李麗君，雒國(guó)清

（1.寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.國(guó)家鉭鈮特種金屬材料工程技術(shù)研究中心，寧夏石嘴山 753000；3.稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏石嘴山 753000）

隨著真空技術(shù)的不斷發(fā)展，真空設(shè)備在冶金工業(yè)被廣泛應(yīng)用。真空熱處理爐作為處理鉭粉的重要設(shè)備，以此進(jìn)一步提高鉭粉純度，改善其物理加工性能，滿足電容器用鉭粉使用的技術(shù)要求［1］。鉭粉主要用于制作電解電容器，鉭粉中碳是有害的雜質(zhì)元素之一［2］。真空熱處理鉭粉增碳的主要原因?yàn)橛蛿U(kuò)散泵的返油導(dǎo)致鉭粉增碳，但多年以來，此問題卻在生產(chǎn)實(shí)際中難以得到有效的解決。文獻(xiàn)［3，4］介紹了油擴(kuò)散泵返油率的控制分析，本文將從真空熱處理爐爐況對(duì)鉭粉碳含量的影響進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

1.1 原料選擇

試驗(yàn)所使用的原料粉末為鈉還原氟鉭酸鉀得到的原粉，碳含量為18μg/g。將鉭粉真空包裝密封放置，試驗(yàn)前重新對(duì)樣品進(jìn)行碳分析。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及分析設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為高溫真空熱處理爐，分析設(shè)備為美國(guó)LECOCS廠家生產(chǎn)的CS-444型碳硫測(cè)定儀。

2 真空熱處理爐爐況對(duì)鉭粉碳含量影響因素分析

2.1 不同熱處理溫度對(duì)鉭粉碳含量的影響

在真空高溫?zé)Y(jié)時(shí)，鉭粉中的氧和碳會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳［5］，在實(shí)際生產(chǎn)中多數(shù)擴(kuò)散泵油分子存在爐膛回流的現(xiàn)象，因此鉭粉中的氧與爐膛揮發(fā)的碳結(jié)合生成的一氧化碳，隨著抽空系統(tǒng)排出真空爐內(nèi)。但隨著溫度的升高，一氧化碳?xì)怏w分子無序運(yùn)動(dòng)速度加快，更容易揮發(fā)被前級(jí)抽空系統(tǒng)排出真空爐內(nèi)。表1為不同處理溫度下的樣品碳含量，各取原料50 g裝入鉭制坩堝內(nèi)，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，在不同燒結(jié)溫度下處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析。從表1可以看出，較高的燒結(jié)溫度能夠有效地降低鉭粉中的碳含量。因此為了降低真空爐擴(kuò)散泵返油對(duì)鉭粉增碳的影響，可在真空爐空載烘爐時(shí)，提高處理溫度，減少爐膛內(nèi)油分子對(duì)鉭粉的污染。

表1 不同處理溫度樣品碳含量

2.2 真空閥加裝限位的試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)有不同型號(hào)的真空爐，存在真空閥加裝限位器與不加裝限位器的情況。表2為采用真空閥加裝限位器與不加裝限位器進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果。各取原料50 g裝入鉭制坩堝內(nèi)，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，1 200℃保溫30 min處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析。表2表明真空爐真空閥未加裝限位器較加裝限位器生產(chǎn)鉭粉碳含量明顯偏高。由于真空熱處理高低真空過渡階段，真空爐未加裝限位器的真空閥存在高閥關(guān)不嚴(yán)，爐膛負(fù)壓大，瞬間油擴(kuò)散泵的油蒸汽進(jìn)入爐膛，導(dǎo)致生產(chǎn)鉭粉的碳含量偏高。加裝限位器的真空閥門能有效地實(shí)現(xiàn)閥門的連鎖開啟關(guān)閉，有效控制高低真空過渡階段擴(kuò)散泵油分子出現(xiàn)爐膛回流的現(xiàn)象。

表2 真空閥加裝限位器與未加裝限位器樣品碳含量

2.3 油擴(kuò)散泵冷凝壁冷卻水連接方式的試驗(yàn)

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)油擴(kuò)散泵的冷凝壁采用冷卻水進(jìn)行冷卻，通常冷卻水的接通方式為下進(jìn)上出，針對(duì)擴(kuò)散泵冷卻水的連接方式采用下進(jìn)上出、上進(jìn)下出進(jìn)行試驗(yàn)。在油擴(kuò)散泵冷卻水不同連接方式下，各取原料50 g裝入鉭制坩堝內(nèi)，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，1 200℃保溫30 min處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 油擴(kuò)散泵不同冷卻水連接方式樣品碳含量

表3表明油擴(kuò)散泵冷凝壁冷卻水采用上進(jìn)下出方式較下進(jìn)上出方式生產(chǎn)鉭粉的碳含量明顯偏低。因?yàn)閿U(kuò)散泵油在密封的、底部加熱的蒸發(fā)器里，經(jīng)加熱，其蒸汽被迫從蒸發(fā)器底部向上運(yùn)行。蒸汽以超聲速穿過噴嘴狹窄的環(huán)形孔，且以一定角度向下噴。油擴(kuò)散泵冷凝壁冷卻水采用下進(jìn)上出的方式，上部出水溫度偏高，增大了一級(jí)噴嘴表面的油膜和油滴再蒸發(fā)的返油率，導(dǎo)致油蒸汽進(jìn)入爐膛，造成鉭粉碳含量偏高。

2.4 油擴(kuò)散泵關(guān)閉維持泵后不同管道真空的試驗(yàn)

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)真空爐擴(kuò)散泵的管道真空在關(guān)閉維持泵后會(huì)出現(xiàn)管道真空不一致的情況。選取兩臺(tái)真空爐，其管道真空為擴(kuò)散泵前級(jí)管道抽空至5.33 Pa后關(guān)閉維持泵，在6 h后管道真空分別為5 333.2 Pa、6.67 Pa。各取原料50 g裝入鉭制坩堝內(nèi)，放入兩臺(tái)真空爐內(nèi)，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，1 200℃保溫30 min處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析，試驗(yàn)結(jié)果見表4。表4表明擴(kuò)散泵前級(jí)管道在關(guān)閉維持泵6 h后的管道真空不同，生產(chǎn)鉭粉的碳含量不同。擴(kuò)散泵前級(jí)管道在關(guān)閉維持泵6 h后的管道壓力越大碳含量越高，原因?yàn)閿U(kuò)散泵前級(jí)管道存在漏氣的情況，在生產(chǎn)運(yùn)行結(jié)束關(guān)閉維持泵后，油擴(kuò)散泵管道壓力越大漏氣越嚴(yán)重。由于擴(kuò)散泵前級(jí)管道漏氣會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散泵油在升溫過程中氧化，導(dǎo)致擴(kuò)散泵油純度下降，擴(kuò)散泵抽空能力變?nèi)酢Ｍ瑫r(shí)鉭粉在升溫過程中油擴(kuò)散泵管道漏氣嚴(yán)重的會(huì)使空氣在相對(duì)負(fù)壓的狀態(tài)進(jìn)入爐膛，油擴(kuò)散泵的油蒸汽進(jìn)入爐膛，導(dǎo)致生產(chǎn)鉭粉的碳含量偏高?？刹捎脤U(kuò)散泵前級(jí)管道抽空至一定壓力后關(guān)閉維持泵，計(jì)算管道壓力的下降速度，判斷擴(kuò)散泵管道的漏氣情況，對(duì)漏氣嚴(yán)重的及時(shí)進(jìn)行維修，降低真空爐生產(chǎn)鉭粉的碳含量。

表4 油擴(kuò)散泵關(guān)閉維持泵后不同管道真空樣品碳含量

2.5 擴(kuò)散泵障板冷卻方式對(duì)鉭粉碳含量的影響

由于油蒸汽從泵口處向被抽容器中返流，因此在泵入口處可裝上阻擋油蒸汽返流的障板，來減少油的返流。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)散泵的障板的方式為采用水冷或者氟利昂制冷。選取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)均為10 a的真空爐，擴(kuò)散泵障板采用水冷、氟利昂制冷進(jìn)行試驗(yàn)。各取原料50 g裝入鉭制坩堝內(nèi)，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，1 200℃保溫30 min處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析，試驗(yàn)結(jié)果見表5。表5表明油擴(kuò)散泵障板處采用氟利昂制冷的碳含量較采用水冷的碳含量明顯偏低。原因?yàn)樵诟哒婵涨闆r下，蒸汽分子是直線運(yùn)動(dòng)的，障板不能使蒸汽分子直線穿過。當(dāng)油蒸汽向高真空端運(yùn)動(dòng)時(shí)，就必然要和障板相碰撞，使油蒸汽分子或者凝結(jié)在障板上，或者減弱它的漫射能力。障板采用氟利昂制冷的較使用水冷制冷的溫度較低，能夠有效地阻止油蒸汽的返流。使用氟利昂制冷生產(chǎn)過程中要保證氟量充足，氟利昂壓縮機(jī)制冷正常。

表5 油擴(kuò)散泵不同障板冷卻方式樣品碳含量

2.6 油擴(kuò)散泵壁不同回水溫度對(duì)鉭粉碳含量的影響

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)散泵壁采用冷卻水進(jìn)行冷卻，冷卻水壓0.15 MPa，冷卻水進(jìn)水水溫在18～20℃，擴(kuò)散泵泵壁出口溫度為30～35℃，部分?jǐn)U散泵泵壁出口溫度為50～60℃。各取原料50 g裝入鉭制坩堝內(nèi)，真空度小于133×10-4Pa的真空條件下，1 200℃保溫30 min處理后降至室溫，將樣品混合均勻后，送檢分析。表6為油擴(kuò)散泵壁不同回水溫度鉭粉碳含量。表6表明擴(kuò)散泵泵壁出口溫度偏高較出口溫度略低的真空爐生產(chǎn)鉭粉碳含量偏高。原因?yàn)閿U(kuò)散泵油被電爐加熱時(shí)，產(chǎn)生油蒸氣沿著導(dǎo)流管經(jīng)傘形噴嘴向下噴，射流最后泵上冷卻水冷卻的泵壁凝結(jié)為液體流回蒸發(fā)器，冷卻水回水溫度偏高，降低了擴(kuò)散泵的泵壁的冷凝效果。針對(duì)擴(kuò)散泵泵壁出口溫度偏高的問題可在擴(kuò)散泵泵壁出口端增加增加泵，有效解決出口溫度偏高、真空爐生產(chǎn)鉭粉碳含量偏高的問題。

表6 油擴(kuò)散泵壁不同回水溫度鉭粉碳含量 μg/g

3 結(jié) 論

1.較高的燒結(jié)溫度能夠有效地降低鉭粉中的碳含量。因此為了降低真空爐擴(kuò)散泵返油對(duì)鉭粉增碳的影響，可在真空爐空載烘爐時(shí)，提高處理溫度，減少爐膛內(nèi)油分子對(duì)鉭粉的污染。

2.真空爐真空閥未加裝限位器較加裝限位器生產(chǎn)鉭粉碳含量明顯偏高。真空爐的真空閥需加裝限位器有效實(shí)現(xiàn)閥門的連鎖開啟關(guān)閉，避免瞬間壓差過擴(kuò)散泵油返流造成生產(chǎn)鉭粉碳含量偏高。

3.油擴(kuò)散泵冷凝壁冷卻水連接方式采用下進(jìn)上出的方式生產(chǎn)鉭粉的碳含量明顯偏高，油擴(kuò)散泵冷凝壁冷卻水需采用上進(jìn)下出的方式。

4.擴(kuò)散泵前級(jí)管道在關(guān)閉維持泵6 h后的管道壓力越大碳含量越高，可采用將擴(kuò)散泵前級(jí)管道抽空至一定壓力后關(guān)閉維持泵，計(jì)算管道壓力的下降速度，判斷擴(kuò)散泵管道的漏氣情況，對(duì)漏氣嚴(yán)重的及時(shí)進(jìn)行維修，降低真空爐生產(chǎn)鉭粉的碳含量。

5.油擴(kuò)散泵障板處采用氟利昂制冷的碳含量較采用水冷的碳含量明顯偏低。使用氟利昂制冷生產(chǎn)過程中要保證氟量充足，氟利昂壓縮機(jī)制冷正常。

6.擴(kuò)散泵泵壁出口溫度偏高較擴(kuò)散泵泵壁出口溫度略低的真空爐生產(chǎn)鉭粉碳含量偏高。冷卻水回水溫度偏高，降低了擴(kuò)散泵的泵壁的冷凝效果?？稍跀U(kuò)散泵泵壁出口端增加增加泵，有效解決出口溫度偏高，真空爐生產(chǎn)鉭粉碳含量偏高的問題。