RU204335U1

RU204335U1 - Device for producing metal powders

Info

Publication number: RU204335U1
Application number: RU2020140625U
Authority: RU
Inventors: Борис Сергеевич Ермаков; Сергей Борисович Ермаков; Максим Анатольевич Одноблюдов
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Устройство для получения металлических порошков относится к плазменным установкам с более чем одним плазмотроном и может быть использовано для получения сферических металлических порошков, предназначенных для аддитивных технологий. Сущность полезной модели заключается в следующем. Устройство для получения металлических порошков состоит из камеры распыления, камеры охлаждения, крышки, приемной камеры, емкости для сбора порошка, плазмотронов, подающих устройств, отличающееся тем, что каждое подающее устройство включает смонтированный в плоской крышке фланец со сквозным отверстием, продолжающимся от торца до пропускного отверстия, и паз с направляющими, выполненный на поверхности плоской крышки от ее края до сквозного отверстия в торце фланца, причем продольная ось полости паза совмещена с продольной осью соответствующего ему сквозного отверстия в торце фланца, и полость паза и сквозное отверстие в торце фланца образуют канал подачи металлического материала в центр пропускного отверстия фланца, при этом к каждому фланцу прикручен плазмотрон, и анод каждого плазмотрона проходит в пропускное отверстие соответствующего ему фланца вертикально по его оси и перпендикулярно каналу подачи металлического материала в центр пропускного отверстия фланца, причем расстояние между краем анода плазмотрона и верхним краем такого канала по вертикали составляет не более 4 мм. Фланцы могут быть смонтированы на равном расстоянии друг от друга и на расстоянии 1/3 от края крышки и 2/3 от центральной вертикальной оси камеры распыления. Техническая проблема заключается в повышении эффективности нагревания металлических материалов одновременно более чем одним плазмотроном. Технический результат заключается в снижении потерь мощности разряда плазмы при нагревании металлических материалов одновременно более чем одним плазмотроном. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.The device for producing metal powders refers to plasma installations with more than one plasmatron and can be used to produce spherical metal powders intended for additive technologies. The essence of the utility model is as follows. The device for producing metal powders consists of a spraying chamber, a cooling chamber, a cover, a receiving chamber, a container for collecting powder, plasma torches, feeding devices, characterized in that each feeding device includes a flange mounted in a flat cover with a through hole extending from the end to the throughput holes, and a groove with guides made on the surface of the flat cover from its edge to the through hole in the flange end, and the longitudinal axis of the groove cavity is aligned with the longitudinal axis of the corresponding through hole in the flange end, and the groove cavity and the through hole in the flange end form a channel supply of metal material to the center of the flange through-hole, while a plasmatron is screwed to each flange, and the anode of each plasmatron passes into the through-hole of the corresponding flange vertically along its axis and perpendicular to the metal material feed channel to the center of the flange through-hole, and the distance between at the edge of the plasmatron anode and the upper edge of such a channel along the vertical is no more than 4 mm. The flanges can be mounted equidistant from each other and 1/3 from the edge of the cover and 2/3 from the center vertical axis of the spray chamber. The technical problem is to increase the efficiency of heating metal materials simultaneously with more than one plasma torch. The technical result consists in reducing the power loss of the plasma discharge when heating metal materials simultaneously with more than one plasmatron. 1 wp f-ly, 3 dwg

Description

Полезная модель относится к плазменным установкам с более чем одним плазмотроном и может быть использована для получения сферических металлических порошков, предназначенных для аддитивных технологий.The utility model relates to plasma installations with more than one plasmatron and can be used to produce spherical metal powders intended for additive technologies.

Известны устройства для плазменного распыления с более, чем одним плазмотроном, в которых зона распыления образована несколькими сходящимися плазменными струями.Known devices for plasma spraying with more than one plasma torch, in which the spray zone is formed by several converging plasma jets.

Так, например, известно устройство для плазменного распыления с более чем одним плазмотроном [US5707419 (A), опубл. 1998-01-13, МПК B01J19/00; B01J19/08; B01J19/26; B22F9/08; B22F9/14]. Зона распыления образована множеством сходящихся плазменных струй. Распыление осуществляют при контролируемом охлаждении, в результате получают порошки диаметрами от 10 до 300 мкм.For example, a device for plasma spraying with more than one plasmatron is known [US5707419 (A), publ. 1998-01-13, IPC B01J19 / 00; B01J19 / 08; B01J19 / 26; B22F9 / 08; B22F9 / 14]. The spray zone is formed by a plurality of converging plasma jets. Spraying is carried out under controlled cooling, resulting in powders with diameters from 10 to 300 μm.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для плазменного распыления проволоки с помощью трех плазмотронов, плазменные факелы которых сведены в единую точку фокуса [WO2016191854 (A1), опубл. 08.12.2016, МПК B01J2/04; B22F9/14]. В эту точку подают проволоку. Для повышения производительности процесса устанавливают дополнительную систему индукционного предподогрева проволоки.Closest to the claimed device is a device for plasma spraying of a wire using three plasma torches, the plasma torches of which are brought together into a single focus point [WO2016191854 (A1), publ. 12/08/2016, IPC B01J2 / 04; B22F9 / 14]. Wire is fed to this point. To increase the productivity of the process, an additional induction wire preheating system is installed.

Недостатком обоих решений является то, что при сведении нескольких плазменных факелов в единый фокус расстояние между анодами плазмотронов и точкой ввода расплавляемого материала составляет несколько сантиметров, хотя известно, что максимальная мощность потока плазмы, и, следовательно, максимальный коэффициент полезного действия распыления достигается при расстоянии от анода до поверхности металлического материала не более 2-4 мм. Таким образом, оба решения не позволяют максимально использовать создаваемую мощность разряда плазмы.The disadvantage of both solutions is that when several plasma torches are brought into a single focus, the distance between the anodes of the plasmatrons and the point of injection of the material to be melted is several centimeters, although it is known that the maximum power of the plasma flow, and, therefore, the maximum efficiency of spraying is achieved at a distance from anode to the surface of the metal material no more than 2-4 mm. Thus, both solutions do not allow maximum use of the generated plasma discharge power.

Техническая проблема заключается в повышении эффективности нагревания металлических материалов одновременно более чем одним плазмотроном.The technical problem is to increase the efficiency of heating metal materials simultaneously with more than one plasma torch.

Технический результат заключается в снижении потерь мощности разряда плазмы при нагревании металлических материалов одновременно более чем одним плазмотроном.The technical result consists in reducing the power loss of the plasma discharge when heating metal materials simultaneously with more than one plasmatron.

Технический результат достигается тем, что устройство получения металлических порошков состоит из камеры распыления, камеры охлаждения, крышки, приемной камеры, емкости для сбора порошка, плазмотронов, подающих устройств, согласно полезной модели каждое подающее устройство включает фланец со сквозным отверстием, продолжающимся от торца до пропускного отверстия, смонтированный в плоской крышке, и паз с направляющими, выполненный на поверхности плоской крышки от ее края до сквозного отверстия в торце фланца, причем продольная ось полости паза совмещена с продольной осью соответствующего ему сквозного отверстия в торце фланца, и полость паза и сквозное отверстие в торце фланца образуют канал подачи металлического материала в центр пропускного отверстия фланца, при этом к каждому фланцу прикручен плазмотрон, и анод каждого плазмотрона проходит в пропускное отверстие соответствующего ему фланца вертикально по его оси, причем расстояние между краем анода плазмотрона и верхним краем канала подачи металлического материала в центр пропускного отверстия фланца по вертикали составляет не более 4 мм.The technical result is achieved in that the device for producing metal powders consists of a spraying chamber, a cooling chamber, a cover, a receiving chamber, a container for collecting powder, plasma torches, feeding devices, according to the utility model, each feeding device includes a flange with a through hole extending from the end to the throughput holes mounted in a flat cover, and a groove with guides made on the surface of a flat cover from its edge to a through hole in the flange end, and the longitudinal axis of the groove cavity is aligned with the longitudinal axis of the corresponding through hole in the flange end, and the groove cavity and the through hole at the end of the flange, a metal material feed channel is formed to the center of the flange throughput, while a plasmatron is screwed to each flange, and the anode of each plasmatron passes into the throughput of the corresponding flange vertically along its axis, and the distance between the edge of the plasmatron anode and the upper edge of the channel is the vertical flow of metal material into the center of the flange throughput is no more than 4 mm.

При этом возможно, что фланцы смонтированы на равном расстоянии друг от друга и на расстоянии 1/3 от края крышки и 2/3 от центральной вертикальной оси камеры распыления.In this case, it is possible that the flanges are mounted at an equal distance from each other and at a distance of 1/3 from the edge of the cover and 2/3 from the central vertical axis of the spray chamber.

На фиг. 1 показана схема устройства для получения металлических порошков.FIG. 1 shows a diagram of a device for producing metal powders.

На фиг. 2 показана схема плоской крышки, вид сверху.FIG. 2 shows a diagram of a flat cover, top view.

На фиг. 3 показана схема расположения канала подачи металлического материала и плазмотрона, продольный разрез.FIG. 3 shows the layout of the metal material feed channel and the plasmatron, longitudinal section.

Устройство для плазменного распыления металлических материалов состоит из установленных в общем каркасе (на фиг. 1 не показан) камеры распыления 1 со смотровыми окнами, приемной камеры 2, патрубка 3 с отводом 4, емкости для сбора порошка 5, подающих устройств (на фиг. 1 не показаны) и отъемной плоской крышки 6 с направляющими, фланцами и закрепленными на них плазмотронами 7.The device for plasma spraying of metal materials consists of a spraying chamber 1 with viewing windows, a receiving chamber 2, a branch pipe 3 with an outlet 4, a container for collecting powder 5, and feeding devices (not shown in Fig. 1) installed in a common frame (not shown in Fig. 1). not shown) and a detachable flat cover 6 with guides, flanges and plasmatrons 7 fixed to them.

В крышке 6 выполнены сквозные отверстия, в которых смонтированы фланцы 8 (фиг. 2) на равном расстоянии друг от друга и на расстоянии 1/3 от края крышки 6 и 2/3 от центральной вертикальной оси камеры распыления 1.Through holes are made in the cover 6, in which the flanges 8 (Fig. 2) are mounted at an equal distance from each other and at a distance of 1/3 from the edge of the cover 6 and 2/3 from the central vertical axis of the spray chamber 1.

В торце каждого фланца 8 выполнено сквозное отверстие 9, продолжающееся от торца фланца до его пропускного отверстия 10 (фиг. 3).A through hole 9 is made at the end of each flange 8, extending from the end of the flange to its through-hole 10 (Fig. 3).

На поверхности крышки 6 от ее края и до каждого сквозного отверстия 9 выполнены пазы 11 с направляющими по числу фланцев так, что продольная ось полости каждого паза 11 совмещена с продольной осью соответствующего ему сквозного отверстия 9 в торце фланца 8 (фиг. 2, фиг. 3). Полость паза 11 и сквозное отверстие 9 в торце фланца сообщены и образуют канал подачи металлического материала в центр пропускного отверстия фланца 10, расположенный под углом 90 градусов к продольной оси плазмотрона 7 и продолжающийся до центра пропускного отверстия фланца 10.On the surface of the cover 6 from its edge and to each through hole 9 grooves 11 are made with guides according to the number of flanges so that the longitudinal axis of the cavity of each groove 11 is aligned with the longitudinal axis of the corresponding through hole 9 at the end of the flange 8 (Fig. 2, Fig. 3). The groove cavity 11 and the through hole 9 at the end of the flange are in communication and form a channel for supplying metal material to the center of the passage opening of the flange 10, located at an angle of 90 degrees to the longitudinal axis of the plasmatron 7 and continuing to the center of the passage opening of the flange 10.

На верхней плоскости каждого фланца 8 выполнены крепежные отверстия, посредством которых к каждому фланцу 8 жестко прикручен соответствующий ему плазмотрон 7 при помощи прижимной пластины. Анод каждого плазмотрона 7 проходит в пропускное отверстие 10 соответствующего ему фланца 8 вертикально по его оси. Расстояние между краем анода и воображаемой линией, проведенной как продолжение верхнего края канала подачи металлического материала в центр пропускного отверстия фланца, составляет не более 4 мм. On the upper plane of each flange 8, fastening holes are made, by means of which the corresponding plasmatron 7 is rigidly screwed to each flange 8 by means of a pressure plate. The anode of each plasmatron 7 passes into the passage opening 10 of the corresponding flange 8 vertically along its axis. The distance between the edge of the anode and an imaginary line drawn as a continuation of the upper edge of the metal material supply channel to the center of the through-hole of the flange is not more than 4 mm.

Камера распыления 1 выполнена в виде двухслойного сосуда с полостью между внутренним и наружным слоями, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. Внутренний слой камеры распыления образует камеру распыления, а полость между внутренним и наружным слоями — камеру охлаждения. Для обеспечения подачи и отвода охлаждающей жидкости от отдельно стоящей независимой системы охлаждения в камере охлаждения предусмотрены два патрубка в верхней части колонны распыления 1 и два патрубка в крышке 6. Непосредственно под камерой распыления 1 расположена приемная камера 2, выполненная в форме усеченного конуса и сообщающаяся с емкостью для сбора порошка 5 через патрубок 3. Приемная камера 2 выполнена в виде двухслойного сосуда с полостью между внутренним и наружным слоями, образующей камеру охлаждения, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. Емкость для сбора порошка 5 выполнена в виде сосуда, заполненного защитным газом и снабженного клапаном, предназначенным для обеспечения герметичного закрывания при его отсоединении от патрубка 3. К патрубку 3 герметично пристыкован отвод 4 для соединения с отдельно стоящим независимым циклоном с целью удаления избыточного количества защитного газа и фракций порошка с размером гранул менее 5 мкм. Плазмотроны 7 выполнены с межэлектродными вставками. Каждый плазмотрон 7 состоит из электрода, охлаждаемого потоком плазмообразующего газа, сопла и анодного узла, включающего межэлектродные вставки и анод, имеющие каналы водяного охлаждения. Камера распыления 1 посредством соответствующих отверстий с патрубками и разъемов соединена с отдельно стоящими независимыми обслуживающими системами: контрольно-измерительной аппаратурой, блоком управления и безопасности, с резервуаром с охлаждающей жидкостью. Плазмотроны через блок управления и безопасности посредством соответствующих разъемов соединены с отдельно стоящими независимыми обслуживающими системами: тремя источниками питания по числу плазмотронов, газовым постом, системой охлаждения плазмотронов.The spraying chamber 1 is made in the form of a two-layer vessel with a cavity between the inner and outer layers, inside of which the cooling liquid circulates. The inner layer of the spray chamber forms the spray chamber, and the cavity between the inner and outer layers forms the cooling chamber. To ensure the supply and removal of coolant from a free-standing independent cooling system in the cooling chamber there are two nozzles in the upper part of the spray column 1 and two nozzles in the cover 6. Directly under the spray chamber 1 there is a receiving chamber 2 made in the form of a truncated cone and communicating with a container for collecting powder 5 through a branch pipe 3. The receiving chamber 2 is made in the form of a two-layer vessel with a cavity between the inner and outer layers, forming a cooling chamber, inside of which the cooling liquid circulates. The container for collecting the powder 5 is made in the form of a vessel filled with a protective gas and equipped with a valve designed to ensure hermetic closure when it is disconnected from the branch pipe 3. An outlet 4 is hermetically attached to the branch pipe 3 for connection with a free-standing independent cyclone in order to remove excess amount of protective gas and powder fractions with a granule size of less than 5 microns. Plasmatrons 7 are made with interelectrode inserts. Each plasmatron 7 consists of an electrode cooled by a flow of a plasma-forming gas, a nozzle and an anode assembly including interelectrode inserts and an anode having water cooling channels. The spraying chamber 1 is connected by means of corresponding openings with nozzles and connectors to free-standing independent service systems: instrumentation, control and safety unit, with a reservoir with a cooling liquid. The plasmatrons are connected through the control and safety unit by means of appropriate connectors to stand-alone independent service systems: three power sources according to the number of plasmatrons, a gas post, and a plasma torch cooling system.

Устройство работает следующим образом. Каждый источник питания подает на подключенный к нему плазмотрон 7 электрический ток. Плазмообразующий газ поступает в плазмотрон 7 от газового поста. В плазмотронах 7 создается электрическая дуга косвенного действия. За счет продувки плазмообразующего газа (аргона) через осевое отверстие плазмотрона 7 электрическая дуга вытягивается в плазменный факел с температурой плазмы 8 – 11 тысяч градусов Цельсия размером 3 мм.The device works as follows. Each power source supplies electric current to the plasmatron 7 connected to it. Plasma-forming gas enters the plasmatron 7 from the gas post. An indirect electric arc is created in the plasmatrons 7. Due to the blowing of the plasma-forming gas (argon) through the axial hole of the plasmatron 7, the electric arc is drawn into a plasma torch with a plasma temperature of 8-11 thousand degrees Celsius, 3 mm in size.

В центр пропускного отверстия фланца 8 при помощи подающих устройств через канал, образованный полостью паза 11 в крышке 6 и сквозным отверстием 9 в торце фланца 8 подается металлический материал под углом 90 градусов по отношению к аноду плазмотрона 7 на расстояние не более 4 мм до анода плазмотрона 7. Под действием высоких температур в центре пропускного отверстия 10 фланца 8 торцевая поверхность металлического материала расплавляется, образуя микроскопическую каплю. Расплавленная капля дополнительно измельчается потоком плазмообразующего газа и, удаляясь от зоны распыления, кристаллизуется в виде частицы сферической формы в камере распыления 1.A metal material is fed into the center of the through-hole of the flange 8 with the help of feeding devices through the channel formed by the cavity of the groove 11 in the cover 6 and through the hole 9 in the end of the flange 8 at an angle of 90 degrees with respect to the anode of the plasmatron 7 at a distance of no more than 4 mm to the anode of the plasmatron 7. Under the action of high temperatures in the center of the passage opening 10 of the flange 8, the end surface of the metal material melts, forming a microscopic drop. The molten drop is additionally crushed by the plasma-forming gas flow and, moving away from the spray zone, crystallizes in the form of a spherical particle in the spray chamber 1.

Из камеры распыления 1 частицы попадают в приемную камеру 2. Затем частицы затвердевшего порошка проходят через патрубок 3 и собираются в устройстве сбора порошка 5, которое представляет собой сосуд, заполненный защитным газом и герметически закрывающийся при его отсоединении от патрубка 3. Избыточное количество аргона и фракции порошка с диаметром гранул до 5 мкм через отвод 4 собираются в циклоне. Контроль процесса распыления (чистоты атмосферы, формы плазменного факела, потока летящих по камере частиц распыленного металла) осуществляется через смотровые окна, выполненные в колонне распыления 1. Регулирование температуры в камере распыления колонны распыления 1 и приемной камере 2 обеспечивается за счет циркуляции жидкости в соответствующих им камерах охлаждения, поступающей из резервуара с охлаждающей жидкостью. Регулирование температуры анодного узла и сопла плазмотрона 7 обеспечивается циркуляцией в них жидкости, поступающей из системы охлаждения плазмотронов, а регулирование температуры электрода плазмотрона 7 обеспечивается потоком плазмообразующего газа. Particles from the spraying chamber 1 enter the receiving chamber 2. Then the particles of the solidified powder pass through the nozzle 3 and are collected in the powder collection device 5, which is a vessel filled with a protective gas and hermetically sealed when it is disconnected from the nozzle 3. Excess argon and fraction powder with a granule diameter of up to 5 microns through outlet 4 are collected in a cyclone. The control of the spraying process (the purity of the atmosphere, the shape of the plasma torch, the flow of sprayed metal particles flying through the chamber) is carried out through the observation windows made in the spraying column 1. Temperature control in the spraying chamber of the spraying column 1 and the receiving chamber 2 is ensured by circulating the liquid in the corresponding cooling chambers coming from the coolant reservoir. The temperature control of the anode assembly and the nozzle of the plasmatron 7 is ensured by the circulation in them of the liquid coming from the cooling system of the plasmatrons, and the temperature control of the electrode of the plasmatron 7 is provided by the plasma-forming gas flow.

Блок управления и безопасности регулирует силу тока, подаваемого на каждый из плазмотронов, объем плазмообразующего газа, контролирует систему охлаждения плазмотронов и в автоматическом режиме отключает электропитание в том случае, если один из параметров регулирования (электричество, газ, температура охлаждающей жидкости) вышли за установленные параметры. The control and safety unit regulates the strength of the current supplied to each of the plasma torches, the volume of the plasma-forming gas, controls the cooling system of the plasma torches and automatically turns off the power supply if one of the control parameters (electricity, gas, coolant temperature) goes beyond the set parameters ...

Контроль температуры и давления в камере распыления осуществляется посредством контрольно-измерительной аппаратуры.Temperature and pressure control in the spray chamber is carried out by means of instrumentation.

Максимальная мощность потока плазмы достигается на расстоянии от анода плазмотрона до поверхности материала не более 4 мм. Поскольку анод плазмотрона проходит во фланец вертикально по его оси и не доходит до продольной оси сквозного отверстия в торце фланца на расстояние не более 4 мм, то очевидно, что точка подачи металлического материала находится на расстоянии от анода плазмотрона не более 4 мм. Таким образом, достигается уменьшение расстояния между анодом плазмотрона и точкой ввода металлического материала, и металлический материал, проходя через сквозное отверстие в торце фланце, попадает в тепловой фокус плазменной дуги и зону максимальной мощности плазменной дуги, что обуславливает снижение потерь мощности разряда плазмы при нагревании металлического материала.The maximum power of the plasma flow is achieved at a distance from the anode of the plasma torch to the surface of the material no more than 4 mm. Since the anode of the plasmatron passes into the flange vertically along its axis and does not reach the longitudinal axis of the through hole at the end of the flange at a distance of no more than 4 mm, it is obvious that the point of supply of metal material is at a distance of no more than 4 mm from the anode of the plasmatron. Thus, a decrease in the distance between the anode of the plasma torch and the point of entry of the metal material is achieved, and the metal material, passing through the through hole in the end face of the flange, enters the thermal focus of the plasma arc and the zone of maximum power of the plasma arc, which causes a decrease in the power loss of the plasma discharge when the metal is heated. material.

Claims

1. The device for producing metal powders consists of a spraying chamber, a cooling chamber, a cover, a receiving chamber, a container for collecting powder, plasma torches, feeding devices, characterized in that each feeding device includes a flange mounted in a flat cover with a through hole extending from the end to the through hole, and a groove with guides made on the surface of the flat cover from its edge to the through hole in the flange end, and the longitudinal axis of the groove cavity is aligned with the longitudinal axis of the corresponding through hole in the flange end, and the groove cavity and the through hole in the flange end form a channel for supplying metal material to the center of the flange through-hole, while a plasmatron is screwed to each flange, and the anode of each plasmatron passes into the through-hole of the corresponding flange vertically along its axis and perpendicular to the metal material feed channel to the center of the flange through-hole, the distance m Between the edge of the plasmatron anode and the upper edge of such a channel vertically is no more than 4 mm.

2. A device for producing metal powders according to claim 1, characterized in that the flanges are mounted at an equal distance from each other and at a distance of 1/3 from the edge of the cover and 2/3 from the central vertical axis of the spray chamber.