RU2376394C1

RU2376394C1 - Vacuum electron-plasma furnace

Info

Publication number: RU2376394C1
Application number: RU2008134805/02A
Authority: RU
Inventors: Иван Андреевич Безруков (RU); Иван Андреевич Безруков; Сергей Николаевич Малышев (RU); Сергей Николаевич Малышев
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2009-12-20

Abstract

FIELD: metallurgy. ^ SUBSTANCE: invention is provided for usage in thermal-electric installations of different purposes, in which in the capacity of heater it is used densely ionised plasma, particularly, in vacuum electron-plasma furnace for instance, for receiving from initial metallic powder of ingot of metal or fine-dispersed cleaned powder. Furnace is outfitted system for regulation of location, extent, direction and shape of plasma pole between cathode and anode and/or location, shape and dimension of anode spot, including external source of magnetic field and external source of electric field, and anode is implemented as cooled in the form of solid of revolution with opening for passage of powder particles of initial material and consists of one or more sections, allowing self-regulated sources of power supply. ^ EFFECT: uniform heating of particles of initial powder, essential increasing of quality of final powder or ingot. ^ 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области вакуумной электротермии и порошковой металлургии и предназначено для использования в электротермических установках различного назначения, в которых в качестве нагревателя используется сильноионизированная плазма, например для получения из исходного металлического порошка слитка металла либо мелкодисперсного очищенного порошка.The invention relates to the field of vacuum electrothermics and powder metallurgy and is intended for use in electrothermal installations for various purposes, in which highly ionized plasma is used as a heater, for example, to obtain a metal ingot or finely divided purified powder from the original metal powder.

Известно устройство для получения слитка металла из порошка, содержащее вакуумную камеру с размещенными в ней анодом, полым плазменным катодом, имеющим рабочую полость, канал для подачи плазмообразующего газа и механизм крепления катода к катододержателю, и установленной внутри катода охлаждаемой трубкой для подачи порошка исходного материала в столб плазмы (SU 1786156).A device for producing a metal ingot from a powder is known, comprising a vacuum chamber with an anode placed therein, a hollow plasma cathode having a working cavity, a channel for supplying a plasma-forming gas and a mechanism for attaching the cathode to the cathode holder, and a cooled tube installed inside the cathode to supply the powder of the starting material to column of plasma (SU 1786156).

Недостатком известного устройства является невозможность управления положением, протяженностью и пространственным направлением плазменного столба, а также неравномерный нагрев частиц исходного порошка в плазменном столбе, что приводит к неконтролируемости свойств конечного порошка либо слитка.A disadvantage of the known device is the inability to control the position, extent and spatial direction of the plasma column, as well as uneven heating of the particles of the original powder in the plasma column, which leads to uncontrolled properties of the final powder or ingot.

Задачей данного изобретения является устранение указанных недостатков. Для достижения поставленной цели вакуумная электронно-плазменной печь, содержащая вакуумную камеру с размещенными в ней анодом, полым плазменным катодом, имеющим рабочую полость, канал для подачи плазмообразующего газа и механизм крепления катода к катододержателю, и установленной внутри катода охлаждаемой трубкой, снабжена системой управления столбом плазмы и/или анодным пятном, включающей внешний источник магнитного поля и внешний источник электрического поля, и, кроме того, анод выполнен охлаждаемым, в виде тела вращения с отверстием для пролета частиц порошка и состоящим из одной или более секций, имеющих самостоятельные регулируемые источники электропитания.The objective of the invention is to remedy these disadvantages. To achieve this goal, a vacuum electron-plasma furnace containing a vacuum chamber with an anode placed therein, a hollow plasma cathode with a working cavity, a plasma gas supply channel and a cathode holder fastening mechanism to the cathode holder, and a cooled tube installed inside the cathode are equipped with a column control system plasma and / or anode spot, including an external source of magnetic field and an external source of electric field, and, in addition, the anode is made cooled, in the form of a body of revolution from the hole a volume for the passage of powder particles and consisting of one or more sections having independent regulated power sources.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена вакуумная электронно-плазменная печь, на фиг.2 - анод из четырех секций в разрезе, вид сверху.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a vacuum electron-plasma furnace, figure 2 is an anode of four sections in section, top view.

Вакуумная электронно-плазменная печь содержит вакуумную камеру 1 с размещенными в ней анодом 2, полым плазменным катодом 3, катододержателем 4, системой управления столбом плазмы и/или анодным пятном 8-11. Катод имеет канал для подачи плазмообразующего газа 5 и механизм крепления катода к катододержателю 6. Внутри катода установлена охлаждаемая трубка 7 для подачи порошка исходного материала в столб плазмы 12. Система управления столбом плазмы и/или анодным пятном включает внешний источник магнитного поля 8, представляющий собой группу из по меньшей мере двух соленоидов, каждый из которых охватывает ось плазменного столба, и внешний источник электрического поля 9, состоящий из противолежащих изолированных поверхностей. Внешний источник магнитного поля и внешний источник электрического поля снабжены самостоятельными источниками электропитания и механизмами перемещения 10 и 11, с помощью которых управляют силой поля и направлением оси поля относительно продольной оси катода. С помощью системы управления столбом плазмы и/или анодным пятном изменяют конфигурацию силовых линий электрического и магнитного поля в зоне расположения плазменного столба 12 и тем самым меняют направление столба, создавая возможность управляемого пространственного перемещения столба и анодного пятна. Анод 2 выполнен в виде тела вращения (например, тора или цилиндра) с отверстием 13 для пролета потока частиц порошка 14 и состоит из одной или более секций 15, разделенных друг от друга электрически пространственными зазорами и имеющих самостоятельные регулируемые источники электропитания 16 каждая. Все секции анода работают совокупно на катод. Анод может быть снабжен самостоятельным механизмом перемещения 17, позволяющим перемещать анод как вдоль своей оси, так и в плоскости, перпендикулярной своей оси.The vacuum electron-plasma furnace contains a vacuum chamber 1 with an anode 2 placed therein, a hollow plasma cathode 3, a cathode holder 4, a plasma column control system and / or anode spot 8-11. The cathode has a channel for supplying plasma-forming gas 5 and a mechanism for attaching the cathode to the cathode holder 6. A cooled tube 7 is installed inside the cathode for feeding the source material powder into the plasma column 12. The control system for the plasma column and / or anode spot includes an external magnetic field source 8, which is a group of at least two solenoids, each of which covers the axis of the plasma column, and an external source of electric field 9, consisting of opposing isolated surfaces. The external magnetic field source and the external electric field source are provided with independent power sources and movement mechanisms 10 and 11, with the help of which the field strength and the direction of the axis of the field relative to the longitudinal axis of the cathode are controlled. Using the control system of the plasma column and / or anode spot, the field lines of the electric and magnetic fields are changed in the area of the plasma column 12 and thereby change the direction of the column, creating the possibility of controlled spatial movement of the column and the anode spot. The anode 2 is made in the form of a body of revolution (for example, a torus or a cylinder) with an opening 13 for the passage of the flow of powder particles 14 and consists of one or more sections 15, separated from each other by electrically spatial gaps and each having independent adjustable power sources 16 each. All sections of the anode operate collectively on the cathode. The anode can be equipped with an independent mechanism of movement 17, allowing you to move the anode both along its axis and in a plane perpendicular to its axis.

Работа устройства происходит следующим образом. Катод 3 при помощи механизма перемещения и управления 18 располагают в вакуумной камере 1 электронно-плазменной печи в заданном месте относительно анода. Камеру откачивают до давления 10^-1÷10^-5 мм рт. ст. В канал 5 подают плазмообразующий газ. После этого подают напряжение между катодом и анодом, вследствие чего в межэлектродном пространстве зажигается электрический разряд и формируется столб плазмы. Подключают внешний источник магнитного поля 8 и внешний источник электрического поля 9. Взаимно либо синхронно перемещая в рабочем пространстве вакуумной камеры катод и анод, управляя внешним электрическим и магнитным полями, а также регулируя величину подаваемого на каждую секцию анода тока в диапазоне от 0 до 100% от общего подаваемого на анод тока, изменяют положение, протяженность, форму и направление плазменного столба между катодом и анодом, управляют перемещением анодного пятна по поверхности анода. Исходный материал подают через охлаждаемую трубку 7 внутрь столба плазмы 12, где он нагревается, расплавляется и рафинируется. Управляя местоположением катода, положением, протяженностью, направленностью и формой столба плазмы между катодом и анодом, а также местоположением, формой и размером анодного пятна, достигают равномерного нагрева частиц исходного порошка, что приводит к существенному повышению качества конечного порошка либо слитка. Расплавленные очищенные частицы исходного порошка пролетают через отверстие в аноде 13 и проходят последующие стадии технологического цикла.The operation of the device is as follows. The cathode 3 using the movement and control mechanism 18 is placed in the vacuum chamber 1 of the electron-plasma furnace in a predetermined location relative to the anode. The camera is pumped to a pressure of 10 ^-1 ÷ 10 ^-5 mm RT. Art. Plasma-forming gas is supplied to channel 5. After that, a voltage is applied between the cathode and the anode, as a result of which an electric discharge is ignited in the interelectrode space and a plasma column is formed. Connect an external source of magnetic field 8 and an external source of electric field 9. Mutually or synchronously moving the cathode and anode in the working space of the vacuum chamber, controlling external electric and magnetic fields, and also adjusting the amount of current supplied to each section of the anode in the range from 0 to 100% from the total current supplied to the anode, the position, extent, shape and direction of the plasma column between the cathode and the anode are changed, and the movement of the anode spot along the surface of the anode is controlled. The source material is fed through a cooled tube 7 into the column of plasma 12, where it is heated, melted and refined. By controlling the location of the cathode, the position, extent, directivity and shape of the plasma column between the cathode and the anode, as well as the location, shape and size of the anode spot, uniform heating of the particles of the initial powder is achieved, which leads to a significant increase in the quality of the final powder or ingot. The molten purified particles of the original powder fly through the hole in the anode 13 and go through the subsequent stages of the technological cycle.

Claims

1. A vacuum electron-plasma furnace containing a vacuum chamber with an anode and a hollow plasma cathode located in it, having a channel for supplying a plasma-forming gas, a mechanism for attaching the cathode to the cathode holder, and a cooled tube for supplying the powder of the source material to the plasma column installed inside the cathode, characterized in that to control the location, extent, directivity and shape of the plasma column between the cathode and the anode and the location, shape and size of the anode spot, it is equipped with a control system a plasma column and / or anode spot, including an external source of magnetic field and an external source of electric field, and the anode is made in the form of a cooled body of revolution with an opening for the passage of particles of powder of the source material and consists of one or more sections having independent adjustable power sources.

2. The furnace according to claim 1, characterized in that the anode is equipped with an independent movement mechanism.