中型真空炉的技术升级.pdf

工艺与应用 中型真空炉的技术升级 成永东 李明光 电子科技大学 物理电子学院 四川成都 6 1 0 0 5 4 T e c h n i c a lU p g r a d e o f aM i d d l e S i z e dV a c u u LF u r n a c e C H E N GY o n g d o n g L IM i n g g u a n g C o l l e g e o fP h y s i c a lE l e c t r o n i c s U n i v e r s i t y o fE l e c t r o n i cS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o fC h i n a C h e n g d u6 1 0 0 5 4 C h i n a A b s t r a c t T h e o i l v a p o r c o n t a m i n a t i o n i n t h e o l dv a c u u mf u r n a c ew a s i n h e r i t e d f r o mi t s o i l d i f f u s i o np u m p a n d t h e i n a c c u r a c y t e m p e r a t u r e c o n t r o l o f t h e f u r n a c e c h a m b e rw a s r e s u l t e d f r o mt h em a n u a l t e m p e r a t u r e a d j u s t m e n t T h e s e p r o b l e m s h a v e s e v e r e l y r e s t r i c t e d t h e d e v e l o p m e n t o f v a c u u mt e c h n o l o g y i n o u r l a b o r a t o r i e s B y r e p l a c i n gt h e o i l d i f f u s i o np u m pw i t h a t u r b om o l e c u l a r p u m p a n d a d d i n g a n a u t o m a t i c t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m s t h e o l d f u r n a c eh a s b e e nu p g r a d e d Ag o o d r e s u l t h a s b e e na c h i e v e dw i t ha l o w e r e x p e n d i t u r e i n t h i sw a y K e yw o r d E q u i p m e n t V a c u u mf u r n a c e T e c h n i c a l u p g r a d e D e s i g n 摘要 老式真空炉由于采用了油扩散泵和手动控温方式 存在真空系统被油污染和控温精度差的问题 严重影响了真空 工艺质量 本文介绍了一种在真空系统和电控加热方面升级的思路和依据 以较少的投入实现了设备的升级 关键词 设备 真空炉 技术升级 设计 中图分类号 T G 4 5 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 2 8 9 3 5 2 0 0 5 0 3 0 0 4 6 0 3 当今世界电真空器件行业迅猛发展 对微波管 器件的制造工艺提出了更高的要求 真空炉作为电 真空行业的关键设备之一 其性能主要体现在真空 获得办法以及炉温控制技术方面 这直接关系到电 真空零件的焊接质量和材料除气净化的质量 老式 真空炉由于当时技术的局限性 这些性能指标明显 落后而将被淘汰 而现在一台中型真空炉 市场售 价一般在4 0万以上 这对一些课题经费较少 设备 使用率不高的科研单位而言 重新购置很不合算 他 们更多希望走改造升级的路子 花费在1 0万元以 内 本文介绍了一种符合这种需要的老式真空炉升 级方法 1 老式真空炉简介和缺陷 老式中型真空炉炉体一般采用立式结构 由壳 体 加热器 隔热屏 顶盖和水冷系统构成 真空系 统采用油扩散泵和机械旋片泵组成的两级真空机 组 还包括电磁阀 冷阱真空管路 电离真空计等 内热式的加热系统 以钼丝作加热器 低压大电流加 热 手动调节三相可控硅导通角控制电压实现温度 控制 设备的缺陷 真空系统最大的问题是使用了 油扩散泵 由于水冷挡板的效果不佳 扩散泵返油造 成真空系统油污染问题 真空炉工作几百个小时后 隔热屏上的油污就很明显 而且返油蒸气总是吸附 在炉壁内 隔热屏等温度不高的地方 非常难清除 日积月累 会造成真空热处理性能下降 前级真 空采用的机械旋片泵 故障率较高 纯人工方式 控制温度 操作频繁 操作人员的随意性大 控制精 度差 工艺一致性难以保证 2 真空炉主要升级指标 最高工作温度 1 2 0 0 加热功率 3 0k W 炉 膛有效容积 1 6 0 2 0 0 冷态极限真空度 小于5 1 0 5P a 热态极限真空度 小于1 1 0 3P a 温 度控制精度 小于 2 3 真空系统的设计 为减少真空系统的油污染问题 新设计并制造 真空电子技术 了由直联式机械泵与涡轮分子泵构成的半无油真空 系统 结构示意图如图1所示 图中P U 1为直联泵 P U 2为分子泵 V 1为放气阀 V 2为粗抽阀 V 3为 闸板阀 V 4为隔断放气阀 G 1为冷阴极规 G 2为皮 拉尼规 在机械泵与涡轮分子泵之间设置一个隔断 放气阀 防止机械泵返油 图1真空系统结构示意图 3 1 涡轮分子泵的选择 由公式pEQ S可以计算选择涡轮分子泵的 抽速 式中p为极限真空度 P a Q为炉室内气载 P a m 3 s 包括工作过程产生的气体量 真空室和 元件放气量以及真空室漏气量三部分 S为主泵的 有效抽速 m 3 s 但实际应用中 气载Q不易确定 设计时常采 用抽速容积比指标 每立方米炉室空间应配备的有 效抽气能力 主泵抽速与炉室容积比的实用推荐 数值为3 1 8 1 m 3 s m 3 该数值与泵的性能以 及抽气系统设计结构有较大关系 1 经计算选取抽速为1 5 0 0L s的分子泵 1 1 0 4P a条件下的抽速 实际使用中 分子泵正常 工作后仅需2 0 3 0m i n 真空度便可达到5 1 0 4 P a 效果良好 3 2 真空测量 真空测量仪器选用了德国 莱宝 公司的复合真 空计C M 3 1 配置了冷阴极规和皮拉尼规 仪器故障 率大大降低 其测量范围7 1 0 6 5P a 当在真 空度低于1P a时 不允许启动冷阴极规 仪表自动 关闭激发冷阴极规的高压 4 加热系统的设计 4 1 方案设计 考虑到升级的成本 沿用了原来的三相可控硅 调压 钼丝加热方式 如果资金允许最好改为磁调变 压器控制 以减少系统对电网的干扰 新设计了图 2所示的全闭环控制的加热电源 采用 岛电 F P 2 1 可编程智能温度控制器作为核心 配以P A C 3 5 P三 相半控桥式移相调功模块 实现对加热功率的调节 低电压大电流变压器实现加热电流的转换 最大输 出电流可达8 0 0A 图2加热系统电气原理图 4 2 元器件的功能与选型 4 2 1 F P 2 1温控仪 为满足不同的电真空工艺对真空炉的需要 如 不同材料的退火 除气和真空焊接 需要设置不同的 控温工艺曲线 F P 2 1温控器是双微处理器控制仪 表 它能设置6条不同的工艺控温曲线 工艺员预 先编制真空工艺控温曲线 操作员调用 就能保证工 艺的一致性 4 2 2 三相半控桥调功模块P A C 3 5 P P A C 3 5 P只能用于变压器中性点不接地的 中 小功率负载 小于5 0k W 的系统中 4 2 3 晶闸管模块的选择 岛电 M F X晶闸管模块是由一只单相可控硅 和一只二极管反并联组成 自带一个阻容吸收保护 电路 如图2中的S S R 1 S S R 3 1 晶闸管电流等级选择 晶闸管额定正向平均电流I FE I 1 5 7 正弦半波 电流有效值与平均值之比 式中 I为实际流过元 件的电流有效值 Y型接法变压器每相电流有效 值 IE P 3Ua b E 3 0 0 0 0 3 3 8 0 4 5A 真空电子技术 则I FE I 1 5 7 E 4 5 1 5 7 2 9A 考虑1 5 2 0倍安全 余量 IFE 4 3 5 5 8 0A 则可选择M F X 5 5 A晶闸 管模块 2 晶闸管电压等级选择 晶闸管承受的最高反压峰值电压VR ME 1 5 2 Vm f 式中 Vm f为晶闸管电路的峰值电压 Vm f EKVUa KV根据不同的晶闸管回路选不同取值 在三相桥式电路中 KV取2 4 5 则 VR ME 1 5 2 2 4 5 2 2 0 8 0 9 1 0 7 8V 选择的M F X 5 5 A模块的反向峰值电压等级为 1 2 0 0V 符合设计要求 4 3 温度调节器的P I D参数对控制系统的影响及 其整定 目前市场上的温控仪大多都带有 P I D自整定 功能 F P 2 1也一样 2 但直接用 自整定 方法得到 的P I D值进行控制 效果并不是很理想 主要是 超 调 过大 温度 超调 对电真空工艺是有害的 因此 必须对其进行修正 温控仪表通常采用常规P I D算法 即 UkEKc e t Kc Ti t 0 e t dt Tdd e t dt 式中 Uk为t时刻控制量 Kc Ti Td分别为比例 系数 积分时间常数和微分时间常数 e t 表示偏 差 比例作用 P 作用是快速消除偏差 仪表用 比例度表示 E1 Kc 1 0 0 适当减小比例度 可以提高响应速度 但 超调 随之增大 比例度太小 还会使系统稳定性下降 而且它本身不能消除偏差 积分作用 I 控制量与偏差随时间的积分成正 比 作用是消除余差 缩短积分时间T i 积分作用 增强 但系统振荡会加剧 微分作用 D 控制量与偏差的变化率成正比 它总是阻止被控量变化 作用是提高系统的稳定性 一般温度控制系统都需加微分作用 以克服系统滞 后影响 明确了P I D值的意义后 就可以对系统自整定 得到的P I D参数进行人工修正 一般的做法首先是 适当降低比例作用 增大比例度 根据系统的控制效 果进一步修正T i和Td值 5 结束语 按本文方法 对电子科技大学的一台8 0年代初 购置的真空炉进行了技术升级 总投入1 0万元 升 级后的设备如图3 其真空性能以及加热性能均远 远超过了原来的设备 设备运行可靠 故障率很低 完全满足现代电真空制管的要求 当然根据需要该 设备还能再进一步升级 如增加一台计算机作为上 位机 计算机编制各种工艺曲线 输入温控仪 实施 各种控制 同时计算机将反馈的控制结果 真空度和 温度等 进行记录 处理 显示 打印出各种工艺曲