CN100491721C

CN100491721C - 多级式抽真空装置及其抽真空方法

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Publication number: CN100491721C
Application number: CNB2005100811144A
Authority: CN
Inventors: 徐佳铭
Original assignee: Jianguo Science & Technology Univ
Current assignee: Jianguo Science & Technology Univ
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2025-06-27
Also published as: CN1888426A

Abstract

一种多级式抽真空装置及其抽真空方法，适用于快速降低一容室的压力，该抽真空装置包含数个腔体、一用于抽取每一腔体内的气体以降低每一腔体内压力的抽气单元、一连接每一腔体并用于控制气体进出每一腔体的控制阀单元，及一连通该控制阀单元与抽气单元的管路单元，利用该抽气单元先行抽取每一腔体内的气体而呈近真空状态，再控制该控制阀单元，使每一腔体分别与该容室相连通，用以抽取该容室内的气体，使该容室快速降低压力。本发明可快速抽气以降低压力、减少能源消耗、避免污染环境，并可确保操作人员的安全。

Description

多级式抽真空装置及其抽真空方法

【技术领域】

本发明涉及一种抽真空装置及其抽真空方法，特别是涉及一种多级式抽真空装置及其抽真空方法。

【背景技术】

如图1所示，现行的真空氧脱碳(Vacuum OxygenDecarburization，VOD)技术可对钢材进行二次精炼(SecondaryRefining)，利用真空技术，可使熔融的钢液脱除其内含的杂质元素，如氢(H)、氮(N)、硫(S)、碳(C)…等元素及杂质并可进行除气，以获得纯净度更高的合金钢。VOD制程大致上可分成三个阶段：第一阶段，吹氧(Oxygen blowing)，其环境要求为压力在1～2×10⁴(N/m2，Pa)之间并保持30～60分钟。第二阶段，除气(Degassing)，其环境要求为压力在100～500Pa之间并保持约10分钟。第三阶段，还原(Reduction)，其环境要求为压力100～500Pa之间并保持约40分钟。

一般的VOD设备包含一熔炉1、一贮放于该熔炉1中的钢液11、一连通该熔炉1的储气瓶12、一用于控制该储气瓶12输出气体的阀件单元13、及一用于使该熔炉1产生真空的真空装置10。该真空装置10包含一可产生蒸气的蒸气锅炉14、一连通蒸气锅炉14的管路单元15、一连通该熔炉1与管路单元15的连接管16、一设于该管路单元15气体出口的过滤器17，及一介于该连接管16与过滤器17之间的冷却器18。利用持续燃烧燃油以加热该蒸气锅炉14，使炉内盛置的液体达沸腾，以产生大量蒸气，在这些蒸气快速流过该管路单元15时，可对该熔炉1产生一吸力，使该熔炉1内的气体会被抽出而呈一近真空状态，得以对该钢液11进行精炼作业。过程中，为保持一定的真空度并维持一段时间，需不断地加热该蒸气锅炉14，以产生足够的蒸气。通过该管路单元15的蒸气会带有该熔炉1内气体中的杂质，此时可利用该冷却器18先予以冷凝成液体，再使液体通过该过滤器17来滤除杂质。在完成该钢液11精炼作业后，可控制该阀件单元13，使该储气瓶12内的气体输入处于近真空状态的熔炉1中，使其压力恢复至一大气压，以便进行开启该熔炉1。

从上述说明可知，现行的真空装置10在实际操作上有下列几项缺点：

1.抽气速度慢：由于该真空装置10是利用该蒸气锅炉14所产生的蒸气快速通过该管路单元15，而形成一相对低于该熔炉1压力的低压状态，用以抽出该熔炉1内的气体。然而，此低压状态是受到蒸气流通速度的限制，当该熔炉1的压力慢慢接近该低压状态时，该熔炉1内部气体被抽走的速度会变慢许多，因此，往往需要长时间的等待其达到可运作的真空度，另一个变通的办法则是再采购数组相同的设备以轮替使用，来节省等待的时间，增加不少的制造成本。

2.耗费大量能源：由于该真空装置10是利用该蒸气锅炉14所产生的蒸气，如第1点所述。当需要加快抽气速度，势必要加大火力，提供更多的热量以增加蒸气流量，再加上制程的每一个阶段的真空度要求不一定相同，若要保持适用的真空度，则必须维持足够的蒸气流量，以上都需要大量消耗能源。

3.有安全上的疑虑：由于是利用沸腾该蒸气锅炉14中的液体，以产生高温高压的蒸气，并于该管路单元15内快速流动，而VOD设备常常是长时间的使用，当该蒸气锅炉14使用不慎或是该管路单元15某处发生阻塞，就容易因压力过高而引起爆炸、起火，威胁着操作人员的生命与财产安全。

4.污染环境：由于该蒸气锅炉14是借由燃烧大量重油或天然气，来加热而产生大量蒸气，过程中必然会有排出废气污染环境空气，尤其是在该蒸气锅炉14一开始自冷炉加热时，废气产生特别多，严重影响空气品质。

【发明内容】

本发明的目的是为了提供一种多级式抽真空装置及其抽真空方法，可快速抽气以降低压力、减少能源消耗、避免污染环境，并可确保操作人员的安全。

为了达到上述目的，本发明提供一种多级式抽真空装置，适用于降低一容室的压力，其特征在于：

该抽真空装置包含数个腔体、一抽气单元、一控制阀单元，及一连通该控制阀单元与抽气单元的管路单元，该抽气单元用于抽取每一腔体内的气体，以降低每一腔体的压力，该控制阀单元连接每一腔体，用以控制气体进出每一腔体，利用该抽气单元先行抽取每一腔体内的气体而呈近真空状态，再控制该控制阀单元，使每一腔体分别与该容室相连通。

所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该抽气单元是由数个真空泵所组成。

所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该控制阀单元是由数个控制阀所组成，每一控制阀是通过电路设计的方式来进行开启与关闭的控制。

本发明还提供一种多级式抽真空装置，适用于降低一容室的压力并具有气体回馈的功能，其特征在于：

该多级式抽真空装置包含数个腔体、一用于吸取每一腔体内的气体以降低每一腔体的压力抽气单元、数个第一控制阀、一第一管路单元、数个第二控制阀、及一第二管路单元，每一第一控制阀分别连接每一腔体的一端，用以控制气体进出每一腔体，该第一管路单元，连通每一第一控制阀与该抽气单元，每一第二控制阀，分别连接每一腔体的另一端，用于控制气体进出每一腔体，该第二管路单元，连通每一第二控制阀与该容室，

控制每一第一、二控制阀，先使该抽气单元抽出每一腔体内的气体，接着，再令每一腔体分别与该容室相通并达到压力平衡，借此使该容室的压力逐次降低，最后，再控制每一第二控制阀，使每一腔体相反于上述顺序分别与该容室相通并达到压力平衡。

所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该多级式抽真空装置还包含一设置在该第二管路单元的过滤器。

所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该抽气单元具有一将抽吸的气体排出的排气口，该多级式抽真空装置还包含一连接在该抽气单元的排气口的过滤器。

所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该多级式抽真空装置还包含一连接该第一、二管路单元的第三管路单元，及一设于该第三管路单元上的旁通限流阀，该旁通限流阀可用于控制流通于该第三管路单元内气体的流量。

本发明还提供一种多级式抽真空方法，用于降低一容室的压力，其特征在于：

该多级式抽真空方法包含一抽气步骤及一减压步骤，该抽气步骤是开启每一第一控制阀而关闭每一第二控制阀，再利用一抽气单元，将每一腔体内的气体予以抽出，该减压步骤是关闭每一第一控制阀并再控制每一第二控制阀，使每一腔体依序分别与该容室相通并达到压力平衡。

所述的多级式抽真空方法，其特征在于：该多级式抽真空装置还包含一回压步骤，借由控制每一第二控制阀，使每一腔体相反于该减压步骤的顺序分别与该容室相通。

本发明还提供一种多级式抽真空装置，适用于降低一容室的压力，其特征在于：

该多级式抽真空装置包含数个腔体、一抽气单元、数个第一控制阀、一第二控制阀，及一管路单元，该抽气单元用于吸取每一腔体内的气体，以降低每一腔体的压力，每一第一控制阀分别连接每一腔体与该容室，用于控制气体进出每一腔体，该第二控制阀连接该容室并用于控制气体进出该容室，该一管路单元连通每一第一控制阀、该第二控制阀与该抽气单元，

控制该第二控制阀与每一第一控制阀，先使该抽气单元抽出每一腔体内的气体，再使每一腔体分别与该容室相通并达到压力平衡，借此使该容室的压力逐次降低，最后，再控制每一第一控制阀，使每一腔体相反于上述顺序分别与该容室相通并达到压力平衡。

所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该多级式抽真空装置还包含一设置在该管路单元的过滤器。

所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该抽气单元具有一将抽吸的气体排出的排气口，该真空装置还包含一连接在该抽气单元的排气口的过滤器。

所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该第二控制阀还可控制流通该管路单元的气体流量。

综上所述，本发明多级式抽真空装置及其抽真空方法，适用于快速降低一容室的压力，该多级式抽真空装置包含数个腔体、一用于抽取每一腔体内气体以降低每一腔体的压力的抽气单元、一连接每一腔体并控制气体进出每一腔体的控制阀单元，及一连通该控制阀单元与抽气单元的管路单元。

利用该抽气单元先行抽取内每一腔体的气体而呈近真空状态，再控制该控制阀单元，使每一腔体分别与该容室相连通，以吸取该容室内的气体，借此快速降低该容室的压力。

本发明的多级式抽真空方法，适用于快速降低一容室的压力，并包含一抽气步骤及一减压步骤，该抽气步骤是开启每一第一控制阀而关闭每一第二控制阀，利用一抽气单元抽出每一腔体内的气体，使每一腔体呈近真空状态，该减压步骤是关闭每一第一控制阀并再控制每一第二控制阀，使每一腔体分别与该容室相通，借此使该容室的压力逐次降低。

本发明借由多个近真空状态的腔体分别与该容室连通并达到压力平衡，可快速降低该容室的压力。由于并非采用高温高压的蒸气流经该管路单元，来对该容室形成一吸力的真空方式，所以无须耗费大量的能源来加热液体以获取蒸气。另外，由于该容室连通后的腔体，仍保有某个程度的真空度，在下一次进行每一腔体的抽气作业时，也可缩短抽气的时间与节省能源的耗费。同样地，因为不是采用高压高温的气体来进行抽气作业，所以不会有爆炸的情况发生，确实能保障操作人员的安全。

综合上述，本发明的多级式抽真空装置及其抽真空方法在实际操作上确实有以下优点：

1.抽气速度快速，达到快速降压：利用多个已抽真空的腔体分别与该容室相连通，而能快速地将该容室内的气体抽出，比现行利用蒸气快速经过而产生真空的方法快速许多。再者，对于下一次进行每一腔体的抽气作业，更能快速完成，因为每一腔体均已具有某个程度的真空度，可以更少的时间，达到所设定的真空度。同时，也无须再采购数组相同的设备以轮替使用，减少制造成本。

2.节省能源：由于不是采用高温的蒸气流经该容室以抽取内部气体的抽真空方式，无须耗费大量的能源来加热液体以获取蒸气。同时，由于每一腔体均已具有某个程度的真空度，减少使用该抽气单元的使用时间，减少能源的消耗。

3.确保人员安全：因抽气的方式不是采用高压高温的气体来进行作业，无须燃烧液体与设置存放高压高温蒸气的储存容器，减少潜在的危险因素，因此，较能保障操作人员的安全。

4.避免环境污染：由于本发明的抽气方式是采用真空泵进行抽气，而非采用需燃烧燃料以产生蒸气来进行抽气的方式，无排放废烟的问题，因此，不会污染环境。

【附图说明】

下面通过较佳实施例及附图对本发明多级式抽真空装置及其抽真空方法进行详细说明，附图中：

图1是一局部剖面示意图，说明现行真空装置连接一熔炉，用以抽取该熔炉内的气体。

图2是一局部剖面示意图，说明本发明抽真空装置的一第一较佳实施例连接该熔炉，用以抽取该熔炉内的气体。

图3是一流程图，说明本发明抽真空方法的一较佳实施例。

图4是一局部剖面示意图，说明本发明抽真空装置的一第二较佳实施例连接该熔炉，用以抽取该熔炉内的气体。

【具体实施方式】

在本发明被详细描述之前，要注意的是，在以下的说明中，类似的元件是以相同的编号表示。

如图2所示，本发明多级式抽真空装置的一第一较佳实施例，可应用在VOD精炼设备上，该精炼设备包含一熔炉21，一连通该熔炉21的真空装置22、一连接该熔炉21的储气瓶23，及一用于控制该储气瓶23输出气体的阀件单元24，其中，该熔炉21具有一容室211并用于贮放一盛有钢液212的容器。

该真空装置22用于抽取该熔炉21的容室211内的气体并包含数个腔体31～34、一抽气单元4、数个第一控制阀51～54、数个第二控制阀55～58、一旁通限流阀59、一第一管路单元61、一第二管路单元62、一第三管路单元63，及一过滤器64。在本实施例中，每一腔体31～34的容积是相等的，但是也可以视需求而定，将每一腔体31～34的容积设定成不相等。

该抽气单元4用于抽出每一腔体31～34内的气体，用以使每一腔体31～34呈近真空状态，该抽气单元4具有一可排出气体的排气口42。在本实施例中，该抽气单元4是由数个真空泵41所组成，每一次使用于抽气时，启动数量可视需求而定，可以全部启动，也可只启动其中的几个。常见的真空泵41可达到的压力为约为10^-2Pa，甚至可以更低。

所述第一、二控制阀51～58对应地分别连接每一腔体31～34的两处(图中显示在每一腔体的两端)，用以控制气体进出每一腔体31～34。在本实施例中，每一第一、二控制阀51～58是透过电路设计来进行开启与关闭的控制，但是也可以利用气压或液压的作用，来进行控制上述控制阀的动作。

该第一管路单元61连通每一第一控制阀51～54与该抽气单元4。该第二管路单元62连通每一第二控制阀55～58与该容室211。该第三管路单元63连通该第一、二管路单元61、62。

该旁通限流阀59则设于该第三管路单元63上，可用于控制流通于该第三管路单元63内气体的流量，使该容室211得以保持适当的真空度，供制程需要利用。在实际使用上，可依需求启动一个或数个所述真空泵41，并控制该旁通限流阀59，除了可维持该熔炉21的容室211的真空度之外，还可节省能源的消耗。该过滤器64可用以滤除气体中的杂质。在本实施例中，该过滤器64是设置在该第二管路单元62上，但是也可以将该过滤器64设置在该抽气单元4的排气口42上，以得到洁净的气体。

以下说明本实施例如何达到快速抽气的功效。为方便说明，特将所述腔体31～34与第一、二控制阀51～58分成第一、二、三、四组，如图2中从左而右所示的顺序，使每一组均有一腔体31～34及连接该腔体31～34的第一、二控制阀51～58。在说明之前有几项假设：

1.该熔炉21是在常压下运作，也就是该容室211的压力为一大气压，相当于1.013×10⁵Pa。

2.每一腔体31～34的容积为该熔炉21的容室211容积的3倍。

3.由于该第一、二、三管路单元61～63的容积远小于该容室211及每一腔体31～34的容积，所以可忽略其影响。

首先，令所述第一控制阀51～54打开而所述第二控制阀55～58关闭，使该抽气单元4抽出每一腔体31～34内的气体而呈近真空状态，也就是每一腔体31～34的压力均可达10^-2Pa。

接着，关闭所有第一控制阀51～54。当只打开第一组的第二控制阀55时，因该容室211的压力(1.013×10⁵Pa)大于该腔体31的压力(10^-2Pa)，因此该容室211内的气体会快速地流动至该第一组的腔体31中，直到该容室211与该第一组的腔体31的压力相等，也就是该容室211的压力从1.013×10⁵Pa快速降至2.5×10⁴Pa。而该第一组的腔体31的压力从10^-2Pa增加至2.5×10⁴Pa。

再关闭第一组的第二控制阀55，并打开第二组的第二控制阀56，此时，该容室211的压力会从2.5×10⁴Pa快速降至6.3×10³Pa。而该第二组的腔体32的压力从10^-2Pa增加至6.3×10³Pa。

类似上述情况，先关闭第二组的第二控制阀56，再打开第三组的第二控制阀57，该容室211的压力会冉从6.33×10³Pa快速降全1.58×10³Pa。而该第三组的腔体33的压力则从10^-2Pa增加至1.58×10³Pa。

同样地，关闭该第三组的第二控制阀57并打开第四组的第二控制阀58时，该容室211的压力会再从1.58×10³Pa快速降至395Pa。而该第四组的腔体34的压力则从10^-2Pa增加至395Pa，借此达到分级降压的功效。此时，该容室211的压力也就是符合VOD制程的第二及第三阶段的压力要求(100～500Pa)，得以对该钢液212进行脱除杂质元素。

当该容室211的真空度渐渐不满足制程需求时，可使该抽气单元4作动，并透过该旁通限流阀59用以控制其抽气的流量，来维持该容室211所需的真空度。

当需要打开该熔炉21时，需要先使该熔炉21回复压力，此时需反向操作上述顺序。当只打开该第三组的第二控制阀57时，由于该第三组的腔体33内的压力(1.58×10³Pa)大于该容室211的压力(395Pa)，因此，该第三组的腔体33内的气体会快速地流动至该容室211内，直到该容室211与该第一组的腔体31的压力相等，也就是该容室211的压力从395Pa增加至1.28×10³Pa。而该第三组的腔体33的压力从1.58×10³Pa下降至1.28×10³Pa。

当关闭该第三组的第二控制阀57而打开该第二组的第二控制阀56时，该容室211的压力从1.28×10³Pa增加至5.06×10³Pa。而该第二组的腔体32的压力从6.3×10³Pa下降至5.06×10³Pa。

同样的道理，当关闭该第二组的第二控制阀56而打开该第一组的第二控制阀55时，该容室211的压力从5.06×10³Pa增加至2.0×10⁴Pa。而该第一组的腔体31的压力从2.5×10⁴Pa下降至2.0×10⁴Pa。

该容室211的压力大约可以回复一半(约0.5大气压)，因此，只需要再利用该阀件单元24，使该储气槽23输出气体至该熔炉21中，以补足压力至一大气压，也就是可开启该熔炉21，也可以节省该储气槽23的气体使用量，减少成本的支出。

当欲进行下一炉的VOD制程时，由于每一腔体31～34仍保有某个程度的真空度，如该第一～四组的腔体31～34的压力分别为2.0×10⁴Pa、5.06×10³Pa、1.28×10³Pa，及395Pa。因此，欲将每一腔体31～34再抽成压力为10^-2Pa时，除了可缩短完成抽气时间之外，并可节省能源的消耗。

如图3所示，再配合图2，本发明多级式抽真空方法的一较佳实施例，用于快速降低该容室211的压力，该多级式抽真空方法包括一抽气步骤101、一减压步骤102，及一回压步骤103。

该抽气步骤101是关闭每一第二控制阀55～58而开启每一第一控制阀51～54，利用该抽气单元4抽出每一腔体31～34内的气体。

该减压步骤102，关闭每一第一控制阀51～54并再控制每一第二控制阀55～58，使每一腔体31～34依照顺序分别与该容室211相通并达压力平衡，借此使该容室211的压力快速地降低。

该回压步骤103是控制每一第二控制阀55～58，使每一腔体31～34相反于该减压步骤102的顺序分别与该容室211相通并达压力平衡，而将气体回馈于该容室211内，而让该容室211的压力逐次回复。

如图4所示，本发明多级式抽真空装置的一第二较佳实施例，同样可应用于VOD精炼设备中，该精炼设备所组成的元件与该第一较佳实施例相同，在此不予以详述。该多级式抽真空装置包含数个腔体71～74、一抽气单元8、数个第一控制阀91～94、一管路单元95、一过滤器96，及一第二控制阀97。

该抽气单元8可用于抽取每一腔体71～74内的气体并具有一可排出气体的排气口82。在本实施例中，该抽气单元是由数个真空泵81所组成，而常见的真空泵可达到的压力为约为10^-2Pa，甚至可以更低。

所述第一控制阀91～94分别连接每一腔体71～74与该抽气单元8，用于控制气体进出每一腔体71～74。

该过滤器96可用以滤除气体中的杂质。在本实施例中，该过滤器96是设置在该管路单元95上并于该熔炉21与该腔体71之间，但是也可以设置在该抽气单元8的排气口82上。

该第二控制阀97设于该管路单元95并介于该熔炉21与该过滤器96之间，可用于控制流通于该管路单元95内气体的流量，使该容室得以保持适当的真空度。

控制该第二控制阀97与每一第一控制阀91～94，先使该抽气单元8抽出每一腔体71～74内的气体而呈近真空状态，再使每一腔体71～74依照顺序分别与该容室211相通并达压力平衡，借此使该容室211的压力逐次降低。最后，再控制每一第一控制阀91～94，使每一腔体71～74相反于上述顺序分别与该容室211相通并达压力平衡，而将气体回馈于该容室211内，而让该容室211的压力逐次回复。

归纳上述，本发明多级式抽真空装置及其抽真空方法，确实能达到本发明的功效目的。

Claims

1.一种多级式抽真空装置，适用于降低一容室的压力，其特征在于：

2.如权利要求1所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该抽气单元是由数个真空泵所组成。

3.如权利要求1所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该控制阀单元是由数个控制阀所组成，每一控制阀是通过电路设计的方式来进行开启与关闭的控制。

4.一种多级式抽真空装置，适用于降低一容室的压力并具有气体回馈的功能，其特征在于：

5.如权利要求4所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该抽气单元是由数个真空泵所组成。

6.如权利要求4所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该多级式抽真空装置还包含一设置在该第二管路单元的过滤器。

7.如权利要求4所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该抽气单元具有一将抽吸的气体排出的排气口，该多级式抽真空装置还包含一连接在该抽气单元的排气口的过滤器。

8.如权利要求4所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该多级式抽真空装置还包含一连接该第一、二管路单元的第三管路单元，及一设于该第三管路单元上的旁通限流阀，该旁通限流阀用于控制流通于该第三管路单元内气体的流量。

9.一种多级式抽真空方法，用于降低一容室的压力，其特征在于：

10.如权利要求9所述的多级式抽真空方法，其特征在于：该多级式抽真空装置还包含一回压步骤，借由控制每一第二控制阀，使每一腔体相反于该减压步骤的顺序分别与该容室相通。

11.一种多级式抽真空装置，适用于降低一容室的压力，其特征在于：

12.如权利要求11所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该抽气单元是由数个真空泵所组成。

13.如权利要求11所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该多级式抽真空装置还包含一设置在该管路单元的过滤器。

14.如权利要求11所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该抽气单元具有一将抽吸的气体排出的排气口，该真空装置还包含一连接在该抽气单元的排气口的过滤器。

15.如权利要求11所述的多级式抽真空装置，其特征在于：该第二控制阀还可控制流通该管路单元的气体流量。