Вакуумные установки с высокочастотным индукционным нагревом металлических образцов

Для проведения экспериментов, связанных с индукционным нагревом металлических образцов в вакууме, а также в среде инертных газов, необходимы маломощные высокочастотные установки.

В 1950—1953 гг. на заводе «Платиноприбор» в содружестве с работниками Лаборатории высокотемпературной металлографии Института машиноведения АН России разработаны и освоены серийным производством высокочастотные лабораторные вакуумные печи типа МВП-3, позволяющие производить нагрев и расплавление различных металлов весом 5—500 г в вакууме (при остаточном давлении в рабочей камере до 1*10в-5 мм рт. ст.), в атмосфере инертных газов, а также на воздухе. Эти печи можно использовать также для искусственного выращивания монокристаллов из расплава; кроме того, они удобны для выполнения экспериментальных работ, связанных с высокотемпературным индукционным нагревом образцов для выявления микростроения.

Установка типа МВП-3 состоит из лампового генератора токов высокой частоты типа ГЛ-15 мощностью 15 квт, работающего в диапазоне частот 300 кгц, а также высокотемпературной вакуумной печи емкостью до 65 см3 (500 г стали).

На рис. 50 дана принципиальная схема одного из вариантов устройства вакуумной системы установки типа МВП-3.

Вакуумной рабочей камерой установки служит цилиндр 1 из прозрачного кварца. Торцовые кромки этого цилиндра тщательно пришлифованы к плоскости сменного переходного фланца 2. Наличие сменных фланцев позволяет применять кварцевые сосуды различного диаметра (10—80 мм), что необходимо для сохранения рационального соотношения между внутренним диаметром индуктора и наружным диаметром образца, так как при увеличении промежутка между образцом и индуктором к. п. д. установки падает. В установках типа МВП-3 это расстояние составляет до 20—30 мм.

Фланец 2 на вакуумном уплотнении устанавливают на металлическом корпусе 3, снабженном съемной крышкой 4.

Температуру образца можно измерять двумя способами: термопарой, спай которой прикрепляется к образцу, или фотоэлектрическим пирометром. При необходимости закалки образца в вакууме можно использовать имеющийся в установке МВП-3 механизм, расположенный на боковой поверхности корпуса 3 и состоящий из керамического стержня 5, внутри которого проходит термопара 6; образец 7 прикреплен к концу стержня 5, а второй конец стержня зажат в накладке 8; последняя может передвигаться вверх и вниз по направляющей 9. Это перемещение осуществляется вилкой 10, прикрепленной к рукоятке 11. Соединительный рычаг поворачивается в вакуумном уплотнении. Выводы термопары проходят через герметический изоляционный вывод в корпусе 3 и присоединяются к гальванометру 13.

За счет теплового излучения от образца при нагреве до 2500—3000 °C и выдержки от десятков минут до нескольких часов температура кварцевого цилиндра 1 может повыситься до 1250 °C и больше. При таком нагреве кварц начинает «расстекловываться», становится хрупким и пористым. После нескольких таких нагревов кварцевый цилиндр необходимо заменять новым. В установках типа МВП-3 предусмотрено водяное охлаждение кварцевого цилиндра рабочей камеры, устраняющее его перегрев и обеспечивающее длительный срок службы. С этой целью между цилиндром I и специальной обоймой 14 из тонкого листового органического стекла пропускают воду. Из сети она поступает через патрубок 15 и выходит через патрубок 16. Зазор между цилиндром и обоймой составляет около 2 мм, толщина обоймы 1 мм. Таким образом, общее увеличение диаметра рабочей камеры в результате устройства водяного охлаждения составляет около £ мм, что сравнительно мало влияет на к. п. д. установки для индукционного нагрева.

Для укрепления обоймы и кварцевого цилиндра служит металлический прижим 17.

Следует отметить, что при скоростном высокотемпературном нагреве образцов продолжительностью не больше нескольких минут нет необходимости в охлаждении кварцевого цилиндра 1.

Нагревательные индукторы 18 выполнены из профилированной прямоугольной медной трубки (с наружными размерами 4х8 мм2 и толщиной стенок 1 мм), через которую для охлаждения пропускают проточную воду. С точки зрения электрических параметров толщина стенок трубки индуктора может быть и меньшей, так как глубина проникновения тока в медь (толщина слоя, в котором выделяется до 90% электрической энергии) при частоте тока f = 300 кгц и температуре 20 °C составляет

Чтобы обеспечить высокий к. п. д., соотношение между толщиной стенки трубки A и глубиной проникновения р выбирают в пределах A/p = 2/3. При этом возможно применить трубку со стенками толщиной 0,3—0,4 мм. Однако необходимая механическая прочность обеспечивается при толщине стенок трубки 1 мм.

В комплекте установки МВП-3 имеется десять индукторов диаметром 15—100 мм и высотой 21—114 мм, что позволяет нагревать образцы, поверхность которых составляет от нескольких квадратных сантиметров до 100 см2, а также плавки металлов (весом 5—500 г стали).

Для закалки образцов в вакууме на дно кварцевого цилиндра 1 наливают вазелиновое масло 19. Для более интенсивного охлаждения при закалке можно использовать ртуть. После окончания цикла нагрева рукоятка 11 поворачивается и стержень 5 вдвигает образец в охлаждающую среду (масло или ртуть).

Наблюдение за процессом нагрева образца, а также контроль температуры при помощи оптического или фотоэлектрического пирометра производят через смотровое стекло 20, смонтированное в поворотной обойме. Центр стекла смешен на 20 мм относительно оси смотровой трубки. Благодаря этому при наблюдении стекло можно периодически поворачивать на величину диаметра смотровой трубки (около 20 мм) и таким образом устранять возникающее при длительных опытах влияние напыления на стекло испаряющегося металла.

Для откачки из рабочей камеры служит патрубок 21, приваренный к корпусу 3. Чтобы уменьшить сопротивление откачке, диаметр патрубка 21 принимают равным 100 мм (оптимально для пароструйного насоса). К торцу патрубка на вакуумном уплотнении укреплена ловушка с отражателем 22 (аналогичная показанной на рис. 20, в) для конденсации паров масла, которые могут проникнуть в рабочую камеру из корпуса паро-масляного насоса 23.

Ловушка выполнена в виде конической спирали из медной трубки, охлаждаемой проточной водой, пропускаемой по трубке. Вдоль спирали припаяна медная полоска шириной около 20 мм, толщиной 1,5 мм. Трубка спирали и полоска образуют барьер, с которым сталкиваются пары масла, выходящие из корпуса насоса 23. При соударении с охлажденными поверхностями ловушки пары масла теряют свою скорость и конденсируются, постепенно образуя капли, стекающие внутрь корпуса насоса.

Паро-масляный насос 23 (типа ЦВЛ-100) соединен через металлический вакуумный вентиль 24 и резиновый вакуумный шланг 25 с ротационным масляным насосом 26 типа ВН-461. Для впуска воздуха в насос 26 после окончания работы установки, а также для подачи атмосферного давления в рабочую камеру служит металлический игольчатый кран 27.

В установке типа МВП-3 предусмотрена возможность нагрева в газовой атмосфере (гелия, аргона и других газов). Для впуска газов служит вакуумный кран 28.

На рис. 51 показан внешний вид установки типа МВП-3. Цифрой 1 обозначен ламповый генератор токов высокой частоты мощностью 15 квт, 300 кгц, возле которого размещен деревянный каркас 2 (размерами 1300х1375 мм2 в плане и 1200 мм в высоту), в котором находятся вакуумная часть и колебательный контур установки. Внизу на лицевой панели каркаса 2 укреплена поворотная высокочастотная индукционная печь 3 для плавки. Индуктор 4 для нагрева образцов, помещаемых внутри кварцевого цилиндра 5, соединяется с колебательным контуром гибкими водоохлаждаемыми шинами. Рукоятка 6 предназначена для перемещения образцов в вакууме.

Для размещения всей установки типа МВП-3 необходима площадь 12—15 м2, при этом обеспечивается свободный доступ ко всем частям установки. Непрерывная эксплуатация установок типа МВП-3 в течение последних лет показала надежность их в работе и простоту обслуживания.

Для питания нагревательного индуктора можно с успехом использовать ламповые генераторы ЛГЗ-10А, изготовляемые Ленинградским заводом высокочастотных установок. Эти генераторы сравнительно небольших размеров (1,0х1,2 м2 в плане и 2,3 м в высоту) обладают колебательной мошностью около 8 кет, вполне достаточной для многих изысканий, связанных со скоростным высокотемпературным нагревом металлических образцов в вакууме. Собирать и налаживать вакуумные системы можно собственными силами лаборатории.