CN1147428A - 高压气体容器内表面的处理方法 - Google Patents

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Abstract

处理高压气体容器内表面的方法，其中含有防锈剂的磨料被充入优选地由锰钢或铬钼钢制成的容器中；进行湿磨步骤以便使容器内部最大内表面粗糙度达到3微米或更低；利用酸洗液进行清洗。

Description

高压气体容器内表面的处理方法
本发明涉及高压气体容器内表面的处理方法，更具体地涉及由锰钢、铬钼钢等制成的高压气体容器内表面被包括防锈剂在内的磨料湿磨并且随后被清洗的方法。
作为由锰钢、铬钼钢等制成的高压气体容器内表面的处理方法，已知的有如表面干磨法。然而，仅仅借助干磨处理法，容器的内表面最大粗糙度Rmax会高达6微米或更高。这样，当气体在高压下离开容器时，形成高压容器的材料碎屑(或固体颗粒)会自容器内壁表面上剥落并且作为尘埃混入气体中。举例来说，若该气体被用于化学蒸汽沉积设备，则气体被锰钢、铬钼钢等金属屑尘埃污染后，导致由化学蒸汽沉积设备制备的最终产品在绝缘性或导电性方面失灵。所以，需要一种能够使内表面更加细腻(平滑)从而抑制高压气体容器内表面产生尘埃的改进处理方法。
作为这类方法之一，人们试图使用湿磨法处理容器内部以便使内表面最大粗糙度达到3微米以下。在此情况下，确实可以抑制由于高压气体容器构成材料的碎屑剥落出现的尘埃。然而，随着内表面粗糙度Rmax的减小，表面会变得更易于被氧化，从而使氧化产物碎屑或容器构成材料锈蚀更易于形成尘埃。为此，人们建议使用在湿磨法中使用含有防锈剂的磨料。这样，人们认为借助水洗操作可以除去诸如研磨碎屑之类的尘埃，在气体容器的内表面上会保留有细致的防锈膜从而防止尘埃混入有待离开容器的气体之中。
事实上，业已发现，包括用含有防锈剂的磨料湿磨气体容器内部的步骤以及用水清洗容器内部的后续步骤在内的上述处理方法并不能彻底避免尘埃混入气体(见图1(B))。
鉴于上述先有技术发展水平，本发明的目的之一是提供一种进一步改进的处理锰钢、钼铬钢等制成的高压容器内表面的方法，该法能够基本上彻底避免尘埃混入有待离开该容器的气体。
上述目的借助附带权利要求书限定的发明得到实现。
按照本发明的特征，提供了一种处理优选地由锰钢、铬钼钢等制成的高压气体容器内表面的方法，该法包括湿磨容器内表面的步骤和清洗容器内部的后续步骤，其中
经过所述的湿磨步骤以便在容器内部获得内表面最大粗糙度Rmax为3微米以下；
容器内部的清洗包括采用酸洗液进行的酸洗步骤。
优选地，酸洗溶液含有至少一种选自柠檬酸二铵、磷酸二氢钠和二磷酸氢钠的酸性组分。
下文描述这些特性的功效。
根据本发明人进行的实验发现，如图1所示，在未经利用含防锈剂的磨料进行湿磨处理的锰钢高压气体容器的情况下，在容器清洗操作使用的纯净水中存在多种约为100ppb(重)的金属组分(见图1(D))。此外，在另一个同样由锰钢制成但是经过湿磨处理的高压气体容器的情况下，尽管数量有所减少，但是用于清洗的纯水中仍然含有数量级为几个ppb-几十个ppb(见图1(B))的多种金属组分。
上述实验结果导致本发明人设想诸如研磨碎屑之类的尘埃会以某种方式被吸附(或固着)在于湿磨过程中形成的防锈膜上，而这种牢固地被吸附的尘埃几乎不能借助简单的水洗操作而被除掉，所以这种未脱除的尘埃在气体加压脱离容器时便会混入气体之中。因此，本发明人认为可以通过用酸洗溶液进行酸洗的方法从防锈膜上脱除或解吸被吸附的尘埃。为了确认这一假设的有效性，申请人进行了进一步实验，其中采用各类酸洗液清洗经过含防锈剂的磨料湿磨的锰钢高压气体容器的内壁，该实验表明，该清洗法能够有效地防止尘埃混入气体(见图1(A))。
另外，在对铬钼钢高压气体容器进行的类似实验中得到基本上与上述相同的结果。
此外，若酸洗液含有作为酸性组分的至少一种选自柠檬酸二铵、磷酸二氢钠和二磷酸氢钠的物质，则溶液对气体容器内表面以防锈膜几乎不产生不利的影响。上述选择提供了其它优点：当该酸性清洗液被处理后，存在适度的清洗工作环境并且有助于进行中和操作。上述物质中尤以柠檬酸二铵为佳。也就是说，柠檬酸二铵中不存在任何金属、磷和硫组分。因此，在被用于半导体工业的高压气体容器的情况下，若在容器内表面上存在任何酸洗液的话，则由于不存在任何上述组分该残留液对半导体设备产品的性能几乎不产生不利的影响。
如上所述，在导致内表面的最大粗糙度Rmax达到预定值的湿磨步骤之后，通过增加内表面酸洗步骤，得到一种能够有效地防止金属碎屑从内表面剥落或者防止表面腐蚀进而抑制尘埃混入有待离开容器的气体的高压气体容器。
另外，内表面处理可以在例如通过向容器中充水以及随后排出水、随后充入新气体来对容器进行定期检查之后再次进行。按照上述方法，同样是在这种情况下，金属碎屑等的尘埃或任何其它外来气体组分几乎不会混入新充入的气体，因而能够使该新气体保持高质量和高纯度。因此，若该气体被用于化学蒸汽沉积设备等，则在由该设备制造的产物中很难发生电气绝缘或导电失灵的现象。这样，便能够不断地提供稳定高性能产品。
参照附图，下文对本发明的实施方案进行更详细的描述，由此可以更加明了本发明的其它目的、特征与功效。
图1为对比实验实例例1中进行的实验结果曲线；
图2为对比实验实施例2中进行的实验结果曲线；
图3为对比实验实施例3中进行的实验结果曲线；
图4为对比实验实施例3中圆柱体内表面的分析结果曲线；
图5为对比实验实施例4进行的实验结果曲线；
图6为本发明方法处理高压气体容器内表面的流程图；
图7为离心磨机的规划图；
图8为旋转磨机的规划图。
首先对具有圆筒形结构的锰钢高压气体容器(下文简称其为“圆筒”)进行湿磨步骤以便使其未处理的圆筒的最大内表面粗糙度Rmax由约为12微米降至3微米以下。此后，经过清洗步骤及后续其它步骤。
湿磨步骤采用湿磨机(所谓的离心磨机，见图7)。在该机器中，其中各自含有磨料2与防锈剂的多个圆筒1被水平支撑并且沿一共同的水平轴逆时针旋转，与此同时，每一圆筒1又沿其各自的轴顺时针旋转或自转，从而完成湿磨操作。
由于采用上述湿磨机进行操作，所以与旋转相关联的离心力导致每个圆筒体中的磨料2转移并浓缩，远离旋转部位，圆筒1的内表面相对于磨料2旋转，从而使圆筒1的内表面通过与磨料2接触而被研磨。
磨料2包括含有由粒径约为5毫米的瓷球构成的瓷磨料的第一类型磨料。这类第一种磨料用于初磨步骤，以便得到最大内表面粗糙度Rmax约为3-5微米并且用于消除圆筒内存在的碳屑。磨料2还包括含有与同于初磨步骤的第一类型磨料相比氧化铝(Al2O3)含量更高的瓷磨料的第二类型磨料。这种第二类型磨料2用于二次研磨步骤，以便获得约为1微米的最大内表面粗糙度Rmax，它同样被用于最终研磨步骤(重复二次研磨)以便得到约为0.8微米的最大内表面粗糙度。借助这些二次和最终研磨步骤，可以在圆筒1内部形成细密的防锈膜。
此外，在本发明人进行的实验操作过程中，第一类型磨料2以5-10g/升水的用量被用于初磨步骤，而第二类型磨料2则以10-20g/升水的用量被用于二次研磨。
其次，详细介绍清洗步骤。
首先，将二氧化硅-三氧化二铝和纯水加入按照上述方式研磨与修整的圆筒1中。在此条件下，圆筒1与旋转装置8(所谓的旋转磨机(见图8))连接。随后，圆筒1在该机器上以低速旋转以便进行其目的在于脱除残存于圆筒1内部的磨料和/或防锈剂的初洗操作。
此后，圆筒1经历二次清洗，其中圆筒的内表面经纯水清洗以便除去粘结于圆筒内表面上形成的防锈膜上的尘埃。
随后使圆筒1经历酸洗，其中酸洗液含约0.1％柠檬酸二铵水溶液，该溶液被用于脱除残存的未被上述二次清洗脱除的尘埃。
酸洗步骤之后，圆筒经历再次用纯水进行的后清洗操作。这一后洗操作是为了防止酸洗液残余在圆筒内壁表面上。
于上述研磨操作与清洗操作之后，烘烤圆筒并且随后将其冷却。此后，对圆筒进行各种后处理操作如阀连接、阀密封、泄漏检查、真空加热清理、气体吹扫等，随后，充入气体，使圆筒适用作集气筒。
进行某种对比实验，以便将通过本发明上述内表面处理法处理的圆筒与众多对比文献圆筒相对照。这种对比实验如下文所述。
对比实验实施例1
进行该实验以便发现纯水清洗操作与酸洗操作在所产生的金属尘埃数量上的差别。具体地，在下列情况进行对比：(A)经过本发明内表面处理法处理的圆筒；(B)经过研磨操作处理、但未经酸洗的圆筒，(C)仅仅经过酸洗操作处理的圆筒；以及(D)既未经过研磨也未经过酸洗处理的圆筒。实验结果如图1所示。
图1中，在圆筒未经湿磨操作处理的情况下，产生数量明显的金属尘埃，这一数量却无法仅仅通过酸洗而被降低。另外，在圆筒经过湿磨操作和酸洗清理操作的情况下，金属尘埃的生成量被限制在基本上为0ppb(重)(低于检测限度)。
对比实验实验例2
关于在依次进行的氮气吹扫操作中圆筒内尘埃的生成量，在(A)经过本发明内表面处理法处理的圆筒与(B)经过研磨但未经酸洗操作处理的圆筒之间进行了对比。结查如图2所示。在该图中，同样给出了经过在清洗区域对参考圆筒(Aa)进行内表面处理法处理得到的结果。
如图2所示，气体吹扫操作中产生的尘埃量于每三次气体吹扫操作之后都逐渐减少。然而，在圆筒(B)未经历酸洗的情况下，在第三次气体吹扫过程中，尘埃量仅仅降至约为107单位/cft。而在圆筒(A)经过本发明方法处理的情况下，在第三次气体吹扫操作中，尘埃量由初始的约106单位/cft降至约102单位/cft。此外，在其它参比圆筒经过本发明方法在一清洁区域中被处理的情况下，尘埃量被继续降至10单位/cft或更低。
基于上述观察，在未经酸洗操作的情况下尘埃量未见减少这一事实的原因似乎在于每进行一次气体吹扫操作便会从圆筒内壁表面上产生新的尘埃。这样，观察结果暗示酸洗操作会抑制圆筒内壁表面生成新的尘埃。
此外，本文所用的“尘埃”是指分散于氮气之中、粒径为0.1微米或更大的固体组分。
对比实验实施例3
在此实验中，从经过本发明内表面处理法处理的圆筒(A)与经过研磨但是未经酸洗处理的圆筒(B)相互对比的结果发现彼此在吸湿性方面的差异。其结果如图3所示。为了进行对比，将试件放入每一个经过内表面处理的圆筒内。随后，释放圆筒内压以便观察圆筒内由此产生的湿浓度的变化。
如图3所示，在圆筒未经酸洗处理的情况下，尽管在高压条件下似乎没有湿含量明显地被吸附在内表面上，但是当圆筒内压下降时会从内壁上解吸出湿含量。这样，该湿含量会混入气体。另外，在圆筒经过本发明内表面处理法处理的情况下，人们认为圆筒内表面被赋予了对湿含量吸附的高度阻抑性。因此，结果表明经过本发明内表面处理法处理的圆筒对于吸湿性具有高度阻抑性的细密内表面。
随后，对经过本发明内表面处理法处理的圆筒内表面进行分析，结果如图4所示。分析结果说明在内表面上形成主要由氧化铁构成的细密的防锈膜。
对比实验实施例4
将经过本发明内表面处理法处理的圆筒(A)与经过研磨但未经酸洗的圆筒(B)相互对比，以便发现当在每一圆筒中充入硅烷气体时彼此间在硅烷气体稳定性方面的差距。结果如图5所示。
在图5中，在圆筒(B)的情况下，由于硅烷气分解产生的二硅烷(Si2H4)与氢(H2)有增加的趋势。此外，同时观察到有硅氧烷产生。因此，人们认为硅烷气是通过湿含量或被吸附在圆筒内表面上的氧而被分解的。另外，在圆筒(A)的情况下，未观察到由于硅烷气体分解导致二硅烷(Si2H4)与H2增加的现象。此外，硅氧烷生成量低于检测极限。所以，可以认为正是出于内表面对湿含量或吸氧量具有高阻抑性的需要而将硅烷气稳定性保持在高水平。
下面具体描述本发明的某些其它实施方案。
(1)形成高压气体容器的材料在本发明中并非受到具体限定。只要所选择的材料适用于形成能够满足最大表面粗糙度(Rmax)为3微米或更低这一要求的高压容器，便可以使用铬钼钠或其它任何其它类型被常规用于形成高压气体容器的合金钢。
(2)关于酸洗液的酸性组分，还可以采用不含磷的磷酸二氢钠或二磷酸氢钠。然而，尤为优选的是既不合磷又不含金属的柠檬酸二铵。酸洗液的浓度可以在1％或更低的对防锈膜无害的范围内变化。然而，浓度约为0.1％是特别优选的，原因在于在限制酸液用量的同时，该浓度能够达到充足的清洗效果。
此外，可以按照任何常规方式完成酸洗步骤之后各步骤。
在不脱离本发明实质或主要特征的条件下，可以按照其它特定形式实施本发明。因此，本文实施方案只能被视为描述性的和非限制性的，本发明范围如附带的权利要求书所述而不是由上述说明书内容所限定。所有处于与权利要求书等同范围或意义之内的变化均属于本发明范围。

Claims (8)

1.一种高压气体容器内表面的处理方法，其中包括下列步骤：
将含有防锈剂的磨料(2)装入优选地由锰钢或铬钼钢制成的高压气体容器(1)中；以及
湿磨容器(1)的内表面；
酸洗容器(1)内部；
其特征在于进行所述湿磨步骤以便使容器内部最大内表面粗糙度Rmax达到3微米或更低；
所述清洗容器内部的步骤包括利用酸洗液进行的酸洗步骤。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于在所述湿磨步骤中，所述高压气体容器(1)被水平地支撑，该容器(1)容纳有含防锈剂的所述磨料(2)，该容器(1)在此条件下沿围绕水平旋转轴的方向旋转，与此同时，容器(1)被驱动沿与上述方向相反的方向围绕其自身轴旋转与自转。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于所述湿磨步骤借助离心磨机进行。
4.按照权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于所述湿磨步骤包括采用粒径约为5毫米的瓷磨料作为所述磨料(2)的初磨步骤，所用瓷磨料中三氧化二铝含量高于用于所述初磨步骤中的瓷磨料的二次研磨步骤，以及重复所述二次研磨步骤的最后研磨步骤。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于所述初磨步骤采用数量约为5-10克/升水的所述磨料(2)、所述二次研磨步骤采用数量约为10-20g/升水的另一种磨料(2)。
6.按照权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于所述酸洗液含有至少一种选自柠檬酸二铵、磷酸二氢钠和二磷酸氢钠的物质作为酸性组分。
7.按照权利要求4或5的方法，其特征在于所述清洗步骤包括初洗步骤，其中所述高压气体容器(1)于最后研磨步骤之后与一旋转磨机相连，该磨机驱动容纳有二氧化硅-三氧化二铝磨料和纯水的容器(1)以低速围绕其轴自转，以便脱除残留在容器(1)中的磨料和/或防锈剂，所述清洗步骤还包括用于利用纯水清洗高压气体容器(1)内表面以便除去粘结在形成于内表面上的防锈膜之上尘埃的二次清洗步骤。
8.按照权利要求7的方法，其特征在于在所述清洗步骤中，约0.1％柠檬酸二铵水溶液被用于脱除经过所述二次清洗步骤仍未被脱除并且残留在防锈膜上的尘埃，所述清洗步骤还包括为了防止所述酸洗液残留在高压气体容器(1)的内表面上而再次使用纯水进行的后清洗步骤。
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