2. Основы вакуумной металлургии. Понятие вакуума.

Вакуум (от лат. vacuum — пустота) — пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлениях ниже атмосферного.

На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при рабочей температуре все материалы обладают ненулевой упругостью парав. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.

В металлургии многие технологические процессы целесообразно проводить при давлении ниже атмосферного.

Понятие металлургического вакуума – давление, при котором проводят плавку.

Рисунок 7 Металлургические процессы с использованием вакуума

Единицы: Торр(Торричелли) 1гПа = 100 Па 1 мм. РТ. Ст. (1 гПа = 1,33 Торра)

ВПО- внепечная вакуумная обработка

ЭЛП- электроннолучевая плавка

ВДП- вакуумнодуговая плавка

1. Общие характеристики вакуумных насосов

Основными параметрами любого вакуумного насоса являются: быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее дав­ление, наибольшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление.

Предельное давление насоса р_пр— это минимальное давление, которое может обеспечить насос, работая без откачиваемого объекта.

Наименьшее рабочее давление вакуумного насоса р_м— это минимальное давление, при котором насос длительное время со­храняет номинальную быстроту действия.

Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса р_б— это максимальное давление, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия.

Давление запуска вакуумного насоса р_з— это мак­симальное давление во входном сечении насоса, при котором он может начать работу.

Эти параметры определяют основную характеристику вакуумных насосов—зависимость быстроты действия от входного давления.

Рисунок 8 Основная характеристика вакуумных нососов

2. Классификация вакуумных насосов

Вакуумные насосы классифицируют как по типу вакуума, так и по устройству. Область давлений, с которой имеет дело вакуумная техника, охватывает диапазон от 10⁵ до 10⁻¹² Па.

• Низкий вакуум

Давление 10⁵…10² Па (10³…10⁰ мм рт.ст.)

• Средний вакуум

Давление 10²…10⁻¹ Па (10⁰…10⁻³ мм рт.ст.)

• Высокий вакуум

Давление 10⁻¹…10⁻⁵ Па (10⁻³…10⁻⁷ мм рт.ст.)

• Сверхвысокий вакуум

Давление 10⁻⁵ Па и ниже (10⁻⁷…10⁻¹¹ мм рт.ст.)

Рисунок 9 классификация вакуумных насосов

2.2.2.1 Механические насосы

1. Механические насосы с масленым уплотнением

• Пластинчато-роторные

• Пластинчато-статорные

• Плунжерные

Пластинчато-ротоный насос ( рис 14) содержит цилиндрический корпус 7 с выпускным 4 и входным 3 патрубками и эксцентрично расположенный ротор 6 , в пазах которого установленны пластины 5. Под действием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение объема рабочей камеры насос. Насосы с малой быстротой действия работают в маслянной ванне, обеспечивающей гермитизацию соединений насоса и снижение потерь на трение. Предельное давление таких насосов в одноступенчатом варианте равно 10 Па , а в двухступенчатом 10 ^-3Па

Пластинчато-статорный насос (рис. 15) состоит из следующих основных элементов: корпуса 1, эксцентричного ротора 2, выпускного патрубка 3, пластины 5, пружины 4, входного патрубка 6.

В чугунный статор ассиметрично закреплен ротор, а внутрь корпуса статора вмонтирована пластина, разделяющая полости насоса на камеру всасывания (-) и камеру сжатия (+)

При первом обороте ротора происходит всасывание газа, и в крайнем верхнем положении ротора, когда пластина максимально выжата насос становится заполнен. За два полных оборота ротора происходит полный цикл откачки.

Порция закачивается (PV=const), сжимается в камере и выдается под клапан.

Плунжерный насос состоит из корпуса 1, эксцентрично установленного ротора 2, плунжера 6, выпускного патрубка и обратного клапана 3, шарнира 7 и входного патрубка 4.

Газ из откачиваемого объекта через входной патрубок и отверстия 5 в плунжере поступает в камеру всасывания А, увеличивающуюся при вращении ротора по часовой стрелке. В это же время объем камеры В уменьшается и находящийся в ней газ сжимается и выталкивается через выхлопной патрубок.

Рисунок 13 Зависимость быстроты действия от входного давления

Характеристики пластинчато-статорного и плунжерного насоса примерно одинаковы, но плунжерные насосы имеют большие быстроты откачки. На рис. 4.15 изображена зависимость быстроты действия одноступенчатого насоса (1), двухступенчатого (без ловушки), двухступенчатого (с ловушкой).

Камера сжатия и камера всасывания разделяются масленым уплотнением: сопряжение ротора и статора различно в 3/10 мм. И эта щель заполняется маслом, подаваемым по специальным каналам из емкости.

Предельное остаточное давление насоса во многом определяется качеством масла в этом зазоре. Обычно применяются масла, полученные из обычных смазочных материалов отгонкой как легких, так и тяжелых фракций. Температура вспышки масел должна быть ниже 200^оС, что характеризует отсутствие в масле легкоокисляющихся фракций.

Плунжерный насос – многоступенчатый, наиболее эффективный и часто используемый.

Скорость подачи: S_н =1-100 л/с

Характеристики насосов с масленым уплотнением:

1. номинальная быстрота действия

2. предельное остаточное давление (наименьшее давление, которое может быть достигнуто в насосе)

3. рабочий диапазон

Эти насосы не имеют таких характеристик как наибольшее давление на выходе и наибольшее давление запуска.

При эксплуатации механических насосов с масляным уплотнением необходимо контролировать состояние масла и постоянно подливать его. В том случае, если в насосе во время работы снижается количество масла эффективность насоса значительно снижается, а также происходит выкрашивание поверхности ротора, что может являться причиной поломки.

Кроме того в воздухе есть вода и при его сжатии вода может сконденсироваться и раствориться в масле, чтобы это предотвратить используют газобалластные устройства, которые очищают от воды , уменьшая парциальное давление воды.

Балластный газ напускается при откачке паров воды или органических растворителей, упругость паров которых находиться в промежутке от предельного давления до максимального выпускного давления. Газобалласт приводит к снижению степени сжатия газа в камере, но препятствует конденсации влаги.

Рисунок 14 Внешний вид современного роторного насоса