CN1213639C - 等离子体弧发生器电极、等离子体弧发生器及热处理方法 - Google Patents

Abstract

一种等离子体弧发生器电极，包括这种电极的一种发生器和利用所述发生器对正在凝固的液态金属进行热处理的一种方法，其中主电极与反电极一起构成一种双轨结构，这种结构能够产生沿一条封闭路径不间断地移动的等离子体弧放电。电弧放电的这种不间断移动是通过主电极的特定结构实现的。该电极包括一个基本为管状的主体，该主体具有一般通过至少一个连接器接点与一个直流电源相连的第一边缘和用于形成电弧放电的第二工作边缘。由于具有这种结构，电弧柱可以不间断地跨越第二边缘区间隙段。

Description

等离子体弧发生器电极、等离子体弧发生器 及热处理方法

本发明涉及可转移型和非转移型两种类型的等离子体弧发生器，更具体地说，本发明涉及可产生沿封闭路径循环的等离子体弧的一类等离子体装置。本发明还涉及用于上述定义类型的等离子体发生器的一种电极。

等离子体弧发生器在许多技术方法中用于对各种物体进行热处理，例如在冶金技术中用作所谓的等离子体冶炼、等离子体浇铸、等离子体清理等。从本发明的一个方面来讲，本发明涉及利用循环等离子体弧加热在一个模具中冷却和结晶的液态金属的方法，这种方法可以使被处理物体消除典型的浇铸缺陷，例如铸孔和砂眼的形成、分层、收缩气泡的形成、铸块中化学组成和晶体结构的不均匀，等等。

包括等离子体弧炬的等离子体发生器在本领域是熟知的，有关它们的设计及其在各种冶金应用中的用途可以在许多技术专著或手册中找到，例如金属手册(Metals Handbook，Ninth Edition，Vol.15，Metals Park，Ohio)中“Plasma Melting and Casting”一章，和由V.Dembovsky，Elsevier所著“Plasma Metallurgy，The Principles”一书(1985，p.314-315)。

一般来说，等离子体发生器可以分为两类：一类是阴极和阳极都构成装置的一部分的等离子体发生器，它们被称为具有非转移弧的等离子体发生器或者非转移等离子体弧发生器；另一类是只包括一个电极、而反电极为一块导电基质的等离子体发生器，它们被称为具有可转移弧的等离子体发生器或者可转移等离子体弧发生器。

GB-1268843公开了一种非转移等离子体弧发生器，它包括与电源相连的一个水冷阴极和两个环状阳极，其中一个阳极用于点火，另一个阳极用于调整操作。阴极尖端通过喷入一种惰性气体如氩气、氦气或氮气加以保护。

US-A-4958057公开了一种典型的在连续浇铸过程中用于加热金属的可转移等离子体弧发生器。它包括一个具有水冷机构的圆柱体形阴极夹持件、一个点火阳极和一个环形阴极，其中具有用于喷入一种惰性保护气体的内部通道。在该阴极与用作阳极的待处理极板之间产生放电。

现有技术中的非转移型和转移型等离子体发生器都存在一个本质的缺点，就是需要对保护气体的喷入或水冷进行适合的控制。在应用水冷的情况下，使用所谓的等离子体矩，它包括一个等离子体输送喷嘴。加压惰性气体注入等离子体矩与以高速从等离子体输送喷嘴喷射的细长等离子体流的形成相关，其在处理凝固的浇铸金属的情况下在仍然凝固的金属表面施加局部压力，导致在冷却过程中形成较大的气泡。

冷却水的存在是危险的，因为任何与极热的液态金属接触的泄漏水都会引起爆炸。

还已知一种等离子体发生器，在这种发生器中等离子体弧可以在控制下相对于开放形，例如直线形，或闭合形，例如环形待处理基质沿一个对应形状的电极产生位移。等离子体弧的这种位移避免了过热，可以对基质进行更均匀的处理，并减少电极的腐蚀，从而延长该装置的使用寿命。US-5132511公开了一种非转移等离子体矩，其具有两个同轴管状电极，它们沿轴向彼此分开，安装有一个使电弧旋转的电磁线圈。这个线圈安装在位于两个电极之间的一个密封圆柱体形腔中。

US-5393954描述了一种非转移等离子体矩，它包括两个同轴管状电极，其中至少一个电极被一个磁场围绕着，该磁场与一个电子控制装置相关，从而可以使等离子体弧底部以可控制方式位移。当将一种产生等离子体的气体注入使所说电极分隔开的腔中时，点燃电弧。

已知通过作用一个被称为洛仑兹力的有质动力可以使等离子体发生器中的电弧发生位移。当电荷在磁场中移动时就会产生洛仑兹力，这个力的大小与磁场的磁感应、电荷、电荷的速度成正比，而且还与磁感应矢量和移动电荷速度之间的夹角相关。已知在等离子体发生器中产生洛仑兹力是电弧(一种强的放电现象)、电弧产生的磁场、和由流过电极的电流在发生器中产生的磁场之间的相互作用的结果。当电极形成所谓的双轨结构时，洛仑兹力使电弧加速并产生位移。

本申请中相对于电极所用的术语“双轨结构”应当理解为彼此平行且分开，并分别与电源的一个极相连的两个电流导体(所谓的轨)。当在电极之间起燃电弧时，电弧沿着导体轨离开与电源的电接触点移动。

根据现有技术术语，其中电弧放电被在两个平行电极之间的一个空间内产生的有质动力加速的等离子体弧发生器有时被称为电磁轨加速器或具有轨结构的等离子体加速器。

洛仑兹力使具有双轨结构的等离子体弧发生器中的等离子体弧加速和位移的现象被称为电磁加速原理。在文献中，例如在Alexandrov等人所写“Impulse Plasma Accelerators”(Charkov，1983，pp192，194)中和在J.Kompan和E.Sherbinin所写“Electroslag Welding and Melding”(Machinostroenie，1989，pp.191，192)中针对等离子体加速器或磁流体动力发生器讲述了此原理。在Lindsey D.Tornhill等人所写“Scaling laws forPlasma Armatures in Railguns”(Transactions of Plasma Science，Vol.21.No.3，June 1993，289-290)中介绍了洛仑兹力的一个具体应用。

在SU-890567中记载了具有磁轨加速结构的非转移等离子体弧发生器的一个实例。在这种发生器中，电极为两个同轴椭圆管结构，电极之间的空间中充满绝缘材料。每个管的管壁上都有同轴缝隙，使得一个管壁上的缝隙与另一个管的无缝隙管壁部分相对。在每个缝隙附近有一个电触点，这样实现了双轨结构。为了使等离子体弧的循环不间断，它必须能够穿过这些缝隙，为此，每个缝隙的宽度必须小于电弧的厚度。但是，当穿过任何一条缝隙时，电弧精确地到达相邻的电触点区，在此处它进一步移动的方向是不确定的，所以电弧移动接近这些缝隙的速度降低，偶尔甚至间断放电，这是一个非常明显的缺陷。

SU-847533记载了一种用于处理导电基质的可转移等离子体弧发生器。它包括构成发生器一部分的一个主电极导电基质被作为反电极。主电极的形状为具有一根线圈的螺旋形缠绕的中空细长体，所说线圈的部分重叠的端部彼此之间形成角位移以形成它们之间的一个间隙。螺旋体一端的边缘放置在基质附近(最接近的边缘)，并通过设置在所说间隙附近的连接器与电源的一极相连。这种电极的螺旋结构满足下列方程：

                Y＝K(X)^3/2

其中Y为螺旋间距，K为正比例系数，X为连接器与螺旋末端之间沿螺旋线圆周的线性距离。据说满足此方程可以确保电弧沿螺旋电极加速。

但是，使用满足上述关系式要求结构的电极带来许多问题：

(a)利用石墨或钨或通常用于制造等离子体弧发生器电极的某些其它材料来制造这种螺旋电极是非常困难和昂贵的；

(b)由于Y作为X的函数指数增大，等离子体电流波动变化，因此，根据SU-847533构成的等离子体弧发生器在没有辅助装置的情况下实际上能够可靠工作的最大螺旋直径不超过6厘米，而在较大的直径情况下可能会发生等离子体弧的间断。为了预先防止这种间断，必须利用一个高压振荡器每隔一个周期重新起燃等离子体弧放电；

(c)因为等离子体被沿着螺旋电极边缘加速，所以电极以不均匀的形式被加热，这需要具有能够进行有效的水温和压力控制的适合装置的有效并且可靠的水冷系统。所有这些都使得这种等离子体发生器昂贵，而且使得这种发生器在由于任何泄漏都会产生危险因而不希望使用冷却水的任务中几乎不可能获得应用。

本发明的一个目的是提供一种用于等离子体弧发生器的简单而且成本低廉的电极，这种电极可用于产生连续循环、自稳定的等离子体弧，而不需要任何水冷却或注入保护气体，它在至少高达约50千瓦的输出功率下可以使用相当长时间。

本发明的另一个目的是提供一种包括这种新颖电极的等离子体发生器。

本发明的再一个目的是提供适于对模具中的正在凝固的液态金属进行热处理的一种转移弧型等离子体发生器。

本发明的又一个目的是提供一种利用循环等离子体弧对模具中的正在凝固的液态金属进行热处理的改进方法。

在以下的说明中和权利要求中，所用术语“纵向的”和“纵向地”是相对于包括具有两个端部边缘的管状主体的一个等离子体弧发生电极而言的，用于描述沿管状主体壁从一端到另一端的任何路径或方向；术语“横向的”和“横向地”表示与纵向线垂直交叉的方向。

根据其一个方面，本发明提供一种等离子体弧发生器电极，其与一个反电极一起构成一种双轨结构，能够产生可以沿一个第一方向的一条封闭路径位移的等离子体弧放电，该电极具有用于与直流电源连接的电连接器，并包括一个基本成管状的主体，该主体上具有一个第一边缘，其形成第一边缘区的一部分，和一个第二、工作边缘，其形成一个第二边缘区的一部分，并用于产生电弧放电，在所说电极中：

(i)所说电连接器包括位于电极上的至少一个连接器接点；

(ii)所说管状主体具有至少一条纵向延伸的间隙，该间隙包括一个第一边缘区间隙段、一个主间隙段和一个第二边缘区间隙段，每一间隙在横向上位于在两个壁面区之间，每个壁面区分别包含第一和第二边缘区，所说壁面区之一具有与该间隙相关的一个连接器接点；

(iii)所说壁面区之一的第二边缘区具有一个等离子体弧发射区域，另一个具有所说连接器接点的壁面区的第二边缘区包括一个等离子体弧接收区域，所说等离子体弧发射区域和接收区域由所说纵向延伸间隙的第二边缘区间隙段分开并以其为边界，从而构成所说间隙段的两侧；

(iv)所说与间隙相关的连接器接点的位置这样设置，使得其在第二边缘区上的投影从所说等离子体弧接收区域沿与所说第一方向相反的第二方向横向偏移，

从而在工作过程中在所说双轨结构中产生洛仑兹力，使得形成在所说等离子体弧发生器电极和反电极之间的等离子体弧沿所说第二边缘区中第一方向的一条封闭路径不间断地移动，并穿过所说的每个第二边缘区间隙段。

根据本发明构成的等离子体发生器电极的基本呈管状的主体可以是圆柱体形、棱柱形、具有星形轮廓的多面体形和类似形状。

根据本发明的一个实施例，所说管状主体具有一条间隙和所说的两个壁面区，这两个壁面区从间隙的一侧向另一侧延伸而汇合成一体。因此，根据本实施例，电极包括一个开有一条缝隙的管状主体。

根据本发明的另一个实施例，所说管状主体具有多个间隙和多个壁面区，每个壁面区在两个间隙之间延伸。

等离子体弧与发生器电极的第二边缘区接触的部分在现有技术中被称为“底部”。在根据本发明构成的等离子体弧发生器电极的工作过程中，等离子体弧底部沿第二边缘区中的一条封闭路径移动。

根据本发明的等离子体弧发生器电极的一个优选实施例，每个第二边缘区间隙段的宽度这样设定，使其基本不宽于实际的等离子体弧柱的最小直径；所说与间隙相关连接器接点在第二边缘区上的投影与所说电弧接收区域之间的距离基本上不小于实际的等离子体弧柱底部的最大直径。

应当指出电弧柱的直径和电弧底部直径是比较容易确定的值，可以通过实验测量。此外，可以借助于本领域技术人员所熟知的方程根据最大和最小电弧电流值计算出电弧柱的最小和最大直径值。例如，在大气压下的气体环境中，和在大约300安培电弧电流条件下，在固体电极上的电弧柱直径可达约5厘米，电弧底部的直径通常在3至5毫米的范围内。

上述规定的意义是在装置中点燃的最窄的电弧柱应当能够穿过间隙，电弧的最宽的底部在穿过第二边缘区间隙段时应当不遮盖连接器接点下面的区域，而是移动通过电弧接收区域，其以规定的方式从连接器接点开始移动，从而确保电弧的移动不间断。

可取的是连接器接点放置在第一边缘区附近。

如果需要的话，可以将电极的第二边缘区斜削，从而使电极放电表面增大和偏离与管状主体轴垂直的方向，进而能够控制电弧的取向。

根据本发明等离子体弧发生器电极的一个实施例，所说至少一个纵向延伸间隙的主段具有这样的形状，使得所说与间隙相关连接器接点在第二边缘区上的投影位于包含电弧发射区域的壁面区中。

根据本发明的一个实施例，所说管状主体的壁面区具有这样的结构，使得每个与间隙相关连接器接点在第二边缘区上的投影偏离所说封闭路径，即在所说封闭路径周边范围之内或之外。

如果需要的话，根据本发明构成的等离子体弧发生器电极的壁面区可以具有这样的结构，使得至少每个间隙在第二边缘区的间隙段由包括所说等离子体弧发送和接收区域的相邻壁面区之间的重叠构成。采用这种结构，电极的横截面增大超出圆柱体形管状主体，其周边由第一边缘上的连接器接点限定。例如，电极的管状主体可以具有星形多面体形状，并由在边沿附近部分重叠的多个主体模块组装而成。

当通电时，根据本发明构成的等离子体发生器电极，例如由石墨或一种耐熔金属制成的电极能够产生高达50千瓦功率的等离子体弧放电，而不需要水冷却。但是，对于根据本发明构成的横向直径不超过7厘米的电极，可能需要间断性工作。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括所述类型电极的等离子体弧发生器。这种等离子体弧发生器可以是非转移型或转移型的。根据本发明构成的非转移型等离子体弧发生器可以用于对不导电基质例如建筑工业原材料、废料或其它绝缘材料进行等离子体处理。

根据一个实施例，本发明提供一种可转移等离子体弧发生器，它包括一个等离子体弧发生器电极，该电极与用作反电极的一个导电基质相配合，该等离子体弧发生器电极和反电极共同构成能够产生可沿一条第一方向的封闭路径位移的等离子体弧放电的双轨结构，该等离子体弧发生器电极具有用于与直流电源相连的电连接器，包括一个基本呈管状的主体，其上具有构成第一边缘区的第一边缘，和构成第二边缘区并用于电弧放电的第二、工作边缘，在该电极中：

(i)所说电连接器包括位于电极上的至少一个连接器接点；

(ii)所说管状主体具有至少一条纵向延伸的间隙，该间隙包括一个第一边缘区间隙段、一个主间隙段和一个第二边缘区间隙段，每一间隙在横向上分隔在两个壁面区之间，每个壁面区分别包含第一和第二边缘区，所说壁面区之一具有与该间隙相关的一个连接器接点；

(iii)所说壁面区之一的第二边缘区具有一个等离子体弧发射区域，另一个具有所说连接器接点的壁面区的第二边缘区包括一个等离子体弧接收区域，所说等离子体弧发射区域和接收区域由所说纵向延伸间隙的第二边缘区间隙段分开并以其为边界，从而构成所说间隙段的两侧；

(iv)所说与间隙相关的连接器接点的位置这样设置，使得其在第二边缘区上的投影从所说等离子体弧接收区域沿与所说第一方向相反的第二方向横向偏移，

从而在工作过程中在所说双轨结构中产生洛仑兹力，使得形成在所说等离子体弧发生器电极和反电极之间的等离子体弧沿所说第二边缘区中第一方向的一条封闭路径不间断地移动，并穿过所说的每个第二边缘区间隙段。

在以下说明中，构成等离子体弧发生器一部分的根据本发明构成的等离子体弧发生器电极有时会被称为“主电极”。

在一个实施例中，根据本发明构成的可转移等离子体弧发生器包括一个圆柱体形外壳，其包围着主电极，并与之分开，从而与主电极形成一个环形腔。如果需要，可以提供一个盖从接近电极第一边缘的一端封闭该外壳。此外，如果需要的话，可以在外壳与主电极之间的环形空间中第一边缘附近安装用于点燃等离子体弧放电的起燃装置，从而在起燃时产生点燃主电弧的辅助电弧。

一般来说，起燃装置可以包括一个第一杆状电极，其以相互隔离关系设置在一个第二、同轴管状电极内，所说第一和第二电极可与直流电源的两极相连，一个第三、棒状电极基本垂直于所说第二管状电极安装在其一端部，该第三电极可与一个高压振荡器相连。可取的是，所说管状电极的端部形成一个内边沿，从而在所说杆状电极和管状电极之间形成一条狭窄的间隙，高振荡电压通过该第三、棒状电极施加在该区域。

根据一种特殊设计，起燃装置固定在所说外壳盖上，并沿轴向延伸至主电极的第二边缘区。

根据本发明的可转移等离子体弧发生器的一个优选实施例，提供了一个使主电极能够轴向位移的装置，从而使得在操作过程中可以调节第二边缘与基质之间的距离和使之最佳化。

根据本发明构成的可转移等离子体弧发生器的一种典型应用是对在一个适合的模具例如一个铸模中凝固过程中的液态金属进行热处理。

所以，根据本发明的另一方面，提供了一种对模具中正在凝固的液态金属进行热处理的方法，该方法包括以下步骤：提供一个可转移等离子体弧发生器，该发生器包括与用作反电极的一个导电基质相配合的一个主电极，该主电极与所说导电基质共同构成一种双轨结构，这种结构能够产生可沿一条第一方向的封闭路径位移的等离子体弧放电，该主电极包括用于与一个直流电源相连的电连接器，并包括一个基本呈管状的主体，该主体包括构成一个第一边缘区的第一边缘，和构成一个第二边缘区并用于电弧放电的第二、工作边缘，在该电极中：

(i)所说电连接器包括位于电极上的至少一个连接器接点；

(ii)所说管状主体具有至少一条纵向延伸的间隙，该间隙包括一个第一边缘区间隙段、一个主间隙段和一个第二边缘区间隙段，每一间隙在横向上分隔在两个壁面区之间，每个壁面区分别包含第一和第二边缘区，所说壁面区之一具有与该间隙相关的一个连接器接点；

(iii)所说壁面区之一的第二边缘区具有一个等离子体弧发射区域，另一个具有所说连接器接点的壁面区的第二边缘区包括一个等离子体弧接收区域，所说等离子体弧发射区域和接收区域由所说纵向延伸间隙的第二边缘区间隙段分开并以其为边界，从而构成所说间隙段的两侧；

(iv)所说与间隙相关的连接器接点的位置这样设置，使得其在第二边缘区上的投影从所说等离子体弧接收区域沿与所说第一方向相反的第二方向横向偏移，

安装所说的等离子体发生器，使得所说第二边缘位于液态金属表面附近适合的选定距离处，将所说的主电极与电源的一极相连，使液态金属与另一极相连，起燃电弧，从而在操作过程中在由所说主电极和所说反电极构成的双轨结构中产生洛仑兹力，使得在所说主电极与反电极之间形成的等离子体弧沿所说第二边缘区中一条第一方向的封闭路径不间断地移动，并穿过所说的每个第二边缘区间隙段；

继续处理，直到液态金属完全凝固。

通过利用根据本发明形成的等离子体弧进行热处理而对液态金属的冷却和凝固状态的控制提高了凝固金属的质量。根据本发明，发现这种质量的提高是由于等离子体弧在新型等离子体发生器中产生的洛仑兹力作用下沿一条封闭路径位移而实现的。根据本发明还发现，由于采用了这种处理，避免了现有技术中存在的浇铸缺陷例如铸孔和砂眼的形成、分层、收缩气泡的形成和铸块中化学成份和晶体结构的不均匀。还发现，根据本发明减少了废金属量。还发现，由于采用了本发明的热处理方法，凝固金属的晶体结构得以改善，这很可能是由于产生洛仑兹力的电磁场的作用。

为了更好地理解，下面参照附图介绍本发明的一些具体实施例，但仅仅是一种示例性说明。在所说附图中：

图1为根据本发明构成的一种等离子体弧发生器的三维示意图；

图2A为根据本发明构成的一种电极的另一个实施例的侧视图，其中还示意性地表示了一个反电极；

图2B为图2A所示实施例的顶视图；

图3为根据本发明构成的等离子体弧发生器电极，以及反电极的又一个实施例的三维示意图；

图4为根据本发明构成的等离子体弧发生器电极的又一个实施例的三维示意图；

图5为根据本发明构成的非转移等离子体弧发生器的一个实施例的剖面示意图；

图6为根据本发明构成的可转移等离子体弧发生器的一个实施例的剖面示意图；

图7A为根据本发明构成的可转移等离子体弧发生器的另一个实施例的轴向剖面示意图；

图7B为图7A所示实施例的底视图；

图8为根据本发明构成的等离子体弧发生器中起燃装置的横截面放大视图；

图9为借助于根据本发明构成的等离子体弧发生器实现模具中液态金属的受控冷却和凝固的装置的全视图；和

图10表示经过本发明的循环等离子体弧处理和没有经过处理的铸块。

图1为根据本发明构成的等离子体弧发生器的一个实施例的透视图。如图所示，电极2包括一个具有纵向轴的圆柱体形主体，一个第一边缘3、一个用于形成电弧放电并且作为双轨结构的组成部分的第二、工作边缘4，其在工作中限定了一条封闭路径，电弧在装置中所产生的洛仑兹力作用下经由此路径移动。圆柱体形电极主体的侧壁5被一条贯通间隙6切开，该间隙基本上沿轴向延伸，它包括一个第一边缘区间隙段7、一个主间隙段8和一个第二边缘区间隙段9。如图所示，主间隙段8包含两个部分，在这两个部分之间形成了一个钝角。间隙6将壁5分隔成两个部分10和11。电极2在第一边缘3上包括一个与间隙相关的连接器接点12，其上安装了一个用于与直流电源的一极(未示出)相连的一个连接器13。但是，应当指出，该连接器接点并不需要位于第一边缘上，而可以位于管状主体的任何位置，但是可取的是位于距工作边缘4合理距离处，从而不受等离子体弧和基质烟雾的影响。图1中的虚箭头14表示所产生的电弧在工作中由于洛仑兹力作用而移动的方向，即所谓的第一方向。如上所述，为了实现这种移动，具有第二边缘4的电极2为所需双轨结构的一部分，反电极15构成另一部分。

第二边缘区间隙段9形成在一个电弧发射区域16和一个电弧接收区域17之间。接收区域17与连接器接点12位于相同的壁面区11上。

如所看到的，在这个实施例中，间隙6具有这样的形状，使得连接器接点12在电极2的第二边缘4上的投影19位于靠近电弧发射区域16处，并沿与上述第一方向相反的一个方向离开电弧接收区域17一定距离L。这个距离基本上不小于所产生的等离子体弧柱底部的最大直径。

当在电极2与反电极15之间起燃电弧时，它形成了一个跨接两个电极的导电等离子体。当两个电极构成一种双轨结构时，电流产生一个磁场，该磁场与电弧电流及其磁场相互作用，从而产生洛仑兹力，该洛仑兹力沿离开连接器接点12的投影19的方向，即虚箭头14所示的方向沿着第二边缘4驱动电弧柱。

根据本发明，等离子体弧的不间断移动的实现是由于在第二边缘间隙段9的每个交叉点，等离子体弧底部处于连接器接点12的一个电作用区的下游，即投影19的下游(相对于电弧沿箭头14所示方向的移动)。

图2A和图2B表示根据本发明构成的电极的另一个实施例，该电极包括一个长方体形管状主体20，它是用多个构成电极壁面区的分段21装配而成，各个分段之间由一组倾斜间隙22隔开。分段21的上边沿形成电极20的第一边缘，其下边沿形成电极的第二边缘27，于是每个壁面区21具有第一和第二边缘部分。每个电极壁面区21具有一个电连接器接点，其上安装有一个横向投影的连接器23，该接点位于壁面区21上接近其第一边缘的上部内侧区域。所有连接器23都借助于一个可以通过一条电流总线26与一个直流电源的一极相连的共用电流板25相互连接。每个与间隙相关连接器23相对于相应间隙22的位置，和位于第二边缘部分间隙段两侧的电弧发射区域和接收区域的位置，以及每个连接器接点在第二边缘部分上的投影的位置都与图1所示装置相似，尽管各个壁面区和间隙的形状和数量是不同的。如可以看到的，与一个特定电极主体壁面区21相关的各个连接器23在包含所说电极20的第二边缘27的一个平面上的投影落在相邻的电极分段上，靠近其等离子体弧转移区。在图2A和图2B中示意性表示了位于电极20的第二边缘27下面的一个反电极28。该反电极具有一个接线端29用于与直流电源(未示出)的相反极连接。当在电极20和28之间起燃电弧放电时，产生一个洛仑兹力，在这个力的作用下等离子体弧沿图2B中点划线箭头所示方向(第一方向)沿着管状主体的第二工作边缘27不间断地移动。

图3表示了根据本发明构成的电极的又一个实施例，其具有星形形状，包括一个基本呈管状的主体，该主体由多个形成一组壁面区31的截头三角形分段装配而成，各个分段由若干沿轴向延伸的间隙32分隔开。电极30的管状主体沿该轴向在一个第一(上部)边缘33和一个第二(下部)、工作边缘34之间延伸。截头三角形壁面区31分别具有一个第一壁部35，其上包括等离子体弧接收区域以及一个电连接器37，和一个第二壁部36，其包括等离子体弧发射区域。壁面区31的第一部分35与相关间隙32相近的边沿38在这里被称为近端边沿，相邻壁面区31的第二壁部36的相反边沿39在这里被称为远端边沿39。所有电极壁面区31的电连接器37都与一个共用电流板40相连，该电流板上配置有一条用于与直流电源(未示出)的一极相连的总线。在电极30下面，示意性表示了一个反电极42，其上具有一个接线端43，用于与直流电源(未示出)的相反极相连。

可以看到，电极壁面区31以这样的方式设置，连接器37在第二边缘34上的投影位于电弧沿所说第一方向移动的封闭路径的周边内，如虚箭头所示。此外，壁面区31的每个第一壁部35与相邻电极壁面区31的第二壁部36部分重叠，以形成所说间隙32。因此，具有相关连接器37的每个近端边沿38沿与所说第一方向相反的一个第二方向离开相邻的远端边沿39一定距离L。在本具体实施例中，这个间隙也是电弧接收区域与电连接器37的接点在第二边缘34上的投影之间的距离。(如所定义的，电弧发射区域和电弧接收区域形成在每个间隙32的两侧第二边缘区34中)。由于采用这种结构，每个电弧发射区域(看不到)将移动的电弧柱穿过第二边缘区间隙段发射到相邻的电弧接收区域，所说间隙段位于连接器37接点的下游，因此确保了电弧沿虚箭头所示第一方向的不间断移动。

图4示意性表示根据本发明构成的电极的又一个实施例44。与图3所示实施例相似，间隙沿轴向延伸，它们的第一边缘区间隙段、主间隙段和第二边缘区间隙段是准直的，此外连接器45在包含电极44的第二工作边缘46的一个平面P上的投影偏离等离子体弧在同一平面P上移动的封闭路径47。但是，与图3所示实施例不同的是，连接器45的投影落在路径47周边之外，各个壁面区48在间隙49附近不彼此重叠。与图3相似，连接器45在包含第二边缘46的平面P上的投影沿与等离子体弧移动方向相反的一个方向离开相应的等离子体弧发射区域一定距离L，从而确保等离子体弧在工作中沿其封闭路径不间断地移动。

图1至图4所示的所有电极实施例的设计目的都是为了提供等离子体发生器中不间断循环的等离子体弧放电。如上所述，第二边缘区间隙段的宽度可取的是不大于在电极上起燃的最窄的电弧柱的直径，距离L可取的是应当不小于在电极上产生的电弧的最宽的底部。本发明的电极结构使得可以用其作为相对较大的电极，而不需要水冷却和注入用于稳定等离子体放电的保护气体，并且至少可以输出大约50千瓦的功率。

图5和图6示意性，并且仅以示例的方式分别表示了根据本发明构成的非转移型和可转移型等离子体发生器。

首先参见图5，其以轴向剖面视图表示了等离子体发生器50的一个实施例，根据本发明，该发生器包括一个主管状电极51，其上具有一条倾斜贯通间隙52，并且具有电连接器53。该主电极51由带有一个盖55的一个导电圆柱体形外壳54同心地围绕着。应当指出，盖55是可有可无的。主电极51和外壳54与一个大电流直流电源56的两个相反电极相连，如本来已知的，用外壳54作为该装置的反电极。装置50还包括用于点燃辅助电弧放电的起燃装置。该起燃装置包括一个起燃电极58，如已知的，其由一个高压振荡器供电，和设置在外壳内壁上并且靠近主电极51的一个凸起物60，以便于点燃辅助电弧61，这个电弧在点燃时移动到主电极的下部边缘区。辅助电弧的垂直位移也是由于洛仑兹力引起的，在这种特定情况下由于存在载流的、由主电极51和外壳54构成的轨状结构而产生洛仑兹力。主电弧放电建立在主电极的下部边缘区和反电极54之间，并开始围绕管状电极51的下部边缘63循环，从而对基质64(例如，一块凝固的钢锭)进行热处理。

图6示意性表示了根据本发明构成的可转移等离子体弧发生器70的剖面视图。发生器的管状主电极71具有上述结构，并与直流电源的正极相连，相反的负极与导电基质73相连，所说基质73为待处理物，并用作反电极。电源72的负极还与同心地围绕着主电极71的一个圆柱体形外壳74相连。外壳74的内壁下部由一耐高温电绝缘层覆盖着，例如涂覆一层适合的涂层(未示出)。起燃电极75安装在主电极与外壳之间形成的环状空间中。当起燃电极75由一个高压振荡器76供电时，在主电极和起燃电极之间产生一个辅助电弧77，然后向下转移到主电极71的下部边缘区78。下部边缘区78以图示方式斜削，从而提供主电弧放电的所需形状和取向。斜削的边缘区78和外壳74经过涂覆的壁使得电弧79从边缘78跨越到表面73，而不是到外壳74。

图7A和图7B分别为根据本发明构成的可转移等离子体发生器的又一个实施例80的轴向剖面示意图和底视图。该发生器包括一个安装在一个圆柱体形外壳82中的管状主电极81，外壳82由一个盖83从上面封闭，后者是可有可无的。该发生器与一个直流电源84相连，电源84包括一个大电流源和一个高压振荡器(未示出)，用于为发生器的主电极和反电极以及起燃装置85供电。主电极81的纵轴垂直于待处理物，例如一个金属块的表面，该金属块作为反电极86。容纳主电极81的外壳82安装在距金属块表面距离W处以为等离子体放电提供一个工作空间。根据本发明构成的主电极81可以用石墨或用导电的、耐腐蚀耐熔金属制造。起燃装置85从盖83上伸出，位于形成在主电极81与外壳82之间的环形空间中。一个导电连接器93可拆卸地安装在盖83中，并与电源84的一端电连接，电源的另一端与主电极81相连，以向其提供电力。

图7A所示的间隙88从圆柱体形管状主电极81的第一(上部)边缘89向下延伸到主电极的第二(底部)边缘90，并且具有第一边缘区间隙段91、主间隙段和第二边缘区间隙段92。如图7A进一步所示的，间隙88包括两部分，一个平行于电极81的圆柱体形侧壁的母线的垂直部分，和一个倾斜部分，这两部分之间形成一个钝角。由于间隙88具有这种结构，第一边缘区间隙段91和第二边缘区间隙段92之间不在一条直线上，而是如图7B所示具有角偏移。电极81包括一个安装有一个电连接器93的电极区，该电连接器借助于一个绝缘套管安装在端盖83上，其在电极第一边缘89的接点靠近第一边缘区间隙段91。连接器93在第二边缘90上的投影位于第二边缘区间隙段92和第一边缘区间隙段91在第二边缘区90上的投影之间，在与循环虚线94中的箭头所示等离子体弧移动方向相反方向上距间隙段92距离L处。

图8表示根据本发明构成的一种等离子体弧发生器中的起燃装置，例如图7A标号85所示的起燃装置的一个实施例。起燃装置83可拆卸地安装在图7A和图7B所示盖83中，从而在主电极81和外壳82的侧壁之间延伸。但是，起燃装置也可以设置在其它位置。在图8所示的实施例中，起燃装置85包括第一电极95、第二电极96和第三电极97，它们与电源84电连接，并固定在一个高压绝缘帽98中。电极95为细长杆状，其一部分同轴地包含在第二、管状电极96中，电极95与电极96呈分隔关系，从而在它们之间形成一个环状空间99。第三电极为水平棒状电极97，其安装在管状电极96的上部边缘附近，内端接近电极95。电极97基本上垂直于电极95和电极96，并与高压振荡器(未示出)电连接。

如果管状电极96的上部区域形成有一个内边沿100，从而在电极95与电极96之间施加高压振荡电压的区域限定一个专用窄间隙是比较可取的。

比较可取的是起燃装置85安装在远离工作空间W处，因为这样其工作不会受到工作空间中高热和高腐蚀性气体的明显影响。在实际装配时，推荐将起燃装置构成一个模块，以便能够快速和方便地维护和更换。

图7A、7B和图8所示的等离子体弧发生器以下述方式工作。接通电源，在主电极81与金属表面86之间、主电极81与外壳82之间工作空间内、以及起燃装置85的电极95和96之间的环形空间99内同时施加大约170伏特的工作电压。然后，接通高压振荡器，从而提供足以在电极97与边沿100之间产生放电，以及在边沿100与电极95之间产生放电的振荡高压。在这种电弧放电之后在同轴设置的电极95和96之间的间隙中形成辅助等离子体弧。等离子体弧借助于提供在圆柱体形外壳82与主电极81的各个平行表面之间的轨道加速作用沿主电极81的侧壁向下移动，并以大约40米/秒的速度向主电极81的第二边缘推进。起燃步骤所需的总时间不超过0.002秒。在由起燃放电产生的辅助等离子体弧到达第二边缘90之后，它在主电极的第二边缘90与待处理金属表面86之间获得主等离子体弧放电101的形状，该主等离子体弧在工作空间W中转动。

图9示意性表示根据本发明构成的等离子体发生器如何用于对铸模中正在凝固的液态金属进行热处理。

图9所示的配置包括一个铸模120，它具有一个带浇注门121的底部浇注机构。液态金属122从一个浇包(未示出)注入浇注门系统121的漏斗124中，通过其底部进入铸模120，填充到由一个传感器125控制的液位。在模具120的上部附近，设置了一个等离子体弧发生器126，该发生器包括一个根据本发明构成的主电极127，发生器固定在一个支架128中，支架128具有安装在轨道129上的滑轮135，因此能够在不与模具120对准的一个静止位置和一个与模具对准的工作位置之间来回移动。还包括能够提升和降落发生器126的装置(未示出)。该等离子体弧发生器126包括一个主电源130、一个高压振荡器131和一个用于控制发生器126移动到工作位置和从工作位置移开以及其在工作过程中的操作的控制面板132。为此，控制面板132装设有能够以手动方式或者根据预先编程的方案工作的适合的电控制装置(未示出)。

由适合的电缆构成的总线133提供电源130、131经由控制面板132与等离子体发生器126、经由连接器134与液态金属122、以及机构135和传感器125的电连接。

在实践中，将等离子体发生器126送入铸模120上面的工作位置，将液态金属注入模具中由传感器125控制的某一液位，该液位限定了模具中液态金属122与主电极127的第二(底部)边缘之间的工作空间的宽度W。如果工作电压在60至80伏特范围内，则这个宽度总是保持在8至10毫米之间。对于高于80伏特的工作电压，这个宽度增大，例如在170伏特时，这个宽度为25毫米。在将工作空间调整到所需宽度之后，接通电源130和高压振荡器131，从而起燃辅助电弧放电，并维持该放电直到点燃主等离子体弧放电和对金属表面的热处理开始。高压振荡器一直保持接通状态，直到主电弧放电建立起来为止，这是利用对应于具体应用所需功率的电流值来指示的。例如，在170伏特电压下，可以达到300安培的主电弧放电电流，这能够产生50千瓦的功率。对于质量约为20千克的铸模主电极127的高度近似为40-60毫米。

主电弧放电的持续时间，即进行热处理所需时间可以利用一个适合的定时器(未示出)进行控制。在实践中这种定时器应当适合于在模具中的铸块凝固过程中电源的连续或周期性起动。

在热处理结束之后，关闭等离子体弧发生器，并将其移出工作位置，待进一步冷却后可以将冷却的铸块从模具中取出。

应当指出，由于根据本发明实现了主电弧放电的稳定循环，有可能在改变工作空间宽度的同时进行所需的热处理。因此，如果需要的话，等离子体发生器可以装配有用于使主电极127在外壳126中垂直地上下移动的装置(未示出)，从而调整工作空间W的宽度(图7A)。这种垂直移动可以利用监测模具中液态金属液位的传感器125进行连续控制，于是确保了根据金属收缩情况降低电极127的位置，从而提高了为消除铸块中缺陷而进行的处理的质量，减少了废金属的数量。

根据本发明进行热处理的结果表示在图10中，该图表示了已经固化的两个铝合金A332.0铸块(a)和(b)的照片，其中(a)没有经过处理，(b)采用本发明的循环等离子体弧技术进行了处理。铸块的质量为7.2千克。现有技术的铸块(a)的上部带有气泡，所以使用者必须切除铸块上较厚的一层。相反，在冷却过程中采用本发明的等离子体弧处理50秒长时间的铸块(b)具有平滑的上表面，由于其具有所需的精确尺寸，所以不需要进行任何其它的处理。

Claims (24)

1、一种等离子体弧发生器电极(2、20、30、44)，其与一个反电极(15、28、42、54、73、86、122)一起构成一种双轨结构，这种双轨结构能够产生可沿第一方向(14)的一条封闭路径移动的等离子体弧放电，所述的等离子体弧发生器电极具有用于与一个直流电源(56、72、84)相连的电连接器(13、23、37、45、53、93)，并且包括一个基本为管状的主体，该主体具有形成第一边缘区部分的第一边缘(3、24、33、89)，和形成第二边缘区部分的、用于产生电弧放电的第二工作边缘(4、27、34、46、63、78、90)，在该电极中：

(i)所说电连接器包括位于电极上的至少一个连接器接点(12)；

(ii)所说管状主体具有至少一条纵向延伸的间隙(6、22、32、49、52、88)，该间隙包括一个第一边缘区间隙段(7、91)、一个主间隙段(8)和一个第二边缘区间隙段(9、92)，每一间隙在横向上位于两个壁面区之间(10与11、21与21、31与31、48与48)，每个壁面区分别包含第一和第二边缘区，所说壁面区(11、21、31、48)之一具有与该间隙相关的一个连接器接点；

(iii)所说壁面区之一的第二边缘区具有一个等离子体弧发射区域(16、36)，另一个具有所说连接器接点的壁面区的第二边缘区包括一个等离子体弧接收区域(17、35)，所说等离子体弧发射区域和接收区域由所说纵向延伸间隙的第二边缘区间隙段分开并以其为边界，从而构成所说间隙段的两侧；

(iv)所说与间隙相关的连接器接点的位置这样设置，使得其在第二边缘区上的投影从所说等离子体弧接收区域沿与所说第一方向相反的第二方向横向偏移，

从而在工作过程中在所说双轨结构中产生洛仑兹力，使得形成在所说等离子体弧发生器电极和反电极之间的等离子体弧沿所说第二边缘区中第一方向的一条封闭路径不间断地移动，并穿过所说的每个第二边缘区间隙段。

2、如权利要求1所述的电极，其特征在于每个第二边缘区间隙段(9、92)的宽度基本上不宽于实际的等离子体弧柱的最小直径；所说与间隙相关的连接器接点在第二边缘区上的投影与所说电弧接收区域之间的距离(L)基本上不小于实际的等离子体弧柱底部的最大直径。

3、如权利要求1或2所述的电极，其特征在于所说等离子体弧电极(2、51、71、81)的管状主体具有一条间隙(6、52、88)，所说的两个壁面区从间隙的一侧延伸到另一侧交汇成一体。

4、如权利要求1或2所述的电极，其特征在于所说管状主体具有多条间隙(22、32、49)和多个壁面区(21、31、48)，每个壁面区在两条间隙之间延伸。

5、如权利要求1所述的电极，其特征在于所说的至少一条纵向延伸的间隙(6、22、52、88)、所说第一和第二边缘区间隙段(7和9、91和92)不是准直的。

6、如权利要求5所述的电极，其特征在于所说主间隙段(8、52、88)包括两个部分，这两个部分之间形成一个钝角。

7、如权利要求5所述的电极，其特征在于所说的至少一条纵向延伸的间隙(22)是倾斜的。

8、如权利要求1所述的电极，其特征在于每个与间隙相关的连接器接点位于第一边缘区(3、24、33、89)或在其附近。

9、如权利要求1所述的电极，其特征在于所说第二边缘区(4、27、34、46、63、78、90)是斜削的。

10、如权利要求1所述的电极，其特征在于所说至少一条纵向延伸间隙(6、22、52、88)的主间隙段具有这样的形状，使得所说与间隙相关的连接器接点在第二边缘区上的投影位于包含电弧发射区域(16、87)的壁面区中。

11、如权利要求1所述的电极，其特征在于所说管状主体的壁面区(31、48)具有这样的结构，使得各个与间隙相关的连接器接点在第二边缘区上的投影位于偏离所说封闭路径之处。

12、如权利要求11所述的电极，其特征在于所说管状主体的壁面区(31)具有这样的结构，使得每个与间隙相关的连接器接点在第二边缘区上的投影位于所说封闭路径周边以内。

13、如权利要求11所述的电极，其特征在于所说管状主体的壁面区(48)具有这样的结构，使得每个与间隙相关的连接器接点在第二边缘区上的投影位于所说封闭路径周边以外。

14、如权利要求1所述的电极，其特征在于管状主体的壁面区(31)具有这样的结构，使得至少每个第二边缘区间隙段是由包含所说等离子体弧发射区域(36)和接收区域(35)的相邻壁面区之间的重叠形成的。

15、如权利要求1所述的电极，其特征在于所说管状主体(30)具有星形多面体形状，由多个截头三角形模块分段装配而成，每个分段构成一个壁面区(31)，并且在间隙附近部分重叠。

16、包括如权利要求1至15中任何一项所述电极的一种等离子体弧发生器(50、70、80、126)。

17、如权利要求16所述的一种可转移等离子体弧发生器(70、80、126)，其特征在于所说等离子体弧发生器电极(71、81、127)能够与用作反电极的导电基质相配合，该反电极与所说等离子体弧发生器电极共同构成双轨结构。

18、如权利要求17所述的发生器，它包括围绕所说等离子体弧发生器电极的一个圆柱体形外壳(74、82)，该外壳与电极隔开，从而与其形成一个环形腔。

19、如权利要求18所述的发生器，它包括从接近电极第一边缘的一端封闭所说外壳的一个顶盖(83)。

20、如权利要求18所述的发生器，它包括安装在所说电极与所说外壳之间环形空间中的起燃装置(75、85)。

21、如权利要求20所述的发生器，其特征在于所说起燃装置安装在所说第一边缘附近。

22、如权利要求16至21中任何一项所述的发生器，它包括用于使等离子体弧发生电极沿轴向移动的装置(132)。

23、对模具中正在凝固的液态金属进行热处理的一种方法，它包括以下步骤：提供一个可转移等离子体弧发生器(70、80、126)，该发生器具有一个主电极(2、20、30、44、71、81、127)，其与用作反电极的导电基质(73、86、122)相配合，所说主电极与所说导电基质一起构成一种双轨结构，这种结构能够产生可沿第一方向(14)的一条封闭路径移动的等离子体弧放电，该主电极具有用于与一个直流电源(56、72、84、130)相连的电连接器(13、23、37、45、93)，并且包括一个基本为管状的主体，该主体具有构成第一边缘区部分的第一边缘(3、24、33、89)、和构成第二边缘区部分、并用于形成电弧放电的第二、工作边缘(4、27、34、46、78、90)，在所说电极中：

(i)所说电连接器包括位于电极上的至少一个连接器接点(12)；

(ii)所说管状主体具有至少一条纵向延伸的间隙(6、22、32、49、88)，该间隙包括一个第一边缘区间隙段(7、91)、一个主间隙段(8)和一个第二边缘区间隙段(9、92)，每一间隙在横向上位于在两个壁面区(10与11、21与21、31与31、48与48)之间，每个壁面区分别包含第一和第二边缘区，所说壁面区(11、21、31、48)之一具有与该间隙相关的一个连接器接点；

(iii)所说壁面区之一的第二边缘区具有一个等离子体弧发射区域(16、36)，另一个具有所说连接器接点的壁面区的第二边缘区包括一个等离子体弧接收区域(17、35)，所说等离子体弧发射区域和接收区域由所说纵向延伸间隙的第二边缘区间隙段分开并以其为边界，从而构成所说间隙段的两侧；

(iv)所说与间隙相关的连接器接点的位置这样设置，使得其在第二边缘区上的投影从所说等离子体弧接收区域沿与所说第一方向相反的第二方向横向偏移，

安装所说的等离子体弧发生器，使得所说第二边缘位于液态金属(122)表面附近适合的选定距离处，将所说的主电极与电源(130)的一极相连，使液态金属与另一极相连，起燃电弧，从而在操作过程中在由所说主电极和所说反电极构成的双轨结构中产生洛仑兹力，使得在所说主电极与反电极之间形成的等离子体弧沿所说第二边缘区中一条第一方向的封闭路径不间断地移动，并穿过所说的每个第二边缘区间隙段；

继续处理，直到液态金属完全凝固。

24、如权利要求23所述的方法，它包括降低所说等离子体弧发生电极(127)位置，从而保持所说第二边缘与模具中金属(122)表面之间的距离不变。

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