Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования расчет и проектирование вакуумных систем. Курс лекций.pdf
Рис. 2.15. Фрагмент выбора клапана
70
Для соединения выбранных элементов в единую систему и
для выполнения проектно-конструкторской документации можно
применить систему "AvtoСad" с привлечением методов научного
конструирования.
Таким образом, предложенная система баз данных
"Вакуумные системы" позволяет конструировать вакуумное
технологическое оборудование различной сложности с
возможностью пополнения самой базы данных.
Далее рассмотрим применение описанного выше подхода к
проектированию конкретных технологических модулей.
2.4. Низковакуумная защитная камера для прокатки биметалла
Для получения композиционных металлических материалов
широкое применение получила обработка давлением как в нагретом,
так и в холодном состоянии. В реальных условиях поверхность
любого металла покрыта пленками (жировыми, оксидными,
адсорбированными и др.). Очистка сопрягаемых поверхностей
составляющих композиционного материала для обеспечения их
ювенильного контакта при пластической деформации является
обязательным условием образования прочного соединения.
При высокотемпературной прокатке предусматривают
проведение всех операций нагрева, деформации и охлаждения без
окисления – в вакууме различной глубины или газозащитной среде
определенного состава и чистоты. В последние годы созданы
различные конструкции вакуумных, или газозащитных, прокатных
станов и агрегатов, позволяющих, благодаря защите от внешнего
воздействия, получать композиционные материалы с высоким
качеством соединения составляющих. При этом имеющиеся на
поверхности пленки удаляются путем предварительной
механической зачистки, а последующая дегазация при
высокотемпературном нагреве в защитной среде препятствует
дальнейшему их образованию. Это позволяет получить практически
ювенильные поверхности соединяемых материалов перед их
совместным пластическим деформированием.
Применение прокатки в контролируемых средах
сдерживается отсутствием надежного промышленного
71
оборудования, сложностью технологического процесса и его
высокой стоимостью.
Перспективным способом для получения многослойных
проволочных и ленточных материалов можно считать метод
электропластической деформации, который заключается в обработке
давлением, обычно без предварительного нагрева, составляющих и
одновременном воздействии на них постоянного электрического
тока плотностью 0,1 … 10 кА/мм
2
, который проходит между
валками через очаг деформации.
В последние годы разработаны прокатные станы с
электроконтактным нагревом металла непосредственно в очаге
деформации и его охлаждением с помощью инертного газа; однако
при этом возникает проблема предварительной подготовки
поверхности составляющих. Если жировые пленки удаляются в
процессе обработки достаточно эффективно, то оксидная пленка
после зачистки образуется практически мгновенно, что затрудняет
процесс соединения составляющих, а также приводит к
значительным потерям электрического тока.
Оксидная пленка имеется на поверхности металлов и при
холодном деформировании. Считается, что она не влияет на
прочность получаемого соединения, так как разрушается в очаге
деформации и выносится из зоны контакта. Однако в ответственных
композиционных материалах, полученных при холодном
деформировании, имеются участки, на которых отсутствует
качественное соединение. Особенно это важно для композиционных
материалов, используемых при производстве точных приборов. Повидимому, наличие точечных нарушений сплошности соединения
можно объяснить неполным удалением разрушенных оксидных
пленок с поверхностей металлов.
При холодной или горячей деформации на воздухе для
разрушения оксидных пленок необходимо приложить значительное
усилие, поэтому соединение металлов возможно только при условии
больших степеней деформации. Металлы, имеющие на поверхности
твердые и хрупкие оксиды, образуют прочное соединение при
меньших обжатиях и усилиях прокатки. При деформации на воздухе
остатки оксидов на контактирующих поверхностях соединяемых
металлов способствуют значительной неравномерности площади
схватывания, что приводит к нестабильности свойств
композиционного материала. Следовательно, применение защитной
72
атмосферы для предотвращения образования оксидных пленок
()(
)
[
]
(
)
(
)
позволяет снизить усилие прокатки и повысить однородность
физико-механических свойств готовой продукции.
В связи с этим возникает необходимость защиты
составляющих композиционного материала при
электропластической холодной деформации, начиная с зачистки и
вплоть до входа в очаг деформации. Это можно обеспечить при
использовании камеры с контролируемой защитной средой, которую
предлагается устанавливать между агрегатом механической зачистки
и деформирующим устройством. Защитная среда, в качестве которой
можно использовать вакуум различной глубины или инертные газы,
должна создать в камере условия, исключающие интенсивное
взаимодействие металла с активными газами, содержащимися в
окружающей среде.
Принципы химической термодинамики дают возможность
оценить характер взаимодействия металлов с газами и определить
условия (температуру и давление), при которых исключается
поглощение газов металлами. Термодинамическая вероятность
самопроизвольного процесса высокотемпературного взаимодействия
металлов с газами определяется изменением энергии Гиббса этой
химической реакции ΔG
.
т
Реакция наиболее распространенного процесса
высокотемпературного окисления металла кислородом имеет
следующий вид:
m Мe
+ (mп/4) О
(тв)
→ МеmО
2(г)
mп/2 (тв)
.
Для оксида стехиометрического состава изменение энергии
Гиббса следующее:
mnmn
4/
mn
O
2
4/
Oт
=−=
ln/1ln
KRTpRT
р
4/
/1ln/1ln
pRTpRTG
O
22
mn
O
2
равн
4/
=−=Δ
0
,/1ln
GpRT
Δ+
т
где R – газовая постоянная;
Т – абсолютная температура, К;
p – парциальное давление кислорода, соответствующее
O
2
исходному состоянию системы, Па;
73
(
)
р
⋅
– парциальное давление кислорода, которое соответствует
О
2
р
равновесному состоянию системы (давление
диссоциации оксида), Па;
m – число атомов металла в одной молекуле оксида;
n – валентность металла;
К
– константа химического равновесия;
р
0
Δ – стандартное изменение энергии Гиббса ΔG
G
т
p
O
= 1,013
2
105 Па.
Реакция возможна только при отрицательных значениях ΔG
p
> ( )
O
2
pр.
O
2
при
т
, т.е. при
т
Теоретическая оценка характера взаимодействия разных
металлов с активными газами позволяет определить направление
реакций и конечного состояния системы "металл – газ" в конкретных
условиях обработки давлением. На основании расчетов установлены
безокислительные условия обработки металлов с высокой (W, Mo,
Cu, Ni, и др.) и низкой (Ti, Zr, Nb, Ta, V и др.) упругостью
диссоциации окислов. Для металлов первой группы
безокислительные условия при высокотемпературной обработке
достигаются в низком вакууме, а для второй – в сверхвысоком.
Результаты исследований показали, что при низких
значениях парциального давления активных газов скорость
окисления всех металлов настолько замедляется, что в вакууме
порядка ∼10 Па, а также в среде инертного высокочистого газа
окисление практически не происходит. Таким образом, в защитной
камере в связи с отсутствием высоких температур нагрева может
быть использован низкий вакуум или аргон технической чистоты.
Результаты анализа существующих камер с инертной
атмосферой показали, что в ее состав должна входить стандартная
низковакуумная система откачки. С помощью этой системы в камере
создается предварительное разрежение, после чего подается
инертный газ под давлением, превышающим атмосферное на
700 … 1300 Па. Избыточное давление инертного газа
поддерживается в течение всего технологического цикла
производства композиционного материала.
Ниже представлена последовательность расчета
низковакуумной системы применительно к агрегатам зачистки и
предварительного соединения составляющих биметалла (рис. 2.16).
74
Исходными данными являются рабочее давление в вакуумной
камере, её геометрические размеры, время работы в стационарном
режиме, справочные материалы по элементам вакуумных систем и
материалам, применяемым в них, особые или дополнительные
условия.
Расчет стационарного потока газов из камеры
Q
осуществляют по формуле (1.35).
При выборе типа насоса необходимо учитывать особенности
технологического процесса. Поток газов, откачиваемых насосом,
принимается постоянным во времени.
Насос выбирается по справочным данным, исходя из условия
(1.41):
S
≥ k ⋅ Sэф
н
После определения типа насоса рассчитывают размеры
вакуумного трубопровода, а также выбирают элементы вакуумной
системы. Затем проверяют возможность достижения требуемого
давления в рабочей камере по методике, изложенной в п.1.5. Если
выбранный насос и вакуумные элементы не удовлетворяют
заданным условиям, то следует провести корректировку выбранных
элементов вакуумной системы и провести повторный расчет
вакуумной системы.
На основе приведенной выше последовательности
(см. рис. 2.16) была рассчитана низковакуумная система модуля для
подготовки составляющих биметалла к прокатке, которая имеет в
своем составе вакуумную рабочую камеру, соединенную через
систему клапанов, трубопровод и ловушку с форвакуумным насосом
(рис. 2.17). Модуль состоит из двух коробчатых вакуумных камер 1,
предназначенных для очистки лент, и камеры предварительного
обжатия 2. Процесс очистки ленты происходит в среде инертных
газов или при остаточном давлении порядка 0,1 … 10 Па. Пакет из
двух металлических лент формируется и герметизируется в камере
предварительного обжатия 2 с помощью валков. Вакуумная камера 2
соединена с очистными камерами с помощью вакуумных
трубопроводов 3, состоящих из последовательно сваренных
сильфонов, что обеспечивает необходимую гибкость
вакуумпроводов. После очистки и предварительного соединения
биметаллическую ленту подают в прокатный стан для создания
прочного соединения.
75
76
Рис. 2.16. Последовательность расчета низковакуумной системы
Рис. 2.17. Низковакуумный модуль для подготовки металлов к
прокатке: 1 – вакуумная очистная камера; 2 – вакуумная камера
предварительного обжатия; 3 – вакуумный путепровод;
4 – вакуумный насос 3ВНР-1Д; 5 – вакуумный насос 2НВР-5ДМ;
6 – ловушка азотная; 7 – вакуумный затвор; 8 – преобразователь
тепловой ПМТ-4М; 9 – преобразователь ионизационный ПМИ-27;
10 – ионовакууметр ОБВМ1-10; 11 – вакуумный клапан;
12 – натекатель
Вакуумная система модуля представляет собой три
независимые низковакуумные системы, предназначеные для каждой
из трех вакуумных камер. Расчеты, проведенные для биметалла
"фени – никель", показали, что для откачки очистных камер можно
использовать пластинчато-роторный насос типа 3ВНР-1Д, а для
камеры предварительного обжатия – 2НВР-5ДМ. Для предотвращения
загрязнения вакуумных камер, между ними и насосами
предусмотрены азотные ловушки 6 и вакуумные клапаны 11.
Очистные камеры соединены с вакуумным трубопроводом с
помощью затворов 7 шиберного типа. Натекатели 12 предназначены
для подачи в камеры инертных газов из системы напуска газов при
проведении очистки в инертной среде. Для определения давления в
вакуумной камере или трубопроводах используют тепловые
преобразователи 8 – для давления 0,1 … 7⋅10
преобразователи 9 – для давления 1,3⋅10
2
Па и ионизационные
-3
… 13 Па, а также
образцовый вакуумметр 10 для измерения избыточного давления.
77
2.5. Дегазационный модуль линии
производства стальных полос с
газотермическими покрытиями
При нанесении газотермических покрытий (ГТ-покрытий)
происходит поглощение газов металлами в результате различных
процессов – физической адсорбции газов на поверхности металла,
хемосорбции, растворения газа в объеме всего металла, образования
газовых включений и др. Наличие газов в порах покрытия не
позволяет получать качественное его уплотнение при холодной
деформации. В связи с этим для повышения прочности наносимых
слоев перед прокаткой рекомендуется проводить дегазацию полосы с
ГТ-покрытием в специальном низковакуумном дегазационном
модуле.
В процессе дегазации происходит удаление не только газов,
растворенных в объеме металла, но и других поверхностных
загрязнений. Со временем при неизменных внешних условиях в
системе «металл – газ» устанавливается равновесное состояние,
соответствующее определенной концентрации растворенного в
металле газа. При нагреве в вакууме газы из внутренних слоев
металла перемещаются к наружным, а затем выделяются в рабочую
камеру дегазационного модуля до тех пор, пока не будет достигнуто
новое равновесное состояние в системе.
Скорость газовыделения зависит от температуры и
парциального давления газов и определяется уравнением
∂
C
где С – концентрация газа в момент времени t в точке, отстоящей на
расстоянии x от начала координат;
D – коэффициент диффузии.
Для расчета вакуумной системы дегазационного модуля
необходимо определить газопоступление в уже откачанную камеру,
которое обуславливает необходимость постоянной работы насосов
для поддержания необходимой глубины вакуума.
78
=
∂
∂
C
D
⎞
,
⎟
∂
x
⎠
⎛
⎜
xt
⎝
∂
∂
Основными составляющими газового потока в вакуумную
дегазационную камеру являются газовыделения из обрабатываемой
полосы, газовыделения в результате десорбции газов с поверхности
конструкций дегазационной камеры, находящихся в вакууме, и
газопоступление в результате натекания:
Gq
⋅
п
Q
=
t
где q
– удельное газовыделение из полосы;
п
N
∑
н
i
=
qK
i
it
1
NQ
⋅
т
+⋅+⋅
n
,A
K
⋅
(2.1)
в
G – масса полосы;
К
– коэффициент неравномерности газовыделений;
н
t – время цикла прокатки;
– удельная быстрота выделения газа из элементов конструкции
q
it
печи при определенной температуре;
A
– площадь i-го элемента конструкции камеры;
i
– минимальный поток, регистрируемый течеискателем;
Q
т
N – число соединений;
К
– вероятность существования течи, меньшей чувствительности
в
течеискателя;
n –
число одновременно проверяемых соединений.
Удельная быстрота выделения газа с поверхности
конструкционных элементов печи, обращенных в вакуумный объем,
определяется по справочным или экспериментальным данным.
Натекание через оболочку камеры происходит через неплотности по
разборным и неразборным соединениям, а также из-за дефектов в
структуре материала и недостаточной герметичности уплотнений.
Вероятность существования течи, меньшей чувствительности
течеискателя, принимается равной К
= 0,2. Минимальный поток,
в
регистрируемый течеискателем, выбирается из технических данных
промышленных течеискателей. Число испытаний на герметичность n
равно числу разборных и неразборных соединений.
На рис. 2.18 представлена функциональная схема работы
дегазационного модуля (ДМ), которая отражает основные этапы
процесса дегазации биметаллической полосы, а также
соответствующие им узлы и системы.
79