ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ПЛАВКИ
MELTING FURNACE OF PLASMA ARC MELTING UNIT

Предполагаемое изобретение относится к области вакуумных установок для плазменной обработки металлов, в частности, для плазменной дуговой плавки металлов и сплавов в космосе, и предназначена для проведения экспериментов преимущественно по плавке наиболее перспективных металлов (вольфрам, ниобий) и композитов на металлической основе в условиях микрогравитации.
Известны установки (электропечи сопротивления) типа «Сплав» и «Кристалл», а также универсальная электропечь, применявшаяся на американской космической станции «Скайлэб», которые располагаются в отвакуумированном технологическом блоке и имеют полости, куда помещаются герметичные патроны (ампулы), содержащие переплавляемое вещество. («Космическое материаловедение и технология», 1977, и «Орбитальная станция «Скайлэб», Д. Бэлью, Э. Стулингер, 1977, стр.200).
Рабочая температура таких печей сопротивления, как правило, не превышает 1000-1200°C, однако, во-первых, этого недостаточно для плавки целого ряда металлов и сплавов, а, во-вторых, при более высоких температурах трудно или невозможно подобрать материал ампулы, вследствие взаимодействия его с переплавляемым веществом.
Известно также устройство для плазменной обработки материалов в дуговом разряде, принятое за прототип, представляющее собой, плазматрон [2], содержащий анод, полый термоэмиссионный катод, соединенный с узлом подачи рабочего тела (газа).
Недостатком этого устройства является необходимость в дорогой системе откачки большой производительности при использовании его для плавки в дуговом разряде, значительной опасности при проведении плазменно-дуговой плавки в космосе и невысокое качество переплавляемого материала. Кроме того совмещение катода с источником рабочего тела -лития снижает надежность запуска и работы печи и по мере уменьшения расхода лития из источника рабочего тела в процессе работы печи снижается устойчивость разряда и КПД печи.
Целью предполагаемого изобретения является обеспечение безопасности плазменно-дуговой плавки в космосе, повышение надежности плавки, а также надежности запуска и КПД плазменной печи установки для плазменно-дуговой плавки при увеличении ресурса печи.
Для достижения указанной цели в плавильную печь установки для плазменно-дуговой плавки, содержащую катод, узел подачи щелочного металла, например, лития, и анод, введены герметичный отвакуумированный корпус, соединенный с катодом и анодом с помощью высокотемпературных гермовводов на основе окиси алюминия, кольцевая вставка, коаксиально охватывающая катод и электроизолированная от него, и контактирующий с внутренней поверхностью корпуса набор цилиндрических колец, чередующихся с шайбами. При этом кольца и шайбы выполнены из титановой губки и имеют различные внутренние диаметры, причем, узел подачи рабочего тела выполнен в виде кольцевой вставки, содержащей коаксиальную полость, заполненную пористой структурой, пропитанной щелочным металлом, и открытой с торца, обращенного к катоду.
На фиг.1 изображен общий вид плавильной печи установки для плазменно-дуговой плавки, выполненной в виде герметичного отвакуумированного корпуса. Корпус 1 высокотемпературными гермовводами 2 герметично соединен с державкой 6 катода 3 и с державкой 12 анода 4. Катод 3 вольфрамовой гайкой 5 прижимается к торцевой поверхности полой цилиндрической державки 6 катода, внутри которой располагается пусковой нагреватель установки для плазменно-дуговой плавки (на чертеже не показан). Коаксиально с катодом 3, охватывая его, установлен узел подачи рабочего тела, выполненный в виде кольцевой вставки 7, состоящей из двух коаксиальных тонкостенных цилиндров из молибдена, сваренных с одной стороны, и образующих кольцевую полость, заполненную пористой структурой 8, пропитанной щелочным металлом (литием). Кольцевая вставка 7 изолирована от корпуса 1 и катода 3 с помощью изоляторов 9 на основе нитрида бора. В корпус 1 вставлен контактирующий с внутренней поверхностью корпуса набор
цилиндрических колец 10, чередующихся с шайбами 13, имеющих различные внутренние диаметры, что позволяет увеличить поверхность конденсации. Технологическая трубка 11, приваренная к торцевой части корпуса 1 сообщена с внутренней полостью последнего и служит для обезгаживания и вакуумирования плавильной печи.
Плавильная печь установки для плазменно-дуговой плавки в космосе работает следующим образом. Технологический блок, в котором размещена плазменная печь, сообщают с системой вакуумирования. Включают систему охлаждения корпуса 1 печи и подают напряжение на пусковой нагреватель, расположенный во внутренней полости державки 6 катода 3. Пусковой нагреватель разогревает катод 3 и кольцевую вставку 7, содержащую литий. Литий начинает выпариваться из кольцевой вставки 6 в межэлектродный зазор и зажигается дуговой разряд в плазме лития. Увеличивая ток разряда расплавляют анод 4, состоящий, например, из материалов, не смешивающихся в Земных условиях. Выдерживают расплав в течение времени, необходимого для взаимной диффузии материалов и очистки их от примесей в литиевой плазме. Затем уменьшая ток разряда постепенно охлаждают анод 4.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является возможность получения сверхпроводящего сплава с рекордной температурой перехода сплава в сверхпроводящее состояние.
Кроме того, в предложенной установке предполагается проведение плавок композиционных материалов на основе бериллия.
Положительный эффект плавильной печи установки для плазменно-дуговой плавки в космосе заключается в следующем:
1) Обеспечивается безопасность плазменно-дуговой плавки в космосе из-за герметично закрытого корпуса плавильной печи.
2) Повышается КПД печи благодаря использованию теплового излучения с катода, анода и из разрядной плазмы для разогрева и испарения лития, заключенного в кольцевой вставке. При этом нагреватель служит только в качестве пускового нагревателя катода. Так как мощность нагревателя в установке составляет около 38% от мощности разряда, то ожидается существенный выигрыш в КПД печи. Кроме того значительно разгружается система охлаждения установки.
3) Повышается надежность запуска, так как от пускового нагревателя сначала прогревается катод, а затем прогревается кольцевая вставка с литием в основном за счет излучения с державки катода.
4) Увеличивается устойчивость дугового разряда и чистота переплавляемого металла за счет организации циркуляции лития, который выпариваясь из кольцевой вставки, ионизируется в межэлектродном промежутке. Плазма лития очищает расплавленный анод, так как литий является сильнейшим восстановителем, после чего прореагировавший литий конденсируется на пористой вставке, примыкающей к охлаждаемой стенке капсулы.
5) Увеличивается ресурс плавильной печи благодаря увеличению емкости запасенного лития в пористой структуре кольцевой вставки по сравнению с объемом катодной полости.
Использованная литература.
1 Д. Бэлью, Э. Стулингер «Орбитальная станция «Скайлэб» «Космическое материаловедение и технология», 1977, стр.200.
2 Заявка на изобретение №2004138506/06 от 28.12.2004, опубликованная 10.06.2006. МПК Н05Н 1/24.