КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ПЕЧИ
CATHODE ASSEMBLY FOR VACUUM ELECTRONIC PLASMA FURNACE

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.
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).
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.
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.
На фиг.1 изображен катодный узел вакуумной электронно-плазменной печи в разрезе.
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.
-1
-5
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÷10 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.
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.