Техника получения и измерения вакуума

Глава VI

Вакуумные печи

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 трубопроводи 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_насна 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 dτиз 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/dτпри 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 /dτпри p_i = const, (179)

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

Количество газа, проходящего через поперечное сечение вакуумного трубопровода в единицу времени, называют потоком газа F_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 = F_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 F_гз или заданной производительности насоса (Q_V)_наспри впускном давлении р_нас.

Проводимость G_гд является основной характеристикой элементов откачной системы.

При последовательном соединении элементов, когда данный поток газа F_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.

Вакуумные насосы

В зависимости от вакуума, который необходим для технологического процесса вакуумной плавки (см. рис. 93), и от количества и состава откачиваемых газов (паров) применяют те или иные вакуумные насосы или системы вакуумных насосов.

Вакуумные насосы откачивают газ в результате механического перемещения газа при периодическом изменении объема рабочей камеры насоса (объемные насосы), путем увлечения струей жидкости, пара или газа (струйные насосы) или непрерывно движущимися твердыми поверхностями (турбомолекулярные насосы), а также связывания молекул газа путем сорбции* (сорбционные насосы) или конденсации на охлаждаемых поверхностях (конденсационные насосы).

Объемные и турбомолекулярные насосы являются механическими вакуумными насосами, откачивающее действие которых связано с механическим движением (вращательным, возвратно-посту-пательным или комбинированным) рабочих частей насоса (лопатки рабочего колеса ротора, радиальные пластины, два профильных ротора, статорные и роторные диски с радиальными каналами, поршень и т.п.). Струйные насосы в зависимости от агрегатного состояния рабочей жидкости и механизма взаимодействия откачиваемого газа и струи могут быть пароводяными или паромасляными эжекторными**, в которых струя увлекает газ в результате турбулентного перемешивания (турбулентно-вязкостный захват); паромасляные диффузионные, в которых происходит диффузия молекул откачиваемого газа в струю пара, где они, сталкиваясь с молекулами пара, приобретают составляющую скорости в направлении движения пара.

По условиям работы различают вакуумные насосы с выхлопом откачиваемых газов при атмосферном давлении (большинство объемных насосов и эжекторные насосы, создающие давление 0,1...1 Па) и насосы, для работы которых на выхлопе необходимо создать пониженное давление – форвакуум*** (двухроторные и турбомолекулярные механические насосы, бустерные и диффузионные струйные насосы).

Для откачки больших объемов и поддержания низкого вакуума (например, в установках для внепечного вакуумирования жидкой стали) применяют вращательные многопластинчатые (типа РВН) или водокольцевые (типа ВВН) насосы, обладающие большой быстротой действия (0,1...1 м³/с). При эксцентричном вращении ротора образуются откачные радиальные полости переменного сечения между подвижными пластинами, установленными в пазах ротора РВН, или между лопастями ротора ВВН и кольцевым объемом воды, отбрасываемой центробежными силами к периферии корпуса насоса. Насосы типа ВВН просты в эксплуатации и обеспечивают откачку паров воды и газов, содержащих твердые частицы. Недостатком насосов типа РВН и ВВН является предельное остаточное давление порядка 10³...10⁴ Па.

Насосы типа ВВН иногда применяют в качестве безмасляного форвакуумного насоса.

В механических объемных насосах среднего вакуума зазоры между входным (впускным, всасывающим) и выходным (выпускным, выхлопным) патрубками и все так называемые вредные пространства, из которых откачиваемый газ вытесняется при работе механизма насоса, заполняют специальным вакуумным маслом марки ВМ-6, имеющим низкое давление насыщенных паров, высокую термическую стойкость и малую склонность к растворению паров воды и образованию масляно-водяной эмульсии. Такое масляное уплотнение предотвращает обратное перетекание газа с выхода на вход насоса и снижает предельное остаточное давление. Кроме этого, масло обеспечивает смазку и частичное охлаждение механизма насоса.

Недостатком насосов с масляным уплотнением является опасность порчи масла вследствие попадания из откачиваемого сосуда паров, конденсирующихся в условиях сильного сжатия откачиваемого газа, когда соотношение объемов всасываемого и выбрасываемого газа достигает 700. Попавший в масло конденсат вновь испаряется в камере насоса и увеличивает полное остаточное давление.

Эффективным способом предотвращения конденсации паров является снижение степени сжатия дозированным напуском в рабочую полость насоса неконденсирующегося, так называемого балластного газа (газобалластные вакуумные насосы) в добавление к поступившему в нее откачиваемому газу после отделения полости от впускного патрубка насоса. В качестве балластного газа обычно используют атмосферный воздух. Количество балластного газа определяют из условия, чтобы к моменту достижения смесью давления выхлопа парциальное давление паров не достигало давления насыщения, и регулируют с помощью трехпозиционного крана-дозатора на максимальный, промежуточный и минимальный поток балластного газа. В начале откачки, когда парциальное давление паров наибольшее, устанавливают максимальную подачу балластного газа. Поскольку при работе с газовым балластом повышается вероятность проникновения воздуха в сторону впускного отверстия, полное остаточное давление в откачиваемом сосуде будет выше, чем без газового балласта, что необходимо иметь в виду при эксплуатации газобалластных насосов.

В зависимости от конструкции насосов с масляным уплотнением различают пластинчато-роторные, плунжерные и др.

В пластинчато-роторном насосе (рис. 95, а) при вращении эксцентрично расположенного ротора пластины благодаря пружинам постоянно прижимаются к цилиндрической поверхности рабочей камеры, образуя две полости переменного сечения. В полости увеличивающегося объема понижается давление и через впускной патрубоквсасывается газ из откачиваемого сосуда. Полость уменьшающегося объема (полость сжатия) имеет выхлопной клапан, расположенный под слоем масла,что исключает контакт полости сжатия с атмосферой. Когда давление газа в полости станет достаточным для открытия клапана, произойдет выхлоп. Выталкиваемый сжатый газ проходит через слой масла в выпускной патрубок. При непрерывном вращении ротора откачиваемый газ всасывается поочередно в обе полости.

Недостатком таких вращательных насосов является высокая относительная скорость в местах контакта пластин с камерой, что ограничивает создание крупных пластинчато-роторных насосов. Насосы типа НВР имеют быстроту откачки до 0,04 м³/с при предельном остаточном давлении 0,5 Па.

Для получения давлений ниже 0,1 Па применяют двухступенчатые насосы (типа 2НВР), имеющие два последовательно работающих откачивающих механизма в одном корпусе. Ближайшая к откачиваемому сосуду высоковакуумная ступень создает небольшой перепад давлений (не более 0,1 Па), не имеет масляного уплотнения и в нее не попадают пары, растворенные в масле, благодаря чему и возможно достижение низких давлений.

В плунжерном насосе (см. рис. 95, б) рабочим органом служит удлиненный пустотелый поршень (плунжер) прямоугольного сечения, совершающий возвратно-поступательное движение в шарнирной направляющей и связанный с вращающимся эксцентриком цилиндрической обоймой,которая разделяет рабочую камеру также на две полости переменного сечения. Откачиваемый газ, поступающий через впускной патрубок,попадает в полость всасывания через прорезь в прямоугольной части плунжера, открывающуюся при его опускании. Одновременно в полости сжатия происходит сжатие откачиваемого газа, напуск через кран-дозаторбалластного газа и выталкивание газовой смеси через выхлопной клапан,также находящийся под слоем масла.

Рис. 95. Схемы пластинчато-роторного (а) и плунжерного (б) механических насосов с масляным уплотнением:
1 – рабочая камера; 2 – пластины; 3 – ротор-эксцентрик; 4 – впускной патрубок; 5 – выпускной патрубок; 6 – масло; 7 – выхлопной клапан; 8 – кран-дозатор; 9 – поршень (плунжер); 10 – шарнир; 11 – обойма

Процесс всасывания газа через прорезь плунжера напоминает работу золотникового распределительного устройства. Поэтому плунжерные насосы также называют золотниковыми.

Откачивающий механизм плунжерных насосов ввиду небольших относительных скоростей движения плунжера в шарнирной направляющей допускает создание насосов с быстротой действия до 0,1 (средние насосы) и до 0,5 м³/с (крупные насосы). Насосы типа НВЗ имеют предельное остаточное давление 0,66 (одноступенчатые) и 0,066 Па (двухступенчатые).

Вакуумные объемные насосы с масляным уплотнением применяют при всех видах вакуумной плавки (см. рис. 94) в качестве форвакуумных перед высоковакуумными насосами, а также для вакуумирования небольших пространств в различных технологических устройствах вакуумных электропечей.

Особое место в группе механических вращательных объемных вакуумных насосов занимают двухроторные насосы. В овальной рабочей камере насоса расположены два фигурных ротора, напоминающих в сечении цифру 8 и синхронно вращающихся навстречу друг другу. Зазор 0,1...0,15 мм между роторами и стенками камеры исключает соприкосновение и, следовательно, излишнее трение, что позволяет задавать роторам большую частоту вращения (до 50 с^–1) и достигать высокой быстроты действия (0,5...1,5 м³/с) при сравнительно малых габаритах и массе насоса.

Однако зазоры создают опасность обратного перетекания откачиваемого газа, что ограничивает максимальное выпускное давление (10³ Па) и определяет необходимость последовательного подключения к двухроторному насосу форвакуумного насоса.

Двухроторные двухступенчатые насосы типа 2ДВН широко применяют в металлургии (см. рис. 93) для создания среднего вакуума в составе вакуумных агрегатов типа АВР и высокого вакуума в качестве бустерных (вспомогательных) насосов при совместной работе с высоковакуумными насосами.

Принцип действия турбомолекулярных насосов основан на сообщении молекулам разреженного газа направленной дополнительной скорости быстро движущейся твердой поверхностью. Рабочий механизм насоса образован роторными и статорными дисками толщиной несколько миллиметров. Частота вращения ротора достигает 400...500 с^-1. Молекулы, попадающие в радиальные прорези роторных дисков, помимо скорости теплового движения, приобретают дополнительную скорость, равную окружной скорости роторного диска и направленную параллельно оси насоса (при угле наклона прорезей относительно плоскости диска 20...30°). Каждый роторный и статорный диск создает небольшой перепад давлений, но благодаря большому числу пар дисков (до 19) отношение давлений на выходе из насоса и входе в насос может достигать величины 5...10. Быстрота действия турбомолекулярных насосов достигает 20 м³/с; предельное остаточное давление (при использовании форвакуумного насоса) составляет 10^–7...10^–8 Па. Эти насосы применяют для откачки высоковакуумных и сверхвысоковакуумных электропечей (например, УЭН).

Пароводяной эжекторный насос, как правило, является многоступенчатой установкой (рис. 96), работающей с выхлопом в атмосферу. Основным конструктивным элементом каждой ступени является сопло Лаваля, в которое подводят пар от заводской паровой магистрали под давлением до 1,5 МПа. На выходе сопла струя пара истекает со скоростью до 1000 м/с в камеру смешения, увлекая откачиваемый газ в результате турбулентного перемешивания в диффузор, в котором скорость потока снижается по мере его расширения. При больших значениях коэффициента эжекции в виде отношения количества откачиваемого газа к расходу пара через сопло применяют цилиндрические камеры смешения; при малых его значениях – конические, сужающиеся по мере удаления от сопла. Для уменьшения объема откачиваемой каждой ступенью парогазовой смеси между ступенями устанавливают конденсаторы для пара.

Рис. 96. Схема пароэжекторного насоса (ОС – откачиваемый сосуд; 1э...4э – эжекторы; 1к...3к – конденсаторы)

Предельное остаточное давление, создаваемое пароводяным эжекторным насосом, зависит от числа ступеней и может достигать 0,1...1 Па при быстроте действия 1...100 м³/с, что позволяет использовать этот тип вакуумных насосов для откачки крупных металлургических агрегатов (установки для внепечного вакуумирования жидкой стали в ковше, индукционные вакуумные печи).

В паромасляных вакуумных насосах (рис. 97) применяют пары специальных рабочих жидкостей с большой молекулярной массой: вакуумное масло марки ВМ-3 (М = 350 кг/моль) для эжекторных насосов, марки ВМ-1 или ВМ-5 (М = 450 кг/моль) для диффузионных насосов. Масло испаряют в кипятильнике, оборудованном нагревательным элементом сопротивления, в условиях пониженного давления, т.е. для работы паромасляного насоса необходим форвакуумный насос. Насыщенный пар масла поднимается по паропроводу и истекает в пространство рабочей камеры насоса с достаточно большой скоростью, захватывая откачиваемый газ, поступающий через впускной патрубок, и вынося его к выпускному патрубку, соединенному с форвакуумным насосом. Пар конденсируется на водоохлаждаемой стенке рабочей камеры и стекает в виде конденсата в резервуар кипятильника.

Для предотвращения попадания паров масла в откачиваемый сосуд над верхним соплом паропровода устанавливают водоохлаждаемый маслоотражательв виде колпачка.

Для усиления турбулентного перемешивания в паромасляных эжекторных насосах повышают плотность струи пара за счет применения легколетучего масла (для масла ВМ-3 давление пара при 293 K составляет 13...1,3 мПа), увеличения мощности и рабочей температуры нагревательного элемента, использования специальной формы сопла (см. рис. 97, позиция 3) паропровода (так называемое обращенное сопло зонтичного типа) и эжекторного сопла с диффузором (эжекторная ступень).

Паромасляные эжекторные насосы типа НВБМ, обладающие наибольшей быстротой действия (до 15 м³/с) в диапазоне давлений 10...0,1 Па, что соответствует технологическим условиям вакуумной плавки стали (см. рис. 93), широко применяют в качестве как основных откачивающих агрегатов, так и вспомогательных (бустерных*) вакуумных насосов, обеспечивающих работу основных насосов с малым выпускным давлением. В некоторых случаях целесообразна одновременная (параллельная) работа их с механическими двухроторными или высоковакуумными (диффузионными) насосами.

Паромасляные диффузионные насосы (см. рис. 97) конструктивно схожи с паромасляными эжекторными насосами, но работают при меньших давлениях пара в кипятильнике (для масла ВМ-1 давление пара при 293 K составляет 5,3...0,26 мкПа) и с устройством для разделения рабочей жидкости на фракции с разным давлением насыщенного пара (так называемые фракционирующие, или разгоночные, насосы). Тяжелые (с низким давлением насыщенного пара) фракции направляются в верхнее сопло первой (высоковакуумной) ступени с наибольшей площадью кольцевого зазора, которое определяет быстроту действия насоса (до 79 м³/с) и предельное остаточное давление (до 50 мкПа). Легкие (с высоким давлением насыщенного пара) фракции попадают в нижнее сопло последней ступени с узким кольцевым зазором, определяя выпускное давление порядка 10...40 Па.

Основные характеристики диффузионных насосов существенно зависят от молекулярной массы и коэффициента диффузии через паровую струю откачиваемого газа, что проявляется, в частности, в повышенном парциальном давлении водорода в парах рабочей жидкости. Поток паров рабочей жидкости, поступающих в откачиваемый сосуд (так называемый обратный поток) через единицу площади впускного отверстия диффузионного насоса, может достигать 0,3...3 мг/(м³∙с). Поэтому диффузионные насосы, имеющие впускные патрубки большого диаметра (0,9...1,2 м), оснащают охлаждаемыми механическими ловушками оптически плотной конструкции, в которой входное отверстие ловушки не просматривается на плоскости ее выходного отверстия, что снижает обратный поток паров в 10⁵–10⁶ раз.

Паромасляные диффузионные насосы типа Н выпускают в виде агрегатов, укомплектованных типовыми переходными вакуумными трубопроводами с ловушками и вакуумными затворами для присоединения насоса к откачиваемому сосуду. Однако быстрота действия вакуумного агрегата примерно в четыре раза меньше быстроты действия насоса вследствие дополнительного сопротивления переходного патрубка.

Такие агрегаты в качестве самостоятельных откачных агрегатов можно применять только для металлургических процессов в области высокого вакуума, при ограниченном газовыделении (например, для переплавных процессов в УЭН). Часто высоковакуумные диффузионные насосы работают совместно (параллельно) с бустерными (паромасляным эжекторным или механическим двухроторным), причем паромасляный эжекторный насос может создавать форвакуум для диффузионного в диапазоне давлений, когда быстрота действия соответствующего форвакуумного механического насоса с масляным уплотнением практически близка к нулю (10...0,1 Па).

Вакуумметры

Приборы для измерения давления разреженного газа (т.е. ниже атмосферного) называют вакуумметрами. Необходимо отметить, что понятие «давление газа» как усилие на единицу поверхности для вакуумной техники утратило свой смысл, поскольку более важными характеристиками разреженной газовой среды являются плотность, или молекулярная концентрация газа.

По принципу действия вакуумметры разделяют на жидкостные, компрессорные, деформационные, тепловые и ионизационные. Вакуумметры первых трех групп являются приборами прямого действия, непосредственно измеряющими давление газа. Их показания принципиально не зависят от состава газа и его температуры. Другие вакуумметры как приборы косвенного действия измеряют не само давление, а некоторую его функцию и, как правило, состоят из манометрического преобразователя и измерительного блока. Отсчет давления (выходной сигнал) у вакуумметров косвенного действия зависит от состава газа и его температуры.

Приборы для измерения парциальных давлений разреженных газов называют газоанализаторами или масс-спектрометрами, принцип действия которых основан на ионизации анализируемого газа.

Поток откачиваемых разреженных газов измеряют специальными методами, например, методом накопления для периодических измерений или методом калиброванного сопротивления с двумя манометрическими преобразователями для непрерывного измерения.

В технологических вакуумных установках черной металлургии широко применяют вакуумметры косвенного действия (см. рис. 93, в).

Тепловые вакуумметры построены на принципе изменения теплопроводности разреженного газа пропорционально давлению, причем об изменении давления судят по изменению тока накала нити при постоянной температуре (вакуумметр сопротивления) или по изменению температуры нити при постоянном токе накала (термопарные вакуумметры). Показания тепловых вакууметров существенно зависят от рода измеряемого газа, поскольку теплопроводность газа обратно пропорциональна корню квадратному из его молекулярной массы.

Термопарный измерительный блок типа ВТ имеет манометрический преобразователь типа ПМТ на основе хромель-копелевой термопары и рассчитан для измерения давления в диапазоне 500...0,1 Па.

Ионизационные вакуумметры построены на принципе прямой зависимости числа ионов, возникающих при ионизации разреженного газа (при давлении ниже 0,1 Па) электронами, эмиттированными накаливаемым катодом и ускоренными положительным потенциалом анода (+200 В), от плотности газа, т.е. от его давления в манометрическом преобразователе.

Ионизационный измерительный блок типа ВИ имеет манометрический преобразователь типа ПМИ и рассчитан для измерения давления в диапазоне 33...10^–8 Па. Ионизационно-термопарный измерительный блок типа ВИТ имеет два манометрических преобразователя: для измерения давления 100...1 Па (в линии форвакуумного насоса) с помощью ПМТ и 1...10^–5 Па (в линии основного насоса) с помощью ПМИ.

Течеискатели

В любой откачной системе всегда имеется ряд участков, которые наименее надежны в отношении герметичности и через которые происходит натекание атмосферного воздуха или других газов в откачную систему (так называемые течи). Для определения величины натекания ΔF_гз откачную систему откачивают до возможно более низкого давления р_из, изолируют с помощью вакуумного затвора (клапана, крана) от вакуумного насоса и измеряют изменение (повышение) давления в известном объеме откачной системы V за время τ:

ΔФ_гз = V(Δр/τ). (187)

Если давление р_изне меняется со временем (Δр ≈ 0), но оно выше предельного остаточного давления р_ост вакуумного насоса, то откачная система герметичная, т. е. вакуум-плотная, но не может быть откачана из-за плохой работы насоса. Если давление р_извозрастает, но стремится к определенному пределу, внутри откачной системы имеется источник газовыделения. Если давление р_из возрастает пропорционально времени t, то система негерметичная и необходимо искать течь одним из следующих методов с помощью так называемых течеискателей:

1. Компрессионный метод (опрессовка), применяемый для испытания отдельных элементов откачной системы и обнаружения течей с натеканием до 5·10^–3 м³∙Па/с (грубые течи).

2. Метод высокочастотного разряда, применяемый для поиска течей с натеканием до 0,01 м³∙Па/с в стеклянной стенке откачной системы с помощью искрового течеискателя типа И 060.010.

3. Манометрический метод, основанный на проникновении через течь в откачную систему специальных индикаторных веществ (пары или газы), обладающих значительно большей или меньшей теплопроводностью по сравнению с воздухом (метод теплового манометрического преобразователя, позволяющий обнаружить течь до 10^–4 м³∙Па/с) или влияющих на ионный ток ионизационного манометрического преобразователя (такой метод позволяет обнаружить течь до 10^–5 м³∙Па/с).

4. Метод галогенного течеискателя, основанный на эффекте резкого возрастания эмиссии положительных ионов с накаленной до 1100...1200 K платины при попадании на поверхность платины галогенсодержащих газов (CCl₂F₂, СС1₄, С1СН₂СН₂С1 и др.). Наиболее часто применяют хладон CCl₂F₂, наполняя им обследуемый сосуд до избыточного давления (метод опрессовки) или обдувая сосуд, в котором поддерживают разрежение. Щуп течеискателей типа ГТИ или БГТИ оформлен в виде пистолета, внутри которого расположен нагреваемый цилиндрический платиновый анод и цилиндрический катод из нержавеющей стали. Минимально обнаруживаемая течь при работе на чистом хладоне составляет 10^–9 м³∙Па/с.

5. Метод масс-спектрометрического течеискателя с применением для обдува в качестве индикаторного вещества гелия, аргона или водорода. Такой течеискатель состоит из анализатора в виде масс-спектрометрической камеры с магнитом, откачной системы и электрических блоков питания и измерения. Передвижной (типа ПТИ) и стационарный (типа СТИ) гелиевые течеискатели способны обнаружить течи с потоком 5∙10^–12...10^–14 м³∙Па/с.

Дуговые вакуумные печи

Общие сведения

Принцип действия дуговой вакуумной печи (ДВП)* основан на преобразовании электрической энергии в тепловую в дуговом разряде, который существует в разреженных парах переплавляемого металла. Такая печь (рис. 98) представляет собой газоразрядный прибор, состоящий из цилиндрического катода (расходуемый электрод)и коаксиального цилиндрического анода (водоохлаждаемый кристаллизатор,в котором наплавляют слиток), т.е. ДВП работает с прямой полярностью постоянного тока. В процессе плавки по торцу электрода-катода перемещаются катодные пятна, имеющие высокую температуру. Однако средняя температура жидкого металла, образовавшегося на торце электрода, определяется в основном не эмиссионными явлениями, а процессом каплеобразования.

Рис. 98. Схема (а) и общий вид (б) ДВП типа ДСВ – 11,2 – Г37:
1 – расходуемый электрод; 2 – рабочая (вакуумная) камера;
3 – кристаллизатор; 4 – слиток; 5 – откачная система; 6 – проходное вакуумное уплотнение; 7 – токоведущий шток; 8 – 11 – соответственно механизмы подъема кристаллизатора, передвижения электрода, выката и разгрузки кристаллизатора

Образовавшаяся на торце расходуемого электрода пленка жидкого металла собирается в капли под действием силы тяжести (гравитационная сила) и электродинамических сил. Когда эти силы превзойдут силы поверхностного натяжения, удерживающие жидкий металл в виде капли, произойдет отрыв капли от электрода. Таким образом, металл расходуемого электрода переносится в металлическую ванну на слиток в виде мелких капель, обладающих развернутой поверхностью, что в условиях вакуума обеспечивает глубокую дегазацию переплавляемого металла.

Первые капли, попадающие на водоохлаждаемый поддон, быстро застывают. Однако уже на небольшом расстоянии от поддона его охлаждающее действие резко ослабевает и образуется ванна жидкого металла на слитке.

В условиях ДВП невозможно осуществить значительный перегрев жидкого металла, что снижает металлургические возможности ВДП.

Дуговой разряд в ДВП имеет следующие особенности:

1) разряд существует между двумя металлическими электродами, причем катод – расходуемый электрод непрерывно плавится, перетекая в виде капель на анод, что изменяет распределение мощности между электродами и ограничивает длину дуги l_д, мм:

(10...20) < l_д < (30...50), (188)

где нижний предел определяется капельными КЗ, а верхний предел – разбрызгиванием падающих капель жидкого металла и возможным переходом (перебросом) дуги на стенку кристаллизатора;

2) дуговой промежуток не имеет изолированных стенок, поэтому все электроны попадают в конечном счете на анод-слиток, кристаллизатор, стенки рабочей камеры, что характеризуется малым продольным г