ВАКУУМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ЗАГРУЗКИ И ВЫГРУЗКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК B21B45/04 

Изобретение относится к области вакуумной техники, а именно к шлюзовым устройствам непрерывной загрузки и выгрузки длинномерных изделий, и может быть использовано как для нанесения покрытий в вакууме, так и, например, для удаления поверхностных загрязнений на изделиях при вакуумно-дуговой очистке.

В настоящее время в металлургическом, метизном производствах, предприятиях машиностроения, в металлообработке используют "грязные" процессы очистки металлопроката от окалины, ржавчины, различного вида окислов, масляных пленок и других загрязнений. Наиболее распространенный метод химической очистки (травлением в горячих кислотах при 80…90°С с последующей нейтрализацией и промывкой) имеет следующие основные недостатки - токсичность, возможность загрязнения окружающей среды, сложность утилизации и регенерации больших количеств отходов травильных растворов, тяжелые условия труда, применение дорогостоящих кислотостойких материалов, большие мощности, используемые на нагрев кислот.

Одним из перспективных методов очистки поверхности, альтернативным существующим, является метод вакуумной электродуговой очистки, активно разрабатываемый в последние годы.

Технологический процесс по очистке изделий осуществляется в вакуумных установках закрытого или открытого типа. В установках закрытого типа изделие для очистки целиком помещается в вакуумную камеру, где осуществляется его очистка, после чего извлекается из нее. В установках открытого типа очищаемое изделие непрерывно через шлюзовые системы из атмосферы вводится в вакуумную камеру и после очистки через шлюз выводится.

Технологическая установка закрытого типа - установка вакуумной электродуговой очистки стального листового металлопроката представлена в [Ширшов И. Г. Электродуговая вакуумно-гравитационная очистка стального листового металлопроката // Металлообработка. 2001. - №3. - С.16-18].

В настоящее время для нужд промышленности разрабатываются установки для очистки, вписывающиеся в непрерывный технологический процесс промышленного производства и поэтому являющиеся установками открытого типа со шлюзовой системой ввода и вывода изделия очистки [Кузнецов В.Г., Левшаков В.М., Стешенкова Н.А., Суздалев И.В. Вакуумная электродуговая очистка катанки от окалины. Тез. докл. Всероссийского семинара Вакуумная техника и технология - 2002, С.-Петербург, 2002. - С.42-43].

Форма межкамерных каналов шлюзовой системы соответствует форме транспортирующего устройства - проволока или лента. Откачные устройства шлюзовых камер, расположенных последовательно друг за другом, откачивают часть воздуха, создавая предварительное разрежение на входе в вакуумную камеру, в которой достигается рабочий вакуум.

Количество шлюзовых камер, зазоры в межкамерных каналах и откачные средства определяются задаваемым давлением в рабочем объеме вакуумной камеры.

В низком вакууме, когда длина свободного пробега молекулы значительно меньше размеров вакуумной камеры, основную роль играет вязкостный режим течения газа.

В среднем вакууме, это когда частоты соударений молекул друг с другом и со стенками вакуумной камеры одинаковы, наблюдается молекулярно-вязкостное течение газа.

При высоком вакууме силы внутреннего трения стремятся к нулю и существует режим течения газа, для которого характерно независимое перемещение молекул - молекулярное течение газа.

Известны способы ввода объектов в вакуумную камеру и устройства для их осуществления [Максимов Л.Ю., Кривонос Г.А. Экологически безопасная очистка металла в потоке. Тяжелое машиностроение. 1997. - №5. - С.35-36], [Булат В.Е., Эстерлис М.X. Очистка металлических изделий от окалины, окисной пленки и загрязнений электродуговым разрядом в вакууме. Физика и химия обработки материалов. 1987. - №3. - С.49-53].

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности признаков является устройство для транспортирования длинномерных объектов через вакуумную камеру [Патент на изобретение РФ №2279938, МПК В21В 45/04. №2004127194/02, заявл. 2004.09.06. Никитина Е.Е. Способ транспортировки длинномерных объектов через вакуумную камеру и устройство для его осуществления. Опубл. 2006.07.20].

В данной установке для обработки длинномерных объектов используются вводные и выводные герметизирующие узлы.

Основной упор при создании технологического оборудования, использующего герметизирующие узлы для ввода в вакуумную камеру и вывода из нее длинномерных объектов, направлен на минимизацию щелевого зазора между изделием и внутренними стенками шлюза, что заставляет искать и использовать в качестве уплотнителей высококачественные и дорогостоящие износостойкие материалы.

Однако создание вакуумной системы является сложной самостоятельной технической задачей, решение которой направлено на разработку эффективной системы откачки, обеспечивающей достижение задаваемой степени разрежения в рабочем объеме вакуумной камеры. Расположение откачных патрубков на шлюзовой системе и является неотъемлемой частью этой задачи, позволяющей влиять на длительность технологического процесса и его эффективность.

Задачей заявляемого изобретения является разработка вакуумного устройства для непрерывной загрузки и выгрузки длинномерных изделий, с фиксированным месторасположением шлюзовых камер в шлюзовых системах, обеспечивающем повышение экономической эффективности процесса откачки и скорости достижения задаваемой степени разрежения в рабочем объеме вакуумной камеры.

Поставленная задача решается за счет того, что в вакуумном устройстве для непрерывной загрузки и выгрузки длинномерных изделий, содержащем вакуумную камеру и пристыкованные к ней открытые входную и выходную шлюзовую системы щелевого типа, состоящие из щелевых каналов, разделенных шлюзовыми камерами с откачными патрубками, место расположения шлюзовой камеры в однокамерной шлюзовой системе длиной L, расстояние от входа в шлюз со стороны атмосферы до шлюзовой камеры равно l₁=(2/3)L, а расстояние от шлюзовой камеры до вакуумной камеры равно l₂=(1/3)L.

Для варианта двухкамерной шлюзовой системы длиной L расстояние от входа в шлюз со стороны атмосферы до первой шлюзовой камеры равно l₁=(4/7)L, расстояние между первой и второй шлюзовой камерами равно l₂=(2/7)L, а расстояние от второй шлюзовой камеры до вакуумной камеры равно l₃=(1/7)L.

От места расположения шлюзовых камер в шлюзовой системе зависит эффективность процесса откачки. При правильном их местоположении можно добиться максимальной скорости откачки или обеспечить заданную скорость откачки, используя при этом менее производительные вакуумные насосы, что способствует повышению экономической эффективности процесса.

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1. Конструкция вакуумного устройства для непрерывной загрузки и выгрузки длинномерных изделий с однокамерной шлюзовой системой.

Фиг.2. Конструкция вакуумного устройства для непрерывной загрузки и выгрузки длинномерных изделий с двухкамерной шлюзовой системой.

Вакуумное устройство, представленное на фиг.1, состоит из входной 1 и выходной 2 однокамерных шлюзовых систем щелевого типа, вакуумно-плотно пристыкованных к вакуумной камере 3.

Вне вакуумной системы на воздухе расположены размоточный 4 и намоточный 5 барабаны, между которыми натянуто обрабатываемое длинномерное изделие 6.

Длина однокамерного шлюза L складывается:

- из участка транспортировки 7, от входа в шлюз 1 до шлюзовой камеры 8, длиной l₁,

- из участка транспортировки 10, от шлюзовой камеры 8 до вакуумной камеры 2, длинной l₂.

Таким образом, длина шлюзовой системы транспортировки L складывается из участков транспортировки 7 и 10, откуда L=l₁+l₂. Длина участков l₁ и l₂ выбирается из соблюдения соотношения расстояний: от входа в шлюз со стороны атмосферы до шлюзовой камеры 8 - l₁=(2/3)L; от шлюзовой камеры 8 до вакуумной камеры 2 - l₂=(1/3)L.

Откачной патрубок 9 на однокамерной шлюзовой системе 7 расположен на оси шлюзовой камеры 8. Вакуумная камера 3 откачивается через откачной патрубок 11.

На выходе из вакуумной камеры 3 расположена выходная, аналогичная входной, однокамерная шлюзовая система 2 с аналогичными элементами: участками транспортировки 10 и 7, шлюзовой камеры 8 и откачного патрубка 9.

Вакуумное устройство, представленное на фиг.2, состоит из входной 1 и выходной 2 двухкамерных шлюзовых систем щелевого типа, вакуумно-плотно пристыкованных к вакуумной камере 3.

Вне вакуумной системы на воздухе расположены размоточный 4 и намоточный 5 барабаны, между которыми: натянуто обрабатываемое длинномерное изделие 6.

Длина шлюза L складывается:

- из участка транспортировки 7, от входа в шлюз 1 до шлюзовой камеры 8, длиной l₁;

- из участка транспортировки 12, от шлюзовой камеры 8 до шлюзовой камеры 13, длиной l₂;

- из участка транспортировки 10, от шлюзовой камеры 13 до вакуумной камеры 3, длиной l₃.

Длина шлюзовой системы 1 складывается из участков транспортировки 7, 12 и 10, откуда L=l₁+l₂+l₃. Длина участков l₁, l₂ и l₃ выбирается из соблюдения соотношения расстояний: со стороны атмосферы до шлюзовой камеры 8 - , между шлюзовыми камерами 8 и 13 - , от шлюзовой камеры 13 до вакуумной камеры 3 - .

Откачные патрубки 9 и 14 на двухкамерной шлюзовой системе 1 расположены на оси шлюзовых камер 8 и 13. Вакуумная камера 3 откачивается через откачной патрубок 11. На выходе из вакуумной камеры 3 расположена выходная, аналогичная входной, двухкамерная шлюзовая система 2 с аналогичными элементами: участками транспортировки 10, 12 и 7, шлюзовыми камерами 8 и 13 и откачными патрубками 9 и 14.

При оптимальном конструировании шлюзовой системы принимается критерий минимума суммарной быстроты откачки всех откачных средств, применяемых в системе, и пропорциональный, в первом приближении, стоимости изготовления шлюзовой системы.

Для любой промежуточной камеры i-го шлюза уравнение материального баланса имеет вид

где Q_i - суммарный поток натекания и газоотделения в i-ю камеру; Q_i+1 - поток газа, уходящий в следующую i+1 камеру; Q_in - поток газа, откачиваемый насосом из i-й камеры.

Уравнение (1) можно представить в следующем виде

где S_i - эффективная быстрота откачки насоса в камере; р_i - давление в i-й камере; р_i+1 - давление в (i+1)-й камере; U_i+1 - проводимость трубопровода, соединяющего i и i+1 камеры.

Записанные уравнения справедливы для всех шлюзовых камер, кроме рабочей вакуумной камеры, для которой уравнение (2) принимает вид

где Q_к - натекание из шлюзов; Q_т - технологическое газоотделение; S_к - эффективная быстрота откачки насоса в рабочей камере.

Уравнение (2) для n шлюзов можно представить в виде

где S_к - быстрота откачки насоса в камере без учета собственного газоотделения и наличия выходного шлюза.

Для упрощения целесообразно считать, что р_i>>р_i+1, U_i>>U_i+1, тогда

Отсюда суммарная скорость откачки всех откачных средств в шлюзовой системе:

Дифференцируя (7) no p_i, получим условия минимума функции С=f(p_i)

откуда вытекает система уравнений для определения оптимальных давлений в шлюзовых камерах

Задаваясь постоянной длиной шлюзовой системы (в рассматриваемых случаях: однокамерная шлюзовая: система L=l₁+l₂ и двухкамерная шлюзовая система L=l₁+l₂+l₃) дополнительно к уравнению (7), дифференцируя при этих условиях его по l_i, определяются условия минимума функции С=f(l) в зависимости от относительной длины шлюзовых каналов. Исходя из этого, определяются оптимальные давления в шлюзовых камерах и относительные длины шлюзовых каналов:

- однокамерная шлюзовая система

,

,

где р₁ - давление в шлюзовой камере; р₀ - атмосферное давление на входе в шлюзовую систему; р_{вак.кам} - давление в вакуумной камере;

- двухкамерная шлюзовая система

, ,

, , ,

где р₁ - давление в первой шлюзовой камере; р₀ - атмосферное давление на входе в шлюзовую систему; р₂ - давление во второй шлюзовой камере, р_{вак.кам} - давление в вакуумной камере.

Количество ступеней шлюзования выбирается в зависимости от давления в рабочей камере:

- при р>10^-2 Па - однокамерная шлюзовая система;

- при 10^-5<р<10^-2 Па - двухкамерная шлюзовая система.

Данный способ размещения откачных патрубков на входных и выходных шлюзах был реализован на разработанной технологической установке открытого типа для удаления поверхностных загрязнений с металлической ленты шириной 120 мм. Лента 6 с размоточного барабана 1, находящегося на воздухе, через входной двухкамерный шлюз 1 непрерывно поступает в вакуумную камеру 3. В вакуумной камере смонтирован двухэлектродный разрядный промежуток. Между изделием, являющимся катодом, и анодами с помощью поджигающего электрода зажигается вакуумно-дуговой разряд, локализующийся на поверхности катода напротив каждого из анодов. Очищенное изделие из вакуумной камеры через выходной двухкамерный шлюз 2 выводится в атмосферу и наматывается на барабан 5. Для поддержания в вакуумной камере 3 рабочего давления с помощью вакуумных насосов осуществляется постоянная откачка через откачные патрубки 9, 13 и 11.

Конструкция вакуумного технологического устройства такова, что подача длинномерного устройства в вакуумную камеру 3 может осуществляться или со стороны шлюза 1, или со стороны шлюза 2.

В этом случае для расчета проводимости шлюзовых каналов используются выражение для проводимости двух параллельно включенных узких прямоугольных щелей при вязкостном режиме течения газа

,

где а, b - геометрические размеры ленты, соответственно ее высота и ширина; р_ср - среднее давление в шлюзовом канале; l_i - длина i-го шлюзового канала.

Так, например, среднее давление в первом шлюзовом канале p_cp1=0.5(р₀+p₁). Расчет проводимости в молекулярно-вязкостном режиме можно приближенно проводить, суммируя проводимость в вязкостном и молекулярном режимах течения.

Расчетной формулой для проводимости узкой прямоугольной щели в молекулярном режиме служит выражение

.

Поток газа, проходящий через шлюзовой канал

Q_i=U_i(p_i-1-p),

а эффективная быстрота откачки в шлюзовом канале

S_i=Q_i/p_i,

что позволяет выбрать вакуумный насос, необходимый для откачки данного шлюзового канала.

Производительность очистки, как и качество, зависит от правильного выбора режимов обработки.

Таким образом, правильное расположение откачных патрубков на шлюзовой системе позволяет достичь как максимальной скорости откачки, так и обеспечить заданную производительность процесса, используя при этом менее производительные и энергозатратные вакуумные насосы, что способствует повышению экономической эффективности.

Изобретение предназначено для повышения экономической эффективности процесса откачки и скорости достижения задаваемой степени разрежения в рабочем объеме вакуумной камеры и может быть использовано для нанесения покрытий в вакууме, для удаления поверхностных загрязнений на изделиях при вакуумно-дуговой очистке. Вакуумное устройство содержит вакуумную камеру и пристыкованные к ней открытые входную и выходную шлюзовые системы щелевого типа, состоящие из щелевых каналов, разделенных шлюзовыми камерами с откачными патрубками. Максимальная скорость откачки при оптимальных давлениях в шлюзовых камерах обеспечивается за счет того, что для варианта выполнения устройства с однокамерной шлюзовой системой длиной L расстояние от входа в шлюз со стороны атмосферы до шлюзовой камеры равно l₁=(2/3)L, а расстояние от шлюзовой камеры до вакуумной камеры равно l₂=(1/3)L. Для варианта с двухкамерной шлюзовой системой длиной L расстояние от входа в шлюз со стороны атмосферы до первой шлюзовой камеры равно l₁=(4/7)L, расстояние между первой и второй шлюзовой камерами равно l₂=(2/7)L, а расстояние от второй шлюзовой камеры до вакуумной камеры равно l₃=(1/7)L. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вакуумное устройство для непрерывной загрузки и выгрузки длинномерных изделий, содержащее вакуумную камеру и пристыкованные к ней открытые входную и выходную шлюзовые системы щелевого типа, состоящие из щелевых каналов, разделенных шлюзовыми камерами с откачными патрубками, отличающееся тем, что шлюзовые системы выполнены однокамерными, при этом расстояние от входа в шлюзовую систему со стороны атмосферы до шлюзовой камеры равно , a расстояние от шлюзовой камеры до вакуумной камеры равно , где L - длина шлюзовой системы.

2. Вакуумное устройство для непрерывной загрузки и выгрузки длинномерных изделий, содержащее вакуумную камеру и пристыкованные к ней открытые входную и выходную шлюзовые системы щелевого типа, состоящие из щелевых каналов, разделенных шлюзовыми камерами с откачными патрубками, отличающееся тем, что шлюзовые системы выполнены двухкамерными, при этом расстояние от входа в шлюзовую систему со стороны атмосферы до первой шлюзовой камеры равно , расстояние между первой и второй шлюзовыми камерами равно , a расстояние от второй шлюзовой камеры до вакуумной камеры равно , где L - длина шлюзовой системы.