книги / Электрооборудование электровакуумного производства
..pdfВ производстве различных электровакуумных прибо ров весьма заманчиво использование изготавливаемых приборов в качестве манометрических преобразователей. Способ измерения давления в электровакуумном при боре с помощью самого прибора является в настоящее время наиболее перспективным, так как позволяет ре шать целый ряд задач не только при откачке, но и при дальнейшей обработке, хранении и эксплуатации прибо ра. Этот способ широко используется в производстве отдельных видов изделий. Так, в производстве различ ных электронно-лучевых трубок (специальные, осциллографические, кинескопы и т. д.) этот способ является доминирующим, а важной характеристикой любой элек троннолучевой трубки служит такой параметр, как «газность», определяющий давление (степень вакуума) в трубке и измеряемый при использовании последней в качестве манометрического преобразователя давления. При этом электровакуумный прибор работает как мано метрический преобразователь давления электронного ионизационного манометра. Очевидно, что в качестве манометрического преобразователя давления в схеме электронного ионизационного манометра (см. рис. 2-50) принципиально возможно применение любого электро вакуумного прибора, обладающего катодом и как мини мум еще двумя электродами. Использование электрова куумного прибора в качестве манометрического преоб разователя давления позволяет контролировать величину давления (степень вакуума) и его изменение во время последующих за откачкой операций, выдержки готовой продукции, длительного хранения и даже при эксплуятсции, что несомненно представляет большие преимущест ва по сравнению с другими способами измерения дав ления, когда используются специальные манометриче ские преобразователи.
Т Е Х Н И К А Б Е З О П А С Н О С Т И
Откачное оборудование и технологический процесс вакуумной обработки несут в себе потенциальные воз можности неблагоприятного воздействия на обслужива ющий персонал. К таким факторам относятся взрыво опасность стеклянной оболочки крупногабаритных при боров, что может привести к ранению осколками; тепловые излучения и ожоги, связанные с длительной
181
работой электропечей, генераторов высокой частоты и нагреваемых электровакуумных приборов; электромаг нитные и ионизирующие излучения, возникающие при использовании для нагрева токов высокой частоты и применении электронно-ионной бомбардировки высоко вольтных электровакуумных приборов; световое и ультрафиолетовое излучение, возникающее при зажига нии разряда в ртутно-кварцевых приборах; выделения паров и газов, образующиеся при нарушении герметич ности при наполнении различных газоразрядных при боров, например в производстве счетчиков используются галогеновые смеси (бром, хлор); механические травмы, обусловленные применением различных вращающихся частей и подъемных механизмов печей, индукторов и т. д.; поражения электрическим током как результат насыщения откачного оборудования различной электро аппаратурой, радиоактивное поражение при использова нии радиоактивных препаратов для проведения измере ний и целый ряд других поражающих факторов, обус ловленных спецификой производства отдельных типов приборов. На участках откачки и вакуумной обработки приборов необходимы различные оздоровительные меро приятия, направленные на борьбу с высокими темпе ратурами, загрязнениями воздушной среды, различными видами излучений, а также с различными видами трав матизма. Для улучшения условий труда применяются тщательная теплоизоляция и экранирование печей на грева, рациональная система вентиляции. В целях предупреждения электротравматизма согласно требова ниям Правил устройства электроустановок (ПУЭ) все токоведущие части должны быть изолированы и ограж дены, а металлические нетоковедущие части откачного оборудования должны быть надежно заземлены (занулены). Генераторы высокой частоты должны иметь экранирование как генераторного (первичного), так и рабочего (нагревательного) контуров и индукторов, а также всей системы в целом. Вода для охлаждения деталей установок, нормально находящихся под напря жением (нагревательные индукторы, согласующие пони жающие трансформаторы, генераторные лампы и т. д.). должна подаваться через шланги из изоляционного ма териала. На концах шлангов для свободного слива волы в воронку должны быть установлены заземленные ме таллические наконечники. Блоки установок, имеющие
182
конденсаторы, в которых при отключении может остать ся заряд, должны быть снабжены разрядным устройст вом, автоматически действующим при открывании две рей. Вся электрическая аппаратура и токоведущие части должны быть ограждены металлическими кожухами с устройством защитных блокировок в дверцах ограж дения. Для предупреждения механических травм уста новки должны снабжаться специальными уловителями, предупреждающими падение подъемных механизмов, а дверцы снабжаются механическими защелками. Для предупреждения взрыва при использовании водорода применяются предохранительные устройства, а примене ние жидкого азота требует оборудования системы по дачи предохранительным клапаном. Сорбционный цеолитовый насос должен снабжаться таким же предохрани тельным клапаном. Механические молекулярные насосы должны снабжаться ограждениями, защищающими об служивающий персонал в случае разрушения насоса. Источники высокого напряжения, применяемые для пи тания электроразрядного насоса, электронной бомбарди ровки или других целей при вакуумной обработке при боров, должны иметь блокировочное устройство и раз рядный резистор, рассчитанный на режим короткого замыкания. Иначе говоря, безопасное обслуживание откачного (и любого другого) оборудования обеспечи вается выполнением требований Правил технической эксплуатации и безопасности обслуживания как обще союзных (ПТЭ и ПТБ, ЛУЭ), так и отраслевых (ми нистерства), указаний по эксплуатации и ремонту, дан ных в паспорте оборудования, а также выполнением местных инструкций по технике безопасности, отражаю щих специфику работы установки на данном предприя тии. В местных инструкциях, согласованных с техниче ской инспекцией профсоюза, должны быть особо указа ны мероприятия по проведению работ, обусловленных повышенной опасностью, а также обращено внимание на специфические опасности. Обслуживание оборудова ния должно производиться квалифицированными спе циалистами, хорошо знающими технологические процес сы и обученными общим правилам техники безопасности и эксплуатации откачного оборудования. Разделение обязанностей электротехнического персонала и персо нала, обслуживающего электротехнологическое оборудо вание, должно быть точно определено утвержденным на
183
Каждом предприятии специальным положением или рас поряжением. Ввод откачного оборудования в эксплуа тацию производится только при условии выполнения требований ПТЭ и ПТБ, Г1УЭ, выполнения санитарных норм (в том числе по уровню электромагнитного поля на рабочих местах) и норм по радиопомехам, проведения испытаний оборудования в соответствии с технической документацией завода-изготовителя, регистрации уста новки в диапазоне радиочастот в органах радиоинспек ции и других необходимых испытаний по усмотрению специальной комиссии, актом которой осуществляются приемка и ввод в эксплуатацию.
2-5. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛЯННЫХ ОБОЛОЧЕК
СТЕКЛОВАРЕННЫЕ ПЕЧИ
В электрических стекловаренных печах тепловые условия, необходимые для получения стекломассы из шихты, могут создаваться за счет превращения электро энергии в тепловую (электрические печи) или одновре менно за счет сжигания топлива и электронагрева (га зоэлектрические печи).
Электрические печи перед пламенными имеют ряд преимуществ: нет потерь тепла при сгорании топлива, меньшие размеры печи, повышенный к. п. д., отсутствие теплообменников и топливного хозяйства, простота авто матизации теплового режима, лучшие условия труда, меньшая стоимость печи и строительных сооружений, по лучение стекла высокого качества. Электрические печи позволяют получать непосредственно в расплавленной стекломассе температуру, оптимальную для процесса стекловарения, причем максимальная достижимая рабо чая температура ограничивается только огнеупорными свойствами конструкционных материалов печи. Отдель ные компоненты стекломассы не улетучиваются, расход
обесцвечивателей |
значительно |
сокращается, |
а шихта |
с продуктами сгорания совсем не уносится. |
стеклова |
||
Единственным |
недостатком |
электрических |
ренных печей является более высокая стоимость элек троэнергии по сравнению с топливом, даже самым высо кокачественным — метаном. Поэтому нашли применение и комбинированные стекловаренные печи — газоэлектри ческие.
184
Стекловаренные электрические печи подразделяются на три группы: дуговые, высокочастотные и печи сопро тивления.
В дуговых печах используется тепловая энергия, вы деляемая дуговым разрядом между электродами или между электродами и стекломассой. Дуговые электропе чи используются для варки очень тугоплавких стекол (при этом стекло загрязняется или окрашивается про дуктами сгорания и распыления электродов) и в электро вакуумной промышленности применяются редко.
Высокочастотные стекловаренные электропечи, как правило, периодического действия, горшковые. Предва рительный разогрев шихты осуществляется высокочас тотным электрическим полем за счет диэлектрических потерь в шихте, а после расплавления нагрев переводит ся на индукционный за счет вихревых токов, создавае мых в расплавленной стекломассе переменным магнит ным полем. Такие печи применяются в специальных слу чаях, например для варки высококачественного или спе циального стекла.
Дуговые и высокочастотные печи имеют ограниченное применение в связи с высокой стоимостью и сложностью электрооборудования. Для питания дуговых печей при меняются трансформаторы с повышенным реактивным сопротивлением или с дросселями насыщения, так как дуговой разряд имеет падающую вольт-амперную харак теристику и для устойчивого горения дуги необходимо последовательное балластное сопротивление, обычно ин дуктивное, например — дроссель насыщения. Пусковая аппаратура — контакторы, магнитные пускатели, защит ная— плавкие предохранители или автоматы-разъедини тели максимального тока. Высокочастотные печи снаб жаются высокочастотными генераторами с рабочей ча стотой несколько мегагерц для разогрева шихты и несколько килогерц для нагрева расплавленной стекло массы.
Наибольшее распространение имеют электропечи со противления, в которых используются два способа соз дания требуемого теплового режима. В печах косвенного действия тепло выделяется в специальных нагревателях вне объема, занятого стекломассой, и передается послед ней в основном лучеиспусканием. В печах прямого дейст вия электрическая энергия превращается в тепловую не посредственно в расплавленной стекломассе.
Печи косвенного действия применяются только в ла бораториях.
Промышленные электрические стекловаренные печи сопротивления — это печи прямого действия, они широ ко применяются во всех отраслях стекольного произ водства.
Основными элементами электрооборудования стекло варенных электропечей сопротивления являются электро ды, подводящие электрический ток к стекломассе, печ ной трансформатор, регулятор напряжения и схема управления и сигнализации.
Электроды работают в условиях высоких температур и воздействия расплава силикатов (расплавленной стек ломассы и продуктов ее частичного электролиза). К ма териалам электродов предъявляются следующие требо вания: максимальная стеклоустойчивость, жаростойкость, жаропрочность, минимальное воздействие продуктов раз рушения электрода на качество стекла (в частности, на его окраску), высокая электропроводность и возмож ность изготовления электродов необходимой формы.
Применяемые в промышленных печах материалы электродов — молибден, графит, сталь, а для специаль ных стекол и платина — только частично отвечают этим требованиям. Имеются случаи применения и других ма териалов для электродов, например расплавленного олова.
Для уменьшения износа электродов путем стабилиза ции их теплового режима применяется принудительное охлаждение: воздушное —для стальных, водяное —для молибденовых (наружных концов) электродов.
Печной трансформатор, обычно трехфазный с пере ключаемыми секциями для изменения коэффициента трансформации, применяется для согласования электри ческого режима печи с источником переменного тока.
Для регулирования температуры стекломассы в ка честве исполнительного органа применяется регулиро вочный автотрансформатор, обычно с электроприводом подвижной части (катушки или ползунка).
Температура стекломассы измеряется с помощью термопары или радиационного пирометра. Работа термо пары основана на возникновении э. д. с., пропорциональ ной разности температур спаев двух разнородных ме таллов или сплавов, например, платины и платинородия Радиационным пирометром измеряется интенсивность из
186
лучения сте кл о м а ссы , которая также пропорциональна температуре, так как излучение растет вместе с темпера турой.
Сравнивая измеренную температуру с заданной по технологии, регулируют подачу энергии в печь. Регули рование осуществляется с помощью автотрансформа тора вручную или автоматически с использованием при боров тепловой автоматики.
Пусковая аппаратура — контакторы, защитная — автоматы-разъединители максимального тока, реже — плавкие предохранители.
ЭЛЕКТРОСВАРКА СТЕКЛЯННЫХ ДЕТАЛЕЙ
Стекло как материал обладает рядом уникальных свойств, обусловливающих его широкое применение. Это и конструкционные свойства, определяющие каче ство стеклоизделий, и технологические, относящиеся к способам его обработки в процессе изготовлений.
В частности, удельное сопротивление стекла электри ческому току значительно зависит от температуры, и в этом оно ведет себя, как полупроводник. Если метал лы и их сплавы, а также большинство изоляционных материалов имеют температурный коэффициент сопро тивления (ТКС) не более 1 % на градус, то у стекла ТКС доходит до 15% на градус. С ростом температуры со противление стекла падает, и стекло становится провод ником электрического тока с удельным сопротивлением, близким к удельному сопротивлению электролитов. Это свойство используется в стекловаренных электропечах, когда расплавленная стекломасса сама является элек тронагревателем, это явление используется и для элек тросварки стеклоизделий. Свариваемые стеклоизделия сначала подогреваются пламенем или внешним электро нагревателем до температуры, при которой стекло ста новится достаточно электропроводным, затем через него пропускается электрический ток. Происходит непосред ственный нагрев стекла до степени размягчения, необ ходимой для сварки, свариваемые поверхности деталей вводятся в соприкосновение и прижимаются друг к друiy. В месте соединения образуется однородный шов со свойствами, мало отличающимися от свойств основного материала свариваемых деталей.
Преимуществом электросварки по сравнению со свар кой пламенем является высокая чистота сварного шва
187
за счет уменьшения количества загрязнений, вносимых пламенем газовых горелок в виде продуктов сгорания топлива. Кроме того, при электросварке соединяемые поверхности прогреваются электрическим током сразу по всему объему в отличие от нагрева пламенем, когда идет нагрев с поверхности, а в глубину тепло поступает только за счет теплопроводности. В этом случае тепло вой поток, идущий в глубину объема от нагреваемой по верхности детали, пропорционален перепаду температур поверхностных и глубинных слоев или, точнее, скорости изменения температуры вдоль направления теплового потока, которая называется градиентом температурного поля. Так как стекло имеет значительный температурный коэффициент объемного расширения, то градиент тем пературного поля влечет за собой и градиент объемных деформаций, т. е. внутренние напряжения, могущие при водить к появлению трещин. Следовательно, быстрый на грев всего объема стеклоизделия с помощью поверхност ного обогрева затруднителен из-за опасности растрески вания стекла. Электронагрев позволяет избежать этой опасности.
Электросварка стекла используется для соединения конуса с экраном некоторых типов ЭЛТ в единую стеклооболочку. Для выполнения этой операции применяется машина электросварки конуса с экраном ЭЛТ. Машина карусельная восьмипозиционная. На каждой позиции имеются два соосных шпинделя: нижний —для экрана, верхний — для конуса. Работа машины происходит
вследующем порядке.
Внижний шпиндель устанавливается предварительно нагретый экран. Для предотвращения растрескивания экран в течение всего времени нахождения на машине подогревается снизу электронагревателем. В патрон
верхнего шпинделя зажимается конус, также предвари тельно подогретый. Нижняя кромка конуса подводится вплотную к экрану и визуально центрируется по его кромке. Между свариваемыми кромками экрана и кону са оставляется зазор 3—4 мм для предварительного их подогрева, который осуществляется последовательно на двух позициях машины газокислородными горелками. При переходе изделия на позицию электросварки ниж ний шпиндель поднимается, выбирая зазор между кром ками конуса и экрана, они соприкасаются между собой и «склеиваются» в месте их последующей электросварки.
188
На позиции электросварки два диаметрально противопо ложно расположенных электрода-горелки автоматиче ски подводятся к стеклу, и напряжение 15 кВт через фа келы горелок подается на разогретый «склеенный» шов. Здесь окончательно прогревается шов и сваривается ко нус с экраном. На следующей позиции стеклооболочка снимается с машины и направляется на отжиг.
Особенностью электрической схемы этой машины яв ляется высоковольтная (15 кВ) цепь электросварки, представляющая собой источник повышенной опасности для обслуживающего персонала, что требует строгого соблюдения действующих правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок с напряжением вы ше 1000 В.
Другие электрические цепи машины, относящиеся к электроприводам, освещению, блокировке и управле нию, принципиально не отличаются от аналогичных це пей схем машин и установок, описанных, например, в следующем параграфе.
2-6. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ УСТАНОВОК ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
УСТАНОВКА ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ
Установки для нанесения покрытий отличаются боль шим разнообразием конструкций. Причиной этого яв ляется значительное число как видов покрытий (проводя щие, изолирующие, люминесцентные, газопоглощающие и др.), так и методов их нанесения (осаждение из сус пензии, гальваническое осаждение, пульверизация, ва куумное и вакуумно-реактивное напыление и т. д.). Для каждого сочетания вида покрытия и метода его нанесе ния соответствующая установка имеет значительные от личия от других, предназначенных для нанесения покры тия другого вида или другим методом.
Это в полной мере относится и к электрооборудова нию, т. е. трудно подобрать типовую электрическую схе му установки нанесения покрытий. Электрические схе мы, как правило, достаточно сложны из-за большого количества и сложности электрических цепей. Типичны ми для таких установок являются части электрических схем, т. е. отдельные цепи или системы цепей, связан ных сходной логикой или конечной целью.
189
Рассмотрим типовые участки схемы установки ва куумного напыления, предназначенной для нанесения на поверхность стеклянной подложки металлических или полупроводниковых покрытий методом термического ис парения е вакууме.
Испаряемое вещество прежде всего должно быть на грето до состояния испарения.
Некоторые металлы, их окислы и сплавы интенсивно испаряются в вакууме при температуре, меньшей, чем температура плавления ’.
Рис. 2-52. Электрическая схема вакуумного агрегата установки на пыления.
Особенность метода вакуумного напыления заклю чается в прямолинейности траекторий распыляемых час тиц, т. е. в возможности напыления на выбранную часть поверхности подложки или другой детали путем ее ори ентации в потоке распыляемого материала и применения экранов, частично заслоняющих покрываемую поверх ность.
Для получения и поддержания вакуума в рабочей камере установки служит вакуумный агрегат, электри ческая схема которого представлена на рис. 2-52. Элек тродвигатель Mi привода механического насоса соеди нен с электросетью переменного 220/380 В через плавкие
1 Процесс испарения из твердого состояния, минуя жидкую фа зу, называется сублимацией или возгонкой.
190