книги из ГПНТБ / Вакуумные прокатные станы

масс-спектрометрах отклонение ионного луча происходит в маг­

применения в вакуумных прокатных станах. Для непрерывного контроля состава остаточных газов в вакуумных камерах более целесообразно использовать простые и портативные динамические масс-спектрометры. Промышленностью выпускаются динамиче­ ские масс-спектрометры: фарвитрон, омегатрон, радиочастотный и время-пролетный. Основные характеристики динамических массспектрометров приведены в табл. 16.

5. НАТЕКАНИЕ И МЕТОДЫ ЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ

Общая характеристика натекания

Натекание является чрезвычайно важной характеристикой вакуумной системы прокатного стана.

Скорость натекания более точно характеризует количество га­ зов в камере, чем величина общего давления. Система откачки может иметь большую мощность, обеспечивающую очень низкое давление, но общее количество газа, проходящего над прокаты­ ваемым металлом, останется значительным, если натекание будет большим. Это вызовет интенсивное окисление металла и пони­ жение механических свойств [21].

Натекание обусловлено наличием неплотностей в оболочке камеры, трещин, отверстий, сообщающих ее внутреннюю полость с внешним пространством. Кроме того, натекание происходит за счет недостаточной герметичности вакуумных соединений. При этом газ поступает в камеру как через уплотнения, так и за счет десорбции с поверхности уплотнения, соприкасающейся с вакуум­ ным объемом.

Как показывает опыт, натекание зависит от отношения суммы периметров всех уплотнений вакуумной системы к ее объ­ ему. В связи с этим, важное значение имеет количество вакуум­ ных соединений системы.

Для измерения величины натекания пользуются следующим методом: откачанную до давления Pï вакуумную камеру с помощью затворов отсоединяют от вакуумных насосов и фиксируют зна­

Определенная скорость газопоступлений может учитывать не только натекание в вакуумную камеру атмосферного воздуха, но

60

также и десорбцию газов с поверхности конструкций и газовыделе­ ния из нагретых материалов. Все эти составляющие учитываются уравнением (24), где скорость газовыделений и скорость десорбции являются переменными величинами. По мере откачки они умень­ шаются и через некоторое время, зависящее от условий эксплуа­ тации стана, становятся равными нулю. После этого скорость газопоступлений определяется только скоростью натекания qH, которое обусловливается конструкцией системы и тщательностью ее выполнения и обычно яв­ ляется постоянной величиной.

Для вакуумной системы прокатного стана Московского инсти­ тута стали и сплавов характерны зависимости скорости газопоступ­ лений от времени откачки, представленные на рис. 29.

Авторы изучали влияние скорости натекания (десорбция и газо­ выделение были сведены к нулю), изменяемой искусственно в ши­

активных металлов — циркония с газами [36]. Исследование про­ водили в реальных условиях прокатки при нагреве циркония до

Интервал изменения скорости натекания определялся совер­ шенством вакуумной системы стана и мощностью системы откачки. Превышение максимальной скорости натекания, равной 340 мкм рт. ст-лісек, в вакууме 1 0 ~ 4 л ш рт. ст. приводило к повышению давления в камере. Из рис. 30, а следует, что общее количество газов, поглощенных цирконием в процессе обработки, существенно возрастает с увеличением скорости натекания, причем влияние

61

этой скорости'на интенсивность взаимодействия циркония с га­

мкм

9

ным значением скорости натекания, равным 20 мкм рт. ст. • л/сек. При больших значениях скорости натекания эффективность применения вакуума определенной степени может быть значи­ тельно ниже, чем влияние более низкого вакуума, но с минималь­ ным натеканием. Так, общее количество поглощенных газов в ва-

62

кууме Ю - 3 мм рт. ст. при скорости натекания 20 мкм рт. ст. X Хлісек составляет 0,2 мг на 1 см2 поверхности, в то время как количество поглощенных газов в вакууме 10~4 мм рт. ст. при скорости натекания 300 мкм рт. ст.-л/сек увеличивается до 0,38 MS на 1 см2 поверхности, или почти в 2 раза.

Следует отметить, что вакуум Ю - 3 мм рт. ст. даже при макси­ мальной скорости натекания, принятой в условиях эксперимента, оказался эффективнее, чем вакуум 10"2 мм рт. ст. при мини­ мальной скорости натекания 20 мкм рт. ст.-л/сек (см. рис. 30).

Hp, кГ/мм2 350

Результаты определения микротвердости циркония по высоте сечения, представленные на рис. 31, показывают увеличение глу­ бины и интенсивности газонасыщения металла с повышением ско­ рости натекания во всем исследованном интервале остаточных дав­ лений и подтверждают результаты исследования влияния скорости натекания на эффективность применения вакуума при горячей обработке циркония давлением.

Следовательно, понижение остаточного давления в камере яв­ ляется необходимым, но недостаточным условием создания эф­ фективного вакуума при горячей обработке металлов давлением, при этом требуется уменьшать до минимума скорость натекания газа в вакуумную камеру.

Для уменьшения натекания целесообразно применять вакуум­ ную камеру с двойными стенками и заполнять пространство между стенками инертным газом. При такой конструкции

63

в вакуумную камеру натекает инертный газ, а не воздух. Оценку влияния вакуума на параметры процесса, структуру и свойства металлов, а также сопоставление результатов экспериментов, вы­ полненных в разных условиях, необходимо проводить как с уче­ том глубины вакуума, так и скорости натекания.

Методы обнаружения натекания

Существует много методов обнаружения течей, однако при про­ катке металлов в вакууме в основном используются следующие: опрессовка, манометрический, галогенный и масс-спектрометриче- ский методы [44].

На испытываемую поверхность наносят мыльный раствор и по образующимся пузырькам определяют места течи. Метод опрес­ совки при использовании сжатого воздуха имеет следующую чув­ ствительность в зависимости от применяемого давления:

Манометрический метод. Каждая вакуумная система имеет один из наиболее распространенных манометров — ионизационный, магнитный, электроразрядный. Любой из них можно использовать для обнаружения натекания, при этом отпадает необходимость применения специального оборудования.

Метод отыскания течей с помощью манометров сводится к еле- - дующему. Подозреваемое в натекании место опрыскивают жидким пробным веществом или обдувают пробным газом. По изменению показаний манометра обнаруживают течь. Более эффективен ме­ тод жидких пробных веществ (ацетон, эфир, спирт).

Галогенный метод. Этот метод основан на эффекте резкого возрастания эмиссии положительных ионов с накаленной до 800— 900° С пластины при попадании в объем датчика галогеносодержащих газов (четыреххлористого углерода, дихлорэтана, фреона и др.). Это явление наблюдается при работе датчика как при атмо­ сферном давлении, так и в вакууме. Промышленность выпускает атмосферный галогенный течеискатель ГТИ-3 и вакуумно-атмо­ сферный течеискатель ВАГТИ-4. С помощью течеискателя ГТИ-3 поиски течи ведут методом опрессовки системы галогеносодержащими газами.

Течеискатель состоит из выносного щупа и измерительного при­ бора. В щупе, оформленном в виде пистолета, находится термо­ эмиссионный датчик и вентилятор для продувания через него газа. Датчик состоит из эмиттера ионов— платиновой спирали, на­ мотанной на керамическую трубку, и цилиндрического коллектора

64

ионов. При наличии течи газ из испытуемого объема вместе с при­ месью галогена проникает в атмосферу и попадает с помощью вентилятора в датчик прибора, где происходит усиление ионного тока, что отмечается стрелочным прибором, отградуированным в микроамперах, и генератором звуковых колебаний. Частота колебаний генератора пропорциональна величине ионного тока.

так и в вакуумном режиме. В соответствии с этим течеискатель ВАГТИ-4 имеет атмосферный щуп, аналогичный щупу течеиска­

чувствительность к различным примесям, содержащимся в окру­ жающей атмосфере (табачный дым, пары растворителей, пробный газ и т. д.), поэтому для нормальной работы галогенных течеиска­ телей необходимо хорошо вентилировать помещение, в котором проводятся испытания.

Масс-спектрометрический метод. В масс-спектрометрических течеискателях используются масс-спектрометры как динамического (ТИО-1), так и статического (ПТИ-6, ПТИ-7) типа. Течеискатель марки ТИО-1 имеет масс-спектрометр .типа омегатрон.

Наиболее широкое распространение получили масс-спектро­ метр ические течеискатели статического типа со 180-градусной фокусировкой. Масс-спектрометры, применяемые в течеискателях, отличаются от обычных только тем, что они настроены на «пик» (часть спектра масс) пробного газа—гелия, т. е. из всех, присут­ ствующих в системе газов масс-спектрометрические течеискатели индицируют содержание только пробного газа.

Применение гелия в качестве пробного газа объясняется тем, что его мало в атмосфере и в связи с этим прибор имеет незначи­ тельный фон; малая атомная масса гелия позволила упростить кон­ струкцию масс-спектрометра.

Выделение ионов гелия из всех, образующихся в ионном источ­ нике, достигается применением входной диафрагмы со щелью и так называемой супрессорной сетки, создающей поле, препят­ ствующее движению ионов.

Газы, подвергшиеся ионизации, разделяются в постоянном маг­ нитном поле анализатора по массам. Под действием силы Лоренца образовавшиеся в результате разделения ионные пучки переме­

радиуса и расположена входная диафрагма, поэтому в основном ионы гелия могут пройти через ее щель. Остальные ионы, идущие по рабочей траектории масс-спектрометра, задреживаются и от­ сеиваются потенциальным барьером, создаваемым супрессорной сеткой.

Масс-спектрометр ПТИ-6 имеет собственную вакуумную си­ стему, состоящую из диффузионного насоса НВО-40, азотной ло­ вушки и форвакуумного механического насоса ВН-461М.

Для обнаружения места и величины течи течеискатель под­ соединяется к вакуумной системе прокатного стана непосред­ ственно у форвакуумного насоса. Испытуемая камера обдувается тонкой струей гелия. При наличии течи гелий проникает в вакуум­ ную систему прокатного стана и затем в смеси с остаточными га­ зами поступает в течеискатель, который дает звуковой сигнал.

Течеискатель ПТИ-6 позволяет обнаруживать минимальное

ПТИ-6. Чувствительность ПТИ-7 в 10 раз больше чувствитель­ ности течеискателя ПТИ-6 и составляет 5-10"8 мкм рт. ст. - л/сек.

6. ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ

Вакуумные системы, помимо вакуумных камер, насосов и трубо­ проводов, состоят из вакуумных затворов и вентилей, вакуумных уплотнений, электрических вводов и других элементов.

Затворы

Разработано большое количество конструкций вакуумных за­ творов. Широкое применение в вакуумных устройствах получили высоковакуумные затворы форточного типа (рис. 33 и 34). Эти затворы изготовляют с диаметром условного прохода от 85 до 500 мм. Основные размеры типовых затворов приведены в табл 17. Затворы могут работать как с ручным приводом, так и с электро-

66

Рис. 34. Размеры вакуумного затвора форточного типа

5*

и ручным винтовым приводом (рис. 36). В этих вентилях клапан, перекрывающий отверстие, поднимается и опускается вращением винта, на конце которого он укреплен. Герметизация между клапа­ ном и корпусом вентиля осуществляется с помощью сильфона.

Для более быстрого открывания или закрывания сильфонного

69