FR2533070A1 - Installation a faisceau electronique pour traitement electrothermique de metaux - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE INSTALLATION A FAISCEAU ELECTRONIQUE POUR LE TRAITEMENT ELECTRONIQUE DES METAUX. L'INSTALLATION COMPORTE UN CANON A ELECTRONS1 RELIE PAR UN GUIDE DE FAISCEAU2 A UNE CHAMBRE TECHNOLOGIQUE3. LA CATHODE4 DU CANON1 EST RELIEE A TRAVERS UN TUBE ELECTRONIQUE13 ET UN PONT REDRESSEUR16 A UN TRANSFORMATEUR HAUTE TENSION17. UN CAPTEUR DE COURANT IONIQUE26 EST PLACE DANS LE FLUX D'IONS DEGAGES PAR LE METAL EN TRAITEMENT A L'ENTREE DE LA CHAMBRE DE TRAVAIL3 ET EST BRANCHE SUR UNE ENTREE29 D'UN BLOC COMPARATEUR20. LE MOYEN DE RECUPERATION DE L'ENERGIE ELECTROMAGNETIQUE COMPORTE DES SELFS32 MISES A LA TERRE ET BRANCHEES SUR DES VALVES33 DU GROUPE CATHODIQUE DU PONT REDRESSEUR16 ET DES DIODES34 MISES EN PARALLELE AVEC LES SELFS32 ET MISES A LA TERRE A TRAVERS UN CIRCUIT RC. L'INVENTION PEUT ETRE UTILISEE DANS LES PROCESSUS DE FONTE ET DE REFONTE DE METAUX ET ALLIAGES REFRACTAIRES.

Description

La présente invention concerne ltélectrotechni- que, en particulier, des systèmes a' alimentation haute tension et de commande des flux électroniques utilisés dans 1' électrothermie eL notamment une installation à fais- sceau électronique pour le traitement électrothermique des métaux.

L'invention proposée est destinée à autre utilisée pour la fonte et le refonte de métaux et alliages réfrac taires, ainsi que dans les installations de coupage des métaux par faisceau électronique,caractérisées par une grande puissance de faisceau et par de courts-circuits fréquents technologiquement inévftables. Le dispositif peut Autre également utilisé pour réaliser les processus liés à la sortie du faisceau électronique dans un miliéu gaseux dense lorsque la tension d'accélération sur le canon a électrons atteint des dizaines à centaines de kilovolts.

Le développement des méthodes de traitement des métaux et d'autres matériaux par les faisceaux électroniques caractérisé par augmentation continue de la puissance unitaire des installations exige l'élévation de la fiabilité et de la longévité de l'équipement électrotechnique de puissance qui assure le transfert de la puissance do faisceau électronique sur le matériau à usiner. L'inconvénient principal de ces installations qui comportent un régulateur de puissance du secteur, un transformateur, un redresseur, un filtre et un canon à électrons réside dans les courtscircuits fréquents dus au passage des vapeurs de métal de la chambre technologique dans l'entrefer cathode-anode du canon.Afin de limiter les courants de court-circuit, on utilise en général dans le circuit de la source d'alimentation la méthode de forte réaction lorsque les réacteurs limiteurs de courant sont branchés ctté secteur de l'enroulement du transformateur. Ceci entrain une dégradation des paramètres énergétiques du': système par suite de la diminution du. taux de rendement, du facteur de puis- sance, distord la forme du courant, alors que l'encombre ment et la masse du dispositif augmentent.La coupure du courant de court-circuit c8té secteur est suivie, malgré l'emploi des réacteurs limiteurs de courant, d'un régime de fonctionnement difficile pour tout l'ensemble de l'qui pement .électrotechnique parce que le temps de coupure est de 10 ms environ rtiDcourant a le temps d'atteindre une valeur dangereuse. Par conséquent, la fiabilité de l'ins tallation à faisceau électronique diminue sensiblement, on observe des pannes et claquages des thyristors du régulateur de puissance du secteur, et une usure irréversible de l'ensemble cathodique du canon'à électrons qui fonctionne périodiquement en régime de décharge en arc dans les vapeurs de métal.

Pour les installations à puissance relativement faible on utilise une méthode efficace de coupure du courtcircuit par insertion d'un tube électronique dans le circuit de courant continu . Or, la rapidité de réponse du tube qui agit à l'apparition d'un régime de panne entratne les surtensions dues à l'énergie du champ magnétique accumulée dans les éléments inductifs de la source d'alimentation. Ceci diminue sensiblement la fiabilité et la durée de vie de l'installation.

Il existe une source d'alimentation d'une installation à faisceau électronique pour l'usinage des métaux (par exemple, le brevet des Etats Unis n 3609200, classe 13-31, 1970) qui comporte un transformateur triphasé dans le circuit de l'enroulement secteur duquel sont insérés des réacteurs limiteurs de courant et un élément de commutation à thyristor, alors que les enroulements valves sont branchés sur un redresseur en pont dont le pôle po sitif est mis à la terre et dont le pôlet négatif est branché sur la cathode du canon à électrons. La source comporte également un détecteur de courant dans le circuit du redresseur, ce détecteur étant relié à un circuit de bascule qui produit un signal de débranchement de l'élément de commutation à thyristor du secteur.A l'apparition d'un court-circuit, dans le canon à électrons s'enclenche l'élé- ment de commutation à thyristor qui coupe le courant ctté courant alternatif de l'enroulement secteur du transformateur.

Ladite source d'alimentation est caractérisée par un haut coefficient de pulsation de la tension de sortie9 ce qui limite sa gamme d'utilisation par les installations technologiques à faible puissance avec un flux d'électrons curviligne. L'utilisation d'un filtre puissant de lissage qui se décharge après le court-circuit à travers le canon à électrons réduit sensiblement la durée de vie de l'équi- pement essentiel. Le temps de coupure dé la source c8té enroulement secteur du transformateur est égal au moins à une alternance de la tension du secteur et le courant de court-circuit dans le circuit du canon atteint la valeur dangereuse,ce qui agit sensiblement sur la durée de service de la voie à faisceau électronique de l'installation.

L'élément de commutation à thyristor inséré dans le circuit de courant alternatif fonctionne dans des conditions difficiles de coupure du courant de court-circuit comportant une constante apériodique d'aimantation, ce qui entrain des pannes et une rapide mise hors service de l'élément de commutation dans les installations puissantes.

Il existe également une installation à faisceau électronique pour le traitement électrothermique des métaux qui comporte un canon à électrons relié par un guide de faisceau à une chambre de travail et à travers un tube électronique, dont la cathode est branchée sur la prise du groupe anodique des valves du pont redresseur, à un transformateur haute tension, et un capteur de courant relié par l'intermédiaire d'un bloc comparateur et d'un bloc de commande mis en série à la grille du tube électronique dont l'anode est branchée à travers un capteur de tension sur une autre entrée du bloc comparateur (cf. par exemple, le brevet de la France n 1518463, classe H05 B 7/00,1970).

A l'accroissement du courant dans le canon à électrons par suite du développement d'une décharge en arc, le courant dans le circuit du bloc transformateur-redresseur augmente et le signal fourni par le circuit com parateur met en marche le bloc de commande du tube électronique qui la bloque par rapport à la grille. En régime fixe lorsqu'il y a des fluctuations de conductibilité de la voie électronique, le tube dans le circuit du canon maintient le courant constant.

Cette installation à faisceau électronique est caractérisée par une incompatibilité dynamique des processus électromagnétiques transitoires lents dans le circuit du bloc. trans formateur-redresseur et des-processus rapides dans le circuit de la voie à faisceau électronique,ce qui limite le niveau de puissance et diminue la fiabilité du dispositif.

Le temps de claquage caractéristique dans le canon est inférieur à une microseconde, alors que les intervalles de commutation dans le tube se chiffrent en unités et dizaines de microsecondes. L'énergie électromagnétique accumulée-dans les éléments réacteurs de la source d'alimentation n'a pas le temps de se dissiper et lors de sa transformation apparaissent des surtensions dangereuses pour le redresseur et les éléments de la voie à faisceau électronique. L'utilisation du tube électronique pour stabiliser le courant en cas de variations notables de la conduction du canon entrasse l'accroissement des pertes dans le tube en diminuant- ainsi sa fiabilité et le potentiel de service.

L'invention vise à fournir une installation à faisceau électronique pour traitement électrothermique des métaux dans laquelle les courants de court-circuit contournent le circuit d'alimentation ce qui permettrait d'élever la fiabilité du travail de l'installation en cas de courts-circuits et d'élever la-puissance.

Le but est atteint du fait que l'installation à faisceau électronique pour traitement électrothermîque des métaux comportant un canon à électrons relié par un guide de faisceau à une chambre de travail et à travers- un' tube électronique, dont la cathode est branchee sur une borne d'un groupe anodique des valves du pont redresseur à un transformateur haute tension, et un capteur de courant relié à travers un bloc comparateur et un bloc de commande mis en série à la grille du tube électronique dont l'anode est branchée à travers un capteur de tension à une autre entrée du bloc comparateur9 conformément à l'invention, comporte un capteur de courant ionique placé dans le flux d'ions quittant le métal à usiner à l'entrée de la chambre technologique ou de travail et branché sur une troisième entrée du bloc comparateur, une source de tension continue branchée sur le capteur de courant ionique, un moyen de récupération de l'énergie électromagnétique muni de selfs suivant le nombre de phases du pont redresseur dont certaines prises des enroulements sont réunies et dont le point de connexion est mis à la terre, alors que vautres bornes sont branchées sur les valves du groupe cathodique du pont redresseur, un circuit RC mis à la terre et, mises en parallèle avec les enroulements des selfs, des diodes dont les anodes s-ont réunies et dont le point de connexion est branché sur la borne du circuit RC.

L'installation à faisceau électronique pour l'usinage électrothermique des métaux proposés est caractérisée par une haute fiabilité tant en régime normal qu'en cas de courts-circuits. La présence du détecteur de courant ionique installé à l'entrée de la chambre technologique à travers le bloc comparateur au bloc de commande du tube électronique permet de couper le courant de court-circuit dans les conditions où la valeur instantanée du courant à eu- per est égale à la valeur nominale L'introduction dans le dispositif d'un groupe de selfs dont les enroulements sont branchés sur le groupe cathodique des valves du pont redresseur et qui, en outre, sont mises à la terre du c8té opposé, ainsi que l'introduction du groupe de diodes mises en parallèle avec les selfs et mises à la terre à travers le circuit RC, permett-ent de protéger contre les surtensions le tube électronique et le canon à électrons dans les installations de n'importe quelle puissance. En ce cas, l'énergie électromagnétique accumulée dans l'installation au moment du fonctionnement du tube est transférée à travers les diodes vers le condensateur du circuit RC. Une telle solution assure une compatibilité énergétique des régimes électromagnétiques dans les circuits de l'installation et des processus électrocinétiques dans le circuit du tube électronique et du canon à électrons en empêchant tant les surintensités que les surtensions dans le circuit d'alimentation.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de . réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins 'non limitatifs annexés dans lesquels
- la figure 1 donne un schéma synoptique de l'installation à faisceau électronique pour le traitement électrothermique des métaux, selon l'invention;
- la figure 2 donne un schéma électrique de principe d'un bloc de commande et d'un bloc comparateur, selon 1 'invention;
- la figure 3 indique le groupe de caractéristiques anodiques du tube électronique, selon l'invention; et
- la figure 4 (a, b) représente les caractéristiques du courant ionique dans le circuit du détecteur de courant ionique, conforme à l'invention.

L'installation à faisceau électronique pour le traitement électrothermique de métaux comporte un canon à électrons 1 (fig.1) relié à l'aide d'un guide de faisceau 2 à une chambre de travail 3. Le canon à électrons 1 comporte une cathode 4 et une anode 5 mise à la terre pour générer un faisceau 6 à symétrie axiale traversant des chambres à vide 7 et 8 à degré de vide différent. Les chambres 7 et 8 formant le guide-faisceau 2. Dans les chambres- 7 et 8, il y a des lentilles magnétiques 9 et 10 pour commander respectivement le positionnement et le ba- layage du faisceau. La chambre 8 abrite un diaphragme Il qui limite la pénétration des vapeurs de métal depuis la chambre de travail 3.

La cathode 4 du canon est branchée sur l'anode 12 d'un tube électronique 13 dont la cathode 14 est, à son tour, branchée sur la borne d'un groupe anodique de valves 15 d'un pont redresseur 16 relié à un transformateur haute tension 17.

L'installation comporte un capteur de courant 18 dont la sortie est branchée sur-une entrée 19 d'un bloc comparateur 20. La sortie du bloc 20 est branchée sur une entrée 21 d'un bloc de commande 22 branchée sur la grille 23 du tube électronique 13. L'anode 12 du tube est branchée, à travers un capteur de tension 24 sur une entrée 25 du bloc comparateur 19, tandis que la cathode 14 est branchée sur une deuxième entrée du bloc de commande 22.

L'installation comporte aussi un capteur de courant ionique 26 dont ltélément sensible 27 est placé dans le flux d'ions quittant le métal traite à l'entrée de la chambre technologique 3. En tant qu'élément sensible 27 on utilise une sonde à plasma. L'élément sensible 27 est branché sur un relais électronique 28 à élément à seuil. La sortie du relais électronique 28 est branchée sur une troi- sième entrée 29 du bloc comparateur 20. Sur l'entrée du relais électronique 28 est branchée une source de tension continue 30 qui met au potentiel négatif l'élément sensible 27 du capteur.

L'installation comporte de plus un moyen de récupération de l'énergie électromagnétique 31. Le moyen 31 comporte à son tour un groupe de selfs 32 suivant le nombre de phases du pont redresseur 16 dont certaines bornes sont bran chées en étoile et dont le point de connexion est mis à la terre à l'aide du capteur de courant 18, tandis que d'autres bornes sont branchées sur des valves 33 du groupe cathodique du pont redresseur 16. Les enroulements des sels 32 sont mis en parallèle avec des diodes 34 dont les anodes sont branchées en étoile et dont le point de connexion est mis à la terre à travers le circuit constitué par une résistance 35 et un condensateur 36 mis en série. Le condensateur 36 est mis en parallèle avec une résistance 37 mise à la terre.

Le bloc de commande 22 (fig.2) dans le mode de réalisation décrit comporte une source de tension continue 38 mise en série avec un élément de commutation commandé 39 réalisé sous la forme d'un tube électronique de faible puissance. L'entrée de l'élément de commutation 39 est relié à travers un pont redresseur 40 et un transformateur 41 à l'entrée 21 du bloc 22 qui comporte également une source de tension continue 42 et des résistances 43,44.

Le bloc de comparaison 20 comporte deux éléments à seuil-45, 46 dont les entrées servent, respectivement, d'entrées 19, 25 du bloc 20. Les sorties des éléments à seuL 45, 46 sont branchées sur les entrées d'un circuit logique "ET" 47 dont la sortie est branchée à une entrée 48 d'une bascule 49 dont la sortie est reliée à une entrée 50 d'un élément de commutation commandé 51. La sortie de 1élément de commutation 51 est branchée sur l'et,rée d'un générateur haute fréquence 52 dont la sortie sertao bloc de soiie'2D1'tre 48 de la bascule 49 sert d'entrée 29 au bloc 20 et la sortie de la bascule 49 est aussi branchée sur une entrée 53 d'un circuit de remise en service automatique 54 dont la sortie est branchée sur me deuxième entrée 55 de la bascule 49.

Sur la figure 3 est représentée un groupe de courbes caractéristiques anodiques du tube électronique 13 où il est porté sur l'axe des abscisses la tension UA pré- sente sur l'anode 12 du tube-et sur l'axe des ordonnées, le courant anodique IA. La valeur de la tension U1, U2, U3 sur la grille du tube est imposée par le bloc de commande 22, avec U1 > U2 > U3 et reste dans les limites de 1 à 4 kV. Les caractéristiques sont analogues à celles d'une penthode
Sur la figure 4 (a,b) sont représentées les carac téristiques du courant ionique circulant dans le circuit du capteur de courant ionique 28.Il est porté sir l'axe des abscisses la pression p à l'entrée de la chambre technologique 3 et sur l'axe des ordonnées, la valeur du courant IU provenant du plasma et attaquant à l'entrée de la cham- bre technologique l'élément sensible 27 du capteur 26. A partir d'une certaine valeur critique de la pression, le courant ionique croit brusquement en dépassant la valeur de seuil qui peut être de 50 A.

L'installation à faisceau électronique pour le traitement électrothermique des métaux fonctionne de la façon suivante:
Au déblocage du tube électronique 13, il y a une accélération du flux d'électrons entre la cathode 14 et la grille 23; ensuite celui-ci est freiné sensiblement sur l'anode 12. Dans ce cas, s'enclenche rapidement le bloc transformateur-redresseur qui alimente le canon à électrons 1. Les selfs 32 insérées dans le circuit de commutation par les valves du pont redresseur 16 et simultanément dans le circuit du courant anodique du canon 1 assurent un accroissement régulier du courant dans la voie à faisceau électronique et sa mise en régime de,service déterminé par la famille ou le groupe de caractéristiques de réglage du tua be électronique puissant 13.

Le niveau du courant dans le circuit du canon est imposé par le niveau de la tension d'accélération UK entre la cathode 14.et la grille 23 du tube électronique 13, avec U1 > U2 > U3. En régime quasistatique, le dispositif fonc- tionne en pont redresseur avec filtration des harmoniques supérieurs par les selfs 32, ce qui assure la stabilité du point de croisement du faisceau 6 dans la voie à faisceau électronique et un bas niveau de pertes de courant du fais- ceau 6 sur l'anode 5 et le diaphragme 11 du guide de faisceau 2. Dans ce cas, les signaux fournis par le capteur de courant 18 et le capteur de tension 24 du bloc comparateur 20 sont bloqués et an capteur de courant ionique 26 il est appliqué un potentiel négatif imposé par la source 30.

L'une des causes les plus probables de l'apparitia du court-circuit dans l'installation à faisceau électroni- que puissant est un processus exil osts de précipitation des impuretés, par exemple, du carbone à la surface du métal bombardé par un faisceau d'électrons. Dans ce cas, les vapeurs d'impuretés se déplacent de l'objet chauffé le long du guide de faisceau 2 et pénètrent dans l'espace utile du canon 1. Le capteur de courant ionique 26 fixe ce phénomène.

Lorsqu'un certain niveau de référence du courant ionique déterminé par le dispositif à seuil est dépassé, le relais électronique 28 fonctionne en produisant un signal qui met en marche la source de tension continue 42 (fig.2) faisant partie du bloc 22. Les caractéristiques du courant (fig.4) dans le circuit du capteur 26 ont un tronçon c de l'accroissement irrégulier. A certaines valeurs de la densité et de la vitesse de déplacement des impuretés (vapeurs), le courant ionique commence à- accroître rapidement ce qui permet d'enregistrer avec uneavance le début du phénomène qui fait apparaître un arc dans l'espace entre la cathode 4 (fig.1.) et l'anode 5 du canon à électrons 1.Le retard du claquage dans le canon 1 par rapport au moment où le capteur 26 fixe l'accroissement du courant ionique dépend de la longueur de la voie à faisceau électronique, du niveau de vide dans les chambres 7 et 8 et constitue pour les installations puissantes une valeur de l'ordre de 100 et plus microsecondes. C'est ainsi que se trouve réalisé une extinction profilactique du champ d'accélération dans le canon 1 par blocage rapide du tube électronique 13. Le cir- cuit de la source de tension travaillant en régime de courant de service nominal est mis pour 20 à 30 microsecondes en régime de marche à vide. En ce cas, les selfs 32 deviennent sièges de la F.E.M. de l'auto-induction à signe et on assiste au déblocage du groupe de diodes 34.L'énergie accumulée dans les éléments inductifs est renvoyee vers le circuit RC.

Lors du processus oscillatoire dont la durée est due au rapport des valeurs de l'induction et de la capacité des éléments 32 et 36, il y a une transformation de l'éner- gie électromagnétique en une énergie électrique accumulée dans le condensateur 36 qui se décharge à travers une résistance 37 de shuntage.

Après l'inversion du signe de la tension, les diodes se bloquent et le circuit est prêt à la remise en route du canon 1 dont le vide se rétablit rapidement parce que la situation de panne n'a pas été suivie de l'arc ni de chauffage et dispersion du matériau des électrodes.

Les blocs 20 (fig. 2) et 22 travai:Llerlt de la fa çon suivante. Lorsque le courant croSt dans la chambre technologique 3, le signal fourni par le capteur 26 attaque l'entrée de la bascule 49 qui change d'état et rend conducteur l'élément de commutation 51 qui fournit l'alimentation sur le générateur haute fréquence 52. En ce cas, un signal haute fréquence attaque l'entrée 21 du bloc 22 et en passant par le transforinateur 41 arrive vers le redresseur 40 ce qui bloque l'élément de commutation 38. Ceci provoque la tension d'accélération'sur la grille 22 du tube 13 qui se bloque. Au moment de l'arrivée du signal depuis le détecteur 26 vers l'entrée de la bascule 49, le bloc 54 monté en monooscillateur se met en marche. Après un intervalle de temps donné, le bloc 54 remet la bascule 49 en position initiale et le tube 13 est à nouveau mis en service
Si le canon 1 devient siège du court-circuit dont le mécanisme n'est pas lié à accroissement du courant ionique dans la chambre technologique, les sorties des capteurs de courant 18 et de tension 24 fournissent les signaux qui passent par les circuits à seuil 45 et 46, et par le circuit logique "ET" 47 et déclenchent la bascule 49 qui en changeant d'état entrasse un rapide débranchement du tube 13.

L'utilisation de deux signaux proportionnels à l'accroissement du courant et à la diminution de la tension sur la charge permet de supprimer les décharges partielles et les claquages par étincelles dans la voie à faisceau électronique. Au cas, où il n'y a que la chute de tension sans diminution du courant de service, les régimes se rétablissent eu2-mêmes et ne sont pas à arrenter à l'aide du tube 13.

L'effet positif dû'à l'emploi de la présente invention apparat rpar suite de la concordance des phénomènes transitoires rapides dans le circuit de la voie à faisceau électronique avec les phénomènes électromagnétiques lents dans le bloc transformateur redresseur. L'extinction profilactique du champ d'accélération dans le canon à l'aide d'ue valve puissante rapide suivie d'évacuation de l'énergie électromagnétique excédente dans le circuit du transformateur permet dans la plupart des cas d'éviter le régime de court-cirolit qui innue sur la durée de service et sur la fiabilité des installations puissantes.

Outre cela, le dispositif proposé permet d'élar- gir les possibilités fonctionnelles du tube électronique dans le circuit du courant continu parce que les caractéristiques "de penthode" de l'appareil avec la transformation électrocinétique de l'énergie sont adaptées à l'insertion des selfs inertielles dans le circuit des enroulements valves du transformateur d'alimentation qui limitent le courant dans les intervalles de commutation par valve et lissent les pulsations de la tension dans le circuit du canon.

Claims (1)

1. REVENDICATION

   Instaliation à faisceau électronique pour traitement électrothermique des métaux qui comporte un canon à électrons relié par un guide de faisceau à une chambre technologique et, à travers un tube électronique dont une cathode est branchée sur la borne du groupe anodique de valves d'un point redresseur, à un transformateur haute tension, et un capteur de courant relié à travers un bloc comparateur et un bloc de commande mis en série à la grille du tube électronique dont l'anode est branchée à travers un capteur de tension sur une autre entrée du bloc comparateur, caractérisée en ce quelle comporte un capteur de courant ionique (26) placé dans le flux d'ions produits par la métal traité à l'entrée de la chambre de travail (3) et branché sur une troisième entrée (23) du bloc comparateur (20), une source de tension continue (30) branchée sur le capteur de courant ionique (26) et un moyen de récupératon de l'énergie électromagnétique constitué des selfs (32) dont le nom- bre est égal au nombre de phases du pont redresseur (16), dont les premières bornes de leurs enroulements sont réunies et dont le point de connexion est mis à la terre, tandis que les autres bornes sont branchées sur des valves du groupe cathodique du pont redressuer (16), et un circuit RC mis à la terre et, mises en parallèle avec les enroulements des selfs (32), des diodes (34) dont les anodes sont rénunies et dont le point de connexion est branché sur une borne du circuit RC.