真空自耗电弧炉真空系统的检漏

第４５卷第３期

真空ＶＡＣＵＵＭ

Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．３Ｍａｙ．２００８

２００８年５月

真空自耗电弧炉真空系统的检漏

李军仁，付宝全，李

强，周

涛，葛正福

西安

（西部超导材料科技有限公司，陕西７１００２１）

摘要：主要论述了用于生产钛及钛合金铸锭的真空自耗电弧炉真空系统的组成与特点，针对钛、钛合

金的冶金特点及生产实际，阐述真空系统漏率对于生产钛、钛合金的意义；应用最新技术的莱宝３００型检漏仪，对真空系统进行了测漏，总结了检漏方法，此法对真空自耗电弧炉真空系统或类似的真空设备测点的设计、检漏具有指导意义。

关键词：钛合金；真空；漏率；逆流特性；氦质谱检漏仪中图分类号：ＴＦ１３２；ＴＢ７５３；ＴＢ７７３

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００２－０３２２（２００８）０３－００３７－０３

Ｌｅａｋｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｏｒｖａｃｕｕｍｃｏｎｓｕｍａｂｌｅａｒｃｆｕｒｎａｃｅ

ＬＩＪｕｎ－ｒｅｎ，ＦＵＢａｏ－ｑｕａｎ，ＬＩＱｉａｎｇ，ＺＨＯＵＴａｏ，ＧＥＺｈｅｎｇ－ｆｕ

（ＷｅｓｔｅｒｎＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ／ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｉ’ａｎ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｖａｃｕｕｍｓｙｓｔｅｍｏｆｖａｃｕｕｍｃｏｎｓｕｍａｂｌｅａｒｃｆｕｒｎａｃｅａｎｄｔｈｅ

ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｖａｃｕｕｍｌｅａｋａｇｅｒａｔｅｔｏｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｎｄＴｉ－ａｌｌｏｙｓｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｔｏｔｈｅｉｒｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ＳｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｌｅａｋａｇｅｏｆｔｈｅｖａｃｕｕｍｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｆｕｒｎａｃｅｂｙｕｓｅｏｆｔｈｅｌａｔｅｓｔＬｅｙｂｏｌｄ－３００ｌｅａｋｄｅｔｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｏｆｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｔｈｅｖａｃｕｕｍｓｙｓｔｅｍｓｏｆｃｏｎｓｕｍａｂｌｅａｒｃｆｕｒｎａｃｅｓａｎｄｓｉｍｉｌａｒｓｙｓｔｅｍｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｉｎｄｅｓｉｇｎ．

Ｋｅｙｍｏｒｄｓ：Ｔｉ－ａｌｌｏｙ；ｖａｃｕｕｍ；ｌｅａｋａｇｅｒａｔｅ；ｃｏｕｎｔｅｒｆｌｏｗ；ｈｅｌｉｕｍｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｌｅａｋｄｅｔｅｃｔｏｒ

钛元素具有高的化学活性，钛在高温下能与氧、氮、氢及其它气态化合物发生反应，大量气态化合物被钛吸收生成钛的化合物，引起钛的严重缺陷，在钛的熔融状态下，这些反应更为剧烈；而在一定条件下进行的真空熔炼，对于有气态物质生成的冶金反应都起良好的促进作用。在真空下熔炼钛及钛合金对于钛及钛合金的脱气、分解、挥发、和脱氧过程要比在大气压下进行的更加充分，能够获得更好的精炼效果，因而，钛、钛合金的生产必须、而且只能在一定真空状态下进行。

在当今世界范围内，工业化生产钛、钛合金的主要设备，仍是真空自耗电弧炉，简称ＶＡＲ铸锭炉。真空电弧炉的结构如图１所示。

１．驱动电机２．电极杆３．动密封４．观察孔玻璃５．炉室６．行走立柱７．熔化站出水口８．熔化站９．铸锭１０．旋转立柱１１．闭锁阀

电弧无法生成；太高的压力，炉室中的气体对产品的质量造成危害，失去精炼的意义。科研及多年的生产实践已证明：熔炼钛及钛合金的炉室压力最佳范围为０．１３￣１０Ｐａ，生产工艺决定了真空系统的配置。

１真空自耗电弧炉真空系统的组成

电弧炉炉室的压力越低，炉室的空气就越稀

１２．大蝶阀１３．油增压泵１４．大罗茨泵１５．小罗茨泵１６机械泵

图１

真空自耗电弧炉结构简图

Ｆｉｇ．１Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆａｖａｃｕｕｍｃｏｎｓｕｍａｂｌｅａｒｃｆｕｒｎａｃｅ

薄，炉室中的气体电离的机率就越少，压力太低

收稿日期：２００８－０３－０１

作者简介：李军仁（１９６９－），男，陕西省宝鸡市人，本科，工程师。

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真空ＶＡＣＵＵＭ第４５卷

电弧炉的真空系统一般由机械泵、罗茨泵、油增压泵、挡板阀、蝶阀等组成。最典型的真空系统是以罗茨泵和油增压泵相并联，二者在不同的压力范围内交替工作的真空系统，如图２所示，这样的优点是：充分考虑了熔化钛合金时，海绵钛具有放气量大的特点，在炉室压力突然增高的情况下，发挥罗茨泵在１０００￣１Ｐａ范围内抽速大的特点，

迅速排出炉室内的气

体，在炉室压力小于１０Ｐａ的情况下，通过压力控制开关，打开油增压泵进气口，关闭罗茨泵进气口，充分发挥油增压泵在１０￣０．１Ｐａ范围内抽速大的特点，保证了生产工艺所需的炉室真空度。

（１）真空管道、阀门之间存在着可拆卸的连

接，连接之间用丁晴橡胶作为密封件的；炉室存在运动部件，运动部件与炉室之间存在动密封。随着使用时间的延长，密封橡胶必然要老化，其密封可靠性要降低。

（２）金属管道之间存在着焊缝，钛在熔化

过程中有氯气放出，效。

目前，

用于检漏最为普及的仪器是氦质

谱检漏仪。它具有性能稳定、灵敏度高的特点。氦在大气中含量少（仅二十万分之一），离子质量与其它气体离子质量相差很大，不易受干扰，不会错判。适用于大漏率、真空卫生较差的真空系统的检漏，

其灵敏度可达

不能排除氯气对焊缝的

腐蚀，从而引起有腐蚀的气体环境，焊缝的失

１×１０－１０￣１×１０－１２ＰａＭ３／ｓ。

３典型的真空系统的抽空炉室压力曲线

在真空系统工作过程中，首先启动的是油

封式机械泵，在炉室压力达到３×１０３Ｐａ时，再启动小罗茨泵，当炉室压力达到１×１０２Ｐａ时，

１．机械泵２．波纹管３．小罗茨泵４．大罗茨泵５．真空挡板阀６．油增压泵７．维持泵８．气动蝶阀９．检漏仪

图２

电弧炉真空示意图

启动大罗茨泵。在炉室压力达到１０Ｐａ时，启动油增压泵（油增压泵需提前抽空和预热）。直至压力达到０．１Ｐａ左右，在测定炉室漏率小于工艺所允许的数值后，即可起弧生产了。炉室压力的变化如图３所示。在正常情况下，电弧炉抽空时间是一定的，炉室的漏率是一定的，当真空系统存在漏点时，它的抽空时间变长，若炉室漏率增大，则炉室存在着漏点；若炉室漏率无变化，则真空管道或真空泵存在漏点或真空泵有故障，需用检漏仪检漏，找到漏点，处理漏点，若无漏点，则是真空泵抽气效率降低，需检修、更换真空泵。

Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｖａｃｕｕｍｓｙｓｔｅｍｆｏｒｖａｃｕｕｍａｒｃｆｕｒｎａｃｅ

２电弧炉的检漏

一个配置科学、合理的真空系统，不仅要

求抽空时间（从泵启动到达工艺所要求的真空度）

短，而且要求真空系统有较好的气密

性，有生产工艺所允许的最大漏率。实际生产中，炉室的体积是固定的，因而，漏率是按每分钟炉内压力变化量变化来计算的。如图２所示，当阀Ｖ０１、Ｖ０２阀关闭后，真空炉室压力在一分钟内的变化量就是炉室的漏率。不同的金属熔炼工艺，有着不同的漏率，对于钛及钛合金，漏率０．１３Ｐａ／ｍｉｎ以下，是能够满足工艺需要的。

检漏的目的，在于发现真空炉室和真空系统的漏气点，及时处理漏点，处理的结果：一方面，使炉室的漏率控制在工艺所允许的范围内；另一方面，使真空管道、真空阀门及真空泵的漏气点得以消除，提高了真空系统的抽气速率，缩短了真空炉室的抽空时间。

任何一个真空系统，漏气是绝对的，不漏是相对的，这是因为：

图３电弧炉抽空压力曲线

Ｆｉｇ．３Ｐｕｍｐｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｃｕｒｖｅｆｏｒｖａｃｕｕｍａｒｃｆｕｒｎａｃｅ

４氦质谱检漏仪的连接

莱宝３００型检漏仪内部也有一个真空系

第３期李军仁，等：真空自耗电弧炉真空系统的检漏

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统，如图４所示，因为质谱室需要１０－２￣１０－３Ｐａ的真空，才能正常工作。出于保护，要求使用的入口压力Ｐ１不能大于１５００Ｐａ，否则，进气口电磁阀Ｖ１会自行关闭。氦质谱检漏仪有一个最大的优点，即逆流特性，氦气可逆着真空管道中空气的流向，经过Ｖ１、Ｖ２阀，流入涡轮分子泵中，再进入到质谱室中。这是其它的检漏仪没有的功能。在使用过程中，检漏仪有两种接法，一种是接在机械泵进气口，

如图５所

示，此法在机械泵和炉室漏率小的情况下，此处的压力小于１５００Ｐａ，检漏仪能够打开，可进

动，它的入口压力一般是在１０３Ｐａ左右的。检测小罗茨泵、机械泵漏点时，氦气是沿漏点逆着真空管道中的空气流向，由机械泵漏点沿真空管道经小罗茨泵、测点流入检漏仪的。在检测炉室时，氦气是沿空气流向，流入检漏仪中的。逆流检漏仪大大提高了检漏的工作效率，电弧炉的检漏，一般十分钟左右可找到漏点。

５检漏仪的使用

喷吹法是最常用、最简便的检漏方法（也称

真空法）。待检漏仪的入口压力小于１５００Ｐａ时，启动检漏仪，在怀疑的地方用喷枪喷吹氦气，喷气的原则是：先高后低，先近后远。喷气的量原则是：先用大气流检出漏孔所在的区域，再用小气流精检，找到漏孔确切的位置。大气流就是能听到氦气流动的气流声，小气流就是用舌尖能感受到喷枪出气口有气流流出。电弧炉的检漏路线是：电极杆动密封处→观察孔玻璃处→炉头法兰→闭锁阀密封处→真空管道波纹管处→真空

图４检漏仪真空示意图

Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｌｅａｋｄｅｔｅｖｔｏｒ

挡板阀→增压泵→维持泵→大罗茨泵→小罗茨泵→机械泵。

检漏仪是一个智能化的仪器，它具有操作简单、直观、响应快的特点，当有漏点时，氦气通过漏点进入检漏仪中，检漏仪的液晶显示屏就会立刻显示氦气的流量。

６结论

真空检漏：

图５检漏仪接在机械泵进气口

（１）首先要有真空知识，清楚设备的真空

组成；

特性，会熟练的操作（２）明白检漏仪的原理、检漏仪；

Ｆｉｇ．５Ｌｅａｋｄｅｔｅｃｔｏｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏｔｈｅｉｎｔａｋｅｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｕｍｐ

（３）氦气分子量小，黏度小，与其他气体之间

的摩擦力小，具有逆流特性。对于复杂的高真空系统，要充分利用氦气这一特性，选择设置好测点位置，能大大提高检漏的效率和准确性；

（４）业务上，操作人员要有责任心，这样，才

会提高检漏效率，不至于错过漏点。

图６

检漏仪接在罗茨泵进气口

Ｆｉｇ．６ＬｅａｋｄｅｔｅｃｔｏｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏｔｈｅｉｎｔａｋｅｏｆＲｏｏｔｓｐｕｍｐ

参考文献

［１］稀有金属加工手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９８２．［２］莫畏，邓国珠，罗方诚．钛冶金第二版［Ｍ］．北京：冶金工

业出版社．１９９８．

行检漏，在炉室漏率较大，或机械泵抽速下降的情况下，此处压力常大于１５００Ｐａ，检漏仪中的Ｖ１阀会自行关闭，检漏仪就无法工作了；另一种接法是：接在小罗茨泵进气口处，如图６所示，此法较科学，这是因为，小罗茨泵能够启

［３］Ｐｈｏｅｎｉｘｌ３００ｌｅａｋｄｅｔｅｃｔｏｒｏｐｅｒａｔｉｎｇｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ［Ｃ］

（Ｌｅｙｂｏｌｄｖａｃｕｕｍ，ｃｏｍｐａｎｙ）．