Технические характеристики

Ток вакуумного разряда 9000 А
Максимальное напряжение 130 В
Установленная мощность 1100 кВТ
Объем камер печи 50-4000 л
Рабочее давление 10-10,4 мм рт. ст.
Расход плазмообразующего и технологического газа Без ограничений

 

ВАКУУМНЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ УСТАНОВКИ С ПОЛЫМ КАТОДОМ

Вакуумные плазменные установки с полым катодом предназначены для следующих задач:

  • проплав слитков и порошков тугоплавких и реакционно-активных металлов, а также сталей и сплавов, в охлаждаемый кристаллизатор, с получением высокочистых слитков;
  • обработка порошков (металлов и неметаллов) с целью их очистки и придания новых свойств (химическая чистота, вязкость, текучесть, заданное свойство и химсостав);
  • получение ультрадисперсных и наноразмерных порошков с заданными свойствами;
  • плакирование порошков, получение многослойных покрытий с заданными свойствами на поверхности порошков;
  • нанесение металлических и неметаллических покрытий на поверхности металлов и неметаллов с качеством адгезии, не уступающим прочности основы;
  • нанесение толстых пленок в качестве основы для размещения элементов силовой электроники;
  • испарение с последующей транспортировкой и конденсацией металлических и неметаллических материалов.

Для промышленной обработки порошков, наплавления слитков высокочистых металлов конструктивное исполнение оборудования существенно отличается от оборудования напыления с предактивацией, и ближе к оборудованию для вакуумного дугового переплава.

С вакуумно-дуговой печью имеется и большое сходство по контролю состояния управлению разрядом, требованиям к вакуумной системе. Существенными отличиями является вид и структура разряда, параметры и форма разряда, энергетические характеристики столба, в особенности – катодная область нерасходуемого катода. 

В результате сравнительной эксплуатации оборудования и производимой продукции, установлены значительные преимущества плазменной печи с полым катодом (нерасходуемым), дающие возможность более высокого рафинирования порошков и слитков обрабатываемых материалов.

Разрабатываемое оборудование может работать как с дугой, горящей на изделие (слиток), так и с косвенной дугой, работающей на отдельно вынесенный электрод (анод), конфигурация и параметры которого определяются технологическим процессом.

 

 

 

Схема вакуумной плазменной печи для обработки порошков и нанопорошков и производства слитков:

1 –рабочие камеры;

2 – вакуумные плазмотроны;

3 – виброустройства для подачи порошков, в т.ч. - в столб разряда;

4 – технологическая оснастка;

5 – промежуточный анод;

6 – вакуумная система;

7 – магнитопровод и соленоиды.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ И РАСЧЕТНЫЕ РАБОТЫ ПО КАМЕРЕ, РАЗРЯДУ И ПАРАМЕТРАМ ПОТОКА ПЛАЗМЫ.  

1. Для отработки технологии и достижения конкурентоспособного качества производимых материалов - порошков, порошковых композиций, сплавов, нанопорошков, компактных слитков - необходимо точное знание поведения частиц в потоке газа и плазме.  Эта цель достигается созданием новых моделей и алгоритмов расчета взаимодействия наночастиц тугоплавких материалов с высокотемпературным газовым потоком в столбе плазмы электрического разряда при наличии фазовых переходов, чему была посвящена большая совместная  работа, выполненная в  тесном многолетнем сотрудничестве с Центром Электротехнологий НГТУ.

 

2.Оптимизация этой электротехнологической задачи строится на взаимосвязях параметров плазмы разряда с геометрическими размерами порошка под конечную цель – нагреть, расплавить, перегреть, чтобы испарить примеси и удалить газы. Необходимо не только нагреть каждую частицу нанопорошка, но и разогнать в плазменном потоке каждую частицу до скоростей, при которых обеспечивается перечень задач по качественной обработке.

 

3.Применительно к порошкам тантала для конденсаторов, по одной из моделей, требуется каплю расплющить, кинетическая энергия, переданная этой частице, при встрече с преградой (мишенью) деформировала бы эту частицу с получением чешуйчатого порошка. При сохранении массы каждой частицы, ее поверхность существенно увеличивается. Это позволяет увеличивать насыпную массу порошкового материала с изменением многих физических свойств изделий, которые получают из нанопорошковых материалов.

 

4.Необходимо обеспечить металлургические основы превращений в наночастице при взаимодействии с атмосферой вакуумной камеры, разрядом, трансформацию формы наночастиц.

 

5. Рассмотрено течение газа в вакуумном плазмотроне с полым кольцевым катодом, получены качественные расчетные модели  течения газа для расчетов структуры потока и поля скоростей. Для корректного  решения задачи теплообмена частицы с потоком газа и плазмой необходимо правильным образом описать условия движения и теплопередачи. В этой рассмотрено движение сферической частицы в установившемся потоке газа в реальных условиях его движения в камере. Для несферических частиц сделан отдельный расчет с измененными коэффициентами обтекания.На основе созданных математических моделей была написана программа, визуализирующая рассчитанные параметры скорости частиц в установившемся потоке газа. Результатом расчета является массив скорости частицы по координате.

6.Разработаны модели и выполнены расчеты температурного поля частиц с учетом фазовых переходов. Пример расчета представлен ниже. Приведено распределение скорости нагрева и распределение температуры по диаметру частицы размером 50мкм.

 

 

Температурное поле внутри частицы размером 50 мкм в различные моменты времени.

Скорость нагрева и распределение температуры по диаметру частицы размером 100нм.

Вследствие установившегося режима плотности мощности (за счет ионной, электронной и лучистой составляющей), расчетная неравномерность температуры для широкого диапазона частиц не превышает 100 С.

7. Разработаны модели и выполнены расчеты неравномерности концентрации заряженных компонентов плазмы по радиусу.

Относительное радиальное распределение плотности заряженных частиц в плазме приведено на рисунке 3.

наверх

Относительное радиальное распределение плотности заряженных частиц плазмы.

Расчеты модели столба плазмы, выполненные на основании выбранных нами теоретических предпосылок, согласуются с проведенными экспериментальными исследованиями с точностью 7%.

8. Выполнены модели расчетов режимов теплообмена при априорной неопределенности вектора скорости движения частиц.

9. Выполнены расчеты плотности теплового потока на частицы, движущиеся параллельно на различных радиусах в столбе и режимы нагрева частиц.

Зависимость плотности теплового потока для частицы проходящей через центр столба и наружный радиус столба.


Нагрев частиц размером 30мкм, движущихся по разным траекториям.

В практическом эксперименте выполненные расчеты подтверждаются.

10. Для проверки построенной модели был проведен расчет скорости микрочастиц, скорости микрочастиц приведены на рисунке 6.

Скорости микрочастиц размером: 10, 20, 30, 40, 50 мкм в спутном потоке газа. Скорости частиц для частиц размером 30 мкм хорошо согласуются с ранее опубликованными результатами.

11. Разработана математическая модель теплообмена частиц тугоплавкого порошка при вхождении в газовый разряд плазмотрона с полым катодом.

Теоретическое решение задачи нагрева частиц металлического порошка в газовом разряде плазмотрона с полым катодом существенным образом отличается от процесса нагрева частиц порошка в плотной плазме. Полный поток тепловой энергии на частицу представляется, как суперпозиция всех тепловых потоков из плазмы на частицу: теплообмена, лучистой энергии, конвекции и электрического тока на частицу и с нее (обратный ток). С учетом собственных исследований в указанной области, установлено, что нагрев частиц происходит в результате бомбардировки ее заряженными компонентами плазмы, а остальные способы передачи тепла к частице малы. Вклад остальных способов передачи тепла оценен расчетными работами приэлектродных явлений в субмикронных пограничных слоях, на основе разрабатываемых моделей приэлектродных процессов в плазме, и подтверждены экспериментально.
Получена система уравнений для расчета мощности энергообмена частицы, находящейся в спутном потоке газа в условиях плазменного разряда полого катода. Появляется возможность расчета параметров нагрева частицы и оценки ее теплового и электрофизического состояния.

Тепловой поток на частицу в плазме для Тe=4эВ, ne=10211/м3

 

При увеличении температуры поверхности частицы свыше 26000С наблюдается резкое увеличение теплового потока на частицу.

Изменение температуры частицы размером 2нм. в плазме, при токе 1.5 кА от времени нахождения в плазме.

Из проведенных расчетов установлено, что нагреть до расплавления в плазме можно частицы широкого диапазона размеров. Необходимое время нахождения частиц в плазме существенно различается для частиц разных размеров.

12. Проведенные экспериментальные исследования по нанесению покрытий на металлические подложки показали высокое качество получаемого покрытия из отдельных растекающихся и «уплотняющихся» последующими слоями капель из расплавленного нанопорошка. Полученные образцы, по результатам исследований, имеют выдающиеся характеристики (адгезия превышает в 2-3 раза показатели по прочности сцепления в сравнении с образцами, полученными другими способами по ранее имевшимся технологиям).

Задача получения чистых, тугоплавких, ультрадисперсных, в т.ч. - нанокристаллических порошков с заданным набором свойств (удельная поверхность, чистота, текучесть, физико-механические и химические свойства, заданная форма и т.д.) для производства отечественных высококачественных изделий в интересах современных отраслей промышленности решается экономически целесообразным способом применением современных вакуумных плазменных систем производства ЗАО «НПП ЭПОС».

 

 

 

 

ОСТАВИТЬ ЗАЯВКУ

Поля, отмеченные * — обязательны для заполнения.