ВАКУУМНО-КОМПРЕССИОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ

Вакуумно-компрессионная электрическая печь относится к лабораторному оборудованию для термообработки силикатных материалов и может быть использована при получении малогабаритных блоков особо чистого кварцевого стекла.
Вакуумно-компрессионные электропечи используют для сушки и дегазации материалов в вакууме или под давлением [М.С. Лейканд, В.Л. Мальтер, К.А. Матковский. Вакуумно-компрессионные электрические печи М., «Энергия», 1971. 88 с]. Известные конструкции печей имеют ограничения по температуре и давлению, поэтому не могут использоваться для обработки тугоплавких материалов, например, кварцевого стекла. Кроме того, электропечи имеют значительный объем и габаритные размеры, что ограничивает возможности их применения в лабораторной практике. В авторском свидетельстве [Ю.Л. Шапиро, В.А. Шевченко, А.Н. Пилюгин и др. Вакуумно-компрессионная электропечь, а.с. 827937, М. кл. F27B 9/04, 1981] описана высокотемпературная компактная электропечь, которая может быть использована в качестве прототипа заявляемой полезной модели. Указанная печь позволяет выполнять высокотемпературную обработку материалов в различных газовых средах, но давление газа внутри печи ограничено прочностью корпуса и не может значительно превышать атмосферное значение.
Между тем, для выполнения компрессионной обработки расплава (компримирования) и получения беспузырного кварцевого стекла необходимо иметь печь, которая допускает рабочую температуру до 2000°C при давлении инертного газа до 3 МПа с возможностью вариации давления в процессе компримирования. Испытательное давление в печи 5 МПа. Для достижения и поддержания указанных режимов температуры и давления в ограниченном рабочем объеме в предлагаемой полезной модели электропечи использована прочная толстостенная оболочка, дополненная системами термоизоляции и водоохлаждения.
Заявляемая вакуумно-компрессионная электрическая печь имеет корпус, состоящий из двух основных частей - цилиндрического основания 1 и крышки 2, которые с помощью фланцев, стяжных болтов и уплотнительной прокладки герметично соединяются между собой по способу «зуб-канавка» (см. фиг.). Каждая из частей корпуса имеет двойную металлическую оболочку: внешнюю тонкостенную 3 и внутреннюю толстостенную 4. Зазор между оболочками образует полость, через которую прокачивается охлаждающая вода. Внешняя оболочка имеет штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды. Внутренняя оболочка ограничивает рабочий объем печи и образует плавильную камеру, оснащенную высокотемпературным тепловым узлом с резистивным нагревателем и многослойным тепловым экраном. Плавильная камера допускает вакуумирование или заполнение инертным газом высокого давления. Вакуумная откачка камеры выполняется через трубопровод 5, который вварен в крышку корпуса и имеет запорный вентиль. При необходимости создания в камере давления инертного газа трубопровод перекрывается тарелкой 6 запорного вентиля.
Напуск и выпуск инертного газа через запорные краны производится через трубопровод 7, намотанный на внешнюю поверхность плавильной камеры. Он изготовлен металлической трубки высокого давления и охлаждается водой рубашки охлаждения. Охлаждаемый газовый трубопровод позволяет производить выпуск нагретого газа из плавильной камеры в атмосферу на любом этапе рабочего цикла плавки, обеспечивая целостность, как самого трубопровода, так и запорной арматуры газовой магистрали.
На цилиндрической поверхности корпуса диаметрально противоположно установлены два герметичных токоввода 8, через которые обеспечивается электропитание теплового узла. Тепловой узел камеры содержит четное количество стержневых вольфрамовых нагревателей 9, которые соединены с токовводами молибденовыми кольцами 10. Молибденовые кольца, между которыми располагается ряд стержневых нагревателей, образуют цилиндрическую конструкцию типа «беличье колесо», в котором верхнее кольцо разделено на два полукольца. Каждое полукольцо соединено при этом с одним из токовводов, в результате чего стержневые нагреватели разбиты на две равные группы проводников, соединенных между собой последовательно, а вольфрамовые стержни закреплены в подвешенном состоянии и сохраняют работоспособность в процессе их нагрева и линейного расширения.
Нагреватели теплового узла помещены в теплоизоляционный экран 11, имеющий вид цилиндрического стакана с крышкой. Теплоизоляционный экран по всем поверхностям выполнен из восьми слоев листового молибдена, зазор между слоями обеспечивает свободную сборку экрана и составляет 1,5-2 мм. Многослойная конструкция экрана эффективно поглощает излучение нагревателей и кварцевого слитка, который размещается во внутреннем объеме экрана в молибденовом тигле. Внутри теплового узла установлены две вольфрам-рениевые термопары для регистрации температуры теплового узла (на фиг. не показаны).
Вакуумно-компрессионная электропечь функционирует следующим образом:
1. Слиток кварцевого стекла, предназначенный для вакуумно-компрессионного переплава, помещается в молибденовый тигель и устанавливается в центре теплового узла печи. Закрывается крышка теплоизоляционного экрана, закрывается и стягивается болтами на фланцах крышка корпуса. Закрывается запорный вентиль баллона с аргоном, открывается кран напуска газа газового трубопровода и закрывается его выпускной запорный кран.
-2
2. Тарелка запорного вентиля на крышке корпуса переводится в положение «открыто». Включается форвакуумный насос, плавильная камера и газовый трубопровод откачиваются до давления порядка (1-5) 10 Па.
3. Включается система водяного охлаждения печи. Включаются нагреватели теплового узла, и производится обезгаживающий прогрев плавильной камеры и слитка при температуре 1300±10°C.
4. Закрывается запорный вентиль вакуумного трубопровода в крышке корпуса и выключается форвакуумная откачка. В плавильную камеру через газовый трубопровод подается аргон из газового баллона до давления 2 МПа.
5
5. В течение 5-10 минут температура теплового узла поднимается до значения 1800±10°C, слиток расплавляется. Давление газа в камере поднимается и корректируется до значения 3 МПа. Заданные значения температуры и давления выдерживаются до 1 часа. При отработке методики компримирования аргон через газовый трубопровод может выпускаться из плавильной камеры до давления 1,1∗10 Па.
6. Далее расплав охлаждается до температуры 1200±10°C, затвердевает и слиток стекла отжигается при указанной температуре для снятия термоупругих напряжений. Длительность отжига в зависимости от объема переплавляемого слитка составляет 20-60 минут.
7. По завершении операции отжига температура нагревателей плавно снижается до 800°C, после чего выключаются все системы управления и регистрации режимов плавки, слиток охлаждается до комнатной температуры, отключается подача воды в систему охлаждения.
8. Открывается кран выпуска газа, и аргон из плавильной камеры полностью выпускается.
9. Корпус печи открывается и вынимается тигель со слитком стекла.
Основные преимущества предлагаемой полезной модели выражаются в следующем:
- вакуумно-компрессионная электропечь обеспечивает рабочие режимы, необходимые для компрессии расплава кварцевого стекла и получения высокооднородного беспузырного кварцевого стекла;
- многослойная конструкция с компактным расположением основных элементов позволяет значительно уменьшить внутренний объем печи и получить произведение P∗V меньше 500 (V - объем рабочего газа в литрах и P - давление газа внутри печи в атмосферах), что соответствует безопасному уровню работ с сосудами высокого давления и допускает отсутствие регистрации в органах Госгортехнадзора России [Постановление Госгортехнадзора России от 11.06.2003, N 91];
- ограниченные размеры объема камеры (высота 500 мм, диаметр корпуса 190 мм, объем 14,2 литра) и энергопотребление (до 10 кВт) позволяют использовать печь в исследовательской работе, а также в мелкосерийном производстве малогабаритных кварцевых блоков;
- варьирование в широком диапазоне давления и температуры слитка стекла открывает возможности для проведения исследовательских работ в области обработки силикатных материалов.