RU2037558C1 - Vacuum furnace - Google Patents
Vacuum furnace Download PDFInfo
- Publication number
- RU2037558C1 RU2037558C1 SU5002317A RU2037558C1 RU 2037558 C1 RU2037558 C1 RU 2037558C1 SU 5002317 A SU5002317 A SU 5002317A RU 2037558 C1 RU2037558 C1 RU 2037558C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipe
- vacuum
- anode
- cathode
- heater
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Furnace Details (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для вакуумного обжига изделий, а также для проведения процесса химико-термической обработки. The invention relates to mechanical engineering and can be used for vacuum firing of products, as well as for carrying out the process of chemical-thermal treatment.
В металлургических процессах при вакуумной плавке металлов широко используются печи, в которых применяется вакуумно-дуговой разряд. В этих печах в качестве катода используется расплавляемый металл, а анодом является охлаждаемый тигель, в который стекает расплавленный металл. Между катодом и анодом в вакууме возбуждается вакуумно-дуговой разряд, в котором средой, проводящей электрический ток в междуэлектродном промежутке, являются ионизированные пары металла [1]
Недостатком известных печей является то, что, как правило, они работают при токах в сотни и тысячи ампер, в связи с этим сопротивление столба плазмы с ростом тока пропорционально падает, поэтому мощность, выделяемая в разряде, пропорциональна току разряда. Таким образом, чтобы повысить мощность печи, необходимо увеличивать ток разряда, что усложняет конструкцию печи из-за большого сечения токоподводящих цепей.In metallurgical processes during vacuum melting of metals, furnaces are widely used, in which a vacuum-arc discharge is used. In these furnaces, a molten metal is used as a cathode, and the anode is a cooled crucible into which molten metal flows. A vacuum-arc discharge is excited between a cathode and an anode in a vacuum, in which ionized metal vapors are a medium conducting electric current in the interelectrode gap [1]
A disadvantage of the known furnaces is that, as a rule, they operate at currents of hundreds and thousands of amperes, in connection with this, the resistance of the plasma column decreases proportionally with increasing current, so the power released in the discharge is proportional to the discharge current. Thus, in order to increase the power of the furnace, it is necessary to increase the discharge current, which complicates the design of the furnace due to the large cross section of the current-supply circuits.
Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату является вакуумная печь, прогреваемая джоулевым теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока по проводнику из тугоплавкого металла (W, Mo, Ta, Nb) [2]
К недостатку таких печей следует отнести высокую стоимость и дефицитность нагревателей из тугоплавких металлов; постепенное разрушение материала нагревателя из-за реакций металла, находящегося при высокой температуре с остаточной газовой атмосферой. Указанные причины повышают эксплуатационные затраты.The closest solution in terms of technical nature and the achieved result is a vacuum furnace heated by Joule heat released during the passage of electric current through a conductor of refractory metal (W, Mo, Ta, Nb) [2]
The disadvantage of such furnaces is the high cost and scarcity of heaters made of refractory metals; gradual destruction of the heater material due to reactions of a metal at high temperature with a residual gas atmosphere. These reasons increase operating costs.
Цель изобретения снижение эксплуатационных затрат. The purpose of the invention is the reduction of operating costs.
Цель достигается тем, что вакуумная печь, содержащая вакуумную камеру с системой вакуумной откачки и нагреватель, дополнительно снабжена системой подачи рабочего газа, а нагреватель содержит интегрально-холодный катод, анод, прикрепленную к внутренней поверхности камеры расположенным со стороны анода торцом трубу из термостойкого электроизоляционного материала и оптически непрозрачный проницаемый для электронов экран, расположенный между катодом и незакрепленным концом трубы, а анод расположен в полости трубы в зоне ее закрепленного торца. Кроме того, она снабжена кожухом в виде стакана, открытый концевой участок которого установлен концентрично незакрепленному концу трубы с радиальным зазором, упомянутые катод и экран расположены в полости кожуха, а вход системы подачи рабочего газа расположен в полости трубы в зоне, ограниченной ее закрепленным торцом. The goal is achieved in that the vacuum furnace containing a vacuum chamber with a vacuum pumping system and a heater is additionally equipped with a working gas supply system, and the heater contains an integrally-cold cathode, an anode attached to the inner surface of the chamber by an end face located on the side of the anode from a heat-resistant electrical insulating material and an optically opaque electron-permeable screen located between the cathode and the non-fixed end of the pipe, and the anode is located in the cavity of the pipe in the area of its fixed about the butt. In addition, it is equipped with a casing in the form of a cup, the open end portion of which is installed concentrically to the loose end of the pipe with a radial clearance, the cathode and the screen are located in the cavity of the casing, and the inlet of the working gas supply system is located in the pipe cavity in the area bounded by its fixed end.
Помимо этого она снабжена дополнительными источниками постоянного тока и анодом, который установлен концентрично наружной поверхности трубы в зоне ее закрепленного конца и соединен с дополнительным источником постоянного тока, отрицательный полюс которого соединен с интегрально-холодным катодом нагревателя. Причем она снабжена дополнительной трубой с дном, выполненной из термостойкого электроизоляционного материала и установленной концентрично трубе нагревателя с предназначенным для прохождения плазмы зазором относительно наружной и обращенной в сторону дна торцовой поверхности трубы нагревателя. In addition, it is equipped with additional direct current sources and an anode, which is mounted concentrically on the outer surface of the pipe in the area of its fixed end and is connected to an additional direct current source, the negative pole of which is connected to the integral cold cathode of the heater. Moreover, it is equipped with an additional pipe with a bottom made of heat-resistant insulating material and mounted concentrically to the heater pipe with a gap intended for the passage of plasma relative to the outer and facing the bottom of the end surface of the heater pipe.
На фиг. 1 представлена вакуумная печь, в которой рабочее давление определяется рабочим давлением в трубе нагревателя; на фиг.2 представлена вакуумная печь, в которой рабочее давление ниже, чем рабочее давление в трубе нагревателя; на фиг. 3 представлена вакуумная печь для проведения процесса химико-термической обработки; на фиг.4 представлена вакуумная печь с повышенной удельной мощностью излучения. In FIG. 1 shows a vacuum furnace in which the working pressure is determined by the working pressure in the heater pipe; figure 2 presents a vacuum furnace in which the working pressure is lower than the working pressure in the heater pipe; in FIG. 3 shows a vacuum furnace for carrying out the process of chemical-thermal treatment; figure 4 presents a vacuum furnace with a high specific radiation power.
В вакуумной печи (фиг.1) по оси цилиндрической вакуумной камеры 1 установлена керамическая труба 2 нагревателя. У нижнего конца трубы 2 установлен анод 3; у верхнего конца трубы установлен интегрально-холодный катод 4. Катод 4 отделен от конца трубы оптически непрозрачным, но проницаемым для электронов экраном 5 с профилем поперечного сечения в виде шеврона. Труба 2, анод 3, катод 4, экран 5 образуют нагреватель. Нагреваемые изделия 6 располагаются в печи симметрично трубе 2 нагревателя вдоль стенок цилиндрической вакуумной камеры. Система вакуумной откачки (на чертеже не показана) подсоединяется к патрубку 7 вакуумной камеры 1. Подача рабочего газа в вакуумную камеру 1 печи производится через игольчатый натекатель 8 системы подачи рабочего газа. Электропитание нагревателя вакуумной печи производится от источника 9 постоянного тока. В вакуумной печи (фиг.2) катод 4 и экран 5 размещены в корпусе 10, который имеет цилиндрический патрубок 11, диаметр которого превышает диаметр трубы 2, посредством чего между наружной поверхностью верхнего конца трубы 2 и обращенной к ней внутренней поверхностью патрубка 11 образован кольцевой щелевой зазор 12, обеспечивающий высокое сопротивление для протекания газа из трубы 2 в объем вакуумной камеры 1. In the vacuum furnace (Fig. 1), a
На фиг.3 снаружи трубы 2, в ее нижней части, симметрично оси установлен дополнительный анод 13, подключенный к источнику 14 постоянного тока. In figure 3, outside the
На фиг. 4 коаксиально трубе 2 установлена дополнительная наружная труба 14 с дном 15, изготовленная из термостойкого электроизоляционного материала. In FIG. 4, coaxial to the
Работает вакуумная печь по фиг.1 следующим образом. The vacuum oven of FIG. 1 operates as follows.
Системой вакуумной откачки вакуумная камера 1 откачивается до низкого давления, а затем через игольчатый натекатель 8 осуществляется подача рабочего газа до давления, при котором обеспечивается возможность существования вакуумно-дугового разряда в трубе 2 между интегрально-холодным катодом 4 и анодом 3. От источника 9 на электроды нагревателя (катод 4 и анод 3) подается напряжение, между катодом 4 и анодом 3 возбуждается вакуумно-дуговой разряд. Давление, при котором обеспечивается возможность существования разряда, зависит от рода рабочего газа (им может быть, например, аргон или азот), диаметра и длины трубы. The vacuum pumping system, the vacuum chamber 1 is pumped out to low pressure, and then through the
Диапазон рабочих давлений разряда лежит в области давлений 1˙10-1 10 Па. Для работы нагревателя реализуется так называемый двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд. Этот разряд состоит из двух разнородных в физическом отношении областей: область между катодом 4 и экраном 5 заполнена металлогазовой плазмой, область между экраном 5 и анодом 3 заполнена чисто газовой плазмой, ионы металла, генерируемые катодом, за пределы экрана 5 не проникают, поскольку распространяются от катода по прямолинейным траекториям. Положительный стол газовой плазмы заполняет внутренность трубы. Сквозь этот столб проходит весь электронный ток разряда. Напряженность электрического поля внутри трубы определяется родом рабочего газа, диаметром трубы и величиной давления внутри трубы и, как правило, составляет 0,5-1 В/см при использовании в качестве рабочего газа аргона и 1-2 В/см при использовании азота. Большие значения напряженности соответствуют меньшим диаметрам трубы и применению в качестве рабочего газа- азота. Выполнение трубы из электроизоляционного материала обусловлено возможностью образования на электропроводящих стенках (если труба выполнена, например, из тугоплавкого металла, диполярных дуговых разрядов). Pегулирование мощности нагревателя производится изменением силы тока дуги. Температура поверхности нагревателя определяется из выражений
(ip˙ (Up Uвх))/S 5,72˙10-12 ˙ Е˙ (Ттр 4 -Тст 4), где ip сила тока разряда через трубу нагревателя;
Up напряжение на разряде;
Uвх напряжение между катодом и входом в трубу;
Uвх зависит от давления и рода рабочего газа. Минимальное значение Uвх для аргона составляет примерно 36 В, для азота примерно 45 В;
S площадь внешней поверхности трубы;
Е коэффициент излучения материала керамической трубы;
Ттр температура излучающей поверхности трубы;
Тст температура поверхности, на которую падает излучение.The range of operating discharge pressures lies in the pressure range 1˙10 -1 10 Pa. For the operation of the heater, the so-called two-stage vacuum-arc discharge is implemented. This discharge consists of two physically heterogeneous regions: the region between the
(i p ˙ (U p U in )) / S 5.72˙10 -12 ˙ Е˙ (T Tr 4 -T St 4 ), where i p is the discharge current through the heater pipe;
U p discharge voltage;
U I voltage between the cathode and the entrance to the pipe;
U in depends on the pressure and type of working gas. The minimum value of U in for argon is about 36 V, for nitrogen about 45 V;
S is the surface area of the pipe;
E is the emissivity of the material of the ceramic pipe;
T Tr the temperature of the radiating surface of the pipe;
T article the temperature of the surface on which the radiation falls.
К недостатку вышеописанной печи следует отнести то обстоятельство, что рабочее давление в ней определяется давлением, необходимым для работы нагревателя (10-1 10 Па). Если для проведения технологического процесса необходимо более низкое давление, то применяют печь, изображенную на фиг.2. В этой печи рабочий газ поступает через натекатель 8, расположенный в аноде, а откачка производится из объекта вакуумной камеры 1 через патрубок 7. Благодаря такому расположению натекателя 8 и откачного патрубка 7 в кольцевом щелевом зазоре 12 между соответствующими поверхностями патрубка 11 и трубы 2 образуется перепад давлений, величина которого определяется геометрией щелевого зазора и скоростью откачки вакуумного насоса. Скорость откачки насоса S при заданном давлении р1, при котором необходимо проводить технологический процесс при рабочем давлении нагревателя внутри трубы 2 р2 и проводимости щелевого зазора Е, определяется следующей зависимостью:
S (F(p2 p1))/p1
В вакуумной печи, изображенной на фиг.3, возможен не только прогрев изделий, но и их химико-термическая обработка в положительном столбе плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. Для проведения процесса химико-термической обработки сначала изделие прогревают нагревателем, как это было описано в установке по фиг.1, а затем между катодом 4 и анодом 13 возбуждают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд. В этом случае катод 4 используется для нагрева трубы 2 и создания столба плазмы, например азота, в пространстве, в котором расположены изделия 6. Под воздействием температуры и наличии активированной газовой среды, каковой является азотная плазма, происходит химико-термическая обработка поверхности изделий. Напряженность электрического поля внутри трубы составляет 0,5-1 В/см при использовании в качестве рабочего газа аргона, и повысить это значение напряженности изменением рабочего давления не удается из-за резкого ухудшения стабильности горения дугового разряда.The disadvantage of the above-described furnace is the fact that the working pressure in it is determined by the pressure necessary for the heater to work (10 -1 10 Pa). If a lower pressure is necessary for carrying out the technological process, then the furnace shown in FIG. 2 is used. In this furnace, the working gas enters through the
S (F (p 2 p 1 )) / p 1
In the vacuum furnace shown in Fig. 3, not only heating of the products is possible, but also their chemical-thermal treatment in the positive column of the plasma of a two-stage vacuum-arc discharge. To carry out the process of chemical-thermal treatment, the product is first heated with a heater, as described in the installation of Fig. 1, and then a two-stage vacuum-arc discharge is excited between the
В установке по фиг.4 имеются две коаксиальные трубы, внутренняя и наружная. Ток разряда в трубах течет в противоположных направлениях, при этом ток, текущий по наружной трубе, не создает магнитного поля в области расположения внутренней трубы, и поэтому наружная труба не влияет на разряд во внутренней трубе, т. е. поведение разряда во внутренней трубе при наличии наружной трубы и в ее отсутствие ничем не отличается. Ток, текущий по внутренней трубе, создает снаружи трубы кольцевое магнитное поле. В кольцевом зазоре, образованном стенками наружной и внутренней труб, образуются скрещенные электрические и магнитные поля, под влиянием которых (а также градиента магнитного поля) электроны разряда дрейфуют в направлении к стенкам трубы. Движение электронов в поперечном магнитном поле вызывает увеличение импеданса плазмы, а, следовательно, увеличение напряженности электрического поля. Увеличение тока разряда приводит к возрастанию магнитного поля и еще большему увеличению напряженности электрического поля. In the installation of FIG. 4, there are two coaxial pipes, internal and external. The discharge current in the pipes flows in opposite directions, while the current flowing through the outer tube does not create a magnetic field in the region of the inner tube, and therefore the outer tube does not affect the discharge in the inner tube, i.e., the discharge behavior in the inner tube the presence of an outer pipe and in its absence is no different. The current flowing through the inner tube creates an annular magnetic field outside the tube. In the annular gap formed by the walls of the outer and inner pipes, crossed electric and magnetic fields are formed, under the influence of which (as well as the magnetic field gradient), the discharge electrons drift towards the walls of the pipe. The movement of electrons in a transverse magnetic field causes an increase in the plasma impedance, and, consequently, an increase in the electric field strength. An increase in the discharge current leads to an increase in the magnetic field and an even larger increase in the electric field strength.
Установка для проверки предложенной конструкции вакуумной печи содержит цилиндрическую вакуумную камеру диаметром 700 мм и высотой 1000 мм. Внутри камеры по ее оси устанавливалась кварцевая труба наружным диаметром примерно 25 мм, внутренним диаметром 20 мм и длиной 250 мм. Для увеличения коэффициента излучения труба обмотана слоем ленты из углеродного волокна. Installation for checking the proposed design of the vacuum furnace contains a cylindrical vacuum chamber with a diameter of 700 mm and a height of 1000 mm A quartz tube with an external diameter of about 25 mm, an internal diameter of 20 mm, and a length of 250 mm was installed along the axis of the chamber inside the chamber. To increase the emissivity, the pipe is wrapped with a layer of carbon fiber tape.
В нижней части камеры установлен кольцевой анод. Подача рабочего газа внутри камеры осуществлялась сквозь отверстие в аноде. В качестве источника 9 питания служит сеть переменного тока 220/330 с трехфазным одномерным выпрямителем. Для ограничения тока разряда последовательно с источником питания включен балластный реостат РБ-300. Натекатель 8 включен в схему автоматики, которая включает подачу азота при напряжении 200 В и отключает при 190 В. При зажигании разряда на электродах устанавливалось напряжение 200 В при давлении примерно 1 Па. Падение напряжения на трубе составляло примерно 160 В. Сила тока разряда 200 А. Температура поверхности нагревателя определялась с помощью нагревателя платинорадиевой термопары, прикрепленной посредством хомута к поверхности трубы. Температура поверхности трубы составила примерно 1400о С. Рабочее давление внутри вакуумной камеры 1 Па. Мощность печи 32 кВт. Для проведения процесса азотирования в печь помещались пластины из стали Р6М5. После нагрева пластин до температуры 500о С на анод 13 подавалось напряжение от источника 14 питания. Источник 14 питания имеет напряжение холостого хода 100 В и мощность 10 кВт. В результате пространство между катодом 4 и анодом 13 заполнялось азотной плазмой. Сила тока разряда 100 А. Температура инструмента поддерживалась на уровне 480-500о С включением и отключением разряда в трубе 2. При выдержке пластин при температуре 500о С в течение 30 мин глубина азотированного слоя составила 20 мкм.An annular anode is installed at the bottom of the chamber. The supply of working gas inside the chamber was carried out through a hole in the anode. As the
Для проверки возможности работы печи при низких давлениях катод 4 заключался в корпусе 10, имеющем цилиндрический патрубок 11 с внутренним диаметром 27 мм. Длина кольцевого щелевого зазорa между трубой 2 и патрубком 11 составляла 50 мм. Печь откачивалась титановым насосом быстрой откачки по азоту 4000 л/с. Давление, достигнутое в рабочем объеме печи, составляло примерно 1˙10-3 Па.To test the possibility of operation of the furnace at low pressures, the
Нагреватель по фиг.4 имел следующие габариты. Внутренняя труба с дном из кварцевого стекла: наружный диаметр 25 мм, внутренний диаметр 20 мм, длина рабочей части 400 мм. Наружная труба из кварцевого стекла, наружный диаметр 40 мм, внутренний диаметр 35 мм. Длина трубы 450 мм. При напряжении между катодом и анодом 220 В сила тока составляет 160 А. Таким образом, напряженность электрического поля в трубе вышеуказанной геометрии составляет 4,6 В/м, что существенно выше, чем в одной трубе. Таким образом, нагреватели с двумя коаксиальными трубами могут быть более компактными, поскольку обладают большей удельной мощностью на единицу длины. The heater of FIG. 4 had the following dimensions. Inner tube with a quartz glass bottom: outer diameter 25 mm, inner diameter 20 mm, working length 400 mm. Outer tube made of quartz glass, outer diameter 40 mm, inner diameter 35 mm. Pipe length 450 mm. At a voltage between the cathode and anode of 220 V, the current strength is 160 A. Thus, the electric field in the pipe of the above geometry is 4.6 V / m, which is significantly higher than in one pipe. Thus, heaters with two coaxial tubes can be more compact because they have a higher specific power per unit length.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5002317 RU2037558C1 (en) | 1991-09-11 | 1991-09-11 | Vacuum furnace |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5002317 RU2037558C1 (en) | 1991-09-11 | 1991-09-11 | Vacuum furnace |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2037558C1 true RU2037558C1 (en) | 1995-06-19 |
Family
ID=21585222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5002317 RU2037558C1 (en) | 1991-09-11 | 1991-09-11 | Vacuum furnace |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2037558C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU173070U1 (en) * | 2016-02-20 | 2017-08-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, (ФИАН) | DEVICE FOR OBTAINING COMPOUNDS OF INSOLUBLE OTHERS IN ANOTHER METALS |
-
1991
- 1991-09-11 RU SU5002317 patent/RU2037558C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Смолянский М.Л. и др. Рабочий процесс и расчет вакуумных дуговых печей. М.-Л., Госэнергоиздат, 1962, с.50-56. * |
| 2. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме. М.: Машиностроение, 1968, с.87-88. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU173070U1 (en) * | 2016-02-20 | 2017-08-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, (ФИАН) | DEVICE FOR OBTAINING COMPOUNDS OF INSOLUBLE OTHERS IN ANOTHER METALS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3324334A (en) | Induction plasma torch with means for recirculating the plasma | |
| US2587331A (en) | High-frequency electrical heating method and apparatus | |
| Lidsky et al. | Highly ionized hollow cathode discharge | |
| KR20070099345A (en) | Dc arc plasmatron and the method using the same | |
| US3226223A (en) | Method and apparatus for melting metals by inductive heating and electron bombardment | |
| HU215324B (en) | A plasma torch for chemical processes | |
| JP7271489B2 (en) | Energy efficient, high output plasma torch | |
| WO2000069230A1 (en) | Microwave plasma burner | |
| US4555611A (en) | Method and apparatus for uniformly heating articles in a vacuum container | |
| US3127536A (en) | Magnetically-stabilized low pressure arc apparatus and method of operation | |
| RU2037558C1 (en) | Vacuum furnace | |
| US7132620B2 (en) | Inductive thermal plasma torch | |
| US4122292A (en) | Electric arc heating vacuum apparatus | |
| RU2042289C1 (en) | Device for processing products in vacuum | |
| US2848523A (en) | Vacuum crucible furnace | |
| KR20040010898A (en) | Igniting device of Microwave Plasma Discharge System | |
| US3862393A (en) | Low frequency induction plasma system | |
| US6741632B1 (en) | Ultra high temperature rapid cycle induction furnace | |
| RU2042287C1 (en) | Device for processing products in vacuum | |
| An’shakov et al. | Operating modes of vacuum plasmatrons with hollow cathodes | |
| US785535A (en) | Electric furnace. | |
| US2203452A (en) | Electronic discharge tube | |
| RU2184160C1 (en) | Electric arc melting furnace, electrode unit and electric arc melting process | |
| RU639389C (en) | High frequency plasmatron | |
| SU1523277A1 (en) | Torch for welding and building-up in vacuum |