СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЕЧИ ИНФРАКРАСНОГО НАГРЕВА И ПЕЧЬ ИНФРАКРАСНОГО НАГРЕВА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
METHOD OF CONDUCTING PRECISION THERMAL PROCESSES IN INFRARED HEATING FURNACE AND INFRARED HEATING FURNACE FOR IMPLEMENTATION FOR CONDUCTING THERMAL PROCESSES

Изобретения относятся к термической обработке, а именно к способам прецизионной термической обработки и к печам инфракрасного нагрева для термической обработки деталей, и могут быть использованы для создания универсальных печей инфракрасного нагрева для лабораторных исследований, позволяющих выполнять прецизионный нагрев.
Проведенный патентный поиск в отношении заявленного способа выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева показал следующее.
Известен способ вакуумной обработки изделий, описанный в устройстве вакуумная печь для термообработки изделий (СССР, авт. свид. №358384, C29D 9/00, 03.11.1972). В соответствии со способом изделие загружают в рабочую зону камеры нагрева, камеру герметизируют, воздух из камеры откачивают до требуемого вакуума, включают нагрев, поддерживая одновременно вакуум. После окончания режима нагрева в камеру напускают воздух, изделие выгружают.
Наиболее близким к предлагаемому является способ вакуумной термообработки магнитопроводов, описанный в устройстве для вакуумной термообработки изделий (СССР, авт. свид. №351915, C21D 9/00, 21.09.1972). В соответствии со способом магнитопроводы помещают в реактор в зону высокотемпературного нагрева, реактор герметично закрывают, создают требуемый вакуум, поднимают температуру нагрева до оптимальной. Выдерживают требуемое время значение температуры, достигнутое в реакторе, одновременно поддерживая вакуум. Затем изделия охлаждают, используя естественное охлаждение. Для этого убирают нагреватель с внешней поверхности реактора. Охлаждают изделия до температуры 200°C. После чего выключают вакуумный насос и в реактор впускают воздух. Изделия извлекают из реактора и охлаждают до комнатной температуры.
Недостаток выявленных в процессе патентного поиска способов заключается в следующем. Для исключения возникновения процесса окисления в обрабатываемом продукте процесс нагрева выполняют при постоянном поддержании вакуума. Вакуумный насос работает непрерывно. Его работа начинается одновременно с поднятием температуры в реакторе. Однако в каждом обрабатываемом продукте присутствуют сопутствующие примеси, которые выгорают или разлагаются до достижения требуемой по технологии температуры нагрева для термообработки продукта и выделяются во внутренний объем реактора в газообразном или парообразном состоянии. Поскольку вакуумный насос работает в течение всего цикла термообработки, то он всасывает выделяющиеся продукты, что ухудшает условия его работы и не соответствует штатному режиму работы насоса. Это приводит к выходу из строя насоса, к сокращению срока службы.
Кроме того, в наиболее близком к предлагаемому способе для охлаждения внутреннего объема реактора используют только наружное охлаждение, а именно: используют естественное охлаждение, так как внешнюю поверхность реактора освобождают от источника инфракрасного излучения. При этом отсутствует охлаждение изделий непосредственно внутри реактора. В результате удлиняется технологический цикл, а в некоторых случаях снижается качество конечного продукта. Кроме того, конечную температуру охлаждения, при достижении которой отключают вакуумный насос, не привязывают к температуре окисления обрабатываемого продукта, которое может быть спровоцировано высокой температурой нагрева, что также снижает качество конечного продукта.
Патентный поиск в отношении печи инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов, осуществляющей заявленный способ выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева, выявил следующее.
Известна печь инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов, в которой реактор представляет собой кварцевую трубу, на наружную поверхность которой нанесен материал с высокой отражающей способностью, между которым и кожухом имеется зазор для охлаждающей жидкости, протекающей внутри кожуха. Нагрев выполняется галогеновыми лампами (СССР, авторское свидетельство №422781, C29D 9/00, 05.04.1974).
Наиболее близкой к предлагаемой является электропечь сопротивления - печь инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов, предназначенная для проведения прецизионных термических процессов, требующих сохранения равномерности распределения температуры по длине рабочего пространства не только при нагреве и выдержке, но и при быстром охлаждении. Электропечь состоит из воздухоохлаждаемого цилиндрического кожуха, внутри которого расположена труба-реактор, образующая рабочее пространство электропечи. Вокруг всей наружной поверхности трубы расположен спиральный нагреватель, вокруг которого закреплены отражательные экраны. Между экранами и спиралью расположена теплоизоляция. Между экранами и внутренней поверхностью кожуха имеется зазор для проходящего через него охлаждающего воздуха. Входной конец трубы реактора герметизирован пробкой из теплоизоляционного материала, а второй конец заканчивается патрубком, расположенным соосно с трубой. Наличие патрубка дает основание сделать вывод, что известная печь выполняет вакуумную термическую обработку (СССР, авторское свидетельство №713916, C29D 9/00, 05.02.1980).
Недостаток выявленных в процессе патентного поиска печей инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов заключается в следующем.
Продукт, подвергаемый термической обработке, всегда содержит технологические примеси, имеющие температуру разложения ниже номинальной температуры технологического процесса, которые, например, обеспечивают его форму продукта, или удерживают его составные части в требуемом положении относительно друг друга, или обеспечивают протекание химической реакции и т.п. При этом процесс нагрева, для исключения возникновения процесса окисления в обрабатываемом продукте, выполняют при постоянном поддержании вакуума. Вакуумный насос работает непрерывно. Его работа начинается одновременно с поднятием температуры в реакторе. При этом технологические примеси выгорают или разлагаются до достижения требуемой по технологии температуры нагрева для термообработки продукта и выделяются во внутренний объем реактора в газообразном или парообразном состоянии. Поскольку вакуумный насос работает в течение всего цикла термообработки, то он всасывает выделяющиеся продукты, что ухудшает условия его работы и не соответствует штатному режиму работы насоса. Это приводит к выходу из строя насоса, к сокращению срока службы. В известных устройствах отсутствуют средства, позволяющие обеспечить штатный режим работы вакуумного насоса в процессе технологического цикла термической обработки продукта.
Выполнение намотки из спирали не позволяет выполнить ее плотной из-за возможности межвиткового короткого замыкания, что снижает равномерность формируемой температурной зоны. Кроме того, поскольку между витками спирали остается свободное пространство, это приводит к тепловым потерям, удлиняет время выхода на температурный режим и увеличивает продолжительность технологического процесса, что может привести к снижению качества готового продукта, особенно с малой теплоемкостью.
Кроме того, в известных устройствах для охлаждения внутреннего объема реактора используют только наружное охлаждение, причем охлаждают экраны, а не сам нагреватель. При этом отсутствуют средства охлаждения продукта внутри реактора при герметично закрытом реакторе. В результате удлиняется технологический цикл, а также снижается качество конечного продукта.
Предлагаемый способ выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева решает задачу создания соответствующего способа, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в обеспечении работы вакуумного насоса в штатном режиме, в сокращении продолжительности технологического цикла, за счет сокращения времени охлаждения обрабатываемого продукта, в повышении качества конечного продукта.
Сущность способа выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева заключается в том, что в заявленном способе, включающем создание во внутреннем объеме реактора зоны высокотемпературного нагрева, размещение обрабатываемого продукта в реакторе в зоне высокотемпературного нагрева, изоляцию внутреннего объема реактора от внешней среды, формирование в зоне высокотемпературного нагрева требуемой технологической температуры нагрева и создание во внутреннем объеме реактора вакуума и поддержание их в течение заданного интервала времени, выполнение наружного охлаждения внутреннего объема реактора до заданной температуры, контроль температуры, новым является то, что часть внутреннего объема реактора выполняют необогреваемой, а обрабатываемый продукт размещают в реакторе в зоне высокотемпературного нагрева на подставке, которую выполняют с возможностью принудительного охлаждения, кроме того, предварительно, из обрабатываемого продукта удаляют содержащиеся в нем технологические примеси, для чего, не изолируя внутренний объем реактора от внешней среды, постепенно поднимают температуру внутри реактора в зоне высокотемпературного нагрева и нагревают обрабатываемый продукт до появления газо- и/или парообразных продуктов выделения, после чего температуру нагрева фиксируют и поддерживают ее значение до прекращения формирования продуктов выделения, при этом продукты выделения по мере их образования перемещают в необогреваемую зону реактора, откуда газообразные продукты выделения откачивают посредством вытяжной вентиляции, а парообразные продукты выделения конденсируют на внутренних стенках реактора необогреваемой зоны и затем сливают, после этого входное отверстие реактора герметично закрывают и во внутреннем объеме реактора создают вакуум, одновременно поднимая температуру в обогреваемой зоне до требуемой в соответствии с технологическим процессом, достигнутую температуру и вакуум поддерживают в течение интервала времени, соответствующего технологическому процессу, после окончания требуемого интервала времени нагрев прекращают и, не открывая реактора, выполняют охлаждение продукта термической обработки, а именно: снаружи - путем охлаждения источника инфракрасного нагрева реактора продувкой холодного воздуха, и изнутри - путем принудительного охлаждения подставки, на которой размещен обрабатываемый продукт, после того как температура в реакторе снижается до величины, исключающей возможность возникновения в обрабатываемом продукте реакции окисления, поддержание вакуума прекращают и открывают реактор путем подачи в него избыточного давления воздуха, готовый продукт вынимают из реактора.
Заявленный технический результат достигается следующим образом.
Существенные признаки формулы изобретения: «Способ выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева, включающий создание во внутреннем объеме реактора зоны высокотемпературного нагрева, размещение обрабатываемого продукта в реакторе в зоне высокотемпературного нагрева, изоляцию внутреннего объема реактора от внешней среды, формирование в зоне высокотемпературного нагрева требуемой технологической температуры нагрева и создание во внутреннем объеме реактора вакуума и поддержание их в течение заданного интервала времени, выполнение наружного охлаждения внутреннего объема реактора до заданной температуры, контроль температуры, …» - являются неотъемлемой частью заявленного способа и обеспечивают его осуществимость, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.
Как указывалось выше, продукт, подвергаемый термической обработке, всегда содержит технологические примеси, имеющие температуру разложения ниже номинальной температуры технологического процесса, которые, например, обеспечивают форму продукта, или удерживают его составные части в требуемом положении относительно друг друга, или обеспечивают протекание химической реакции и т.п. При этом для исключения возникновения процесса окисления в обрабатываемом продукте процесс нагрева выполняют при постоянном поддержании вакуума насосом, работа которого начинается одновременно с поднятием температуры в реакторе. При этом вакуумный насос всасывает выделяющиеся во внутренний объем реактора в газообразном или парообразном состоянии технологические примеси, что ухудшает условия его работы и не соответствует штатному режиму работы насоса. Это вынуждает использовать для облегчения режима работы насоса специальные «ловушки».
В заявленном способе перед термической обработкой продукта при номинальной температуре, соответствующей технологическому циклу, до включения вакуумного насоса (до создания внутри реактора вакуума), из обрабатываемого продукта предварительно удаляют содержащиеся в нем технологические примеси. Для чего, не изолируя внутренний объем реактора от внешней среды, постепенно поднимают температуру внутри реактора в зоне высокотемпературного нагрева и нагревают обрабатываемый продукт до появления газо- и/или парообразных продуктов выделения, после чего температуру нагрева фиксируют и поддерживают ее значение до прекращения формирования продуктов выделения. Это позволяет выделить из обрабатываемого продукта практически все технологические примеси, разлагающиеся при повышенной температуре, что повышает качество конечного продукта.
Возможность утилиции обеспечивается благодаря тому, что в заявленном способе часть внутреннего объема реактора выполняют необогреваемой. Это обеспечивает наличие свободного объема в реакторе для сбора и утилизации продуктов выделения («…продукты выделения по мере их образования перемещают в необогреваемую зону реактора…»). При этом утилизацию парообразных продуктов выделения выполняют непосредственно в необогреваемой зоне реактора путем конденсации на холодных внутренних стенках реактора. Образуемый конденсат сливают. Газообразные продукты выделения откачивают из необогреваемой зоны посредством вытяжной вентиляции.
После этого входное отверстие реактора герметично закрывают и во внутреннем объеме реактора создают вакуум, одновременно поднимая температуру в обогреваемой зоне до требуемой в соответствии с технологическим процессом. Таким образом, в заявленном способе вакуумный насос включают после удаления технологических примесей, что  обеспечивает работу насоса в штатном режиме.
Достигнутую температуру и вакуум поддерживают в течение интервала времени, соответствующего технологическому процессу, что обеспечивает требуемый режим термообработки продукта и обеспечивает его качество.
После окончания требуемого интервала времени нагрев прекращают и выполняют охлаждение внутреннего объема реактора. В заявленном способе охлаждение термически обработанного продукта выполняют, не нарушая герметичности реактора, что исключает возможность возникновения в готовом продукте химических реакций при взаимодействии с воздухом, а также загрязнение готового продукта, повышая тем самым качество конечного продукта.
Продолжительность времени охлаждения термически обработанного готового продукта является важным фактором в технологическом процессе, особенно для обрабатываемых продуктов с малой тепловой емкостью.
Выполняют охлаждение продукта термической обработки снаружи - путем охлаждения источника инфракрасного нагрева реактора продувкой холодного воздуха, и изнутри - путем принудительного охлаждения подставки, на которой размещен обрабатываемый продукт, то есть путем охлаждения непосредственно продукта термической обработки. В результате время охлаждения готового продукта значительно сокращается. Это не только сокращает продолжительность технологического цикла, но и повышает качество конечного продукта.
Кроме того, в заявленном способе во время этапа охлаждения готового продукта в закрытом реакторе в последнем поддерживают вакуум. Прекращают поддержание вакуума в реакторе только после того, как температура в реакторе снизилась до величины, исключающей возможность возникновения в обрабатываемом продукте реакции окисления, спровоцированной наличием высокой температуры. Только после этого в реактор запускают воздух. Причем, поскольку подачу воздуха совмещают c открыванием реактора путем подачи в него избыточного давления воздуха, тем самым обеспечивают активное охлаждение готового продукта. После этого готовый продукт вынимают. В результате повышается качество конечного продукта.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в сокращении продолжительности технологического цикла, за счет сокращения времени охлаждения обрабатываемого продукта, в повышении качества конечного продукта, в обеспечении работы вакуумного насоса в штатном режиме.
Предлагаемое изобретение «Печь инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов», осуществляющее заявленный способ выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева, решает задачу создания соответствующего устройства, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в обеспечении работы вакуумного насоса в штатном режиме, в сокращении продолжительности технологического цикла, за счет сокращения времени охлаждения обрабатываемого продукта, в повышении качества конечного продукта.
Сущность изобретения «Печь инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов», осуществляющего заявленный способ, состоит в том, что в печи инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов, содержащей цилиндрический кожух, внутри которого расположен концентрично цилиндрический реактор, вокруг которого размещен инфракрасный излучатель, покрытый теплоизоляционным материалом, новым является то, что реактор выполнен кварцевым в форме цилиндрической колбы, при этом продольная ось колбы реактора наклонена по отношению к горизонтали под отрицательным острым углом, а дно колбы реактора представляет собой пробку из кварцевого стекла, выполненную в форме полого цилиндра с дном, который вставлен дном внутрь колбы и сплавлен с ее стенками, кроме того, внутренний объем колбы реактора разделен на обогреваемую зону, в которой размещен инфракрасный излучатель, и необогреваемую зону, заканчивающуюся открытым концом колбы, при этом инфракрасный излучатель размещен на рабочем конце колбы реактора, со стороны дна колбы, и выполнен из высокотемпературного нагревательного провода с жаропрочной изоляцией, который намотан на рабочий конец колбы однорядной, равномерной, плотной намоткой, которая покрыта огнеупорным теплоизоляционным материалом, кроме того, кожух закреплен на колбе концентрично с образованием зазора между внутренней поверхностью и теплоизоляционным материалом, при этом в торце кожуха со стороны дна колбы, на расстоянии от дна, закреплен приточный вентилятор, а в открытый конец колбы вставлена пробка, выполненная из эластичного материала, в которой по продольной осевой закреплен патрубок, причем патрубок посредством кронштейна жестко соединен с устройством возвратно-поступательного перемещения, кроме того, в реакторе размещены кассетодержатель в виде U-образной полой трубки, концы которой открыты, снабженной опорными роликами, а под кассетодержателем размещена полая трубка, внутри которой размещена термопара, концы U-образной трубки и второй конец трубки термопары закреплены в пробке и выведены через нее наружу ниже патрубка, при этом трубка кассетодержателя пересекает всю обогреваемую зону, а трубка с термопарой расположена таким образом, что термопара находится в средней зоне намотки нагревательного провода излучателя, при этом проводники термопары выведены наружу через конец трубки, закрепленный в пробке, кроме того, открытый конец колбы плотно охвачен подключенным к вытяжной вентиляции кольцевым раструбом, по периметру которого выполнена щель, которая направлена в сторону открытого конца колбы, при этом патрубок пробки и один конец U-образной трубки кассетодержателя подключены соответствующими шлангами к первому и второму выходам распределительной панели, у которой входы с первого по третий подключены соответственно к компрессору, вакуумному насосу, к газовому баллону. При этом внутри колбы перед внутренней поверхностью пробки закреплен термозащитный экран. Причем распределительная панель содержит соединенные между собой пневматически электромагнитные распределительные клапаны с первого по третий, электромагнитный клапан отсечной и редуктор давления, при этом пневматические выход первого и вход второго распределительных клапанов соединены и являются первым входом панели, кроме того, первый распределительный клапан входом соединен с выходом редуктора давления, который входом соединен с выходами третьего распределительного и отсечного клапанов, входы которых являются вторым и третьим входами распределительной панели. Кроме того, устройство возвратно-поступательного перемещения содержит шаговый двигатель, вал которого соединен с осью, на которую надет с возможностью вращения первый ролик, под которым первым концом горизонтально закреплена направляющая, на втором конце которой на оси закреплен второй ролик с возможностью вращения, ролики охвачены зубчатым ремнем и соединены с ним путем зубчатой передачи, на направляющей закреплен, без возможности вращения, но с возможностью возвратно-поступательного перемещения, металлический кронштейн, выполненный в форме буквы Ч, вертикальный элемент которого жестко соединен с патрубком, закрепленным в пробке реактора, а горизонтальный элемент жестко соединен с зубчатым ремнем, кроме того, на направляющей закреплен неподвижно индуктивный датчик движения кронштейна.
Заявленный технический результат достигается следующим образом.
Существенные признаки формулы заявленной печи инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов: «Печь инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов, содержащая цилиндрический кожух, внутри которого расположен концентрично цилиндрический реактор, вокруг которого размещен инфракрасный излучатель, покрытый теплоизоляционным материалом, …» - являются неотъемлемой частью заявленного устройства и обеспечивают его работоспособность, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.
В заявленном устройстве реактор выполнен кварцевым, в форме цилиндрической колбы. Поскольку кварц обладает высокой термостойкостью, нулевым коэффициентом термического расширения и практически прозрачен для высокотемпературной инфракрасной части спектра излучения, то обеспечивается высокая степень теплопередачи от инфракрасного излучателя внутрь реактора.
При этом дно колбы реактора представляет собой пробку из кварцевого стекла, выполненную в форме полого цилиндра, который вставлен дном внутрь колбы и сплавлен с ее стенками. В результате увеличивается усилие разрушения колбы на срез. Колба предлагаемой конструкции, выполненная из кварца, благодаря тому, что при нагревании коэффициент расширения кварца близок к нулю, способна выдерживать высокие градиенты температуры. Это, в свою очередь, позволяет выполнить излучатель из высокотемпературного нагревательного провода с жаропрочной изоляцией в виде однорядной, равномерной, плотной намотки, которая размещена на рабочем конце колбы, и сформировать в обогреваемой высокотемпературной зоне реактора плоскую изотермичную зону. При этом поскольку намотка плотная, то и эффективность теплоотдачи, т.е. скорость теплового потока, в реакторе выше, по сравнению с прототипом, где используется спираль из голого провода, которая не допускает плотной намотки из-за возможности короткого замыкания.
В заявленном устройстве намотка из провода покрыта огнеупорным теплоизоляционным материалом, что дополнительно снижает тепловые потери. Использование слоя теплоизоляции препятствует излучению теплоты в открытое пространство. Теплота концентрируется под слоем теплоизоляционного материала, поддерживая температуру жилы провода на высоком уровне, тем самым снижая и тепловые потери, и энергопотребление.
Предлагаемое выполнение излучателя сокращает время нагрева внутреннего объема реактора, а следовательно, сокращает продолжительность технологического цикла, а также повышает качество конечного продукта. При длине колбы реактора 650 мм и диаметре 80 мм и длине намотки 300 мм печь выходит на режим до 800° за 10-15 минут.
Как указывалось выше, продукт, подвергаемый термической обработке, всегда содержит технологические примеси, имеющие температуру разложения ниже номинальной температуры технологического процесса, которые, например, обеспечивают форму продукта, или удерживают его составные части в требуемом положении относительно друг друга, или обеспечивают протекание химической реакции и т.п. При этом для исключения возникновения процесса окисления в обрабатываемом продукте процесс нагрева выполняют при постоянном поддержании вакуума насосом, работа которого начинается одновременно с поднятием температуры в реакторе. При этом вакуумный насос всасывает выделяющиеся во внутренний объем реактора в газообразном или парообразном состоянии технологические примеси, что ухудшает условия его работы, требует сложных ловушек и не соответствует штатному режиму работы насоса.
Заявленное устройство позволяет перед термической обработкой продукта при номинальной температуре, соответствующей технологическому циклу, до включения вакуумного насоса (до создания внутри реактора вакуума), удалить из обрабатываемого продукта содержащиеся в нем технологические примеси. Это достигается следующим образом.
Инфракрасный излучатель размещен на рабочем конце реактора, со стороны дна колбы. Оставшаяся часть колбы не обогревается. В результате внутренний объем колбы четко разделен на обогреваемую зону, в которой размещен инфракрасный излучатель, и необогреваемую зону, заканчивающуюся открытым концом колбы. В открытый конец колбы вставлена пробка, выполненная из эластичного материала, что надежно обеспечивает герметичность внутреннего объема реактора в рабочем состоянии. Внутри колбы перед внутренней поверхностью пробки закреплен термозащитный экран, что защищает материал пробки от перегрева и способствует сохранению его первоначальных свойств. По продольной осевой пробки закреплен патрубок, который жестко соединен с устройством возвратно-поступательного перемещения, что обеспечивает возможность манипуляций с пробкой и возможность транспортирования кассеты с обрабатываемым продуктом внутрь реактора. При этом продольная ось реактора наклонена по отношению к горизонтали под отрицательным острым углом, а открытый конец колбы плотно охвачен подключенным к вытяжной вентиляции кольцевым раструбом, по периметру которого выполнена щель, которая направлена в сторону открытого конца колбы.
Наличие в заявленном устройстве вышеописанных средств позволяет, не изолируя внутренний объем реактора от внешней среды, постепенно поднимая температуру внутри реактора в зоне высокотемпературного нагрева, выделить из обрабатываемого продукта практически все технологические примеси в виде газов или в парообразном состоянии. Необогреваемая зона реактора образует в реакторе свободный объем для сбора и утилизации продуктов выделения, которые, благодаря наклону колбы, самостоятельно перемещаются в необогреваемую зону. Наличие необогреваемой зоны реактора обеспечивает утилизацию парообразных продуктов в виде конденсата на холодных внутренних стенках реактора. Образуемый конденсат самосливом удаляется из колбы, благодаря наклону колбы. Газообразные продукты выделения откачивают из необогреваемой зоны посредством вытяжной вентиляции с кольцевым раструбом, по периметру которого выполнена щель, направленная в сторону открытого конца колбы.
Кассетодержатель, размещенный в реакторе, выполнен в виде U-образной полой трубки. При этом параллельные стороны U-образной трубки кассетодержателя представляют собой параллельные опоры для кассет с обрабатываемым продуктом, что обеспечивает их хорошую фиксацию и устойчивое положение внутри реактора. Выполнение U-образным позволяет сформировать кассетодержатель полым с непрерывным внутренним объемом.
Выполнение кассетодержателя длиной, при которой трубка кассетодержателя пересекает всю обогреваемую зону, обеспечивает размещение обрабатываемого продукта в зоне инфракрасного излучателя. Благодаря тому, что кассетодержатель снабжен опорными роликами, обеспечивается плавность хода кассетодержателя и устойчивость при перемещении внутри реактора.
Размещение под кассетодержателем трубки с термопарой, при этом трубка с термопарой расположена таким образом, что термопара находится в средней зоне намотки нагревательного провода излучателя, обеспечивает измерение фактической температуры обрабатываемого продукта, помещенного в кассетодержатель. Благодаря тому, что второй конец трубки с термопарой закреплен в пробке реактора и выведен наружу, а проводники термопары выведены наружу через второй конец трубки, обеспечивается возможность измерения и контроля максимального значения температуры внутри объема реактора в любой момент времени.
Благодаря тому, что концы трубки кассетодержателя открыты и закреплены в пробке реактора ниже патрубка, при этом один конец трубки кассетодержателя подключен шлангом к второму выходу распределительной панели, обеспечивается возможность подключения компрессора и охлаждения кассетодержателя при герметично закрытом реакторе путем подключения к компрессору и пропускания через полость трубки холодного воздуха. Это позволяет охлаждать готовый продукт внутри реактора без его разгерметизации.
Наружное охлаждение излучателя в заявленном устройстве обеспечивается благодаря тому, что кожух печи закреплен на колбе концентрично с образованием зазора между внутренней поверхностью кожуха и теплоизоляцией, а со стороны дна колбы, на расстоянии от дна, в торце кожуха закреплен приточный вентилятор.
Возможность одновременного охлаждения излучателя снаружи и охлаждения готового продукта изнутри сокращает время охлаждения готового продукта, что важно для изделий с малой теплоемкостью и повышает качество конечного продукта.
Благодаря тому, что пробка реактора снабжена патрубком, который подключен соответствующим шлангом к первому выходу распределительной панели, у которой входы с первого по третий подключены соответственно к компрессору, вакуумному насосу, к газовому баллону, обеспечивается возможность автономного подключения внутреннего объема реактора, в зависимости от этапа технологического процесса, к вакуумному насосу, компрессору, газовому баллону.
Распределительная панель обеспечивает выполнение условий технологии выполнения прецизионного термического процесса, обеспечивая возможность создания во внутреннем объеме реактора вакуума, подачу сжатого воздуха, подачу рабочего газа. Это обеспечивается благодаря тому, что в распределительной панели входы с первого по третий подключены соответственно к компрессору, вакуумному насосу, к газовому баллону, а первый и второй выходы - к патрубку пробки и к одному из концов кассетодержателя. При этом, благодаря тому, что распределительная панель содержит распределительные клапаны с первого по третий, электромагнитный клапан отсечной и редуктор давления, подключенные заявленным образом, в процессе выполнения технологического процесса обеспечивается возможность подключения компрессора, вакуумного насоса, газового баллона к внутреннему объему реактора, и компрессора к кассетодержателю.
Введенное в заявленную печь устройство возвратно-поступательного перемещения содержит шаговый двигатель, вал которого соединен с осью, на которую надет с возможностью вращения первый ролик, под которым первым концом горизонтально закреплена направляющая, на втором конце которой на оси закреплен второй ролик с возможностью вращения, ролики охвачены зубчатым ремнем и соединены с ним путем зубчатой передачи. В результате вращение вала двигателя преобразуется в круговое перемещение зубчатого ремня.
В устройстве возвратно-поступательного перемещения на направляющей закреплен, без возможности вращения, но с возможностью возвратно-поступательного перемещения, металлический кронштейн, выполненный в форме буквы Ч. Предлагаемое выполнение кронштейна обеспечивает возможность жесткого соединения кронштейна вертикальным элементом с патрубком в пробке реактора, а наличие горизонтального элемента обеспечивает возможность жесткого соединения кронштейна с зубчатым ремнем. В результате обеспечивается кинематическая связь между устройством возвратно-поступательного перемещения и пробкой, а следовательно, и кассетодержателем, и термопарой.
Благодаря тому, что на направляющей закреплен индуктивный датчик движения кронштейна, а также выполнению кронштейна из металла, обеспечивается контроль положения кронштейна в конечной правой точке, а следовательно, возможность установки пробки и кассетодержателя в требуемое положение.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что предлагаемое изобретение «Печь инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов», осуществляющее заявленный способ выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева, при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в обеспечении работы вакуумного насоса в штатном режиме, в сокращении продолжительности технологического цикла, за счет сокращения времени охлаждения обрабатываемого продукта, в повышении качества конечного продукта, в исключении человеческого фактора из технологического процесса.
На чертеже изображено сечение печи инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов, кинематика устройства возвратно-поступательного перемещения и схема соединений в распределительной панели.
Заявленная печь инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов, осуществляющая заявленный способ выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева, содержит реактор 1, выполненный кварцевым в форме цилиндрической колбы; инфракрасный излучатель 2, огнеупорный теплоизоляционный материалом 3, кожух 4, приточный, вентилятор 5, пробку 6, патрубок 7 пробки 6, кассетодержатель 8, опорный ролик 9, термопара 10 в трубке, термозащитный экран 11, кольцевой раструб 12; устройство возвратно-поступательного перемещения, которое содержит кронштейн 13, направляющую 14, шпонку 15, ремень зубчатый 16, двигатель шаговый 17, датчик индуктивный 18, первый 19 и второй 20 ролики; распределительную панель 21, которая содержит электромагнитные распределительные клапаны с первого 22 по третий 24, клапан отсечной 25 и редуктор давления 26.
Кроме того, в состав печи входят компрессор 27, вакуумный насос 28, газовый баллон 29.
Реактор 1 выполнен кварцевым в форме цилиндрической колбы и помещен в цилиндрический кожух 4. Кожух 4 закреплен на колбе реактора концентрично с образованием зазора между внутренней поверхностью и теплоизоляцией 3. Продольная ось колбы реактора 1 наклонена по отношению к горизонтали под отрицательным острым углом. Дно колбы реактора представляет собой пробку из кварцевого стекла, выполненную в форме полого цилиндра с дном, который вставлен дном внутрь колбы и сплавлен с ее стенками. Внутренний объем колбы реактора 1 разделен на обогреваемую зону, в которой размещен инфракрасный излучатель 2, и необогреваемую зону, заканчивающуюся открытым концом колбы. Инфракрасный излучатель 2 размещен на рабочем конце колбы реактора 1, со стороны дна колбы, и выполнен из высокотемпературного нагревательного провода с жаропрочной изоляцией. Провод намотан на рабочий конец колбы однорядной, равномерной, плотной намоткой, которая покрыта огнеупорным теплоизоляционным материалом 3. Кожух 4 закреплен на колбе 1 концентрично с образованием зазора между внутренней поверхностью и теплоизоляционным материалом 3. В торце кожуха 4 со стороны дна колбы 1, на расстоянии от дна, закреплен приточный вентилятор 5. В открытый конец колбы 1 вставлена пробка 6, выполненная из эластичного материала. В пробке 6 по продольной осевой закреплен патрубок 7, который посредством кронштейна 13 жестко соединен с устройством возвратно-поступательного перемещения.
В реакторе 1 размещены кассетодержатель 8 в виде U-образной полой трубки, концы которой открыты, снабженной опорными роликами 9. Под кассетодержателем размещена полая трубка 10, внутри которой размещена термопара. Концы U-образной трубки и второй конец трубки 10 термопары закреплены в пробке 6 и выведены через нее наружу ниже патрубка 7. Трубка кассетодержателя 8 пересекает всю обогреваемую зону, а трубка 10 с термопарой расположена таким образом, что термопара находится в средней зоне намотки нагревательного провода излучателя 2. Проводники термопары выведены наружу через конец трубки 10, закрепленный в пробке 6.
Открытый конец колбы 1 плотно охвачен подключенным к вытяжной вентиляции  кольцевым раструбом 12, по периметру которого выполнена щель, которая направлена в сторону открытого конца колбы 1.
Патрубок 7 пробки 6 и один конец U-образной трубки кассетодержателя 8 подключены соответствующими шлангами к первому и второму выходам распределительной панели 21, у которой входы с первого по третий подключены соответственно к компрессору 27, вакуумному насосу 28, к газовому баллону 29.
Внутри колбы 1 перед внутренней поверхностью пробки 6 закреплен термозащитный экран 11.
В распределительной панели 21 соединены между собой пневматически электромагнитные распределительные клапаны с первого 22 по третий 24, электромагнитный клапан отсечной 25 и редуктор давления 26. Пневматические выход первого 22 и вход второго 23 распределительных клапанов соединены и являются первым входом панели 21. Кроме того, первый 22 распределительный клапан входом соединен с выходом редуктора давления 26, который входом соединен с выходами третьего 24 распределительного и отсечного 25 клапанов, входы которых являются вторым и третьим входами распределительной панели 21.
В устройстве возвратно-поступательного перемещения вал шагового двигателя 17 соединен с осью, на которую надет с возможностью вращения первый ролик 19, под которым первым концом горизонтально закреплена направляющая 14, на втором конце которой на оси закреплен второй ролик 20 с возможностью вращения. Ролики 19 и 20 охвачены зубчатым ремнем 16 и соединены с ним путем зубчатой передачи. На направляющей 14 закреплен, без возможности вращения, но с возможностью возвратно-поступательного перемещения, металлический кронштейн 13, выполненный в форме буквы Ч, вертикальный элемент которого жестко соединен с патрубком 7, закрепленным в пробке 6 реактора 1, а горизонтальный элемент жестко соединен с зубчатым ремнем 16. На направляющей 14 закреплен неподвижно индуктивный датчик 18 движения кронштейна 13.
Намотка инфракрасного излучателя 2 может быть выполнена высоконагревательным проводом типа ВНО. Нагревательный провод намотки инфракрасного излучателя 2 представляет собой нихромовую жилу или спираль, одетые в кварцевую или стеклянную изоляцию. Пробка 6 может быть выполнена из резины в форме конуса. Опорные ролики 9 кассетодержателя 8 могут быть набраны из дисков терморасширенного графита.
Заявленный способ выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева выполняют следующим образом.
Во внутреннем объеме реактора создают обогреваемую зону высокотемпературного нагрева и необогреваемую зону. Размещают обрабатываемый продукт в реакторе в зоне высокотемпературного нагрева на подставке, которую выполняют с возможностью принудительного охлаждения. Предварительно из обрабатываемого продукта удаляют содержащиеся в нем технологические примеси, для чего, не изолируя внутренний объем реактора от внешней среды, постепенно поднимают температуру внутри реактора в зоне высокотемпературного нагрева и нагревают обрабатываемый продукт до появления газо- и/или парообразных продуктов выделения, после чего температуру нагрева фиксируют и поддерживают ее значение до прекращения формирования продуктов выделения. Продукты выделения по мере их образования перемещают в необогреваемую зону реактора, откуда газообразные продукты выделения откачивают посредством вытяжной вентиляции, а парообразные продукты выделения конденсируют на внутренних стенках реактора необогреваемой зоны и затем сливают. После этого входное отверстие реактора герметично закрывают и во внутреннем объеме реактора создают вакуум, одновременно поднимая температуру в обогреваемой зоне до требуемой в соответствии с технологическим процессом. Достигнутую температуру и вакуум поддерживают в течение интервала времени, соответствующего технологическому процессу. После окончания требуемого интервала времени нагрев прекращают и, не открывая реактора, выполняют охлаждение продукта термической обработки, а именно: снаружи - путем охлаждения источника инфракрасного нагрева реактора продувкой холодного воздуха, и изнутри - путем принудительного охлаждения подставки, на которой размещен обрабатываемый продукт. После того как температура в реакторе снижается до величины, исключающей возможность возникновения в обрабатываемом продукте реакции окисления, поддержание вакуума прекращают и открывают реактор путем подачи в него избыточного давления воздуха, готовый продукт вынимают из реактора.
Заявленный способ выполнения прецизионных термических процессов в печи инфракрасного нагрева осуществляют посредством заявленной печи инфракрасного нагрева для выполнения прецизионных термических процессов, которая работает следующим образом.
Работа печи осуществляется программно посредством устройства управления (на чертеже не показано), которое, например, включает управляющий программируемый контроллер, индикаторную панель и силовые электронные ключи, управляющие программно исполнительными элементами, а именно: распределительными электромагнитными клапанами с первого 22 по третий 24, электромагнитным клапаном отсечным 25, редуктором давления 26; осуществляет контроль температуры; формирует команды на включение компрессора 27, вакуумного насоса 28 и подключение газового баллона 29; принимает сигналы с индуктивного датчика 18; осуществляет управление работой шагового двигателя 17.
Вакуум в колбе 1 можно контролировать вакуумметром, например, с цифровым выходом и выдавать управляющие воздействия в соответствии с его измерениями. Можно достижение вакуума контролировать по времени, если техпроцесс идет в стабильных, неизменных условиях.
Термопара связана с термоконтроллером, который выдает значение температуры в управляющий программируемый контроллер.
В исходном состоянии колба реактора 1 открыта. Пробка 6 со всеми закрепленными на ней кассетодержателем 8 и трубкой с термопарой 10 находится в крайнем правом положении, которое фиксирует индуктивный датчик 18. Оператор ставит на кассетодержатель 8 кассету с обрабатываемым продуктом и нажимает кнопку «Пуск» на пульте управления. По сигналу из устройства управления шаговый двигатель 17 приводит в движение зубчатый ремень 16, движение которого передается кронштейну 13 посредством шпонки 15, соединяющей кронштейн 13 с ремнем 16. В результате кронштейн 13, жестко соединенный с патрубком 7 в пробке 6, перемещает пробку 6 и все связанные с ней детали влево. В момент, когда пробка 6 находится на расстоянии от открытого торца колбы 5-10 мм, управляющее устройство  отключает напряжение питания с шагового двигателя. Пробка 6 останавливается. В процессе перемещения ролики 9 катятся по стенке колбы 1 и несут на себе нагрузку от кассетодержателя с кассетой. Устройство управления подключает нагревательный провод инфракрасного излучателя 2 к источнику питания. Начинается разогрев рабочей зоны колбы 1 инфракрасным излучением. Одновременно нагреваются обрабатываемый продукт и расположенная под ним термопара 10.
Программа работы печи может быть разной.
Рассмотри один из вариантов. Допустим, необходимо спечь титановую таблетку в вакууме. В порошке таблетки присутствует органическая связка, которая при обработке температурой разлагается на газовую и жидкую фазы. Поэтому для удаления из исходного продукта примесей необходимо сделать выстой на температуре разложения при открытом реакторе и только затем выходить на температуру спекания.
Последовательность работы устройства следующая.
1) Колба 1 установлена с небольшим отрицательным углом относительно горизонтали; колба 1 не закрыта.
2) Вакуумный насос 27 подготовлен к работе, включен, но на период удаления примесей из исходного продукта блокирован клапаном отсечки 25; температура в обогреваемой зоне колбы 1 достигает значения разложения органической связки.
3) Устройство управления по показанию термопары 10 включает вытяжную вентиляцию. Через раструб 12 газовая фаза продуктов разложения связки вытягивается из колбы 1 и пропускается через фильтр вытяжной системы.
4) Продукты разложения в виде паров также движутся к выходу из колбы. Соприкасаясь с холодными стенками нерабочей части колбы, они конденсируются, собираются в ручеек и вытекают из колбы, так как колба 1 наклонена.
Через некоторое время формирование продуктов выделения прекращается. Это говорит о том, что связка разложилась, продукты разложения выведены из колбы. При этом вакуумный насос блокирован, что надежно защищает его от загрязнения.
5) По истечении этапа удаления из обрабатываемого продукта содержащихся в нем технологических примесей устройство управления включает шаговый двигатель 17, который приводит в движение зубчатый ремень 16. В результате кронштейн надвигает пробку 6 до контакта с торцом колбы 6. После чего устройство управления обесточивает шаговый двигатель 17, снимает блокировку клапаном отсечки 25 и подключает к патрубку 7 через клапан отсечки 25 вакуумный насос 28. В результате чего пробка 6, выполненная из эластичного материала, втягивается в колбу 1, обеспечивая ее герметичность. Затем устройство управления выводит инфракрасный излучатель 2 на полную мощность.
7) Печь выходит на режим спекания, и далее выполняют выстой на номинальной температуре согласно технологическому процессу.
8) По окончании спекания устройство управления выключает инфракрасный излучатель 2 и включает вентилятор 5, который охлаждает излучатель 2. Одновременно по сигналам с устройства управления срабатывает второй распределительный клапан 23, включается компрессор 27 и через U-образную трубку кассетодержателя 8 начинает проходить холодный воздух. Колба 1 охлаждается быстро и эффективно. При достижении температуры примерно 120°С, исключающей для данного продукта возможность возникновения реакции окисления, срабатывает отсечной клапан 25 и отсекает вакуумный насос 28 от колбы 1. Выключается вентилятор 5, закрывается второй клапан 23, открывается первый клапан 22. Через редуктор 26 компрессор 27 в колбу 1 подает небольшое избыточное давление холодного воздуха, которое выталкивает пробку из колбы. При этом готовый продукт дополнительно охлаждается. Первый клапан 22 закрывается. Поскольку шаговый двигатель 17 обесточен, кронштейн 13 не оказывает сопротивления движению пробки 6 и вместе с ней перемещается вправо. По сигналу с устройства управления включается шаговый двигатель 17 и пробка 6 перемещается в исходное крайнее правое положение. Остановку двигателя 17 выполняет устройство управления по сигналу с датчика 18.
Оператор убирает кассету со спеченными изделиями и устанавливает новую. Нажатием кнопки вновь запускается алгоритм спекания.
Если требуется выполнить спекания в газовой среде - начало алгоритма то же, что и для вакуума. Но когда вакуумный насос создаст требуемое разрежение в колбе, по управляющему сигналу с устройства управления вакуумный насос 28 отсекается от колбы 1 первым отсечным клапаном 25 и после срабатывания третьего распределительного клапана 24 колба 1 соединяется с газовым баллоном 29. При этом в колбе 1 реактора  создается соответствующая газовая среда. Окончание алгоритма то же самое, что и для вакуумной среды.
Время остывания печи минимально, так как, наряду с внешним охлаждением, применяется внутреннее, посредством трубчатого кассетодержателя 8, что существенно сокращает технологический цикл.