Повышение эффективности плазмохимического процесса очистки и нанесения покрытий на кварцевые трубы путем автоматической стабилизации температуры технологически значимых зон

Изделия из кварцевого стекла в настоящее время находят все более широкоеприменение. Данный продукт обладает комплексом исключительно ценных физико-химических свойств [1, 24, 56] -огнеупорностью, термостойкостью, кислотоупорностью, высокими диэлектрическими и акустическими свойствами, прозрачностью в широком диапазоне ультрафиолетовых и инфракрасных волн, волн видимого спектра и спектра различных радиочастот. Оно отличается высокой оптической однородностью. Эти свойства и определили применение кварцевого стекла в атомной энергетике, авиационной и космической технике, радиоэлектронике, химии, оптическом приборостроении, светотехнике, металлургии и во многих других областях промышленности. В машиностроении наибольшее распространение нашли кварцевые трубы большого и малого диаметра. Одним из применений кварцевых труб большого диаметра является использование их в качестве реакторов при легировании подложек изделий электронной техники (ИЭТ) {51,-65,97]. Сущность процесса заключается в следующем. Полупроводниковые пластины на специальных лодочках вводятся в кварцевую трубу — реактор, который помещается в диффузную печь и нагревается до температуры порядка 800−1200°С. Реакторы из кварцевого стекла, применяемые в диффузных процессах должны удовлетворять целому ряду жестких требований. Допустимая концентрация инородных веществ в реакционном пространстве чрезвычайно мала. Кварцевое стекло перед вытяжкой в трубу проходит трехступенчатую очистку. Однако после нее в стекле остаются такие включения как натрий, железо, кальций, медь, которые при нагреве кварцевой трубы до рабочей температуры начинают диффундировать, прежде всего, с приповерхностного слоя кварцевой трубы, в реакционное пространство, создавая тем самым недопустимую концентрацию примесей. Особенно чувствительна технология диффузии к наличию меди. При недостаточном обеспечении чистоты процесса подложку приходится выбраковывать уже на стадии легирования. Таким образом, встает задача очистки приповерхностного слоя кварцевой трубы. Другим важным требованием, предъявляемым к реактору, является устойчивость к деформации при многократном изменении температуры от рабочей до комнатной (термоциклах). Наличие микротрещин, раковин в кварцевой трубе, образовавшихся в процессе вытяжки, а также близость рабочей температуры реактора к температуре плавления кварцевого стекла приводят к тому, что возникает деформация кварцевой трубы, она начинает «провисать». В результате лодочки с обрабатываемыми пластинами не могут быть извлечены из реактора как правило уже после трех — четырех термоциклов. Возникает задача покрытия поверхности кварцевой трубы материалом, имеющим более высокую температуру плавления т. е. армирования кварцевой трубы. Для решения указанных задач разработан метод обработки плазмой внутренней и наружной поверхностей с нанесением упрочняющего' слоя на наружную поверхность кварцевой трубы [15, 18, 28, 48, 54, 70 — 72, 76, 101]. Однако применение подобной технологии сопряжено с рядом проблем, не имеющих на нынешнем этапе эффективного решения. Одна из них заключается в том, что САР известных установок для очистки с нанесением покрытий на кварцевые трубы не обеспечивает достаточной точности поддержания температуры технологически значимых зон, от которой зависит качество обработки в целом и прежде всего качество получаемого покрытия. Решению задачи повышения эффективности плазмохимического процесса очистки с нанесением покрытий на кварцевые трубы путем улучшения качества регулирования температуры технологически значимых зон и посвящена данная работа.

Плазмохимическая очистка с нанесением покрытий осуществляется за один цикл и может быть разбита на два относительно самостоятельных процесса: плазмохимической очистки и плазменного напыления покрытия. Все операции осуществляются с помощью трех электродуговых плазматронов, генерирующих азотную плазму со среднемассовой температурой порядка (Т&- 6000ч- 8000К) [32, 62, 83, 86]. Один плазматрон устанавливается внутри кварцевой трубы. Он осуществляет нагрев приповерхностного слоя кварцевой трубы до температуры порядка 3000К. При этом часть слоя (порядка 10−15мкм) испаряется. Часть (5−10мкм) испаряется с последующим обратным осаждением на кварцевую трубу. Осаждения инородных включений на поверхность трубы не происходит, поскольку при данной температуре кинетическая энергия их частиц оказывается слишком велика для возвращения на трубу. Наличие жидкой фазы кварцевого стекла обеспечивает устранение раковин и микротрещин с внутренней поверхности трубы. Таким образом осуществляется плазмохимическая очистка. Два плазматрона обрабатывают наружную поверхность кварцевой трубы, обеспечивая модификацию поверхности и нанесение покрытия. Первый плазматрон осуществляет обработку, аналогичную той, что осуществляется внутренним плазматроном, и практически в том же тепловом режиме. Однако ее главная цель не очистка, а устранение микротрещин и раковин, а также предварительный подогрев основания для последующего нанесения покрытия. Второй наружный плазматрон — двухструйный. Его задачами являются окончательный разогрев основания, нагрев порошка покрытия — двуокиси алюминия — и транспортировка его к поверхности кварцевой трубы. Наиболее требовательной к поддержанию заданных технологических параметров является процесс, осуществляемый на наружной поверхности кварцевой трубы. Качество процесса очистки внутренней поверхности обеспечивается небольшим перегревом поверхности. Изменение толщины трубы за счет избыточного испарения при этом незначительно. Поэтому требования по поддержанию температуры зоны нагрева достаточно мягкие — и. составляют ± 7%. Они могут быть обеспечены без замыкания САР по температуре посредством стабилизации задающих ее параметров. Тем более, что измерение температуры внутренней поверхности кварцевой трубы представляет собой задачу, не имеющую на нынешнем этапе решения. Обеспечение качественного покрытия требует более точного поддержания параметров технологического процесса. Таких основополагающих параметра два — стабильность расхода порошка, вдуваемого в рабочую зону, обеспечиваемая дозатором порошка, и стабильность температур технологически значимых зон. Погрешность поддержания температур задается 5% и 3% от заданных значений. Различают три технологически значимые зоны. В первой зоне осуществляется нагрев приповерхностного слоя кварцевой трубы. Во второй зоне происходит испарение нагретого приповерхностного слоя и смешение его с порошком материала покрытия, предварительно нагретого в струе плазмы [69, 94, 99, 100, 102]. В третьей зоне происходит свободное осаждение смеси на поверхность кварцевой трубы. Необходимость точного поддержания температуры в каждой точке трубы обусловлена еще тем, что кварцевое стекло имеет низкую теплопроводность, и погрешность нагрева конкретного участка не может быть скомпенсирована распространением теплоты от соседних точек. Технологический процесс очистки кварцевых труб протекает достаточно быстро — скорость линейного перемещения плазматрона может превышать 500 мм/мин. Это обуславливает необходимость отработки ошибки регулирования за время, не превышающее 0,5с. Требования к точности поддержания температуры требуют замкнутую САР температуры. Однако большинство известных установок имеют незамкнутую САР [76, 105]. Система регулирования не замкнута по температуре из-за отсутствия эффективного регулятора. Нестабильность тока дуги плазмы, а также отсутствие отработки ошибки по прочим возмущениям (САР не замкнута) существенно ухудшают качество получаемого покрытия.

Для повышения качества технологического процесса первоначально была поставлена задача обеспечения точности поддержания тока дуги плазматрона. Для ее решения предлагается использовать в качестве системы регулирования тока дуги плазматрона параметрический трансформатор. Он представляет собой универсальную САР тока и напряжения и имеет естественную прямоугольную внешнюю характеристику без введения дополнительного регулирования. Таким образом, применение в составе САР температуры технологически значимых зон параметрического трансформатора само по себе позволит обеспечить стабильность тока дуги плазматрона. Однако применение подобной системы в данном случае, как и во многих других, в значительной степени затруднено отсутствием методики расчета параметров устройства.

Параметрический трансформатор является одной из систем на базе параметрического резонанса [23, 29, 30, 95, 111]. Параметрический резонанс — явление быстрого возрастания колебаний в электрической или механической системе при периодическом изменении её параметров. Устройства, использующие параметрический эффект, известны в отечественной литературе под общим названием параметроны. Одна из интересных особенностей параметрона заключается в том, что при наличии феррорезонанса в системе относительный фазовый сдвиг индукций в магнитопроводах принимает промежуточное значение от 0° до 180° [20, 21, 30, 41]. Это свойство было впервые описано J1.A. Бессоновым [20]. Дальнейшее изучение этого свойства привело к появлению целого класса так называемых автопараметрических цепей. Ценный вклад в развитие теории и практического применения автопараметрических цепей внесли Г. Р. Рахимов, A.C. Каримов, Е. И. Гольдштейн, В. Н. Станевко, В. А. Горшечников, Б. А. Евдокимов, A.B. Манин, В. Р. Клюковкин и другие [29, 36, 37, 64, 91]. Параметрические трансформаторы являются многофункциональными САР, то есть они одновременно могут осуществлять целый ряд функций: регулирования тока [9, 11, 63, 89], регулирования напряжения [12, 13], фильтрации помех [78], защиты источника питания от короткого замыкания в нагрузке. Наличие в выходном напряжении и токе параметрического трансформатора третьей гармоники существенно снижает уровень пульсаций при выпрямлении его схемой Ларионова (менее 5%). Параметрический трансформатор обладает хорошей электромагнитной совместимостью по питанию. Кроме того, при определенных условиях он может осуществлять компенсацию реактивной мощности [2, 55], создаваемой другими устройствами, которая, как известно, обычно носит индуктивный характер. Таким образом, напрашивается вывод о том, что в качестве САР тока дуги плазмы целесообразно использовать параметрический трансформатор. Однако с введением в состав САР данного устройства возникает ряд проблем. Режимы работы параметрического трансформатора описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, которые в общем виде не имеют аналитического решения. Известно множество методик [36, 37, 55, 57, 67, 84, 92, 93], основанных на том или ином упрощении и линеаризации порождающего уравнения. Однако они предназначены для расчета САР напряжения, и при расчете системы регулирования тока дают погрешность, превышающую 30%. Поэтому после расчета и изготовления системы потребуется весьма существенная экспериментальной подгонка. Учитывая большие мощности установок, а также их количество можно сделать вывод об очевидной необходимости разработки методики синтеза параметрического трансформатора, позволяющей избежать экспериментальной доработки. Для создания такой методики необходимо, прежде всего, иметь точную математическую модель динамической кривой перемагничивания магнитопровода параметрического трансформатора. Это устройство работает на «колене» характеристики, где сказывается не только ее нелинейный характер, но и потери на гистерезис. Более того, принцип действия всех параметронов основан на нелинейности этой характеристики. Поскольку вид этой кривой определяющим образом влияет на все режимы работы параметрического трансформатора, то необходимо не только определить наиболее точный способ аппроксимации динамической кривой перемагничивания, но и получить методику, которая позволяла бы с помощью опыта определять параметры такой аппроксимации.

Как уже было сказано, для замыкания САР по температуре необходимо иметь соответствующий регулятор. Наиболее эффективно температуру можно регулировать изменением тока дуги плазматрона, т. е. •регулированием положения крутопадающего участка внешней характеристики параметрического трансформатора. Изменение положения крутопадающего участка параметрического трансформатора осуществлялось в известных установках управлением энергией параметрического контура. Однако такое управление существенно снижает к.п.д. устройства, увеличивает коэффициент пульсаций выпрямленного тока и может нарушить вертикальность крутопадающего участка внешней характеристики при замыкании САР по температуре [90].

В ходе данных исследований была выявлена зависимость положения крутопадающего участка внешней характеристики параметрического трансформатора от входного напряжения. Это обуславливает целесообразность введения в САР температуры позиционного регулятора входного напряжения параметрического трансформатора для осуществления его стабилизации. Кроме того, подобное явление дает предположительную возможность замыкания САР по температуре с регулятором — параметрическим трансформатором, однако для оценки эффективности такого регулирования и получения закона регулирования встает задача получения переходной и регулировочной характеристики параметрического трансформатора.

Для обеспечения эффективной стабилизации входного напряжения, подаваемого на параметрический трансформатор, требуется, чтобы время отработки ошибки позиционного регулятора входного напряжения не превышало бы времени начала переходного процесса в параметрическом трансформаторе при воздействии ступенчатого возмущения максимальной, определяемой границами регулирования амплитуды, то есть момента, когда отклик на возмущение превысит 5% от своего первоначального значения. Поскольку быстродействие системы стабилизации напряжения в схемном исполнении определяется быстродействием измерительного органа [45], встает задача разработки быстродействующего датчика напряжения. Требования к точности, быстродействию, а также тот факт, что система управления процессом цифровая, обуславливают необходимость применения цифрового датчика. Таким образом, встает задача исследования существующих методик цифрового измерения действующего значения сигнала, выбор метода, наиболее удовлетворяющего требованиям к САР и оценки точности и быстродействия измерителя.

Цель работы и задачи исследования.

Целью работы является решение задачи повышения эффективности плазмохимического процесса очистки и нанесения покрытий на кварцевые трубы путем улучшения качества регулирования температуры технологически значимых зон. Это определило необходимость решения следующих основных задач:

— ' анализа влияния стабильности температуры на качество процесса очистки и нанесения покрытий;

— анализа влияния на температуру различных значимых факторов технологического процесса;

— разработки замкнутой САР температуры технологически значимых зон и оценки качества ее работы;

— разработки САР тока дуги плазмы, обеспечивающей вертикальную внешнюю характеристику;

— определения способа регулирования положения крутопадающего участка внешней характеристики параметрического трансформатора;

— получения регулировочной и переходной характеристик параметрического трансформатора при управлении входным напряжением;

— анализа существующих методов аппроксимации динамической кривой перемагничивания магнитопровода и разработки методики определения ее параметров;

— разработки методики синтеза параметрического трансформатора в режиме САР тока;

— анализа существующих методов цифрового измерения действующего. значения, исследования точности и разработки схемы измерителя, соответствующего предъявляемым к САР требованиям по точности и быстродействию.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач в работе использованы численно-аналитические и экспериментальные методы исследований с применением современных средств вычислительной техники. Полученные теоретические соотношения проверялись на лабораторных установках мощностью 200ВА, 600ВА и 8кВА. Расчет параметров аппроксимации динамической кривой перемагничивания по результатам опыта осуществлялся по методу наименьших квадратов. Алгоритм анализа режимов работы параметрического трансформатора разрабатывался на основании методов гармонической линеаризации и последовательных интервалов.

Научная новизна.

1. Предложен метод динамического регулирования температуры плазмохимического процесса очистки с нанесением упрочняющего покрытия на кварцевые трубы током дуги плазматрона.

2. Исследована эффективность системы регулирования температуры технологически значимых зон процесса очистки и нанесения покрытий на кварцевые трубы на базе параметрического трансформатора. '.

3. В качестве стабилизатора тока дуги плазмы предлагается параметрический трансформатор.

4. Предложен метод регулирования положения крутопадающего участка внешней характеристики параметрического трансформатора входным напряжением.

5. Получены регулировочная и переходная характеристики параметрического трансформатора при регулировании положения крутопадающего участка внешней характеристики входным напряжением.

6. Осуществлен выбор аппроксимации динамической кривой перемагничивания для электротехнической стали, и получен алгоритм, позволяющий с использованием метода наименьших квадратов рассчитать параметры аппроксимации. ¦

7. Предложена методика анализа режимов работы параметрического трансформатора по методу гармонической линеаризации, и представлены рекомендации по ее применению.

8. Предложена методика анализа режимов работы параметрического трансформатора по методу последовательных интервалов, и представлены рекомендации по ее применению.

9. Предложена универсальная методика синтеза параметрического трансформатора.

10. Осуществлено исследование точности измерения действующего значения по методу прямых хорд.

Практическая ценность.

1. Предложена САР температуры технологического процесса обжига кварцевых труб на базе параметрического трансформатора, позволяющая обеспечить требуемое время отработки ошибки регулирования температуры 0,5с., применение которой дает ожидаемое увеличение выхода годных до 70%.

2. В качестве САР тока дуги плазмы предложен параметрический трансформатор, что обеспечило увеличение выхода годных до 60%.

3. Разработана система регулирования тока дугового плазматрона на базе параметрического трансформатора с управлением по входному напряжению, позволяющая обеспечить требуемую нестабильность тока 5% как в статическом, так и в динамическом режиме.

4. Разработана методика и на основании нее предложена программа в среде Ма1ЬаЬ, рассчитывающая по результатам опыта коэффициенты аппроксимации динамической кривой перемагничивания электротехнической стали, а также параметры параллельной схемы.

• замещения катушки со сталью с максимальной погрешностью 5%.

5. Разработана методика анализа режимов работы параметрического трансформатора по методу гармонической линеаризации и методу последовательных интервалов предложены программы, позволяющие рассчитать электрический режим работы схемы по данным методам с погрешностью 3%. а.

6. Предложена методика синтеза параметрического трансформатора, обеспечивающая погрешность расчета схемы в пределах 3%.

7. Предложена схема измерителя действующего значения напряжения, осуществляющего измерение по методу прямых хорд, позволяющая измерять действующее значение напряжения в течение 1 полупериода сетевого напряжения (0,01с.) в пределах с максимальной погрешностью, составляющей 2%.

8. В учебной дисциплине «Основы теории цепей» в лабораторной работе «Исследование параметрического трансформатора» используется лабораторная установка, использованная при выполнении экспериментальных исследований по теме диссертации.

9. В учебном пособии «Матричные методы анализа электронных схем», подготовленном к изданию Юдиным В. В. в 1997 г. в разделе «Использование матриц в задачах анализа» использованы результаты исследований, проведенных при анализе режимов работы параметрического трансформатора.

10.Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, будут в качестве мероприятия включены в перспективный план технического перевооружения производства АО ВМЗ.

11 .Предложенная САР температуры будет внедрена при модернизации установки для плазмохимической очистки с нанесением покрытий на кварцевые трубы большого диаметра в АО «Алгоритм». 12. Предложенная методика синтеза параметрического внедрена в АО «Алгоритм» для расчета устройств на базе параметрического резонанса.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 1 учебное пособие в двух частях, 3 тезиса докладов, 1 статья, 3 методических пособия, 4 депонированных рукописи.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 229 страниц основного машинописного текста, иллюстрированного 83 рисунками и 3 таблицами. Работа имеет список литературы из 114 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ.

РАБОТЫ.

На основании теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты.

1. Предложена замкнутая САР температуры технологического процесса очистки с нанесением покрытий на кварцевые трубы на базе параметрического трансформатора, позволяющая обеспечить требуемое время отработки ошибки регулирования температуры 0,5с., что дает ожидаемое увеличение выхода годных изделий с 40% до 70%.

2. В качестве САР тока дуги плазмы предложен параметрический трансформатор. Разработана система регулирования тока дугового плазматрона на базе параметрического трансформатора с управлением по входному напряжению.

3. Разработана методика и на основании нее предложена программа в среде Ма&аЬ, рассчитывающая по результатам опыта коэффициенты аппроксимации динамической кривой перемагничивания электротехнической стали, а также параметры параллельной схемы замещения катушки со сталью с максимальной погрешностью 5%.

4. Разработана методика анализа режимов работы параметрического трансформатора по методу гармонической линеаризации и методу последовательных интервалов предложены программы, позволяющие рассчитать электрический режим работы схемы по данным методам с погрешностью 3%.

5. Предложена методика синтеза параметрического трансформатора, обеспечивающая погрешность расчета схекы в пределах 3%.

6. Предложена схема измерителя действующего значения напряжения, осуществляющего измерение по методу прямых хорд, позволяющая измерять действующее значение напряжения в течение 1 полупериода сетевого напряжения (0,01с.) впределах 220*1 $% В с максимальной погрешностью, составляющей 2%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.