RU2708200C1

RU2708200C1 - Plasma-arc reactor with consumable cathode for production of powders of metals, alloys and their chemical compounds

Info

Publication number: RU2708200C1
Application number: RU2018141310A
Authority: RU
Inventors: Олег Александрович Чухланцев; Дмитрий Олегович Чухланцев; Виктор Игоревич Ясевич
Original assignee: Олег Александрович Чухланцев
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2019-12-05

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: invention relates to production of powder of metals, alloys and metal compounds from wire. Plasma-arc reactor comprises a housing, a first electrode and a second electrode spaced therefrom, wherein the first electrode is made with a channel, the outlet opening of which goes into the space between the first and second electrodes, means for forming a plasma arc in the space between the first and second electrodes, means for feeding wire through said outlet of channel into space between first and second electrodes and passivation chamber configured to feed wire vapors therein and arranged to form annular slot with surface of gas inlet housing. Wire is connected as a consumable cathode. First electrode has calibrated orifices and an annular groove for plasma-forming gas, the second electrode is made in the form of a bushing, which internal surface represents counter-directed large and small truncated cones, and is fixed and coaxial relative to the first electrode.EFFECT: obtaining spherical powders without contamination with admixtures of materials of reactor parts.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для получения порошков металлов, сплавов и их химических соединений с использованием плазменного распыления.The invention relates to devices for producing powders of metals, alloys and their chemical compounds using plasma spraying.

Известен способ получения ультрадисперсного порошка (см. RU 2207933), включающий подачу и испарение порошкообразного материала при воздействии на него плазмой, охлаждение и отделение ультрадисперсного порошка от газа, отличающийся тем, что перед воздействием плазмой порошкообразный материал дополнительно подвергают воздействию электродуговым разрядом, а затем отделяют неиспарившуюся часть материала от парогазового потока, при этом воздействие электрической дугой, плазмой и отделение неиспарившейся части материала проводят в поле центробежных сил, после чего отделение ультрадисперсного порошка осуществляют на фильтре, а газ используют повторно. Устройство для получения ультрадисперсного порошка, содержащее корпус испарителя с верхним и нижним фланцами, установленные в испарителе анод и катод, узел подачи газа и порошка и последовательно установленные за испарителем закалочный узел и конденсатор, отличающееся тем, что оно снабжено сборниками неиспарившегося сырья и ультрадисперсного порошка, холодильником и фильтрами, причем во фланцах корпуса испарителя выполнены встречно по периферии тангенциальные отверстия, а полость испарителя через тангенциальные отверстия нижнего фланца связана с полостью сборника неиспарившегося сырья, при этом конденсатор соединен с последовательно установленными холодильником, фильтром и сборником ультрадисперсного порошка, а свободные полости сборников неиспарившегося сырья и ультрадисперсного порошка связаны через элементы очистки с узлом подачи газа и порошка, тангенциальными отверстиями нижнего фланца и отверстиями закалочного узла.A known method of producing ultrafine powder (see RU 2207933), including the supply and evaporation of the powder material when exposed to plasma, cooling and separation of the ultrafine powder from gas, characterized in that before exposure to the plasma, the powder material is additionally subjected to electric arc discharge, and then separated an unevaporated part of the material from the vapor-gas stream, and the center tachometric forces, after which separation is carried out on the soot filter, and the gas is recycled. A device for producing ultrafine powder, comprising an evaporator body with upper and lower flanges, an anode and a cathode installed in the evaporator, a gas and powder supply unit, and a quenching unit and condenser sequentially installed behind the evaporator, characterized in that it is provided with collections of unevaporated raw materials and ultrafine powder, a refrigerator and filters, moreover, in the flanges of the evaporator casing, tangential openings are made opposite the periphery, and the evaporator cavity through the tangential openings of the lower Antsa is connected to the cavity of the collector of non-evaporated raw materials, while the condenser is connected to a series-mounted refrigerator, filter and collector of ultrafine powder, and the free cavities of the collectors of unevaporated raw materials and ultrafine powder are connected through the cleaning elements to the gas and powder supply unit, the tangential openings of the lower flange and the openings of the quenching node.

Данные способ и устройство имеют недостатки. Исходный материал используется в виде порошка, который также необходимо получить. Исходный порошок будет содержать значительное количество, сорбированного развитой поверхностью частиц порошка газа, воздуха или другого, который в процессе получения конечного продукта прореагирует с материалом. Значительное количество порошка не попадет в высокотемпературную зону и не испарится, а будет осаждаться на стенки испарителя.These method and device have disadvantages. The starting material is used in the form of a powder, which also needs to be obtained. The initial powder will contain a significant amount sorbed by the developed surface of the particles of powder of gas, air or other, which in the process of obtaining the final product will react with the material. A significant amount of powder will not fall into the high temperature zone and will not evaporate, but will settle on the walls of the evaporator.

Известен способ (см. RU 2207933), включающий испарение порошкообразного материала в высокотемпературной зоне испарителя при воздействии на него стабилизированной потоком электродуговой плазмой, конденсацию и улавливание порошков, согласно изобретению стабилизацию электродуговой плазмы осуществляют двумя встречными вихревыми газовыми потоками, движущимися с возможностью захвата попавших на стенку испарителя неиспарившихся частиц порошка для возврата в высокотемпературную зону испарителя. Стабилизацию плазменного потока осуществляют двумя вихревыми газовыми потоками, движущимися навстречу друг другу с более низкими начальными скоростями, а неиспарившуюся часть порошка, попавшую под действием центробежных сил на стенку испарителя, возвращают стабилизирующими потоками в высокотемпературную зону. Снижение максимально вихревой скорости в испарителе уменьшает выброс частиц перерабатываемого порошка на стенку. Снижение потерь в скорости газа из-за трения позволяет уменьшить расход стабилизирующего газа. Химическую активность металлов и их сплавов нейтрализуют микрокапсулированием частиц порошка полимерными материалами.A known method (see RU 2207933), including the evaporation of a powdery material in the high temperature zone of the evaporator when exposed to a stream-stabilized electric arc plasma, condensation and collection of powders, according to the invention, the stabilization of the electric plasma is carried out by two opposing vortex gas streams moving with the possibility of capture trapped on the wall the evaporator of non-evaporated powder particles to return to the high temperature zone of the evaporator. Stabilization of the plasma flow is carried out by two vortex gas flows moving towards each other with lower initial speeds, and the non-evaporated part of the powder that has fallen by the action of centrifugal forces on the wall of the evaporator is returned by stabilizing flows to the high temperature zone. Reducing the maximum vortex velocity in the evaporator reduces the release of particles of the processed powder to the wall. Reducing losses in gas velocity due to friction can reduce the consumption of stabilizing gas. The chemical activity of metals and their alloys is neutralized by microencapsulation of powder particles with polymeric materials.

Данные способ и устройство имеют недостатки. Предложенный способ возврата частиц порошка только снижает вероятность осаждаться их на стенках испарителя. Капсулирование частиц порошка полимерными материалами может предотвратить их реакцию с окружающим воздухом, но в процессе использования в составе смеси будет присутствовать значительно количество полимера, компоненты которого после разложения будут изменять химический состав порошка.These method and device have disadvantages. The proposed method for the return of powder particles only reduces the likelihood of their deposition on the walls of the evaporator. Encapsulation of powder particles by polymeric materials can prevent their reaction with ambient air, but during use, a significant amount of polymer will be present in the composition of the mixture, the components of which after decomposition will change the chemical composition of the powder.

Наиболее близким является изобретение (см. RU 2263006), плазменно-дуговой реактор для получения порошка из твердого материала в форме проволоки содержит первый электрод и второй электрод, выполненный с возможностью удаления от первого электрода на расстояние, достаточное для образования плазменной дуги между ними, средство для ввода плазмообразующего газа в пространство между первым и вторым электродами, средство для формирования плазменной дуги в пространстве между первым и вторым электродами, причем первый электрод имеет проходящий через него канал, выпускное отверстие которого выходит в пространство между первым и вторым электродами, и предусмотрено средство для подачи твердого материала в форме проволоки через канал для выхода из него через выпускное отверстие в пространство между первым и вторым электродами. При получении пассивированного алюминиевого порошка в реактор подают алюминиевую проволоку в плазму инертного газа, в которой алюминий испаряется, испарившийся алюминий охлаждают инертным газом для конденсации порошка алюминия и окисляют поверхность порошка алюминия пассивирующим газом. Обеспечивается повышение производительности и получение нанометровых и субмикронных порошков с высоким постоянством размеров и незначительными силами сцепления частиц.The closest is the invention (see RU 2263006), a plasma-arc reactor for producing powder from a solid material in the form of a wire contains a first electrode and a second electrode, configured to remove from the first electrode a distance sufficient to form a plasma arc between them, a means for introducing a plasma-forming gas into the space between the first and second electrodes, means for forming a plasma arc in the space between the first and second electrodes, the first electrode having a passing through there is a channel from there, the outlet opening of which extends into the space between the first and second electrodes, and means are provided for supplying solid material in the form of a wire through the channel to exit it through the outlet into the space between the first and second electrodes. Upon receipt of passivated aluminum powder, an aluminum wire is fed into the reactor in an inert gas plasma in which aluminum is evaporated, the evaporated aluminum is cooled with an inert gas to condense the aluminum powder and the surface of the aluminum powder is oxidized with a passivating gas. EFFECT: increased productivity and obtaining nanometer and submicron powders with high dimensional stability and insignificant adhesion forces of particles.

Данное устройство имеет ряд недостатков. Первый и второй электроды расположены таким образом, что пары материала проволоки будут осаждаться на поверхности второго электрода, в результате чего происходит загрязнение порошка и возможна остановка процесса. Если проволока изготовлена из легкоплавкого металла или сплава, существует возможность ее плавления в канале первого электрода и закупоривание его. Первый и второй электроды должны иметь возможность перемещаться относительно друг друга, что создает технические сложности при реализации. Один из электродов или оба должны выполнять функцию катода в газовом разряде, что влечет ограничения для химического состава плазмообразующего газа, и соответственно состава порошка и пассивирующей пленки. Электрод или электроды выполняющие функцию катода, в соответствии с описанием изготовленные из углерода или другого материала, будут распыляться плазмой, загрязняя порошок. Реактор требует, кроме создания газового разряда, еще и нагрева до температуры выше 2000 градусов Цельсия, при работе с алюминием, чтобы избежать конденсации паров на стенках. Это приводит к дополнительным затратам энергии. А при работе с тугоплавкими металлами, температура должна быть выше, что сделать крайне затруднительно, так как нет материалов электродов, способных работать при такой температуре. Реактор должен работать при высоком давлении, чтобы избежать натекания воздуха в месте введения проволоки. Это ограничивает диапазон доступной мощности плазменной дуги и затрудняет ее формирование. Высокое давление газа усложняет сбор порошка, так как он не будет оседать на дно. Невысокая эффективность процесса, так как более половины мощности приложенной к электродам рассеивается на них, а вводимый твердый материал в форме проволоки нагревается только косвенно, от излучения плазменной дуги. Нет возможности управлять размером частиц получаемого порошка.This device has several disadvantages. The first and second electrodes are arranged in such a way that a pair of wire material will be deposited on the surface of the second electrode, as a result of which the powder is contaminated and the process can be stopped. If the wire is made of fusible metal or alloy, there is a possibility of its melting in the channel of the first electrode and its clogging. The first and second electrodes should be able to move relative to each other, which creates technical difficulties in implementation. One of the electrodes or both must perform the function of a cathode in a gas discharge, which entails restrictions on the chemical composition of the plasma-forming gas, and, accordingly, the composition of the powder and passivating film. An electrode or electrodes that perform the function of a cathode, as described, made of carbon or other material, will be sprayed by plasma, contaminating the powder. The reactor requires, in addition to creating a gas discharge, also heating to a temperature above 2000 degrees Celsius, when working with aluminum, in order to avoid vapor condensation on the walls. This leads to additional energy costs. And when working with refractory metals, the temperature should be higher, which is extremely difficult to do, since there are no electrode materials that can work at this temperature. The reactor must be operated at high pressure to avoid air leakage at the point where the wire is inserted. This limits the range of available power of the plasma arc and complicates its formation. High gas pressure complicates the collection of powder, since it will not settle to the bottom. The low efficiency of the process, since more than half of the power applied to the electrodes is dissipated on them, and the injected solid material in the form of a wire is heated only indirectly from the radiation of a plasma arc. There is no way to control the particle size of the resulting powder.

Техническая задача направлена на создание плазменно-дугового реактора, обеспечивающего получение порошков любых металлов, сплавов и их химических соединений. Дисперсия порошков должна быть управляемой во всем диапазоне, от десятков нанометров до сотен микрометров Порошки должны иметь сферическую форму частиц. Должно быть исключено загрязнение материала частиц порошков примесями материалов деталей реактора или компонентами окружающего воздуха. Должна быть обеспечена возможность получения порошков без пассивирующей пленки или с пленкой заданного состава. Должно быть обеспечено наиболее эффективное использование энергии при получении порошка.The technical problem is aimed at creating a plasma-arc reactor, providing powders of any metals, alloys and their chemical compounds. The dispersion of the powders should be controllable over the entire range, from tens of nanometers to hundreds of micrometers. Powders should have a spherical particle shape. Contamination of the material of the particles of the powders with impurities of the materials of the parts of the reactor or components of the ambient air should be excluded. It should be possible to obtain powders without a passivating film or with a film of a given composition. The most efficient use of energy in obtaining the powder should be ensured.

Поставленную задачу решает плазменно-дуговой реактор для получения порошка металлов, сплавов и металлических соединений из проволоки, содержащий корпус, первый электрод и размещенный на расстоянии от него второй электрод с возможностью образования плазменной дуги между ними, причем первый электрод выполнен с каналом, выпускное отверстие которого выходит в пространство между первым и вторым электродами, средство для ввода плазмообразующего газа в пространство между первым и вторым электродами, средство для формирования плазменной дуги в пространстве между первым и вторым электродами и средство для подачи проволоки через упомянутое отверстие канала в пространство между первым и вторым электродами, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью подключения проволоки в качестве расходуемого катода при прохождении ее через соединенный с отрицательным полюсом средства для формирования плазменной дуги контактный жиклер, соединитель и установленные в канале первого электрода направляющую втулку-охладитель с изолятором и распылитель и содержит камеру пассивирования, выполненную с возможностью подачи в нее паров проволоки и размещенную с образованием кольцевой щели с поверхностью корпуса для ввода пассивирующего или инертного газа, при этом корпус выполнен с каналами для ввода газа и охлаждающей жидкости, первый электрод выполнен с калиброванными отверстия и кольцевой канавкой для плазмообразующего газа, второй электрод выполнен в виде втулки, внутренняя поверхность которой представляет встречно направленные большой и малый усеченные конусы, и установлен неподвижно и соосно относительно первого электрода и распылителя посредством эластичного кольца, причем первый и второй электроды и корпус электрически соединены с положительным полюсом средства для формирования плазменной дуги, распылитель электрически соединен с первым электродом и образует с проволокой сопло для диспергирующего потока из части плазмообразующего газа, а малый конус второго электрода и распылитель размещены с образованием сопла для экранирующего потока из другой части плазмообразующего газа.The problem is solved by a plasma-arc reactor for producing powder of metals, alloys and metal compounds from wire, comprising a housing, a first electrode and a second electrode placed at a distance from it with the possibility of forming a plasma arc between them, the first electrode being made with a channel, the outlet of which goes into the space between the first and second electrodes, means for introducing a plasma-forming gas into the space between the first and second electrodes, means for forming a plasma and in the space between the first and second electrodes and means for supplying the wire through said channel hole into the space between the first and second electrodes, characterized in that it is configured to connect the wire as a sacrificial cathode when it passes through the means for forming connected to the negative pole of a plasma arc, a contact nozzle, a connector and a guide sleeve-cooler with an insulator and a spray gun installed in the channel of the first electrode and contain a passivation chamber made with the possibility of supplying wire vapor to it and placed with the formation of an annular gap with the surface of the housing for introducing passivating or inert gas, while the housing is made with channels for introducing gas and coolant, the first electrode is made with calibrated holes and an annular groove for plasma-forming gas , the second electrode is made in the form of a sleeve, the inner surface of which is counter-directed large and small truncated cones, and is mounted motionless and coaxial relative to the first about the electrode and the atomizer by means of an elastic ring, the first and second electrodes and the housing being electrically connected to the positive pole of the means for forming a plasma arc, the atomizer is electrically connected to the first electrode and forms a nozzle for dispersing flow from the plasma gas part, and a small cone of the second electrode and the atomizer is arranged to form a nozzle for the shielding flow from another part of the plasma gas.

На фиг. 1 приведено изображение в разрезе плазменно-дугового реактора, поясняющее его устройство и работу. Проволоку из металла или сплава 1, с помощью средства для подачи, продвигают через отверстия в контактном жиклере 2, соединителе 3, направляющей втулке-охладителе 4, распылителе 5 в пространство между первым 6 и вторым 7 электродами. Контактный жиклер электрически соединяют с отрицательными полюсами средства для формирования плазменной дуги и возбудителя плазменной дуги. Средство для подачи, средство для формирования плазменной дуги и возбудитель дуги на фиг. 1 не показаны. Размеры поперечного сечения отверстия в контактном жиклере выполняют несколько больше размеров поперечного сечения проволоки, за счет чего обеспечивают подвижность. За счет частичного соприкосновения поверхности проволоки и стенок отверстия контактного жиклера, обеспечивают электрический контакт с отрицательными полюсами средства для формирования плазменной дуги и возбудителя плазменной дуги. В полость соединителя вводят плазмообразующий газ, в качестве которого используют любой газ или смесь газов. Часть плазмообразующего газа поступает через зазор между стенками отверстия контактного жиклера и твердого материала в форме проволоки, и предотвращает проникновение воздуха извне. Другая часть плазмообразующего газа, поступает через отверстия, образованные продольными пазами на внешней поверхности направляющей втулки-охладителя, и внутренней поверхностью изолятора 8, в пространство ограниченное направляющей втулкой-охладителем, каналом первого электрода и распылителем. Отверстие в направляющей втулке-охладителе выполняют несколько больше размеров поперечного сечения проволоки, за счет чего обеспечивают подвижность. Далее часть плазмообразующего газа поступает через сопло диспергирующего потока газа 9, образованное поверхностью проволоки и стенками отверстия в распылителе. Другая часть плазмообразующего газа, через калиброванные отверстия 10, выполненные в первом электроде, далее через зазор между поверхностями первого и второго электродов, поступает в сопло экранирующего потока газа 11, образованное поверхностью малого конуса второго электрода и поверхностью распылителя. Направляющую втулку-охладитель, изолятор и распылитель устанавливают в канал первого электрода с использованием прессовой посадки, чем обеспечивают неподвижное соединение деталей. Такое соединение деталей обеспечивает осевую симметрию проволоки, относительно отверстия распылителя и соответственно осевую симметрию сопла диспергирующего потока газа. Одновременно обеспечен электрический контакт распылителя с первым электродом, который в свою очередь электрически соединяют с положительным полюсом возбудителя плазменной дуги. Изолятор обеспечивает электрическую изоляцию направляющей втулки-охладителя и проволоки от первого электрода и распылителя. Второй электрод устанавливают в нижнюю часть корпуса 12, при этом с помощью эластичного кольца 13, обеспечивают соосность расположения второго электрода относительно первого электрода и распылителя, и соответственно осевую симметрию сопла экранирующего потока газа. Обеспечивают электрический контакт второго электрода с нижней частью корпуса, который электрически соединяют с положительным полюсом средства для формирования плазменной дуги. По специальным каналам 14, принудительно прокачивают охлаждающую жидкость, которая отводит тепловую энергию от первого и второго электродов, и соответственно от распылителя и изолятора. С помощью эластичного кольца также обеспечивают электрическую изоляцию второго электрода относительно первого электрода и распылителя, а также предотвращают попадание охлаждающей жидкости во внутреннее пространство плазменно-дугового реактора. Направляющую втулку-охладитель, и первый электрод выполняют из медно-содержащих сплавов, легко поддающихся механической обработке, например латуни. Распылитель, контактный жиклер и второй электрод выполняют из меди. Эластичное кольцо из резины или эластичного полимера любых марок. Соединитель и корпус выполняют из любого жесткого полимера. Активируют возбудитель плазменной дуги и формируют плазменную дугу малой мощности, между проволокой и распылителем. Ток и мощность плазменной дуги малой мощности ограничены параметрами возбудителя плазменной дуги. Сформированная плазменной дугой малой мощности область газа, обладает высокой электропроводностью. Под действием диспергирующего потока газа 15, она перемещается в сторону второго электрода, в результате чего замыкает электрическую цепь, состоящую из отрицательного полюса средства для формирования плазменной дуги, контактного жиклера, проволоки, второго электрода, корпуса и положительного полюса средства для формирования плазменной дуги. Возникает плазменная дуга большой мощности, в результате действия которой, на торце проволоки, который выполняет функцию катода, формируется катодное пятно с очень высокой, более 10000°С, температурой. Торец проволоки быстро плавится и испаряется, а диспергирующий поток газа отрывает от него капли. Нагрев и плавление остальной части проволоки предотвращает направляющая втулка-охладитель, которая отводит тепло от его поверхности за счет контакта и отдает потоку плазмообразующего газа, проходящего через продольные пазы на ее поверхности. Осевая симметрия диспергирующего потока газа обеспечивает получение капель одинакового размера. Далее капли и пары следуют через плазменную дугу, сосредоточенную в пространстве, ограниченном стенками большого конуса второго электрода, где они дополнительно нагреваются и капли приобретают сферическую форму, под действием сил поверхностного натяжения. Форма поверхности большого конуса второго электрода стабилизирует плазменную дугу, а экранирующий поток газа 16, предотвращает осаждение капель и паров на ней. Проволока при этом расходуется, и с помощью средства подачи, взамен израсходованной подают новую. Положение торца проволоки зависит от соотношения скорости подачи и скорости расходования. Размер капель зависит от расстояния, от сопла диспергирующего потока, до торца проволоки. Камера пассивирования 17 выполнена из кварца или другого тугоплавкого диэлектрического материала. Через кольцевую щель 18, сформированную внутренней поверхностью камеры пассивирования и поверхностью корпуса, вводят пассивирующий или инертный газ. Капли поступают в камеру пассивирования, охлаждаются потоком газа и кристаллизуются. Если вводят инертный газ, пассивирующая пленка не образуется. Если вводят активный газ, то на поверхности частиц формируется однородная пассивирующая пленка, химический состав которой определяется составом проволоки и составом активного газа. Пары поступают в камеру пассивирования, охлаждаются и образуют монокристаллические частицы порошка, размером около 20 нанометров, также с пассивирующей пленкой или без нее. Соотношение капель и паров зависит от мощности плазменной дуги, скорости подачи проволоки, давления газа в объеме камеры пассивирования. Давление газа в камере пассивирования можно изменять в широком диапазоне давлений, от нескольких десятков, до нескольких сотен тысяч Паскалей, в случае использования плазменно-дугового реактора совместно с системами создания вакуума или избыточного давления любой конструкции.In FIG. 1 shows a sectional view of a plasma-arc reactor, explaining its structure and operation. The wire of metal or alloy 1, using the means for feeding, is advanced through the holes in the contact nozzle 2, connector 3, guide sleeve-cooler 4, atomizer 5 into the space between the first 6 and second 7 electrodes. The contact jet is electrically connected to the negative poles of the means for forming the plasma arc and the path of the plasma arc. The means for supplying, the means for forming the plasma arc and the pathogen of the arc in FIG. 1 are not shown. The dimensions of the cross section of the hole in the contact nozzle are slightly larger than the dimensions of the cross section of the wire, due to which they provide mobility. Due to the partial contact of the surface of the wire and the walls of the hole of the contact jet, they provide electrical contact with the negative poles of the means for forming the plasma arc and the path of the plasma arc. A plasma-forming gas is introduced into the cavity of the connector, which is used as any gas or mixture of gases. Part of the plasma-forming gas enters through the gap between the walls of the hole of the contact jet and the solid material in the form of a wire, and prevents air from entering from the outside. Another part of the plasma-forming gas enters through openings formed by longitudinal grooves on the outer surface of the guide sleeve-cooler, and the inner surface of the insulator 8, into the space bounded by the guide sleeve-cooler, the channel of the first electrode and the atomizer. The hole in the guide sleeve-cooler is slightly larger than the cross section of the wire, due to which they provide mobility. Next, a portion of the plasma-forming gas enters through the nozzle of the dispersing gas stream 9, formed by the surface of the wire and the walls of the holes in the atomizer. Another part of the plasma-forming gas, through calibrated holes 10 made in the first electrode, then through the gap between the surfaces of the first and second electrodes, enters the nozzle of the shielding gas stream 11, formed by the surface of the small cone of the second electrode and the surface of the atomizer. The guide sleeve-cooler, the insulator and the atomizer are installed in the channel of the first electrode using a press fit, which ensures a fixed connection of the parts. Such a connection of parts provides axial symmetry of the wire relative to the nozzle opening and, accordingly, axial symmetry of the nozzle of the dispersing gas stream. At the same time, the atomizer is in electrical contact with the first electrode, which in turn is electrically connected to the positive pole of the exciter of the plasma arc. The insulator provides electrical isolation of the guide sleeve-cooler and wire from the first electrode and spray gun. The second electrode is installed in the lower part of the housing 12, while using the elastic ring 13, ensure the alignment of the location of the second electrode relative to the first electrode and the atomizer, and accordingly the axial symmetry of the nozzle of the shielding gas stream. Provide electrical contact of the second electrode with the lower part of the housing, which is electrically connected to the positive pole of the means for forming a plasma arc. Through special channels 14, coolant is forcibly pumped, which removes thermal energy from the first and second electrodes, and accordingly from the atomizer and insulator. The elastic ring also provides electrical isolation of the second electrode relative to the first electrode and the atomizer, and also prevents the ingress of coolant into the interior of the plasma-arc reactor. The guide sleeve-cooler and the first electrode are made of copper-containing alloys that are easily machined, such as brass. The atomizer, contact jet and second electrode are made of copper. Elastic ring made of rubber or elastic polymer of any brand. The connector and the housing are made of any hard polymer. The causative agent of the plasma arc is activated and a low-power plasma arc is formed between the wire and the atomizer. The current and power of a low-power plasma arc are limited by the parameters of the plasma arc exciter. The gas region formed by a low-power plasma arc has a high electrical conductivity. Under the action of the dispersing gas stream 15, it moves towards the second electrode, as a result of which it closes the electric circuit consisting of the negative pole of the means for forming a plasma arc, contact jet, wire, second electrode, housing and the positive pole of the means for forming the plasma arc. There is a plasma arc of high power, as a result of which, on the end of the wire, which acts as a cathode, a cathode spot is formed with a very high temperature of more than 10,000 ° C. The end of the wire quickly melts and evaporates, and the dispersing gas stream tears drops from it. Heating and melting of the rest of the wire is prevented by a guide sleeve-cooler, which removes heat from its surface due to contact and gives off a stream of plasma-forming gas passing through longitudinal grooves on its surface. The axial symmetry of the dispersing gas stream provides droplets of the same size. Then, drops and vapors follow through a plasma arc concentrated in a space bounded by the walls of the large cone of the second electrode, where they are additionally heated and the drops become spherical under the action of surface tension forces. The surface shape of the large cone of the second electrode stabilizes the plasma arc, and the shielding gas stream 16 prevents the deposition of droplets and vapors on it. In this case, the wire is consumed, and with the help of the means of supply, instead of the consumed, a new one is fed. The position of the end of the wire depends on the ratio of the feed rate and the flow rate. The size of the drops depends on the distance from the nozzle of the dispersing stream to the end of the wire. The passivation chamber 17 is made of quartz or other refractory dielectric material. Passivating or inert gas is introduced through an annular gap 18 formed by the inner surface of the passivation chamber and the surface of the housing. Drops enter the passivation chamber, are cooled by a gas stream, and crystallize. If an inert gas is introduced, a passivating film is not formed. If active gas is introduced, a uniform passivating film is formed on the surface of the particles, the chemical composition of which is determined by the composition of the wire and the composition of the active gas. Vapors enter the passivation chamber, cool and form single-crystal powder particles, about 20 nanometers in size, also with or without a passivating film. The ratio of droplets and vapors depends on the plasma arc power, wire feed speed, gas pressure in the volume of the passivation chamber. The gas pressure in the passivation chamber can be changed over a wide pressure range, from several tens to several hundred thousand Pascals, in the case of using a plasma-arc reactor in conjunction with systems for creating vacuum or overpressure of any design.

Поставленная техническая задача решена с помощью предлагаемого плазменно-дугового реактора с расходуемым катодом, который позволяет получать порошки любых металлов и сплавов, а также их химических соединений. Получать порошки сферической формы. Получать порошки во всем диапазоне дисперсии, от 20 нанометров до нескольких сотен микрометров с возможностью управления получаемой дисперсией. Получать непассивированные порошки или порошки с пассивирующей пленкой требуемого химического состава. Исключить загрязнение порошка материалами деталей реактора. Максимально эффективно использовать энергию в процессе изготовления порошка. Конструкция реактора проста и не требует использования тугоплавких материалов, драгоценных и редкоземельных металлов.The stated technical problem is solved using the proposed plasma-arc reactor with a consumable cathode, which allows you to get powders of any metals and alloys, as well as their chemical compounds. Get spherical powders. Get powders in the entire dispersion range, from 20 nanometers to several hundred micrometers with the ability to control the resulting dispersion. Receive non-passivated powders or powders with a passivating film of the required chemical composition. Avoid powder contamination with reactor parts materials. The most efficient use of energy in the manufacturing process of the powder. The reactor design is simple and does not require the use of refractory materials, precious and rare earth metals.

Предлагаемый плазменно-дуговой реактор был изготовлен и испытан в составе опытно-промышленной установки. Были получены непассивированные порошки сплава АМг-62, дисперсией от 20 до 35 нанометров, и сферические пассивированные порошки дисперсией от 1 до 200 мкм. Выполненные, методом рентгенолюминесцентного анализа, исследования полного примесного состава частиц полученного порошка, подтвердили отсутствие загрязнений материала частиц и требуемый химический состав пассивирующей пленки.The proposed plasma-arc reactor was manufactured and tested as part of a pilot plant. Non-passivated powders of the AMg-62 alloy were obtained with a dispersion of 20 to 35 nanometers, and spherical passivated powders with a dispersion of 1 to 200 microns. The studies of the total impurity composition of the particles of the obtained powder, carried out by X-ray luminescence analysis, confirmed the absence of contamination of the particle material and the required chemical composition of the passivating film.

Claims

A plasma-arc reactor for producing a powder of metals, alloys and metal compounds from wire, comprising a housing, a first electrode and a second electrode placed at a distance from it with the possibility of forming a plasma arc between them, the first electrode being made with a channel, the outlet of which extends into space between the first and second electrodes, means for introducing a plasma-forming gas into the space between the first and second electrodes, means for forming a plasma arc in the space between the first the second and second electrodes and means for feeding the wire through said channel outlet into the space between the first and second electrodes, characterized in that it is configured to connect the wire as a consumable cathode when it passes through the contact means connected to the negative pole of the plasma arc forming means a nozzle, a connector and a guide sleeve-cooler with an insulator and a spray gun installed in the channel of the first electrode and contains a passivation chamber made with the possibility of feeding wire vapor into it and placed with the formation of an annular gap with the surface of the housing for introducing passivating or inert gas, while the housing is made with channels for introducing gas and coolant, the first electrode is made with calibrated holes and an annular groove for plasma-forming gas, the second electrode made in the form of a sleeve, the inner surface of which is counter-directed to the large and small truncated cones, and is mounted motionless and coaxial with respect to the first electrode and p the aspirator by means of an elastic ring, wherein the first and second electrodes and the housing are electrically connected to the positive pole of the plasma arc forming means, the atomizer is electrically connected to the first electrode and forms a nozzle for dispersing flow from the plasma-forming gas part with the wire, and the small cone of the second electrode and the atomizer are placed with the formation of a nozzle for the shielding stream from another part of the plasma-forming gas.