CS274482B2

CS274482B2 - Method of tungsten spirals' continuous thermal treatment and equipment for realization of this method

Info

Publication number: CS274482B2
Application number: CS683088A
Authority: CS
Inventors: Tibor Ing Ferenczi; Laszlo Kovacs; Attila Dr Szathmari
Original assignee: Tungsram Reszvenytarsasag
Priority date: 1987-10-22
Filing date: 1988-10-17
Publication date: 1991-04-11
Also published as: HU207907B; NL8802551A; US4923529A; DE3835616A1; SE8803719A0; CS683088A2; PL275401A1; CH678066A5; SE8803719D0; DD275757A5; HUT48689A

Description

(57) Předmětem řešení Je způsob kontinuálního tepelného zpracovaní wolframových spirál na molybdenových trnech, přičemž epirála se vede napřed vlhkou vodíkovou atmosférou při teplotě 1 300 °C a potom suchou vodíkovou atmosférou při teplotě 1 700 až 1 850 °C. Podstatou způsobu je,

Že doba průchodu wolframového drátu určeného k tepelnému zpracování je v tepelné zóně 3 až 7 a, s výhodou 5 sekund, ale doba průchodu úseku s vysokou teplotou 1 700 až 1 850 °C je maximálně 7 sekund. Řešení se také týká vhodného zařízení k uskutečnění způsobu, které se skládá ze dvou žíhací ch trubic z kovu s vysokým bodem tání, z převodních nebo směr měnících kol k navíjení a odvíjení spirál a ze zařízení k měření teploty a regulačního zařízení. Podstatou tohoto zařízení je, že wolframová spirála je vedena v axiálním směru žíhacími trubicemi zhotovenými z kovu s vysokou teplotou tání a s malou tepelnou setrvačností, vyhřívanými přímým průchodem proudu, které jsou vyhřívány pomocí výkonové jednotky přímým průchodem proudu a měření teploty se provádí měřením odporu žíhací trubice pomocí elektronického řízení procházejícího proudu.

(11)
(13)	B2
(51)	Int.	Cl.⁵
	H 01	K 3/04
	H 01	K 3/02

•Θ

CS 274 482 B2

Vynález ae týká způsobu kontinuálního tepelného zpracování wolframových apirál na molybdenových trnech, přičemž spirála se vede napřed vlhkou vodíkovou atmosférou při teplotě 1 300 °C a potom suchou vodíkovou atmosférou při teplotě 1 700 až 1 850 °C.

Vynález se také týká zařízení, které sestává ze dvou žíhacích trubic z kovu s vysokou teplotou tání, převodového kola, Jednotky k navíjení a odvíjení spirály, přírub plynu a chladicí vody, proudových přívodů, regulační jednotky a jednotky měření teploty.

Důležitým krokem ve spiralizační technologii ve výrobě světelných zdrojů je žíhá cí proces, který znamená tepelné zpracování sekundárních wolframových spirál na molybdenovém trnu.

Žíhací technologie sleduje dva důležité cíle, a to tepelné zpracování vedoucí k degrafitizaci spirál, což jest Čisticí tepelné zpracování, a fixaci wolframových spirál na molybdenovém trnu, což jest fixační tepelné zpracování.

Podle současně známé a současný stav techniky reprezentující metody se čisticí žíhání provádí při teplotě 1 100 až 1 300 °C ve vlhké vodíkové atmosféře a v jejím průběhu se grafit, nacházející se na spirále a používající se při tažení jako mazací prostředek, spálí obsahem kyslíku ve vodní páře. Po spiralizaci následuje fixační žíhání k fixaci geometrie spirály při teplotě 1 600 °C v suché vodíkové atmosféře.

V průběhu těchto pracovních kroků se musí volit rychlost protahování spiralizovaného drátu tak, aby trvání tepelného zpracování, to jest celková doba prodlevy daného úseku drátu v žíhacím prostoru činilo asi 2 s. To má za následek, že rychlost protahování je neobyčejně nízká, například v případě 200 mm dlouhé zóny tepelného zpracování činí 0,01 m/s, a proto je produktivita velmi nízká.

Na teplotě 1 600 °C může spirála zůstat delší dobu aniž by zkřehla, ale při vyšší teplotě v případě tepelného zpracování trvajícího řádově minuty způsobuje žíhání primární rekrystalizaci wolframové spirály. Spirála zkřehne a nehodí se pro montáž.

Nad touto teplotou stává se i molybdenový trn křehkým a lámavým.

Tepelné zpracování je možno považovat teprve tehdy za úspěšné, jestliže ani molybdenový trn, ani wolframová spirála nezkřehnou a spirála i po odstranění trnu zachová svůj tvar.

Nedostatkem výše popsaného způsobu, který representuje současný 3tav techniky je značná spotřeba energie, a to jak elektrické energie, tak i vodíku a relativní pomalost způsobu, čili způsob není dostatečně produktivní. Úkolem vynálezu je vytvořit takový způsob tepelného zpracování spirál a vytvořit takové zařízení, s jejichž pomocí by bylo možné podstatně snížit spotřebu energie při současném zvýšení produktivity.

Na základě pokusů a zkušeností ve výrobě bylo zjištěno, že oba výše uvedené žíhací parametry, teplota a doba prodlevy mohou být v určitých mezích sloučeny. Bylo zjištěno, že v případě podstatného zvýšení žíhací teploty může být zkrácena doba žíhání a tento poznatek nabízí možnost vývoje způsobu tepelného zpracování, který splňuje požadavky při podstatně zkrácené době zpracování. Bylo zjištěno, že mechanická napětí ve wolframové spirále odeznívají při 1 800 °C během přibližně 5 sekund, kdy dochází k relaxaci, přičemž během této krátké doby molybdenový trn a wolframová spirála ještě nezkřehnou. V případě 0,5 m dlouhé vyhřívací zóny lze použít rychlosti protahování 0,1 m/s.

V tomto případě nelze však už měnit v širokých mezích prodlevu spirály v žíhacím prostoi’u. Doba prodlevy se může pohybovat jen v určitém časovém rozpětí, které závisí od teploty přehřátí nad základní teploty 1 600 °C. V případě kratší doby žíhání nevymizí spiralizaci způsobená mechanická napětí úplně a tak dochází ke smrštění

CS 274 482 B2 spirály po vyjmutí molybdenového trnu, zatímco v případě delší prodlevy drátu dochází k výše uvedenému křehnutí.

Tento problém byl vyřešen způsobem a rychložíhacím zařízením podle vynálezu, přičemž žíhací teplota při stojící spirále je jen základní teplotou, ale při zahájení protahování spirály rychlostí danou předchozími úvahami se zvedne současně teplota žíhacího prostoru o danou hodnotu s časovou konstantou asi 800 ms. Po dosažení požadované žíhací teploty zaručuje digitální přesný regulační systém teplotní stabili tu v tolerančním rozsahu + 20 °C. Při přerušení tažného procesu z libovolného důvodu nastává zpětné ochlazení systému na základní hodnotu teploty přibližné stejnou rychlostí jako při ohřevu.

Řešení této úlohy bylo umožněno uspořádáním ohřevu s malou tepelnou setrvačností, spočívající na zpracování signálu a dat mikroprocesorovým systémem, který umožňuje rychlé a velmi přesné měření žíhací teploty, které umožňuje rychlé nastavení výkonového řízení při změnách teploty, bez překmitů, s výhodou pomocí digitální PI regulace, což má za následek vysokou stabilitu při udržování teploty.

Vynález se tedy týká způsobu kontinuálního tepelného zpracování wolframových spirál na molybdenových trnech, v jehož průběhu se spirály vedou napřed vlhkou vodíkovou atmosférou při teplotě 1 300 °C a potom suchou vodíkovou atmosférou při teplotě 1 700 až 1 850 °C. Podle vynálezu je doba průchodu wolframových spirál při tepelném zpracování ve vyhřívaných zónách 3 až 7 sekund, s výhodou ale 5 sekund, přičemž ale doba průchodu v úseku s vysokou teplotou 1 700 až 1 850 °G je nejvýše 7 sekund.

Vynález se také týká zařízení, které se skládá ze dvou žihacich trubic z kovu s vysokou teplotou tání, převodního kola, jednotky sloužící k navíjení a odvíjení spirál, jednotky měřící teplotu a regulační jednotky. Podle vynálezu je vedena wolframová spirála v axiálním směru žíhacími trubicemi, které jsou přímo žhaveny průchodem proudu a zhotoveny z kovu s vysokou teplotou tání a malou tepelnou setrvačností, které se nahřívají v klidové poloze wolframových spirál pomocí elektrické výkonové jednotky, při čisticím žíhání na plnou teplotu a při fixačním žíhání pouze na základní teplotu, při zahájení pohybu spiralizovaného drátu na žíhací teplotu s krátkou časovou konstantou zvýšenou o určitou hodnotu, zatím co při zastavení pohybu spiralizovaného wolframového drátu ochladí výkonová jednotka drát podobně rychle na základní teplotu, následuje rychlé a přímé měření teploty žihacich trubic pomocí vyhodnocení jejich elektrického odporu, které se zpracuje v elektronické jednotce a použije se jednak k řízení výkonové jednotky, jednak k indikaci teploty, čisticí a žíhací proces probíhá pod společným zvonem tak, že vlhký vodík se vede přímo do žíhací trubice nacházející se v prvním žíhacím prostoru, zatím co suchý vodík se vede přímo do žíhací trubice nacházející se v druhém žíhacím prostoru a oba plyny vykazující rozdílné obsahy vlhkosti se smísí teprve ve zvonu, který je nahoře uzavřen a potom se spiralizovaný wolframový drát vyvádí ven dole ze zvonu ve změněném směru.

Vynález bude dále podrobně popsán za pomoci připojených výkresů, kde na obr. 1 je náčrtek žíhací jednotky podle vynálezu, na obr. 2 je náčrtek konstrukce žihacich prostorů a na obr, 3 js blokové schéma regulace teploty žíhací jednotky.

U žíhací jednotky podle vynálezu, viz obr. 1, je spiralizovaný wolframový drát 2 určený k žíhání uspořádán na cívce 2 na odvíjecí jednotce 2 ^a jeho další transport se provádí pomocí transportního válečku 4. a hnacího řemínku. Transportní váleček 4 a hnací řemínek zajišťují konstantní rychlost protahování spiralizovaného wolframového drátu 1_· Spiralizovaný wolframový drát 1_ se dostává přes převodní kola 5, 6 a vodítko 2 os cívku 2 navíjecí jednotky 8.

Výše zmíněné degrafitizační a fixační žíhání se provádí v žihacich prostorách

CS 274 4S2 B2

10, 11 uspořádaných ve společném zvonu 9. Ochranný plyn se přivádí přímo do žíhací trubice 12 způsobem zřejmým z obrázku, a to do žíhací trubice 12, nacházející se v žíhacím prostoru 11 se přivádí suchý vodík, do žíhací trubice 12 v žíhacím prostoru ae přivádí vlhký vodík. Plyny vycházející ze žíhacích trubic 12 se mísí ve zvonu 9.

Při obvyklém protahování drátu se nemůže provést uzavření žíhacího prostoru dostatečné, protože apiralizovaný drát musí být vyveden v horní části zvonu. To má za následek velkou spotřebu ochranného plynu, protože vodík, který má menší specifickou hmotnost než vzduch, intenzivně proudí okolo spiralizovaného drátu ven. U uspořádání podle vynálezu apiralizovaný wolframový drát se však vyvádí po změně směru o 180° ze zvonu 9 dole, což umožňuje použít nahoře uzavřený zvon.

V tomto případě může vodík proudit ze zvonu £ pouze dole, až se celý vnitřní prostor zvonu vyplní. Tato metoda umožňuje snížit množství přiváděného ochranného plynu a tak se sníží i množství ochranného plynu vztaženého na jednu spirálu o jeden řád.

Druhou výhodou použití nahoře uzavřeného zvonu je, že při výpadku přívodu vodíku nemůže do zvonu <3 vniknout žádný vzduch, takže i když žíhací trubice zůstávají ještě určitou dobu žhavé, nemůže dojít k explozi.

Lineární tepelná roztažnost a přímost, to jest nulové zakřivení žíhacích trubic 12 zajištují napínací pružiny 13.

Konstrukce žíhacích prostorů 10 a 11 je patrná z obr. 2. Žíhací trubice 12 jsou obklopeny dvěma zrcadly 14, 15 zpětně odrážejícími teplo, keramickou trubicí 16 a chladicí vodní spirálou 17.· Kovová, teplo zpětně odrážející zrcadla 14, 12 ^a keramická trubice 16 snižují vyzařování tepelné energie. Při zavedení nebo znovuzavedení spiralizovaného wolframového drátu 1_ se zvon 9 nemusí zvedat, protože žíhací trubice 12 a vodicí destička 18 vedou zaváděcí pásek v uzavřené dráze, takže při znovuuvedení zařízení do chodu není nutné žádné proplachování dusíkem.

Žíhací trubice 12 je tvořena trubicí z kovu s vysokou teplotou tání, výhodně z molybdenového plechu, a je přímo vyhřívána průchodem proudu.

Wolframový apiralizovaný drát 1_ protahovaný v axiálním směru žíhací trubicí 1 2 se ohřívá sáláním tepla a jeho teplota se blíží teplotě žíhací trubice 12. Časová konstanta ohřevu spiralizovaného wolframového drátu závisí na průměru drátu. Rychlost protahování spiralizovaného wolframového drátu se volí tak, že úsek protahování drátu při určitých časových konstantách je ve srovnání s délkou žíhací trubice 12 krátký. Tento požadavek je při výše uvedené hodnotě rychlosti splněn.

Na obr. 3 je znázorněno blokové schéma regulace teploty rychložíhacícho zařízení, které tvoří předmět vynálezu.

Elektrický výkon přiváděný do žíhací trubice 12 dodává účelně výkonová jednotka 19 s tyristorovými spínacími prvky, jejichž spouštěcí jednotka je řízena mikroprocesorovým systémem 20 přes číslicově analogový převodník 21.

Měření teploty wolframového spiralizovaného drátu 1_ je umožněno výše uvedenou skutečností, že drát se po určité délce průchodu ohřeje na teplotu blížící se teplotě žíhací trubice 12. Potom postačí, udržovat materiál žíhací trubice na dané teplotě.

K měření teploty je využita neobyčejně vysoká teplotní závislost elektrického odporu žíhací trubice 12, kdy odpor při teplotě 1 700 °C je přibližně desetinásobkem odporu za pokojové teploty.

Určení elektrického odporu se provádí současným vyhodnocením proudu protékajícího žíhací trubicí 12 a napětí připadajícího na daný úsek trubice.

CS 274 462 32

Na výstupu jednotky 22 měniče se objeví elektrické napětí úměrné žíhacímu proudu a přichází na vysílač 23 absolutní hodnoty. K sítové periodě náležející integrál abso lutní hodnoty signálu vznikne na výstupu integrátoru 24, jehož signál je snímán přes analogový demultiplexer 25 pomocí snímacího a přídržného spínacího obvodu 26 a tato informace se dostává pomocí analogověčíslicového převodníku 27 do mikroprocesorového systému 20. Elektrické napětí se měří na dvou proudových přívodech nezávislých bodech žíhací trubice 1 2, aby se neuplatnilo napětí o hodnotě asi 0,5 -IV, vznikající vlivem velkého proudu na kontaktním odporu proudových přívodu, které nemá s teplotou žíhací trubice 12 žádnou souvislost. Toto napětí se po podobném zpracování signálu vede do mikroprocesorového systému 20.

Použitím integrace odpovídající době jedné sítové periody místo obvyklé kontinuální integrace nabývá signál dostávající se na analogově číslicový převodník 27 rychle hodnoty výstupního signálu jednotky 22 měniče, takže frekvence inflexního bodu přenosové funkce tohoto clenu bude větší, než by byla v případě kontinuální integrace, takže u celého regulačního systému se dosáhne většího zesílení ve smyčce a rychlejší regulace. Tímto způsobem tvoří žíhací trubice 10 nejen žíhací prvek, ale současně také teplotní čidlo a průměrná hodnota teplotního rozvrstvení může být měřena po délce bez setrvačnosti.

Řídící systém zajištuje úlohy žíhání obou trubic střídavě. Podělením hodnot úměrných napětí a proudu vznikne hodnota elektrického odporu. Dělením této hodnoty hodnotou dříve změřeného odporu trubice ve studeném stavu obdržíme poměr odporů (λ)» který je možno považovat v dobrém přiblížení za lineární funkci teploty v daném rozsahu. Po výpočtu vztahu T=sT_Q+a(A-1)je indikována teplota a tato hodnota dodává současně měřicí signál potřebný k regulaci. Potřebný signál požadované hodnoty se nastaví ve °C na číslicovaných spínačích. Povelový signál vyplývající z rozdílu obou hodnot se vytváří výhodně pomocí digitálního PI algoritmu nastavované hodnoty, která dodává řídicí signál přes číslicově analogový převodník 21 výkonové jednotce.

Při zapnutí vyhřívání se žíhací trubice 12 nahřeje na základní teplotu 1 600 °C, aby 3e prodloužila její životnost. Při startu protahování se zvýší teplota skokově tak, že se přivede výkonový impuls dané velikosti na trubici 12. Následkem toho se žíhací trubice 12 ohřeje na přídavnou žíhací teplotu. Potom následuje pomocí PI algoritmu regulace na teplotu nastavenou na číslicových spínačích. Při zastavení drátu, při lomu drátu nebo při výběhu cívky se protahování odstaví a žíhací trubice 12 se systémem ochladí zpět podobně na základní teplotu. Zpětné ochlazení na základní teplotu se provede skokově. Protože žíhací trubicí 12 mohou být současně protaženy dva spiralizované dráty, je možno při žíhání pouze jednoho drátu vynechat shora uvedenou kontrolu číslování chybějícího spiralizovaného drátu. Jednotlivé žíhací zóny mohou být ovládány také ručně a odděleně. V tomto případě mohou být výkonové jednotky 19 řízeny pomocí spirálových potenciometrů, přičemž i v tomto případě při zastavení protahování nastaví řídicí elektronika teplotu automaticky zpět, takže je nastavena nejvýše základní teplota.

Při výpadku přívodu vodíku, dusíku, nebo chladicí vody, ale i při zvednutí zvonu 9 dojde ke skokovému ochlazení žíhacích trubic 12 a odstavení protahování spiralizovaného wolframového drátu. Kromě toho se při zvednutí zvonu 9 odstaví přívod vodíku a vyhřívaný systém se propláchne dusíkem.

Před zapnutím vyhřívání je možno nastartovat měření odporu žíhací trubice 12 za studená aktivací tlačítka odporu za studená. Přitom výkonová jednotka 19 na dobu 40 ms připojí napětí na žíhací trubici 12 a tato se za tuto dobu pouze zanedbatelně ohřeje.

Kromě shora uvedeného je možno měřením odporu za studená sledovat i roztažnost a stárnutí žíhací trubice 12 a po dosažení určité dané hodnoty je možno žíhací

274 4 82 B2 trubici 12 vyměnit.

Zařízení je možno ocejchovat pomocí pyrometrického měření a aktivací cejchovacího tlačítka je možno zadat pře3 číslicové spínače změněnou teplotu. Zařízení potom v důsledku toho změní hodnotu koeficientu obsaženého ve výpočtové rovnici teploty.

Claims

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

1. Způsob kontinuálního tepelného zpracování wolframových spirál na molybdenových trnech, v jehož průběhu se nejprve vede spirála vlhkou vodíkovou atmosférou při teplotě 1 300 °C a potom suchou vodíkovou atmosférou při teplotě 1 700 až 1 850 °C, vyznačující se tím, že wolframová spirála se protahuje tepelnými zónami během časové periody 3 až 7 sekund, s výhodou 5 sekund, přičemž se ale protahuje úsekem s vysokou teplotou 1 700 až 1 850 °C v časovém intervalu maximálně 7 sekund.
2. Zařízení pro provádění způsobu podle bodu 1, vyznačující se tím, že spiralizovaný wolframový drát (1) navinutý na molybdenovém trnu se vede žíhacími trubicemi (12) ohřívanými přímým průchodem proudu a zhotovenými z kovu s vysokým bodem tání a s malou tepelnou setrvačností v axiálním směru, které se vyhřívají v klidové poloze wolframových spirál (1) pomocí elektrické výkonové jednotky (19), a to při čisticím žíhání na plnou teplotu a při fixačním žíhání pouze na základní teplotu, při zahájení pohybu spiralizovaného drátu na žíhací teplotu, s krátkou časovou konstantou, zvýšenou o určitou hodnotu, zatímco při zastavení pohybu spiralizovaného wolframového drátu (i), ochladí výkonová jednotka (19) drát podobně rychle na základní teplotu, následuje rychlé a přímé měření teploty žíhacích trubic (12) pomocí vyhodnocení jejich elektrického odporu, které se zpracuje v elektronické jednotce a použije se jednak k řízení výkonové jednotky (19), jednak k indikaci teploty, čisticí a žíhací fixační proces probíhá pod společným zvonem (9) tak, že vlhký vodík se vede přímo do žíhací trubice (12) nacházející se v druhém žíhacím prostoru (11) a oba plyny vykazující rozdílné obsahy vlhkosti se smísí teprve ve zvonu (9), který je nahoře uzavřen, a potom se spiralizovaný wolframový drát (1) vyvádí ven dole ze zvonu (9) ve změněném směru.
3. Zařízení podle bodu 2, vyznačující se tím, že žíhací trubice (12) tvoří současně čidla teploty a vyhřívací proud, který dodává výkonová jednotka (19) se používá jako měřicí proud.
4. Zařízení podle některého z bodů 2 nebo 3, vyznačující se tím, že elektrické napětí připadající vlivem žíhacího proudu na žíhací trubici (12) se měří ve dvou bodech žíhací trubice (12) nezávisle na proudových přívodech.
5. Zařízení podle některého z bodů 2 až 4, vyznačující se tím, že signál úměrný proudu protékajícímu žíhací trubicí (12) a podobně elektrické napětí připadající na daný úsek žíhací trubice (12) se vede na vysílač (23) absolutní hodnoty, přičemž integrál absolutní hodnoty signálu vypočtený pro jednu sííovou periodu se objeví na výstupu integrátoru (24), který je potom snímán pomocí snímacího a přídržného spínacího obvodu (26).
6. Zařízení podle některého z bodů 2 až 5, vyznačující se tím, že nastavení teploty žíhací trubice (12) je zajištěno při startu a odstavení protahování spiralizovaného wolframového drátu pomocí výkonového řízení přiložením nebo vypnutím výkonového impulsu dané velikosti a trvání na žíhací trubici (12) a udržování teploty se provádí regulací teploty, účelně pomocí digitální PX regulace.

974 482 B2
7- Zařízení podle některého z bodů 2 až 6, vyznačující ae tím, že k výpočtu odporu žíhací trubice (12) za studená se potřebný měřicí proud a jím vytvořené elektrické napětí stanoví tak, že během měření se přivede na žíhací trubici (12) napěíový impuls z výkonové jednotky (19).
8. Zařízení podle některého z bodů 2 až 7, vyznačující se tím, že v průběhu používání vzniklý přírůstek odporu za studená žíhací trubice (12) je po dosažení dané hodnoty indikován a opotřebené žíhací trubice může být vyměněna.
9- Zařízení podle některého z hodů 2 až 8, vyznačující se tím, že žíhací trubice (12) je obklopena dvěma teplo odrážejícími kovovými zrcadly (14, 15), keramickým prsten cem nebo trubicí (16) a chladicí vodní spirálou (17) ke snížení intenzity tepelného sálání nebo k chlazení.