ALD真空自耗電弧爐真空常見問題分析

劉森 張巍 郭盛祥 李華 付寒芳

摘 要：真空自耗電弧爐真空常見問題有：1、爐室有漏點，漏氣率不合格;2、真空系統(tǒng)失效，預(yù)真空度不達標(biāo)或抽速緩慢。本文依據(jù)本單位德國ALD真空自耗電弧爐進行分析，并結(jié)合日常生產(chǎn)和維護檢修的經(jīng)驗，提出解決日常生產(chǎn)和檢修中真空問題的方式方法。

關(guān)鍵詞：真空自耗電弧爐;真空系統(tǒng);測漏;漏氣率;檢漏

1 概述

真空自耗電弧爐80%的故障為真空問題。設(shè)備真空部分以主閥（大閥）為分界，分為真空系統(tǒng)和爐室兩大部分。真空自耗電弧爐（VAR）真空常見的主要問題有：1、爐室有漏點，漏氣率不合;2、真空系統(tǒng)失效，預(yù)真空度不達標(biāo)或抽速緩慢。

在正常情況下，爐室的漏氣率是滿足工藝要求的，設(shè)備的抽空時間趨于穩(wěn)定。

漏氣率不合，則爐室存在漏點，本單位現(xiàn)有ALD真空自耗電弧爐為單旋轉(zhuǎn)爐帽（上爐體）、兩固定下爐體的結(jié)構(gòu)?？沙浞掷迷O(shè)備結(jié)構(gòu)特點并借助檢漏儀器，做到快速準(zhǔn)確找漏。

真空系統(tǒng)將爐室抽不到預(yù)真空度或抽速緩慢，可關(guān)閉主閥，對爐室進行測漏氣率，若漏氣率大，則需處理爐室漏點;若漏氣率合格，則真空系統(tǒng)存在漏點，還有可能為材料放氣或真空泵失效。

2 常見爐體漏點分析處理

2.1? 測漏氣率

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，每爐熔煉前測漏必須合格，否則禁止熔煉。

爐室漏氣率大的主要原因有：（1）存在漏氣點;（2）有水滲入;（3）材料放氣。

2.2? 漏氣率分析

1）區(qū)分漏氣和放氣。

根據(jù)爐室測漏氣率時的真空壓力-曲線，類似于圖1的哪條曲線：

直線A，壓強保持定值P0不隨時間變化，說明系統(tǒng)不放氣也不漏氣，設(shè)備真空度上不去是由于真空泵工作不佳造成的;

曲線B，壓強開始隨時間上升較快，而后上升速度漸漸減緩并趨于平穩(wěn)，說明系統(tǒng)不漏氣，是由于放氣而導(dǎo)致系統(tǒng)真空度不高;

斜線C，一條斜率為△P/△t的直線，說明爐室確實漏氣并非放氣;

曲線D，開始壓強上升較快，而后逐漸變慢，最后變成斜率為△P/△t的直線，說明系統(tǒng)既有放氣又有漏氣現(xiàn)象。

2）判斷是否內(nèi)部滲水：

可根據(jù)抽空真空度曲線判斷是否內(nèi)部滲水，如果滲水，曲線為鋸齒-波浪樣式，如圖2，因為滲入的水滴在高真空下?lián)]發(fā)為氣體引起壓力值增大，被抽走后真空壓力值降下來，下一滴水滲出，壓力值再次升高后抽下來，如此往復(fù)，真空度曲線為“鋸齒-波浪”樣式，真空度越高曲線越明顯。需要檢查可疑滲水點：電極桿水封、爐帽內(nèi)壁、閉鎖閥水環(huán)、坩堝底墊密封。

2.3? 檢漏

1）檢漏的原因：真空自耗電弧爐達不到工藝要求的真空度（6.65Pa-0.1Pa）或爐室漏氣率超過工藝要求的范圍（<3Pa/min）。

真空系統(tǒng)的抽氣過程可用此方程來描述：dP/dt=-Sc*P/V+Q/V;

式中：P-被抽容器內(nèi)壓強;Sc-被抽容器出氣口出的有效抽速;V-容器體積;Q-容器漏氣量與放氣量之和。

當(dāng)抽空長時間后，容器壓強不再變化或變化過于緩慢時，視為極限壓強，式中dP/dt=0，得出極限壓強為：P=Q/Sc，可見極限壓強由漏氣量與放氣量的總和Q對有效抽速的比值決定，設(shè)放氣量可忽略不計，則由漏氣量與有效抽速的比值決定，即抽氣和漏氣達到了一種平衡的真空值。依此判定：達不到工藝要求的真空度是因為存在較大漏點。

2）檢漏手段和方法：現(xiàn)常用檢漏儀器為氦質(zhì)譜檢漏儀，可方便快速檢漏：氦質(zhì)譜檢漏是指從真空腔體外部用氦氣吹向被檢測部位，然后由連接在真空腔體上的氦質(zhì)譜檢漏儀來檢測侵入的氦氣。由于氦氣比空氣輕很多，向真空腔體噴氦氣檢漏時要從上往下依次操作，否則不利于判定漏點所在。而且必須調(diào)節(jié)壓力閥，使噴槍均勻噴出微量氦氣，避免因大量氦氣的迅速擴散，影響對漏氣點的誤判。當(dāng)腔體構(gòu)造復(fù)雜，或漏率極小時，可針對重點部位用塑料袋套住，然后向塑料袋內(nèi)部充入氦氣，實現(xiàn)對特定重點部位的檢漏。

3 真空系統(tǒng)及其常見問題分析

3.1? 真空系統(tǒng)及組成

真空系統(tǒng)就是用來獲得有特定要求真空度的抽氣系統(tǒng)。從系統(tǒng)中排除氣體以獲得真空，是用專門的真空泵組來完成的，根據(jù)真空系統(tǒng)的不同要求，配備各種各樣的真空泵及附屬部件，根據(jù)對真空度的要求，泵組中有不同臺數(shù)的真空泵。真空系統(tǒng)的組成有：（1）真空泵;（2）真空閥門、連接管道;（3）真空測量裝置;（4）其他元件，如儲氣罐、防塵器等。

本單位ALD真空自耗電弧爐配備的真空泵有：一臺油增壓泵、兩臺羅茨泵、兩臺滑閥式真空泵和一臺維持泵。

3.2? 常見真空系統(tǒng)問題分析

真空系統(tǒng)的主要問題為：預(yù)真空不達標(biāo)或者抽空緩慢。主要原因有：（1）真空泵抽空失效：達不到額定極限真空;（2）真空系統(tǒng)存在泄漏：管路的焊點或密封、閥門處等;（3）測量元器件等失效。

3.2.1? 真空系統(tǒng)問題判斷

（1）檢查測量元器件，可以用排錯法檢驗真空檢測元器件是否完好。

（2）對真空管道及可能漏氣部位進行檢漏。

（3）通過真空測點測試各真空泵極限真空。

3.2.2? 機械真空泵常見問題分析處理

1）滑閥真空泵

前級配備了兩臺滑閥真空泵，可依次用單泵進行抽空時間對比，并參考歷史抽空記錄，可直接通過在泵口管路上接真空檢測元件，單測真空泵極限真空，判斷真空泵是否失效。

滑閥泵失效檢查及處理方法：

a.軸封等泵體密封處漏氣、漏油，大氣從這些部位進入低壓泵腔內(nèi)，減少了對爐室的抽氣效率，需立即維修或更換;

b.油管或接頭漏氣（原因同a），則檢修;油路阻塞會導(dǎo)致泵腔缺油（原因同e），需及時疏通;

c.吸入氣體溫度高，氣體分子越活躍越不易從進氣口擴散到滑閥泵泵腔，抽氣速率低，需對所抽氣體降溫;

d.冷卻水不足或水路阻塞，引起泵膛溫度高、油溫高。高溫導(dǎo)致泵內(nèi)組件受熱膨脹，改變組件之間和組件與泵腔之間的工作間隙（正常間隙約為0.04mm-0.12mm），引起相互之間摩擦增大，組件及泵膛磨損，配合間隙增大，抽空效果變差;嚴重會導(dǎo)致真空泵卡死或報廢;油溫高，粘度降低，回轉(zhuǎn)件之間所需填充間隙的油膜無法形成，影響潤滑和密封效果，進排氣口相通，泵失去抽氣功能。需經(jīng)常檢查冷卻水流量是否正常，水溫異常及時處理。

e.檢查滑閥真空泵油。真空泵油的作用：1.潤滑、散熱;2.密封;3.幫助頂開排氣閥。如果油被污染或缺油，油的作用失效，滑閥真空泵將達不到理論抽速，實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，油的作用失不失效，滑閥泵可抽極限真空度相差1-2個數(shù)量級，需要對油箱排水、打開氣鎮(zhèn)閥運轉(zhuǎn)1-2小時、補油或換油（根據(jù)真空泵油使用壽命和熔煉鑄錠形式，一般熔煉一次鑄錠每15天換油，熔煉二次或成品鑄錠每20天-30天換油并清理油箱）。

f.檢查排氣閥組件。更換損壞的排氣閥片、斷裂的排氣閥彈簧等。閥片、彈簧若失效，在排氣過程中閥片不能及時關(guān)閉，部分氣體、油箱中的泵油返回泵腔內(nèi)，泵內(nèi)氣壓升高，吸氣困難，導(dǎo)致抽速降低。

g.檢查a-f后，若抽空效率還是過低，在滑閥泵進氣口接檢測裝置進行單泵真空度檢測，若達不到使用要求，表明泵膛內(nèi)部組件因長期使用磨損，導(dǎo)致配合間隙變大，若間隙大于0.15mm將無法滿足實際抽空要求，需更換真空泵。

2）羅茨泵失效檢查及處理方法：

a.羅茨泵泵殼、盲板等因螺桿松動密封失效、密封老化漏氣，需緊固螺桿壓緊密封或更換密封;

b.泵油封損壞漏氣：油封損壞，油杯中的油漏進泵內(nèi)后，氣體從油杯漏入泵內(nèi)，對爐室抽空效果降低，需更換油封，并清理泵腔。

c.由水、油、揮發(fā)物混合的雜質(zhì)積于泵內(nèi)底部或附著在轉(zhuǎn)子、泵膛。雜質(zhì)吸附的大量氣體在抽高真空時會釋放出來，影響抽空效率，嚴重會導(dǎo)致泵膛、轉(zhuǎn)子磨損、羅茨泵抱死或報廢。需要加強日常維護保養(yǎng)、定期清理。

d.檢查a-c后，在進氣口加裝檢測裝置，測羅茨泵真空度，若真空度不合格，表明內(nèi)部配合間隙變化導(dǎo)致達不到極限真空，需調(diào)整間隙或換泵。

4 結(jié)論

本文針對ALD真空自耗電弧爐真空常見的這兩個主要問題，做出了全面系統(tǒng)的分析，并結(jié)合日常生產(chǎn)、維護檢修中采用的方式方法，理論聯(lián)系實際，總結(jié)出了一系列關(guān)于爐室漏氣率和真空系統(tǒng)問題的判斷、分析、處理的方式辦法。希望對真空自耗電弧爐相關(guān)從業(yè)者解決真空問題有所借鑒。

參考文獻

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