откачной системы.

При последовательном соединении элементов, когда данный поток газа _гз проходит через все элементы,

; (183)

при параллельном соединении элементов, когда поток газа разветвляется по нескольким элементам,

. (184)

Для неразветвленного вакуумного трубопровода (см. рис. 94), когда поток газа постоянен во всех сечениях,

(185)

Если поток газа постоянен не только по длине трубопровода, но и во времени, то такой поток называют стационарным. Обычно стационарный поток устанавливается в откачной системе только в конце процесса откачки, когда давление в системе и впускное давление вакуумного насоса снижаются до предельных постоянных значений. В большинстве случаев поток газа в вакуумном трубопроводе нестационарен. Нестационарный поток, удовлетворяющий условию (185), называют квазистационарным.

Представим уравнение (185) в виде двух уравнений

Преобразовав эти выражения, получим уравнение, связывающее основные параметры откачной системы: быстроту откачки сосуда (Q_V)_сoс, быстроту действия насоса (Q_V)_нас и проводимость вакуумного трубопровода G_гд:

l/(Q_V)_сoс = l/(Q_V)_нас + l/G_гд (186а)

или

(Q_V)_сoс = (Q_V)_насG_гд/[(Q_V)_нас + G_гд)]. (186б)

Уравнение (186) называют основным уравнением вакуумной техники.

Анализ уравнения (186) показывает, что:

1) если проводимость трубопровода значительно больше быстроты действия вакуумного насоса (G_гд >> (Q_V)_нас), o быстрота откачки сосуда (Q_V)_сoс зависит только от быстроты действия насоса;

2) если проводимость гораздо меньше быстроты действия вакуумного насоса (G_гд < (Q_V)_нас), то быстрота откачки сосуда (Q_V)_сoс приблизительно равна проводимости вакуумного трубопровода и мало зависит от быстроты действия насоса. В этом случае увеличение быстроты действия вакуумного насоса, согласно (178), будет бесполезно без изменения конструкции вакуумного трубопровода.