海绵钛真空熔炼中生产挥发物对真空系统影响与解决办法

金旭

摘   要：文章针对海绵钛在真空熔炼工业化生产时产生的真空泵组抱死、零件腐蚀等现象，给予十分详细的研究与分析，指出在实际生产过程中，产生此类故障预防的相关方案和措施，使生产时真空泵组产生的故障率降低，使真空泵组的使用寿命得到延长，并取得较好的生产试验效果。

关键词：海绵钛;真空熔炼;挥发物;真空机组;抱死

钛是金属材料领域中新发现的一种元素，是一种新型的优良金属材料，钛合金自身的密度比较低，但具有很高的强度和比模量，同时具有熔点温度高、较强的耐腐蚀性和抗高温性，还有较好的抗蠕变性能与抗氧化性能，是非常具有潜力的新一代高温合金结构材料，被称为“太空金属”“海洋金属”和“战略金属”，所以，其在航空航天和核工业等领域非常重要，能被广泛使用，是非常重要的战略物资。

在广泛的军用和民用市场需求的带动下，国内海绵钛制品市场发展潜力很大，应用的前景非常广阔。但是，目前中国国内海绵钛和钛合金产品的产量与军用、民用市场需求还存在较大的差距。根据国外统计的钛产量为鋼产量的万分之一的比例来计算，中国国内钛和钛合金产品的年产量应在3～5万吨，但当前不足1万t，并且以钛的棒料为主，高质量的钛和钛合金板带带卷等产品仍然依靠进口来维持国内的钛成品生产需求。

1    问题提出

钛是一种活性金属，在高温下会和空气中的氧气发生氧化反应，所以在熔炼时，必须处在真空熔炼设备的环境下进行。真空熔炼方法常采用真空感应熔炼真空电弧熔炼及电子束熔炼等离子熔炼和冷床熔炼等，这些熔炼设备之间的相同点是都要使用真空泵组在真空系统里将气体排除干净，使其能够满足真空状态条件。在海绵钛自身熔炼的真空熔炼炉内，原真空系统设备里有很多粉尘和挥发物质，这些物质与空气里的水和机械泵的油接触，共同进行混合后，对机械设备和真空系统设备的运行造成极大危害[1]。

1.1  挥发物腐蚀前级机械泵泵腔和滑阀的严重影响

挥发物使腐蚀前级机械泵泵腔和滑阀的间隙增加，把机械泵自身的额定抽气速率降低，也会使机械泵的主轴被严重腐蚀，同时，与轴配合间隙增大，运行时会产生较大的震动，使机械泵的使用寿命缩短，还会经常产生真空密封泄露和漏油问题。也会腐蚀前级机械泵滑轨上的固定螺栓，在机械泵运行时产生的震动，螺栓会出现脱落现象，导致泵腔被划伤和出现报废现象[2]。

1.2  挥发物进入前级机械泵的影响

挥发物如果混进泵油里，泵油的黏度会变得非常黏稠，使排气阀和滑阀油孔、磨损阀片等发生阻塞，会使泵体与滑阀之间产生发热现象，也会让前级机械泵产生抱死的现象。挥发物会对轴封的气密性产生影响，出现严重漏气问题。

1.3  挥发物进入罗茨泵泵腔的影响

挥发物如果附着在泵腔和转子的表面，会使本来光洁的表面变得非常粗糙。当挥发物积累到一定程度，泵腔和转子之间的间隙会变小，负荷增加，使泵体表面产生发热现象，导致转子产生热膨胀，泵也发生抱死现象，同时也使罗茨泵的抽气速率极大减弱，使用效果不好。

1.4  挥发物进入油扩散泵的影响

当挥发物进入油扩散泵泵腔后，会使泵油的粘度增加，油变得非常黏稠，使扩散泵泵嘴被油污堵塞，导致油扩散真空泵无法进行正常的运行工作。当挥发物进入油后，也会使油的沸点升高，导致自身的工作时间延长，打开阀门的时间缩短，产生返油和无真空或假真空的问题[3]。

2    分析与讨论

2.1  真空泵组中挥发物的来源

海绵钛的制备工艺流程主要是经过氯化制取粗四氯化钛、精制制取精四氯化钛、镁还原四氯化钛进行还原得到海绵钛，并通过高恒温高真空蒸馏，去除海绵钛中杂质镁和氯化镁、破碎、包装等工序进行制取生产商品海绵钛。高钛渣在氯化工序制备四氯化钛，四氯化钛与镁发生还原反应得到海绵钛和氯化镁，再经过蒸馏除去杂质[4]。但在蒸馏除去杂质后，海绵钛产品里还存留非常多的氯化物杂质和金属杂质。在国家标准中，零级品的海绵钛产品里有0.06%的氯含量，经过相关的理化分析检测能够得出数据。在真空泵组排除系统空气的过程中，这些含氯杂质被排除进入真空泵组的前级机械泵，与真空泵油和空气中的水产生化学反应，生成盐酸和次氯酸，生成物溶解在真空泵油里，对不同的真空泵油和滑阀等产生腐蚀危害。

2.2  真空泵组中挥发物的来源

经过大量的生成实践，通过对真空泵机组中粉尘成分进行分析可得，真空系统中的挥发物主要有两个粉尘来源：（1）自耗电极中含钛粉尘被吸入真空泵机组中;（2）钛在熔化过程中，产生的金属挥发物被吸入真空泵中。在该组中，真空消耗电弧炉运行期间产生的灰尘和设备内部的灰尘被吸入真空泵组。在这些粉尘中，挥发物和一些混入油扩散泵的油附着在真空管道内和罗茨泵的内表面，有些与机械泵的泵油混合。真空泵中的粉尘和挥发物的聚集在一定程度上会导致上述问题的发生。

3    解决方案

针对上述缺陷和问题，在具体进行使用时，作出以下解决方案，并收到良好的使用效果。每周将气镇阀阀门打开一次，把真空泵里的水排干净，使真空泵油自身的酸浓度降低，同时还能减少对真空泵机组设备的腐蚀。停泵时，需要将充气阀阀门及时打开，使真空泵油及时返回到油箱，防止盐酸和次氯酸腐蚀前级机械泵的泵腔。滑轨固定螺栓材质更改为耐腐蚀的钛螺栓或耐酸腐蚀的不锈钢螺栓，使固定螺栓被腐蚀脱落的概率降低，减少其对泵腔造成的损坏，在真空泵组的入口位置添置便于拆卸的防尘装置。

4    结语

因为海绵钛生产制取的工艺不能改变，装备受其生产工况限制，海绵钛产品中的挥发物不能完全被除去，导致杂质氯元素存在，只能通过以上处置方法减缓对真空系统泵机组造成的影响。以上对海绵钛挥发物进行处置的办法进行生产实践后，海绵钛在进行一次熔炼的过程中，机械泵原本生产3个月进行更换一次，现延长到生产一年更换一次，罗茨泵和油扩散泵的维修次数大大减少，使用效率提高，为生产企业降低生产成本，提高生产效率。

[参考文献]

[1]王贵生.钛的应用技术[M].长沙：中南大学出版社，2012.

[2]陈兴汉.真空熔炼[M].西安：西安前进印刷厂，2014.

[3]王晓东.真空技术[M].北京：冶金工业出版社，2013.

[4]邓国珠.钛冶金[M].北京：冶金工业出版社，2010.