Опытно-промышленные ВЧ плазменные установки для обработки меховых материалов

И. Ш. Абдуллин, Ф. С. Шарифуллин

ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ВЧ ПЛАЗМЕННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕХОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: ВЧ плазма, плазменные установки, параметры, меховой материал.

В статье приведены данные по разработанным плазменным установкам емкостного и индукционного разрядов, применяемых для модификации меховых материалов при их производстве с целью улучшения потребительских и эксплуатационных характеристик готового меха.

Keywords: RF plasma, plasma installations, parameters, a fur material.

In article the data on the developed plasma installations of the capacitor and induction categories applied to modisication of fur materials by their manufacture for the purpose of improvement of consumer and operational characteristics of ready fur is cited.

На основании результатов работ по исследованию влияния потока ВЧ плазмы пониженного давления на химические и физикомеханические характеристики мехового

полуфабриката [1], а также разработанных физикохимической и математической моделях взаимодействия[2, 3] разработаны опытнопромышленные ВЧ плазменные установки для обработки меховых материалов.

На рисунке 1 представлена схема опытнопромышленной высокочастотной емкостной (ВЧЕ) плазменной установки для обработки меха.

Рис. 1 - Схема опытно-промышленной плазменной установки для обработки меха

ВЧЕ

Опытно-промышленная ВЧЕ плазменная установка состоит из следующих основных частей: системы ВЧ - разряда, которая включает высокочастотный генератор 1 и электроды 2, вакуумной камеры 3, системы откачки с вакуумными насосами и арматурой для создания и поддержания рабочего давления в вакуумной камере 4, крышки вакуумной камеры 5, системы подачи рабочих газов 6, системы управления, обеспечивающую работу установки, как в автоматическом, так и в ручном режимах 7, системы охлаждения, включающую станцию охлаждения с драйкулером 8.

Загрузка меховых материалов

осуществляется в вакуумную камеру марки УВМ-16М, производитель «Вакууммаш», г.Казань, которая имеет следующие характеристики:

Объем камеры реактора - 4 м3.

Крышка камеры - 1600мм х1000 мм Рабочий вакуум - 10-2 -мм.рт.ст.

Предельный вакуум - 10-3 мм.рт.ст.

Величина распыления материала внутренней обшивки камеры не превышает 2 мкг/м2.

Материал изготовления вакуумной камеры -антикоррозионная сталь.

Пластины для поддержания и горения разряда изготовлены из меди и охлаждаются водой. Горизонтально расположенная вакуумная камера имеет полнопрофильную торцевую откатную крышку для загрузки обрабатываемого материала и обслуживания.

Кассета для завешивания обрабатываемого материала разработана индивидуально и располагается в межэлектродном пространстве и обеспечивает возможность равномерной обработки плазмой всех топографических участков меха. Плазмотрон включает в себя три медных электрода. ВЧ-электрод имеет водяное охлаждение и работает в вакууме.

Плазмотрон имеет следующие

характеристики:

Проходное сечение плазмотрона - более 50000 мм2

Охлаждение - водяное, распределенное Расход воды для охлаждения -до 100 дм3 /мин

Тепловая мощность не более - 40 кВт Система крепления - внутрикамерная Материал электродов - медь Рабочее давление 10_2 - 10 мм.рт.ст.

Рабочая частота - 5 - 30 МГц, фиксированная 13,56 МГц

Расход плазмообразующего газа -

10"2 - 102 г/с

Максимальная температура элементов -

120°С

Источник плазмы обеспечивает получение характеристик разряда:

Концентрация заряженных частиц -10*15-10*15 1/м.куб.

Плотность ионного тока на поверхности -0,5 - 15 А/м.кв.

Энергия ионов в слое положительного заряда 30 -100 эВ.

Плотность тока в плазме - до 1,3 х* 10

А/м.кв.

Напряженность магнитного поля

(100-300)х102 А/м;

Расход плазмообразующего газа -

10 “2 - 102 г/с.

Имеется блок согласования нагрузки,

который представляет собой специальное устройство, разработанное и изготовленное индивидуально, обеспечивающее стабильность режима обработки в заданных диапазонах загрузки камеры.

Разряжение в камере создается при помощи вакуумных насосов: ДВМ-1500 и АВЗ-180.

Система подачи рабочих газов по двум каналам на основе регулятора РРГ-10 обеспечивает подачу газа и автоматическое регулирование давления в рабочей камере в диапазоне 1,33-133 Па.

Система откачки содержит откачной пост, включающий в себя вакуумные насосы, вакуумную арматуру на базе клапанов типа КВП-100, КВП-63, КВП-25, сильфонных узлов Ду-100, Ду-63 и трубопроводов. Данный вакуумный откачной агрегат имеет следующие характеристики:

Создаваемое разряжение - 1,33 Па Производительность (скорость откачки) -

до 90 м.куб./мин.

Откачка высоковакуумной ступени -

безмасляная

Выхлоп агрегата в атмосферу - безмасляный Вентили для трубопроводов йу 100 -

электромеханические

Вентили защитные для трубопроводов йу 100- электромагнитные

Электропитание трехфазное - 380 В Материал - коррозионная сталь Безопасная откачка реагирующих газов -кислорода, хлора, ацитилена

Потребляемая мощность - не более 26 кВт.

Система управления на базе контроллера обеспечивает работу установки, как в

автоматическом, так и в ручном режиме. Вакууметрия на основе преобразователей ПМТ 6-3, ПММ-32, СІШ 274.

Система охлаждения оснащена

разработанной станцией охлаждения, в которой циркулирует вода по замкнутому циклу, единовременный залив составляет 11,7 куб.м.

Высокочастотный генератор, выпускаемый ЗАО «Завод высокочастотных установок», г.Санкт-Петербург, марки ВЧГ6-80, с частотой 13,56 МГц предназначен для получения низкотемпературной плазмы, используемой для модификации

натуральных высокомоле-кулярных материалов.

Техническая характеристика генератора: Напряжение питающей сети - 380 В;

Частота питающей сети - 50 Гц;

Число фаз - 3;

Мощность, потребляемая от сети, не более -

85 кВт;

Мощность колебательная, не менее - 60 кВт; Частота рабочая - 13,56 ± 0,011МГц Коэффициент мощности при анодном напряжении (9,5 — 10), не менее - 0,87 кВ;

Коэффициент полезного действия генератора, не менее 77 %;

Напряжение анодное - 9,5—10кВ;

Ток анодный - 8—8,5 А;

Ток сеточный, не более - 1,5 А;

Напряжение на нагревательном контуре, не более - 8 кВ;

Расход охлаждающей воды, не менее -

2,2 м3/ч.

Для обслуживания аппаратуры, размещенной внутри нагревательного блока, имеются двери с лицевой и боковой стороны шкафа. Двери генераторного блока снабжены электромеханической блокировкой, обеспечивающий безопасность обслуживания. Измерительные приборы, кнопки управления, сигнальные лампы, потенциометр регулирования анодного напряжения, сельсины, тумблеры управления приводами и блок стабилизации размещены на дверях.

Для дистанционного управления в генераторном блоке предусмотрен специальный клемник, к которому могут быть подключены дублирующие измерительные приборы и коммутационная аппаратура, расположенные на выносном пульте управления. В левой части генераторного блока расположены: анодный

трансформатор, высоковольтный выпрямитель, контактор. В правой части внутри стального шкафа установлен алюминиевый шкаф. В этом шкафу размещены все высокочастотные цепи генератора: генераторная лампа, регулятор мощности, регулятор обратной связи, батарея конденсаторов анодного контура, анодный и сеточный дроссели. Доступ к высокочастотным элементам генераторного блока осуществляется через боковую дверь и съемные экранирующие щиты.

За передней правой дверью расположены элементы схемы стабилизации. В комплекте поставки предусмотрен радиочастотный кабель для подсоединения генераторного блока к блоку нагрузочного контура, который выполнен в виде шкафа с батареей конденсаторов и катушкой индуктивности.

В блоке нагрузочного контура находится вентилятор, для охлаждения конденсаторной батареи, и преобразователь высокочастотного напряжения, соединенный гибкими радиочастотными кабелями с прибором для измерения напряжения на нагрузочном контуре, размещенным на лицевой панели генераторного блока.

Электропотребление опытно-промышленной ВЧЕ плазменной установки составляет 122кВт/ч, которая складывается из электропотребления генератора (90кВт/ч), станции охлаждения (3,5кВт/ч), насоса ДВМ-1500 (3,5кВт) и насоса АВЗ-180 (15кВт). Срок службы генераторной лампы составляет 2700 часов непрерывного действия.

Обработку меха проводят следующим образом: производят предварительную откачку

вакуумной камеры, в разрядную камеру напускают рабочий газ. Регулировкой вентиля, соединяющего вакуумную камеру с насосами, устанавливают заданное давление, включая ВЧ генератор. Под действием электромагнитного поля от электродов происходит нагрев плазмообразующего газа до

состояния плазмы. Режим плазменной обработки регулируют путем изменения расхода газа, мощности ВЧЕ разряда, давления в разрядной камере, длительности обработки.

На рис. 2 представлена схема опытнопромышленной высокочастотной индукционной (ВЧИ) плазменной установки для обработки меховых материалов.

Рис. 2 - Опытно - промышленная ВЧИ

плазменная установка: 1 - сосуд с раствором; 2 -игольчатый клапан; 3 - механическая система откачки; 4 - система электроснабжения; 5 -система газоснабжения; 6- система

водоснабжения; 7 - генератор; 8 - система

диагностики; 9 - рабочая камера; 10 - индуктор,

11 - сетка с приводом, 12 - мех

Обработка изделий при пониженных давлениях накладывает определенные условия на оборудование, в частности на материал вакуумного блока и подколпачной арматуры. Они должны обладать высокой вакуумной плотностью, низким газосодержанием, легким обезгаживанием, хорошими свариваемостью с образованием вакуумно-плотного соединения и обрабатываемостью.

В базовой плите вакуумной камеры проточены отверстия, позволяющие закреплять плазмотроны различной формы и размеров.

Система питания плазмотрона рабочим газом состоит из баллона со сжатым газом, редуктора для понижения давления, образцового манометра и ротаметра типа РМ-3 для определения расхода газа, игольчатого натекателя для регулирования расхода и устройства для получения смеси газов. Повышенная стабильность расхода газа обеспечивается использованием буферной емкости. Нагрев и ионизация рабочего газа в плазмотроне осуществляется высокочастотным электромагнитным полем индуктора, подключенного к ламповому генератору. Высокочастотный генератор собран по одноконтурной схеме. Техническая характеристика генератора: потребляемая мощность - до 60 кВт, частота - 1,76 МГц.

Вакуумная камера создана на базе промышленной установки, предназначенной для нанесения тонких слоев металлов и диэлектриков в

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; Ф. С. Шарифуллин - д-р тхн. наук, доц. той же кафедры, sharifullin80@mail.ru.

вакууме. Механическая система откачки состоит из двух насосов: механического типа НВЗ-63 и двухроторного - типа АВР-50. Для улавливания посторонних примесей к насосам присоединена ловушка.

Система водоснабжения установки служит для обеспечения заданного теплового режима ее деталей и узлов. Охлаждение проточное, содержит манометр для контроля давления в системе, также имеются блокировки на случай резкого отключения воды и перегрева наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов, системы контроля расхода жидкости для охлаждения генераторной лампы, индуктора и разрядной камеры. Подвод воды к установке и отвод ее осуществляются при помощи резиновых шлангов.

Основными параметрами потока ВЧИ разряда являются: давление в разрядной камере, скорость плазменного потока, температура плазменного потока, концентрация электронов, плотность тока в разряде, напряженность магнитного поля.

Принцип работы ВЧИ плазменной установки основан на ионизации плазмообразующего газа под действием электромагнитного поля индуктора. При достижении рабочего пониженного давления в вакуумную камеру подавался плазмообразующий газ. При подаче на индуктор ВЧ напряжения, в разрядной камере образуется плазменный сгусток, при продуве через который плазмообразующий газ образует плазменную струю - инструмент обработки. Для придания волосяному покрову меха антистатических свойств применялось специально разработанное приспособление, обеспечивающее получение и подачу в разрядную камеру смеси плазмообразующего газа и антистатика в необходимых концентрациях

Литература

1. Абдуллин И.Ш., Кирпичников А.П., Шарифуллин Ф.С. Влияние потока плазмы ВЧИ-разряда пониженного давления на химические и физико-механические характеристики мехового полуфабриката / Вестник Казанского технологического университета. - 2012. №3. - С.154-156.

2. Абдуллин И.Ш., Кирпичников А.П., Шарифуллин Ф.С. Физико-химическая модель взаимодействия ВЧ-плазмы пониженного давления с меховым полуфабрикатом / Вестник Казанского технологического университета. -2012. №3. - С.148-150.

3. Абдуллин И.Ш., Кирпичников А.П., Шарифуллин Ф.С. Математическая модель взаимодействия ВЧ-плазмы пониженного давления с меховым полуфабрикатом / Вестник Казанского технологического университета. - 2012. №3. - С.151-153.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по гос-контракту 14.740.11.0080.