УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЛЕНТ И ФОЛЬГИ Российский патент 1999 года по МПК C23C14/02 C23F4/04 

Предлагаемая установка относится к металлургии, в частности к устройствам для обработки лент и фольги различных типов.

Известны устройства для обработки фольги (авт. свид. СССР N 351.930, C 23 C 14/16, 1972; N 817.099. C 25 D 1/08, 1979; N 1.036.811, N 1.723.202, C 25 D 1/04, 1989; N 1.810.396, C 25 D 1/04, 1991; патент ФРГ N 4.007.727, B 21 B 45/04, 1990; патент Великобритании N 1.537.243, C 25 D 1/04, 1978; патент Франции N 2.664.510, B 21 B 37/08, 1992; патент США N 5.036.689, B 21 B 45/04, 1991; патент Японии N 58-122.112, B 21 B 43/06, 1983; Ярошинский И.С. и др. Метод отделения анодной пленки от поверхности алюминиевого сплава. Физико-химическая механика материалов. - М.; 1972, т. 8, N 2, c 112-114; Черняк С. Н. , Карасевич В.И., Коваленко П.А. Производство фольги. Под ред. Маленок Ф.Т. - М., 1968 и др.).

Из известных устройств для обработки фольги наиболее близким к предлагаемому является "Схема дрессировки и зачистки лент и фольги" (Черняк С.Н., Карасевич В. И., Коваленко П.А. Производство фольги. Под ред. Маленок Ф.Т., М., 1968, с. 330, рис. 133), которая и выбрана в качестве прототипа.

Указанная схема обеспечивает зачистку одной или обеих поверхностей фольги с помощью металлических щеток. При зачистке снимается окисная пленка алюминия, оставшиеся следы невыгоревшей смазки и мелкие поверхностные дефекты, возникшие в процессе обработки фольги.

Однако известная схема характеризуется низкими производительностью, экономичностью и качеством очистки поверхности фольги от технологической смазки. Кроме того, она не обеспечивает стерилизации от возможно находящихся на поверхности фольги микроорганизмов и не позволяет наносить на нее декоративные и технологические покрытия.

Цель изобретения - повышение производительности, экономичности и качества обработки поверхности лент и фольги, а также расширение функциональных возможностей за счет стерилизации от возможно находящихся на поверхности лент или фольги микроорганизмов и нанесения на нее ионноплазменных покрытий.

Поставленная цель достигается тем, что установка для обработки лент и фольги, содержащая расположенные по ходу технологического процесса разматыватель, неподвижные и подвижные натяжные ролики и наматыватель, снабжена вакуумной камерой, состоящей из корпуса и крышки, источниками ионов, электронов или плазмы, источниками напряжения, механизмом протяжки, системой вакуумирования, системой подачи газа и пультом управления, причем расположенные по ходу технологического процесса разматыватель, неподвижные и подвижные натяжные ролики и наматыватель размещены в вакуумной камере с возможностью перемотки ленты и фольги в потоках зараженных частиц или плазмы источников заряженных частиц или плазменных источников, источники ионов, электронов или плазмы, корпус и крышка вакуумной камеры подключены к источникам электрического напряжения.

Схема обработки лент и фольги в предлагаемой установке изображена на фиг. 1 (вид сбоку). Структурная схема установки представлена на фиг. 2.

Установка для обработки лент и фольги содержит расположенные по ходу технологического процесса разматыватель 1, обрабатываемую ленту или фольгу 2, неподвижные натяжные ролики 3, подвижные натяжные ролики 4, прижимной ролик 9 и наматыватель 5, размещенные в вакуумной камере, состоящей из корпуса 6 и крышки 10, технологические люки 7, источники ионов, электронов или плазмы 8, 11 и 12, источники напряжения 13, систему вакуумирования 14, систему подачи газа 15, механизм протяжки 16 и пульт управления 17.

В процессе перемотки ленты или фольги производится ее плазменная обработка. Сущность обработки ленты или фольги состоит в ее очистке от технологической смазки, стерилизации от возможно находящихся на поверхности микроорганизмов и нанесения ионно-плазменных декоративных и технологических покрытий. Эти покрытия состоят из чистых металлов или их соединений (карбидов, нитридов, оксидов или их смесей).

Установка для обработки лент и фольги работает следующим образом. Разматыватель 1 с обрабатываемой фольгой 2 помещается в вакуумную камеру, фольга заправляется между неподвижными 3 и подвижными 4 натяжными роликами, прижимается роликом 9 к наматывателю 5 и закрепляется на нем. Откачка воздуха из вакуумной камеры осуществляется системой вакуумирования 14. Для очистки ленты или фольги от технологической смазки используются источники напряжений 13, с помощью которых заряженные частицы плазмы ( ⊖ электроны и ⊕ ионы) ускоряются под действием приложенного электрического поля от источников напряжений 13 и соударяются с поверхностью ленты или фольги, перемотка которой осуществляется одновременно с работой источников заряженных частиц или плазменных источников 11 и 12 в глубоком вакууме (10^-3...10^-5 мм рт.ст.). Под действием ускоряющего напряжения 1000.1500 вольт происходит очистка фольги. В зависимости от полярности потенциала на ленте или фольге очистка происходит с помощью бомбардирующих ионов или ускоренных электронов.

Если на ленту или фольгу 2 подан положительный потенциал от источника напряжения 13, то на ленту или фольгу ускоряется электронная компонента плазмы, которая передает поверхности ленты или фольги приобретенную в ускоряющем поле энергию. При этом плотность передаваемой потоком электронов кинетической и потенциальной энергии равна:
q_e= en_ev_e+j_eϕ_e, (1)
где q_e - тепловой поток, переносимый электронами на поверхность фольги;
n_e - концентрация термоэлектронов в потоке;
e - заряд электронов;
v_e - скорость электронов;
j_e - плотность тока электронов;
ϕ_e - работа выхода электронов поверхности фольги (4,25 эВ).

Из (1) видно, что плотность энергии, передаваемой электронами в ленту или фольгу, зависит от концентрации электронов и величины ускоряющего поля (оно определяет скорость V_e электронов). В случае использования в качестве источников электронов термокатодов, концентрация термоэлектронов определяется плотностью тока термоэмиссии из прямонакального катода и определяется уравнением Ричардсона-Дешмана:

где A - константа;
T_k - температура катода (вольфрам);
ϕ_e - работа выхода электронов вольфрамового катода (4,52 эВ);
Из (2) видно, что плотность электронного тока зависит от работы выхода электронов поверхности и температуры катода, а следовательно, не могут быть регулируемыми в широких пределах. Поэтому основным механизмом управления температурой ленты или фольги является управление величиной тянущего поля. Иными словами, регулируя напряжение на выходе источника напряжения 13 можно плавно и в широких пределах задавать температуру поверхности фольги. Такая регулировка температуры поверхности ленты или фольги малоинерционна и очень просто поддается управлению от микропроцессора.

Если на ленту или фольгу подан отрицательный потенциал, то энергию поверхности ленты или фольги передают ионы плазмы. Ускоренные ионы бомбардируют поверхность ленты или фольги, передавая при этом энергию ускорившего их электрического поля с плотностью, равной выражению
q_i= en_iv_i+j_i(v_i-ϕ_e), (3)
где q_i - плотность тепловой энергии, передаваемой ионами поверхности ленты или фольги при неупругом ударе;
e - заряд электрона;
n_i - концентрация ионов в ускоренном потоке;
v_i - скорость неупругого соударения ионов с поверхностью ленты или фольги;
j_i - плотность ионного тока в ленту или фольгу;
ϕ_e - работа выхода электронов с поверхности ленты или фольги.

Ускорение ионного потока происходит с помощью источника напряжения 13. Именно мощностью источника питания 13 и плотностью плазмы определяется суммарное количество энергии, которое передается поверхности ленты или фольги и идет на ее нагрев. Кроме механизма испарения и возгонки в данном случае очистка поверхности ленты или фольги происходит и за счет соударения "тяжелых" ионов с адсорбированными на поверхности ленты или фольги частицами смазки и микроорганизмами.

Этот механизм очистки ионной бомбардировки поверхности ленты или фольги настолько эффективен, что он позволяет испарить поверхностный слой на глубину нескольких микрон или, напротив, покрыть его дополнительным слоем металла или соединениями металлов.

Возможен и другой вариант ионной очистки поверхности ленты или фольги, а именно очистки от смазки и микроорганизмов за счет использования химически активных и высокоэнергетичных ионов, например ионов кислорода. При этом очистка поверхности ленты или фольги происходит не только за счет "теплового" эффекта и непосредственного соударения ионов с частицами смазки, но и за счет более эффективного, а именно химического эффекта. При соударении химически активных ионов с поверхностью ленты или фольги они вступают в химическую реакцию с атомами смазки (углеродом, водородом, кислородом) с образованием высоколетучих химических соединений типа CO₂, H₂O и других, которые из-за их ничтожного содержания не влияют на экологическую напряженность.

Кроме электронной и ионной очистки в предлагаемой установке реализован и другой механизм очистки - резистивный. В этом случае нагрев ленты или фольги происходит за счет пропускания тока большой силы непосредственно через обрабатываемую ленту или фольгу. В результате резистивного нагрева в ленте или фольге выделяется энергия, мощность которой равна
N = I²R,
где I - ток, пропускаемый по ленте или фольге (50...1500 А);
R - сопротивление участка ленты или фольги и рулона.

Резистивный механизм нагрева ленты или фольги хорошо применим для прогрева ленты или фольги непосредственно в рулоне.

В предлагаемой установке в процессе нанесения покрытий на поверхности ленты или фольги реализуется плазмохимическая реакция соединения металлических ионов, ускоряемых плазменными источниками 11 и 12 с торцов ленты или фольги, которая в процессе работы плазменных источников перематывается. В этом случае на ленту или фольгу 2 подается отрицательной потенциал 100...200 В, а на корпус 6 вакуумной камеры подается положительный потенциал. Для получения того или иного химического соединения на поверхности ленты или фольги (от этого зависит цвет фольги) в вакуумную камеру с помощью системы 15 напускается газ.

В зависимости от состава газа на ленте или фольге посредством плазмохимической реакции синтезируется то или иное покрытие. В качестве газа используется аммиак, кислород, азот или смеси других газов. Так, при напуске азота на поверхности фольги синтезируется нитрид титана, который имеет цвет, близко напоминающий цвет сусального золота. При напуске кислорода на поверхности ленты или фольги синтезируется пленка оксида титана. В зависимости от ее толщины цвет может быть от голубого до фиолетового. Следовательно, цвет фольги или ленты задается составом газа и временем нанесения покрытия, а также составом ионов плазмы.

Таким образом, предлагаемая установка для обработки лент и фольги по сравнению с прототипом и другими аналогичными устройствами обеспечивает повышение производительности, экономичности и качества обработки лент и фольги. Процесс очистки от технологической смазки, стерилизация от возможно находящихся на поверхности ленты или фольги микроорганизмов и нанесение на нее ионно-плазменных декоративных или технологических покрытий проводится экологически чисто, с малыми энергозатратами, с высокой производительностью и КПД, с широким диапазоном реализуемых параметров по степени отжига, с высокой точностью выдержки этих параметров. За счет стерилизации и нанесения ионно-плазменных покрытий функциональные возможности установки значительно расширены.

Предлагаемая установка для обработки лент и фольги относится к категории наукоемких технологий, в которых воплощены последние достижения в области вакуумной и плазменной техники.

Изобретение может быть использовано для очистки поверхности от технологической смазки, стерилизации от находящихся на поверхности микроорганизмов и нанесения ионно-плазменных декоративных или технологических покрытий. Установка, содержащая расположенные по ходу технологического процесса разматыватель, неподвижные и подвижные натяжные ролики и наматыватель, дополнительно снабжена вакуумной камерой, состоящей из корпуса и крышки, источниками ионов, электронов или плазмы, источниками напряжения, механизмом протяжки, системой вакуумирования, системой подачи газа и пультом управления, причем расположенные по ходу технологического процесса разматыватель, неподвижные и подвижные натяжные ролики и наматыватель размещены в вакуумной камере с возможностью перемотки ленты и фольги в потоках заряженных частиц или плазмы источников заряженных частиц или плазменных источников, источники ионов, электронов или плазмы, корпус и крышка вакуумной камеры подключены к источникам электрического напряжения. Изобретение направлено на повышение производительности, экономичности и качества обработки поверхности. 2 ил.

Установка для обработки лент и фольги, содержащая расположенные по ходу технологического процесса разматыватель, неподвижные и подвижные натяжные ролики и наматыватель, отличающаяся тем, что она снабжена вакуумной камерой, состоящей из корпуса и крышки, источниками ионов, электронов или плазмы, источниками напряжения, механизмом протяжки, системой вакуумирования, системой подачи газа и пультом управления, причем расположенные по ходу технологического процесса разматыватель, неподвижные и подвижные натяжные ролики и наматыватель размещены в вакуумной камере с возможностью перемотки ленты и фольги в потоках заряженных частиц или плазмы источников заряженных частиц или плазменных источников, источники ионов, электронов или плазмы, корпус и крышка вакуумной камеры подключены к источникам электрического напряжения.