RU2042287C1

RU2042287C1 - Device for processing products in vacuum

Info

Publication number: RU2042287C1
Authority: RU
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Новатех"
Priority date: 1992-05-25
Filing date: 1992-05-25
Publication date: 1995-08-20

Abstract

FIELD: electric engineering. SUBSTANCE: heater of vacuum chamber 1 has vacuum-arc discharge integral cold electrode 3 and anode 8 which are connected to power supply. In addition heater has tube which is made from non-conducting material which is resistant to heat and unit 5 which does not pass through metal ions. Anode 8 is located in chamber of tube setting piece 7, unit 5 is located between non- attached end of tube and cathode 3. Ratio of cross-sections of setting tube piece 7, tube working piece 6 and working surface of anode is given in invention specification. EFFECT: increased functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки изделий в вакууме, в частности, может быть использовано для вакуумного обжига изделий в реактивной газовой среде, а также для проведения процесса химико-термической обработки. The invention relates to the field of processing products in vacuum, in particular, can be used for vacuum firing of products in a reactive gas medium, as well as for carrying out the process of chemical-thermal treatment.

В металлургических процессах при вакуумной плавке металлов широко используются устройства (печи), в которых применяется вакуумно-дуговой разряд. В этих печах в качестве катода используется расплавляемый металл, а анодом является охлаждаемый тигель, в который стекает расплавляемый металл. Между катодом и анодом в вакууме возбуждается вакуумно-дуговой разряд, в котором средой, проводящей электрический ток в междуэлектродном промежутке, являются ионизированные пары металла [1]
Недостатком известных печей является то, что, как правило, они работают при токах в сотни и тысячи ампер. В связи с этим сопротивление столба плазмы с ростом тока пропорционально падает. Поэтому мощность, выделяемая в разряде, пропорциональна току разряда. Таким образом, чтобы повысить мощность печи, необходимо увеличивать ток разряда, что усложняет конструкцию печи из-за большого сечения токоподводящих цепей.In metallurgical processes during the vacuum melting of metals, devices (furnaces) are widely used, in which a vacuum arc discharge is used. In these furnaces, a molten metal is used as a cathode, and the anode is a cooled crucible into which the molten metal flows. A vacuum-arc discharge is excited between a cathode and an anode in a vacuum, in which ionized metal vapors are a medium conducting electric current in the interelectrode gap [1]
A disadvantage of the known furnaces is that, as a rule, they operate at currents of hundreds and thousands of amperes. In this regard, the resistance of the plasma column decreases proportionally with increasing current. Therefore, the power released in the discharge is proportional to the discharge current. Thus, in order to increase the power of the furnace, it is necessary to increase the discharge current, which complicates the design of the furnace due to the large cross section of the current-supply circuits.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для обработки изделий в вакууме (вакуумная печь), прогреваемое джоулевым теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока по проводнику из тугоплавкого металла (W, Mo, Ta, Nb) [2]
К недостаткам такого устройства следует отнести высокую стоимость и дефицитность нагревателей из тугоплавких металлов, постепенное разрушение материала нагревателя из-за реакций металла, находящегося при высокой температуре, с остаточной газовой атмосферой или реактивной газовой средой, если таковая имеется и служит для проведения необходимого технологического процесса. Указанные причины повышают эксплуатационные затраты.The closest to the invention in technical essence and the achieved result is a device for processing products in a vacuum (vacuum oven), heated by the Joule heat generated during the passage of electric current through a conductor of refractory metal (W, Mo, Ta, Nb) [2]
The disadvantages of such a device include the high cost and scarcity of heaters made of refractory metals, the gradual destruction of the material of the heater due to reactions of the metal at high temperature with a residual gas atmosphere or reactive gas medium, if any, and serves to carry out the necessary technological process. These reasons increase operating costs.

Цель изобретения повысить надежность и долговечность нагревательного устройства преимущественно при его работе в реактивной газовой среде. The purpose of the invention is to increase the reliability and durability of the heating device mainly when it is operating in a reactive gas environment.

Сравнительный анализ показал, что предложенное техническое решение по сравнению с известными в науке и технике соответствует критериям патентоспособности, поскольку совокупность заявленных признаков, отраженная в формуле изобретения, не обнаружена в данной и смежных областях науки и техники для решения поставленной задачи. Необходимо также отметить, что достигаемый результат может быть реализован лишь всей совокупностью заявленных в формуле признаков, так как указанный результат не является простым суммированием свойств отдельных признаков, поскольку не проявляется при использовании любого из них в отдельности в известных решениях, а также не может быть достигнут при изъятии любого из признаков из общей совокупности признаков. A comparative analysis showed that the proposed technical solution in comparison with those known in science and technology meets the criteria of patentability, since the totality of the claimed features reflected in the claims is not found in this and related fields of science and technology to solve the problem. It should also be noted that the achieved result can be realized only by the totality of the characteristics declared in the formula, since the specified result is not a simple summation of the properties of individual signs, since it does not appear when using either of them separately in known solutions, and also cannot be achieved when removing any of the signs from the total set of signs.

На чертеже изображено устройство для обработки изделий в вакууме, продольный разрез. The drawing shows a device for processing products in a vacuum, a longitudinal section.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, в которой по периферии установлены обрабатываемые изделия 2. По оси вакуумной камеры 1 установлен нагреватель, который состоит из интегрально-холодного катода 3 вакуумно-дугового разряда, изолированного от вакуумной камеры 1 изолятором 4, непроницаемого для ионов металла средства 5, трубы из электроизоляционного термостойкого материала с рабочим участком 6 и установочным участком 7 и анода 8. Средство 5 установлено между катодом 3 и рабочим участком 6 трубы. В полости установочного участка 7 трубы установлен анод 8. The device comprises a vacuum chamber 1, in which workpieces 2 are installed on the periphery. A heater is installed along the axis of the vacuum chamber 1, which consists of an integral cold cathode 3 of a vacuum arc discharge isolated from the vacuum chamber 1 by an insulator 4, means 5 impermeable to metal ions pipes made of heat-insulating heat-insulating material with a working section 6 and an installation section 7 and an anode 8. A means 5 is installed between the cathode 3 and the working section 6 of the pipe. An anode 8 is installed in the cavity of the installation section 7 of the pipe.

Площадь поперечного сечения установочного участка 7 трубы, а также площадь рабочей поверхности анода 8 больше площади поперечного сечения рабочего участка 6 трубы. The cross-sectional area of the installation section 7 of the pipe, as well as the area of the working surface of the anode 8 is greater than the cross-sectional area of the working section 6 of the pipe.

Подача рабочего газа в вакуумную камеру 1 производится через средство 9 в полость установочного участка 7 трубы. Электропитание нагревателя производится от средства электропитания, состоящего из источника 10 электропитания постоянного тока, регулировочного источника 11 электропитания, диода 12. Стабилизация тока вакуумно-дугового разряда производится источником 13 электропитания, напряжение холостого хода которого примерно в 2-2,5 раза превышает напряжение на электродах разряда. The supply of working gas to the vacuum chamber 1 is made through the means 9 into the cavity of the installation section 7 of the pipe. The heater is powered by a power supply consisting of a direct current power source 10, an adjusting power source 11, a diode 12. The vacuum-arc discharge current is stabilized by a power source 13, the open circuit voltage of which is about 2-2.5 times higher than the voltage at the electrodes discharge.

На чертеже также показаны положительный столб 14 металлогазовой плазмы и столб 15 газовой плазмы. Откачка вакуумной камеры производится через патрубок 16. The drawing also shows a positive column 14 of a metal-gas plasma and a column 15 of a gas plasma. The vacuum chamber is pumped out through the pipe 16.

Работает устройство для обработки изделий в вакууме следующим образом. A device for processing products in a vacuum as follows.

Вакуумная камера 1 откачивается системой откачки через патрубок 16 и затем с помощью средства 9 производится подача рабочего газа в полость трубы и вакуумной камеры 1. Зажигается вакуумно-дуговой разряд между катодом 3 и вакуумной камерой 1. Объем вакуумной камеры, заключенный между катодом 3 и средством 5, непроницаемым для ионов металла, заполнен металлогазовой плазмой. The vacuum chamber 1 is pumped out by a pumping system through the pipe 16 and then, using the means 9, the working gas is supplied to the cavity of the pipe and the vacuum chamber 1. A vacuum-arc discharge is ignited between the cathode 3 and the vacuum chamber 1. The volume of the vacuum chamber enclosed between the cathode 3 and the means 5, impervious to metal ions, filled with metal-gas plasma.

Затем включается стабилизирующий источник 13. При этом внутри трубы возбуждается разряд между катодом 3 и анодом 8. Сила тока разряда от источника 13 невелика и не превышает 2-3А. Поскольку средство 5 непроницаемо для ионов металла, распространяющихся по прямолинейным траекториям с поверхности катода, то под влиянием электрического поля анода ионизируется газ внутри трубы, и внутренне пространство трубы заполнено только газовой плазмой. Then the stabilizing source 13 is turned on. In this case, a discharge is excited inside the tube between the cathode 3 and the anode 8. The discharge current from the source 13 is small and does not exceed 2-3A. Since the tool 5 is impervious to metal ions propagating along straight trajectories from the surface of the cathode, under the influence of the electric field of the anode, gas inside the tube is ionized, and the inner space of the tube is filled only with gas plasma.

При включении источника 11 электропитания сквозь трубу проходит основной ток разряда, величина которого может достигать нескольких сотен ампер при напряжении 100-380 В. Источники 11 и 13 электропитания могут представлять собой регулируемые выпрямители (можно применять регулируемый трехфазный тиристорный выпрямитель). Наличие стабилизи- рующего источника 13 позволяет производить глубокую регулировку тока разряда. When the power supply 11 is turned on, the main discharge current passes through the pipe, the value of which can reach several hundred amperes at a voltage of 100-380 V. Sources 11 and 13 of the power supply can be adjustable rectifiers (you can use an adjustable three-phase thyristor rectifier). The presence of a stabilizing source 13 allows for deep adjustment of the discharge current.

Рассмотрим баланс энергии в нагревателе. Электрическая энергия, подводимая к нагревателю, распределяется между I и II ступенями двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. Consider the energy balance in the heater. The electric energy supplied to the heater is distributed between the I and II stages of a two-stage vacuum-arc discharge.

Потери энергии Р₁ в первой ступени разряда постоянны по абсолютной величине и равны Р₁=I_р ˙ U_1ст. U_1ст является величиной постоянной, определяемой материалом катода. Как правило U_1ст=20 В.The energy loss P ₁ in the first stage of the discharge is constant in absolute value and equal to P ₁ = I _p ˙ U _{1 st} . U _1st is a constant value determined by the cathode material. As a rule, U _1st = 20 V.

Во второй (газовой) ступени разряда энергия распределяется следующим образом. Часть энергии тратится на ионизацию газа внутри средства 5, непроницаемого для ионов металла, еще одна часть расходуется у поверхности анода и передается ему в так называемом анодном падении потенциала. Величина анодного падения потенциала в положительном столбе плазмы определяется площадью анода. In the second (gas) stage of the discharge, the energy is distributed as follows. Part of the energy spent on ionizing the gas inside the means 5, impermeable to metal ions, another part is spent at the surface of the anode and transferred to it in the so-called anode potential drop. The value of the anode potential drop in the positive plasma column is determined by the area of the anode.

Для уменьшения анодного падения потенциала площадь анода должна быть больше площади поперечного сечения трубы. Поэтому площадь поперечного сечения установочного участка трубы, а также площадь анода выбираются большими, чем площадь сечения трубы. To reduce the anode potential drop, the anode area should be larger than the cross-sectional area of the pipe. Therefore, the cross-sectional area of the installation section of the pipe, as well as the area of the anode are selected larger than the cross-sectional area of the pipe.

Определение работоспособности нагревательного устройства проводилось на модели. В вакуумной камере устанавливалась кварцевая труба диаметром 40 мм и длиной 1 м. Установочный диаметр трубы 100 мм, диаметр охлаждаемого анода 80 мм. Напряжение на электродах нагревателя 240 В, ток нагревателя 100 А. Стабилизирующий источник имел напряжение 450 В, а силу тока 1 А. Регулирование тока осуществлялось тиристорным регулятором тока в пределах 30-100 А. Калориметрированием определена полезная мощность нагревателя. Она составила 65-70% Determination of the operability of the heating device was carried out on the model. A quartz tube with a diameter of 40 mm and a length of 1 m was installed in the vacuum chamber. The installation diameter of the pipe was 100 mm, and the diameter of the cooled anode was 80 mm. The voltage at the heater electrodes was 240 V, the heater current was 100 A. The stabilizing source had a voltage of 450 V, and the current strength was 1 A. The current was regulated by a thyristor current regulator in the range of 30-100 A. Calorimetry determined the useful power of the heater. She was 65-70%

Claims

DEVICE FOR PROCESSING PRODUCTS IN VACUUM, containing a vacuum chamber and a heater located inside the chamber with power supply, characterized in that it is equipped with a working gas supply means, the heater comprises an integrated cold cathode of a vacuum arc discharge, an anode mounted on the chamber the end located on the anode side of the pipe from a heat-resistant electrical insulation material with working and installation sections and a means not permeable to metal ions, located Noe between the cathode and the loose end of the tube, an anode is placed in the cavity of the mounting portion of the pipe disposed on the part of the fixed end of the latter, wherein the cross sectional area of the mounting portion of the pipe, and a working surface area of the anode over the cross sectional area of the working portion of the pipe.