Плавильная печь установки для плазменно-дуговой плавки

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2504929:

Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)

Изобретение относится к области вакуумных установок для плазменной дуговой плавки металлов и сплавов в космосе и предназначено для проведения экспериментов преимущественно по плавке наиболее перспективных металлов (вольфрам, ниобий) и композитов на металлической основе в условиях микрогравитации. В плавильную печь установки для плазменно-дуговой плавки, содержащую катод 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 в кольцевой вставке выполнена коаксиальная полость, заполненная пористой структурой, пропитанной щелочным металлом, и открытая с торца, обращенного к катоду. Технический результат - возможность получения сверхпроводящего сплава с рекордной температурой перехода сплава в сверхпроводящее состояние, повышение безопасности плавки в космосе из-за герметично закрытого корпуса плавильной печи, повышение КПД печи. 1 ил.

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.

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.

Изобретение относится к области вакуумных установок 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.

Электродуговая печь постоянного тока // 2486717

Изобретение относится к области металлургии и литейного производства, а именно к устройству электродуговых печей. .

Способ восстановления металлов из оксидов // 2476035

Изобретение относится к технологиям восстановления металлов из неорганических оксидов. .

Электромагнитный технологический реактор // 2432719

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для плавления минеральных компонентов. .

Метод и устройство получения компактных слитков из порошкообразных материалов // 2406276

Способ автоматического регулирования режимом работы плазмотрона и установка для его осуществления // 2389055

Электродуговой плазмотрон // 2387107

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к конструкции плазмотронов, применяемых в металлургической промышленности в качестве источника нагрева.

Трансформаторный плазмотрон с диэлектрической разрядной камерой // 2379860

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкотемпературной плазмы, и может быть использовано в плазмохимии и металлургии для проведения различных плазмохимических процессов, а также в лазерной технике.

Головка для аналитического газового плазматрона // 2366119

Изобретение относится к приборостроению, а именно к аналитическим приборам для проведения спектрального анализа, и может использоваться в устройствах атомизации и возбуждения атомов анализируемых проб.

Способ формирования дугового разряда в плазмотроне // 2355135

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для формирования дугового разряда в плазмотроне. .

Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги // 2506724

Изобретение относится к электродуговым плазмотронам с водяной стабилизацией дуги и может быть эффективно использовано при резке всевозможных металлов. Технический результат - упрощение конструкции, увеличение мощности плазмотрона, энтальпии получаемой плазмы, скорости резки. Электродуговой плазмотрон содержит соосно и последовательно установленные охлаждаемые катодный узел, изолятор, вихревую камеру, систему ввода плазмообразующего газа и жидкости и анодный узел с соплом-анодом, установленным с межэлектродным зазором относительно катодного узла и образующим полость для жидкостной стабилизации дуги,переходящей на выходе в водяной экран. Полость в анодном сопле выполнена из двух сопряженных конических поверхностей: стенка на 2/3 длины начального участка полости составляет угол наклона α1=5-10°, далее α2=30-45° до цилиндрического участка на выходе, длина которого равна 0,5-0,8 его диаметра, при этом параметры анодного сопла определяют характер жидкостной стабилизации плазменной струи и защитные характеристики водосборника-рассекателя. 1 ил.

Электродуговой нагреватель водяного пара // 2518171

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электродуговым нагревателям газа (плазмотронам), используемым для получения стационарных потоков низкотемпературной плазмы различных газов, и может быть применено в химической и металлургической промышленности, машиностроении, энергетике, экологии. В электродуговом нагревателе водяного пара, содержащем последовательно установленные вдоль продольной оси электрод-анод, кольцо подачи рабочего газа и электрод-катод, наружная поверхность внутреннего электрода-анода и зауженной части выходного электрода-катода охвачены плотно прилегающей металлической трубой с низкой теплопроводностью с толщиной стенки δ=(4÷8)·10-3 м, через которую косвенно осуществляется охлаждение внутреннего электрода-анода и зауженной части выходного электрода-катода. Соотношения геометрических размеров электродов составляют: d1/d2=1,1÷1,3, l1/d1=1,5÷4, l2/d2=3÷7, D1/d1≥1,5, D2/d2≥1,6, где d1, d2 - диаметры зауженных частей (м), D1, D2 - диаметры расширенных частей (м), l1, l2 - длины зауженных частей (м) внутреннего электрода-анода и выходного электрода-катода соответственно. Технический результат - повышение ресурса работы нагревателя. 1 ил.

Способ получения высокоэнергетических потоков частиц и устройство для его осуществления // 2539559

Изобретение относится к области плазменных технологий и может быть использовано при разработке и создании источников высокоинтенсивных потоков частиц для научных и технологических применений. Способ получения высокоэнергетических потоков частиц в газах состоит в ускорении гетерогенного потока в сопле Лаваля. В дозвуковую часть сопла Лаваля вводят поток плазмы, обеспечивают ее ускорение до скорости звука и полную рекомбинацию плазмы до критического сечения сопла, а после критического сечения вводят в поток частицы и ускоряют гетерогенный поток газа в сверхзвуковой части сопла Лаваля. Устройство для получения высокоэнергетических потоков частиц содержит непрерывный источник плазмы, сопло Лаваля и систему ввода частиц. Устройство дополнительно содержит камеру высокого давления, матрицу из N непрерывных микроплазмотронов и систему подачи газа высокого давления. Длина дозвуковой части сопла Лаваля определяется из условия полной рекомбинации плазмы до критического сечения, а система ввода частиц обеспечивает ввод частиц после критического сечения по всему периметру сопла в сечении сопла с заданными параметрами - температурой и скоростью газа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Высокоресурсный электродуговой генератор низкотемпературной плазмы с защитным наноструктурированным углеродным покрытием электродов // 2541349

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии в тепловую посредством дугового разряда в генераторе низкотемпературной плазмы (плазмотроне) и может быть использовано в энергетике для розжига и подсветки пылеугольного факела в топочных устройствах, в металлургической и химической промышленности, для получения ультрадисперсной сажи, которая является сырьем для получения наноструктурированного технического углерода. Плазмотрон содержит наружный электрод, соосно расположенный внутренний электрод-катододержатель, вихревую камеру подачи плазмообразующего газа. Электроды изолированы и размещены в индукционных катушках. Внутренний электрод-катододержатель выполнен полым. Углеводороды метанового ряда подают в дуговой канал наружного электрода через выходные каналы и кольцевую полость. В прикатодную область углеводороды метанового ряда подают через трубу, расположенную по оси внутреннего электрода-катододержателя и полость, образованную расположением катода в полом электроде-катододержателе. Плазмотрон имеет не менее четырех каналов подачи углеводородного газа в прикатодную область дугового разряда. Расположены каналы равномерно по окружности. Суммарная площадь проходных сечений каналов обеспечивает скорость истечения газа порядка 0,3-0,5 от скорости звука при заданном полном давлении и температуре подаваемого газа. Подвод углеводородного газа в прикатодную область дугового разряда выполнен в трех вариантах. Технический результат изобретения - повышение ресурса работы электрода за счет устойчивого возобновления защитного углеродного наноструктурированного слоя. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон и способ поджига индукционного разряда // 2558728

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к плазмотронам, использующимся в плазмохимии и металлургии для проведения различных плазмохимических процессов. Комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон дополнительно снабжен четырьмя подвижными электродами, попарно установленными в противоположно расположенных секциях газоразрядной камеры. Поджиг индукционного разряда осуществляют при атмосферном давлении путем одновременной подачи плазмообразующего газа и напряжения на первичную обмотку и электроды. После поджига индукционного разряда один из дуговых разрядов отключают, а второй используют для проведения плазмохимических реакций. Дополнительный дуговой разряд позволяет поднять локально напряженность электрического поля и энерговклад до нужного уровня, обеспечивая возможность проведения широкого спектра плазмохимических процессов, требующих повышенной мощности и повышенного значения напряженности электрического поля в зоне проведения плазмохимических реакций. Технический результат - повышение энергоэффективности. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ преобразования исходного топлива во вторичное топливо (варианты) // 2635566

Настоящее изобретение относится к вариантам способа преобразования исходного топлива во вторичное топливо посредством установки реформинга. Один из вариантов способа включает следующие этапы: подачу исходного топлива в печь установки реформинга, причем исходное топливо содержит отходы в виде сточных вод и/или твердых отходов, содержащих углерод; подачу в печь метана в качестве дополнительного исходного топлива; подачу воды в печь; обеспечение одного или более плазменно-дуговых источников тепла в установке реформинга для расщепления указанных исходных топлив и указанной воды на один или более составляющих компонентов и/или их комбинации; преобразование по меньшей мере части указанного одного или более составляющих компонентов воды и исходных топлив и/или их комбинации в указанное вторичное топливо с использованием одного или более катализаторов; вывод указанного вторичного топлива из установки реформинга. В другом варианте способа исходным топливом является метан, а вторичным топливом – метанол. Предлагаемые способы позволяют отказаться от использования больших конвертеров для печей (печных камер) при использовании метана для питания плазменно-дуговых горелок. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.