Главная
Коллекция "Otherreferats"
Производство и технологии
Нанесение антидеструкционных покрытий на топливные и кислородные баки космических аппаратов
Нанесение антидеструкционных покрытий на топливные и кислородные баки космических аппаратов
Вакуумные ионно-плазменные методы нанесения покрытия. Оборудование для нанесения равномерных антидеструкционных покрытий на подложки большой площади (топливные и кислородные баки космических аппаратов). Установка вакуумной металлизации типа УВМ-1200.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.03.2016 |
| Размер файла | 1,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Одним из недостатков биполярного импульсного реактивного магнетронного распыления является то, что при длительной работе непроводящая плёнка может закрыть всю поверхность вакуумной камеры (анода). Электроны из плазмы не уходят на анод (нет замкнутого контура электрической цепи), происходит увеличение катодного напряжения, и разряд в конечном итоге гаснет. Этот эффект известен как "исчезающий анод".
Для предотвращения потери анода его обычно защищают или скрывают (используют экраны, щетки и т.д.).
1.2.6.2 Дуальное магнетронное распыление
При дуальном магнетронном распылении два одинаковых электрически изолированных друг от друга магнетрона питаются среднечастотным переменным током как показано на рис. 13.
Один из выводов источника питания подключен к одному магнетрону, а второй вывод - к другому магнетрону. В такой ситуации одну половину периода один магнетрон работает катодом, а другой - анодом. В другую половину периода - наоборот. Мишень магнетрона, работающего в данную половину периода катодом, избавляется в это время от излишнего диэлектрика.
Рис. 13. Схематическое изображение дуальной МРС
Таким образом, поверхности мишеней поочерёдно очищаются, что не даёт вырасти там толстому сплошному слою диэлектрика, и это позволяет предотвратить "исчезновение анода".
Дуальное магнетронное распыление широко используется промышленностью для нанесения покрытий в тех случаях, где требуется устойчивый режим работы в течение длительного времени.
Обычно частота переменного тока составляет 40 кГц, но в некоторых случаях она изменяется от 40 до 80 кГц.
Необходимо заметить, что система дуального магнетронного распыления также не лишена недостатков, к которым можно отнести необходимость наличия двух магнетронов и то, что работе мишеней в качестве анодов мешает окружающее их магнитное поле. Оно препятствует движению электронов и увеличивает анодное падение потенциала, что, в свою очередь, снижает скорость распыления [8].
1.3 Сущность модернизации
Выше были рассмотрены вакуумные ионно-плазменные методы нанесения покрытий во всём своём многообразии и различные варианты реализации магнетронных распылительных систем.
После рассмотрения методов нанесения покрытий можно сделать вывод о том, что для решения поставленной задачи - нанесения равномерного антидеструкционного покрытия на изделия большой площади - наиболее подходящим является нанесение покрытий методом магнетронного распыления.
Из всех возможных вариантов реализации магнетронных распылительных систем наилучшую равномерность покрытия при высокой скорости его нанесения обеспечивает способ дуального магнетронного распыления.
По этой причине именно способ дуального магнетронного распыления и будет реализовываться в модернизируемой установке.
Кроме разработки собственно дуальной магнетронной системы, необходимо обеспечить откачку вакуумной камеры до нужного давления, подачу в камеру рабочего газа, обеспечить вращение обрабатываемого изделия и возможность ионной очистки его поверхности перед нанесением покрытия.
Таким образом, модернизация установки включает в себя следующие аспекты:
Ш разработка системы дуального магнетронного распыления;
Ш модернизация откачной системы;
Ш разработка системы газонапуска;
Ш разработка аксиального установочного устройства;
Ш обеспечение возможности проведения ионной очистки поверхности.
2. Конструкторско-технологическая часть
2.1 Общие сведения об установке вакуумной металлизации типа УВМ-1200
Установка вакуумной металлизации УВМ-1200 разработана в 1970 г. в Научно - исследовательском институте технологии машиностроения (в настоящее время - Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Техномаш"").
Ведущий конструктор - Петров Александр Васильевич.
Установка была представлена на выставке ВДНХ и удостоена золотой медали.
Рис. 14. Установка УВМ-1200 на выставке ВДНХ
Установка предназначалась для нанесения на изделия различных металлов способом резистивного испарения.
Основные технические характеристики (по состоянию на 1970 г.)
Габариты установки:
длина: 5500 мм;
ширина: 4500 мм;
высота: 2750 мм;
Внутренние размеры вакуумной камеры:
диаметр: 1200 мм;
длина: 2000 мм;
объём: 2,3 м3.
Остаточное давление в камере: 6,67 · 10-3 Па.
Время откачки: 50 мин.
Скорость вращения центрального вала переменная: 4,5-45 об/мин.
Установленная мощность: 63 кВт.
Напряжение питающей сети: 3N; 380В.
Расход охлаждающей воды: 3 м3/час.
Полный вес установки: 9000 кг.
Вакуумные насосы:
1) форвакуумный ВН-7;
2) бустерный БН-3;
3) высоковакуумный Н8-Т.
Установка вакуумной металлизации выполнена в однокамерном исполнении.
Процесс металлизации происходил в горизонтально расположенной цилиндрической камере при давлении 6,67 · 10-3 Па.
Управление процессом металлизации осуществлялось с пультов управления испарителями и подогревателями.
Вакуумная камера установки вакуумной металлизации УВМ-1200 представляет собой цилиндрический водоохлаждаемый корпус, выполненный из нержавеющей стали.
Торцы камеры закрыты цилиндрическими водоохлаждаемыми крышками, одна из которых навешена на петлях, другая - откатная.
Навесная крышка имеет специальное смотровое устройство для наблюдения за технологическим процессом.
Вторая крышка - откатная с механическим приводом, подвешена на специальную тележку. В центре крышки смонтирован механический привод вращения деталей с переменными оборотами. Вал введён через вакуумные уплотнители, имеет термопарные вводы.
В верхней части камеры имеется опора для монтажа монорельса под специальную тележку для подвески крышки камеры.
В камере предусмотрены два высоковольтных ввода с блокираторами и игольчатый натекатель. Вверху на камере установлен предохранительный клапан на случай резкого повышения давления в камере.
На боковой стороне камеры имеется патрубок диаметром 500 мм для соединения с вакуумным затвором Ду-500 вакуумного агрегата ВА-8-4.
Вдоль нижней части камеры имеется коробчатое углубление, в котором вмонтированы 8 охлаждаемых токоподводов.
Камера установлена на станину, представляющую собой сварную конструкцию из стального профильного проката.
Для подачи и слива охлаждающей воды в камеру в станине размещены водонапорный распределительный коллектор и сливной бак.
Устройство отката рабочей крышки состоит из сварной колонны, служащей опорой для монорельса, по которому от ходового винта перемещается специальная тележка с подвешенной крышкой. Другой конец монорельса опирается на площадку верхней части камеры.
2.2 Разработка магнетронной распылительной системы
Как уже было сказано выше, дуальная магнетронная система представляет собой совокупность двух планарных магнетронов и системы питания магнетронов.
Система питания должна обеспечивать подачу положительного и отрицательного потенциала попеременно на оба магнетрона. То есть, в каждый момент времени один магнетрон является анодом, а другой - катодом. Каждый магнетрон состоит из магнитной системы, расположенной внутри корпуса, состоящего из платформы, боковых стенок, мишени и охладителя. Магнетрон находится внутри экрана, который крепится с помощью изоляторов.
Магнитная система состоит из магнитов, располагающихся на магнитопроводе. Конфигурация магнитного поля в пространстве между мишенью и подложкой оптимизирована по критерию максимальной ионизационной способности электронов плазмы над поверхностью мишени, что позволяет при необходимости работать с повышенными значениями тока разряда. Каждый магнетрон имеет специальный трубопровод для прокачки через него воды в целях охлаждения. Вода подводится к магнетрону от фланца ввода посредством медных трубок, используемых одновременно и для подачи питания.
При подключении к источнику питания корпус и мишень магнетрона соединяются с отрицательным выводом источника питания через трубопровод охлаждения, а положительный вывод источника питания подключается к корпусу установки и к "земле". Положительный вывод источника питания может подключаться к анодной системе.
На магнетронах посредством винтов закрепляются мишени из наносимого материала. В рассматриваемом случае мишени выполнены из нержавеющей стали, однако могут наноситься и другие металлы.
Размещение дуальной магнетронной системы внутри камеры показано на рис. 15.
Рис. 15. Дуальная магнетронная система внутри вакуумной камеры
Планарные магнетроны крепятся на кронштейнах посредством винтов, при этом для смены мишеней нет необходимости демонтировать магнетроны. Кроме того, на тех же кронштейнах крепится ионный источник, применяемый для очистки поверхности.
В качестве рабочего газа применяется аргон, подаваемый к магнетронам посредством системы газонапуска.
При необходимо возможно отключение одного магнетрона и применение ДМС как обычной магнетронной системы с одним магнетроном.
2.3 Модернизация откачной системы
Имевшаяся в установке откачная система, состоящая из двух частей - высоковакуумной и форвакуумной - обеспечивала в рабочей камере остаточное давление 6,67 · 10-3 Па, что недостаточно для проведения технологического процесса нанесения антидеструкционного покрытия.
В состав откачной системы входили три вакуумных насоса (механический газобалластный насос ВН-7, паромасляный бустерный насос БН-3 и высоковакуумный паромасляный диффузионный насос Н-8Т) и средства измерения вакуума (вакуумметр ионизационный термопарный типа ВИТ2-П, манометрическая лампа ионизационного типа ЛМ-2 и манометрические лампы термопарного типа ЛТ-2).
Вакуумная система имела общую установленную мощность 13,3 кВт и обеспечивала откачку камеру до остаточного давления 6,67 · 10-3 Па за 50 минут.
Для обеспечения устойчивой работы высоковакуумного насоса он был подсоединён к бустерному вакуумному насосу БН-3. Бустерный насос был соединён с форвакуумным газобалластным насосом ВН-7 (ВН-4). На трубопроводах между этими насосами были установлены запорные вакуумные вентили, служащие для отсоединения высоковакуумной части от форвакуумной. Для быстрого перекрывания трубопроводов при аварийном отключении электроэнергии за форвакуумным насосом ВН-7 был установлен аварийный клапан с ручным управлением.
Форвакуумная часть обеспечивала в камере получение остаточного давления 0,67 Па. Для контроля остаточного давления насосов и рабочей камеры на трубопроводах вакуумной системы имеются грибки под лампы ЛТ-2 и ЛМ-2.
Принципиальная схема вакуумной модернизации до модернизации приведена на рис.16.
Рис.16. Принципиальная схема вакуумной модернизации до модернизации
Рис. 17. Принципиальная схема вакуумной модернизации после модернизации
объём;
BL Ї ловушка а зотная.
Как уже было сказано, старая вакуумная система не могла обеспечить достижение в вакуумной камере необходимого для проведения технологического процесса давления.
Кроме того, старый механический насос не мог обеспечить давление, достаточное для запуска процесса откачки диффузионным насосом. Для решения этой проблемы применялся третий насос - бустерный, игравший роль промежуточного звена между механическим и диффузионным насосами.
Современные вакуумные наносы позволяют отказаться от применения бустерного наноса, тем самым повышая быстродействие и экономичность вакуумной системы.
Для обоснованного выбора новых вакуумных насосов необходимо оценить газовыделение в вакуумной камере в ходе технологического процесса нанесения покрытия и определить расчётное быстродействие (скорость откачки) вакуумных насосов.
Оценочный расчёт вакуумной системы
1. Определение суммарного газовыделения
Исходным (и наиболее ответственным) этапом вакуумного расчёта является определение газовой нагрузки или потока газа, формирующегося в объёме рабочей камеры. Расчётный газовый поток определяется на момент достижения заданного рабочего вакуума.
Вообще газовый поток, воспринимаемый вакуумным насосом во время откачки камеры, имеет множество составляющих: газовыделение из конструкционных материалов, из которых изготовлена вакуумная камера; газовыделение из узлов и элементов, расположенных в камере; газовыделение из тепловыделяющих элементов; натекание атмосферного воздуха через неплотности в разборных, сварных, паяных соединениях; и так называемое технологическое газовыделение, обусловленное интенсивным температурным воздействием на изделия в процессе вакуумной обработки.
Для данного вакуумного расчёта будем полагать, что газовый поток, откачиваемый вакуумным насосом при установившемся (стационарном режиме), имеет пять составляющих:
Q = Qкам + Qдмс + Qии +Qбак + Qнат.
Qкам, Qдмс, Qии - это газовые потоки, обусловленные поверхностной десорбцией из конструкционных материалов, применяемых для изготовления соответственно рабочей камеры, дуальной магнетронной системы и ионного источника; Qбак - это газовый поток, обусловленный поверхностной десорбцией из конструкционных материалов, применяемых для изготовления обрабатываемого изделия (диффузией газов, растворённых в толще изделия пренебрегаем, т.к. технологический процесс нанесения антидеструкционного покрытия предусматривает предварительную операцию отжига изделия);
Qнат - это поток газа, обусловленный натеканием атмосферного воздуха через сквозные микродефекты в сварных и паяных соединениях, а также через неплотности в разборных соединениях.
Qдест = qдес • Апов,
где
qдес - удельный поток газа, десорбирующийся с единичной поверхности материала при комнатной температуре,
Апов - площадь поверхностей стенок камеры и устройств, "обращённых” в вакуумную полость.
lg qдес = A - B • t
А, B - эмпирические константы,
t - время десорбции, с.
qдес = 10 (A - B • t) = = 10-3,4 = 3,98 • 10-4
Поверхность камеры складывается из поверхностей собственно камеры, ведущего к диффузионному насосу патрубка и площади области над диффузионным насосом выше затвора.
Акам = А1 + А2 + А3 = 9,8 + 0,79 + 2,07 = 12,66 [м2]
Qкам = qдес • Акам = 3,98 • 10-4 • 12,66 = 0, 0066 = 66 • 10-4
Адмс = 2 Амагнетрон = 2 • 0,8 [м2]
Qдмс = qдес • Адмс = 3,98 • 10-4 • 0,8 = 3,18 • 10-4
Qии = qдес • Аии = 3,98 • 10-4 • 0,31 = 1,23 • 10-4
Qбак = qдес • Абак = 3 • 10-3 • 3,1 = 93 • 10-4
Qнат. в данном расчёте полагаем постоянным и равным величине
5 • 10-4
Q = (66 + 3,18 + 1,23 + 93 + 5) • 10-4 = 0,0168 = 1,68 • 10-2
2. Выбор вакуумных насосов
Выбор вакуумных насосов или вакуумных агрегатов производится при установившемся режиме откачки, который отличается фиксированным газовым потоком при заданном рабочем давлении.
Расчётное значение быстродействия или скорость откачки высоковакуумного насоса будет определяться выражением:
Sн (расч) =
Pпред. - предельное давление газа, поддерживаемое в сечении впускного патрубка вакуумного насоса, Па;
Pраб. - рабочий вакуум, задаваемый условиями технологического процесса.
Sн (расч) = = 0,25
Подбираем вакуумный насос или агрегат так, чтобы Sн (агр) > Sн (расч).
Выбранный насос НД-500 имеет быстродействие 0,9 м3/с.
0,9 > 0,25 => выполняется условие Sн (агр) > Sн (расч).
В качестве форвакуумного выбран насос 2НВР-250Д.
|
Характеристики вакуумного агрегата |
||
|
Марка форвакуумного насоса |
2НВР-250Д |
|
|
Быстродействие насоса, м3/с |
0,9 |
|
|
Рабочий диапазон давлений, Па |
10-1 - 10-3 |
|
|
Предельное давление, Па |
1,3 • 10-5 |
|
|
Диаметр входного патрубка, мм |
500 |
|
|
Марка высоковакуумного насоса |
НД-500 |
2.4 Разработка системы газонапуска
Проведение технологического процесса нанесения антидеструкционного покрытия предполагает поступление в вакуумную камеру рабочего и реактивного газов. Подача нужных газов в вакуумную камеру осуществляется посредством системы газонапуска.
Система газонапуска (или газовая система) должна содержать источник технологических газов (газовый баллон), регулятор расхода газа для обеспечения равномерного поступления газа в вакуумную камеру, совокупность вентилей, клапанов и манометров, а также трубопровод.
В разработанной схеме технологические газы (аргон и кислород) подаются в вакуумную камеру из газовых баллонов по полиуретановым трубкам диаметром 10 мм.
Дозированное поступление нужного газа в вакуумную камеру обеспечивается применением регуляторов расхода газа РРГ-10.
Рис. 18. Регулятор расхода газа РРГ-10
Регулирование расхода осуществляется электромагнитным исполнительным механизмом, реагирующим на электрический выходной сигнал, пропорциональный расходу газа.
РРГ-10 имеет аналоговое управление, которое осуществляется с помощью стабилизированного источника питания ±15 ±3% В. Для питания, управления и отображения информации используется специально разработанный блок управления и питания (БУИП).
Внутри вакуумной камеры происходит равномерное распределение газа по всей длине вакуумной камеры благодаря специальным коллекторам, представляющим собой тонкие трубки диаметром 10 мм с тончайшими отверстиями, через которые газ выходит из коллектора в вакуумную камеру.
Данная система подачи газа позволяет подавать в вакуумную камеру два газа независимо друг от друга с возможностью задания соотношения подаваемых газов и с автоматическим регулированием общего расхода для поддержания заданного давления в камере.
2.5 Разработка аксиального установочного устройства
Одним из основных параметров получаемой плёнки является равномерность её толщины по площади подложки. Поэтому для повышения равномерности плёнки применяются специальные меры.
Наиболее простым способом снижения неравномерности распределения плёнки по толщине является увеличение расстояния между подложкой и мишенью.
Однако это уменьшает скорость конденсации плёнки, что отрицательно сказывается на её свойствах. Кроме того, максимально возможное расстояние между подложкой и мишенью ограничено размерами рабочей камеры установки. На практике для повышения равномерности применяют систему, обеспечивающую вращение подложки. Для малогабаритных изделий возможно обеспечение вращения в двух плоскостях. Однако в случае кислородного бака представляется реализуемым вращение относительно только одной оси, совпадающей с осью вакуумной камеры.
Рис. 19. Крепление кислородного бака в вакуумной камере.
Перед нанесением покрытия кислородный бак помещается внутрь вакуумной камеры и устанавливается на опоры, позволяющие ему вращаться вдоль главной оси. Далее бак крепится винтами к валу аксиального установочного устройства, имеющего электрический привод. Электродвигатель размещён с внешней стороны крышки. Движение вводится в камеру через высоковакуумные вводы. В ходе проведения технологического процесса нанесения антидеструкционного покрытия кислородный бак вращается со скоростью 15 оборотов в минуту.
2.6 Разработка системы ионной очистки поверхности изделия
Существенное влияние на качество формируемых покрытий, их адгезию к основе оказывает состояние поверхности образцов. Как правило, на поверхности образцов существует слой загрязнений, который ухудшает адгезию покрытия. Технологический цикл нанесения покрытий включает в себя этап чистки поверхности образцов.
Существует несколько методов очистки поверхности - метод термической десорбции, ионная очистка различных разновидностей, метод очистки с использованием каталитических реакций, метод скола в вакууме.
Каждый из этих методов имеет свои достоинства, недостатки и области применения. В установках для магнетронного нанесения покрытий наибольшее распространение получил метод ионной очистки поверхности.
Физическая сущность процесса ионной очистки заключается в бомбардировке поверхности подложки низкоэнергетичными ионами рабочего газа (чаще всего аргона).
Основными параметрами, определяющими характер процесса взаимодействия ионного пучка с поверхностью, являются параметры пучка (плазменной системы) - плотность ионного тока и энергия ионов, а также время процесса.
Процесс взаимодействия ионов с поверхностью сводится к протеканию взаимосвязанных физических процессов: конденсации, внедрения и распыления. Преобладание того или иного физического процесса зависит, в первую очередь, от энергии падающих ионов.
При низких энергиях ионов преобладает конденсация падающих ионов на поверхности, образование и рост плёнки ионов используемого газа на бомбардируемой поверхности. При высоких энергиях преобладает интенсивное распыление атомов с поверхности, в результате чего толщина плёнки уменьшается. При некотором значении энергии граница поверхности остаётся неподвижной и преобладающим является процесс внедрения ионов в приповерхностный слой.
Воздействие ионной бомбардировки на поверхность подложки вызывает возникновение дефектов в структуре материала. В процессах ионной очистки важно избежать возникновения дефектов, поэтому время ионной очистки должно быть ограничено, чтобы не вызвать значительной аморфизации структуры материала подложки.
Одним из способов сократить время ионного воздействия на поверхность, является применение реактивной ионной очистки, в ходе которой совместно с процессом ионной бомбардировки, на поверхности подложки происходит химическая реакция с образованием летучих соединений.
Удаление обрабатываемого материала происходит в результате его распыления ускоренными ионами и образования легколетучих соединений при взаимодействии с химически активными частицами плазмы.
При этом физическое распыление интенсифицирует химические реакции, а химические реакции, ослабляя межатомные связи на обрабатываемой поверхности, увеличивают скорость распыления.
Выбор реактивного газа определяется материалом подложки, на которую в дальнейшем будет наноситься покрытие.
Как уже было сказано, в установке вакуумной металлизации после модернизации предполагается нанесение покрытий на внешнюю силовую оболочку кислородных баков для космических аппаратов. Внешняя оболочка такого бака выполнена из углепластика.
Рис. 20. Фрагмент изделия из углепластика
Углепластик - это полимерный композиционный материал, состоящий из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол.
В качестве реактивного газа для травления углерода обычно применяется кислород.
В плазме химически активные частицы образуются в результате взаимодействия молекул газа с ускоренными электронами, которые, в отличие от тяжелых частиц, обладают существенно большими энергиями.
При взаимодействии атомов кислорода с электронами образуются ионы кислорода и атомарный кислород.
О2 + e > О + О-
Присутствие в плазме кислорода вызывает повышенную скорость травления углерода за счёт его оксидирования до СО или СО2 в соответствии со следующими химическими реакциями.
3С + О2 = 2СО
С + О2 = СО2
Атомарный кислород также очищает поверхность от органических загрязнений.
Для уменьшения радиационных дефектов обрабатываемых образцов процессы травления проводят в режимах, обеспечивающих превышение скорости удаления слоёв за счет химических реакций над скоростями распространения дефектов, образующихся вследствие ионной бомбардировки.
Ионная очистка позволяет получить чистую поверхность и значительно повысить адгезию наносимой плёнки к подложке.
В установке УВМ-1200 установлен источник ионов типа "Обнинск" (изготовитель - ООО "Ионима-Рус").
Ионный источник генерирует и испускает пучок ионов в форме цилиндра овального сечения со слабым расхождением к конической форме.
Рис.21. Устройство ионного источника типа "Обнинск".
1 - анод; 2, 3 - катодные пластины; 4 - магнитный блок; 5 - водоохлаждаемые стенки; 6 - магнитопровод; 7 - охранный экран; 8 - изолятор; 9 - платформа; 10 - платформа; 11 - штуцер; 12 - винт.
Устройство ионного источника состоит из анода 1, расположенного напротив выпускной щели, образуемой катодными пластинами 2, 3, закреплёнными на магнитном блоке 4 и водоохлаждаемых стенках 5 с помощью магнитопроводов 6. Роль катода выполняет корпус ионного источника. Анод окружён охранным экраном 7, закреплённым через изоляторы 8 на платформе 9.
Рабочий газ подаётся внутрь корпуса ионного источника через штуцер 11 в газораспределительную систему, находящуюся снизу платформы 10. Юстировка ускоряющего промежутка (расстояния от анода до катодных пластин) может осуществляться с помощью винтов 12.
Анод изолирован от корпуса (катода) с помощью изоляторов. Сопротивление изоляции между анодом и корпусом должно быть не менее 1МОм.
Ориентация намагниченности постоянных магнитов, расположенных внутри магнитного блока, одинакова.
Принцип действия ионного источника заключается в отборе ионов из разряда, возбуждаемого между анодом и катодными пластинами в скрещенных электрическом и магнитном полях. Ионы ускоряются в промежутке между анодом и катодными пластинами и испускаются в направлении обрабатываемого изделия.
Подвод газа осуществляется через гибкие полимерные шланги Dy = 4 мм, присоединённые к штуцерам ионного источника.
Подача воды в анод осуществляется через медные трубки Dy = 10 мм, которые одновременно являются токоподводами высокого напряжения.
Для питания источника ионов используется блок питания "ИВЭ-345-02" (изготовитель - ЗАО "Плазматех").
3. Охрана труда
Безопасная эксплуатация установки вакуумной металлизации типа УВМ-1200 включает в себя следующие аспекты:
1) электробезопасность;
2) пожаробезопасность;
3) соблюдение мер предосторожности при обращении с газовыми баллонами.
3.1 Электробезопасность
Опасность поражения электрическим током при прикосновении к корпусу и другим металлическим частям оборудования, оказавшимися под напряжением вследствие замыкания на корпусе и по другим причинам, может быть устранена быстрым отключением повреждённой установки от питающей сети и вместе с тем снижением напряжения корпуса относительно земли.
Зануление - преднамеренное электрическое соединение с электрическими проводниками металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.
Нулевым защитным проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части оборудования с глухозаземлённой нейтральной точкой источника тока или её эквивалентом.
Эквидистантой нейтральной точки источника тока могут быть: средняя точка источника постоянного тока, заземлённый выход источника однофазного тока, искусственная нейтральная точка сети, созданная с помощью трансформаторов, резисторов и т.д.
Причины необходимости зануления - превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (т.е. между фазными и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить повреждённую установку от питающей сети. Такой защитой являются плавкие предохранители и максимальные автоматы, устанавливаемые для защиты от токов короткого замыкания, магнитные пускатели со встроенной тепловой защитой, контакторы в сочетании с тепловыми реле, осуществляющие защиту от перегрузки, автоматы с комбинированными распределителями, осуществляющие защиту одновременно от токов короткого замыкания и перегрузки.
Кроме того, поскольку корпуса (или другие нетоковедущие металлические части, оказавшиеся под напряжением) заземлены через нулевой защитный проводник, то в аварийный период, т.е. с момента возникновения замыкания на корпус и до автоматического отключения повреждённой электроустановки от сети, проявляется защитное свойство этого заземления, подобно тому, как это имеет место при защитном заземлении. Иначе говоря, заземление корпусов через нулевой проводник снижает в аварийный период их напряжение относительно земли.
Схема зануления требует наличия в сети нулевого защитного проводника, глухого заземления нейтрали источника и повторного заземления нулевого защитного проводника.
Назначение нулевого защитного проводника в схеме занулений - обеспечение необходимого для отключения установки значения тока однофазного короткого замыкания путём создания для этого тока цепи с малым сопротивлением.
Назначение заземления нейтрали в сети до 1000 В - снижение напряжения занулённых корпусов (а следовательно, нулевого защитного проводника) относительно земли до безопасного напряжения при замыкании фазы на землю.
Повторное заземление нулевого проводника значительно уменьшает опасность поражения током, возникающую в результате обрыва нулевого защитного проводника, но не может устранить её полностью, т.к. не может обеспечить те условия безопасности, которые существовали до обрыва.
Расчёт зануления
При замыкании фазы на занулённый корпус электроустановка автоматически отключается, если значение тока однофазного короткого замыкания на корпус удовлетворяет условию:
где Iном - номинальный ток срабатывания автоматического выключателя;
k - коэффициент кратности тока, нормируется в зависимости от типов защитных автоматов и от условий окружающей среды.
Электрическая установка подключается к линии с напряжением 380 В и частотой 50 Гц медным проводом 3х16 мм2. Мощность, потребляемая установкой вакуумной металлизации, равна 16 кВт.
= 24,34 [А]
Так как помещение, в котором размещена установка, относится к помещениям с нормальной средой, то коэффициент кратности принимаем равным 1,4 для автомата с электромагнитным расцепителем.
[А]
Исходя из мощности, потребляемой установкой, а также с учётом непредвиденных подключений, выбираем автоматический выключатель с Iном = 50А. В качестве нулевого провода используем стальную полосу прямоугольного сечения 40х4 мм. Ориентировочный ток короткого замыкания будет для установки равен:
Iк = 1,4 50 = 70 [А].
При расчёте допустимого тока применяем приближённую формулу для действующего значения тока короткого замыкания Ik [А], в которой модуль сопротивления трансформатора и петли "фаза-нуль" складываются арифметически:
где Uф - фазное напряжение;
- сопротивление одной фазы трансформатора;
Zn - сопротивление петли "фаза-нуль".
Так как мощность трансформатора составляет 1000 кВт, то выбираем ZТ = 0,081 Ом.
Сопротивление петли "фаза-нуль" определяем по формуле:
где
Rф и Rн - активное сопротивление фазного и нулевого защитного проводов; Хф и Хнз - внутреннее индуктивное сопротивление фазного и нулевого защитного проводов.
Активное сопротивление фазного проводника определяем по формуле:
где с - удельное сопротивление меди сCu = 0,018 Ом мм2/м.
L - длина линии от трансформатора до общего распределительного щита (РЩ). L = 450 м.
Общая длина линии складывается из длины линии от общего РЩ до РЩ лаборатории (L = 200 м) и длины линии от РЩ лаборатории до установки (L = 25 м).
S - площадь поперечного сечения проводов, соответственно
S1 = 16 [мм2], S2 = 25 [мм2], S3 = 50 [мм2].
Тогда Rф1 = 0,0018 25/16 = 0,028 [Ом]
Rф2 = 0,018 200/25 = 0,144 [Ом]
Rф3 = 0,0018 450/50 = 0,0162 [Ом]
Суммарное сопротивление фазных проводов будет равно;
= Rф1 + Rф2 + Rф3 = 0,334 [Ом]
Для определения активного сопротивления нулевого защитного проводника определяем плотность потока в стальной полосе.
г = IП/ д П
г И = 14/160 = 0,087 [А/мм2]
Погонное активное и индуктивное сопротивления стального провода rщ = 2,8 Ом/км, Хщ = 1,68 Ом/км. Тогда до установки
Rиз = rщ I = 2,8 0,675 = 1,89 [Ом]
Значение внутреннего индуктивного сопротивления фазного провода сравнительно мало (0,0156 Ом/км), поэтому им можно пренебречь. Внутреннее индуктивное сопротивление нулевого провода определяем по формуле
Хп = Хи I = 1,68 0,675 = 0,4 [Ом]
Находим действительное значение токов однофазного короткого замыкания, проходящего по петле "фаза-нуль" для источника питания
Iк = = 82 [А]
Действительное значение тока однофазного замыкания превышает допустимое по условию срабатывания автомата. Следовательно, защита от поражения электрическим током при замыкании фазы на корпус обеспечена.
Сопротивление заземления нейтрали должно быть таким, чтобы в случае замыкания какой-либо фазы на землю через сопротивление места замыкания, напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшись к занулённому корпусу, не превышало бы некоторого допустимого напряжения прикосновения.
Падение напряжения на участке нулевого провода составит
= 142 [Ом]где
г2М31 = 2,8 0,450 = 1,060 [Ом]
х'мз 1 = 1,68 0,450 = 0,752 [Ом]
х''мз 1 = 0,6 0,450 = 0,265 [Ом]
= 0,82 [Ом]
= 2,8 0,025 = 0,63 [Ом]
= 1,68 0,025 = 0,378 [Ом]
= 0,6 0,025 = 0,135 [Ом]
UH = 820,82 = 67,24 [В]
Падение напряжения на повторном заземлении определяем с учётом токораспределения на первом участке схемы.
Uпз = Rпз I0мз 1 (Rн/R0) = 10 82 1,42/ (10+4) = 83,13 [В]
Uпр. ном = 83 + 67,24 = 150,24 [В]
Ток, проходящий через человека, будет равен:
Ih = Uпр/Rh = 150/100 = 0,15 [А]
Максимально возможное воздействие тока на человека составляет 0,3 секунды. Следовательно, отключённый аппарат обеспечивает электробезопасность установки.
Схема зануления установки представлена на рис.22.
Рис. 22. Схема зануления.
1 - трансформатор; 2 - распределительный щит общий; 3 - распределительный щит лаборатории; 4 - автоматический выключатель; 5 - сопротивление заземления нейтрали; 6 - испытательная установка; 7 - сопротивление повторного заземления; 8 - нулевой защитный провод; 9 - фазные провода.
По окончании монтажных работ, а также в процессе эксплуатации системы зануления, в соответствии с требованиями "Правил устройства электроустановок", необходимо:
· измерить сопротивление заземления нейтрали и повторных заземлителей нулевого проводника;
· проверить состояние элементов заземляющих устройств;
· проверить целостность заземляющих сетей, в том числе наличие цепи между нулевым защитным проводником и занулённым оборудованием;
· измерить сопротивление петли "фаза-нуль" и сопротивление изоляции.
3.2 Пожарная безопасность
Пожарная безопасность в данном технологическом процессе обеспечивается соблюдением норм ГОСТ 12.1.004-78. "Пожарная безопасность. Общие требования". В связи с этим рабочее помещение оснащается средствами пожаротушения. В специально отведённых местах устанавливаются: огнетушители, песок, щит с ломами, лопатами, топорами. Производство относится к категории "Д" по пожароопасности.
Одним из важных условий успешной ликвидации возникшего пожара является быстрое обнаружение загорания и немедленное сообщение об этом местной пожарной охране.
Для сообщения о пожаре в рабочих помещениях служит специальная пожарная сигнализация. Пожар, т.е. процесс горения, можно устранить путём прекращения доступа воздуха к горящему предмету или снижение его температуры горения. В средствах тушения пожара используют два метода одновременно.
Противопожарное водоснабжение обеспечивается устройством специального водопровода. При необходимости допускается водоснабжение из водоёмов и резервуаров. При водоснабжении из водопровода, пожарные рукава присоединяются к гидрантам, которые должны устраиваться на расстоянии не более 100 метров от рабочих помещений.
Среди автоматических средств пожаротушения на производственных предприятиях наиболее распространены спринклерные и дренчерные установки. Они представляют собой разветвлённую распределительную водопроводную сеть с распылителями водяных струй или воздушно - механической пены при помощи спринклерных или дренчерных головок. Спринклерная распылительная головка представляет собой блок с отверстием, закрытым стеклянным колпаком (клапаном), удерживаемым замком, изготовленным из легкоплавкого металлического сплава. При повышении температуры воздуха, нагретого пламенем начавшегося пожара, вследствие расплавления сплава замок расплавляется и освобождает клапан, через который вода, попадая на розетку, распыляется и орошает горящее вещество. Применяют сплав замка с температурой плавления 72, 93, 141, 182° С, в зависимости от условий возможного загорания. Одновременно с помощью контрольно-сигнального аппарата подаётся звуковой сигнал, возвещающий о пожаре.
Дренчерные установки группового действия также состоят из разветвлённых трубопроводов, оборудованных дренчерными распылительными головками, но без замков, с открытыми отверстиями для выхода воды. Выход воды закрыт клапаном группового действия. Пуск воды для тушения пожара может осуществляться вручную или автоматически.
Автоматическая установка пожаротушения содержит:
· источник водоснабжения (бассейн, водоём);
· водопитатели (резервуары, постоянно наполненные водой);
· контрольно-сигнальное устройство, контролирующее готовность установки к работе, включающее её и подающее сигнал пожарной тревоги;
· сеть питательных и распределительных трубопроводов к приборам-оросителям, подающих распылительную воду к очагу пожара.
Автоматическое включение установки в работу осуществляется от датчиков, реагирующих на факторы пожара (тепло, свет, дым). Помимо основного, установка оборудована вспомогательным водопитателем, обеспечивающим постоянное давление воды в системе.
Контрольно-пусковой узел предназначен для включения подачи воды в установку, автоматическое приведение в действие звуковых и световых сигналов о начавшемся пожаре.
3.3 Меры безопасности при обращении с газовыми баллонами
К работе с газовыми баллонами должны быть допущены лица, прошедшие обучение и имеющие соответствующее удостоверение. Не допускается работа с неисправными баллонами, а также с баллонами, имеющими истёкший срок хранения, за исключением слива баллонов при негерметичности газового арматурного блока или других фитингов.
Заправка и установка баллонов не допускается вблизи открытого огня, работающих электроприборов и автомобилей, а также запрещается курение. Баллоны при заправке и сливе должны быть установлены на заземлённую поверхность. Обязательно наличие исправного огнетушителя.
Обслуживающий персонал должен иметь одежду из неоплавляемой ткани, иметь на руках перчатки или рукавицы.
Расстояние до лиц, не связанных с заправкой или монтажом, а также до ближайших автомобилей, прицепов, аэростатов и др. должно быть не менее 15 метров.
Категорически запрещается заправка баллонов более 85% общего объёма. Контроль осуществляется по началу выхода жидкой фазы из ниппеля.
В остальном, что не оговорено в настоящем разделе в части заправки и проверки баллонов, необходимо руководствоваться местными правилами.
Заправка газовых баллонов должна производиться вне помещений на специально оборудованных станциях.
Слив (перелив) газа из баллона производится в следующих случаях:
· при транспортировании или хранении, если того требуют условия;
· при нарушении герметичности газового арматурного блока;
· при проверке технического состояния;
· при заправке или дозаправке других баллонов.
Слив (перелив) газа следует производить на открытой, хорошо продуваемой площадке.
В процессе работ следует руководствоваться требованиями мер безопасности, кроме этого необходимо, чтобы с подветренной стороны на расстоянии 100 м при переливе и 500 м при сливе не было людей, строений, домашнего скота, линий электро - и телеграфных передач, каких-либо непродуваемых углублений, способных накапливать газ, автомобильных и железнодорожных магистралей.
Заправленные или частично заправленные баллоны должны храниться вертикально под навесом, огороженным сеткой или иным способом, при этом площадь, через которую может свободно проходить воздух, не должна быть меньше 25% от площади всего ограждения и располагаться равномерно или в нижней части ограждения. На месте хранения должны находиться исправные огнетушители.
В одном месте должно храниться не более 200 баллонов. Расстояние от места хранения баллонов до других мест хранения газа не менее 5 м, до зданий и сооружений не менее 15 м.
Навес должен обеспечивать защиту от прямой солнечной радиации и прямого воздействия осадков.
Совместное хранение исправных и неисправных баллонов, а также баллонов с истекшим сроком технического освидетельствования не допускается.
При хранении на баллонах должны быть закрыты все вентили и установлены заглушки. [19]
3.4 Защита от электромагнитных полей
Известно, что около проводника, по которому протекает ток, возникают одновременно и электрическое, и магнитное поля. Если ток не меняется во времени, то эти поля не зависят друг от друга. При переменном токе магнитное и электрическое поля взаимосвязаны и представляют собой единое электромагнитное поле.
Воздействие электромагнитных полей на человека зависит от напряжённостей электрического и магнитного полей, потока энергии, размера облучаемой поверхности тела и индивидуальных особенностей организма.
В постоянном электрическом поле ткани живого организма в той или иной мере поляризуются. В переменном электромагнитном поле электрические свойства тканей организма оказываются зависящими от частоты, причём с возрастанием частоты они всё более теряют свойства диэлектриков и приобретают свойства проводников. Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в тепловую.
Избыточная теплота до известного предела отводится путём увеличения нагрузки на механизм терморегуляции. Однако, при интенсивности излучения выше теплового порога (I = 10 мВт/см2), организм не справляется с отводом тепла и температура повышается.
Наиболее интенсивно электромагнитные поля воздействуют на органы с большим содержанием воды. Перегрев же особенно вреден для тканей со слаборазвитой системой или с недостаточным кровообращением, таких как глаза, мозг, почки и др. Воздействие электромагнитных полей вызывает морфологические изменения в тканях - ожоги, омертвления, кровоизлияния, изменение структуры клеток, нарушение питания тканей и органов.
Электромагнитные поля оказывают специфическое воздействие на ткани человека при интенсивности излучения значительно меньше теплового порога. Они изменяют ориентацию клеток и цепей молекул, в соответствии с направлением силовых линий электрического поля, ослабляют биохимическую активность белковых молекул, нарушают функции сердечно-сосудистой системы и обмен веществ. Однако, эти изменения носят обратимый характер: достаточно прекратить облучение и болезненные явления исчезают.
Длительное систематическое воздействие электромагнитных полей на организм человека приводит к функциональным изменениям, в первую очередь нервной системы. Появляются головная боль, нарушение сна, утомляемость, изменение состава крови и т.д.
В качестве предельно допустимых норм интенсивности излучения на рабочих местах приняты следующие значения:
при облучении в течении всего рабочего дня I=10 мкВт/см2;
при облучении до 2 часов за рабочий день I = 100 мкВт/см2;
при облучении в течение 15 - 20 мин за рабочий день, при обязательном использовании защитных очков, I = 1000 мкВт/см2, в остальное время не более 10 мкВт/см2.
Защита необходима для обеспечения безопасности персонала, обслуживающего оборудование. Она осуществляется специальными защитными экранами, расстоянием до источника излучения и регламентацией времени пребывания в зоне облучения.
Защита расстоянием является наиболее простым методом. Он применим для персонала, которому нет необходимости находиться вблизи источников электромагнитного излучения, а также в случаях возможности дистанционного управления установкой.
Для защиты от электромагнитных излучений применяют заземлённые экраны.
К средствам индивидуальной защиты от электромагнитного излучения относятся комбинезоны и халаты из металлизированной ткани, осуществляющие защиту организма человека по принципу сетчатого экрана.
Для защиты глаз применяют очки марки ЗП5-90, вмонтированные в капюшон или применяемые отдельно [20].
4. Экологическая часть
4.1 Влияние электромагнитных полей на экологию
Интенсивное техническое развитие в XX веке и проникновение техники практически во все сферы человеческой жизни привели к революционным изменениям в жизни человечества. Безусловно, технический прогресс кардинально улучшил жизнь человека и дал ему больше возможностей для реализации своих стремлений.
Однако проникновение техники во все сферы человеческой жизни привело к появлению нового вида загрязнения окружающей среды - электромагнитному.
В настоящее время электромагнитное поле (ЭМП) официально признано опасным для здоровья человека и окружающей среды и подлежит обязательному нормированию и контролю.
Дальнейшее развитие средств связи, транспорта, систем передачи обработки информации и других технических средств, генерирующих электромагнитное излучение, неизбежно приведёт к росту электромагнитного воздействия на окружающую среду.
За прошедшее десятилетие произошли изменения в структуре источников электромагнитных полей, связанные с возникновением новых их видов (мобильной связи, wi-fi), расширением частотных диапазонов радио - и телевещания, внедрением систем дистанционного контроля и наблюдения.
Так, например, расширение зоны покрытия мобильной связи приводит к значительному ухудшению электромагнитного фона в окружающей среде.
В 1995 году Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ) электромагнитное загрязнение было названо одной из основных проблем, стоящих перед человечеством, и официально был принят термин "глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды".
В связи с этим было принято решение о реализации так называемого Всемирного электромагнитного проекта (WHO International EMF Project), в котором участвуют практически все технические и культурно развитые страны.
Здесь можно отметить, что определённый уровень электромагнитного излучения является вполне естественным и все живые организмы, в том числе человек, к нему приспособились в процессе длительной эволюции. Проблема возникает при резком (в исторической перспективе) повышении естественного уровня.
Современные средства связи работают, как правило, в СВЧ - и КВЧ-диапазонах электромагнитного излучения. Создаваемая этими средствами связи плотность мощности облучения на поверхности Земли составляет в среднем 10-6.10-7 Вт/см2 или 10-2.10-3 Вт/см2 в случае использования модулированных режимов.
К каким же последствиям для окружающей среды и человека в частности может привести дальнейшее возрастание влияния электромагнитного излучения?
Живой организм - это сложная система, в состав которой входит множество, адаптирующихся к изменению внутренних и внешних условий. Как было установлено многочисленными исследованиями, электромагнитное поле является основным носителем информации внутри биологического объекта. Взаимодействие между различными биологическими объектами также осуществляется посредством электромагнитных излучений.
Внутреннее электромагнитное поле человека имеет ограниченную мощность, определяемую энергетическими возможностями человека, в то же время обеспечивая циркуляцию огромных потоков информации в процессе жизнедеятельности человека.
Способность передавать огромные потоки информации, справляясь с возникающими при этом перегрузками - во многом следствие способности клеток к самоорганизации и адаптации, что является фундаментальным свойством всех живых организмов.
Именно способность живых организмов к самоорганизации, к выработке принципиально новых свойств процессов, во многом и позволила живым организмам эволюционировать.
Однако возникшие в процессе эволюции живые структуры являются достаточно устойчивыми лишь в некотором диапазоне внешних воздействий. При достижении порога устойчивости сильное внешнее воздействие, в том числе электромагнитное, может приводить к потере устойчивости и к появлению сбоев в генетической программе, вызывая разного рода мутации.
Появившиеся мутации имеют целью изменить организм и адаптировать его к новым условиям, то есть перевести его в новое устойчивое состояние. По сути, вся эволюция - это бесконечная последовательная смен таких устойчивых состояний.
Однако быстрый переход в новое состояние зачастую вызывает мутацию с непредсказуемыми для человека последствиями и потому нежелателен, гораздо более предпочтительна постепенная эволюция. Резкая мутация может нарушить генетическую программу настолько, что организм будет попросту нежизнеспособен.
В связи с вышесказанным можно смело утверждать, что сильное внешнее электромагнитное воздействие на живой организм может привести к непредсказуемым генетическим изменениям и потому представляет собой существую опасность для человека и окружающей среды. Возникает необходимость контроля величины этого электромагнитного воздействия, наблюдение за его влиянием на состояние окружающей среды и проектирование новых технических средств с учётом необходимости снижения величины испускаемого ими электромагнитного излучения.
Подобные документы
Технологии, связанные с нанесением тонкопленочных покрытий. Расчет распределения толщины покрытия по поверхности. Технологический цикл нанесения покрытий. Принципы работы установки для нанесения покрытий магнетронным методом с ионным ассистированием.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 04.05.2011Патентная документация, методики поиска патентов, обработка найденной информации. Устройство для нанесения лакокрасочных покрытий в электрическом поле. Нанесение лакокрасочных покрытий в электрическом поле. Нанесение порошкообразных материалов.
курсовая работа [136,8 K], добавлен 30.06.2011Характеристика, свойства и применение современных износостойких наноструктурных покрытий. Методы нанесения покрытий, химические (CVD) и физические (PVD) методы осаждения. Эмпирическое уравнение Холла-Петча. Методы анализа и аттестации покрытий.
реферат [817,5 K], добавлен 26.12.2013Определение и виды лакокрасочных покрытий. Методы их нанесения. Основные свойства лакокрасочных покрытий. Их промежуточная обработка. Защита материалов от разрушения и декоративная отделка поверхности как основное назначение лакокрасочных покрытий.
контрольная работа [172,4 K], добавлен 21.02.2010Виды и свойства керамических покрытий, способы получения. Электронные ускорители низких энергий в технологиях получения покрытий. Нанесение покрытий CVD-методом. Золь-гель технология. Исследование свойств нанесенных покрытий, их возможные дефекты.
курсовая работа [922,9 K], добавлен 11.10.2011Характеристики полимерно-порошкового покрытия. Классификация способов нанесения покрытий. Центробежный метод распыления порошков. Технология порошковой окраски электростатическим напылением - технология зарядки коронным разрядом. Напыление в вакууме.
курсовая работа [497,2 K], добавлен 04.12.2014- Исследование процесса движения частиц в газоплазменном потоке при газотермическом нанесении покрытий
Характеристика основных закономерностей процесса газотермического нанесения покрытий. Устройство плазматрон. Преимущества технологии газотермического нанесения покрытий. Моделирование воздействия концентрированного потока энергии на поверхность.
контрольная работа [3,2 M], добавлен 16.06.2013 Использование космических электрореактивных двигательных установок (ЭДУ) для космических летательных аппаратов с большими временами активного функционирования. Разработка двигательной установки для коррекции орбиты. Расчёт тяговых параметров ЭРДУ.
курсовая работа [545,6 K], добавлен 18.12.2012Понятие и основные этапы вакуумной металлизации как процесса формирования покрытий путем испарения металлов в вакууме и конденсации их на поверхности полимеров. Главные условия эффективного применения данной методики. Свойства полимерных материалов.
курсовая работа [178,2 K], добавлен 12.03.2016Коррозионная стойкость окрашенных изделий. Удаление окисных пленок. Обезжиривание, абразивная очистка, травление, фосфатирование, хроматирование, пассивирование. Классификация процессов нанесения металлических покрытий. Требования к готовым покрытиям.
презентация [180,4 K], добавлен 28.05.2014
