Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния и задачи исследований и разработок электродуговых техноло гических устройств для широкого диапазона давлений .9
1.1. Обзор литературы .9
1.1.1. Дуговой разряд с полым катодом 9
1.1.2. Дуговой разряд со стержневым термокатодом
1.2. Задачи исследования процессов в электродуговых устройствах для широкого диапазона давлений .22
ГЛАВА 2. Экспериментальная установка и методы иссле-дования процессов в дуговом разряде с термокатодом .24
2.1. Экспериментальный стенд 24
2.1.1. Экспериментальная модель и обслуживающие её устройства .31
2.1.2. Диагностические средства и комплексы эксперимен тального стенда 40
2.2. Методы исследования процессов в дуговом разряде с термоэмиссионным катодом и погрешности измерений .49
2.2.1. Методы определения электрических характеристик разряда .49
2.2.2. Методы исследования тепловых состояний электродов .53
2.2.3. Зондовая диагностика плазмы .56
2.2.4. Спектральная диагностика плазмы .60
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования дуговых газовых разрядов в широком диапазоне давлений 65
3.1. Исследования дугового разряда с магнитоуправляемым полым катодом 65
3.2. Исследования дугового разряда со стержневым термокатодом .87
ГЛАВА 4. Разработка нагревных электродуговых техноло-гических устройств для широкого диапазона давлений .98
4.1. Технологические устройства с дуговым магнитоуправ ляемым полым катодом .98
4.2. Электродуговые технологические устройства со стержневым термокатодом 107
4.3. Малогабаритная электродуговая плавильная печь .111
Основные результаты и выводы .123
Список литературы
- Дуговой разряд со стержневым термокатодом
- Экспериментальная модель и обслуживающие её устройства
- Исследования дугового разряда со стержневым термокатодом
- Электродуговые технологические устройства со стержневым термокатодом
Введение к работе
Актуальность темы
Развитие современной науки и техники настоятельно требует разработки высокоэффективного плавильного оборудования, обеспечивающего реализацию высоких технологий получения новых сплавов, состоящих из компонентов весьма отличающихся по температуре плавления и упругости насыщенных паров. Также является актуальным развитие и совершенствование плазменно-дугового оборудования для технологических процессов сварки, пайки, термообработки химически активных и тугоплавких материалов (например, молибден, титан, цирконий и их сплавы). Эффективность и качество этих высокотемпературных технологий определяется прежде всего эффективностью источника нагрева и возможностью организации процесса в широком диапазоне давлений заданной рабочей среды.
В связи с этим большой практический интерес представляет разработка и исследование технологически универсальных, удобных в эксплуатации электродуговых устройств, способных работать как в условиях вакуума, так и при атмосферном и избыточном давлениях контролируемой среды. Поэтому на сегодня актуальными направлениями развития и совершенствования электродуговых технологических систем являются:
1. Расширение диапазона рабочих параметров устройств прежде всего
по давлению, а также по току, мощности при высокой эффективности
передачи энергии обрабатываемому изделию (заготовке) и с учетом влияния
состояния атмосферы (давление и вид газа), в которой ведется обработка, на
характеристики электрической дуги.
2. Расширение технологических возможностей функционирования
устройств в процессе разработки новых способов управления
электродуговыми системами.
3. Снижение массогабаритных характеристик электродуговых
устройств, предназначенных как для земных, так и для космических
технологий.
Итогом деятельности в названных направлениях является создание эффективных пагрсвных электродуговых установок, использующих последние достижения в области физики плазмы, электротехники, вакуумной техники.
Цель работы
Экспериментальное исследование и анализ тепло- и электрофизических процессов в электродуговых устройствах, способных работать в широком диапазоне давлений контролируемой газовой среды, и на этой основе
разработка и создание опытно-промышленных образцов соответствующей техники, обеспечивающих эффективное выполнение различных высокотемпературных нагревных технологий, таких, как сварка, пайка, опытная металлургия.
Научная новизна работы
1. Проведено комплексное экспериментальное исследование дугового
разряда с полым катодом (ПК). Впервые установлено существенное влияние
на характеристики электрической дуги с ПК воздействия внешнего
локального поперечного магнитного поля, прикладываемого к различным
зонам разряда (внутрикатодная плазма, внешний столб).
2. Предложен, экспериментально подтвержден и реализован в
разработанных и созданных опытно-промышленных образцах техноло
гических устройств (электродуговые горелки с ПК) метод управления
характеристиками дугового разряда с полым катодом (ДРПК) с помощью
локального поперечного магнитного поля.
-
Проведено комплексное экспериментальное исследование рабочего процесса дуги со стержневым термокатодом (СК) в широких диапазонах определяющих параметров (вид и давление инертной газовой среды, ток разряда, геометрия катода) с целью установления наиболее эффективных, с точки зрения технологических приложений, режимов такого разряда. Основное внимание было уделено электрической дуге пониженного давления (р= 103... 104 Па) с особой пространственно-энергетической структурой плазмы в катодной зоне.
-
Экспериментально подтверждена работоспособность разработанных технологических электродных узлов со специальными стержневыми термокатодами без принудительного водяного охлаждения в широких диапазонах рабочих давлений (j>= 1,33 103...1,52 105 Па) и токов (/=50...600 А).
-
На основе проведенных исследований разработана концепция малогабаритной многофункциональной электродуговой плавильной печи.
Практическая ценность работы
1. Практически важными результатами обнаруженного активного воздействия малых локальных поперечных магнитных полей (с индукцией #j до 30 мТл) на ДРПК и разработки соответствующего метода управления таким разрядом являются: расширение рабочего токового диапазона устойчивого горения дуги в область малых токов (до 5 А); возможность достижения больших значений глубины регулирования электрическими характеристиками разряда (например, по току до 50...70 % от его начальной величины /о); увеличение энерговклада в анод QA (в 1,5...2 раза) в режиме стабилизации по току; возможность снижения токовой нагрузки катода при поддержании необходимого QA; возможность организации импульсно-
периодического режима дуги с ПК; возможность управления пространственным положением внешнего столба дуги (и соответственно -пятна нагрева на аноде) без существенных изменений электрических параметров разряда. На основе приведенных выше результатов разработаны и созданы опытно-промышленные образцы электродуговых горелок с магнитоуправлясмым полым катодом для универсального применения (сварка, пайка и т.п.) в условиях вакуума (/; < 133 Па). Один из типов горелок успешно прошел производственные испытания и внедрен в технологический процесс сварки специзделий на ПО "Южмашзавод" (г. Днепропетровск).
2. Разработаны и созданы технологические электродные узлы со
стержневыми неплавящимися термокатодами без принудительного
охлаждения для работы в широких диапазонах давлений инертной газовой
среды и рабочих токов.
-
В соответствии с предложенной концепцией разработана и создана опытно-промышленная установка, представляющая собой малогабаритную электродуговую печь для получения экспериментальных сплавов со специальными свойствами (в том числе многокомпонентных, тугоплавких и химически активных сплавов) и производства их товарных партий, необходимых в машиностроении, приборостроении, авиационной и медицинской технике. Реализованная компоновка допускает дооснащение усгановки (печи) специальным оборудованием с целью расширения ее технологических возможностей.
-
Получен патент на способ и устройство управления током в системах с ДРПК.
На защиту выносятся:
1. Результаты комплексного экспериментального исследования
дугового разряда с магнитоуправлясмым ПК, включающего в себя: изучение
вольт-амнерных характеристик (ВАХ) дуги; изучение температурных полей
катода; определение качественного состава плазмы спектральными
методами; определение локальных параметров плазмы (температура
электронов, концентрация ионов) во внешнем столбе разряда, в катодном
ресивере методами зондовой диагностики; калориметрирование анода.
2. Результаты исследований, в целях технологических приложений,
различных режимов существования дуги пониженного давления и процессов
формирования разряда с особой пространственно-энергетической структурой
плазмы в катодной зоне.
3. Результаты анализа и экспериментальной проверки работо
способности разработанных электродных узлов со специальными
стержневыми термокатодами без принудительного охлаждения в широких
диапазонах рабочих давлений и токов.
-
Концепция малогабаритной электродуговой печи, основанная на результатах экспериментальных исследований.
-
Результаты опытно-промышленных испытаний технологических возможностей горелок с магнитоуправляемым полым катодом и малогабаритной электродуговой плавильной печи.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры "Плазменные энергетические установки" МГТУ им. Баумана, ИТФ СО АН РФ, на XI Всесоюзной конференции но генераторам низкотемпературной плазмы, на VII Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и ионным инжекторам, на Международной конференции "Физика и техника плазмы", на VIII конференции но физике газового разряда, на Международном конгрессе по физике плазмы (Прага, 1998 г.), на XIV Международном симпозиуме по плазмохимии (Прага, 1999 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы и получен патент на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений. Работа содержит 135 страниц машинописного текста, в том числе 41 рисунок, библиографию из 66 наименований.
Дуговой разряд со стержневым термокатодом
Условия перехода от одной формы разряда к другой зависят также от давления внешней среды. Диапазон давлений, при которых существует дуга без пятна, широк р@ 102...105 Па. Нижний предел определяется родом рабочего газа, током разряда, материалом электрода и условиями его охлаждения. Так, как показано в работе [32], если использовать вольфрамовый катод в среде аргона или водорода на токах I 102 A, то рmin »100 Па.
Дальнейшее уменьшение давления приводит к появлению нестацио-нарных катодных пятен и к интенсивной эрозии электрода.
При давлениях рі1.105 Па столб дуги сильно контрагирован, что, естественно, сказывается и на прикатодных процессах, развитие которых приводит, как правило, к формированию ярко выраженного катодного пятна.
В целом, с позиции увеличения ресурса катода, дуги с диффузной привязкой более предпочтительны, т.к. в этом случае температурное поле электрода имеет плавно изменяющийся характер с максимальными значениями существенно ниже температур в катодном пятне, где возможно плавление материала электрода с последующим интенсивным его испарением [33].
В классе электродуговых устройств со стержневыми термокатодами большой интерес представляют системы, позволяющие при пониженных давле-ниях р= (1...13).103 Па сформировать разряд с особой, “шаровой” структурой плазмы в катодной зоне. Впервые катодные процессы в таких разрядах были подробно исследованы в работе [32], но детальным изучением образующейся при этом плазменной структуры авторы не занимались в связи с характером основных задач по исследованию сильноточных плазменных ускорителей.
Более широкое изучение процессов, протекающих в свободно горящих дугах пониженного давления, было предпринято в работах [34, 35]. В работе [34] исследовались различные аспекты электродной проблемы, возникающей в плазменных ускорителях при рабочих давлениях 0,1…1,3 кПа, но, как отмечалось авторами, также имеющей место и в электродуговых устройствах при высоких давлениях 100 кПа. На основе балансных соотношений (по току и энергии) проведён анализ физических процессов на электродах, причём катод и анод рассматривались с единых позиций. Основное внимание было уделено изучению и объяснению высоких эмиссионных характеристик “горячих” электродов (Тк 3000 К). Во второй работе [35] приведены результаты исследований прианодных процессов, теплового режима анода и особенностей привязки разряда к поверхности положительного электрода при токах 100...300 А и давлениях 1...30 кПа. Было показано, что с точки зрения стойкости последнего в сильноточных устройствах целесообразно использовать режимы пониженного давления р 20 кПа, когда реализуется диффузная привязка дуги на аноде.
В работах [36, 37] акцент в исследованиях был сделан на изучение катодной области и рабочих режимов стержневых термокатодов названного типа электрических дуг. Было установлено, что при давлениях инертной среды 1...13 кПа формируется своеобразное, “шаровое” плазменное образование, частично охватывающее поверхность катода. На фоне однородного свечения столба дуги эта область выделяется по яркости и цвету, а именно: при использовании в качестве рабочего газа, например аргона, она приобретает характерный голубой оттенок, присущий ионам этого элемента. Последнее предположение о качественном составе плазмы в катодной области было подтверждено в ходе дальнейшей спектроскопии разряда, где было установлено: присутствие в столбе дуги, главным образом, возбуждённых нейтральных атомов, а в пределах ярко светящейся “шаровой” зоны - однозарядных ионов аргона. В исследованиях автора показано, что характерные размеры катодной зоны увеличиваются при уменьшении давления, при увеличении тока и при переходе на рабочий газ с большим потенциалом ионизации. В результате энергетического анализа дугового разряда пониженного давления было также высказано предположение, что основной вклад в энерговыделение такой дуги вносит именно развитая в пространстве катодная область. В согласии с этим заключением находятся результаты оценок распределения потенциала в межэлектродном зазоре, а именно: основная доля падения потенциала в дуге приходится на катодную зону и составляет величину порядка потенциала ионизации рабочего газа.
Простейшие расчёты плотности электрической энергии в катодной зоне, базирующиеся на упомянутых выше выкладках и результатах фоторегистрации разряда (где определялись размеры зоны), дают в зависимости от вида и давления рабочего газа величины в диапазоне 102...104 Вт/см3. Таким образом, дуговой разряд пониженного давления с “шаровой” структурой катодной плазмы, обладающей резко локализованным в пространстве энерговыделением, можно рассматривать как перспективный, высокоэнергетичный источник тепла [2, 3] для различных технологических процессов, связанных с нагревом и расплавлением исходного материала. К этому следует добавить такие техноло-гические преимущества данного типа разряда по сравнению с обычной атмос-ферной дугой (р@ 105 Па), как возможность плавно изменять величину и плот-ность энергии, подводимой к нагреваемому металлу при постоянном разрядном токе; малое газодинамическое воздействие такой дуги на исходный материал.
Следует отметить, что вышеперечисленные высокие энергетические характеристики, работоспособность и относительная простота конструк-тивного исполнения могут служить стимулирующим фактором к дальнейшему исследованию и разработке газоразрядных устройств со стержневыми катодами, а также - к модернизации этих устройств с целью расширения их рабочего диапазона в область более высоких давлений (р»1,5.105 Па) в соответ-ствии с современными и перспективными техническими запросами [38].
По проведённому обзору современного состояния электродуговых систем со стержневыми катодами можно сделать следующие выводы: 1. Достаточно подробно экспериментально и теоретически изучены дуговые разряды в таких системах в условиях различных газовых сред (инертных, восстановительных) при давлениях рі 105 Па. Определены режимы устойчивой работы стержневых термокатодов атмосферных дуг. Имеются многочисленные технические наработки по реализации соответствующих электродных узлов для разнообразных технологических задач. 2. С целью увеличения ресурса одного из основных элементов электродуговых устройств - катода рекомендуется поддерживать такие режимы работы, при которых реализуется диффузная привязка дуги на его поверхности. 3. Перспективным в технологическом плане является дуговой разряд с развитым плазменным образованием в прикатодном пространстве и диффузной привязкой, который существует при давлениях инертной среды р=1...13 кПа и токах Iі 100 А.
Экспериментальная модель и обслуживающие её устройства
Погрешность определения температуры Te, согласно [43], представлялась в виде: dТе = (2.17) Здесь DUз = 1 В - точность измерения напряжения по осциллограммам, Uз2 - Uз1 = 10 В, следовательно имели погрешность измерения напряжения: dDUз= 1/10 = 0,1. Затем определяли Dln Iзе = (2.18) где точность измерения электронного тока на зонд DIзе = 1,25 мА, среднее значение электронного тока между точками 1 и 2 – мА (2.19) (здесь брались наиболее вероятные в экспериментах значения Iз1, Iз2, Ii0). Следовательно точность определения логарифма от электронного тока по (2.18) была DlnIзе = 1,25/10,5 @ 0,12 , а относительная погрешность этой величины составляла значение: dDlnI з = (2.20) Таким образом, согласно (2.17) получали относительную погрешность определения электронной температуры dТе = (2.21) т.е. она прежде всего зависила от точности измерения зондового тока и уменьшалась при выборе экспериментальных точек 1 и 2, более удалённых друг от друга по потенциалу.
Как уже отмечалось, применение электрических зондов в дуговом разряде с термокатодом сопряжено с рядом трудностей. Поэтому зондовые измерения дополнялись спектральной диагностикой, позволявшей определить качественный состав плазмы и оценить электронную температуру.
Преимущество спектрального метода заключается в отсутствии всякого воздействия на исследуемый объект - плазму, но в то же время здесь следует учитывать, что при измерениях количественных характеристик (например, интенсивность излучения) происходит усреднение их по объёму. Это обстоятельство позволяет говорить лишь об интегральном значении определяемого параметра в некоторой плазменной области.
Прежде всего производилась фоторегистрация общего (в диапазоне длин волн от 200 нм до 600 нм) спектра ДРПК, полученного на кварцевом спектрографе ИСП-30, с целью определения качественного состава дуговой плазмы (наличие атомов, ионов рабочего газа, материала электрода или иных примесных элементов). В ходе анализа общего спектра устанавливались “окна прозрачности” в плазме - диапазоны длин волн, в которых последняя практически не излучает, и проводился выбор рабочего диапазона спектра для более детального изучения отдельных спектральных линий и последующей количественной оценки параметров плазмы. Регистрация спектров производилась на диапозитивные сверхконтрастные фотопластинки с чувствительностью 2,8 ед. ГОСТ. Для расшифровки исследуемой спектрограммы на пластинке рядом со спектром разряда с помощью диафрагмы Гартмана впечатывался спектр сравнения от дуги с железными электродами. Обработанная фотопластинка помещалась в спектропроектор ПС-18, в котором с помощью атласа спектра железа и общих таблиц спектральных линий [41] определялись излучающие элементы в исследуемом спектре и их длины волн.
Достаточно точное определение неизвестной длины волны lх можно производить с помощью интерполяционных формул второго порядка по трём “нормалям” спектра железа l0, l1, l2, расположенным в небольшом интервале длин волн (см., например [50]). Для предварительного определения выбранных длин волн использовалась градуировочная кривая шкалы спектрографа ИСП-30. Пусть отсчёты положения этих линий будут соответственно n0, n1, n2 и nx. Так как длины волн всех трёх “нормалей” известны, то можно составить два интерполяционных уравнения для определения постоянных a и b: (2.22) Вычислив a и b, можно определить по аналогичной формуле (2.23) Легко показать, что коэффициент а, равный dl/dn, соответствует линейной дисперсии спектрального прибора, а используемая формула является разло-жением функции lх = f(n) в ряд Тейлора около точки (n0l0). Учитывая это, можно определить абсолютную погрешность определения lх как (2.24) где средняя дисперсия прибора dl/dn» 2,7 нм/мм, точность при снятии отсчётов n - Dn = 0,5 мм. Таким образом Dlх= 2,7.0,5= 1,35 нм, а относительная погрешность dl = (2.25) где нм - средняя длина волны рабочего диапазона спектрографа. Более детальное изучение отдельных спектральных линий в выбранном рабочем диапазоне спектра проводилось на аппаратуре комплекса КСВУ-23. С помощью монохроматора МДР-23 и фотоприёмника ФЭУ-100 сканировался указанный участок спектра с необходимым шагом по длинам волн для получения контуров линий и измерения их относительных интенсивностей излучения. Результаты этих измерений использовались при количественной оценке параметров плазмы (температура электронов).
В ходе настройки монохроматора проводилась тщательная градуировка его шкалы длин волн по спектру от дуговой ртутной лампы. Предварительно была определена спектральная чувствительность ФЭУ, т.е. зависимость его выходного сигнала от длины волны падающего излучения U=f(l). Эта характеристика фотоумножителя получалась после снятия сплошного спектра-“континуума” ленты накала эталонной температурной лампы ТРУ 1100-2350 во всём рабочем диапазоне длин волн.
Для определения электронной температуры использовался хорошо известный метод относительных интенсивностей спектральных линий [51], применимый для условий ЛТР и корональной модели плазмы. Следует заметить, что исследуемая плазма ДРПК являлась достаточно разреженной, оптически тонкой средой и относительно хорошо могла быть описана корональной моделью, где соблюдается баланс между ударной ионизацией и излучательной рекомбинацией.
Исследования дугового разряда со стержневым термокатодом
Итогом большого цикла научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нагревной газоразрядной техники для широкого диапазона давлений стало создание малогабаритной электродуговой печи для выплавки экспериментальных сплавов (рис. 4. 4).
В основу концепции построения и развития данной лабораторной печи положены следующие принципы: - оптимизация при выборе источника нагрева по его энергетическим показателям (интегральное энерговыделение, плотность энерговыделения, к. п. д.) и способности работать в широком диапазоне давлений (р 10-2...105 Па); - универсальность и максимальная автономность функционирования установки при обеспечении её необходимыми расходуемыми материалами, рабочими средами и электроэнергией; - компактность исполнения и минимизация веса установки при соблюдении условий простоты и удобства эксплуатации; - блочная компоновка установки; - максимально возможный уровень автоматизации рабочего процесса.
Существующий разработанный и изготовленный образец печи непосред-ственно предназначен для выполнения задач опытной металлургии новых сплавов с особыми свойствами, сплавов химически активных и тугоплавких металлов, сплавов драгоценных металлов.
Следует отметить, что в современной опытной металлургии применяется большое число металлов, существенно отличающихся по температуре плавления и упругости паров. Высокая химическая активность ряда этих металлов, таких как титан, цирконий, тантал, молибден, исключает проведение плавки на воздухе, а для многих из них - и в контакте с керамической или графитовой футеровкой, т. к. такое взаимодействие может привести к загрязнению расплава неметаллическими включениями.
Проблема изоляции от воздуха разрешается созданием в герметичной плавильной камере разрежения или нейтральной атмосферы. Полное исключение загрязнений от футеровки возможно только при наличии между расплавом и тиглем гарнисажа - слоя из расплавляемого металла, но находящегося в твёрдой фазе [3]. Поддержание этого слоя в твёрдом состоянии возможно только при интенсивном охлаждении тигля-кристаллизатора, а это, в свою очередь, требует для компенсации весьма значительных тепловых потерь применения мощных, концентрированных источников нагрева. В полной мере, особенно для металлургии химически активных и тугоплавких металлов, необходимой концентрации тепловой энергии удаётся достичь при использовании электрической дуги, а отсутствия загрязнения расплава - проведением плавки в водоохлаждаемом тигле.
В целом эффективность и качество плавки указанных материалов, в особенности при получении многокомпонентных сплавов, определяются как высокой общей энерговооружённостью, так и хорошей регулируемостью плотности теплового потока источника нагрева (предполагается поверхностный источник) и способностью последнего действовать в широком диапазоне давлений рабочей среды.
Современные лабораторные печи, использующие дуговой разряд с нерасходуемым электродом (вольфрамовый или графитовый катод), работают при близких к атмосферному давлениях инертного газа в плавильной камере. Энергетические и технологические характеристики такой дуги хорошо известны. Сама дуга внешне представляет весьма однородное плазменное образование, а её проплавляющее действие сравнительно невелико.
Базируясь на результатах проведённых исследований дуговых разрядов с термокатодами при пониженных давлениях в инертных средах (см. глава 3: п. 3.2, а также [36]), в разработанной установке , наряду с атмосферной дугой, реализуются при давлениях р 103...104 Па более высокоэнергетичные дуговые режимы работы с резко локализованным в прикатодном пространстве и легко регулируемым энерговыделением в диапазоне 102...104 Вт/см3. Причём в этих условиях при контакте формирующегося в катодной зоне сферического плазменного образования с исходным металлом - анодом наблюдается более существенное проплавляющее действие дуги по сравнению с режимом при атмосферном давлении ( в 1,5...2 раза); в “шаровой” катодной зоне плавится даже наиболее тугоплавкий металл - вольфрам. А при отсутствии такого контакта (в случае относительно большого межэлектродного зазора 15...20 мм) имеет место весьма “мягкий” (вследствие малого газодинамического воздействия дуги пониженного давления и невысокой энергетики прианодной зоны разряда) режим нагрева, целесообразный при работе с легкоплавкими металлами и для предварительного спекания порошкообразных материалов. Важно также отметить, что режимы пониженного давления отличаются исключительно высокой работоспособностью катода при больших разрядных токах (500...600 А).
Электродуговые технологические устройства со стержневым термокатодом
Рабочая плавильная камера печи представляет собой вакуумный колпак, выполненный из нержавеющей стали и имеющий водяную “рубашку” охлаждения. Объём камеры составляет 8.10-3 м3 (без учёта кристаллизатора). Донную часть камеры образует сменный, медный кристаллизатор, выполняющий в установке функции анода и плавильного тигля. Базовый вариант печи имеет два кристаллизатора: стаканообразный – с характерными технологическими размерами 110 мм, h= 100 мм (глубина); луночный - 150 мм, h= 80 мм с семью расположенными на дне лунками (размер каждой лунки - 40х10 мм).
Камера снабжена подвижным электровакуумным вводом катодного узла. Сам ввод представляет собой шток длиной 580 мм из нержавеющей трубы с Dу 20 мм (рис. 4. 3), внутри которого размещён медный, водоохлаждаемый катодный токоввод, электрически изолированный от массы штока. Токоввод, с одной стороны, имеет место для подключения силового кабеля, а с другой стороны,- резьбовую часть для установки катододержателя.
Особенности электродного узла уже были подробно описаны в главе 3, и здесь следует упомянуть лишь о его принципиально важной способности функционировать в широком диапазоне рабочих давлений без принудительного внешнего охлаждения катода.
Электровакуумный ввод имеет две степени свободы: продольное (верти-кальное) перемещение и угловое (азимутальное) вращение штока.
Вертикальное перемещение (до 110 мм) штока с катодным узлом было реализовано в двух вариантах: – с помощью манжетного уплотнения типа Вильсона и достаточно оригинальным методом [66] – посредством специально сконструированного “чулкового” ввода. Последний относится к классу высоковакуумных устройств передачи движения и позволяет полностью исключить возникающие (при использовании манжет) потери на трение. В существующем варианте печи механизм перемещения ввода имеет ручной привод и реализован на базе червячного редуктора и ходовой пары (винт – гайка). Угловое отклонение (в пределах 30 о) и вращение штока допускается благодаря использованию сильфонного узла. Следует также отметить, что данный электровакуумный ввод является разгруженным механическим устройством. Это условие функционирования ввода достигается за счёт установки специальных пружин, которые компенсируют его собственный вес, а также нагрузки, обусловленные рабочим давлением в камере.
Для наблюдения за процессом в плавильной камере последняя оборудована двумя окнами, расположенными по окружности, под углом 90 о друг к другу. В окнах установлены поляризационные фильтры, позволяющие плавно изменять свою плотность в зависимости от величины светового потока, исходящего из рабочей зоны.
В целом выбранная схема построения установки (плавильной печи) обладает большой универсальностью в переналадке, когда возникает необходимость перехода с одного техпроцесса на другой, и допускает дооснащение и модернизацию отдельных узлов или блоков. Так, например, вакуумно-газовый блок может быть дополнительно оснащён высоковакуумным агрегатом, что позволит осуществлять на установке соответствующий ряд вакуумных технологий, таких как сварка, пайка химически активных сплавов и получение особо чистых металлов. При этом печь допускает размещение и установку в рабочей камере разработанных ранее высокоэффективных электродуговых устройств, рассчитанных на разные диапазоны давлений. А именно: для вакуумных условий (р 102 Па) возможно применение горелок с магнитоуправляемым полым катодом, а для рабочих давлений р 103…105 Па используются хорошо зарекомендовавшие себя электродные узлы со стержневыми термокатодами.
Установка успешно прошла лабораторные и производственные испытания, подтвердив свои потенциальные возможности при реализации высокотемпературных технологий в контролируемой среде. Об этом свидетельствуют представленный в Приложении Б акт сдачи-приёмки малогабаритной электродуговой плавильной печи у Заказчика (Московский завод спецсплавов), а также заключения о проведении тестовых плавок по заказу ряда организаций (см. Приложения В, Г).
В заключении следует отметить, что разработанная печь имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известными аналогами, такими как печь LK6 фирмы «Leybold» (табл. 1), и обладает названными выше принци-пиальными достоинствами, позволяющими реализовать как современные, так и перспективные металлургические и другие энергоёмкие технологические процессы, связанные с нагревом и расплавом исходного материала.