ПЕЧЬ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ
THERMAL TREATMENT FURNACE

Изобретение относится к области термообработки изделий и материалов, в частности к конструкциям устройств для обжига керамики и синтеза материалов.
Известны многочисленные печи, в т.ч. и для обжига керамики, включающие термоизолированный объем, средства нагрева и средства стабилизации и/или изменения температуры по заданной программе. Для термообработки материала по заданной программе общеизвестны [например, патент US №1517271] многозонные печи, в которых термообрабатываемый объект перемещают из зоны в зону [патент US №4389562, 5855477] или регулируют температуру в различных частях (или ячейках) печи [патент US №4552530]. Их недостатком является громоздкость, связанная с протяженностью зон, или инерционность, а также невозможность управления составом среды, в которой находится объект.
Известны вакуумные печи и печи для термообработки объектов в заданной среде [например, патент US №4032290] с герметичным рабочим объемом. Они дороги, не допускают одновременной обработки разных изделий в разных условиях, у них велики потери времени на межоперационную очистку между обработками разных материалов.
Ближайшим аналогом является печь для термообработки (заявка WO 9326137, F27B 5/00, 1993), содержащая в одной печи несколько изолированных друг от друга горячих зон для раздельной обработки материалов и изделий. Недостатком ее является невозможность извлечения обрабатываемого объекта из горячей зоны с сохранением, например, инертной атмосферы вокруг объекта до достаточного его охлаждения. Другим недостатком ее является необходимость размещения печи в помещении, достаточно чистом для незащищенного объекта обработки, что существенно, например, при производстве микросхем. Недостатком ее является также необходимость специального переоснащения печи при существенном изменении технологических задач, предусматривающих тепловую обработку (отличающиеся по конструкции источники материалов, задание нужного давления газа, откачка выделений и т.п.). Серьезным ее недостатком является подверженность ее загрязнению веществами, выделяемыми обрабатываемым объектом, что часто делает ее непригодной для последующего использования с другими целями ни при каких очистках.
Задачей предлагаемого изобретения является создание возможности термической обработки материалов и изделий в заданной среде и при изменении среды (по компонентам и содержанию) и температуры по заданной программе, исключения влияния материалов внутренних стенок печи, атмосферы в ней, предыстории пользования печью и взаимного влияния одновременно обрабатываемых объектов, а также повышение удобства работы и снижение стоимости термической обработки.
Технический результат достигается тем, что печь для термообработки, включающая термоизолированный объем, средства нагрева и средства поддержания и/или ведения температуры, содержит одну или несколько съемных помещаемых в высокотемпературную зону герметичных кассет для обрабатываемого материала или изделия. Каждая кассета снабжена средствами для соединения ее объема с рабочим объемом одного или с рабочими объемами нескольких внешних устройств, находящихся за пределами высокотемпературной зоны печи. Каждая кассета может иметь разный набор внешних устройств.
Внешним устройством может быть источник паров материала. Например, для получения керамики оксида цинка высокой плотности ее обжиг проводят при температуре порядка 1200°С, избыточном давлении паров цинка [заявка РФ №2008131000], но цинк возгоняется при гораздо более низких температурах, а его температура кипения равна 906°С, поэтому для создания заданной (например, меньшей, чем при 906°С) концентрации паров цинка его источник должен иметь регулируемую температуру, в т.ч. и значительно меньшую, чем температура обжига керамики, и находиться поэтому вне зоны обжига. Такой источник паров материала (в приведенном выше пример - паров цинка), твердого или жидкого при нормальных условиях, может быть выполнен в виде герметичного соединяемого с кассетой объема для испаряемого материала с возможностью задания его температуры или изменения ее по заданной программе, как в области значений ниже, чем температура в кассете, так и выше нее. Трубопровод от этого источника до кассеты содержит средства для нагрева стенок - для исключения конденсации на них пара металла.
Если же необходимо отводить какое-либо вещество из зоны термообработки объекта (а не вводить), внешним устройством может служить герметичный соединяемый с кассетой объем с сорбентом этого вещества. Продолжая пример, приведенный выше, можно увеличить долю паров цинка, удаляя пары кислорода (над оксидом цинка присутствуют и те и другие) путем поглощения их сорбентом. После насыщения сорбент заменяют или восстанавливают, и внешнее устройство может быть снабжено любым известным средством для замены или восстановления.
Предлагаемое устройство позволяет производить вакуумную термообработку (или чередовать ее с обработкой в заданной среде), если хотя бы одним из внешних устройств является система откачки. При этом система откачки может содержать ловушку для паров металлов и/или других конденсирующихся при нормальных условиях веществ. Ловушка предохраняет клапаны, вакуум-проводы, насосы и окружающую среду от загрязнения веществами, выделяющимися при термообработке. Ловушка может содержать охлаждаемый адсорбент (охлаждение увеличивает эффективность адсорбции, а также компенсирует нагрев, происходящий при прохождении и адсорбции частиц из высокотемпературной зоны). Адсорбент может быть выполнен из материала более тугоплавкого, чем улавливаемый, в этом случае его можно после некоторой эксплуатации использовать в качестве источника адсорбированного материала, поместив в источник паров материала, или из того же материала (если он твердый при нормальных условиях), что и улавливаемый, в этом случае адсорбат вместе с адсорбентом можно впоследствии поместить в источник материала в качестве последнего. Продолжая тот же пример с обжигом оксида цинка, но уже в вакууме, можно в качестве ловушки для цинка использовать охлаждаемые элементы из нержавеющей стали, очищаемые от адсорбата нагревом до высокой температуры.
Внешним устройством может являться устройство для дозированной подачи газов в кассету. Устройства для дозированной подачи газов в кассету могут иметь разную конструкцию в зависимости от цели подачи газа: если газ подается для охлаждения или для регулирования теплообмена, то это регулятор больших потоков, если же газ подается для легирования, например, полупроводникового материала, то это может быть пьезонатекатель и т.п.Подобное внешнее устройство может обеспечивать и проведение термообработки в заданной атмосфере.
Другим типом внешних устройств являются измерительные и/или исследовательские приборы. Они могут быть приборами для контроля параметров материала, среды внутри кассеты, а также состояния самой кассеты (например, электронные и ионные пушки и соответствующие датчики, вакуумметры, масс-анализаторы и хроматографы для контроля среды в кассете и т.д.).
Для загрузки и выгрузки объекта кассета имеет герметично закрываемый проем. Уплотнение известными способами может производиться с использованием металлических или эластичных прокладок (многоразовые), а также клеев, замазок и припоев (одноразовые). В случае использования низкотемпературного уплотнителя контур разъемного уплотнения выносят конструктивно за пределы высокотемпературной зоны печи и охлаждают.
Корпус кассеты может быть выполнен, например, из листового жаростойкого металла (сплава) с ребрами жесткости или из трубы из такого же материала.
Для управления температурой внутри кассеты она выполнена с каналами для прокачки хладагента в ее стенках и/или в других элементах ее конструкции (опорах, узлах герметизации, оснастке для крепления объекта и т.п.) в виде собственно каналов или, например, наваренного змеевика. Хладагентом может быть газ или жидкость. Например, когда кассета находится в высокотемпературной области печи, она может охлаждаться газом, а после извлечения из высокотемпературной зоны - газом или жидкостью. Каналы могут быть использованы и для подачи горячих газов или жидкостей в разных стадиях процесса, если этого требует выбранный режим обработки объекта (например, для предварительного нагрева, медленного отпуска и т.д.).
Предлагаемая печь может иметь высокотемпературную зону, рассчитанную на одну, несколько или много кассет, и снабжена средствами для независимой загрузки-выгрузки кассет и для работы с неполной загрузкой кассетами.
Печь может иметь или не иметь термостойкие перегородки, разделяющие ее высокотемпературную зону на ячейки для кассет, а также отдельные системы нагрева для этих ячеек. Ячейка может быть рассчитана на одну или более кассет. Термостойкие перегородки упрощают создание в кассетах индивидуальных режимов термообработки и уменьшают влияние на температурный режим процедур загрузки-выгрузки отдельных кассет.
На чертеже приведен схематический (без многих необходимых для работоспособности, но хорошо известных деталей и узлов: несущих конструкций, приводов и узлов загрузки-выгрузки, уплотнителей и т.п.) чертеж (разрез) одного из возможных вариантов исполнения предлагаемого изобретения: с тремя кассетами в одной печи, каждая из которых соединена и с одним внешним устройством. Цифрами обозначены: 1 - кожух печи, 2 - теплоизоляция, 3 - нагреватели, 4 - горячая зона, 5 - кассеты, 6 - крышки кассет, 7 - гибкие трубопроводы, 8 - внешние устройства.
Примером конкретного исполнения может служить печь для обжига плоских керамических мишеней на основе оксида цинка размерами 1000×500×30 мм, включающая термоизолированный (кожух, шамотная кладка) объем размерами 3000×1200×700 мм (длина по фронту × глубина × высота) и систему нагрева, обеспечивающую регулируемый нагрев до 1300°С. Объем разделен по длине термостойкими перегородками на десять ячеек, каждая из которых рассчитана на одну кассету, устанавливаемую вертикально. Для закрытия проема ячейки в отсутствие кассеты каждый проем снабжен термостойкой дверцей. Кассеты из жаростойкой стали ХН45Ю-ВИ с толщиной стенок 3 мм и с расположенными через каждые 10 см ребрами жесткости высотой 20 мм и шириной 5 мм имеют внутренние размеры 1500×600×100 мм и при установке в ячейку выступают из печи примерно на 30 см так, чтобы контур герметизации кассеты, остающийся снаружи нагреваемого объема, мог охлаждаться, а крышки кассет имеют вид вложенных в кассету с малыми зазорами между ее стенками ванночек, теплоизолирующее дно которых находится на границе высокотемпературной части печи. Для обеспечения загрузки и выгрузки печь имеет внешние направляющие для кассет, а кассеты имеют соответствующие этим направляющим кронштейны, выступающие из высокотемпературной зоны. Крышки снабжены штуцерами:
- для присоединения источника паров цинка, представляющего из себя стакан из нержавеющей стали со съемной герметичной крышкой, с программируемым нагревателем и термоизолирующим кожухом;
- для откачки через сильфон, соединенный с вакуум-проводом, и присоединения измерительных приборов (вакуумметр, времяпролетный масс-спектрометр):
- для подачи воды для охлаждения узла герметизации.
Предлагаемая печь позволяет за счет использования кассет:
- подвергать термообработке в одной печи материалы или изделия, поступившие в разное время и требующие разных или сдвинутых по времени программ обработки;
- компенсировать различия условий в разных частях высокотемпературной зоны печи;
- задавать нужную атмосферу вокруг обрабатываемого объекта, в т.ч. из паров металлов, и менять ее по заданной программе;
- манипулировать объектами обработки на всех операциях (как предшествующих обжигу, так и последующих: сушка, предварительный обжиг, предварительный нагрев и охлаждение по программе в заданной атмосфере и т.п.) без опасности их повреждения и без необходимости охлаждать печь (для плавного, например, охлаждения объекта);
- переносить объекты обработки с предварительного нагрева на высокотемпературную обработку и на последующее постепенное охлаждение без тепловых ударов;
- исключить влияние окружающей среды на обрабатываемый объект;
- исключить влияние выделений объекта при его обработке на окружающую среду;
- исключить загрязнение печи материалами, выделяющимися при обработке объекта;
- обрабатывать в одной печи одновременно или последовательно объекты, чувствительные к выделениям других объектов обработки;
- уменьшить размеры печи;
- уменьшить энергозатраты на термообработку;
- сократить потери времени, т.к. пока одна кассета подвергается нагреву, может происходить загрузка и подключение к внешним устройствам следующих кассет, которые должны сменить ее высокотемпературной части.
Предлагаемое изобретение позволяет также уменьшить количество приобретаемых дорогостоящих печей и уменьшить необходимую для работы площадь.