Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПРОЦЕССОМ ПЛАВКИ В ВАКУУМНЫХ ПЕЧАХ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкциям защиты смотровых окон от конденсатов металлических паров вакуумных печей, в ости электронно-лучевой печи при выплавке высокореакционных металлов и сплавов.

Неотъемлемой частью вакуумных печей являются смотровые окна. Смотровые окна, как правило, прозрачны в видимом диапазоне спектра, чтобы обеспечить наблюдение за несколькими операциями и/или процессами в вакуумной камере. Смотровые стекла должны сохранять свою светопроницаемость на протяжении всего технологического цикла. В связи с высокой температурой и низким давлением в вакуумных печах испарение металла происходит весьма интенсивно, конденсат металлических паров осаждается на внутренней поверхности корпуса печи, в т.ч. и на смотровом стекле. Прозрачность смотровых окон, через которые производится наблюдение и контроль плавки, снижается до недопустимого уровня, что может привести к потере контроля над технологическим процессом или возникновению аварийной ситуации.

Известно устройство для защиты смотрового окна вакуумной камеры от запыления, содержащее экран с отверстием, жестко связанный с вакуумной камерой и смотровым стеклом, в котором экран выполнен в виде полусферы с диаметром, равным диаметру смотрового стекла, и снабжен дополнительными отверстиями, соосно которым установлены цилиндрические трубки (авт. свид. СССР №1483980, кл. С 23 С 14/52, опубл. 1995.12.27).

Недостатком известного устройства являются повышенные требования по теплостойкости к материалу экрана и его нейтральность при выплавке высокореакционных металлов, т.к. экран находится в рабочей зоне печи. Кроме того, смотровое окно частично открыто для паров среды, которые проникают через отверстия экрана и быстро загрязняют стекло, очистка которого производится при разобранном устройстве.

Известна конструкция смотрового окна электронно-лучевой печи с защитой от конденсатов металлических паров с помощью обтюратора, в котором мотор вращает диск со щелью 1 мм со скоростью 2500 об/мин. Другой стеклянный диск медленно вращается, защищая смотровое окно от оседания конденсата. Для наблюдения используется окно диаметром 5 мм, непосредственно к смотровому окну примыкает монокулярный телескоп (Линчевский Б.В. Вакуумная металлургия стали и сплавов. - М.: Металлургия, 1970, с.194) - прототип.

Недостатком конструкции является ее сложность и низкая эффективность (при данном способе защиты смотрового стекла можно обходиться без его очистки не более 150 часов работы печи).

Задачей, на решение которой направленно заявленное изобретение, является повышение надежности работы вакуумных печей, снижение трудоемкости обслуживания устройства оптического наблюдения за процессом плавки.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является эффективная и надежная защита смотрового окна вакуумной печи от оседания конденсата выплавляемых металлов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве оптического наблюдения за процессом плавки в вакуумной печи, содержащем неподвижно закрепленный на кожухе печи корпус со смотровым окном, с наружной стороны которого установлен оптический прибор наблюдения, вращающимся диском со сменными защитными стеклами, смотровым отверстием, выполненным на внутренней стенке корпуса, смотровое отверстие выполнено в виде диафрагмы с диаметром действующего отверстия не более 0,5 мм, диафрагма установлена от входной линзы оптического прибора наблюдения на расстоянии больше или равном ее переднему фокусному расстоянию, входная линза имеет диметр больше или равный диаметру пучка лучей от наблюдаемого объекта, кроме того, устройство снабжено трубкой для подачи газа в полость корпуса.

Использования отверстия диафрагмы оптического прибора наблюдения в качестве смотрового отверстия позволяет не менее чем в 10 раз сократить его линейные размеры, площадь отверстия, через которое проникают пары металлов, сокращается не менее чем в 100 раз. На скорость загрязнения смотрового стекла значительное влияние оказывает расстояние между диафрагмой и смотровым стеклом, а также величина остаточного давления в рабочем пространстве, вторая характеризуется средней длиной свободного пробега остаточных газов, т.е. расстоянием, проходимым молекулой между двумя последовательными столкновениями. Длина свободного пробега молекул обратно пропорциональна давлению газа. Подбирая опытным путем расстояние между смотровым окном и диафрагмой и величину давления газа в корпусе устройства оптического наблюдения, достигается оптимальная защищенность поверхности смотрового стекла. Поле зрение оптической системы определяется диаметром входного отверстия линзы оптической системы.

Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежом.

Устройство оптического наблюдения за процессом плавки в вакуумной печи содержит корпус 1, смотровое окно с защитным стеклом 2, поворотный диск с защитными стеклами 3, диафрагму 4 с действующим отверстием 5, оптический прибор наблюдения 6 с входной линзой 8 и трубку подачи газа 7.

Устройство работает следующим образом. Наблюдение осуществляется через действующее отверстие 5 в жесткозакрепленной диафрагме 4 поворотного диска с защитными стеклами 3, смотровое окно с защитным стеклом 2 и оптический прибор наблюдения 6. Параметры оптического прибора наблюдения и положение диафрагмы подбираются в зависимости от требований к полю зрения, глубины резкости и разрешающей способности оптического устройства наблюдения. Малое сечение смотрового отверстия 5 резко ограничивает попадание в полость корпуса 1 паров выплавляемого металла. Кроме того, в полости корпуса 1 по трубке 7 подается рабочий или инертный газ, который создает избыточное давление в данном объеме по отношению к полости печи. Благодаря выходящему из отверстия 5 потоку газа, отверстие не забивается конденсатами металлических паров, а полость корпуса дополнительно защищается от них. Проникший в полость корпуса металлический пар конденсируется на боковых стенках корпуса устройства 1 и поворотном диске с защитными стеклами 3, стекла по мере необходимости заменяются.

Пример конкретного исполнения.

Предлагаемое устройство было установлено и апробировано на вакуумной электронно-лучевой печи ЭЛУ-500, предназначенной для плавления титановой стружки и литья расплава в формы. Устройство оптического наблюдения проработало в течение полугода и подтвердило свою высокую надежность. В рабочем пространстве печи поддерживался вакуум 0,2 Па, а в корпусе 9 Па, который поддерживался подачей рабочего газа по трубке. Использована диафрагма с действующим отверстием диаметром 0,5 мм, диафрагма установлена на расстоянии 120 мм от входной линзы объектива. Диаметр линзы равен 70 мм, фокусное расстояние 75 мм. Изображение процесса фиксировалось на телевизионную камеру с передачей его на пульт оператора. Статистические данные показали, что данное устройство наблюдения за процессом плавки вакуумной печи обеспечивает высокое качество изображения без очистки стекол системы от конденсата паров в течение не менее 600 часов.

Предлагаемое устройство обеспечивает надежный и качественный контроль за ходом процесса вакуумной плавки и, следовательно, получение выплавляемых слитков требуемого качества, увеличивает межремонтные сроки эксплуатации печи.