基于真空系統(tǒng)油擴(kuò)散泵的工作原理，分析油擴(kuò)散泵返油的原因，總結(jié)出油擴(kuò)散泵控制返油的方法；引用實(shí)例闡述如何查找返油原因；并根據(jù)具體原因采取具體措施，以降低油擴(kuò)散泵的返油率。

　　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。油擴(kuò)散泵作為大多數(shù)高真空系統(tǒng)的主泵，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抽氣速率高，容易獲得高真空等特點(diǎn)，備受青睞；但是真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為油擴(kuò)散泵的返油問(wèn)題，多年以來(lái)，卻在生產(chǎn)實(shí)際中難以得到有效地解決。本文就如何控制油擴(kuò)散泵的返油率，以期獲得高真空系統(tǒng)為目的，從油擴(kuò)散泵的設(shè)計(jì)原理及在生產(chǎn)實(shí)際中積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行探討。

1、油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)及工作原理

　　油擴(kuò)散泵是以油蒸汽射流來(lái)攜帶氣體達(dá)到抽真空目的。油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)如圖1。它主要由泵體、導(dǎo)流管、分餾環(huán)和加熱器組成。油作為工作液裝在下面油鍋內(nèi)，經(jīng)過(guò)加熱器加熱變成油蒸汽，沿著導(dǎo)流管上升，當(dāng)油蒸汽到一、二、三級(jí)噴嘴處時(shí)，由于噴嘴處的截面突然縮小，蒸汽流的速度提高，高速的油蒸汽流從噴嘴噴出，形成傘形，只要?dú)怏w分子碰到油蒸汽就極容易被攜帶走，而后達(dá)到泵的內(nèi)壁上，泵壁是用冷卻水冷卻的，所以油蒸汽被冷凝成為油滴，沿泵壁流入油鍋，氣體分子不能被冷凝而放出；油再經(jīng)過(guò)加熱，蒸發(fā)成油蒸汽，一級(jí)一級(jí)地把氣體分子從a1 區(qū)帶到a2 區(qū)a3 再送到排氣口，被前級(jí)泵抽走而實(shí)現(xiàn)排氣的。

圖1 油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成油擴(kuò)散泵返油的因素

　　2.1、泵壁、特別是頂部泵壁的冷卻能力

　　不適當(dāng)?shù)谋帽诒砻鏈囟龋�使碰撞在擴(kuò)散泵表面的蒸汽分子可能不會(huì)凝聚；沿泵壁向下流的油層表面溫度比泵壁溫度高的多，易于產(chǎn)生再蒸發(fā)，形成油返流，所以泵壁冷卻效率要高。頂部泵壁的充分冷卻能大大減少一級(jí)噴嘴表面的油膜和油滴再蒸發(fā)引起的返流率。

　　2.2、擴(kuò)散泵加熱功率過(guò)大，油溫過(guò)高，返油率增大

　　油擴(kuò)散泵加熱功率過(guò)大超出最佳值，油蒸汽射流密度增大，被抽氣體不易向蒸汽分子中擴(kuò)散，蒸汽流速度過(guò)大，撞擊到泵壁上來(lái)不及冷凝反而濺射，就增加了油分子向被抽容器中擴(kuò)散的機(jī)率，從而增大了返流率。

　　2.3、擴(kuò)散泵入口障板阻擋油分子散射的能力不強(qiáng)

　　油擴(kuò)散泵入口障板的主要作用是，當(dāng)擴(kuò)散泵正常工作時(shí)，阻擋不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的油蒸汽分子向被抽容器中返流的屏障。障板的結(jié)構(gòu)對(duì)阻擋油分子的返流有很大關(guān)系。

　　2.4、噴射塔變形、傾斜或位置變化

　　噴射塔是由各級(jí)噴嘴及導(dǎo)流管組成，它的變形將直接影響到噴嘴的縫隙大小與張角，擴(kuò)散泵工作時(shí)油蒸汽分子的噴射面積及噴射力，縫隙過(guò)大，噴射出的蒸汽流速度變小，不能碰到泵壁冷卻；張角過(guò)大，從噴口到泵壁的距離遠(yuǎn)了，不能在泵壁形成密集的蒸汽流；張角過(guò)小，油分子水平方向速度增大，容易引起油蒸汽反射到高真空端。噴射塔的位移帶動(dòng)噴嘴的位置變化，將引起油蒸汽分子攜帶氣體的區(qū)域變化和冷卻時(shí)間變化。

　　2.5、出口壓力過(guò)大，引起返油

　　油擴(kuò)散泵的出口壓力不能超過(guò)最大反壓強(qiáng)，當(dāng)擴(kuò)散泵工作時(shí)出口壓強(qiáng)過(guò)大，氣體將由前級(jí)泵向擴(kuò)散泵反擴(kuò)散，改變油蒸汽分子的的定向運(yùn)動(dòng)，增大油蒸汽返流率。

3、控制油擴(kuò)散泵返油率的常規(guī)措施

　　目前，主要措施是捕集器的應(yīng)用。捕集器主要有擋油帽、障板和阱三種型式。

　　3.1、擋油帽和擋油環(huán)

　　擴(kuò)散泵采用擋油帽(圖2)和擋油環(huán)(圖3)裝置，可以有效地阻止油的返流。此結(jié)構(gòu)主要控制一級(jí)噴嘴表面的油膜和油滴的再蒸發(fā)，一級(jí)噴嘴表面的油膜和油滴的再蒸發(fā)，要占總返油量的70%。擋油帽的使用降低了返油的主要來(lái)源，它可使返油率減少50%左右，而對(duì)泵的抽速卻無(wú)顯著影響。擋油帽用水冷卻比不用水冷卻效果要好。如果在頂部噴嘴的上方，緊貼泵壁加一擋油環(huán)，則效果更佳，最多時(shí)返油率可減少達(dá)20%。結(jié)構(gòu)如圖。

圖2 擋油帽　　圖3 擋油環(huán)

　　3.2、障板

　　由于油蒸汽從泵入口處向被抽容器中返流，因此在泵入口處可裝上阻攔油蒸汽返流的障板，來(lái)減少油的返流。障板通常用水冷卻。

　　高真空情況下，蒸汽分子是直線運(yùn)動(dòng)的，所以障板就是不能使蒸汽分子直線穿過(guò)。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。擴(kuò)散泵正常工作中油蒸汽分子先撞導(dǎo)管壁被吸留，吸留的分子蒸發(fā)；在靠近真空容器的泵壁再次被吸留，再蒸發(fā)；已經(jīng)有兩次碰撞的蒸汽分子繼續(xù)向真空容器中擴(kuò)散，這時(shí)就撞擊到障板上，從而阻止油蒸汽的返流。

4、實(shí)例分析

　　以我公司目前使用的臥式板材真空退火爐為例。臥式板材真空退火爐真空系統(tǒng)由兩套泵組并聯(lián)，主泵為兩臺(tái)K-800T 的油擴(kuò)散泵，該設(shè)備在使用過(guò)程中故障率很高，不能正常使用。現(xiàn)象：高真空度達(dá)不到使用要求，真空度為8.9×10^-2 Pa；成品退火料被污染(表面發(fā)黑)；擴(kuò)散泵耗油較明顯，每爐料將有約1.5 L~2 L 的泵油返回爐體；判斷為返油嚴(yán)重。分析原因：根據(jù)擴(kuò)散泵返油的主要因素來(lái)逐一排除，分析泵返油的原因。

　　①擴(kuò)散泵壁冷卻能力的檢測(cè)，室溫27 ℃，冷卻水壓0.3 MPa；冷卻水暢通；冷卻水進(jìn)水溫度25 ℃，出口溫度為30~35 ℃；泵壁溫度30 ℃；冷卻能力達(dá)到要求。

　　②測(cè)量加熱功率符合標(biāo)準(zhǔn)；油溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)200~220 ℃(擴(kuò)散泵油溫要求范圍200~230 ℃，最高不超過(guò)250 ℃)，實(shí)測(cè)結(jié)果符合擴(kuò)散泵工作要求。排除了加熱功率過(guò)高引起返流的因素。

　　③入口處水冷障板冷卻水暢通，進(jìn)水壓力正常，出口溫度30 ℃，障板的使用符合要求。障板的結(jié)構(gòu)是否合理在爐體外無(wú)法判斷。

　　④前級(jí)泵的抽速滿足擴(kuò)散泵的出口壓強(qiáng)(實(shí)測(cè)真空度為1.3×10^-1 Pa)，因此排除了出口壓力過(guò)大引起返流的因素。

　　⑤其它返流因素排除后，判斷有可能是噴射塔變形、傾斜或位移引起返流。

　　于是將擴(kuò)散泵解體，發(fā)現(xiàn)爐底變形，爐底中心拱起，噴射塔依次向上位移，擴(kuò)散泵一級(jí)噴嘴頂面已高出泵口水平面大約25 mm(原低于泵口水平面50 mm)，且噴射塔傾斜，已經(jīng)將泵入口處的水冷障板頂起變形見(jiàn)圖4、圖5。

　　擴(kuò)散泵噴射塔的噴嘴間隙和張角(圖6)變化將影響油蒸汽分子的工作性能。噴口縫隙大小，影響蒸汽流的密度和速度。塔上移傾斜后頂部頂住水冷障板，噴嘴間隙發(fā)生變化，間隙大的一邊，油蒸汽流噴射后的蒸汽分子速度變慢，攜帶氣體分子不能快速到達(dá)泵壁冷卻，從而部分油蒸汽返流；傾斜變形后，導(dǎo)致噴嘴變形一邊高一邊低，從而改變噴嘴蒸汽流噴出方向發(fā)生變化，偏向爐口方向噴射過(guò)去，增加了油蒸汽分子的返流。

圖4 變形前　　圖5 變形后　　圖6 張角α

　　噴咀變形勢(shì)必引起噴口張角的不規(guī)則變化，張角過(guò)大區(qū)域，噴嘴出來(lái)的油蒸汽分子離泵壁距離遠(yuǎn)了，油蒸汽分子不能被全部冷卻，部分向爐體返流；張角小的區(qū)域，油分子從噴嘴噴出后的水平方向速度增大，容易引起油蒸汽反射到爐體，增加返流。處理過(guò)程：將油擴(kuò)散泵爐底鋼板加厚重新更換，增大爐底板抵抗油分子的拉力變形；水冷障板重新制作并將原葉片加密(百葉窗式)，改進(jìn)設(shè)計(jì)成光密水冷障板，增加水冷障板阻擋油分子的能力。經(jīng)過(guò)這樣處理改進(jìn)后，擴(kuò)散泵返油率大大減少，系統(tǒng)工作真空度達(dá)到2.3×10-3 Pa，成品表面光亮度有很大提高。

5、結(jié)論

　　本文根據(jù)理論及經(jīng)驗(yàn)分析得出擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)造成返油率增大的可能因素，介紹了控制油擴(kuò)散泵返油率采取的幾種措施方法，真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為對(duì)生產(chǎn)實(shí)際中提高真空系統(tǒng)的真空度，診斷系統(tǒng)故障，提高效能都具有重要作用。