книги / Электрооборудование электровакуумного производства

В 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

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

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