Вакуумная металлургия

ВЫБОР ВАКУУММЕТРОВ И НЕПОЛАДКИ

ВВАКУУМНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

УМ е й е р

ВЫБОР ВАКУУММЕТРОВ

При выборе вакуумметров для использования в вакуумной метал­ лургии необходимо знать технические характеристики системы. К вакуум­ метрам предъявляются следующие требования:

а) возможность измерения давлений во всем их диапазоне ; б) высокая чувствительность их в рабочем интервале давлений;

в) возможность сигнализации о повреждениях и автоматического управления клапанами и другими аппаратами ;

г) обеспечение способа регистрации или контроля давлений в системе; д) реагирование на появление течей ; е) возможность измерения только парциальных давлений.

В данной работе будут рассмотрены вакуумметры, широко приме­ няемые в вакуумной металлургии. Все вакуумметры можно разделить на три класса : термовакуумметры, ионизационные вакуумметры и жид­ костные манометры.

А.Термовакуумметры

Ктермовакуумметрам относятся термопарные вакуумметры и ваку­ умметр Пирани.

Вакуумметр Пирани. На фиг. 1 представлена принципиальная мосто­ вая схема вакуумметра Пирани. Обе лампы Пирани используются в ка­ честве двух плечей мостовой схемы, питаемой постоянным током. Верхняя лампа соединена с вакуумной системой. При изменении давления в системе происходит нарушение равновесия моста, что регистрируется измеритель­ ным прибором, служащим индикатором давления. Этим вакуумметром можно измерять давления от 2 мм, до 1 мк рт. ст. Он очень чувствителен

кизменениям разрежения в пределах от 1 до 100 мк. Прибор имеет линей­ ную шкалу. Вакуумметры подобного типа используются для измерения форвакуумного давления и рабочего давления в дуговых и индукционных вакуумных печах. Поскольку все термовакуумметры очень чувствительны

кводороду или к обогащенному водородом газу, то вакуумметры Пирани могут использоваться для определения больших течей при давлении до 10 мм рт. ст.

Схема моста Пирани может быть модифицирована таким образом, что обе лампы будут работать при постоянной температуре. В этом случае изме­ рительный прибор будет регистрировать изменение величины тока питания. Равновесие моста поддерживается за счет изменения тока в его цепи; это изменение и служит индикатором давления системы. Преимуществом дан­ ной схемы является повышение чувствительности прибора при тех давле­ ниях, где вакуумметр с постоянным напряжением наименее чувствителен.

Вакуумметр второго типа может измерять давления до 100 мм рт. ст. и с успехом применяться для работы во всем интервале давлений дуговых и

индукционных вакуумных печей. Этот вакуумметр — более дорогой, чем вакуумметр Пирани с постоянным напряжением, из-за усложненной элек­ трической схемы. В настоящее время из термовакуумметров наиболее

Ф и г . 1. Схема вакуумметра Пирани.

употребительны вакуумметры этого типа. Фирма «Консолидэйтед электродайнемикс» применяет вакуумметры Пирани для измерения как форвакуумного, так и рабочего давлений в дуговых и индукционных печах.

Термопарные вакуумметры. На фиг. 2 представлена принципиальная схема термопарного вакуумметра. Внутри термопарной лампы находится нагреватель, питаемый постоянным током. Ток ре­ гулируется реостатом и измеряется миллиампер­ метром. К середине нагревателя приварена термо­ пара. Концы ее присоединены к милливольтметру, по показаниям которого определяется давление внутри системы. Термопарный вакуумметр имеет логарифмическую шкалу; он применяется при раз­ режениях от 1 мм до 1 мк рт. ст. За счет снижения чувствительности в верхнем и нижнем диапазонах работы вакуумметра можно расширить область изме­ ряемых давлений. Термопарный вакуумметр чаще используется для измерений форвакуумного давле­ ния, так как он не обладает чувствительностью ва­ куумметра Пирани при разрежении около 1 мк рт. ст.

Поскольку схема термопарного вакуумметра значи­ тельно проще, чем схема вакуумметра Пирани, стои-

Ф и г. 2. Схема термо- мость его в два раза меньше. Обычно с одним выно- парного вакуумметра, сным прибором устанавливается несколько термо­ парных ламп в разных местах вакуумной системы.

В вакуумной системе индукционной печи емкостью 450 кг фирмы «Карбэллой» установлено в разных пунктах 6 термопарных ламп, соеди­ ненных с одним прибором, смонтированным на пульте управления.

Б. Ионизационные вакуумметры

Вакуумметры ионизационного типа можно разделить на вакуумметры с холодным катодом, с нитью накала, с радиоактивным ионизатором. Основное различие вакуумметров данного типа заключается в устройстве ионизатора. Одинаковым для всех вакуумметров является принцип иони­ зации газа в измерительных лампах и измерение ионного потока, харак­ теризующего давление в системе.

Вакуумметры с холодным катодом. Эти вакуумметры часто называют вакуумметрами Филиппса или Пеннинга, а также разрядными вакуум­ метрами.

Магнитное поле постоянногомагнита

I

На фиг. 3 представлена схема вакуумметра с холодным катодом. От катода к аноду идет поток электронов; он спирально закручивается под действием магнитного поля, направленного под углом 45° к потоку. Вакуумметр работает при напряжении 2500 в. Благодаря увеличению длины свободного пробега под действием магнитного поля в лампе возникает разряд при давлении до 10-7 мм рт. ст. Мощность ионного потока, возникающего в вакуумметре с холодным катодом, во много раз превышает мощность ионных потоков в других типах вакуумметров.

Для измерения ионного тока не требуется усиления, поэтому отсчет показаний измерителя ионного тока служит индикатором давления в системе. Вакуумметры с холодным катодом работают в интервале от 0,5 до 10-7 мм рт. ст. Они наиболее чувствительны в области от 10~3 до 10~в мм рт. ст.Так как сопротивление воздуха меняется в зависимости от разрежения, то величина ионного тока нелинейно зависит от разрежения.

Вакуумметр не имеет нагреваемых частей, поэтому он не выходит из строя при внезапном повышении давления или возникновении сильных течей. Вследствие сложной конструкции лампу трудно дегазировать, и она часто загрязняется' при высоких скоростях ионизации. Поэтому вакуумметры с холодным катодом нельзя применять при измерении форвакуумного давления. Они используются для регистрации вакуума в печах, работающих при разрежении 10~4—10-® мм. рт. ст. Этот тип вакуумметра вследствие простоты конструкции является наиболее дешевым среди ионизационных приборов.

Вакуумметры с нитью накала. Эти вакуумметры редко используются в вакуумных печах. На фиг. 4 представлена схема вакуумметра с нитью накала. На одну из пластин внутри лампы подается отрицательное напря -

жение в 25 в. Сетка или промежуточные элементы лампы заряжены поло­ жительно. Электроны, испускаемые нитью накала, увлекаются электри­ ческим полем к положительно заряженной сетке. При столкновении электронов с молекулами газа образуются положительно заряженные

ионы, которые притягиваются пластиной с отрицательным потенциалом. Величина ионного потока и характеризует разрежение в лампе. Для регистрации разрежений ниже 10~6 мм рт. ст. необходимо применять усиление ионного тока, который при таком вакууме равен 1 мка. Такие вакуумметры используются при измерении давлений от 10~3 до 10-12 мм рт. ст. При повышении давления сверх указанного предела, т. е. выше 10-8 мм рт. ст., нить накала перегорает. Вакуумметры с нитью накала имеют первостепенное значение в вакуумных печах для дегазации или в других установках, работающих под вакуумом менее 1 мк рт. ст.

Альфатрон. Вакуумметр данного типа широко применяется в вакуум­ ной металлургии. На фиг. 5 представлена схема альфатронной лампы. Источником ионов здесь является небольшое количество радиоактивного изотопа, испускающего альфа-частицы. Газовые молекулы ионизируются альфа-частицами и собираются на отрицательно заряженных сетках. Ионный ток примерно равен 2 • 10~10 а/мм рт. ст., и для индикации давления он усиливается. Альфатрон применяется для измерения давлений от атмо­ сферного до 10-4 мм рт. ст.; он имеет линейную шкалу. Этим вакуум­ метром можно измерять широкий диапазон давлений, перекрывающий весь цикл откачки любой вакуумной печи.

Следует отметить, что все описанные вакуумметры регистрируют только общее давление воздуха системы и более или менее чувствительны к другим газам.

Вообще калибровочные кривые этих приборов подходят ко всем газам. Все эти вакуумметры могут быть снабжены регистрирующими приспособлениями и включаться в схемы автоматического управления.

На фиг. 6 приведена схема вакуумной печи емкостью 450 кг. Альфатронный вакуумметр применяется для индикации и записи давлений в пла­ вильной зоне; к нему дополнительно подключается шестипозиционная термопарная установка для измерения форвакуумного давления и давления в коммуникациях. Вместо альфатрона с тер­ мопарными вакуумметрами можно при­ менять многопозиционный автоматический вакуумметр Пирани или комбинацию из вакуумметров Филиппса и Пирани.

В.Жидкостные манометры

Ввакуумной металлургии в качестве стандартного манометра используют ма­ нометр Мак-Леода. На фиг. 7 представлена схема части этого прибора. Уровень ртути

визмерительной системе манометра для производства измерения поднимают до тех пор, пока не перекроется входное отверстие в колбу с калиброванным объе­ мом. Таким образом, в колбе с запаянным капилляром будет заключен известный объем газа. Поднимая уровень ртути еще выше, до предела, изображенного в правой части схемы, собирают весь газ в запаян­ ном капилляре. Объем капилляра известен, по разности уровней ртути определяют

только от его геометрических размеров.

Его можно применять в качестве стандартного манометра при калибровке всех других вакуумметров. Чувствительность манометра возрастает по отношению к газам, подчиняющимся закону Бойля; в то же время он не очень чувствителен при измерении давления таких газов, как аргон.

НЕПОЛАДКИ В ВАКУУМНЫХ СИСТЕМАХ

Практически большинство неполадок в вакуумных металлургических системах бывает связано с одним из следующих трех главных факторов: измерение вакуума, загрязнение системы или масла в насосах и течи.

Существуют и другие случайные неполадки, которые за недостатком места здесь подробно не рассматриваются, а именно:

а) потери мощности нагревателя; б) неисправности водяного охлаждения насосов ;

в) недостаточный уровень масла в механических насосах; г) использование внутри вакуумных камер материалов с высоким

давлением пара, что приводит к большим газовыделениям при пони­ женных давлениях;

д) использование материалов, например огнеупоров, адсорбирующих большие количества водяных паров, выделяющихся при пониженном давлении и очень медленно откачиваемых.

А. Измерение вакуума

По разрежению в системе судят о нормальной работе установки, поэтому показания вакуумметров имеют большое значение. Все вакуум­ метры должны быть прокалиброваны по одному стандартному вакуум­ метру, надежность которого проверена в работе. Часто загрязненные термометрические лампы вакуумметров дают неправильные показания. Если вакуумметр непрерывно не используется, то чувствительные лампы должны обесточиваться, чтобы предотвратить их загрязнение и нарушение калибровки прибора. Манометрические лампы нужно подключать в таких точках системы, чтобы можно было избежать попадания в них грязи, инородных твердых тел и масла из насосов.

Б. Загрязнение системы и насосного масла

При удовлетворительном состоянии частей и узлов вакуумной уста­ новки загрязнение вакуумной камеры конденсирующимися парами масла или другими посторонними веществами, выделяющими газы, значительно увеличивает время откачки и ухудшает общую глубину вакуума. Причины загрязнения могут определяться только непрерывным наблюде­ нием за состоянием вакуумной установки и устраняться в процессе ее эксплуатации.

Неправильная эксплуатация откачной системы (например, непра­ вильная последовательность переключения вентилей) приводит к загряз­ нению масла в насосах, ограничивает эффективность использования диффузионных насосов и увеличивает время откачки системы.

Для исследования состояния механических насосов необходимо с помощью вентиля отсоединить их от остальной части системы и при­ соединить у всасывающего патрубка насоса вакуумметр. Если при работе насосов на систему получены удовлетворительные результаты, то и в случае холостой работы насосов вакуумметр должен показать их паспорт­ ные данные. Загрязнение масла водяными парами можно определить по его помутнению, а загрязнение крекингового масла диффузионного насоса — по сильному запаху. Соответствующий прибор должен указать, когда масло должно быть заменено.

Нормальная работа диффузионных насосов характеризуется степенью разрежения системы и временем откачки, если остальные узлы системы работают нормально. И для диффузионных насосов очень важно качество масла. Неоднократное доведение горячих паров насоса до высоких давле­ ний может вызвать в результате термическое разложение масла, дающее высокие конечные давления и увеличение времени откачки. В этом случае на корпусе или патрубках насоса находят отложения смолы или лаков. Признаком начала разложения масла в случае использования октойля или бутилфталата является характерный резкий запах пробы масла, взятой из насоса. Срок службы масла зависит от его качества, количества откачных циклов, продолжительности выдержки при повышенных да­ влениях, а также продолжительности использования системы.

В. Течи

Одной из важнейших проблем в вакуумных системах является устра­ нение течей и способы их обнаружения. Рекомендуется следующая последовательность операций для отыскания течей и приведения в рабочее состояние системы, показанной на фиг. 8.

1.Проверка паспортных данных механических и диффузионных насосов (насосы отсоединены от системы).

2.Проверка всей вакуумной системы (начиная от форвакуумных насосов, вентилей, диффузионных насосов и кончая вакуумной камерой) после присоединения течеискателя к вакуумпроводу между форвакуум-

нымй насосами и первым вентилем.

3. Обдувание индикаторным газом всех мест (начиная от места при­ соединения течеискателя), которые

ческих ламп, вводы термопар и т. п. Если с помощью указанных выше приемов не удается обнаружить течь, то определенная часть поверхности проверяемой системы накрывается

индикаторным газом и отыскивают течь на данном участке.

4. Устранение течей по мере их обнаружения хотя бы временно, пока не будет проверена вся система.

Существует два метода обнаружения течи : масс-спектрометрический и галоидный. Оба они пригодны для контроля вакуумных металлурги­ ческих систем, хотя масс-спектрометрический и обладает повышенной чувствительностью по сравнению с галоидным.

Масс-спектрометрический течеискатель. На фиг. 9 представлена схема части камеры масс-спектрометра. Вакуумная система течеискателя засасывает из проверяемой системы газ вместе с молекулами гелия, являю­ щегося индикаторным газом. Гелий попадает в проверяемую систему снаружи при обдувании им подозрительных мест. В камере масс-спектро­ метра молекулы гелия ионизируются потоком электронов, испускаемых накаленным катодом. Положительные ионы газа ускоряются электри­ ческим полем и попадают в зону действия магнитного поля. Совокупное действие электрического и магнитного полей направляет ионы гелия по определенной траектории и фокусирует их на антикатоде. Усиленный ионный ток и служит индикатором для обнаружения течи. Прибор может обнаружить присутствие 1 молекулы гелия в 300 000 частях воздуха при рабочем давлении в камере течеискателя 0,2 мк рт. ст. Чувствитель­ ность прибора позволяет находить течи порядка 10~8 см?/сек атмосферного воздуха. При правильной настройке прибора с его помощью можно опре­ делять и скорость натекания. Чувствительность прибора более чем достаточна для отыскания течей в вакуумных печах — она в 6—7 раз пре­ вышает необходимую.

При использовании гелиевого течеискателя систему необходимо откачивать как можно лучше. Максимальное давление должно быть не более 0,25 мк рт. ст. Течеискателем можно пользоваться и при повышен­ ных давлениях, но в данном случае гелий, поступающий в печь, будет раз­ бавляться другими газами и чувствительность его полностью не будет использована.

Галоидный течеискатель. Галоидный течеискатель является неза­ менимым прибором для устранения различных аварий, имеющих место при работе вакуумных систем. Работа этого прибора определяется тем, что эмиссия положительных ионов с нагретого анода значительно усили­ вается при попадании на поверхность разогретого анода паров соединений, содержащих галоиды. Чувствительным элементом этого прибора является платиновый цилиндрический анод, нагреваемый внутренним платиновым нагревателем и окруженный снаружи металлическим катодом. Между катодом и анодом существует определенная разность потенциалов. При попадании атомов галоидов в межэлектродное пространство ионный ток усиливается; по изменению в величине ионного тока и судят о наличии течи. Этим прибором можно обнаружить присутствие 1 части фреона на 100 000 частей воздуха.

По сравнению с гелиевым течеискателем он обладает худшей чувстви­ тельностью, но вполне пригоден для отыскания течей в вакуумных печах. Максимальная чувствительность прибора достигается при давлении в системе около 100 мк рт. ст. Обычно в системе устраивают определенную контролируемую течь, чтобы обеспечить регулирование давления и пол­ ное удаление индикаторного газа. В качестве индикаторного газа для галоидных течеискателей рекомендуется фреон. Показания галоидного течеискателя становятся ошибочными и непостоянными при работе ваку­ умных систем с хлорированными углеводородами, например конваклор-8 или 12 (convaclor). По этой же причине галоидный течеискатель нельзя рекомендовать для систем, применяющих для насосов масла подоб­ ного типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итог, автор указывает на основные моменты, получившие отражение в данной работе в отношении существующих типов вакуум­ метров, которые могут быть наиболее полезными для вакуумной метал­ лургии. Окончательный выбор вакуумметров определяется эксплуата­ ционными характеристиками системы и конструктивными соображениями. Собственный опыт исследователя или производственника должен под­ сказать, какой вакуумметр более пригоден для данных условий. Меро­ приятия, рекомендуемые здесь для обнаружения течей и их устра­ нения, — это только основы возможных методов борьбы с неплотностями систем.

Необходимо всегда помнить, что главным условием успешной работы вакуумных установок является максимальная чистота и регулярный их осмотр и ремонт.