ALD真空自耗电弧炉真空常见问题分析

刘森 张巍 郭盛祥 李华 付寒芳

摘 要：真空自耗电弧炉真空常见问题有：1、炉室有漏点，漏气率不合格;2、真空系统失效，预真空度不达标或抽速缓慢。本文依据本单位德国ALD真空自耗电弧炉进行分析，并结合日常生产和维护检修的经验，提出解决日常生产和检修中真空问题的方式方法。

关键词：真空自耗电弧炉;真空系统;测漏;漏气率;检漏

1 概述

真空自耗电弧炉80%的故障为真空问题。设备真空部分以主阀（大阀）为分界，分为真空系统和炉室两大部分。真空自耗电弧炉（VAR）真空常见的主要问题有：1、炉室有漏点，漏气率不合;2、真空系统失效，预真空度不达标或抽速缓慢。

在正常情况下，炉室的漏气率是满足工艺要求的，设备的抽空时间趋于稳定。

漏气率不合，则炉室存在漏点，本单位现有ALD真空自耗电弧炉为单旋转炉帽（上炉体）、两固定下炉体的结构。可充分利用设备结构特点并借助检漏仪器，做到快速准确找漏。

真空系统将炉室抽不到预真空度或抽速缓慢，可关闭主阀，对炉室进行测漏气率，若漏气率大，则需处理炉室漏点;若漏气率合格，则真空系统存在漏点，还有可能为材料放气或真空泵失效。

2 常见炉体漏点分析处理

2.1  测漏气率

为保证产品质量，每炉熔炼前测漏必须合格，否则禁止熔炼。

炉室漏气率大的主要原因有：（1）存在漏气点;（2）有水渗入;（3）材料放气。

2.2  漏气率分析

1）区分漏气和放气。

根据炉室测漏气率时的真空压力-曲线，类似于图1的哪条曲线：

直线A，压强保持定值P0不随时间变化，说明系统不放气也不漏气，设备真空度上不去是由于真空泵工作不佳造成的;

曲线B，压强开始随时间上升较快，而后上升速度渐渐减缓并趋于平稳，说明系统不漏气，是由于放气而导致系统真空度不高;

斜线C，一条斜率为△P/△t的直线，说明炉室确实漏气并非放气;

曲线D，开始压强上升较快，而后逐渐变慢，最后变成斜率为△P/△t的直线，说明系统既有放气又有漏气现象。

2）判断是否内部渗水：

可根據抽空真空度曲线判断是否内部渗水，如果渗水，曲线为锯齿-波浪样式，如图2，因为渗入的水滴在高真空下挥发为气体引起压力值增大，被抽走后真空压力值降下来，下一滴水渗出，压力值再次升高后抽下来，如此往复，真空度曲线为“锯齿-波浪”样式，真空度越高曲线越明显。需要检查可疑渗水点：电极杆水封、炉帽内壁、闭锁阀水环、坩埚底垫密封。

2.3  检漏

1）检漏的原因：真空自耗电弧炉达不到工艺要求的真空度（6.65Pa-0.1Pa）或炉室漏气率超过工艺要求的范围（<3Pa/min）。

真空系统的抽气过程可用此方程来描述：dP/dt=-Sc*P/V+Q/V;

式中：P-被抽容器内压强;Sc-被抽容器出气口出的有效抽速;V-容器体积;Q-容器漏气量与放气量之和。

当抽空长时间后，容器压强不再变化或变化过于缓慢时，视为极限压强，式中dP/dt=0，得出极限压强为：P=Q/Sc，可见极限压强由漏气量与放气量的总和Q对有效抽速的比值决定，设放气量可忽略不计，则由漏气量与有效抽速的比值决定，即抽气和漏气达到了一种平衡的真空值。依此判定：达不到工艺要求的真空度是因为存在较大漏点。

2）检漏手段和方法：现常用检漏仪器为氦质谱检漏仪，可方便快速检漏：氦质谱检漏是指从真空腔体外部用氦气吹向被检测部位，然后由连接在真空腔体上的氦质谱检漏仪来检测侵入的氦气。由于氦气比空气轻很多，向真空腔体喷氦气检漏时要从上往下依次操作，否则不利于判定漏点所在。而且必须调节压力阀，使喷枪均匀喷出微量氦气，避免因大量氦气的迅速扩散，影响对漏气点的误判。当腔体构造复杂，或漏率极小时，可针对重点部位用塑料袋套住，然后向塑料袋内部充入氦气，实现对特定重点部位的检漏。

3 真空系统及其常见问题分析

3.1  真空系统及组成

真空系统就是用来获得有特定要求真空度的抽气系统。从系统中排除气体以获得真空，是用专门的真空泵组来完成的，根据真空系统的不同要求，配备各种各样的真空泵及附属部件，根据对真空度的要求，泵组中有不同台数的真空泵。真空系统的组成有：（1）真空泵;（2）真空阀门、连接管道;（3）真空测量装置;（4）其他元件，如储气罐、防尘器等。

本单位ALD真空自耗电弧炉配备的真空泵有：一台油增压泵、两台罗茨泵、两台滑阀式真空泵和一台维持泵。

3.2  常见真空系统问题分析

真空系统的主要问题为：预真空不达标或者抽空缓慢。主要原因有：（1）真空泵抽空失效：达不到额定极限真空;（2）真空系统存在泄漏：管路的焊点或密封、阀门处等;（3）测量元器件等失效。

3.2.1  真空系统问题判断

（1）检查测量元器件，可以用排错法检验真空检测元器件是否完好。

（2）对真空管道及可能漏气部位进行检漏。

（3）通过真空测点测试各真空泵极限真空。

3.2.2  机械真空泵常见问题分析处理

1）滑阀真空泵

前级配备了两台滑阀真空泵，可依次用单泵进行抽空时间对比，并参考历史抽空记录，可直接通过在泵口管路上接真空检测元件，单测真空泵极限真空，判断真空泵是否失效。

滑阀泵失效检查及处理方法：

a.轴封等泵体密封处漏气、漏油，大气从这些部位进入低压泵腔内，减少了对炉室的抽气效率，需立即维修或更换;

b.油管或接头漏气（原因同a），则检修;油路阻塞会导致泵腔缺油（原因同e），需及时疏通;

c.吸入气体温度高，气体分子越活跃越不易从进气口扩散到滑阀泵泵腔，抽气速率低，需对所抽气体降温;

d.冷却水不足或水路阻塞，引起泵膛温度高、油温高。高温导致泵内组件受热膨胀，改变组件之间和组件与泵腔之间的工作间隙（正常间隙约为0.04mm-0.12mm），引起相互之间摩擦增大，组件及泵膛磨损，配合间隙增大，抽空效果变差;严重会导致真空泵卡死或报废;油温高，粘度降低，回转件之间所需填充间隙的油膜无法形成，影响润滑和密封效果，进排气口相通，泵失去抽气功能。需经常检查冷却水流量是否正常，水温异常及时处理。

e.检查滑阀真空泵油。真空泵油的作用：1.润滑、散热;2.密封;3.帮助顶开排气阀。如果油被污染或缺油，油的作用失效，滑阀真空泵将达不到理论抽速，实际应用中发现，油的作用失不失效，滑阀泵可抽极限真空度相差1-2个数量级，需要对油箱排水、打开气镇阀运转1-2小时、补油或换油（根据真空泵油使用寿命和熔炼铸锭形式，一般熔炼一次铸锭每15天换油，熔炼二次或成品铸锭每20天-30天换油并清理油箱）。

f.检查排气阀组件。更换损坏的排气阀片、断裂的排气阀弹簧等。阀片、弹簧若失效，在排气过程中阀片不能及时关闭，部分气体、油箱中的泵油返回泵腔内，泵内气压升高，吸气困难，导致抽速降低。

g.检查a-f后，若抽空效率还是过低，在滑阀泵进气口接检测装置进行单泵真空度检测，若达不到使用要求，表明泵膛内部组件因长期使用磨损，导致配合间隙变大，若间隙大于0.15mm将无法满足实际抽空要求，需更换真空泵。

2）罗茨泵失效检查及处理方法：

a.罗茨泵泵壳、盲板等因螺杆松动密封失效、密封老化漏气，需紧固螺杆压紧密封或更换密封;

b.泵油封损坏漏气：油封损坏，油杯中的油漏进泵内后，气体从油杯漏入泵内，对炉室抽空效果降低，需更换油封，并清理泵腔。

c.由水、油、挥发物混合的杂质积于泵内底部或附着在转子、泵膛。杂质吸附的大量气体在抽高真空时会释放出来，影响抽空效率，严重会导致泵膛、转子磨损、罗茨泵抱死或报废。需要加强日常维护保养、定期清理。

d.检查a-c后，在进气口加装检测装置，测罗茨泵真空度，若真空度不合格，表明内部配合间隙变化导致达不到极限真空，需调整间隙或換泵。

4 结论

本文针对ALD真空自耗电弧炉真空常见的这两个主要问题，做出了全面系统的分析，并结合日常生产、维护检修中采用的方式方法，理论联系实际，总结出了一系列关于炉室漏气率和真空系统问题的判断、分析、处理的方式办法。希望对真空自耗电弧炉相关从业者解决真空问题有所借鉴。

参考文献

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[3]李军仁，彭常户，付宝全，刘俊，李强.从滑阀式真空泵的失效谈真空泵的维护、检修工艺.机械工程师，2010（6）：149-150.