RU2504929C2 - Melting furnace of plasma arc melting unit - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: into a melting furnace of a plasma arc melting unit, which includes a cathode and an anode there introduced is a sealed vacuumed housing connected to the cathode and the anode by means of high-temperature sealed lead-ins based on aluminium oxide, an annular insert coaxially enveloping the cathode and electrically isolated from it, and a set of cylindrical rings alternating with washers and contacting the inner surface of the housing. Rings and washers are made from a titanium sponge and have different inner diameters; besides, in the annular insert there is a coaxial cavity filled with a porous structure saturated with alkali metal and open on the end facing to the cathode.

EFFECT: possibility of obtaining superconductive alloy with peak transition temperature of alloy to superconductive state; increasing safety of melting in outer space due to a tightly closed housing of a melting furnace; improving the furnace efficiency.

1 dwg

Description

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.The alleged invention relates to the field of vacuum installations for plasma processing of metals, in particular for plasma arc melting of metals and alloys in space, and is intended to conduct experiments mainly on the melting of the most promising metals (tungsten, niobium) and metal-based composites under microgravity conditions.

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).Known installations (resistance electric furnaces) of the “Alloy” and “Crystal” type, as well as a universal electric furnace used at the Skylab American space station, which are located in an evacuated technological unit and have cavities where sealed cartridges (ampoules) containing remeltable material are placed . (“Space Materials Science and Technology”, 1977, and “Skylab Orbital Station”, D. Balle, E. Stulinger, 1977, p. 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.The working temperature of such resistance furnaces, as a rule, does not exceed 1000-1200 ° C, however, firstly, this is not enough to melt a number of metals and alloys, and secondly, at higher temperatures it is difficult or impossible to choose the material of the ampoule, due to its interaction with the remelted substance.

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).It is also known a device for plasma processing of materials in an arc discharge, adopted as a prototype, which is a plasmatron [2], containing an anode, a hollow thermionic cathode connected to the supply unit of the working fluid (gas).

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.The disadvantage of this device is the need for an expensive pumping system of high performance when used for melting in an arc discharge, significant danger when conducting plasma-arc melting in space and the low quality of the remelted material. In addition, the combination of the cathode with the source of the working fluid of lithium reduces the reliability of the start-up and operation of the furnace, and as lithium consumption from the source of the working fluid decreases during the operation of the furnace, the discharge stability and furnace efficiency decrease.

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.The aim of the proposed invention is to ensure the safety of plasma-arc melting in space, increasing the reliability of melting, as well as the reliability of the launch and efficiency of the plasma furnace of a plasma-arc melting plant with an increase in the resource of the furnace.

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.To achieve this goal, a sealed evacuated casing connected to the cathode and anode via high-temperature pressure seals based on alumina is introduced into the melting furnace of a plasma-arc melting installation containing a cathode, an alkali metal supply unit, for example, lithium, and an anode. , coaxially covering the cathode and electrically insulated from it, and a set of cylindrical rings alternating with washers in contact with the inner surface of the housing. Moreover, the rings and washers are made of titanium sponge and have different internal diameters, moreover, the working fluid supply unit is made in the form of an annular insert containing a coaxial cavity filled with a porous structure impregnated with alkali metal and open from the end facing the cathode.

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 наборFigure 1 shows a General view of the melting furnace installation for plasma arc melting, made in the form of a sealed evacuated housing. The housing 1 is sealed by high-temperature pressure glands 2 with the cathode holder 6 and the anode holder 12. The cathode 3 is pressed against the end surface of the hollow cylindrical holder 6 of the cathode by a tungsten nut 5, inside of which there is a starting heater of the plasma-arc melting installation (not shown in the drawing ) Coaxially with the cathode 3, embracing it, a working fluid supply unit is installed, made in the form of an annular insert 7, consisting of two coaxial thin-walled molybdenum cylinders welded on one side and forming an annular cavity filled with a porous structure 8 impregnated with alkali metal (lithium ) The annular insert 7 is isolated from the housing 1 and the cathode 3 using insulators 9 based on boron nitride. In the housing 1 is inserted into contact with the inner surface of the housing set

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.cylindrical rings 10, alternating with washers 13, having different internal diameters, which allows to increase the surface of condensation. Technological tube 11, welded to the end of the housing 1 is in communication with the internal cavity of the latter and serves to degass and vacuum the melting furnace.

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.A melting furnace installation for plasma-arc melting in space works as follows. The technological unit in which the plasma furnace is placed is communicated with a vacuum system. The cooling system of the furnace body 1 is turned on and voltage is applied to the starting heater located in the inner cavity of the holder 6 of the cathode 3. The starting heater heats the cathode 3 and the annular insert 7 containing lithium. Lithium begins to evaporate from the ring insert 6 into the interelectrode gap and an arc discharge is ignited in the lithium plasma. By increasing the discharge current, the anode 4 is melted, consisting, for example, of materials that are not miscible under Earth conditions. Maintain the melt for the time necessary for the mutual diffusion of materials and cleaning them from impurities in lithium plasma. Then, by decreasing the discharge current, the anode 4 is gradually cooled.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является возможность получения сверхпроводящего сплава с рекордной температурой перехода сплава в сверхпроводящее состояние.The technical result of the proposed invention is the possibility of obtaining a superconducting alloy with a record temperature of the transition of the alloy into a superconducting state.

Кроме того, в предложенной установке предполагается проведение плавок композиционных материалов на основе бериллия.In addition, the proposed installation is supposed to conduct melting of composite materials based on beryllium.

Положительный эффект плавильной печи установки для плазменно-дуговой плавки в космосе заключается в следующем:The positive effect of the melting furnace of an installation for plasma-arc melting in space is as follows:

1) Обеспечивается безопасность плазменно-дуговой плавки в космосе из-за герметично закрытого корпуса плавильной печи.1) The safety of plasma arc melting in space is ensured due to the hermetically sealed body of the melting furnace.

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.2) Increases the efficiency of the furnace due to the use of thermal radiation from the cathode, anode and from the discharge plasma for heating and evaporation of lithium, enclosed in an annular insert. In this case, the heater serves only as a starting cathode heater. Since the heater power in the installation is about 38% of the discharge power, a significant gain in furnace efficiency is expected. In addition, the cooling system of the installation is significantly relieved.

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.3) The reliability of starting is increased, since the cathode is first heated from the starting heater, and then the ring insert with lithium is heated mainly due to radiation from the cathode holder.

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.4) The stability of the arc discharge and the purity of the remelted metal are increased due to the organization of the circulation of lithium, which is evaporated from the ring insert and ionized in the interelectrode gap. Lithium plasma cleans the molten anode, since lithium is the strongest reducing agent, after which the reacted lithium condenses on a porous insert adjacent to the cooled wall of the capsule.

5) Увеличивается ресурс плавильной печи благодаря увеличению емкости запасенного лития в пористой структуре кольцевой вставки по сравнению с объемом катодной полости.5) The resource of the melting furnace increases due to an increase in the capacity of the stored lithium in the porous structure of the annular insert as compared with the volume of the cathode cavity.

Использованная литература.References.

1 Д. Бэлью, Э. Стулингер «Орбитальная станция «Скайлэб» «Космическое материаловедение и технология», 1977, стр.200.1 D. Balley, E. Stulinger, “Skylab Orbital Station,” Space Materials Science and Technology, 1977, p. 200.

2 Заявка на изобретение №2004138506/06 от 28.12.2004, опубликованная 10.06.2006. МПК Н05Н 1/24.2 Application for invention No. 2004138506/06 dated 12.28.2004, published on 10.06.2006. IPC Н05Н 1/24.

Claims (1)

Плавильная печь установки для плазменно-дуговой плавки, содержащая катод, узел подачи рабочего тела и анод, отличающаяся тем, что в нее 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. A melting furnace of a plasma arc melting installation comprising a cathode, a working fluid supply unit and an anode, characterized in that a sealed, evacuated casing is connected to it, connected to the cathode and anode using high-temperature pressure seals based on aluminum oxide, an annular insert coaxially covering the cathode and electrically insulated from it, and a set of cylindrical rings alternating with the washers in contact with the inner surface of the housing, while the rings and washers are made of a titanium sponge and have different ext friction diameters wherein the working fluid supply assembly is configured as an annular insert comprising a coaxial cavity filled with a porous structure impregnated with an alkali metal, and with the open end facing the cathode.