Вакуумная плазменная установка с полым катодом для переплава металлов в слитки, производства и обработки порошков.
Нами разработаны ряд вакуумных и вакуумно-компрессионных плазменных установок для решения широкого круга задач. Основные описания вакуумных технологических установок приведены на сайте в разделе вакуумного оборудования.
Здесь представлена промышленная установка с высокими мощностями плазмы, работающая Двухпостовая в управляемом и динамическом вакууме.
Назначение:
Вакуумные плазменные установки с полым катодом предназначены ДЛЯ СЛЕДУЮЩИХ ЗАДАЧ:
| 1. | Проплав слитков и порошков | тугоплавких и реакционно-активных металлов, а также сталей и сплавов, в охлаждаемый кристаллизатор, с получением высокочистых слитков; |
| 2. | Обработка порошков (металлов и неметаллов) | с целью их очистки и придания новых свойств (химическая чистота, вязкость, текучесть, заданное свойство и химсостав); |
| 3. | Получение ультрадисперсных и наноразмерных порошков | с заданными свойствами; |
| 4. | Плакирование порошков | получение многослойных покрытий с заданными свойствами на поверхности порошков |
| 5. | Нанесение металлических и неметаллических покрытий | на поверхности металлов и неметаллов с качеством адгезии, не уступающим прочности основы; |
| 6. | Нанесение толстых пленок | в качестве основы для размещения элементов силовой электроники |
| 7. | Испарение | с последующей транспортировкой и конденсацией металлических и неметаллических материалов |
Наша двухпостовая промышленная установка с высокими мощностями плазмы, работающая в управляемом и динамическом вакууме.
Установка снабжена двумя камерами, вакуумная «камера №1» и «камера №2», соединенных с вакуумной системой откачки посредством системы вакуумных затворов. Каждая из камер может работать независимо от другой, и позволяет проводить различные экспериментальные и технологические операции. Защищена тремя патентами.
Для создания пониженного давления газов в объеме установки предусмотрены вакуумные насосы: форвакуумный ВН-6Г и два бустерных паромасляных, НВБМ-5. Система шиберов и вакуумных насосов управляется с помощью Пульта управления вакуумной системы.
Рис. Схема вакуумной плазменной установки
Состав установки:
1 – рабочие камеры (2 шт. под углом 90 градусов одна к другой;
2 – вакуумные плазмотроны (2 шт., по одному на камеру);
3 – виброустройства для подачи порошков, в т.ч. – в столб разряда (2 шт.);
4 – технологическая оснастка;
5 – промежуточный анод;
6 – откачная вакуумная система;
7 – магнитопровод и соленоиды;
– система подачи плазмообразующего и транспортного газа (2 шт.).
– система водоохлаждения
– система электропитания и управления установкой
Каждая из камер снабжена верхней плазменной системой, при этом первая камера снабжена кристаллизатором для выплавки слитков, в первую очередь – тугоплавких металлов, вторая камера снабжена системой дозированной подачи материалов (порошков) и верхней плазменной системой, а так же нижним анодным узлом, с осевым отверстием для пролета порошков в плазме и формирования протяженной плазменной струи, служащей зоной для создания и обработки порошков. Порошки подаются по трубке несущим газом на периферию, либо, что предпочтительнее – непосредственно в катод, в осевую зону плазменного разряда, что обеспечивает эффективную его обработку.
Вакуумная плазменная установка предназначена для эксплуатации в следующих условиях:
– высота над уровнем моря не более 1000 м;
– температура окружающего воздуха от +1 до +45оС;
– относительная влажность воздуха не более 98% при температуре +35оС;
Вид камеры и разряда приведены на рисунке ниже.
Основные технические данные и характеристики двухпостовой установки:
| Ток дуги (постоянный) | 3000А |
| Напряжение на дуге | 80- 100 В; |
| Напряжение питающей сети | 3х380 В при частоте 50 Гц |
| Мощность источников системы сверхплотной ионной активации | 240 кВт |
| Производительность вакуумной системы при давлении мм.рт.ст. | – 9500л/с |
| Плазменный разряд управляемый во всем диапазоне, длиной | 100-500 мм |
| с диаметром проводящей части | От 2 до 120 мм |
Плазменная система формирует струю разреженной плазмы высокой энергии, движующуюся со скоростью от 2-4 метров в секунду до 200-250 м/с, при этом за время пролета в высокоэнергетической плазменной струе частица тугоплавкого металла, например, тантала (плавление при температуре 2998- 3000 С), размером до 200 микрон, способна нагреться, расплавиться и перегреться в потоке плазмы.
Принципиально важным является то, что частица летит не в струе нагретого газа, а в плазменном токопроводящем газовом канале, с равномерно распределенным потенциалом и энергией по длине столба.
Для промышленной обработки порошков, наплавления слитков высокочистых металлов конструктивное исполнение оборудования существенно отличается от оборудования напыления с предактивацией, и ближе к оборудованию для вакуумного дугового переплава. С вакуумно-дуговой печью имеется и большое сходство по контролю состояния управлению разрядом, требованиям к вакуумной системе. Существенными отличиями является вид и структура разряда, параметры и форма разряда, энергетические характеристики столба, в особенности – катодная область нерасходуемого катода.
В результате сравнительной эксплуатации оборудования и оценки производимой продукции, установлены значительные преимущества плазменной печи с полым катодом (нерасходуемым), в сравнении с вакуумно- дуговой и электронно-лучевой печью, дающие возможность более высокого рафинирования порошков и слитков обрабатываемых материалов.
Конкурентные преимущества перед электронно- лучевыми печами:
- При такой же плотности мощности системы работают в динамическом вакууме на уровне менее мм. рт. ст., высокий вакуум не требуется;
- Плазменный разряд устойчив при бросках давления, не происходит срыва луча;
- Работа на низком напряжении, нет пробоев и опасности поражения током;
- Степень рафинирования – как при двойном электронно-лучевом переплаве;
- Гибкое управление мощностью;
- Универсальность – можно получать слитки, производить порошки, выполнять обработку порошков – овализацию, переплав, очистку и проч.
Разрабатываемое оборудование может работать как с дугой, горящей на изделие (слиток), так и с косвенной дугой, работающей на отдельно вынесенный электрод (анод), конфигурация и параметры которого определяются технологическим процессом.
Промышленные установки работающие по представленной схеме предназначены для производства протяженных слитков тугоплавких металлов, в частности, тантала, диаметром до 350 мм.
Единичная мощностью плазмотронов – до 2,0 МВт для рафинирования и переплавки тугоплавких металлов и обработки порошков (тантал, молибден, вольфрам и др.)
Сравнительные тесты по работе электронно-лучевых печей ведущих фирм и плазменных печей при переплаве тантала, ниобия подтвердили преимущества плазменных печей с полым катодом по основным параметрам.