真空設(shè)備設(shè)計(jì)

1、摘要真空設(shè)備一般除了要求具有高效率外還要求具有高可靠性，密封性能是影響真空設(shè)備可靠性的最重要因素之一。高梯度定向凝固設(shè)備通過(guò)一系列的相關(guān)部件來(lái)保證其真空環(huán)境，而真空及其密封性的好壞，對(duì)工藝控制，產(chǎn)品的質(zhì)量都有著直接的影響?？紤]密封性對(duì)真空定向凝固爐的重要影響，本文基于5Kg真空定向凝固爐的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，主要完成以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1)分析研究真空密封技術(shù)各種密封形式、應(yīng)用場(chǎng)合及各自優(yōu)缺點(diǎn)。(2)分析研究真空熔鑄設(shè)備中密封結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求和特征參數(shù)。確定定向凝固設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)。(3)針對(duì)高梯度定向凝固設(shè)備的法蘭、爐門(mén)和電極三個(gè)關(guān)鍵部件的不同結(jié)構(gòu)特征，并考慮密封材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和機(jī)械加工精度的要求，分別對(duì)

2、其并進(jìn)行密封設(shè)計(jì)與研究。關(guān)鍵詞真空設(shè)備密封技術(shù)定向凝固爐法蘭密封爐門(mén)密封電極密封AbstractVacuumdevicestypicallyrequirehighefficiencyinadditiontothings,requirehighreliabilityandsealingperformanceofthevacuumequipmentreliabilityisoneofthemostimportantfactor.Highgradientdirectionalsolidificationequipmentthroughaseriesofrelatedcomponentstoensur

3、eavacuumenvironment,andthevacuumsealisgoodorbadand,ontheprocesscontrol,productqualityhaveadirectimpact.Considerthedirectionalsolidificationfurnaceofvacuumsealingtheimportantinfluenceof5KgBasedonthedesignofthevacuumdirectionalsolidificationfurnaceproject,designedprimarilytocompletethefollowing:(1)ana

4、lysisofthevacuumsealtechnologyofsealingforms,applicationsandtheirrespectiveadvantagesanddisadvantages.(2)analysisofsealedvacuumcastingequipmenttechnicalrequirementsandfeaturesofthestructureparameters.Directionalsolidificationequipmenttodeterminetheoverallstructure.(3)highgradientdirectionalsolidific

5、ationequipmentfortheflange,door,andthethreekeycomponentsofthedifferentelectrodestructure,andconsiderthesealingmaterial,structuralcharacteristicsandtherequirementsofprecisionmachining,respectively,andsealeditsDesignandResearch.keywords:VacuumEquipment,SealingTechnology,Directionalsolidificationfurnac

6、e,FlangeSeal,FurnaceDoorseal,Electrodesealed目錄第一章緒論.11.1前沿.11.2真空設(shè)備及應(yīng)用.11.3真空密封技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用.21.4本文背景及意義.51.4.1高梯度定向凝固設(shè)備.51.4.2密封特點(diǎn)及難點(diǎn).61.4.3本文設(shè)計(jì)內(nèi)容.7第二章高梯度定向凝固爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)82.1定向凝固技術(shù).82.2高梯度定向凝固設(shè)備結(jié)構(gòu).92.3密封特點(diǎn)及難點(diǎn).11第三章真空密封技術(shù).123.1動(dòng)密封和靜密封.123.2真空密封技術(shù).123.3增加真空密封性能的措施.14第四章高梯度定向凝固爐關(guān)鍵部件的密封性設(shè)計(jì).164.1法蘭密封設(shè)計(jì).164.1.1法蘭密封面常

7、見(jiàn)的幾種形式.164.1.2法蘭密封方案及對(duì)比分析.184.1.3法蘭密封材料及加工精度要求.194.1.4法蘭密封設(shè)計(jì).錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2電極密封設(shè)計(jì).錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.1電極密封的具體要求.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.2電極密封方案及對(duì)比分析.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.3電極密封材料及加工精度要求.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.3爐門(mén)密封設(shè)計(jì).錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.3.1爐門(mén)壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.3.2爐門(mén)密封設(shè)計(jì).錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。第五章總結(jié)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。參考文獻(xiàn).錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。第一章緒論1.1前沿真空處理技術(shù)發(fā)展到今天不過(guò)剛剛走過(guò)幾十年的歷史,但由于真空處理技

8、術(shù)具有傳統(tǒng)工藝無(wú)法比擬的優(yōu)越性,自誕生以來(lái),得到了迅猛的發(fā)展。我國(guó)真空工業(yè)經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，已形成了門(mén)類(lèi)齊全結(jié)構(gòu)完整的工業(yè)體系，肩負(fù)起對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)裝備的重任。多年來(lái)，行業(yè)企業(yè)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、技術(shù)改造和合資合作等方式，使企業(yè)管理水平、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量都有顯著的提高。從產(chǎn)品產(chǎn)量、品種、規(guī)格和質(zhì)量上，基本都能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)和人民生活各方面的需求。目前,真空技術(shù)已廣泛用于航空航天、機(jī)械電子、有色金屬、稀土永磁、工藝飾品、醫(yī)藥制藥等各行各業(yè)。可以說(shuō)，真空技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)是無(wú)處不在了，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步真空處理水平的不斷完善與發(fā)展，真空處理將成為21世紀(jì)最具潛力技術(shù)之一1。真空設(shè)備一般

9、除了要求具有高效率外還要求具有高可靠性，密封性能是影響真空設(shè)備可靠性的最重要因素之一。通常在工作中，真空設(shè)備是要求具有非常高的密封性，對(duì)漏氣率有嚴(yán)格限制，否則，將會(huì)對(duì)真空設(shè)備本身的電、熱性能產(chǎn)生重要影響，影響設(shè)備的工作效率，甚至造成安全事故。因此，在真空設(shè)備的設(shè)計(jì)中，使設(shè)備具有良好的密封性已成為了衡量設(shè)備性能的一個(gè)重要指標(biāo)，為了提高設(shè)備的密封性能，就需要在設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵聯(lián)接部分進(jìn)行全面的密封性設(shè)計(jì)。1.2真空設(shè)備及應(yīng)用真空設(shè)備根據(jù)應(yīng)用行業(yè)的不用可以分為冶煉真空設(shè)備、熱處理真空設(shè)備、電力真空設(shè)備、電子真空設(shè)備、食品加工真空設(shè)備等。而總體上，根據(jù)真空應(yīng)用方式的不同可以分為三類(lèi)，即真空獲得設(shè)備、

10、真空應(yīng)用設(shè)備和真空檢測(cè)儀器。真空獲得設(shè)備也稱真空泵，是指通過(guò)利用機(jī)械、物理和化學(xué)的方法直接抽去特定空間內(nèi)的氣體在一定的空間范圍中產(chǎn)生真空環(huán)境的設(shè)備。真空泵的主要參數(shù)有：極限真空度(極限壓力)、抽氣速率、最大排氣壓力、工作壓力范圍、抽氣量等?；旧纤煞譃闄C(jī)械真空泵和噴射真空泵兩大類(lèi)。機(jī)械真空泵又分為往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式兩種。往復(fù)式真空泵為干式設(shè)備，不允許液體進(jìn)入，效率和真空度都較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便，主要應(yīng)用于蒸發(fā)裝置中。旋轉(zhuǎn)式真空泵有水環(huán)式真空泵、納西泵和旋片泵三種，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，效率高。噴射真空泵主要工作方式是通過(guò)將真空室的氣體噴出而形成真空環(huán)境，這種泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中小型廠均可自行安裝，應(yīng)用很廣

11、。真空獲得設(shè)備主要應(yīng)用于制冷設(shè)備抽氣，冶金爐、熱處理爐、包裝機(jī)械、電工產(chǎn)品處理設(shè)備、空間裝置風(fēng)洞等大型抽氣系統(tǒng)、電子產(chǎn)品排氣系1統(tǒng)、化工機(jī)械、鍍膜機(jī)等。真空應(yīng)用設(shè)備是指需要利用真空環(huán)境來(lái)完成工作目的的設(shè)備，這些設(shè)備往往都需要通過(guò)真空環(huán)境來(lái)保證設(shè)備的正常運(yùn)行和工作性能。真空應(yīng)用設(shè)備在化工、食品、冶煉、熱處理等場(chǎng)合應(yīng)用廣泛，如化工和食品行業(yè)中的真空過(guò)濾、真空干燥、真空精餾、真空蒸發(fā)、冷凍干燥、真空浸漬，真空在機(jī)械工業(yè)中也得到了廣發(fā)應(yīng)用，如真空滲透、真空熱處理、真空離子氮化、真空燒結(jié)、真空鍍膜等。在冶金工業(yè)中有真空冶煉等。真空檢測(cè)儀器是指用于檢測(cè)運(yùn)行環(huán)境是否滿足設(shè)備運(yùn)行的真空要求或利用真空環(huán)境檢測(cè)來(lái)

12、完成其他檢測(cè)目的的儀器，如薄膜式真空計(jì)、絕對(duì)壓力規(guī)、專(zhuān)用真空試驗(yàn)臺(tái)、氦質(zhì)譜檢漏儀等。1.3真空密封技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用不管哪種形式的真空設(shè)備，只要設(shè)備結(jié)構(gòu)之間或設(shè)備與真空系統(tǒng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就存在保證設(shè)備結(jié)構(gòu)之間及設(shè)備與真空系統(tǒng)之間的可靠密封的問(wèn)題。真空系統(tǒng)由真空容器和真空機(jī)組所組成，對(duì)真空系統(tǒng)所用的材料及組成真空系統(tǒng)的零部件都有一定的特殊要求。真空材料分為結(jié)構(gòu)材料、絕緣密封材料及真空油、脂三大類(lèi)。真空常用的結(jié)構(gòu)材料有低碳鋼、不銹鋼個(gè)、黃銅、鉛及鉛合金。真空密封的法蘭墊片常用金屬，對(duì)低真空，一般金屬即可，但在超高真空時(shí)，由于一般金屬和非金屬材料均會(huì)釋放氣體，破壞高真空，因此常用貴重金屬，如金、銀等。

13、絕緣密封材料主要指陶瓷、橡膠、塑料、云母。陶瓷和云母主要用于電真空器件，橡膠有丁晴橡膠、異丁晴橡膠、丁苯橡膠、硅橡膠等。塑料主要是聚四氟乙烯。真空系統(tǒng)中所使用的油脂材料有選擇泵油、蒸汽噴射泵油等。真空的獲得是與密封分不開(kāi)的,特別是旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封技術(shù),是制約真空設(shè)備性能的重要技術(shù)環(huán)節(jié)之一。過(guò)去由于無(wú)可靠的轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封技術(shù),密封形式多種多樣，如采用橡膠密封圈;采用端面靜密封加電機(jī)密封罩;或者做成內(nèi)藏式結(jié)構(gòu),將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與被驅(qū)動(dòng)裝置(如風(fēng)扇、風(fēng)機(jī))全部置于密封工作膠體內(nèi)。實(shí)際上后兩者本質(zhì)是一樣的:驅(qū)動(dòng)電機(jī)與真空腔相通。其致命弱點(diǎn)是通電導(dǎo)體在一定真空度條件下易產(chǎn)生真空放電,損壞設(shè)備,而且電機(jī)系統(tǒng)在真空條件下

14、釋放出來(lái)的物質(zhì)容易污染真空環(huán)境,影響設(shè)備性能。至于橡膠密封的缺點(diǎn)更是顯而易見(jiàn),因接觸磨損使用壽命極短,可靠性差,易產(chǎn)生磨損粉塵、污染環(huán)境、更換維修工作量大等,都是真空設(shè)備致命的缺點(diǎn)2。針對(duì)以上各種密封技術(shù)所存在的確定，在真空設(shè)備的密封性技術(shù)方面，很多學(xué)者都做了相應(yīng)的研究，針對(duì)不同的真空設(shè)備提出了很多新的密封方法。金建華3等針對(duì)羅茨泵的漏油問(wèn)題，分析了羅茨真空泵輸入端的內(nèi)部密封和外部密封問(wèn)題，并指出密封失效的三個(gè)重要原因：軸的偏心會(huì)引起油封刃口的2周期跳動(dòng),破壞油封的密封性；軸套或轉(zhuǎn)子軸表面質(zhì)量對(duì)密封性能的影響；油封徑向壓力的影響。并用密封座結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)油封一起安裝在一個(gè)密封座內(nèi),密封座安裝在端

15、蓋內(nèi),這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,減少了軸的伸出量,安裝、維修方便,還有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠采用一次性定位裝配保證軸與密封座內(nèi)孔的同軸度。從而提高了密封性能。在文章中他指出影響羅茨泵密封的原因是復(fù)雜的,涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工工藝、加工過(guò)程控制、外購(gòu)件選購(gòu)、裝配方法和產(chǎn)品防護(hù)等,既有技術(shù)因素,也有管理因素。密封失效是各種影響因素的綜合結(jié)果。要提高密封效果,必須采取系統(tǒng)的方法,進(jìn)行綜合治理,企業(yè)內(nèi)部應(yīng)建立內(nèi)部質(zhì)量管理體系,特別是對(duì)影響密封的關(guān)鍵過(guò)程和技術(shù)及管理因素進(jìn)行充分識(shí)別,對(duì)各個(gè)過(guò)程進(jìn)行有效控制,并持續(xù)改進(jìn)。只有這樣,才能夠持續(xù)保證產(chǎn)品的密封質(zhì)量。王普毅4等研究了真空電弧爐真空系統(tǒng)與爐室連接處的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)、

16、原理及其計(jì)算方法，針對(duì)國(guó)內(nèi)真空電弧爐中大部分采用剛性結(jié)構(gòu)來(lái)密封存在的問(wèn)題，在爐體抽氣口與真空系統(tǒng)之間使用特殊密封圈，使其有一定的補(bǔ)償量，并通過(guò)計(jì)算分析，驗(yàn)證了這種方法的可靠性。梁志華5等研究了磁流體密封在真空設(shè)備中的使用情況及最新進(jìn)展，在他的研究中指出，橡膠密封的缺點(diǎn)更是顯而易見(jiàn),因接觸磨損使用壽命極短,可靠性差,易產(chǎn)生磨損粉塵、污染環(huán)境、更換維修工作量大等,都是真空設(shè)備致命的缺點(diǎn)。轉(zhuǎn)軸磁流體密封技術(shù),由于無(wú)接觸磨損、且磁液揮發(fā)量在10-5g/cm2h以下,因而其使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、轉(zhuǎn)軸摩擦轉(zhuǎn)矩小、功耗小、無(wú)磨損粉塵、環(huán)境清潔、維修工作量極小是真空設(shè)備轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)零泄漏最佳的密封技術(shù)。磁流體密封

17、的技術(shù)核心包括兩個(gè)方面:一是適合密封使用條件的磁流體的制備;二是密封裝置的結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)與制造。裴寧6也研究了磁流體密封技術(shù)及其應(yīng)用，曹紅蓓7針對(duì)捏合機(jī)上普遍采用的填料密封及機(jī)械密封的不足，設(shè)計(jì)了一種磁流體密封裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明，密封裝置應(yīng)用在大軸徑、高轉(zhuǎn)速的捏合機(jī)上，密封性能良好，且溫升較小。曾大富8等介紹了MEMS傳感器的幾種真空密封方法:1)整體真空密封；2)局部真空密封；3)硅直接鍵合(SDB)制備自封閉真空密封；4)表面微機(jī)械加工制備真空密封；5)先制得適當(dāng)?shù)恼婵眨缓罄梦鼩鈩?shí)現(xiàn)真空度控制。并針對(duì)傳感器的可動(dòng)結(jié)構(gòu)提出了一種局部真空密封方法，它是在真空條件下采用硅啵璃鍵合方法，實(shí)

18、現(xiàn)局部真空密封保護(hù)傳感器的可動(dòng)結(jié)構(gòu)。趙近誼9研究了真空爐密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)技術(shù)，為了保證真空爐的工作真空度，減少真空泄漏，安裝在爐體上的附件如進(jìn)電極、熱電偶導(dǎo)出裝置都設(shè)計(jì)了密封結(jié)構(gòu)，但該密封結(jié)構(gòu)在安裝和使用等方面都存在一定問(wèn)題。并對(duì)進(jìn)電極密封結(jié)構(gòu)和熱電偶密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。3肖青10等針對(duì)在機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到法蘭密封的問(wèn)題。一般情況下，通過(guò)螺栓壓緊法蘭密封墊片即可實(shí)現(xiàn)密封。在設(shè)計(jì)O形環(huán)和密封槽時(shí),其關(guān)鍵的問(wèn)題是泄漏率的計(jì)算，在其研究中，對(duì)密封的泄漏率計(jì)算做了詳細(xì)分析，確定所采用的O形環(huán)密封具有良好的密封效果。李專(zhuān)11等結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，論述了目前聚醋工業(yè)中各類(lèi)真空密封的性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及真空檢

19、漏的規(guī)范操作與要求，并從改善真空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高密封可靠性.以及系統(tǒng)升溫、熱緊固與檢漏方法等方面進(jìn)行了有益的探討。分析了常見(jiàn)的靜密封形式金屬墊密封(包括金屬平墊、齒形墊、橢圓墊和纏繞墊等)、法蘭唇焊密封、橡膠0型環(huán)密封、卡環(huán)式密封等以及動(dòng)密封(機(jī)械密封，填料密封等)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。王波12等對(duì)于一種航天高真空結(jié)構(gòu)橡膠密封圈，通過(guò)用數(shù)值模擬的方法，分析計(jì)算了在高溫70、常溫23以及低溫-70時(shí)密封結(jié)構(gòu)的壓緊力以及橡膠密封圈的變形情況，得到密封圈橡膠材料的密封系數(shù)，并據(jù)此計(jì)算了密封圈在3種溫度時(shí)的泄漏率。蔣道滿13等針對(duì)真空法蘭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了真空橡膠密封抗流結(jié)構(gòu)波導(dǎo)法蘭。李留臣14等研究了人

20、工晶體生長(zhǎng)設(shè)備真空系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在其研究中指出，真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，直接影響著晶體生長(zhǎng)設(shè)備的成功與否，而提高真空系統(tǒng)的密封性，降低真空系統(tǒng)的漏氣率是提高真空性能的主要措施。并簡(jiǎn)要闡述了提高真空系統(tǒng)的密封性和降低漏氣率的一些措施，包括真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封形式的選擇、密封材質(zhì)的選用等，提出了一種新型的靜密封結(jié)構(gòu)，從而提高了真空系統(tǒng)的密封性能。根據(jù)真空密封技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析，增加密封性能的主要措施有四種：第一、改進(jìn)真空系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是影響真空系統(tǒng)密封性和系統(tǒng)漏氣率的關(guān)鍵，真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理與否，將直接影響系統(tǒng)的密封性和系統(tǒng)的漏氣率。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)真空系

21、統(tǒng)內(nèi)部盡可能地避免出現(xiàn)小曲率半徑的死角、彎角，要圓角光滑過(guò)渡，不留死角，有利于打磨拋光、清洗清掃。(2)抽空管道、送氣管道等與真空室相連接的管道，采用圓弧過(guò)渡，使氣路暢通無(wú)阻，但要考慮清洗清掃的方便性。(3)認(rèn)真設(shè)計(jì)真空室內(nèi)各種連接件的結(jié)構(gòu)，減少螺紋連接、銷(xiāo)釘連接、鉚釘鉚接，使氣路暢通，避免氣路堵塞。(4)打磨拋光真空系統(tǒng)內(nèi)表面，使其表面光亮如鏡，表面越光亮就越不易氣4體吸附，越容易獲得真空。(5)盡可能減小真空室的體積，縮短管路系統(tǒng)。(6)在不影響使用的條件下，可在真空系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置烘烤裝置。第二、選擇合適的密封形式密封形式可根據(jù)所需真空度的高低及實(shí)際工作需要選擇密封形式，對(duì)于人工品體生長(zhǎng)設(shè)備

22、，一般需要的真空度在10-3Pa以下，因此，無(wú)需采用金屬密封。以TDR-70型單品爐為例，我們選擇磁性流體密封作為旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封，選擇高精度大仲縮量的焊接波紋管進(jìn)行移動(dòng)密封，小直徑軸的旋轉(zhuǎn)密封選用“O”型密封圈或威爾遜密封，各種靜密封則采用“O”型密封圈密封形式，直徑壓縮比為15%25%。第三、選擇合適的密封結(jié)構(gòu)材料真空度在10-3Pa以下的真空系統(tǒng)，密封材料一般選擇橡膠密封圈即可滿足要求。但是，考慮到實(shí)際工作條件的需要，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選用更加合適的密封結(jié)構(gòu)材料。第四、選擇合適的靜密封結(jié)構(gòu)各種真空系統(tǒng)中，80以上的密封為靜密封，靜密封效果的好壞，對(duì)系統(tǒng)的真空度及漏氣率有很大的影響。因此，對(duì)

23、靜密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是達(dá)到理想真空度要求的關(guān)鍵。對(duì)靜密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要考慮如何選擇密封槽的結(jié)構(gòu)、選擇主要密封面、如何減小殘留氣體及如何充分發(fā)揮橡膠密封圈功能。靜密封的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了金屬密封外，從理論上分析采用圓弧形密封槽結(jié)構(gòu)對(duì)降低真空系統(tǒng)漏氣率最為理想，但考慮到各種密封系統(tǒng)的實(shí)際情況，大多數(shù)靜密封結(jié)構(gòu)需采用矩形槽或梯形燕尾槽，這是在密封系統(tǒng)中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。1.4本文背景及意義1.4.1高梯度定向凝固設(shè)備定向凝固，是指在凝固過(guò)程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立沿特定方向的溫度梯度，利用合金凝固時(shí)晶粒沿?zé)崃飨喾捶较蛏L(zhǎng)的原理，控制熱流方向，使鑄件沿規(guī)定方向結(jié)晶的鑄造

24、技術(shù)15-18。定向凝固能得到一些具有特殊取向的規(guī)則組織和優(yōu)異性能的材料,便于準(zhǔn)確測(cè)量組織形態(tài)和尺度特征,因而自它誕生以來(lái)得到了迅速的發(fā)展19,已廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體材料、磁性材料、定向單晶、渦輪葉片以及自生復(fù)合材料的生產(chǎn)20。在定向凝固技術(shù)中,獲得高質(zhì)量定向凝固組織的基本條件是保持凝固界面前沿具有較高溫度梯度21。根據(jù)成分過(guò)冷理論分析，溫度梯度和生長(zhǎng)速度是影響定向凝固過(guò)程中晶粒形態(tài)選擇的關(guān)鍵因素22。因此,高的溫度梯度是設(shè)計(jì)定向凝固設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)23。而設(shè)備在較高的溫度梯度下進(jìn)行較大調(diào)速范圍運(yùn)動(dòng)時(shí),5要求運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性要高。此外,有些合金在高溫下極易氧化、揮發(fā),整個(gè)熔煉及定向凝固過(guò)程需要在真

25、空狀態(tài)下進(jìn)行。而高的爐溫>1600的強(qiáng)烈熱輻射還要求爐體必須具有水冷結(jié)構(gòu)。從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過(guò)程可以看出，獲得高溫度梯度和攪拌對(duì)流強(qiáng)度的基本原則可考慮如下幾個(gè)方面24。(1)提高凝同界面前沿處熔體的溫度以強(qiáng)化輸入界面的熱流，可有效提高界面前沿液相溫度梯度。(2)強(qiáng)化已凝固固相內(nèi)的散熱，提高固液界面固相側(cè)的溫度梯度。(3)改善高溫加熱區(qū)與冷卻區(qū)間的隔熱，用隔熱性能較好的擋板保持兩區(qū)間盡可能高的溫度著，可有效地加大界面前沿的液相溫度梯度。(4)在固液界面前沿增加外力的攪拌。根據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)要求凝固設(shè)備滿足以下幾點(diǎn)要求及相應(yīng)的工藝25-26。(1)改變被提純?nèi)垠w外部的環(huán)境。采用水冷的真空爐

26、室，保證在真空下熔化保溫，以減少熔體表面的氧化吸氣。(2)采用高精度拉伸裝置。采用高精度拉伸裝置，以獲得精確平穩(wěn)的牽引速度，促使柱狀晶沿生長(zhǎng)方向正常生長(zhǎng)，保證平界面的穩(wěn)定，減少不必要的晶界產(chǎn)生，提高捉純的效率。(3)增大溫度梯度。加熱方式采用雙線圈雙區(qū)感應(yīng)加熱，提高界面前沿熔體的溫度；同時(shí)采用側(cè)面環(huán)狀及底部結(jié)合的強(qiáng)冷方式，在界面前沿產(chǎn)生穩(wěn)定的大溫度梯度，保證在一定生長(zhǎng)速度下晶體以平界面方式生長(zhǎng)，把雜質(zhì)元素最大限度地排出到界面前沿。(4)攪拌。在晶體生長(zhǎng)的同時(shí)，利用電磁力對(duì)熔體進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，促使排出到界面前沿的雜質(zhì)元素混合到熔體中27。因此,以獲得高的溫度梯度為目的,根據(jù)上述原則及工藝要求，新型

27、真空高梯度定向凝固設(shè)備應(yīng)該具備以下幾個(gè)基本系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)、抽拉系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等28,各系統(tǒng)間閉環(huán)連接控制。高梯度定向凝固設(shè)備的密封主要需要考慮加熱電極的密封、聯(lián)接法蘭的密封、水冷系統(tǒng)處得動(dòng)密封等。在動(dòng)密封處，防止高溫和硬質(zhì)顆粒的落入伸入爐膛內(nèi)的桿件需作旋轉(zhuǎn)或軸向運(yùn)動(dòng)，故需施以動(dòng)密封。旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封采用了磁流體密封技術(shù)。法蘭部分一般采用了O形環(huán)密封的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行密封。1.4.2密封特點(diǎn)及難點(diǎn)高梯度定向凝固設(shè)備通過(guò)一系列的相關(guān)部件來(lái)保證其真空環(huán)境，而真空及其密封性的好壞，對(duì)工藝控制，產(chǎn)品的質(zhì)量都有著直接的影響29-31。定向凝固設(shè)備的密封通常具備以下幾個(gè)特點(diǎn)，也是密封設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)：

28、6(1)對(duì)密封性能及可靠性要求高。定向凝固系統(tǒng)除了要具有真空環(huán)境以外，泄漏率要求控制住20Pa.L/s以下，并要有很好的可靠性，否則，在正常運(yùn)行中微小的泄露都可能給生產(chǎn)帶來(lái)很大的破壞。因此，在設(shè)計(jì)中通常最大限度地減少密封點(diǎn)，并在法蘭密封上一般采用諸如金屬齒型墊、金屬O形環(huán)等高壓密封手段，使密封可靠性得到保證32。在動(dòng)密封處，防止高溫和硬質(zhì)顆粒的落入伸入爐膛內(nèi)的桿件需作旋轉(zhuǎn)或軸向運(yùn)動(dòng)，故需施以動(dòng)密封。為了提高籽晶桿、坩堝桿或軟軸提拉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，近些年來(lái)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封采用了磁流體密封技術(shù)，軸向動(dòng)密封正在實(shí)驗(yàn)之中。磁流體的最高工作溫度在80以下，超過(guò)此限即會(huì)蒸發(fā)。磁流液中主要含鐵元素，若泄入爐膛

29、對(duì)單晶電阻率影響很大。采用波紋管連接結(jié)構(gòu)，使動(dòng)密封遠(yuǎn)離高溫區(qū)，有助于提高運(yùn)行可靠性，但仍需對(duì)其專(zhuān)門(mén)通水冷卻。在坩堝桿插入口，容易落進(jìn)硅渣等硬質(zhì)顆粒，造成坩堝桿磨損，降低密封性33。(2)密封面的工作溫度都比較高。由于定向凝固爐在高溫環(huán)境下工作，這就對(duì)密封材質(zhì)的選用、加熱速度的控制、安裝及緊固方法都有一些特殊的要求，因此在設(shè)計(jì)中需要考慮這些因素的影響，以保證良好的密封效果。例如，在水冷結(jié)構(gòu)上應(yīng)該保證密封圈(墊)工作在允許的溫度以下，爐室的靜密封大多采用耐高溫的密封圈(墊)，但極限使用溫度在200左右，故在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮冷卻問(wèn)題。在個(gè)別高溫出口(如抽氣口)上，可以采用軟金屬(紫銅或鋁)密封34

30、。1.4.3本文設(shè)計(jì)內(nèi)容考慮密封性對(duì)真空定向凝固爐的重要影響，本題目基于5Kg真空定向凝固爐的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，主要完成以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1)分析研究真空密封技術(shù)各種密封形式、應(yīng)用場(chǎng)合及各自優(yōu)缺點(diǎn)。(2)分析研究真空熔鑄設(shè)備中密封結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求和特征參數(shù)。確定定向凝固設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)。(3)針對(duì)高梯度定向凝固設(shè)備的法蘭、爐門(mén)和電極三個(gè)關(guān)鍵部件的不同結(jié)構(gòu)特征，并考慮密封材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和機(jī)械加工精度的要求，分別對(duì)其并進(jìn)行密封設(shè)計(jì)與研究。此處省去NNNNN需要更多更完整的圖紙和說(shuō)明書(shū)請(qǐng)聯(lián)系秋30537030617第二章高梯度定向凝固爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1定向凝固技術(shù)定向凝固，是指在凝固過(guò)程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金

31、屬和未凝固金屬熔體中建立沿特定方向的溫度梯度，利用合金凝固時(shí)晶粒沿?zé)崃飨喾捶较蛏L(zhǎng)的原理，控制熱流方向，使鑄件沿規(guī)定方向結(jié)晶的鑄造技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，大野篤美教授將連續(xù)鑄造與定向凝固相結(jié)合，發(fā)明了OCC(OhnoContinuousCasting)法。OCC法固液界面前沿液相溫度梯度較低;而且工藝過(guò)程難以控制，特別是對(duì)于下拉法，極易拉漏，因此，北京科技大學(xué)在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了具有較高的溫度梯度、工藝控制方便、適用于多種合金材料的連續(xù)定向凝固方法，并得到了很好的應(yīng)用。而后又將真空設(shè)備與該工藝相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種熔煉、提純、凝固一體，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，金屬純凈度高的新型真空連續(xù)定向凝固方法。定

32、向凝固能得到一些具有特殊取向的規(guī)則組織和優(yōu)異性能的材料,便于準(zhǔn)確測(cè)量組織形態(tài)和尺度特征,因而自它誕生以來(lái)得到了迅速的發(fā)展,已廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體材料、磁性材料、定向單晶、渦輪葉片以及自生復(fù)合材料的生產(chǎn)。在定向凝固技術(shù)中,獲得高質(zhì)量定向凝固組織的基本條件是保持凝固界面前沿具有較高溫度梯度21。根據(jù)成分過(guò)冷理論分析，溫度梯度和生長(zhǎng)速度是影響定向凝固過(guò)程中晶粒形態(tài)選擇的關(guān)鍵因素。因此,高的溫度梯度是設(shè)計(jì)定向凝固設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)23。而設(shè)備在較高的溫度梯度下進(jìn)行較大調(diào)速范圍運(yùn)動(dòng)時(shí),要求運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性要高。此外,有些合金在高溫下極易氧化、揮發(fā),整個(gè)熔煉及定向凝固過(guò)程需要在真空狀態(tài)下進(jìn)行。而高的爐溫>

33、1600的強(qiáng)烈熱輻射還要求爐體必須具有水冷結(jié)構(gòu)35。從定向凝固技術(shù)的發(fā)展過(guò)程可以看出，獲得高溫度梯度和攪拌對(duì)流強(qiáng)度的基本原則可考慮如下幾個(gè)方面。(1)提高凝同界面前沿處熔體的溫度以強(qiáng)化輸入界面的熱流，可有效提高界面前沿液相溫度梯度。(2)強(qiáng)化已凝固固相內(nèi)的散熱，提高固液界面固相側(cè)的溫度梯度。(3)改善高溫加熱區(qū)與冷卻區(qū)間的隔熱，用隔熱性能較好的擋板保持兩區(qū)間盡可能高的溫度著，可有效地加大界面前沿的液相溫度梯度。(4)在固液界面前沿增加外力的攪拌。根據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)要求凝固設(shè)備滿足以下幾點(diǎn)要求及相應(yīng)的工藝。(1)改變被提純?nèi)垠w外部的環(huán)境。采用水冷的真空爐室，保證在真空下熔化保溫，以減少熔體表面的

34、氧化吸氣。8(2)采用高精度拉伸裝置。采用高精度拉伸裝置，以獲得精確平穩(wěn)的牽引速度，促使柱狀晶沿生長(zhǎng)方向正常生長(zhǎng)，保證平界面的穩(wěn)定，減少不必要的晶界產(chǎn)生，提高捉純的效率。(3)增大溫度梯度。加熱方式采用雙線圈雙區(qū)感應(yīng)加熱，提高界面前沿熔體的溫度；同時(shí)采用側(cè)面環(huán)狀及底部結(jié)合的強(qiáng)冷方式，在界面前沿產(chǎn)生穩(wěn)定的大溫度梯度，保證在一定生長(zhǎng)速度下晶體以平界面方式生長(zhǎng)，把雜質(zhì)元素最大限度地排出到界面前沿。(4)攪拌。在晶體生長(zhǎng)的同時(shí)，利用電磁力對(duì)熔體進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，促使排出到界面前沿的雜質(zhì)元素混合到熔體中27。2.2高梯度定向凝固設(shè)備結(jié)構(gòu)以獲得高的溫度梯度為目的,根據(jù)上述原則及工藝要求，新型真空高梯度定向凝固

35、設(shè)備應(yīng)該具備以下幾個(gè)基本系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)、抽拉系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等,各系統(tǒng)間閉環(huán)連接控制,如圖1.8所示36。圖1.8高梯度定向凝固裝置原理簡(jiǎn)圖加熱系統(tǒng)設(shè)備采用雙區(qū)加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu),目的是使鑄件中有嚴(yán)格的一維熱流,以達(dá)到液固界面前沿液相中有高的溫度梯度，其結(jié)構(gòu)如圖1.9所示。設(shè)備的抽拉系統(tǒng)要完成試樣的輸送和定向凝固所需的抽拉運(yùn)動(dòng)。爐體內(nèi)側(cè)設(shè)有多層防輻射屏,結(jié)晶器、爐體內(nèi)外壁之間、金屬電極等處均使用循環(huán)水冷卻,循環(huán)水采用下進(jìn)上出的順序,隨時(shí)帶走熱量,使冷卻充分,此措施有效地將抗高溫能力差的不銹鋼外壁、橡膠密封圈與石墨發(fā)熱體隔開(kāi)。冷卻系統(tǒng)和結(jié)晶器結(jié)構(gòu)如圖2.0所示。其密封是采用動(dòng)密封形式

36、29。9圖1.9雙區(qū)加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2.0結(jié)晶器與冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖真空系統(tǒng)選用真空機(jī)械泵和高真空油擴(kuò)散泵,抽氣速率為8L/s,并配備相應(yīng)的真空管道、真空閥門(mén)、真空壓力計(jì),組成二級(jí)真空系統(tǒng)。先用機(jī)械泵預(yù)抽真空,10然后用油擴(kuò)散泵抽高真空。高梯度定向凝固設(shè)備的密封主要需要考慮加熱電極的密封、聯(lián)接法蘭的密封、水冷系統(tǒng)處得動(dòng)密封等。在動(dòng)密封處，防止高溫和硬質(zhì)顆粒的落入伸入爐膛內(nèi)的桿件需作旋轉(zhuǎn)或軸向運(yùn)動(dòng)，故需施以動(dòng)密封。旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封采用了磁流體密封技術(shù)。法蘭部分一般采用了O形環(huán)密封的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行密封。2.3密封特點(diǎn)及難點(diǎn)高梯度定向凝固設(shè)備通過(guò)一系列的相關(guān)部件來(lái)保證其真空環(huán)境，而真空及其密封性的好壞，

37、對(duì)工藝控制，產(chǎn)品的質(zhì)量都有著直接的影響。定向凝固設(shè)備的密封通常具備以下幾個(gè)特點(diǎn)，也是密封設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)：(1)對(duì)密封性能及可靠性要求高。定向凝固系統(tǒng)除了要具有真空環(huán)境以外，泄漏率要求控制住20Pa.L/s以下，并要有很好的可靠性，否則，在正常運(yùn)行中微小的泄露都可能給生產(chǎn)帶來(lái)很大的破壞。因此，在設(shè)計(jì)中通常最大限度地減少密封點(diǎn)，并在法蘭密封上一般采用諸如金屬齒型墊、金屬O形環(huán)等高壓密封手段，使密封可靠性得到保證32。在動(dòng)密封處，防止高溫和硬質(zhì)顆粒的落入伸入爐膛內(nèi)的桿件需作旋轉(zhuǎn)或軸向運(yùn)動(dòng)，故需施以動(dòng)密封。為了提高籽晶桿、坩堝桿或軟軸提拉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，近些年來(lái)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封采用了磁流體密封技術(shù)，軸向動(dòng)

38、密封正在實(shí)驗(yàn)之中。磁流體的最高工作溫度在80以下，超過(guò)此限即會(huì)蒸發(fā)。磁流液中主要含鐵元素，若泄入爐膛對(duì)單晶電阻率影響很大。采用波紋管連接結(jié)構(gòu)，使動(dòng)密封遠(yuǎn)離高溫區(qū)，有助于提高運(yùn)行可靠性，但仍需對(duì)其專(zhuān)門(mén)通水冷卻。在坩堝桿插入口，容易落進(jìn)硅渣等硬質(zhì)顆粒，造成坩堝桿磨損，降低密封性。(2)密封面的工作溫度都比較高。由于定向凝固爐在高溫環(huán)境下工作，這就對(duì)密封材質(zhì)的選用、加熱速度的控制、安裝及緊固方法都有一些特殊的要求，因此在設(shè)計(jì)中需要考慮這些因素的影響，以保證良好的密封效果。例如，在水冷結(jié)構(gòu)上應(yīng)該保證密封圈(墊)工作在允許的溫度以下，爐室的靜密封大多采用耐高溫的密封圈(墊)，但極限使用溫度在200左右，

39、故在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮冷卻問(wèn)題。在個(gè)別高溫出口(如抽氣口)上，可以采用軟金屬(紫銅或鋁)密封34。(3)需要重點(diǎn)進(jìn)行密封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件。根據(jù)高梯度定向凝固爐的結(jié)構(gòu)中可以確定，對(duì)系統(tǒng)整體密封性能有重要影響的部件有三個(gè)：爐門(mén)密封、法蘭密封、電極密封。因此需要對(duì)這三個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行可靠的密封性設(shè)計(jì)，以確保高梯度定向凝固爐的整體密封性能。11第三章真空密封技術(shù)密封性能是評(píng)定機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。設(shè)備中的工作介質(zhì)或潤(rùn)滑劑的泄漏，會(huì)造成浪費(fèi)并污染環(huán)境。易燃、易爆、劇毒、腐蝕性、放射性物質(zhì)的泄漏，會(huì)危及人身及設(shè)備的安全；環(huán)境中的氣體、灰塵、水等進(jìn)入機(jī)械設(shè)備內(nèi)會(huì)導(dǎo)致軸承、齒輪等過(guò)早地磨損報(bào)廢，漏入化工裝置

40、內(nèi)會(huì)影響化工產(chǎn)品純度；流體機(jī)械內(nèi)部泄漏會(huì)影響容積效率等。因此，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中考慮密封性的設(shè)計(jì)是一個(gè)對(duì)保證產(chǎn)品性能的重要保障。3.1動(dòng)密封和靜密封密封可以分為相對(duì)靜止接合面間的靜密封和相對(duì)運(yùn)動(dòng)接合面間的動(dòng)密封兩大類(lèi)。靜密封主要有墊密封、膠密封和接觸密封三大類(lèi)。根據(jù)工作壓力，靜密封又可分為中低壓靜密封和高壓靜密封。中低壓靜密封常用材質(zhì)較軟、墊片較寬的墊密封，高壓靜密封則用材料較硬、接觸寬度很窄的金屬墊片。動(dòng)密封可以分為旋轉(zhuǎn)密封和往復(fù)密封兩種基本類(lèi)型。按密封件與其作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件是否接觸，可以分為接觸式密封和非接觸式密封。一般說(shuō)來(lái)，接觸式密封的密封性好，但受摩擦磨損限制，適用于密封面線速度較低的

41、場(chǎng)合。非接觸式密封的密封性較差，適用于較高線速度的場(chǎng)合。在接觸式密封中，按密封件的接觸位置又可分為圓周(徑向)密封和斷面(軸向)密封。端面密封又稱為機(jī)械密封。非接觸動(dòng)密封有迷宮密封和動(dòng)力密封等。前者是利用流體在間隙內(nèi)的節(jié)流效應(yīng)限漏，泄漏量較大，通常用在級(jí)間密封等密封性要求不高的場(chǎng)合。動(dòng)力密封有離心密封、浮環(huán)密封、螺旋密封等，是靠動(dòng)力元件產(chǎn)生壓頭抵消密封兩側(cè)的壓力差以克服泄漏，它有很高的密封性，但能耗大，且難以獲得高壓頭。非接觸式密封，由于密封面不直接接觸，起動(dòng)功率小，壽命長(zhǎng)。如果設(shè)計(jì)得合理，泄漏量也不會(huì)太大。但這類(lèi)密封是利用流體力學(xué)的平衡狀態(tài)而工作的，如果運(yùn)轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化，就會(huì)引起泄漏量很大的

42、波動(dòng)。而且市場(chǎng)上不能直接購(gòu)到這類(lèi)密封件，基本上都由用戶自行設(shè)計(jì)。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的類(lèi)型、密封機(jī)理、密封件形狀和材料等，密封的分類(lèi)如圖3.1所示。3.2真空密封技術(shù)真空聯(lián)接的密封性能取決于聯(lián)接處的泄漏和真空材料的放氣。對(duì)任何真空系統(tǒng)總希望漏、放氣量越小越好，但由于漏、放氣量與密封形式、密封材料、加工精度及裝配質(zhì)量等諸因素有關(guān)，故在聯(lián)接處總會(huì)存在一定的漏、放氣量，因此可根據(jù)真空系統(tǒng)工作的性質(zhì)、真空室工作應(yīng)力的高低及其出口處抽氣速度的大小提12出要求。密封靜密封動(dòng)密封墊密封膠密封填料密封波紋管接觸型動(dòng)密封非接觸型動(dòng)密封非金屬密封墊軟填料密封迷宮密封非金屬、金屬組合墊成型填料密封離心密封金屬密封墊油封浮環(huán)

43、密封螺旋密封防塵密封磁流體密封硬填料密封全封閉密封脹圈密封機(jī)械密封圖3.1密封的分類(lèi)真空系統(tǒng)中的壓力在高于10-5Pa真空范圍內(nèi)廣泛使用合成橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂和塑料。當(dāng)真空度提高到壓力10-7Pa的真空范圍內(nèi)時(shí)，這些密封材料就不能使用了，需要應(yīng)用超高真空的密封材料如金或銅做墊圈，而真空殼體不能用軟鋼，需要改用不銹鋼。超高真空系統(tǒng)內(nèi)的氣體狀態(tài)是動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。系統(tǒng)內(nèi)的壓力極限，一方面與泵的有效抽速有關(guān)，另一方面與來(lái)自真空殼體及其內(nèi)部的零部件的氣流量有關(guān)。因雖有系統(tǒng)的有效抽速由于泵有結(jié)構(gòu)尺寸和費(fèi)用等原因，總存在實(shí)際限制。所以，減少氣流量就成為達(dá)到超高真空狀態(tài)的基本設(shè)計(jì)目標(biāo)，成為選擇超高真空材料的主要準(zhǔn)則

44、。作為真空系統(tǒng)內(nèi)部用的材料，要求飽和蒸汽壓低，為了減少慢性解吸和體出氣，要求能耐450高溫烘烤，而不降低機(jī)械強(qiáng)度和不發(fā)生化學(xué)和物理?yè)p傷。作為真空系統(tǒng)殼體材料，要求能忽略氣體滲碳，承受得住大氣壓的壓力，烘烤期間13耐空氣侵蝕和不發(fā)生漏氣。此外，要求選用的材料，加工制作容易，價(jià)廉易得。對(duì)于真空度低于10-7Pa的超高真空，雖然天然和合成橡膠是理想的密封圈材料，彈性好，裝配成真空密封后法蘭螺栓受力很小，而且可以多次重復(fù)使用。但由于超高真空系統(tǒng)要求密封圈材料耐250烘烤，實(shí)際上可供選用的幾種橡膠材料都不能滿足要求。真空度更高(即壓力更低)的超高真空，則必須采用金屬密封。3.3增加真空密封性能的措施根據(jù)

45、真空密封技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析，增加密封性能的主要措施有四種：第一、改進(jìn)真空系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是影響真空系統(tǒng)密封性和系統(tǒng)漏氣率的關(guān)鍵，真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理與否，將直接影響系統(tǒng)的密封性和系統(tǒng)的漏氣率。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)真空系統(tǒng)內(nèi)部盡可能地避免出現(xiàn)小曲率半徑的死角、彎角，要圓角光滑過(guò)渡，不留死角，有利于打磨拋光、清洗清掃。(2)抽空管道、送氣管道等與真空室相連接的管道，采用圓弧過(guò)渡，使氣路暢通無(wú)阻，但要考慮清洗清掃的方便性。(3)認(rèn)真設(shè)計(jì)真空室內(nèi)各種連接件的結(jié)構(gòu)，減少螺紋連接、銷(xiāo)釘連接、鉚釘鉚接，使氣路暢通，避免氣路堵塞。(4)打磨拋光真空系統(tǒng)內(nèi)表面，使其表面光亮如鏡，表面越

46、光亮就越不易氣體吸附，越容易獲得真空。(5)盡可能減小真空室的體積，縮短管路系統(tǒng)。(6)在不影響使用的條件下，可在真空系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置烘烤裝置。第二、選擇合適的密封形式密封形式可根據(jù)所需真空度的高低及實(shí)際工作需要選擇密封形式，對(duì)于人工品體生長(zhǎng)設(shè)備，一般需要的真空度在10-3Pa以下，因此，無(wú)需采用金屬密封。以TDR-70型單品爐為例，我們選擇磁性流體密封作為旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封，選擇高精度大仲縮量的焊接波紋管進(jìn)行移動(dòng)密封，小直徑軸的旋轉(zhuǎn)密封選用“O”型密封圈或威爾遜密封，各種靜密封則采用“O”型密封圈密封形式，直徑壓縮比為15%25%。第三、選擇合適的密封結(jié)構(gòu)材料真空度在10-3Pa以下的真空系統(tǒng)，密封材料

47、一般選擇橡膠密封圈即可滿足要求。但是，考慮到實(shí)際工作條件的需要，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選用更加合適的密封結(jié)構(gòu)材料。第四、選擇合適的靜密封結(jié)構(gòu)各種真空系統(tǒng)中，80以上的密封為靜密封，靜密封效果的好壞，對(duì)系統(tǒng)的真空度及漏氣率有很大的影響。因此，對(duì)靜密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是達(dá)14到理想真空度要求的關(guān)鍵。對(duì)靜密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要考慮如何選擇密封槽的結(jié)構(gòu)、選擇主要密封面、如何減小殘留氣體及如何充分發(fā)揮橡膠密封圈功能。靜密封的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了金屬密封外，從理論上分析采用圓弧形密封槽結(jié)構(gòu)對(duì)降低真空系統(tǒng)漏氣率最為理想，但考慮到各種密封系統(tǒng)的實(shí)際情況，大多數(shù)靜密封結(jié)構(gòu)需采用矩形槽或梯形燕尾槽，這是在密封

48、系統(tǒng)中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。15第四章高梯度定向凝固爐關(guān)鍵部件的密封性設(shè)計(jì)根據(jù)第二章和第三章對(duì)定向凝固爐的結(jié)構(gòu)及真空密封技術(shù)的分析與研究，高梯度定向凝固爐中需要進(jìn)行重點(diǎn)密封設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有法蘭聯(lián)接部分的密封，爐門(mén)部分的密封，以及電極的密封設(shè)計(jì)。其中法蘭密封和電極密封屬于靜密封，爐門(mén)密封屬于動(dòng)密封，針對(duì)三部分的不同結(jié)構(gòu)，本章分別對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的密封性設(shè)計(jì)。4.1法蘭密封設(shè)計(jì)4.1.1法蘭密封面常見(jiàn)的幾種形式中、低壓法蘭常用密封面形式有平面、凹凸面及榫槽面三種。如圖4.1所示。a平面法蘭b凹凸面法蘭圖4.1法蘭密封常見(jiàn)形式c榫槽面法蘭1.平面法蘭該種法蘭的密封面是一光滑平面，有時(shí)也在密封面上車(chē)有二條界面為三角形

49、的同心圓溝槽（俗稱水線）。如圖4.1（a）所示。適用于平面法蘭的墊片有各種非金屬平墊片、包覆墊、金屬包墊、纏繞式墊片（可同時(shí)帶內(nèi)環(huán)或外環(huán)或內(nèi)外環(huán)）。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，便于防腐襯里的施工，故可在公稱壓力p2.45MPa時(shí)使用。在0.588MPa壓力以下、溫度不高的場(chǎng)所尤為適宜，但這種密封面與墊片接觸面積較大（特別是管道用寬面法蘭），所需壓緊力大，安裝時(shí)墊片不宜定位。預(yù)緊后，墊片易向兩側(cè)伸展或移動(dòng)。故如聚四氟乙烯等摩擦系數(shù)較小的墊片，不宜采用該種密封面。另外，如使用纏繞墊片，為了重復(fù)利用墊片，密封面上不車(chē)制三角槽37。2.凹凸面法蘭16該法蘭密封面由一凹面和一凸面組合而成，墊片放置在凹面內(nèi)，

50、如圖4.1（b）所示。其適用的墊片有：各種非金屬平墊、包覆墊、金屬包墊、纏繞墊片（基本型或帶內(nèi)環(huán)的）、金屬波形墊、金屬平墊、金屬齒形墊。與平面法蘭相比，凹凸面法蘭中墊片不易被擠出，裝配時(shí)便于對(duì)中，工作壓力范圍比平面法蘭寬，用于密封要求較嚴(yán)的場(chǎng)合。但對(duì)于操作溫度高，封口直徑大的設(shè)備，使用該種密封面時(shí)，墊片仍存在被擠出的可能。例如某換熱器，壓力2.45MPa，溫度250，使用純鋁平墊片。根據(jù)表2-2提供的數(shù)據(jù)，純鋁最高使用溫度為425，其密封應(yīng)該可靠。事實(shí)上，換熱器投入運(yùn)轉(zhuǎn)不久就出現(xiàn)泄漏，二次緊固后也僅維持一段時(shí)間。經(jīng)停車(chē)檢查，發(fā)現(xiàn)墊片內(nèi)徑發(fā)生顯著變形。其原因是純鋁的塑性良好，250時(shí)的屈服強(qiáng)度約

51、是常溫下的15%，延伸率高達(dá)45倍，這就是說(shuō)在高溫下鋁墊的壓延、蠕變現(xiàn)象嚴(yán)重。因此墊片和法蘭面之間無(wú)法保持所需要的密封比壓，故必須更換墊片材質(zhì)或采用榫槽面法蘭以及帶有兩道止口的凹凸面法蘭（如高壓密封中，金屬平墊所采用的法蘭面結(jié)構(gòu)）予以解決。3.榫槽面法蘭該法蘭密封面由一榫槽面和一槽面配合組成，墊片置于槽內(nèi)，如圖4.1（c）所示。適用墊片有：金屬及非金屬平墊、金屬包墊、纏繞墊（基本型）等。與凹凸面法蘭一樣，榫槽面法蘭在槽中不會(huì)被擠出，壓緊面積最小（只有平面法蘭和凹凸面法蘭的5268%），墊片受力均勻。由于墊片與介質(zhì)不直接接觸，介質(zhì)腐蝕影響和壓力機(jī)制的滲透影響最小，可用于高壓、易燃、易爆、有毒介質(zhì)等密封要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。這種密封面墊片安裝時(shí)對(duì)中性好，該密封面加工和墊片更換較為困難。4.其他密封面型式的法蘭除以上三種密封面型式以外，還有采用梯形槽密封面，以及配用O形環(huán)、透鏡墊時(shí)的特殊密封面型式。見(jiàn)圖4.2。圖4.2其他密封形式（a）為采用橡膠O形圈和金屬中空O形環(huán)的密封面形式。（b）為梯形槽密封面，可配金屬八角墊和橢圓墊。（c）為透鏡墊密封結(jié)構(gòu)