Вакуум при обработке материалов – пустота гарантирует чистоту

Навигация:

  1. Основные типы вакуумных печей и их главных компонентов – вакуумных насосов
  2. Насосы, производящие вакуум
  3. Форвакуумные насосы (предварительного разряжения)
  4. Термическое оборудование

Современные высокие технологии, особенно с приставкой «нано», требуют исключительно чистых материалов с однородной структурой. Получить такие материалы без примесей и обеспечить их дальнейшую обработку (термообработку, получение сплавов с заданным содержанием компонентов и т.д.) возможно только в очищенной среде, а лучше вообще без нее – то есть в вакууме.

Основные типы вакуумных печей и их главных компонентов – вакуумных насосов

Печи с высокой степенью разряжения воздуха в рабочей камере (вакуумные) имеют типовое подразделение по способу плавки исходного материала:

• Дуговые.

• Индукционные.

• Электроннолучевые.

• Печи сопротивления камерные.

В дуговых печах создаваемая электрическая дуга (по сути — короткое замыкание) служит источником разогрева и процесса плавления. Катодом служит сам расплав материала, анодом выступает поверхность ванны, куда стекает жидкий металл.

В индукционных печах разогрев рабочего тела происходит с помощью вихревых индукционных токов, сопровождающих магнитное поле и находящийся внутри этого поля объект нагрева. Магнитное поле генерируется в катушке, расположенной вокруг зоны нагрева.

основные типы вакуумных печей

Электроннолучевые печи плавят металл при помощи мощного луча электронов (лучевой пушки), направленного на поверхность будущего расплава.

Печи сопротивления имеют внутри рабочей вакуумной камеры отдельный элемент нагрева из тугоплавкого компонента (вольфрам, тантал, графит), который и обеспечивает температуру для плавки основного материала.

Использованию электричества при обработке металлов в вакууме пока нет альтернатив. Электрические вакуумные печи имеют неоспоримые преимущества перед печами, использующими в виде топлива газ или углеводороды:

• Компактность.

• Большая производительность.

• Экономичность.

• Продолжительный срок службы нагревательных элементов.

• Равномерный нагрев внутреннего объема камеры за счет рационального размещения элементов нагрева.

Основной недостаток – наличие атмосферы, содержащей кислород (окислитель) в рабочем пространстве камеры. Технология применения вакуума в электропечах решает эту проблему. Вакуум в зоне нагрева также служит отличным изолятором для внутрикамерного объема, особое внимание необходимо уделять лишь охлаждению и материалу изготовления тигеля, принимающего в себя расплавленный металл.

Насосы, производящие вакуум

Неотъемлемая часть любой вакуумной печи – насос для откачивания воздуха (вообще всей среды) из внутреннего объема камеры печи. Общепринятая классификация вакуумных насосов по величине диапазона давлений, достигаемых в режиме максимальной производительности выглядит списком видов:

• Высоковакуумные

• Бустерные (промежуточного разряжения)

• Форвакуумные

Для достижения разряжения до 10-8 мм. рт. столба применяют турбомолекулярные и криогенные насосы. В качестве форвакуумных (предварительного разряжения до 10 -4 мм. рт. столба) используют механические насосы: пластинчато-роторные, кулачковые и насосы Рутса.

насосы, производящие вакуум

Турбомолекулярный высоковакуумный насос

обеспечивает откачку воздуха за счет системы дисков с лопастями переменного шага, вращающейся вместе с ротором насоса. Наклон лопастей каждого диска уменьшается от максимального шага на входном диске до минимального на выходном. Частота вращения ротора – до 100 000 об/мин., max разряжение – до 10-9 мм. рт. столба.

Криогенный насос

работает по принципу вымораживания газов в рабочей камере до твердого состояния. Внутри корпуса криогенного насоса расположены ряды криопанелей, охлаждаемых при помощи системы с жидким гелием до минусовой температуры 185-265 град. С. Поступающие молекулы газа осаждаются на поверхности криогенных панелей, обеспечивая высокую степень разряжения – до 10-11 мм. рт. столба. Особенностью такого насоса является необходимость его периодической очистки от осадка из твердых газов на криопанелях. Насос выключают, температура его корпуса постепенно повышается и осадок уходит в испарение.

Форвакуумные насосы (предварительного разряжения)

Насос Рутса

Относится к шестеренчатым насосам и работает по аналогичному принципу. Шестерни, вращающиеся в рабочей камере насоса синхронно навстречу друг другу, имеют по два или несколько зубьев. Геометрически поперечный разрез шестерни с двумя зубьями предстанет в виде восьмерки, а с тремя или несколькими зубьями – похожим на цветок с симметричными круглыми лепестками. На оси ведущего вала находится одна из фигурных лопастей и через пару шестерен вращение передается на другую лопасть. При точном изготовлении и регулировке лопасти в работе сохраняют минимально возможные зазоры между собой и рабочей камерой. Трение скольжения отсутствует между рабочими частями, что позволяет эксплуатировать насос при 2700—3200 об/мин. Часто два последовательно соединенных насоса обеспечивают должную производительность и разряжение в камере вакуумной печи.

Пластинчато – роторный насос.

Название группы точно описывает конструкцию: внутри корпуса пластинчато-роторного насоса проходит ось вращения эксцентрично расположенного ротора, в пазах которого размещены подпружиненные пластины, разделяющие весь внутренний объем насоса на несколько отдельных секций. Пластины выдвигаются к стенкам корпуса пружинами и центробежной силой вращения. Объем отдельных секций изменяется: при вращении одновременно увеличивается объем секции, находящейся в зоне впуска и уменьшается объем секций в зоне выпуска. Как результат — увеличение объема в зоне впуска с созданием разряжения. В зону разряжения поступает откачиваемый воздух. На стороне зоны выпуска воздух сжимается, преодолевает усилие пружины выпускного клапана — газ выбрасывается из насоса.

пластинчато – роторный насос

Кулачковый насос

Роторные насосы с разнообразными формами кулачков, работающих в паре, образуют большую группу кулачковых насосов. Изменение формы кулачка напрямую связано со свойствами перекачиваемой среды. Необходимость перекачки горячих и химически активных газов, суспензий и растворов самых разнообразных составов и свойств заставляет конструкторов и в настоящее время работать над новыми модификациями кулачковых насосов. Так, кулачковый насос с серпообразными кулачками успешно применяется в пищевой промышленности для перекачки субстанции, содержащей шоколад и миндальную крошку. Бережное перекачивание молока без взбалтывания на всех линиях производства молочной продукции обеспечивает именно такая разновидность насосов. Бетонный или глиняный раствор, агрессивный газ с повышенным содержанием серы, кислота и каменная мука – далеко не полный перечень сред, перекачиваемых при помощи пары кулачков. Фактически насос Рутса тоже относится к кулачковым насосам, отличающимся оригинальной двухвершинной формой рабочих элементов.

кулачковый насос

Термическое оборудование

Для непосредственного выполнения процессов термической обработки, связанных с охлаждением или нагревом металла применяют разнообразное термическое оборудование: ванны, печи, баки, установки пламенной калки или ТВЧ (токов высокой частоты). Перечень термооборудования подбирается под конкретный вид изделий и технологический процесс его изготовления. Так, кроме выплавки высококачественных металлов, в электропечах производят отжиг металлических деталей, получают металлостеклянные спаи, обжигают керамические изделия на всех этапах техпроцесса, вжигают металлизацию и проводят пайку, газовую цементацию, азотирование.

Стандартная классификация печей включает в себя печи:

• Камерные

• Шахтные

• Печи-ванны

Камерные печи обладают круглой или прямоугольной камерой нагрева, загрузка и выгрузка изделий производится с торца или боковой стороны камеры.

Шахтная печь — это цилиндрическая шахта, футерованную изнутри послойно огнеупорным кирпичом. Загрузка и выгрузка изделий производится сверху – длинномерные изделия подвешиваются в рабочей камере.

В печи-ванной изделие нагревается в жидкости – расплаве металла, соли, возможно и щелочи. Контакт с жидкой средой позволяет гораздо быстрее и равномернее нагреть деталь, возможно дополнительное насыщение расплава элементами жидкой среды.

Способы нагрева печи до заданной температуры:

• Электрический

• Газовый

• Плазменный

кулачковый насос

Плазменный нагрев печи – это удачный и перспективный симбиоз электрического и газового нагрева. Плазма образуется при выходе газа из плазмотрона (длиннопламенного плазменного генератора). Температура плазмы регулируется подачей электрического питания. Такой нагрев сокращает время выхода на рабочий температурный режим на 20-25 % и почти наполовину уменьшает теплопотери. Система автоматического непрерывного регулирования температуры при плазменном нагреве имеет существенно меньшую инертность (запаздывание), что позволяет точно соблюдать сложные температурные и временные графики термической обработки, например, изотермический двухступенчатый отжиг, недоступный при других способах нагрева.

2017-11-18T05:42:36+03:00