Вакуумная установка для термической обработки изделий

 

Изобретение относится к термической обработке изделий. Вакуумная установка для термической обработки изделий в вакууме позволяет снизить давление активных газов и газонасыщение изделий. Установка содержит камеру нагрева, систему вакуумных насосов, систему подачи инертного газа, систему управления нагревом. В камере нагрева дополнительно установлен герметичный контейнер, соединенный с системой подачи инертного газа, в котором установлены обрабатываемые изделия. Герметичный контейнер соединен патрубком откачки газов с камерой нагрева, в канале патрубка откачки газов установлена сорбционная ловушка. Система подачи инертного газа снабжена блоком дозированной циклической подачи инертного газа. Система подачи инертного газа содержит питающий баллон, редуктор, манометр для контроля давления в питающем баллоне и манометр для контроля давления после редуктора, натекатель и блок химической очистки. Блок дозированной циклической подачи инертного газа содержит дозировочный баллон, два электропневмоклапана, установленных перед дозировочным баллоном и после дозировочного баллона. Кроме того, блок дозированной циклической подачи содержит пульт управления напуском инертного газа с реле времени, газоанализатор с усилителем и вакуумметр для контроля и управления парциальным давлением (концентрацией) химически активных газов в герметичном контейнере. 3 ил.

Изобретение относится к термической обработке металлов и сплавов, в частности к вакуумным установкам, обеспечивающим термообработку, обезгаживание, удаление летучих веществ из объема и поверхностных слоев изделий (например, после сварки) преимущественно для крупногабаритных изделий (например, частей летательных аппаратов, космических кораблей), изготовленных из титановых сплавов и других химически активных при температуре термообработки материалов.

Для термической обработки изделий известны установки, содержащие негерметичную печь с атмосферным давлением внутри, размещенный в ней контейнер, продуваемый инертным газом от системы подачи инертного газа [1] Однако известные установки не позволяют получить низкие парциальные давления активных газов вследствие наличия их в составе инертных газов и натекания через соединения системы подачи инертного газа и контейнера, вследствие чего велико газонасыщение изделий.

Наиболее близким техническим решением является вакуумная установка (печь электросопротивления) японского производства фирмы ULVAC CORPORATION модели FHV-90GHS [2] Установка содержит две камеры, изолированные между собой и с атмосферой герметичными вакуумными затворами. Одна из камер предназначена для нагрева изделий, другая -для охлаждения. Кроме того, установка снабжена системой вакуумных насосов, обеспечивающих глубокий вакуум (до 10^-5 Торр) системой управления нагревом изделий. Камера нагрева находится под постоянным вакуумом и разгерметизируется при ремонтах и профилактике. Система постоянной продувки инертным газом (аргоном), снабженная блоком химической очистки, обеспечивает снижение давления активных газов в камере нагрева до 10^-7 -10^-8 Торр (при чистоте аргона на выходе из блока химической очистки 99, 9995%).

Давление аргона в камере нагрева при ее продувке составляет 10^-3-10^-1 Торр. Недостатками данной установки являются значительные парциальные давления активных газов, а значит и существенно газонасыщение изделий, большие габариты из-за наличия двух камер, а также необходимость длительных обезгаживающих выдержек после ремонта камеры нагрева.

Решаемой технической задачей предложенного технического решения является значительное снижение парциальных давления активных газов и как следствие уменьшение газонасыщения изделий, а также уменьшение габаритов вакуумной установки.

Решаемая техническая задача достигается тем, что в вакуумной установке для термической обработки изделий, содержащей камеру нагрева, систему вакуумных насосов, систему подачи инертного газа, систему управления нагревом изделий, в камере нагрева установлен герметичный контейнер для размещения изделий, соединенный с системой подачи инертного газа, снабженной блоком дозированной циклической подачи инертного газа, герметичный контейнер соединен патрубком откачки газов с камерой нагрева, а в канале патрубка откачки газов установлена сорбционная ловушка, при этом блок дозированной циклической подачи инертного газа содержит дозировочный баллон, два электропневмоклапана, соединенных с пультом управления подачи инертного газа, содержащего соединенные между собой реле времени или часовой механизм, газоанализатор и усилитель.

Установка герметичного контейнера внутри камеры нагрева предохраняет изделия от газонасыщения газами, выделяемыми элементами камеры нагрева и вследствие натекания через вакуумные затворы.

Блок дозированной циклической подачи инертного газа обеспечивает удаление активных газов из объема контейнера и камеры нагрева.

Установка патрубка откачки газов в герметичном контейнере обеспечивает уменьшение попадания активных газов из камеры нагрева в герметичный контейнер.

Установка сорбционной ловушки в канале патрубка откачки газов снижает до минимума попадание активных газов в герметичный контейнер из объема камеры нагрева.

Установка газоанализатора с усилителем и реле времени, соединенных между собой, с электропневмоклапанами позволяет оптимизировать процесс термообработки, предотвратить изделия от газонасыщения в экстремальных ситуациях (потере герметичности камеры нагрева и герметичного контейнера, попадания паров масла из системы вакуумных насосов, интенсивном гажении стенок камеры нагрева и т.д.) путем интенсивной продувки инертным газом. Кроме того, создается возможность непосредственного контроля чистоты среды в контейнере и камере нагрева в процессе термообработки.

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретательский уровень, т. к. отличительные признаки позволяют получить "новое свойство", резко уменьшить газонасыщение изделий, уменьшить размеры установки.

Из известных источников информации авторами не обнаружены признаки, подобные введенным отличительным.

На фиг.1 изображена общий вид вакуумная установка для термической обработки изделий, общий вид; на фиг.2 система подачи инертного газа с блоком дозированной циклической подачи инертного газа; на фиг. 3 схема подключения газоанализатора с усилителем к системам вакуумной установки для термической обработки изделий.

Вакуумная установка для термической обработки изделий содержит камеру нагрева 1, систему вакуумных насосов 2, систему подачи инертного газа 3, систему управления нагревом 4 изделий 5. В камере нагрева 1 установлен герметичный контейнер 6, изготовленный из нержавеющей стали или молибдена с полированными поверхностями. Герметичный контейнер 6 соединен трубопроводом с системой подачи инертного газа 3. Система подачи инертного газа 3 снабжена блоком дозированной циклической подачи инертного газа (см. фиг. 2). Герметичный контейнер 6 соединен патрубком откачки газов 7 с камерой нагрева 1. В канале патрубка откачки газов 7 установлена сорбционная, например, электродуговая ловушка 8. В камере нагрева 1 установлены нагревательные элементы 9 системы управления нагревом 4 изделий 5, изготовленные, например, из нихрома или другого несорбирующего газы и влагу материала.

Кроме того, камера нагрева 1 снабжена выдвижным столом (подом) 10, на котором закреплен герметичный контейнер 6 (стол 10 может играть функции нижней стенки герметичного контейнера 6). Между герметичным контейнером 6 и столом 10 расположено уплотнение из пластичного металла, например из медных пластин (не показано) или из расплавляемого металла, сплава.

Камера нагрева 1 снабжена также вакуумным затвором 11 для обеспечения закладки и выемки изделий 5 с герметичным контейнером 6 в камеру нагрева 1. Для защиты от перегрева камеры нагрева 1 имеет защитные экраны 12 и систему охлаждения камеры нагрева 1 (не показано).

Система подачи инертного газа 3 содержит ( фиг.2) питающий баллон 13, заправленный газообразным аргоном (по ГОСТ 10157-79 г. до давления P 150 атм высшего или первого сорта), с редуктором 14, манометрами 15, 16, позволяющими измерять давление в питающем баллоне 13 и после редуктора 14, натекатель 17 и блок химической очистки 18. Система подачи инертного газа снабжена блоком дозировочной циклической подачи, который содержит дозировочный баллон 19 проточного типа емкостью 0,1-1 л, два электропневмоклапана 20 и 21, соединенных с пультом управления подачи инертного газа 22, и одно или несколько реле времени 23 (или часовой механизм таймер, например, с электроконтактами), обеспечивающие включение и выключение электропневмоклапанов 20 и 21.

Пульт управления подачи инертного газа 22 содержит газоанализатор 24 и усилитель 25, соединенные между собой с целью усиления электрического сигнала, характеризующего парциальные давления активных газов (кислород, азот и др. ) и передачи усиленного сигнала на системы вакуумной установки. В качестве газоанализатора 24 можно использовать масспектрометр типа МСД-1. Газоанализатор 24 и усилитель 25 соединены с реле времени 23 с целью подачи электросигнала на изменение режима дозированной циклической подачи, с системой управления нагревом с целью ее отключения при аварийных ситуациях, а также со световой и звуковой сигнализацией 26 с целью информации оператора установки об аварийном режиме работы.

Термическая обработка изделий вакуумной установкой для термической обработки обеспечивается следующим образом. Непосредственно перед термообработкой изделия 5 обезжириваются бензином Б-70 или ацетоном и обезвоживаются спиртом (периодически эти операции производятся с контейнером 6 и с внутренней поверхностью камеры нагрева 1). После небольшой выдержки изделия 5 раскладываются на выдвижном столе 10 и накрываются герметичным контейнером 6. Затем герметичный контейнер 6 с помощью выдвижного столба 10 помещают внутрь камеры нагрева 1. После этого закрывают вакуумный затвор 11 и производят нагрев внутренних стенок камеры нагрева 1, контейнера 6, изделий 5 до 80-120^oC с выдержкой 20-30 мин с целью удаления остатков влаги с их поверхностей. Затем система вакуумных насосов 2 обеспечивает откачку воздуха из камеры нагрева 1 и контейнера 6 через патрубок откачки газов 7 до глубины вакуума 10^-3-10^-6 Торр. После чего производят плавный нагрев изделий 5 по заданной программе с помощью системы управления нагревом 4 с промежуточными обезгаживающими выдержками до температуры несколько ниже (на 30-50^oC) температуры химической активности изделий 5. После этого включают систему подачи инертного газа 3 с блоком дозированной циклической подачи инертного газа. Инертный газ (аргон) поступает от питающего баллона 13 в редуктор 14, где его давление снижается до давления P 1,5-5 атм и по трубопроводу поступает в электропневмоклапан 20, который от реле времени 23 периодически открывается (через каждые 2-5 минут) на время 2-3 сек (для заполнения дозировочного баллона 19) и закрывается. Также открывается после закрытия электропневмоклапана с периодом 2-5 минут на время 5-10 сек электропневмоклапан 21 от реле времени 23 и доза аргона из дозировочного баллона 19 поступает в блок химической очистки 18, очищается от примесей и через натекатель 17 поступает по трубопроводу в герметичный контейнер 6 создавая давление в нем 10^-1-10^-3 Торр. Инертный газ смешивается в герметичный контейнер 6 с активными газами и откачивается системой вакуумных насосов 2 до глубины вакуума 10^-3-10^-6 Торр через патрубок откачки газов 7, последовательно в камеру нагрева 1 и далее через систему вакуумных насосов за пределы камеры нагрева 1. При этом инертный газ также попутно удаляет активные газы не только из герметичного контейнера 6, но и из камеры нагрева 1, что также снижает попадание активных газов из камеры нагрева 1 в герметичный контейнер 6. Последующие циклы дозированной подачи еще более снижают давление активных газов, а также предусматривают повышение давления активных газов следствие натекания в герметичный контейнер 6. Сорбционная электродуговая ловушка 8 предотвращает попадание активных газов из камеры нагрева 1 через патрубок газов 7 в герметичный контейнер 6.

Таким образом одна доза инертного газа может снизить концентрацию активных газов в герметичном контейнере 6 в 10-100 раз, а последующее циклическое повторение доз инертного газа дает устойчивое снижение (концентрации) давления до величины P 10^-8-10^-11 Торр.

Установка в герметичном контейнере с патрубка откачки газов 7 определенной длины также снижает попадание активных газов из камеры нагрева 1 в герметичный контейнер 6. При дальнейшем нагреве изделий 5 система подачи инертного газа 3 с помощью блока дозированной циклической подачи продолжает подачу инертного газа дозами с периодом 2-5 мин до температуры термической обработки, выдержке при температуре термообработки и последующем охлаждении до температуры химической активности изделий. После снижения температуры изделий на 30-50^oC ниже температуры химической активности изделий система подачи инертного газа отключается и далее изделия охлаждаются в вакууме, а затем на воздухе до комнатной температуры.

Газоанализатор (масспектрометр) 24 обеспечивает слежение за парциальным и общим давлением активных газов в герметичном контейнере 6 и при превышении допустимого значения давления отдельных компонентов активных газов или общего давления, переключает реле времени 23 на более частую подачу инертного газа (например, если циклы подачи повторялись через 5 мин, то будет повторять циклы через 2-3 мин). Одновременно от газоанализатора 24 через усилитель 25 подается электрический сигнал на отключение нагрева, а также загорается табло и подается звуковая сигнализация 26 об изменении режима работы блока дозированной циклической подачи и повышения давления активных газов. Если повышение давление активных газов в герметичном контейнере вызвано недостаточно длительными обезгаживающими выдержками, то после дополнительной обезгаживающей выдержки термообработка продолжается, т.к. управляющий сигнал о превышении давления активных газов снимается.

В случае больших значений давления активных газов при авариях от газоанализатора 24 подается сигнал как за отключение нагрева, так и на постоянную продувку аргоном с целью защиты и охлаждения изделий 5. Общий контроль за работой системы подачи инертного газа осуществляется также манометрами 15 и 16, по вакуумметру 28 и записи газоанализатором 24 давления активных газов в герметичном контейнере 6. В случае незапланированной подачи инертного газа сверх нормы (сверх установленного давления) срабатывает электропневмоклапан 21 от клемм вакуумметра и отсекает подачу аргона до следующего цикла подачи аргона.

При отказе системы напуска инертного газа открытие-закрытие (включение-отключение) электропневмоклапанов осуществляется вручную с помощью выключателей 27.

При закалке изделий 5 резкое охлаждение производится непрерывной продувкой герметичного контейнера 6 инертным газом с давлением 0,3-1 атм.

Предлагаемая вакуумная установка для термической обработки изделий позволяет снизить давление активных газов до величины 10^-8-10^-11 Торр и как следствие уменьшить газонасыщение изделий, содержание активных газов и летучих веществ при аварийной разгерметизации вакуумной установки, а также уменьшить габариты вакуумной установки.

Формула изобретения

Вакуумная установка для термической обработки изделий, содержащая камеру нагрева, систему вакуумных насосов, систему подачи инертного газа, систему управления нагревом изделий, отличающаяся тем, что она снабжена герметичным контейнером для размещения изделий, сорбционной ловушкой, блоком дозированной циклической подачи инертного газа, причем герметичный контейнер установлен в камере нагрева и соединен патрубками с системой подачи инертного газа и камерой нагрева, при этом в канале патрубка соединения герметичного контейнера с камерой нагрева установлена сорбционная ловушка, а блок дозированной циклической подачи инертного газа содержит дозировочный баллон, соединенный с газопроводом, на котором последовательно установлены два электропневмоклапана, соединенные с выходами программного реле времени, вход которого через усилитель соединен с выходом масс-спектрального газоанализатора, выполненного с возможностью анализа газов в герметичном контейнере.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3