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, в частности в вакуумной электронно-плазменной печи, 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, in particular in a vacuum electron-plasma furnace, for example, to obtain a metal ingot or finely divided purified from the original metal powder powder.
Известно устройство для получения слитка металла из порошка, содержащее катод, имеющий рабочую полость, канал для подачи плазмообразующего газа, механизм крепления катода к катододержателю и установленную внутри катода водоохлаждаемую трубку (А.с. №820232, М. кл. С22В 9/22).A device is known for producing a metal ingot from powder, containing a cathode having a working cavity, a channel for supplying a plasma-forming gas, a mechanism for attaching the cathode to the cathode holder, and a water-cooled tube installed inside the cathode (A.S. No. 820232, M. class. С22В 9/22) .
Недостатком известного устройства является ограниченный ресурс работы катода из-за переходных режимов в момент прогрева и пуска в работу, малой площади зоны привязки плазменного столба на катоде и высокой плотности тока на катоде, изменения распределения температуры в катоде при изменении расхода плазмообразующего газа и исходного порошка. Кроме того, при работе известного устройства происходит неравномерный нагрев частиц исходного порошка в плазменном столбе из-за невозможности управления их распределением по сечению столба в зависимости от его формы и условий горения, а также положением, протяженностью и пространственным направлением плазменного столба.A disadvantage of the known device is the limited life of the cathode due to transient conditions at the time of heating and commissioning, the small area of the plasma column binding zone at the cathode and the high current density at the cathode, changes in the temperature distribution in the cathode when the flow rate of the plasma-forming gas and the source powder changes. In addition, when the known device is in operation, the particles of the initial powder are unevenly heated in the plasma column due to the inability to control their distribution over the column cross section depending on its shape and combustion conditions, as well as the position, length and spatial direction of the plasma column.
Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков. Для достижения поставленной цели катодный узел вакуумной электронно-плазменной печи, состоящий из катододержателя, полого цилиндрического катода, имеющего канал для подачи плазмообразующего газа и механизм крепления катода к катододержателю, и установленной внутри катода водоохлаждаемой трубки для подачи порошка исходного материала в столб плазмы, снабжен перемещающимся электромагнитным экраном, охватывающим катод и имеющим самостоятельный источник электропитания, и по меньшей мере одним термоподогревателем рабочей поверхности катода, расположенным осесимметрично катоду и имеющим самостоятельный источник электропитания.The aim of the present invention is to remedy these disadvantages. To achieve this goal, the cathode assembly of a vacuum electron-plasma furnace, consisting of a cathode holder, a hollow cylindrical cathode, having a channel for supplying a plasma-forming gas and a mechanism for attaching the cathode to the cathode holder, and a water-cooled tube inside the cathode for supplying the source material powder to the plasma column, is equipped with a moving electromagnetic screen, covering the cathode and having an independent power source, and at least one thermal heater of the working surface to anode located axisymmetrically to the cathode and having an independent power source.
На фиг.1 изображен катодный узел вакуумной электронно-плазменной печи в разрезе.Figure 1 shows the cathode assembly of a vacuum electron-plasma furnace in section.
Катодный узел состоит из полого цилиндрического катода 1, закрепленного на катододержателе 2 с помощью механизма крепления катода к катододержателю 3, электромагнитного экрана 4, охватывающего катод и снабженного механизмом перемещения и управления 5, по меньшей мере одного термоподогревателя 6 рабочей поверхности катода, расположенного осесимметрично катоду и имеющего самостоятельный механизм управления 7, и водоохлаждаемой трубки 8 для подачи исходного порошка. Катод снабжен каналом для подачи плазмообразующего газа 9. С помощью изоляционных прокладок 10 катододержатель электрически изолирован от корпуса печи 11, водоохлаждаемая трубка - от катода.The cathode assembly consists of a hollow cylindrical cathode 1, mounted on the cathode holder 2 by means of the cathode mounting mechanism to the cathode holder 3, an electromagnetic shield 4, covering the cathode and provided with a mechanism for moving and controlling 5, at least one thermal heater 6 of the cathode working surface located axisymmetrically to the cathode and having an independent control mechanism 7, and a water-cooled tube 8 for supplying the original powder. The cathode is provided with a channel for supplying a plasma-forming gas 9. By means of insulating gaskets 10, the cathode holder is electrically isolated from the furnace body 11, and the water-cooled tube is from the cathode.
Работа устройства происходит следующим образом. Катод 1 при помощи механизма перемещения и управления 12 располагают в вакуумной камере электронно-плазменной печи в направлении анода (на чертеже не показан). Камеру откачивают до давления 10-1÷10-5 мм рт.ст. В канал 9 подают плазмообразующий газ. Подключают электромагнитный экран 4. С помощью механизма перемещения и управления 5 экран ориентируют таким образом, чтобы достичь оптимальной конфигурации электромагнитного поля в катоде. Электромагнитный экран перемещают как совместно с катодом, так и независимо от него как в осевом, так и в азимутальном направлении. После этого подают напряжение между катодом и анодом, вследствие чего в межэлектродном пространстве зажигается электрический разряд и формируется столб плазмы. Перемещением катода и электромагнитного экрана изменяют конфигурацию электромагнитного поля, обеспечивая симметричное поле в области катода и управляемое поле заданной формы вне полости катода, по длине плазменного столба. Подключают по меньшей мере один термоподогреватель 6 рабочей поверхности катода, контролируемый встроенным в него датчиком температуры для предотвращения перегрева рабочих областей катода, вблизи которых формируется плазменный разряд. В зависимости от требуемых условий используют группу из двух и более термоподогревателей. Термоподогреватели рабочей поверхности катода выполнены известными в виде, например, омических или индукционных нагревателей, расположены осесимметрично цилиндрическому катоду, электрически изолированы от него и охватывают его снаружи. Каждый термоподогреватель снабжен независимым источником электропитания и механизмом управления 7. Изменяя расположение термоподогревателей и мощность подогрева, управляют пространственным положением и величиной площади термоэмиссионной зоны катода, регулируют плотность тока на поверхности катода, изменяют форму плазменного разряда в катоде. Исходный материал подают через водоохлаждаемую трубку 8 внутрь столба плазмы, где он равномерно нагревается, расплавляется и рафинируется. Расплавленные очищенные частицы исходного порошка пролетают в направлении анода вакуумной электронно-плазменной печи и проходят дальнейшие стадии технологического цикла.The operation of the device is as follows. The cathode 1 using the movement and control mechanism 12 is placed in a vacuum chamber of an electron-plasma furnace in the direction of the anode (not shown). The camera is pumped to a pressure of 10 -1 ÷ 10 -5 mm Hg. Plasma-forming gas is supplied to channel 9. Connect the electromagnetic screen 4. Using the movement and control mechanism 5, the screen is oriented in such a way as to achieve the optimal configuration of the electromagnetic field in the cathode. The electromagnetic screen is moved both together with the cathode and independently of it both in the axial and in the azimuthal direction. 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. By moving the cathode and the electromagnetic screen, the electromagnetic field configuration is changed, providing a symmetrical field in the cathode region and a controlled field of a given shape outside the cathode cavity, along the length of the plasma column. At least one thermal heater 6 of the cathode working surface is connected, controlled by a temperature sensor integrated in it to prevent overheating of the working areas of the cathode, near which a plasma discharge is formed. Depending on the required conditions, a group of two or more thermal heaters is used. Thermal heaters of the working surface of the cathode are made known in the form of, for example, ohmic or induction heaters, are located axisymmetrically to the cylindrical cathode, are electrically isolated from it and surround it from the outside. Each thermal heater is equipped with an independent power supply and control mechanism 7. By changing the location of the thermal heaters and the heating power, they control the spatial position and area of the cathode's thermal emission zone, adjust the current density on the cathode surface, and change the shape of the plasma discharge in the cathode. The source material is fed through a water-cooled tube 8 into the plasma column, where it is uniformly heated, melted and refined. The molten purified particles of the initial powder fly in the direction of the anode of the vacuum electron-plasma furnace and go through the further stages of the technological cycle.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет значительно увеличить ресурс работы катода, управлять положением, протяженностью и пространственным направлением столба плазмы и обеспечить равномерный нагрев частиц исходного порошка, что приводит к улучшению качества конечного порошка либо слитка металла.Thus, the proposed device can significantly increase the life of the cathode, control the position, length and spatial direction of the plasma column and ensure uniform heating of the particles of the original powder, which leads to an improvement in the quality of the final powder or metal ingot.