实现低PPM氧气水平:泵缓慢以除了惰性气体清洗时耗时

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真空炉依靠缺乏气氛来保护热处理零件的表面氧化或脱碳。给定工艺所要求的大气质量是由疏散后剩余的残留物的数量来确定的。因此,最终的压力决定了气体的组成(较低的压力产生更少的氧气、氮气和诸如CO2、氩气和一些微量元素等成分)。一个变量是水蒸气。由于大多数高温真空炉都是由一个称为冷壁的水套构成的,它们有一个单独的薄内保温区,而不是直接应用于炉壳或热壁的保温区。

典型的,真空炉的热区或内部腔室将只有2或3英寸(50至75毫米)的绝缘,其中真空热损失减少,从而使较短的泵停机时间由于较少的排气。氮气和氧气可以毫无顾虑地排出。然而,容器内的水蒸气以两种形式存在——一种是气体或蒸汽,另一种是附着在水套内壁的冷凝液体。在潮湿的天气,大量的水可以通过吸附驻留在水套上,也可以被吸收到钢壁上的磨垢微观多孔表层。这种现象可以通过在内墙涂上专门设计的材料来缓解。虽然吸收的水减少了,但当冷却水温度降至环境空气露点以下时,被吸附的表面层将始终存在。真空泵在快速排水方面是出了名的不足。当最初的疏散开始时,压力的突然减少会通过蒸发释放热量,降低地表水和周围环境的温度,在某些情况下,甚至会形成一层薄薄的冰层。一旦形成,这一层就很难去除,直到钢壁加热或压力下降到足以使加热系统启动为止。

在许多方面,真空熔炉中使用的施工内部材料决定了给定过程所需的压力。例如,摩尔衬里(辐射屏蔽)与摩尔加热元件的绝缘将需要较低压力,亚10微米(0.0133毫巴)以除去足够的氧气和水蒸气以消除钢(铁)的氧化。如果相同的真空炉具有石墨绝缘和石墨加热元件,则为100微米的压力(.133毫巴)或更高的压力就足够了,因为石墨将充当氧气“吸气剂”在升高的温度下与氧气反应并从容器中抽空。当非常氧化敏感材料(例如钛或铝)进行热处理时,需要大大降低压力。

通常,需要三个真空泵垫才能实现所选择的压力。

基本的一级真空泵可以是活塞式或旋转叶片式。当容器较小或所需压力在100至500微米(0.133至0.66毫巴)之间时使用。

第二阶段是根型助力鼓风机,通常具有第一阶段的泵送速度五到10倍。当需要更快的泵送时或者需要低于50微米的压力但不小于5微米时,采用这些。

当需要低于一到五微米的压力时,第三阶段被称为扩散泵。几十年来,扩散泵采用蒸馏化石燃料油。如今,化石油已被不易燃的硅氧烷基油取代。简单地,通过第一和第二级泵除去空气的情况下的油煮沸产生蒸汽,该蒸汽通过从系统抽空的捕获气体分子以高速引导的蒸汽。虽然这些称为油扩散泵,但它们实际上并不实际泵送分子。由于第一和第二阶段泵减少了痕量的分子数(“平均自由路径”),因此分子传播与另一分子碰撞的距离是如此长,只需偶然就会进入入口即可扩散泵。因此,扩散泵的入口必须非常大并且尽可能地靠近真空容器的内部容积。

为了实现相当于通过真空泵产生的惰性气氛,大气热处理炉需要产生的氮气或氩气的气氛。其源极的液氮通常具有<10ppm的氧水平。真空水平为100微米(0.133毫巴)将氧气水平降至27ppm。为了在大气系统中实现27 ​​ppm氧,需要大约九(9)个体积的氮气变化。与真空泵不同,由于液氮的极其干燥-70°F(-56°C)露点,将水蒸气相当快速地除去。大多数大气熔炉具有温暖的壁结构,其中内/外壁通常在高温下在100°F至150°F(38°C至66°C)之间,消除了完全水的形成。