Классификация и особенности конструкции оптических печей

Оптическая печь состоит из источника излучения с необходимой системой электропитания, оптической системы с элементами крепления, юстировки и охлаждения, системы регулирования лучистого потока и рабочей камеры с необходимым технологическим оборудованием.

Для осуществления управляемого (регулируемого) оптического нагрева применяют высокотемпературные искусственные источники лучистой энергии определенного спектрального состава:

1) лампы накаливания с вольфрамовым нагревательным элементом (рабочая температура накала 3400 К) типа ЗС (зеркальные, сушильные), создающие поток излучения плотностью до 1 Вт/см², и типа КИ (кварцевые, инфракрасные, с добавкой к газовому наполнению паров йода), создающие поток излучения плотностью до 40...50 Вт/см²;

2) графитовые нагревательные элементы, нагреваемые до 2000 К (на воздухе, с защитным покрытием из карбида кремния против окисления) или до 2800 К (в инертной атмосфере) и создающие поток излучения плотностью до 70 Вт/см²;

3) дугу высокой интенсивности, горящую между угольными электродами с примесью фтористых соединений церия, солей лантана и других соединений («угли» типа БП на силу тока до 1 кА) и характеризующуюся спектром излучения, близким к солнечному, высокой эффективностью (до 35 %)преобразования электрической энергии в лучистый поток плотностью 0,5...2 кВт/см². Недостатком такого источника является окисление углей и необходимость их замены в среднем через каждые 15 мин работы ОП;

4) газоразрядные ксеноновые лампы сверхвысокого давления типа ДКсШ (шаровые) или ДКсР (разборные), в которых электрическая дуга с силой постоянного тока 100...250 A горит в атмосфере ксенона при рабочем давлении до 2,5 МПа, имеет температуру у катода до 12000 К и создает поток излучения плотностью до 1,8 кВт/см², что почти в три раза превышает облученность поверхности Земли от Солнца (поверхность Солнца излучает поток плотностью до 10 кВт/см²). Ксеноновые лампы имеют наибольшую эффективность, создавая удельный (на 1 Вт электрической мощности) световой поток 45...55 лм/Вт по сравнению с 28...33 лм/Вт для угольных дуг, и срок службы в течение сотен часов;

5) плазменные излучатели в виде дугового плазматрона косвенного действия, создающие поток излучения плотностью в несколько десятков киловатт на квадратный сантиметр.

Как уже отмечалось, ОП может иметь отражательную или преломляющую оптические системы. В первом случае источник излучения находится внутри оптической системы и конструкционные элементы источника и рабочей камеры с нагреваемым объектом затеняют часть светового потока и снижают эффективность работы ОП; во втором случае источник излучения и изображение находятся вне оптической системы, однако из-за ограниченного угла охвата лучей системой собирающих линз только малая часть световой энергии, излучаемой источником, достигает изображения. Кроме этого, линзы поглощают часть спектра излучения. Поэтому в ОП в основном применяют отражающие оптические системы в виде сферических, эллипсоидных и параболоидных зеркал (рис. 129) с углом охвата источника излучения (так называемая угловая апертура*) α > 90° и минимальным поглощением светового потока.

Рис. 129. Схемы отражательной системы ОП:
а – бипараболоидная; б – моноэллипсоидная; в – моноэллипсоидная с тремя отражателями; г – биэллипсоидная; д – разрезная эллипсоидная; е – одиночная бипараболоидная; ж – двойная бипараболоидная;
А – источник излучения; В – «изображение», где помещают нагреваемое изделие; С – промежуточное «изображение»; 1 – отражатель;
2 – контротражатель

Одно параболоидное зеркало можно использовать для фокусирования излучения Солнца, но необходимо иметь дополнительное плоское зеркало, направляющее солнечные лучи на параболоидное зеркало с помощью механизма слежения (гелиостата) за положением Солнца. В современных солнечных печах диаметр параболоидного зеркала достигает 2...10 м, а температура нагрева 3000...4000 К.

В ОП с искусственными источниками излучения необходимо иметь два параболоидных зеркала (бипараболоидная оптическая система), расположенных рабочими поверхностями навстречу один другому так, что одно, в фокусе которого расположен источник излучения, создает параллельные лучи света, а второе, в фокусе которого располагают рабочую камеру с нагреваемым объектом, концентрирует их, формируя изображение источника излучения (см. рис. 129, а). В таких системах размер изображения равен размеру источника излучения или превышает его.

Поскольку эллипсоидное зеркало имеет два фокуса (см. рис. 129, б),размеры изображения определяются эксцентриситетом эллипса. Поэтому во втором фокусе зеркала образуется увеличенное изображение источника излучения, что ограничивает облученность в рабочей зоне при данной яркости источника.

При необходимости размер изображения можно получить меньше размера источника с помощью системы линз, помещенных вблизи второго фокуса моноэллипсоидной системы, но при этом теряется 20...40 % мощности лучистого потока.

Если применить несколько моноэллипсоидных оптических систем с общим фокусом (см. рис. 129, в) или разрезную эллипсоидную систему (см. рис. 129, д),можно увеличить облученность, повысить температуру и создать условия для более равномерного нагрева в объеме рабочей зоны.

Биэллипсоидная оптическая система (см. рис. 129, г)состоит из двух эллипсоидных зеркал равного или различного диаметра. При одинаковом эксцентриситете зеркал удается получить изображение, равное по размеру источнику излучения. В промежуточном фокусе (точка С) системы образуется изображение увеличенного размера, допускающее бесконтактное измерение температуры нагреваемого объекта, простое регулирование лучистого потока, поворот оптической оси системы с помощью дополнительных плоских зеркал, применение двух источников излучения, работающих поочередно (при малом ресурсе) или одновременно.

Для улучшения качества оптического нагрева с помощью параболоидных зеркал применяют, например, двойную бипараболоидную систему (см. рис. 129, ж),состоящую из двух параболоидных зеркал с отверстиями при вершинах и расположенных выходными отверстиями навстречу друг другу, что позволяет облучать нагреваемый объект с двух сторон и вдвое большей облученностью.

Для повышения коэффициента использования лучистого потока вблизи источников излучения устанавливают сферические или параболо-эллипсоидные зеркала малого диаметра с большим углом охвата (α = 180°), которые собирают лучистый поток, не попавший в основную отражательную систему, и направляют его через прозрачное светящее тело излучателя (например, дуга высокой интенсивности) в эту систему (так называемые контротражатели 2 на рис. 129, в, д, е, ж). Контротражатель налагает перевернутое изображение источника излучения на его прямое изображение, способствуя этим увеличению полезного лучистого потока ОП (примерно на 50...55 %) и улучшению равномерности облученности в рабочей зоне.

В большинстве ОП используют стеклянные зеркала с наружным и реже с тыльным серебряным или алюминиевым покрытием, имеющие отражательную способность порядка 0,9...0,95. Металлические зеркала с наружным хромированием или серебрением имеют меньшую оптическую точность, хотя более удобны в эксплуатации.