книги из ГПНТБ / Александрова А.Т. Оборудование электровакуумного производства учеб. пособие

проводами и охлаждающей его водой сбалансирован противовесами, и поэтому он может легко следовать за штабиком при сокращении его длины во время спе­ кания.

Для устранения перемещения нижнего токоподвода под влиянием атмосферного давления нижний его конец помещен в вакуумный цилиндрический объем 10, кото­ рый через вакуум-провод 4 откачивается вакуумной си­ стемой одновременно с откачкой рабочей камеры.

На рис. 5-13 представлена принципиальная схема вы­ сокотемпературной шахтной вакуумной печи периодичес­ кого действия фирмы «Heraeus» с экранной теплоизо­ ляцией.

Нагреватель 1 в зависимости от предельной рабочей температуры изготавливается из ниобиевой, молибдено­ вой, танталовой или вольфрамовой жести.

Вакуумная система печи построена на базе диффу­ зионного паромасляного насоса 2, двухроторного насо­ са 3 и механического насоса 4.

В печи оригинально решен вопрос ускоренного охлаждения изделия, которое достигается за счет созда­ ния принудительной циркуляции защитного газа с по­ мощью двухроториого насоса. Во внешнем трубопроводе 5 циркуляционной системы предусмотрен холодильник 6, охлаждающий газ, выходящий из печи.

100

Рис. 5-14. Вакуумная шахтная печь с графитовым нагревателем.

На рис. 5-14 показана камера шахтной вакуумной электропечи с графитовым однофазным нагревателем. Конструкция нагревателя представляет собой трубу с прорезью, которая делит ее на две последовательно соединенные части.

Нагревательная камера теплоизолирована графито­ вой крупкой, которая засыпана в пространство между вспомогательной графитовой трубой и наружным сталь­ ным цилиндром.

101

Торцы печи также теплоизолированы специальными полыми графитовыми пробками, заполненными графито­ вой крупкой. На верхней пробке укреплена графитовая корзина, в которую помещаются нагреваемые детали. При разгрузке изделие извлекается вместе с корзиной.

Одним из способов создания глубокого вакуума в вы­ сокотемпературных камерных печах является построение камер печи с внешним охранным вакуумом.

Принципиальная схема такой печи с подъемным по­ дом показана на рис. 5-15. Печь рассчитана на эксплуа­ тацию при температуре свыше 1600°С и вакууме 10~8—

ІО-9 мм рт. ст.

Как видно из схемы, печь представляет собой двой­ ную рабочую камеру, в которой внешняя водоохлаждае­ мая камера 1 уплотняется в месте соединения с нижней крышкой 3 с помощью резиновых прокладок. В этой крышке смонтирована внутренняя крышка 2 с ручным приводом 4 для ее вертикального перемещения.

Крышка и торцевая плоскость внутренней камеры 6 полированы, чем достигается плотное прилегание одной поверхности к другой без использования уплотнительных прокладок. В вакуумной технике этот способ получил название диффузионно-щелевого уплотнения. Все уплот­ нения внешней камеры выполнены из вакуумной резины. Энергетические вводы — токовые и термопарные имеют двойное уплотнение: в наружной камере с помощью резиновых прокладок, внутреннее с помощью диффузи­ онно-щелевого метода. Внутренняя и внешняя камеры имеют экранную теплоизоляцию. Нагреватели 5 пред­ назначены для обезгаживания внутренней камеры, на­ греватели 7 из вольфрамовой проволоки создают тре­ буемую рабочую температуру. Подом печи является экранированная крышка, на которой устанавливается вольфрамовая подставка для размещения на ней изде­ лия. Подъем и опускание пода осуществляется приводом 8 с вертикальным ходовым винтом. Усилие для уплот­ нения нижней крышки наружной камеры создается бы­ стродействующими прижимами 9. Вакуумная система печи выполняет две функции: создание рабочего разре­ жения во внешней камере при одновременной откачке внутренней камеры и откачке внутренней камеры до рабочего разрежения сверхвысоковакуумным насосом при закрытой внутренней крышке 2. Система откачки состоит из диффузионного паромасляпого насоса 10

102

с азотной ловушкой 11, двухроторного 12 н механиче­ ского насосов 13. В качестве сверхівысоковакуумною средства откачки применен азотно-титановый насос 14.

Вакуумные печи непрерывного действия. К числу не­ достатков вакуумных электрических печей периодическо­ го действия относится их низкая производительность, вызванная необходимостью каждый раз охлаждать из­ делие перед выгрузкой его из печи и заново производить откачку. Кроме того, остывание изделия в печи приводит к повышенному расходу электроэнергии, связанному с потерей при каждом цикле термообработки аккумули­ рованного печью тепла.

Рис. 5-15. Вакуумная печь с подъемным подом.

103

2 3

Вакуумные электрические печи непрерывного дейст­ вия лишены указанных недостатков, однако создание и эксплуатация таких печей имеет ряд специфических трудностей, связанных с влиянием вакуума и высоких температур на работоспособность функциональных узлов печи. Любая вакуумная печь непрерывного действия с поштучной выдачей изделия состоит из следующих основных узлов: загрузочной и разгрузочной шлюзовых камер, камеры нагрева, камеры охлаждения, механиз­ мов перемещения изделия (рис. 5-16).

Изделие, обычно в лодочке или кассете, загружается в шлюзовую камеру, снабженную двумя вакуумными за­ творами, один из которых отделяет объем шлюзовой ка­ меры от окружающего пространства, а другой отделяет рабочее пространство печи от шлюзовой камеры. Анало­ гично устроена и разгрузочная шлюзовая камера.

Загрузка изделия производится в загрузочную каме­ ру при открытом первом затворе и закрытом втором. Затем затвор закрывают и откачивают оба шлюза до разрежения, равного или несколько меньшего разреже­ ния, постоянно поддерживаемого в рабочем объеме печи. После этого открываются затворы, отделяющие рабочее пространство печи от шлюзовых камер, и изделие транс­ портируется в печь. При этом все изделия, находящиеся в печи, перемещаются на одную позицию, выдавая одно изделие в шлюзовую камеру выгрузки.

После того как произведены операции загрузки и вы­ грузки изделия соответственно в обеих шлюзовых каме­ рах, в них напускается атмосфера. Затем открываются затворы, отделяющие шлюзовые камеры от окружаю-

104

щего пространства, и производится разгрузка изделия и загрузка в шлюзовую камеру нового изделия, после чего цикл повторяется.

Рабочее пространство печи представляет собой при­ мыкающие друг к другу две камеры — нагревательную и холодильную.

Размеры камер зависят от производительности печи, температурного режима и времени обработки, геомет­ рических размеров изделия и его теплофизических свойств.

При выборе способа перемещения изделия в печи следует иметь в виду, что в целях надежной герметиза­ ции печи количество подвижных вакуумных уплотнений желательно иметь минимальным. Необходимо учитывать также, что коэффициент трения в вакууме возрастает и может иметь место явление так называемого «схваты­ вания» и даже сваривания контактирующих поверхно­ стей. Повышенные температуры в печи еще более спо­ собствуют возникновению этих явлений.

Поэтому в условиях вакуума может оказаться нера­ ботоспособным механизм, надежно работающий на атмо­ сфере. Для перемещения изделия в вакуумных печах непрерывного действия наибольшее распространение по­ лучил принцип толкания и, реже, принцип шагающе­ го пода.

Весьма перспективным является применение импуль­ сивных механизмов перемещения. Принципиальная схе­ ма такого механизма показана на рис. 5-17. Механизм состоит из корпуса 1, разделенного на подвижную и не­ подвижную части сильфоном. Неподвижная часть имеет фланец, при помощи которого ввод подсоединяется к ра­ бочему вакуумному объему. Внутри корпуса и кожуха, образующих герметичное пространство, расположена штанга 2, передвигающаяся по направляющим роликам и несущая перемещаемое изделие. Со штангой периоди­ чески взаимодействуют подающий 3 и фиксирующий 4 зажимы, герметизированные сильфонами. Порядок ра­ боты зажимов программируется кулачком 5, приводи­ мым в движение от электродвигателя. Этот же механизм управляет работой рычага 6, связанного с подвижной частью корпуса.

Работает механизм следующим образом.

При вращении кулачка в некоторый момент времени подающий зажим 3 вводится в зацепление со штангой 2,

105

а фиксирующий зажим выводится из зацепления. В сле­ дующий момент рычаг 6 под воздействием кулачка пе­ ремещает подвижную часть корпуса. При дальнейшем вращении кулачка фиксирующий зажим вводится в за­ цепление со штангой, а подающий зажим выводится, после этого подвижная часть корпуса в месте с по­ дающим зажимом возвращаются в исходное положе-

106

ние и цикл подачи повторяется. Штанга ввода может перемещаться практически на неограниченные рас­ стояния.

Особенностью ввода является то, что подающий и фиксирующий зажимы, образующие вместе со штангой 2 пару трения, работают в режиме статического трения, что позволяет свести к минимуму трение скольжения. Это обеспечивает надежную работу указанных пар тре­ ния в тяжелых условиях эксплуатации, которые могут характеризоваться следующими факторами: полное от­ сутствие смазки, температура прогрева до 450 °С и сверх­ высокий вакуум, нижней границей которого является давление 1 • ІО-12 мм рт. ст.

В некоторых случаях вместо вакуумной печи непре­ рывного действия, имеющей описанную выше структу­ ру, целесообразно применение многокамерной вакуум­ ной печи, в которой изделие перегружается последова тельно из камеры в камеру без соприкосновения с атмо­ сферой.

Каждая зона нагрева в таких печах отделена друг от друга вакуумными затворами.

Эти печи могут комплектоваться из двух и более ка­ мер, каждая из которых работает по своим независи­ мым температурному и вакуумному режимам.

Наряду с электрическими вакуумными печами сопро­ тивления в электровакуумном производстве во многих случаях применяются индукционные вакуумные нагрева­ тельные печи. Несмотря на то что они дороги, нужда­ ются в сложном электрическом оборудовании и облада­ ют более низким к. п. д., чем вакуумные печи сопро­ тивления, применение их для многих технологических процессов является вполне оправданным.

Наряду с таким существенным преимуществом, как обеспечение более высокой чистоты остаточной атмосфе­ ры в рабочем объеме, индукционный нагрев позволяет легко осуществить многоступенчатый нагрев, высокую стабильность режимов нагрева, а также возможность ускоренного нагрева за счет применения высоких удель­ ных мощностей.

Основными областями применения индукционных пе­ чей в производстве электровакуумных приборов является высокотемпературный нагрев для целей отжига, обезгаживания, спекания, пайки, зонной очистки материалов и т. д.

107

Преимущественное применение нашли печи камерно­ го типа с индуктором, расположенным вне вакуумного объема.

Глава шестая

ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ

6-1. Технологические среды газонаполненных печей

Применение водорода в качестве защитной контролируемой среды в термическом оборудовании электровакуумного производ­ ства является наиболее распространенным, хотя для некоторых процессов используются другие восстановительные и нейтральные контролируемые среды: формиргаз, состоящий из 75% N2 и 25% Н2, аргон, гелий и др.

Водородные печи находят широкое применение в производстве тугоплавких металлов на таких операциях, как восстановление окис­ лов порошков, спекание штабиков, нагрев перед ковкой. В производ­ стве электровакуумных приборов получил широкое распространение процесс пайки узлов в атмосфере водорода, который предохраняет металл от окисления и обеспечивает хорошее смачивание припоем. Водород используется также в печах для обжига и металлизации керамики и в ряде других процессов.

Однако водородная среда не универсальна для отжига всех металлов. Например, тантал, титан, ванадий, цирконий и другие ме­ таллы образуют с водородом гидриды и становятся хрупкими. Кро­ ме того, водород изменяет состав остаточных газов в работающих электровакуумных приборах, при водородном отжиге детали насы­ щаются водородом, что удлиняет процесс откачки.

Это имеет особо важное значение для крупногабаритных элек­ тровакуумных приборов — мощных клистронов, магнетронов, ламп бегущей волны, имеющих развитые поверхности. В связи с этим для обезгаживг.ющего отжига целесообразнее использовать чистые бла^ городные газы, например аргон как наиболее дешевый из них и обладающий, кроме того, взрывобезопасностью. Замена отжига в во­ дороде отжигом в среде аргона может сыграть положительную роль, особенно для деталей, используемых в качестве оболочек, так как при этом отжиг способствует «залечиванию» мелких пор в ме­

Одним из важных требований, предъявляемых к рабочим сре­ дам термического оборудования, является их тщательная очистка от кислорода и паров воды. В качестве примера конструкций газона­ полненных печей будут рассмотрены водородные печи, получившие наибольшее распространение в промышленности.

6-2. Материалы водородных электропечей

К конструкционным материалам водородных электропечей предъявляется ряд требований, основными из которых являются следующие:

химическая инертность по отношению к водороду;

108

отсутствие летучих примесей, которые могут загрязнить рабо­ чую среду;

низкая гигроскопичность; стойкость к реакциям при высоких температурах, связанных

с разложением воды и последующим окислением материала в слу­ чае использования увлажненного водорода.

Кроме перечисленных требований, конструкционные материалы, находящиеся под воздействием водорода в печах, должны обладать и рядом других специальных свойств, обеспечивающих их надеж­ ную работу, например хорошую свариваемость для элементов свар­ ных узлов, особенно в тех случаях, когда сварка должна обеспе­ чивать герметичность, низкую газопроницаемость для уплотнений и т. д.

Для нагревателей, токоподводов, экранов, конвейеров и других деталей и узлов водородных электропечей используются те же ма­ териалы, что и для вакуумных.

Футеровочные материалы водородных электропечей имеют свои особенности и делятся на огнеупорные и теплоизоляционные. Огне­ упорные материалы должны быть рассчитаны на работоспособность в условиях нагрева до рабочих температур. Теплоизоляционные ма­ териалы предназначены для поддержания допустимой температуры на внешнем кожухе печи. Слой теплоизоляционного материала располагается обычно между огнеупорным слоем футеровки и об­ шивкой. Футеровка печей с температурой до 1 200 °С для процессов с применением увлажненного водорода выполняется из шамотных материалов на основе А120 3 + SiÖ2.

Высокотемпературные водородные печи требуют применения специальной футеровки на основе окислов некоторых металлов,

например Al20.3+ Z r0 2 и др.

Необходимо отметить, что некоторые технологические процессы требуют работы печи на осушенном водороде. В этом случае в ка­ честве огнеупорного материала, дающего минимальное увлажнение среды, является плавленый корунд или корундовый ультралегковес.

6-3. Устройства, поддерживающие стабильность рабочей среды

При работе водородных печей содержание водяных паров и кислорода в водороде обычно возрастает.

Существует несколько источников загрязнения водорода указан­ ными компонентами, в том числе десорбция паров воды и восста­ новление окислов; термодиффузия газов из воздуха; диффузия га­ зов, обусловленная бароэффектом; аэродинамические эффекты.

Десорбция паров воды имеет место в печах периодического действия после каждого очередного соприкосновения внутренних поверхностей рабочей камеры с атмосферой, а также в печах не­ прерывного действия, в которых происходит сорбция паров воды и окисление поверхностей загрузочных кассет, лодочек и т. д., не­ прерывно вносимых в рабочую зону печи.

В этом случае для уменьшения концентрации паров воды вместо обычного проталкивания лодочек из холодильника в горячую зону печи их следует вначале некоторое время выдерживать при такой максимальной температуре, при которой не происходит заметного окисления.

109