УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ОДНОВРЕМЕННЫМ ПОЛУЧЕНИЕМ СЛИТКОВ

Полезная модель относится к области электрометаллургии, в частности к вакуумным электронно-плазменным плавильным печам.
Известно устройство для плавки слитков в кристаллизатор, имеющее кристаллизатор с вытягиванием слитка, камеру печи, ввод в печь переплавляемого стержня или штабика, плавильный плазмотрон с продольной газовой стабилизацией дуги, состоящий из катододержателя, катода, сопла и защитного корпуса [1] («Дуговые печи и установки специального нагрева» под. ред. А.Д.Свенчанского, второе издание, переработанное и дополненное, Москва, Энергоиздат, 1981 г. стр.248-251).
Однако данное устройство имеет существенные недостатки. К основным из них следует отнести:
- значительные потери полезной мощности на водоохлаждаемом сопле;
- высокая эрозия катода при плавке тугоплавких металлов в вакууме;
- нет возможностей получения компактных слитков непосредственно из порошков;
- недостаточная мощность для плавки тугоплавких металлов.
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению по совокупности признаков является плазменная плавильная печь с вытягиванием слитка из кристаллизатора с применением мощного плазмотрона для плавки металлов. («Электроплавильные печи цветной металлургии» под. ред. В.В.Башенко, А.В.Донской, И.Н.Соломахина, изд. «Металлургия», Москва. 1971 г. стр.156-158.). Катод из торированного вольфрама запрессован в медный водоохлаждаемый держатель и входит в отверстие водоохлаждаемого сопла. Катод снабжен осевым отверстием, через которое подается аргон. [2].
Печь представляет собой герметизированную камеру, в которую сверху вставлен плазмотрон, а снизу - водоохлаждаемый кристаллизатор. В данной печи есть возможность переплавлять порошки и гранулы. Перед плавкой устанавливается затравка, печь герметизируется, откачивается вакуумным насосом, промывается аргоном с последующей откачкой и заполняется аргоном. Процесс плавки проводится в аргоне с периодической вытяжкой сплавляемого исходного материала и поддержанием заданного давления в камере печи с помощью клапана.
Эта печь также имеет ряд существенных недостатков, а именно:
- технологический процесс ведется в аргоне и, следовательно, возникают большие потери полезной мощности на излучение (низкая доля передачи тепла на расплавляемый металл за счет кинетической энергии электронов);
- значительные потери полезной мощности на водоохлаждаемом сопле;
- низкая производительность;
- из-за низкой стойкости катода не возможно ведение технологического процесса в вакууме;
- при подаче порошка происходит быстрое залипание осевого отверстия катода и технологический процесс останавливается;
- возможно подплавление сопла, образование микротечей и попадание воды в печь, что приводит к аварийной ситуации и прекращению ведения технологического процесса.
Нам не известно ни одно из заявленных и практически воплощенных устройств (плазмотрона) плазменной обработки порошков с одновременным получением компактного слитка в вакуумной плазменной электропечи с применением наружного и внутреннего катодов.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в создании устройства (плазмотрона) плазменной обработки порошков (практически всех металлов) с одновременным получением компактных слитков в вакуумных плазменных электропечах, работающих на мощностях до 600 кВт.
Для решения поставленной задачи обработки порошкообразных материалов с одновременным получением слитков в вакуумной плазменной электропечи создано устройство содержащее внутренний и наружный катоды, в торцевой части внутреннего катода выполнены каналы, расположенные под углом для вихревой подачи плазмообразующего газа, наружный катод заглублен в водоохлаждаемый медный корпус, в изоляторе выполнены каналы, расположенные под углом для вихревой подачи стабилизирующего газа, тугоплавкая вставка выполнена с каналами для перемещения плазмообразующего газа, труба обеспечивает раздельную подачу стабилизирующего газа.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является получение компактных слитков, непосредственно из порошков, а также увеличение ресурса непрерывной работы катодов, увеличение производительности, стабильность работы и удержание порошка в плазменном разряде, а также исключаются потери мощности на водоохлаждаемые сопла.
Расположенные под углом каналы на внутреннем катоде обеспечивают вихревую подачу плазмообразующего газа, защиту поверхностей катодов инертным газом и способствуют высокой плотности и направленности энергии, в том числе за счет конвективного переноса тепла разогретым в плазменном разряде вихревым потоком газа.
Внутренний катод, изготовленный из тугоплавкого металла и плотно установленный в посадочное гнездо наружного катода, способствует образованию устойчивого тлеющего разряда при включении источников питания, нагреву (первоначальный момент) поверхности наружного катода до образования на нем стабильного плазменного разряда с направленным потоком электронов. Внутренний катод дополнительно обеспечивает направленный поток стабилизирующего газа, который способствует удержанию порошка в центре плазменного разряда, исключает завихрения газов у торца медной трубки для подачи порошка и залипание порошка на выходе из трубки.
Наружный катод, изготовленный из тугоплавкого металла, прикреплен с помощью резьбы к водоохлаждаемому медному корпусу и заглублен в него, что способствует охлаждению его рабочей части, снижению эрозии и увеличению ресурса непрерывной работы.
Таким образом достигается увеличение ресурса непрерывной работы катодов, удержание порошка в центре плазменного разряда и исключаются потери мощности на водоохлаждаемые сопла.
Расположенные под углом каналы в изоляторе, изготовленном из текстолита, обеспечивают вихревую подачу стабилизирующего газа с заданным расходом и удержание порошка в плазменном разряде.
Вставка, изготовленная из ниобия, имеет четыре канала, крепится с помощью резьбы к медному корпусу плазмотрона, дополнительно охлаждается трубой и обеспечивает надежный электрический контакт с внутренним катодом и подвод через каналы плазмообразующего газа, что способствует стабильной работе плазмотрона на мощностях до 600 кВт. при силе тока 8 кА.
Труба из нержавеющей стали крепится с помощью резьбы к тугоплавкой вставке и обеспечивает фиксацию изолятора и раздельную подачу стабилизирующего газа, чем достигается результат раздельной регулируемой по заданным расходам подачи стабилизирующего и плазмообразующего газов, обеспечивающих удержание порошка в плазменном разряде и стабильность ведения технологического процесса в целом.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, где изображен плазмотрон, и фиг.2, где изображена вакуумная плазменная печь для обработки порошков с одновременным получением компактных слитков повышенного качества.
Заявленное устройство (фиг.1) для обработки порошков с одновременным получением компактных слитков содержит:
- водоохлаждаемый медный корпус (4) с внутренней резьбой для крепления наружного катода (1) и тугоплавкой вставки (5). Наружный катод (1) и внутренний катод (2) изготавливаются из тантала, ниобия, циркония или вольфрама в зависимости от переплавляемого материала. В торцевой части внутреннего катода имеется до 16 каналов глубиной 3 мм, расположенных под углом 30° и обеспечивающих вихревое прохождение плазмообразующего газа.
- медную водоохлаждаемую трубу (3), расположенную по оси плазмотрона, обеспечивающую прохождение транспортирующего газа и исходного материала для плавки в центр плазменного разряда, что позволяет получать компактные слитки различных материалов и сплавов на их основе непосредственно из порошков крупностью до 1 мм и содержанием примесей внедрения до 3%..
- изолятор (7) с нарезанными в нем каналами под углом 30° для прохождения стабилизирующего газа и придания ему вращательного движения;
- тугоплавкую вставку (5) с резьбой для крепления к корпусу (4) и четырьмя каналами диаметром 3 мм для перемещения плазмообразующего газа;
- медную водоохлаждаемую трубу (6) для подсоединения к вставке (5) для ее охлаждения;
- нержавеющую стальную трубу (8) с резьбовым соединением с вставкой (5), обеспечивающую фиксацию изолятора и раздельную подачу стабилизирующего газа.
Заявленное устройство получения компактных слитков из порошковых материалов работает следующим образом:
- после герметизации камеры печи (9, фиг.2) и ее откачки до остаточного давления не более 10 Па в плазмотрон (фиг.1) подается плазмообразующий газ (смесь гелия с аргоном) между внутренним катодом(2) и наружным катодом (1) и стабилизирующий газ (гелий) между медной трубой (3) и внутренним катодом (2);
- включается пусковой источник питания (напряжение до 400 В) и основной источник питания. За счет большего сопротивления сначала начинает разогреваться внутренний катод (2) до красного каления (~1500°С), и электроны из внутреннего катода и свободные электроны в межэлектродном промежутке ускоряются в сторону анода (10-кристаллизатор с наплавляемым слитком, фиг.2);
- в течение ~ 30-60 секунд (режим тлеющего разряда) происходит разогрев наружного катода (1, фиг.1) до образования на его поверхности плазменного разряда. В этот момент температура внутреннего катода падает, а наружный катод начинает прогреваться по кольцу до образования устойчивого плазменного разряда;
- устанавливаются рабочие режимы по току и расходу инертных газов, в том числе транспортирующего газа;
- включается питатель подачи порошка (11, фиг.2). Порошок увлекается транспортирующим газом, перемещается в водоохлаждаемую медную трубу (3, фиг.1) и попадает в центр плазменного разряда (12, фиг.2);
- в плазменном разряде происходят рафинировочные процессы, а окончательное расплавление порошка и его очистка от примесей внедрения происходит в кристаллизаторе (10, фиг.2);
- по мере наплавления металла в кристаллизаторе включается привод (13, фиг.2), и шток (14, фиг.2) вместе со слитком перемещается вниз до полного наплавления слитка.
Заявляемое нами устройство (плазмотрон) позволит принципиально изменить существующие традиционные технологии получения компактных слитков со следующими преимуществами:
4
-2
- длительный ресурс работы катодов 50-70 часов на мощностях до 600 кВт, возможность проведения процесса обработки порошков с одновременным получением компактных слитков и сплавов (незначительные потери легирующих компонентов) в широком диапазоне по остаточному давлению от 1·10 Па до 1·10 Па;
- широкий диапазон регулирования мощности от 30 кВт до 600 кВт с протяженностью плазменного разряда до 300 мм, что позволяет вести обработку и переплав порошков различного гранулометрического состава с высокой производительностью;
- большие возможности по удержанию порошка в плазменном разряде (100%), в том числе за счет двухстадийной вихревой подачи инертных газов с заданным расходом;
- высокая плотность потока энергии и одновременно равномерное распределение потока энергии на поверхности ванны жидкого металла;
низкое напряжение разряда (не более SOB) и вместе с тем высокая направленная энергия электронов;
- высокая направленность нагрева, при которой к расплавленному металлу передается не менее 70% мощности разряда, в том числе за счет оптимальной длины плазменного разряда, конвективного переноса тепла газом;
- получение компактных слитков различных материалов и сплавов на их основе непосредственно из порошков крупностью до 1 мм; применение в качестве исходного материала относительно «грязные» порошки и шихты на их основе (при получении сплавов) с содержанием примесей до 3%;
- высокая производительность, например 60 кг/час при переплаве порошков тантала;
Таким образом, создано устройство (плазмотрона) плазменной обработки порошков (практически всех металлов) с одновременным получением компактных слитков в вакуумных плазменных электропечах, работающих на мощностях до 600 кВт.
При этом обеспечивается получение компактных слитков непосредственно из порошков, увеличение ресурса непрерывной работы катодов, увеличение производительности, стабильность работы и удержание порошка в плазменном разряде, а также исключаются потери мощности на водоохлаждаемые сопла.