RU2648615C1 - Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation - Google Patents

Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2648615C1
RU2648615C1 RU2017103119A RU2017103119A RU2648615C1 RU 2648615 C1 RU2648615 C1 RU 2648615C1 RU 2017103119 A RU2017103119 A RU 2017103119A RU 2017103119 A RU2017103119 A RU 2017103119A RU 2648615 C1 RU2648615 C1 RU 2648615C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plasma
melt
vacuum
argon
see
Prior art date
Application number
RU2017103119A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Михайлович Карабанов
Андрей Сергеевич Карабанов
Виктор Игоревич Ясевич
Валерий Леонидович Дшхунян
Олег Валерьевич Дшхунян
Original Assignee
Сергей Михайлович Карабанов
Андрей Сергеевич Карабанов
Виктор Игоревич Ясевич
Валерий Леонидович Дшхунян
Олег Валерьевич Дшхунян
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергей Михайлович Карабанов, Андрей Сергеевич Карабанов, Виктор Игоревич Ясевич, Валерий Леонидович Дшхунян, Олег Валерьевич Дшхунян filed Critical Сергей Михайлович Карабанов
Priority to RU2017103119A priority Critical patent/RU2648615C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2648615C1 publication Critical patent/RU2648615C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/04Refining by applying a vacuum
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16Remelting metals
    • C22B9/22Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation
    • C22B9/226Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation by electric discharge, e.g. plasma

Landscapes

  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Furnace Details (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention refers to non-ferrous metallurgy and can be used for refining metals in the melt state. Method includes heating and melting the metal in the melting pot, in the vacuum chamber, and cyclic plasma treatment of the alternating current of the melt surface, which contains the treatment period using moistened argon, the dry argon treatment period, the vacuum distillation period and the flux feeding period. Plasma torches are installed vertically above the surface of the melt and provide the possibility of highly effective plasma-chemical treatment of the melt surface in the vacuum at the high electrode resource. At the end, the melt is slowly cooled and the ingot is formed. Part of the ingot, where the impurities are concentrated, is separated.
EFFECT: method and plasmatron allow to increase the efficiency of plasma-chemical refining of any metals and to remove impurities.
2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и может быть использовано для получения чистых металлов и сплавов, путем рафинирования в состоянии расплава.The invention relates to the metallurgy of non-ferrous metals and can be used to produce pure metals and alloys by refining in a melt state.

Известен способ, включающий разогрев в тигле кремния до получения расплава и обработку расплава плазменным факелом, направленным под острым углом к поверхности, содержащим инертный газ и пары воды, при этом разогрев и плавление неочищенного кремния производят в кварцевом тигле цилиндрической формы в вакууме с помощью графитового нагревателя, затем расплав кремния обрабатывают с помощью системы из трех двухрежимных плазмотронов с изолированными от корпуса анодами и системой подачи воды в канал анода, сперва плазмой сухого аргона при постоянном токе 50-80 А, затем плазмой увлажненного аргона при переменном токе 100-200 А, после чего формируют слиток поликристаллического кремния путем медленного охлаждения расплава в кварцевом тигле (См. RU 2465202 С2, дата подачи заявки: 17.11.2010, опубликовано 27.10.2012).A known method comprising heating a silicon crucible to obtain a melt and treating the melt with a plasma torch directed at an acute angle to a surface containing an inert gas and water vapor, heating and melting the crude silicon in a cylindrical quartz crucible in vacuum using a graphite heater , then the silicon melt is processed using a system of three dual-mode plasmatrons with anodes isolated from the casing and a system for supplying water to the anode channel, first with dry argon plasma at a constant current of 50-80 A, then with humidified argon plasma at an alternating current of 100-200 A, after which a polycrystalline silicon ingot is formed by slow cooling of the melt in a quartz crucible (See RU 2465202 C2, application filing date: 17.11.2010, published on 27.10. 2012).

Данный способ имеет ряд существенных недостатков. Обработка поверхности расплава производится в одной зоне, находящейся между плазмотронами, где создается высокое давление газов, необходимое для стабильного горения дуги, в результате чего примеси с низким давлением паров удаляются из расплава медленно. Примеси с давлением паров ниже, чем у металла, не удаляются совсем. Испаренные примеси осаждаются на деталях нагревателя, повреждая их, и на корпусах плазмотронов, откуда после отслаивания падают обратно в расплав, загрязняя его. Большие потери тепла, поглощаемого корпусами плазмотронов из камеры. Малый ресурс вольфрамового катода при использовании в качестве плазмообразующего газа паров воды, необходимых для осуществления процессов плазмохимической обработки.This method has several significant disadvantages. The surface treatment of the melt is carried out in one zone located between the plasma torches, where a high gas pressure is created, which is necessary for stable arc burning, as a result of which impurities with a low vapor pressure are slowly removed from the melt. Impurities with a vapor pressure lower than that of the metal are not removed at all. Evaporated impurities are deposited on the heater parts, damaging them, and on the plasma torch bodies, from where, after peeling, they fall back into the melt, polluting it. Large losses of heat absorbed by the plasmatron bodies from the chamber. A small resource of a tungsten cathode when using water vapor as a plasma-forming gas, necessary for the implementation of plasma-chemical processing processes.

Широко использующийся принцип прямого нагрева электрическим дуговым газовым разрядом реализован во многих конструкциях дуговых и плазменно-дуговых печей, которые в свою очередь применяются в металлургии черных и цветных металлов. Для получения чистых металлов особенно интересны вакуумные плазменно-дуговые печи, в которых плавление и очистка металла производится при пониженном давлении, используя тепловую энергию электрической дуги, непосредственно воздействующей на металл. Такое оборудование позволяет проводить рафинирование металлов с использованием механизма вакуумной дистилляции.The widely used principle of direct heating by electric arc gas discharge is implemented in many designs of arc and plasma-arc furnaces, which in turn are used in metallurgy of ferrous and non-ferrous metals. To obtain pure metals, vacuum plasma arc furnaces are particularly interesting, in which the melting and purification of metal is carried out under reduced pressure, using the thermal energy of an electric arc that directly affects the metal. Such equipment allows refining of metals using the vacuum distillation mechanism.

Известна конструкция плавильного плазмотрона, включающая водоохлаждаемый корпус, каналы для подачи плазмообразующего газа, расположенные параллельно оси плазмотрона и соединенные с вертикально расположенным водоохлаждаемым соплом, электрическую изоляцию, электрическую сеть, вольфрамовый электрод-катод, электрододержатель, отличающийся тем, что плазмотрон дополнительно снабжен вторым каналом для подачи плазмообразующего газа с соплом, причем сопла установлены симметрично относительно оси плазмотрона под углом 30-35° к вертикальной оси электрододержателя (См. RU 2524173 С1, дата подачи заявки: 13.02.2013, опубликовано 27.07.2014).A known design of a melting plasma torch, including a water-cooled case, channels for supplying a plasma-forming gas, parallel to the axis of the plasma torch and connected to a vertically located water-cooled nozzle, electrical insulation, electric network, tungsten electrode-cathode, electrode holder, characterized in that the plasmatron is additionally equipped with a second channel for a plasma-forming gas supply with a nozzle, the nozzles being installed symmetrically about the axis of the plasma torch at an angle of 30-35 ° to the vertical the axis of the electrode holder (See RU 2524173 C1, application filing date: 02/13/2013, published 07/27/2014).

К недостаткам данной конструкции можно отнести невозможность проведения процессов плавления и рафинирования в вакууме, что необходимо для рафинирования металла методом вакуумной дистилляции, из-за необходимости создания высокого давления плазмообразующих газов, необходимого для стабильной работы вольфрамового катода; малый ресурс вольфрамового катода, при использовании в качестве плазмообразующего газа паров воды и других активных газов, применение которых ускоряет механизм рафинирования металлов методом вакуумной дистилляции; низкую эффективность процесса, обусловленную высокими потерями тепла, из-за отсутствия теплоизоляции охлаждаемых деталей плазмотрона от внутреннего пространства плавильной печи.The disadvantages of this design include the impossibility of carrying out processes of melting and refining in vacuum, which is necessary for refining a metal by vacuum distillation, because of the need to create high pressure plasma-forming gases necessary for the stable operation of a tungsten cathode; low resource of a tungsten cathode when using water vapor and other active gases as a plasma-forming gas, the use of which accelerates the mechanism of metal refining by vacuum distillation; low efficiency of the process due to high heat loss due to the lack of thermal insulation of the cooled parts of the plasma torch from the inner space of the melting furnace.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известного способа и повышение эффективности плазмохимического рафинирования любых металлов и эффективности удаления примесей путем увеличения количества зон обработки поверхности расплава, в которых создано низкое давление газов, способствующее испарению примесей; организации потоков буферного газа, способствующих эффективному удалению испаренных примесей и препятствующих их осаждению на плазмотронах и деталях нагревателя; введения в расплав порошкообразных флюсов, с целью удаления примесей, с низким давлением паров; теплового экранирования корпусов плазмотронов для снижения потерь тепла из камеры.The objective of the present invention is to eliminate the disadvantages of the known method and increase the efficiency of plasma-chemical refining of any metals and the efficiency of removing impurities by increasing the number of melt surface treatment zones in which low gas pressure is created, which contributes to the evaporation of impurities; organization of buffer gas flows, contributing to the effective removal of vaporized impurities and preventing their deposition on plasmatrons and heater parts; introducing powdered fluxes into the melt, in order to remove impurities, with a low vapor pressure; thermal shielding of plasmatron cases to reduce heat loss from the chamber.

Для решения поставленной задачи осуществляют способ плазмохимического рафинирования металлов в вакууме, включающий разогрев металла в тигле, размещенном в вакуумной камере, с помощью графитового нагревателя до получения расплава и обработку расплава плазменным факелом, содержащим инертный газ и пары воды, при этом в соответствии с изобретением поверхность расплава обрабатывают плазмой переменного тока с помощью одного или более предложенных в настоящей заявке плазмотронов, установленных вертикально над поверхностью расплава и содержащих катод, анод с камерой высокого давления, дросселирующим каналом и смесительной камерой, омываемый охлаждающей водой трубопровод подачи дополнительного плазмообразующего газа, с установленным внутри капилляром, источник питания дуги постоянного тока, два полупроводниковых диода, дроссель ограничения тока, внутренний и внешний цилиндрические экраны, установленные аксиально-симметрично относительно плазмотронов, на расстоянии 5-10 миллиметров от поверхности расплава, из пространств между внутренними и внешними цилиндрическими экранами откачивают газы, в пространства между плазмотронами и внутренними цилиндрическими экранами подают аргон и порошок флюса, обработку проводят циклами, состоящими из периода обработки с использованием увлажненного аргона, периода обработки с использованием сухого аргона, периода вакуумной дистилляции и периода подачи флюса, затем медленно охлаждают расплав и формируют слиток.To solve this problem, a method of plasma-chemical refining of metals in vacuum is carried out, including heating the metal in a crucible placed in a vacuum chamber using a graphite heater to obtain a melt and treating the melt with a plasma torch containing an inert gas and water vapor, and in accordance with the invention, the surface the melt is treated with alternating current plasma using one or more of the plasmatrons proposed in this application, mounted vertically above the surface of the melt and soda neighing cathode, anode with a high-pressure chamber, a throttling channel and a mixing chamber, an additional plasma-forming gas supply pipe flushed by cooling water, with a capillary installed inside, a DC arc power supply, two semiconductor diodes, a current limiting inductor, internal and external cylindrical screens installed axially symmetric with respect to plasmatrons, at a distance of 5-10 millimeters from the surface of the melt, from the spaces between the inner and outer cylindrical cranes pump gases, argon and flux powder are fed into the spaces between the plasma torches and the inner cylindrical screens, the treatment is carried out in cycles consisting of a treatment period using moistened argon, a treatment period using dry argon, a vacuum distillation period and a flux supply period, then the melt is slowly cooled and form an ingot.

Задачей настоящего изобретения является также устранение недостатков известного плазмотрона и повышение эффективности плазмохимического рафинирования любых металлов и эффективности удаления примесей путем введения в конструкцию новых элементов и их взаимосвязей, позволяющих проводить процессы плавления и рафинирования в вакууме с использованием активных плазмообразующих газов, для осуществления высокоэффективного процесса рафинирования металла методом вакуумной дистилляции, при сохранении оптимальных условий работы вольфрамового катода, обеспечивающих его максимальный ресурс; увеличить эффективность процесса плавления, за счет применения теплоизоляции деталей плазмотрона от внутреннего пространства плавильной печи.The objective of the present invention is also to eliminate the disadvantages of the known plasma torch and increase the efficiency of plasma-chemical refining of any metals and the efficiency of removing impurities by introducing new elements into the design and their interconnections, allowing the processes of melting and refining in vacuum using active plasma-forming gases, to implement a highly efficient metal refining process by vacuum distillation, while maintaining optimal working conditions for tungsten Vågå cathode ensuring its maximum resource; to increase the efficiency of the melting process, through the use of thermal insulation of plasma torch parts from the interior of the melting furnace.

Далее изобретение поясняется с помощью схематических чертежей, на которых Фиг. 1 иллюстрирует схему реализации заявленного способа с помощью предложенного плазмотрона; Фиг. 2 иллюстрирует конструкцию заявленного плазмотрона.The invention is further explained with the help of schematic drawings, in which FIG. 1 illustrates a diagram of an implementation of the claimed method using the proposed plasma torch; FIG. 2 illustrates the design of the claimed plasmatron.

Как показано на Фиг. 1 и 2 способ реализуется в устройстве, в котором имеется стальная вакуумная камера 1 с охлаждаемыми водой стенками и отверстием 2 для откачивания газов. В камере 1 устанавливают по меньшей мере один плазмотрон для плазмохимического рафинирования металлов. В данном варианте осуществления изобретения в камере 1 вертикально установлено три плазмотрона, каждый из которых содержит изготовленный из стальной трубы корпус 3, запрессованный в медный держатель 5 вольфрамовый катод 4, установленные в изолятор 6. Вольфрамовый катод 4, медный держатель 5 и изолятор 6 размещены в аноде 7, электрически соединенном с корпусом 3. Корпус 3 соединен с положительным полюсом источника питания дуги постоянного тока 8, см. Фиг. 1. Вольфрамовый катод 4 соединен с отрицательным полюсом источника питания дуги постоянного тока 8, см. Фиг. 1. Вольфрамовый катод 4, медный держатель 5 и изолятор 6 ограничивают объем камеры высокого давления 9, выполненной в аноде 7, которая через дросселирующий канал 10 соединена со смесительной камерой 11, см. Фиг. 2. Трубопровод основного плазмообразующего газа 12 соединен с камерой высокого давления 9 через канал 13, выполненный с возможностью обеспечения вихревого направления движения газа в камере высокого давления 9, см. Фиг. 2. Омываемый охлаждающей водой, принудительно подаваемой в корпус, трубопровод подачи дополнительного плазмообразующего газа 14, в котором аксиально-симметрично расположен капилляр 15 сообщается со смесительной камерой 11, см. Фиг. 2. Положительный полюс источника питания дуги постоянного тока 8 соединен с катодом первого полупроводникового диода 16, анод которого соединен с дросселем ограничения тока 17, см. Фиг. 1. Отрицательный полюс источника питания дуги постоянного тока соединен с анодом второго полупроводникового диода 18, катод которого соединен с дросселем 17 ограничения тока, см. Фиг. 1. Корпус 3 помещен в изготовленный из кварцевой трубы внутренний цилиндрический экран 19, размещенный аксиально-симметрично относительно корпуса, на расстоянии 5-10 миллиметров от поверхности расплава загрузки металла 22, см. Фиг. 1. и Фиг. 2. В камере 1 размещены термоизолирующий экран 20, нагревательный элемент 21 и тигель 23, в который поступает загрузка металла 22, см. Фиг. 1. Пространство, ограниченное термоизолирующим экраном 20, отделено от внутреннего цилиндрического экрана 19 внешним цилиндрическим экраном 24, изготовленным из графита и размещенным аксиально-симметрично относительно внутреннего цилиндрического экрана, на расстоянии 5-10 миллиметров от поверхности расплава, см. Фиг. 1. и Фиг. 2. Пространство между внешним и внутренним цилиндрическими экранами соединены с объемом камеры 1, откуда откачивают газы, см. Фиг. 1.As shown in FIG. 1 and 2, the method is implemented in a device in which there is a steel vacuum chamber 1 with water-cooled walls and a hole 2 for pumping gases. At least one plasmatron for plasma-chemical refining of metals is installed in chamber 1. In this embodiment, three plasma torches are vertically mounted in chamber 1, each of which contains a body 3 made of steel pipe, pressed into a copper holder 5, a tungsten cathode 4, mounted in an insulator 6. A tungsten cathode 4, a copper holder 5 and an insulator 6 are placed in anode 7 electrically connected to the housing 3. The housing 3 is connected to the positive pole of the power source of the DC arc 8, see FIG. 1. The tungsten cathode 4 is connected to the negative pole of the power source of the DC arc 8, see FIG. 1. The tungsten cathode 4, the copper holder 5 and the insulator 6 limit the volume of the high-pressure chamber 9 made in the anode 7, which is connected through the throttling channel 10 to the mixing chamber 11, see FIG. 2. The pipeline of the main plasma-forming gas 12 is connected to the high-pressure chamber 9 through a channel 13 configured to provide a vortex direction of gas movement in the high-pressure chamber 9, see FIG. 2. Washed by cooling water forcedly supplied to the housing, the additional plasma-forming gas supply pipe 14, in which the capillary 15 is axially symmetrically located, communicates with the mixing chamber 11, see FIG. 2. The positive pole of the power supply of the DC arc 8 is connected to the cathode of the first semiconductor diode 16, the anode of which is connected to the current limiting inductor 17, see FIG. 1. The negative pole of the DC arc power source is connected to the anode of the second semiconductor diode 18, the cathode of which is connected to the current limiting inductor 17, see FIG. 1. The housing 3 is placed in an inner cylindrical screen 19 made of a quartz tube, placed axially symmetrically with respect to the housing, at a distance of 5-10 millimeters from the surface of the metal melt 22, see FIG. 1. and FIG. 2. A thermally insulating screen 20, a heating element 21, and a crucible 23, into which the metal 22 is charged, are placed in the chamber 1, see FIG. 1. The space bounded by the thermally insulating screen 20 is separated from the inner cylindrical screen 19 by an external cylindrical screen 24 made of graphite and placed axially symmetrically with respect to the inner cylindrical screen, at a distance of 5-10 millimeters from the surface of the melt, see FIG. 1. and FIG. 2. The space between the outer and inner cylindrical screens is connected to the volume of the chamber 1, from where the gases are evacuated, see FIG. one.

Устройство для реализации способа функционирует следующим образом. Из камеры 1 через отверстие 2 откачивают газы, см. Фиг. 1. В пространство, ограниченное корпусом 3 и внутренним цилиндрическим экраном 19, подают аргон, см. Фиг. 1. и Фиг. 2. С помощью нагревателя 21 получают расплав загрузки металла 22, см. Фиг. 1. Плазмохимическую обработку поверхности расплава загрузки металла проводят циклами, начинающимися с периода обработки с использованием увлажненного аргона, реализуемого следующим образом. В трубопровод подачи основного плазмообразующего газа 12 и трубопровод подачи дополнительного плазмообразующего газа 14 подают аргон, см. Фиг. 2. Далее включают источник питания дуги постоянного тока 8, см. Фиг. 1, и инициируют разряд между вольфрамовым катодом 4 и анодом 7, см. Фиг. 2. Струя плазмы 25, см. Фиг. 1, выходя из дросселирующего канала 10 через смесительную камеру 11, см. Фиг. 2, движется к поверхности расплава загрузки металла 22, см. Фиг. 1. Дросселирующий канал 10 создает сопротивление потоку аргона, подаваемого в смесительную камеру 11, в результате чего образуется высокое давление плазмообразующего газа вблизи вольфрамового катода 4, необходимое для его стабильной работы, см. Фиг. 2, при минимальном давлении газов над поверхностью расплава загрузки металла 22, см. Фиг. 1, необходимого для эффективного испарения примесей. Поток аргона в дросселирующем канале 10, см. Фиг. 2, противодействует проникновения паров воды, примесей и металлов от поверхности расплава загрузки металла 22, см. Фиг. 1, к вольфрамовому катоду 4, см. Фиг. 2, который они могут повредить. Далее в капилляр 15 подают воду, по мере продвижения по капилляру вода испаряется и, выходя из капилляра, смешивается с потоком аргона, подаваемого по трубопроводу подачи дополнительного плазмообразующего газа 14, см. Фиг. 2. Полученная смесь поступает в смесительную камеру 11, см. Фиг. 2, где струя плазмы 25 захватывает ее и несет к поверхности расплава загрузки металла 22, см. Фиг. 1. Испарение воды сопровождается поглощением тепла и снижением температуры. Охлаждающая вода, циркулирующая в корпусе 3 под давлением, нагревает стенки трубопровода подачи дополнительного плазмообразующего газа 14, движущийся по нему поток аргона и стенки капилляра 15, см. Фиг. 2, предотвращая возможность замерзания воды в капилляре. Дроссели ограничения тока 17 соединяют с линиями А, В, и С, промышленной сети переменного тока 400 В 50 Гц, см. Фиг. 1. Создаются условия для зажигания дугового разряда переменного тока, электродами которого является поверхность расплава загрузки металла 22, см. Фиг. 1 под плазмотронами, вольфрамовые катоды 4 и аноды 7 плазмотронов, см. Фиг. 2. Благодаря применению полупроводниковых диодов 16 и 18 и дросселей ограничения тока 17, см. Фиг. 1, вольфрамовые катоды 4 выполняют только функцию катодов, а аноды 7 только функцию анодов, см. Фиг. 2, в разряде переменного тока, значение которого ограничено. При этом вблизи вольфрамового катода 4 находится только аргон, см. Фиг. 2. Таким образом, созданы условия, предотвращающие любое повреждение вольфрамовых катодов 4 и анодов 7, см. Фиг. 2. Далее прекращают подачу воды в капилляр 15, см. Фиг. 2, и в остальном аналогично предыдущему реализуют период обработки с использованием сухого аргона. В процессе обработки под каждым плазмотроном образуется зона обработки, в центре которой дуговой газовый разряд переменного тока воздействует на поверхность расплава загрузки металла, которая выполняет поочередно функции катода и анода, в результате чего подвергается интенсивному нагреву, бомбардировке ионами аргона, кислорода и водорода. В результате этого воздействия покрывающие поверхность расплава загрузки металла нерастворимые пленки шлаков разрушаются и испаряются и создаются условия для испарения примесей. Потоки аргона вытесняют верхние слои расплава загрузки металла, вместе с продуктами испарения шлаков, в области с низким давлением газов, ограниченные внутренними и внешними цилиндрическими экранами, где происходит испарение примесей из верхних слоев расплава загрузки металла, откуда они вместе с продуктами испарения шлаков и аргоном откачиваются, не осаждаясь на плазмотронах. В процессе обработки, под воздействием механического импульса плазмы происходит перемешивание массы расплава загрузки металла в направлении, указанном стрелками 26, см. Фиг. 1, обеспечивающее прохождение всей массы расплава загрузки металла через зоны обработки. Потоки аргона, обозначенные стрелками 27, см. Фиг. 1, перемещают шлаки по поверхности расплава загрузки металла в зоны обработки, где они разрушаются и удаляются аналогичным образом. Потоки аргона и внешние экраны 24 препятствуют выходу испаренных примесей и капель металла в пространство, ограниченное теплоизолирующим экраном 20, где они могут повредить детали нагревателя 21, см. Фиг. 1. В период вакуумной дистилляции отключают дугу переменного и постоянного тока, прекращают подачу аргона в трубопроводы подачи основного 12 и дополнительного 14 плазмообразующего газа, см. Фиг. 2. Примеси испаряются с перегретой и очищенной от шлаков поверхности расплава загрузки металла и потоками аргона, вытесняются в области с низким давлением газов, ограниченные внутренними 19 и внешними 24 цилиндрическими экранами, см. Фиг. 1, откуда откачиваются. В период подачи флюса в пространства между корпусами 3 и внутренними цилиндрическими экранами 19 подают порошки флюса вместе с аргоном, см. Фиг. 1. и Фиг. 2. Частицы порошков внедряются в расплав загрузки металла и, реагируя с примесями, образуют нерастворимые твердые соединения (шлаки), которые всплывают на поверхность, откуда удаляются в процессе проведения следующего цикла обработки. Далее расплав загрузки металла медленно охлаждают, формируя слиток так, чтобы фронт кристаллизации перемещался в одном направлении, вытесняя оставшиеся примеси в удаляемую часть слитка.A device for implementing the method operates as follows. Gases are pumped out of the chamber 1 through the opening 2, see FIG. 1. Argon is introduced into the space bounded by the housing 3 and the inner cylindrical screen 19, see FIG. 1. and FIG. 2. Using a heater 21, a metal loading melt 22 is obtained, see FIG. 1. Plasma-chemical processing of the surface of the melt loading metal is carried out in cycles starting from the processing period using moistened argon, as follows. Argon is supplied to the main plasma forming gas supply line 12 and the additional plasma forming gas supply line 14, see FIG. 2. Next, turn on the power source of the DC arc 8, see FIG. 1 and initiate a discharge between the tungsten cathode 4 and the anode 7, see FIG. 2. Plasma jet 25, see FIG. 1, leaving the throttling channel 10 through the mixing chamber 11, see FIG. 2 moves to the surface of the melt loading metal 22, see FIG. 1. The throttling channel 10 creates resistance to the flow of argon supplied to the mixing chamber 11, as a result of which a high plasma-forming gas pressure is generated near the tungsten cathode 4, which is necessary for its stable operation, see FIG. 2, with a minimum gas pressure above the surface of the melt loading metal 22, see FIG. 1, necessary for the efficient evaporation of impurities. Argon flow in the throttling channel 10, see FIG. 2, counteracts the penetration of water vapor, impurities and metals from the surface of the melt loading metal 22, see FIG. 1 to the tungsten cathode 4, see FIG. 2, which they can damage. Next, water is supplied to the capillary 15, as it moves along the capillary, the water evaporates and, leaving the capillary, mixes with a stream of argon supplied through an additional plasma-forming gas supply pipe 14, see FIG. 2. The resulting mixture enters the mixing chamber 11, see FIG. 2, where a jet of plasma 25 captures it and carries it to the surface of the melt loading metal 22, see FIG. 1. Evaporation of water is accompanied by absorption of heat and a decrease in temperature. The cooling water circulating in the housing 3 under pressure heats the walls of the additional plasma-forming gas supply pipe 14, the flow of argon and the capillary wall 15 moving along it, see FIG. 2, preventing the possibility of freezing of water in the capillary. Current limiting inductors 17 are connected to lines A, B, and C of an industrial AC 400 V 50 Hz network, see FIG. 1. Conditions are created for ignition of an alternating current arc discharge, the electrodes of which are the surface of the metal loading melt 22, see FIG. 1 under plasmatrons, tungsten cathodes 4 and anodes 7 of plasmatrons, see FIG. 2. Through the use of semiconductor diodes 16 and 18 and current limiting chokes 17, see FIG. 1, tungsten cathodes 4 perform only the function of cathodes, and anodes 7 only the function of anodes, see FIG. 2, in an AC discharge whose value is limited. Moreover, only argon is located near the tungsten cathode 4, see FIG. 2. Thus, conditions are created to prevent any damage to the tungsten cathodes 4 and anodes 7, see FIG. 2. Next, the water supply to the capillary 15 is stopped, see FIG. 2, and otherwise, similarly to the previous one, a treatment period using dry argon is realized. During processing, a treatment zone is formed under each plasmatron, in the center of which an arc gas discharge of alternating current acts on the surface of the metal charge melt, which alternately performs the functions of the cathode and anode, as a result of which it is subjected to intense heating, bombardment by argon, oxygen and hydrogen ions. As a result of this effect, insoluble slag films covering the surface of the melt of the metal loading are destroyed and evaporate, and conditions are created for the evaporation of impurities. Argon streams displace the upper layers of the metal loading melt, together with the products of slag evaporation, in the low-pressure gas region, limited by internal and external cylindrical screens, where impurities evaporate from the upper layers of the metal loading melt, from where they are pumped out together with the products of evaporation of slag and argon without settling on plasmatrons. During processing, under the influence of a mechanical plasma pulse, the mass of the metal loading melt is mixed in the direction indicated by arrows 26, see FIG. 1, providing the passage of the entire mass of the melt loading metal through the processing zone. Argon streams indicated by arrows 27, see FIG. 1, the slag is moved along the surface of the metal loading melt to the treatment zones, where they are destroyed and removed in a similar way. Argon streams and external screens 24 prevent the exit of vaporized impurities and metal droplets into the space bounded by the heat-insulating screen 20, where they can damage the details of the heater 21, see FIG. 1. In the period of vacuum distillation, turn off the arc of alternating and direct current, stop the flow of argon into the supply pipelines of the main 12 and additional 14 plasma-forming gas, see Fig. 2. Impurities evaporate with the overheated and slag-free surface of the metal loading melt and argon flows, are displaced in the low-pressure gas region, limited by internal 19 and external 24 cylindrical screens, see Fig. 1, from where they are pumped out. During the flux supply period, flux powders with argon are fed into the spaces between the bodies 3 and the inner cylindrical screens 19, see FIG. 1. and FIG. 2. Powder particles are introduced into the metal loading melt and, reacting with impurities, form insoluble solid compounds (slags) that float to the surface, from where they are removed during the next treatment cycle. Next, the metal loading melt is slowly cooled, forming an ingot so that the crystallization front moves in one direction, displacing the remaining impurities into the removed part of the ingot.

Предлагаемый способ и плазмотрон для его реализации, полностью устраняет недостатки свойственные прототипу. Дополнительно в отличие от прототипа способ позволяет рафинировать практически все металлы. Дополнительно в отличие от прототипа предлагаемый способ использует механизм флюсования, позволяющий удалять примеси, которые не могут удалить упомянутые механизмы.The proposed method and the plasma torch for its implementation, completely eliminates the disadvantages inherent in the prototype. Additionally, unlike the prototype method allows you to refine almost all metals. Additionally, unlike the prototype, the proposed method uses a fluxing mechanism that allows you to remove impurities that cannot be removed by the above mechanisms.

Claims (2)

1. Плазмотрон для плазмохимического рафинирования металлов в вакууме, содержащий водоохлаждаемый корпус, канал для подачи плазмообразующего газа, анод и вольфрамовый катод, выполненную в аноде камеру высокого давления, соединенную через дросселирующий канал со смесительной камерой, омываемый охлаждающей водой трубопровод подачи дополнительного плазмообразующего газа с установленным внутри капилляром, внутренний цилиндрический экран и внешний цилиндрический экран, размещенные вокруг упомянутого корпуса, соединенного с положительным полюсом источника питания дуги постоянного тока, при этом вольфрамовый катод соединен с отрицательным полюсом источника питания постоянного тока, а положительный полюс источника питания дуги постоянного тока соединен с катодом первого полупроводникового диода, анод которого соединен с дросселем ограничения тока, причем отрицательный полюс источника питания дуги постоянного тока соединен с анодом второго полупроводникового диода, катод которого соединен с дросселем ограничения тока.1. A plasma torch for plasma-chemical refining of metals in vacuum, containing a water-cooled case, a channel for supplying a plasma-forming gas, an anode and a tungsten cathode, a high-pressure chamber made in the anode, connected through a throttling channel to a mixing chamber, and an additional plasma-forming gas supply pipe washed with cooling water with an installed inside the capillary, the inner cylindrical screen and the outer cylindrical screen placed around the said housing connected to positively m pole of the DC arc power source, while the tungsten cathode is connected to the negative pole of the DC power source, and the positive pole of the DC arc power source is connected to the cathode of the first semiconductor diode, the anode of which is connected to the current limiting inductor, and the negative pole of the arc power source DC is connected to the anode of the second semiconductor diode, the cathode of which is connected to a current limiting inductor. 2. Способ плазмохимического рафинирования металлов в вакууме, включающий разогрев с помощью графитового нагревателя металла в тигле, размещенном в вакуумной камере, до получения расплава и обработку поверхности расплава плазмой переменного тока, содержащей аргон, отличающийся тем, что обработку поверхности расплава ведут с помощью по меньшей мере одного плазмотрона по п. 1, при этом из пространства, ограниченного внутренним и внешним цилиндрическими экранами плазмотрона и соединенного с объемом вакуумной камеры, откачивают газы, а плазмохимическую обработку поверхности расплава проводят циклами, состоящими из периода обработки с использованием увлажненного аргона, периода обработки с использованием сухого аргона, периода вакуумной дистилляции и периода подачи флюса, при этом в пространство, ограниченное внутренним цилиндрическим экраном, подают порошок флюса с аргоном, после чего расплав медленно охлаждают и формируют слиток с перемещением фронта кристаллизации в одном направлении и вытеснением примесей в удаляемую часть слитка.2. A method of plasma-chemical refining of metals in vacuum, comprising heating with a graphite metal heater in a crucible placed in a vacuum chamber to obtain a melt and treating the surface of the melt with alternating current plasma containing argon, characterized in that the melt surface is treated using at least at least one plasmatron according to claim 1, while gases are pumped out of the space bounded by the inner and outer cylindrical screens of the plasmatron and connected to the volume of the vacuum chamber chemical treatment of the surface of the melt is carried out in cycles consisting of a treatment period using moistened argon, a treatment period using dry argon, a vacuum distillation period and a flux supply period, while flux powder with argon is fed into the space bounded by the inner cylindrical screen, after which the melt slowly cool and form an ingot with the movement of the crystallization front in one direction and the displacement of impurities in the removed part of the ingot.
RU2017103119A 2017-01-31 2017-01-31 Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation RU2648615C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017103119A RU2648615C1 (en) 2017-01-31 2017-01-31 Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017103119A RU2648615C1 (en) 2017-01-31 2017-01-31 Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2648615C1 true RU2648615C1 (en) 2018-03-26

Family

ID=61708122

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017103119A RU2648615C1 (en) 2017-01-31 2017-01-31 Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2648615C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2367600C1 (en) * 2008-04-16 2009-09-20 Борис Георгиевич Грибов Method for preparation of high-purity silicon
RU2401874C2 (en) * 2008-02-26 2010-10-20 Анатолий Евгеньевич Волков Procedure by volkov for production of chemically active metals and device for implementation of this procedure
RU2465199C2 (en) * 2010-11-17 2012-10-27 Общество c ограниченной ответственностью "Энергия" Method of refining metallurgical silicon with dry argon plasma with injection of water onto melt surface with subsequent directed crystallisation
RU2465202C2 (en) * 2010-11-17 2012-10-27 Общество c ограниченной ответственностью "Энергия" Method of purifying metallurgical silicon with wet alternating current plasma in vacuum
CN103896275A (en) * 2012-12-27 2014-07-02 苏州晶科新能源装备科技有限公司 Plasma refining and purifying furnace for producing solar energy polysilicon through metallurgy method
RU2524173C1 (en) * 2013-02-13 2014-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный технический университет" Melting plasmatron

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2401874C2 (en) * 2008-02-26 2010-10-20 Анатолий Евгеньевич Волков Procedure by volkov for production of chemically active metals and device for implementation of this procedure
RU2367600C1 (en) * 2008-04-16 2009-09-20 Борис Георгиевич Грибов Method for preparation of high-purity silicon
RU2465199C2 (en) * 2010-11-17 2012-10-27 Общество c ограниченной ответственностью "Энергия" Method of refining metallurgical silicon with dry argon plasma with injection of water onto melt surface with subsequent directed crystallisation
RU2465202C2 (en) * 2010-11-17 2012-10-27 Общество c ограниченной ответственностью "Энергия" Method of purifying metallurgical silicon with wet alternating current plasma in vacuum
CN103896275A (en) * 2012-12-27 2014-07-02 苏州晶科新能源装备科技有限公司 Plasma refining and purifying furnace for producing solar energy polysilicon through metallurgy method
RU2524173C1 (en) * 2013-02-13 2014-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный технический университет" Melting plasmatron

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100807806B1 (en) DC arc plasmatron and the method using the same
JP6590203B2 (en) Fine particle production apparatus and fine particle production method
JPS5827937A (en) Moving arc plasma reactor for chemical and metallurgical use
NO115114B (en)
PL115498B1 (en) Method for producing plasma in a plasma arc generator and device therefor
NO131795B (en)
Heberlein Generation of thermal and pseudo-thermal plasmas
RU2648615C1 (en) Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation
US4122292A (en) Electric arc heating vacuum apparatus
US3723630A (en) Method for the plasma-ac remelting of a consumable metal bar in a controlled atmosphere
GB2484209A (en) Plasma Furnace
NO135402B (en)
RU2406276C1 (en) Method and device for obtaining compact ingots from powder materials
RU2465202C2 (en) Method of purifying metallurgical silicon with wet alternating current plasma in vacuum
CN111872408B (en) Powder purification device
CN202587573U (en) High frequency induction plasma generator
JP2018067391A (en) Apparatus and method for generating plasma and apparatus and method of manufacturing microparticle using them
Paton et al. Arc slag remelting for high strength steel & various alloys
RU2607398C2 (en) Method of coatings application by plasma spraying and device for its implementation
CN111500888B (en) Graphene composite metal material and preparation method and production equipment thereof
RU2401477C2 (en) Volkov's method of producing chemically active metals and application of vertical stationary "vsp" plasma generator
SU792614A1 (en) Electric-arc gas heater
RU2524173C1 (en) Melting plasmatron
JP2010052973A (en) Apparatus and method of refining silicon
RU2318876C1 (en) Apparatus for direct reduction of metals

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190201