真空熔炼学复习题

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1、真空熔炼学一、简述真空、真空度的定义，并用图示表示真空度概念。 “真空”是指在指定空间内低于环境大气压力的气体状态。处于真空状 态下的气体稀簿程度，表示真空度。二、真空度是如何划分的，并说明不同真空度下分子运动的状态。 低真空 105102Pa 是粘滞流，以气体分子的相互碰撞为主; 中真空 10210-1 Pa 是中间流，气体分子的相互碰撞和气体分子与容器壁的碰撞不相上下; 高真空 10-110-5Pa 是分子流，以气体分子与容 器壁的碰撞为主 ; 超真空小于10-5Pa 是分子流，气体分子与容器壁的碰撞更稀少。三、简述旋片式真空泵的工作原理，并说明其极限真空度和使用范围。 两个旋片把转子、泵

2、腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C 三部分，如图所示。当转子按箭头方向旋转时，与吸气口 相通的空间A 的容积是逐渐增大的，正处于吸气过程。 而与排气口 相通的空间C的容积是逐渐缩小的，正处于排气过程。居中的空间B 的容积也是逐渐减小的，正处于压缩过程。由于空间A 的容积是 逐渐增大 （即膨胀），气体压强降低， 泵的入口处外部气体压强大于 空间 A内的压强，因此将气体吸入。当空间A 与吸气口隔绝时，即转至空间 B 的位置，气体开始被压缩，容积逐渐缩小，最后与排气 口相通。当被压缩气体超过排气压强时，排气阀被压缩气体推开， 气体穿过油箱内的油层排至大气中。由泵的连续运转，达到连续抽 气

3、的目的。 其工作压强范围为1051.3310-2Pa。它可以单独使用， 也可以作 为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。 四、简述液环式真空泵的工作原理，并说明其极限真空度和使用范围。 在泵体中偏心安装一可旋转的叶轮，泵体中装有适量的水作为工作液。 当叶轮按图中指示的方向顺时针旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的 作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭液环。水环的上部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的下部内表面刚好与叶片顶端接触。 此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成叶 片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的上部0为起点，那么叶轮在旋转 前 180时小腔

4、的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸 入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时， 小腔由大变小， 使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。 其工作压强范围为2.669.31kPa。由于水环泵中气体压缩是等温的，故 可抽除易燃、易爆的气体，此外还可抽除含尘、含水的气体。五、简述罗茨泵的工作原理，并说明其极限真空度和使用范围。 泵腔内装有两个鞋底形状对称的转子，由于转子的不断旋转，被抽气体 从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以， 在泵腔内气体没有压缩和膨胀。但当转子顶部 转过排气口边缘，v0空间与排

5、气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有 一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。 其工作压强范围为10210-1Pa。一般与前级泵串联构成机组，在真空范 围，作为机械增压泵来应用。六、简述扩散泵的工作原理，并说明其极限真空度和使用范围。 油在油锅内经电炉加热变成油蒸汽，沿管道上升，当油蒸汽达到第一、 第二、第三级喷嘴处时。 由于喷嘴的截面积突然缩小导致油气流速显著提高。 油蒸汽变成高速气流由伞形排列的喷嘴喷出，当高速油蒸汽由一级喷嘴喷出时，将喷嘴附近ab 处的被抽气体分子夹带走。在油气遇到冷却壁而冷凝成 油滴时，由于空气分子不能凝结，又受到油气阻力不

6、能回到ab 处。这时在cd 处的第二级喷嘴喷出来的油气又把cd 处的空气分子带走。这样一来，扩 散大 ab 面上的气体分子就可以被油气分子带到cd 处，然后再被第二级喷嘴 喷出的油气带走。这样一级一级地将空气分子由进气口连续地送到排气口。 其工作压强范围为10-110-5Pa。广泛用于真空冶金、真空热处理、真空 镀膜、电子工业、航空航天、原子能工业等领域。七、简述开放式U 形管真空计测量真空的原理。 在 U 形管内注入适量的工作液，一端与待测压力的真空系统相连，另一端与大气相通。在真空系统开始抽气之前， U 形管两端均处于大气压状态下，因此工作液面处于同一高度。当真空系统抽气后，随着系统内压力

7、的降低，两端液面的高度差随之逐渐增加。八、简述弹片式真空计，热偶管，电离管测量真空的范围。并说明达到极限真空度10-3Pa 真空系统的组成。 弹片式真空计10105 热偶管10210-2 电离管1010-4被抽容积通过管道与油扩散泵的进气口连接，油扩散泵的排气口通过管道与罗茨泵的进气口连接，罗茨泵 的排气口通过管道与机械泵的进气口连接，机械泵的排气口通大气。测量计为电离计。九、试述真空熔炼生产中存在哪些安全问题？ 1.防止金属粉末的燃烧和粉尘爆炸如： 钛钛是化学活性很强的金属，在空气中钛的尘埃浓度达到0.036mg/L，就可能发生爆炸。一旦发生钛燃烧，应及时用氩气3、石棉布、干粉灭火器、干燥的

8、砂子覆盖灭火。运输海绵钛时，应小心轻放，不 易采用塑料桶和内衬塑料的金属桶作盛装容器。锆 铪由于锆铪性质相似，所以以锆为例。用碘化法精炼成晶条锆的海绵锆，一旦与空气接触就开始燃烧。 在切削加工过程中达到足够的高温，也会开始燃烧，一旦燃烧就很难扑灭。当少量的锆屑燃烧时，可以用当量的水迅速扑灭，或用G-1 粉或 X-金属粉。在扑灭锆火时只能用G-1粉或 X-金属粉的灭火器。 钽铌钽粉一般不会爆炸。但超细钽、铌粉末，特别是钽粉尘雾，有在空气中发生自燃起火和爆炸的危险。300oC以上的钽粉易在空气中着火燃烧。一旦开始燃烧，便会迅速提高温度，氧化加速进行。使用和加工钽粉的地方应避免有明火、电弧和火花。钽

9、粉着火时不能用普通的灭火剂。较好的办法是使用高 压 NaCl 粉或氩气使用火窒息。2.电弧击穿坩埚引起爆炸 （1）.爆炸起因坩埚击穿后，使熔池进水，水与熔融金属相遇，迅速汽化成蒸汽，体积突然增加，形成高压引起爆炸。 （2）.化学爆炸 如果熔炼的是钛或其他活泼金属，水会被高温金属所分解释放出氢具备了放热反应，有气体生成和反应速度快的三个条件因此有爆炸的可能。 （3）.混合气体爆炸 如果炉体漏气，有空气进入炉内时，氢与氧迅速混合形成爆炸性气体。3.防爆措施 （1）.控制工艺参数，采用短弧熔炼，始终使弧长小于电极与坩埚之间的距离，以消除衍生电弧的形成。 （2）.设备自动泄压装置，在系统中设置自动泄压

10、装置，使炉内压力达不到爆炸的程度就自动泄掉了，起 到防爆作用。（3）.采用并联罗茨泵的真空抽气系统，当坩埚击穿后，及时开动罗茨泵排出突然产生的大量气体，来降 低气压。 （4）.自耗炉设置X-Y对中系统，可以灵活地调整电极在坩埚中的位置，保证电极与坩埚同轴。 （5）.发现异常立即切断电源，当发现电弧电流、电弧电压异常，而弧区突然暗淡时，可能是坩埚被烧穿，此时不要慌乱，要立即切断电弧电源，让漏水吸热，从而可以消除爆炸危险。 （6）.建造防暴墙，防暴墙可以用钢筋水泥或钢板构成。构筑地下操作室，将坩埚以下部分放在地面以下。 装备遥控操作台，进行远距离操作。十、钛、锆、铪、钽、铌的粉末或车削在一定条件下

11、会发生燃烧爆炸，试述如果发生燃烧， 应怎样灭火？十一、在真空自耗熔炼生产中存在水冷铜坩埚击穿爆炸的风险，简述其防暴措施有哪些？ 十二、感应炉的基本原理是什么? 感应电炉是根据法拉第电磁感应定律和电流效应的焦耳楞次定律，将电能转换成热能的熔炼设备，基本条件是： 1.必须使用交流电；2.被加热的物体必须是金属。 感应熔炼的原理：由于电磁感应使金属炉料内产生感应电流，感应电流在流动时因电阻而产生热量， 使金属炉料加热熔化。在整个加热过程是一个能量的转化的过程。首先将电能转化为磁场能，然后由磁场 能再转化为电能，最后由电能转化为热能使金属加热。十三、真空感应熔炼的优势? 1.加热和熔化数度快温控方便，

12、金属及合金整体保持在真空和高温熔融状态时间较长，并有强烈地电磁 搅拌作用，净化效果好。2.合金元素的氧化损失小，所得金属或合金熔体中氧化物夹杂少。 3.合金化效果好，成分均匀，提高了金属及合金材料的性能。 十四、感应加热时金属物理性能的变化? 在居里温度以下：温度越高电导率增加，磁导率减小，阻抗增大，集肤深度加深。 在居里温度以上：温度越高电导率变化不大，磁导率为1，阻抗变化很大，集肤深度变化很大（温度升高炉料间焊合所导致） 。感应加热 时金属炉料依靠由电磁感应现象所产生的感应电流来进行自身的加热。在金属炉料吸收磁场能量 并使其转化为热能进行自身加热的过程中，金属炉料本身的物理性能，如磁导率、

13、电阻率等的变化对加热 速度有着显著的影响。假设金属炉料为均匀介质时，加热过程单位金属表面积吸收的功率P0 可由下式计 算：)/(1024200mkWfHP式中H0 金属炉料表面的磁场强度，A/cm ；金属炉料的电阻率，?mm2?m-1；金属炉料的磁导率，mH/m ；f 电流的频率， Hz。由上式可知，随着加热过程金属温度的升高，H0、 、 值发生相应的变化，这些物理量的变化对金属炉料吸收的功率有较大的影响。吸收功率的变化又影响到金属炉料的升温速度。在生产实际中都希望金属炉料能尽快地被加热熔化。这就要求金属炉料吸收的功率越大越好。十五、真空感应熔炼时,如何确定炉料的最佳尺寸? 先通过 f5030

14、求出电流透入深度在通过63nnd算出材料尺寸d电流的频率导体材料相对磁导率导体材料电阻率-f十六、真空感应熔炼会产生“驼峰”，请问驼峰的高度和什么有关？并说明“驼峰”的有益作用和有害作用。驼峰的高度的计算公式为fSP h22316液态金属的密度。驼峰的高度与频率成反比。优点是 : 1 均匀钢液温度； 2 均匀钢与合金的化学成分；3 改善冶金物化反应动力学条件。 缺点是：1 增加钢液对坩埚的冲刷，影响坩埚的使用寿命；2 加快真空 感应炉 坩埚壁的厚度；3 加剧了驼峰现象。 十七、感应熔炼炉的坩埚优劣涉及耐火材料的选择、合理的制作工艺和正确的是用维护方 法。 1.坩埚在高温下应具有足够的强度。2.

15、坩埚材料要有较小的线膨胀系数。 3.坩埚材料应具有良好的化学稳定性。 4.坩埚应具有良好的绝缘性。合理的制作工艺是将耐火材料和添加剂等混合搅拌均匀装入模具内加压制成坩埚，然后烘干再装入感应器内。其优点是更换方便。维护方法： 1.新坩埚的维护（洗炉） ；2.合理安排炉次（尽量集中）；3.及时清理和修补坩埚壁。十八、感应炉熔炼对坩埚材料的技术要求有那八个方面？ 耐火度、物理化学稳定性、耐热震性、高温强度、绝缘性能、热传性能以及环保和成本十九、砂料粒度配比的意义？并说明不同粒度砂料的作用。硼酸的作用？ 砂料配比中粗、中、细三种粒度的作用各不相同，不同的坩埚应该选择不同粒度的砂料配比，粗粒度砂料 （大

16、于 2mm）在坩埚中起骨架作用，使坩埚保持足够的强度，提高耐热震性，能承受各种应力的作用，减 少产生裂纹的机会。而中等粒度砂料（0.5-2mm ）是填充粗沙粒的空隙，增加体积密度，改善烧结性能， 提高烧结强度。细粒度砂料（小于0.5mm）的作用是报纸坩埚的烧结质量，以及烧结网络的连续性，使坩 埚具有良好的致密性。 硼酸的作用： 1 降低烧结温度增加坩埚的耐火度；2 促进结晶石的形成；3 调节坩埚体积变化率。二十、试画出烧结坩埚断面的结构示意图，并说明各个烧结层的特点。经过烧结后的坩埚，其烧结结构可分为烧结层、半烧结层和松散层。烧结层是坩祸的工作层，占总体的30%-35%，它直接和钢液及炉渣接 触受到钢液和炉渣的浸蚀和冲刷。另外它要承受因激冷激热变化造成 的炉体膨胀和收缩产生的内应力和钢液的静压力的作用。因此烧结层 强度要高， 密度大， 表面裂纹少。 这一层砂料颗粒之间应当全部熔合，烧结网络均匀完整。主要缺陷是裂纹（纵向、横向）。 半烧结层是烧结层和松散层之间的过渡带，占总体的35%-40%，砂粒 未完全