ES2292180T3 - Electrodo para generadores de plasma, generador que comprende al mismo y procedimiento para el tratamiento de solidificacion de metales liquidos. - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE AL ELECTRODO PRINCIPAL PARA UN GENERADOR DE PLASMA DE ARCO ELECTRICO, AL GENERADOR QUE LO INCLUYE Y A UN PROCEDIMIENTO PARA EL TRATAMIENTO DEL METAL LIQUIDO DURANTE SU SOLIDIFICACION EN EL GENERADOR INDICADO. EL ELECTRODO PRINCIPAL, JUNTO CON EL CONTRAELECTRODO, PROPORCIONA UNA ESTRUCTURA CON DOS GUIAS QUE PRODUCE UN PLASMA POR DESCARGA DE ARCO QUE SE DESPLAZA ININTERRUMPIDAMENTE A LO LARGO DE UN CAMINO CERRADO. EL MOVIMIENTO CONTINUO DE LA DESCARGA SE LOGRA MEDIANTE UN DISEÑO ESPECIAL DEL ELECTRODO PRINCIPAL. EL ELECTRODO COMPRENDE UN CUERPO BASICAMENTE TUBULAR CON UNA PRIMERA REBORDE NORMALMENTE CONECTADO A UNA FUENTE DE CORRIENTE CONTINUA POR MEDIO DE UN CONECTOR, Y UN SEGUNDO REBORDE DE TRABAJO QUE SE UTILIZA PARA LA DESCARGA DEL ARCO ELECTRICO. EL CUERPO TUBULAR ESTA DIVIDIDO AL MENOS POR UNA RANURA ASOCIADA AL LADO DEL CONECTOR Y QUE SE EXTIENDE ENTRE LOS DOS REBORDES, DE FORMA QUE EN LA REGION DEL SEGUNDO CONSTITUYE UNA SEGUNDA RANURA. LOS DOS COSTADOS DE LA SEGUNDA RANURA CONSTITUYEN RESPECTIVAMENTE LAS ZONAS DE EMISION Y RECEPCION DEL ARCO. LAS POSICIONES MUTUAS DE ESTAS DOS ZONAS Y DEL LADO DEL CONECTOR ASOCIADO SON TALES QUE CUANDO SE CREA LA COLUMNA DEL ARCO Y SE DESPLAZA A LO LARGO DEL SEGUNDO REBORDE, SE TRANSMITIRA SIEMPRE DESDE LA ZONA DE EMISION A LA ZONA DE RECEPCION EN UNA POSICION SITUADA POR DELANTE DE LA PROYECCION DEL LADO DEL CONECTOR ASOCIADO AL SEGUNDO REBORDE (SEGUN LA DIRECCION DEL MOVIMIENTO DEL PLASMA). DEBIDO A ESTA DISPOSICION, LA COLUMNA DEL ARCO CRUZARA ININTERRUMPIDAMENTE LA RANURA DEL SEGUNDO REBORDE.

Description

Electrodo para generadores de plasma, generador que comprende al mismo y procedimiento para el tratamiento de solidificación de metales líquidos.

Campo de la invención

La presente invención se relaciona con generadores de arco de plasma de ambos tipos transferible y no transferible, y de manera más específica, con aparatos de plasma del tipo que genera un arco de plasma que circula en una trayectoria cerrada. La invención se relaciona además con un electrodo para utilizarse en los generadores de plasma del tipo especificado.

Los generadores de arco de plasma son útiles para el tratamiento térmico de varios objetos en numerosos procedimientos tecnológicos, por ejemplo en los procedimientos metalúrgicos para la llamada refusión con plasma, moldeo con plasma, limpieza con plasma, etc. En uno de sus aspectos, la invención se relaciona con un procedimiento para calentar con un arco de plasma circulante un metal líquido que se enfría y cristaliza dentro de un molde, con el objeto de eliminar los defectos de moldeo típicos, tales como la formación de burbujas y porosidad, segregación, formación de cavidades de contracción, falta de homogeneidad de la composición química y estructura cristalina a través del lingote, etc.

Antecedentes de la invención

Los generadores de plasma que incluyen sopletes de arco de plasma son conocidos en la técnica, y las descripciones generales de su diseño y de su uso para varias aplicaciones metalúrgicas, pueden encontrarse en numerosas monografías o manuales técnicos, por ejemplo el capítulo "Plasma Melting and Casting" en Metals Handbook, Novena Edición, Vol. 15, Metals Park, Ohio, y la monografía "Plasma Metallurgy, The Principies" por V. Dembovsky, Elsevier, 1985, p. 314-315.

Básicamente, los generadores de plasma pueden dividirse en dos grupos: aquellos en los cuales tanto el cátodo como al ánodo forman parte del aparato, los cuales se conocen como generadores de plasma con arcos no transferibles o generadores de arco de plasma no transferible; y aquellos que incluyen únicamente un electrodo, mientras que el contraelectrodo es un sustrato conductor de electricidad, los cuales se conocen como generadores de plasma con arcos transferibles o generadores de arco de plasma transferible.

El documento GB 1268843 describe un generador de arco de plasma no transferible que comprende un cátodo enfriado por agua y dos ánodos anulares, uno para la ignición y el otro para la operación regular, conectado a una fuente de energía. La punta de cátodo es protegida por la inyección de un gas inerte tal como el argón, helio o nitrógeno.

El documento US-A-4,958,057 describe un generador de arco de plasma transferible típico que puede utilizarse para calentar metal en un procedimiento de moldeo continuo. Éste comprende un miembro de sujeción de cátodo cilíndrico con disposiciones de enfriamiento con agua, un ánodo de ignición y un cátodo en forma de anillo, que tiene un canal interno para la inyección de un gas protector inerte. Se efectúa una descarga eléctrica entre el cátodo y el sustrato a ser tratado, el cual es colocado como el ánodo.

Una desventaja intrínseca de los generadores de plasma convencionales de ambos tipos no transferible y transferible es, que para el funcionamiento apropiado se requiere la inyección de un gas protector o enfriamiento con agua. En donde se emplea el enfriamiento con gas, se utilizan los llamados sopletes de plasma los cuales comprenden una boquilla liberadora de plasma. La inyección de un gas inerte presurizado en el soplete está asociada con la formación de un chorro de plasma alargado inyectado a alta velocidad desde la boquilla liberadora de plasma, el cual en el caso del tratamiento de un metal colado que se encuentra solidificando hace que se ejerza una presión localizada sobre la superficie del metal que se encuentra aún solidificando, conduciendo a la formación de grandes cavidades durante el enfriamiento.

La presencia de agua de enfriamiento es peligrosa debido a que cualquier fuga de agua que alcance al metal líquido caliente puede causar una explosión.

Existen también generadores de plasma conocidos en los cuales un arco de plasma se desplaza de manera controlada con respecto a un sustrato tratado en una forma abierta, por ejemplo recta, o cerrada, por ejemplo circular a lo largo de un electrodo de forma correspondiente. Tal desplazamiento del arco evita el sobrecalentamiento, proporciona un tratamiento más uniforme del sustrato y reduce la erosión de los electrodos, prolongando por lo tanto el periodo de vida del aparato. De este modo el documento US 5,132,511 describe un soplete de plasma no transferible que tiene dos electrodos tubulares coaxiales separados axialmente entre sí y provistos de una bobina electromagnética para hacer girar el arco. La bobina se encuentra montada en una cámara cilíndrica sellada colocada entre los dos
electrodos.

El documento US 5,393,954 describe un soplete de plasma no transferible, el cual comprende dos electrodos tubulares coaxiales al menos uno de los cuales está rodeado por un campo magnético asociado con medios electrónicos de control, por lo que el pie del arco de plasma es desplazado en una forma controlada. Cuando un gas generador de plasma es inyectado en la cámara que separa los electrodos, se hace saltar un arco.

Se sabe que el arco de un generador de plasma puede ser desplazado por la acción de una fuerza ponderomotriz conocida como fuerza de Lorentz. Una fuerza de Lorentz surge cuando una carga eléctrica se mueve en un campo magnético y es proporcional a la inducción magnética del campo, la carga eléctrica, su velocidad y también depende del ángulo entre los vectores de inducción magnética y la velocidad de la carga en movimiento. Se sabe que una fuerza de Lorentz se crea en un generador de plasma como resultado de la interacción entre el arco (que es una descarga eléctrica e intensiva), su campo magnético, y el campo magnético creado en el generador por la corriente eléctrica que fluye a través de los electrodos. Cuando los electrodos forman una estructura llamada de dos carriles, la fuerza de Lorentz acelera y desplaza el arco eléctrico.

La expresión "estructura de dos carriles" utilizada aquí con referencia a los electrodos en los generadores de plasma deberá comprenderse que significa dos objetos (llamados carriles) paralelos, conductores de corrientes, separados entre sí, y conectados cada uno a uno de los polos de una fuente de energía eléctrica. Cuando se inicia un arco eléctrico entre los electrodos, este se mueve a lo largo de los carriles lejos del sitio de contacto eléctrico de los mismos con la fuente de energía.

De acuerdo con la terminología de la técnica anterior los generadores de arco de plasma en los cuales la descarga del arco es acelerada por una fuerza ponderomotriz dentro de un espacio entre dos electrodos paralelos también llamados algunas veces aceleradores de carril electromagnético o aceleradores de plasma con geometría de carril.

El fenómeno, mediante el cual la fuerza de Lorentz acelera y desplaza el arco de plasma en un generador de arco de plasma con una estructura de dos carriles, es conocido como el principio de aceleración electromagnética. Esto se menciona en la bibliografía con referencia a aceleradores de plasma o generadores hidrodinámicos magnéticos, por ejemplo en "Impulse Plasma Accelerators", por Alexandrov et al., Charkov, 1983, pp. 192, 194 y en "Electroslag Welding and Meltings", por J. Kompan y E. Sherbinin, Machinostroenie, 1989, pp. 191/192. Una aplicación específica de la fuerza de Lorentz se describe en "Scaling Laws for Plasma Armatures in Railguns", por Lindsey D. Tomhill y Otros, Transactions of Plasma Science, Vol. 21, No. 3, Junio de 1993, 289-290.

Un ejemplo de un generador de arco de plasma no transferible con aceleración de carril magnético se describe en el documento SU 890567. En ese generador, los electrodos están en forma de dos tubos elípticos coaxiales y el espacio entre los electrodos alberga un material dieléctrico. Una pared de cada uno de los tubos está ranurada axialmente, de modo que la ranura en un tubo encara una porción de pared no ranurada del otro tubo. Adyacente a cada una de las ranuras se encuentra un contacto eléctrico y de esta manera se logra una estructura de dos carriles. Para la circulación no interrumpida del arco de plasma, éste debe ser capaz de cruzar las ranuras y hasta este punto el ancho de cada ranura debe ser menor que el espesor de la ranura. Sin embargo, cuando cruza cualquiera de las ranuras el arco arriba exactamente a la zona de contacto eléctrico adyacente, en donde la dirección de su movimiento adicional es indefinida, y en consecuencia la velocidad a la cual el arco se mueve cerca de la ranura se reduce y la descarga es incluso, ocasionalmente, interrumpida lo cual es una desventaja obvia.

El documento SU 847533 describe un generador de arco, de plasma transferible para tratar un sustrato eléctricamente conductor. Este comprende un electrodo principal que forma parte del generador y el sustrato eléctricamente conductor se coloca como el contraelectrodo. El electrodo principal está en forma de un cuerpo longitudinal hueco, enrollado en hélice, que tiene una bobina cuyos extremos parcialmente superpuestos se desplazan angularmente en relación mutua para formar un espacio entre ellos. El molde de un extremo del cuerpo helicoidal se encuentra colocado cerca del sustrato (borde proximal) y está conectado a un polo de una fuente de energía eléctrica por medios de conexión que se encuentran localizados cerca de tal espacio. La configuración helicoidal del electrodo, cumple con la siguiente ecuación:

Y - K(X)^{32}

en la cual Y es el paso de la hélice, K es un coeficiente de proporcionalidad y X es la distancia lineal a lo largo de la circunferencia de la hélice entre los medios de conexión y el extremo de la hélice. El cumplimiento de la ecuación agregada asegura la aceleración del arco a lo largo del electrodo helicoidal.

Sin embargo, el uso de un electrodo cuya configuración satisface las estipulaciones de la relación anterior está asociado con numerosos inconvenientes:

(a) la manufactura de un electrodo helicoidal de grafito o tungsteno o algún otro material utilizado de manera convencional para fabricar electrodos para generadores de arcos de plasma, es difícil y cara;

(b) debido al incremento exponencial de Y en función de X, la corriente de plasma fluctúa y en consecuencia, en la práctica, un generador de arco de plasma de acuerdo con el documento SU 847533 es capaz de operar confiablemente sin medios auxiliares únicamente hasta un diámetro de la hélice no mayor de 6 cm., aunque a diámetros mayores pueden ocurrir interrupciones del arco de plasma. Para evitar tales interrupciones, la descarga del arco de plasma debe ser reiniciada en cada ciclo por medio de un oscilador de alto voltaje;

(c) puesto que el plasma se acelera de forma no uniforme a lo largo del borde del electrodo proximal helicoidal, el electrodo se calienta en una forma no uniforme, lo cual requiere un sistema de enfriamiento de agua eficiente y confiable con la instrumentación apropiada para el control más efectivo de la temperatura y presión del agua. Todo esto hace que el generador de plasma sea caro y hace imposible sus aplicaciones para misiones en donde el uso de agua de enfriamiento es indeseable debido a las consecuencias peligrosas de cualquier fuga.

Objetos de la invención

Un objeto de la presente invención es proporcionar un electrodo simple y barato para un generador de arco de plasma, adaptado para generar un arco de plasma autoestabilizado, que circule continuamente, sin necesidad de un tipo de enfriamiento con agua o inyección de un gas protector y que, al menos hasta una salida de aproximadamente 50 kw pueda operar en periodos de tiempo considerables.

Otro objeto de la invención es proporcionar un generador de plasma que incluye el electrodo novedoso.

Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un generador de plasma del tipo de arco transferible del tipo especificado, adecuado para el tratamiento térmico de metal líquido que se encuentra aún solidificando en moldes.

Otro objeto adicional más de la presente invención es proporcionar un procedimiento mejorado para el tratamiento térmico de un metal líquido que se encuentra aún solidificando, en moldes con un arco de plasma en circulación.

Descripción general de la invención

En la siguiente descripción y las reivindicaciones los términos "longitudinal" y "longitudinalmente" se utilizan en relación con un electrodo generador de un arco de plasma con un cuerpo tubular con dos bordes terminales, para describir cualquier trayectoria o dirección a lo largo de la pared del cuerpo tubular que conduce desde un borde al otro; y los términos "lateral" y "lateralmente" significan una dirección que intercepta una línea longitudinal.

En uno de sus aspectos, la invención proporciona un electrodo generador de un arco de plasma, el cual en asociación con un contraelectrodo proporciona una estructura de dos carriles capaz de generar una descarga de arco de plasma desplazable a lo largo de una trayectoria cerrada en una primera dirección, cuyo electrodo tiene medios de conectador eléctricos para conectarse a una fuente de c.c. de suministro de energía eléctrica y comprende un cuerpo esencialmente tubular con una primera parte de formación de borde de una primera región de borde, y una segunda parte de formación de borde de trabajo de una segunda región de borde y que sirve para la descarga del arco eléctrico, en cuyo
electrodo:

(i) los medios de conectador eléctrico incluyen al menos un sitio de conectador en el electrodo;

(ii) dicho cuerpo tubular, tiene al menos un espacio que se extiende longitudinalmente con una extensión del espacio de la primera región de borde, una extensión de espacio principal y una extensión del espacio de la segunda región de borde cada uno de cuyos espacios se divide lateralmente entre dos sectores de pared, cada uno de los cuales tiene primera y segunda porciones de borde, uno de los sectores de pared contiene un sitio de conexión asociado con el espacio;

(iii) la segunda porción del borde de uno de tales sectores de pared tiene una zona que transmite el arco de plasma, y la segunda porción de borde del otro sector de pared que contiene el sitio de conectador tiene una zona que recibe el arco de plasma, cuyas zonas transmisoras y receptoras del arco de plasma están separadas por y limitan con la extensión del espacio de la segunda región de borde del citado espacio que se extiende longitudinalmente, formando de este modo los dos lados de dicha extensión del espacio;

(iv) dicho sitio de conectador asociado con el espacio se localiza de modo que su proyección sobre una segunda porción de borde es removida lateralmente de dicha zona que recibe el arco de plasma en una segunda dirección que es opuesta a la primera dirección, por lo que en operación se genera una fuerza de Lorentz en dicha estructura de dos carriles haciendo que el arco de plasma formado entre dicho electrodo generador del arco de plasma y el contraelectrodo se muevan ininterrumpidamente en una trayectoria cerrada en la primera dirección a lo largo de dicha segunda región de borde y a través de cada una de dichas extensiones del espacio de la segunda región de
borde.

El cuerpo esencialmente tubular de un electrodo generador de plasma de acuerdo a la invención puede ser cilíndrico, prismático, poliédrico con un perfil en forma de estrella y similar.

De acuerdo con una modalidad de la invención, dicho cuerpo tubular tiene un solo espacio y dos sectores de pared unidos en un solo cuerpo que se extiende desde un lado del espacio a otro. De este modo, de acuerdo con esta modalidad el electrodo tiene un solo cuerpo tubular ranurado.

De acuerdo con otra modalidad de la invención, dicho cuerpo tubular tiene varios espacios y varios sectores de pared, extendiéndose cada sector de pared entre dos espacios.

La porción de un arco de plasma que está en contacto con la segunda región de borde del electrodo generador se conoce en la técnica como "pie". En la operación de un electrodo generador de arco de plasma de acuerdo a la invención el pie del arco de plasma se mueve en una trayectoria cerrada a lo largo de la segunda región de borde.

De acuerdo con una modalidad preferida de un electrodo generador de arco de plasma de acuerdo a la invención, cada extensión del espacio de la segunda región de borde está dimensionada para no ser esencialmente más ancha que el diámetro más pequeño de la columna del arco real; y la distancia entre dicha proyección del sitio de conectador asociado con el espacio hasta una segunda porción de borde y dicha zona que recibe el arco eléctrico no sea, esencialmente, más pequeña que el diámetro más grande del pie de la columna de arco de plasma real.

Debe notarse que el diámetro de la columna del arco y el diámetro del pie del arco son valores determinables visualmente, los cuales pueden ser medidos experimentalmente. Los valores de los diámetros de columna del arco más pequeño y más grande pueden calcularse además a partir de los valores de las corrientes de arco más grande y más pequeña, con la ayuda de ecuaciones conocidas por los expertos en la técnica. Por ejemplo, en un ambiente gaseoso a presión atmosférica, y con una corriente de arco de aproximadamente 300 A, el diámetro de la columna del arco en un electrodo sólido alcanzará aproximadamente 5 cm, y el diámetro del pie del arco está usualmente dentro del intervalo de 3 a 5 mm.

El significado de las disposiciones anteriores es que la columna de arco más estrecha posible iniciado en el dispositivo deberá ser capaz de cruzar un espacio, y el pie más ancho del arco no deberá superponerse a una zona subyacente a un sitio de conectador mientras cruza la extensión del espacio de una segunda región de borde, sino que se debe mover a través de la zona que recibe el arco eléctrico que está removida lateralmente del sitio de conectador en la forma especificada, por lo que se asegura el movimiento interrumpido del arco eléctrico.

De manera preferible los sitios de conectador se encuentran colocados próximos a la primera región de borde.

Si se desea, la segunda región de borde del electrodo puede ser biselada, por lo que la superficie para la descarga eléctrica se incrementa y se desvía de la normal al eje del cuerpo tubular, permitiendo por lo tanto controlar la orientación de arco.

De acuerdo con una modalidad de un electrodo generador de arco de plasma de acuerdo a la invención, la extensión principal de dicho espacio que se extiende longitudinalmente está formada de modo que la proyección de dicho sitio, de conectador asociado con el espacio en una segunda porción de borde se localiza en el sector de pared que alberga la zona que transmite el arco eléctrico.

De acuerdo a una modalidad de la invención, los sectores de dicho cuerpo tubular están diseñados de modo que la proyección de cada sitio de conectador asociado con el espacio en una segunda porción de borde se localiza fuera de la trayectoria cerrada, ya sea dentro o fuera del perímetro de tal trayectoria cerrada.

Si se desea, los sectores de pared del electrodo generador de arco de plasma de acuerdo con la invención pueden ser diseñados de modo que al menos la extensión de la segunda región de borde de cada espacio esté formada por una superposición entre porciones de sector de pared adyacentes que comprenden dichas zonas que transmiten y reciben el arco de plasma. En tal configuración, el área de sección transversal del electrodo se incrementa más allá de un cuerpo tubular cilíndrico cuyo perímetro es definido por los sitios de conectador en el primer borde. Por ejemplo, el cuerpo tubular del electrodo puede tener una forma poliédrica similar a la de una estrella y montarse a partir de una pluralidad de segmentos de cuerpo modulares parcialmente superpuestos cerca de sus bordes.

Cuando se activa, un electrodo generador de plasma de acuerdo con la invención, por ejemplo de grafito o metal refractario es capaz de generar una descarga de arco de plasma con una potencia de hasta 50 kW, sin necesidad de enfriamiento con agua. Sin embargo, para los electrodos de acuerdo con la invención con una dimensión transversal que no exceda de 7 cm, pueden requerirse interrupciones en la operación.

De acuerdo a un segundo aspecto de la invención se proporciona un aparato generador de arco de plasma que comprende un electrodo del tipo especificado. El aparato generador de arco de plasma puede ser del tipo no transferible o transferible. Un aparto generador de arco de plasma no transferible de acuerdo a la invención puede ser utilizado para el tratamiento con plasma de sustratos no conductores tales como las materias primas para la industria de la construcción, desechos o cualquier otro material dieléctrico.

En una modalidad, la invención proporciona un electrodo generador de un arco de plasma transferible que comprende un electrodo generador de arco de plasma que coopera con un sustrato que conduce electricidad, que sirve como contra electrodo, cuyo electrodo generador de arco de plasma y cuyo contra electrodo forman, juntos, una estructura de dos carriles capaz de generar una descarga dé arco de plasma desplazable a lo largo de una trayectoria cerrada en un primera dirección, cuyo electrodo generador de arco de plasma tiene medios de conectador eléctricos para conectarse a una fuente de c.c. de suministro de energía eléctrica y comprende un cuerpo esencialmente tubular con una primera parte de formación de borde de una primera región de borde, y una segunda parte de formación de borde de trabajo de una segunda región de borde y que sirve para la descarga del arco eléctrico, en cuyo electrodo:

(i)

dichos medios de conectador eléctrico incluyen al menos un sitio de conectador en el electrodo;

(ii)

dicho cuerpo tubular tiene al menos un espacio que se extiende longitudinalmente con una extensión de espacio de la primera región de borde, una extensión de espacio principal y una extensión de espacio de la segunda región de borde, cada uno de cuyos espacios se divide lateralmente entre dos sectores de pared, cada uno de los cuales tiene primera y segunda porciones de borde, llevando uno de los sectores de pared un sitio de conectador asociado con el espacio;

(iii)

la segunda porción de borde de uno de tales sectores de pared tiene una zona que transmite el arco de plasma, y la segunda porción de borde del otro sector de pared que contiene dicho sitio de conexión tiene una zona que recibe el arco de plasma, cuyas zonas transmisoras y receptoras del arco de plasma están separadas por y limitan con la extensión del espacio de la segunda región de borde de dicho espacio que se extiende longitudinalmente formando de este modo los dos lados de dicha extensión del espacio;

(iv)

dicho sitio de conectador asociado con el espacio se localiza de modo que su proyección sobre una segunda porción de borde está retirada lateralmente de dicha zona que recibe el arco de plasma en una segunda dirección que es opuesta a dicha primera dirección, por lo que en operación se genera una fuerza de Lorentz en dicha estructura de dos carriles haciendo que el arco de plasma formado entre dicho electrodo generador del arco de plasma y el contraelectrodo se muevan ininterrumpidamente en una trayectoria cerrada en dicha primera dirección a lo largo de dicha segunda región de borde y a través de cada una de dichas extensiones de espacio de la segunda región de borde.

En la siguiente descripción, a un electrodo generador de un arco de plasma de acuerdo a la invención que forma parte de un aparato generador de arco de plasma se le llamará ocasionalmente "electrodo principal".

En una modalidad, el aparato generador de arco de plasma transferible de acuerdo con la invención comprende un alojamiento cilíndrico que rodea el electrodo principal y está separado del mismo para formar con él una cámara anular. Si se desea, puede proporcionarse una tapa para aislar el alojamiento del extremo proximal al primer borde del electrodo. Además, si se desea, pueden montarse medios de ignición para hacer soltar una descarga de arco de plasma dentro del espacio anular entre el alojamiento y el electrodo principal, cerca del primer borde, por lo que después de la ignición se genera un arco auxiliar el cual inicia el arco principal.

Típicamente los medios de ignición puede comprender un primer electrodo similar a una varilla contenido dentro de un segundo electrodo tubular, coaxial, en relación separadas cuyos primero y segundo electrodos pueden conectarse a los dos polos del suministro de energía eléctrica de c.c., estando un tercer electrodo en forma de barra montado sustancialmente normal a dicho segundo electrodo tubular en una parte de extremo del mismo, cuyo tercer electrodo puede ser conectado eléctricamente a un oscilador de alto voltaje. De manera preferible, tal porción extrema del tubo está formada con un resalto interno para definir un espacio estrecho entre los electrodos en forma de varilla y tubular en la región en donde es aplicado el alto voltaje de oscilación vía el tercer electrodo en forma de barra.

Merced a un diseño particular, los medios de ignición están asegurados a la tapa del alojamiento y se extienden axialmente hacia la región del segundo borde del electrodo principal.

De acuerdo con una modalidad preferida del aparato generador de arco de plasma transferible de acuerdo a la invención, se proporcionan medios para el desplazamiento axial del electrodo principal por lo que la distancia del segundo borde desde el sustrato puede ajustarse y optimizarse en el curso de la operación.

Una aplicación típica de un aparato generador de arco de plasma transferible de acuerdo a la invención es el tratamiento térmico de un metal líquido durante su solidificación en un molde adecuado tal como un molde para lingotes.

En consecuencia, como otro aspecto más de la invención se proporciona un procedimiento para el tratamiento térmico de un metal líquido que se encuentra solidificando dentro de un molde, que comprende proporcionar un aparato generador de arco de plasma transferible que tiene un electrodo principal que coopera con un sustrato conductor de electricidad que sirve como contraelectrodo, cuyo electrodo principal en asociación con dicho sustrato conductor de electricidad proporciona una estructura de dos carriles capaz de generar una descarga de arco de plasma desplazable a lo largo de una trayectoria cerrada en una primera dirección, cuyo electrodo principal tiene medios de conectador eléctrico para conectarse a una fuente de c.c. del suministro de energía eléctrica y comprende un cuerpo esencialmente tubular con un primer borde que forma parte de una primera región de borde, y un segundo borde de trabajo que forma parte de una segunda región de borde y que sirve para la descarga del arco eléctrico, en cuyo electrodo:

(i)

dichos medios de conectador eléctrico incluyen al menos un sitio de conectador en el electrodo;

(ii)

dicho cuerpo tubular tiene al menos un espacio que se extiende longitudinalmente con una extensión del espacio de la primera región de borde, una extensión de espacio principal y una extensión de espacio de la segunda región de borde, cada uno de cuyos espacios se divide lateralmente entre dos sectores de pared, cada uno de los cuales tiene primera y segunda porciones de borde, llevando uno de los sectores de pared un sitio de conectador asociado con el espacio;

(iii)

la segunda porción de borde de uno de tales sectores de pared tiene una zona que transmite el arco de plasma, y la segunda porción de borde del otro sector de pared que contiene dicho sitio de conectador tiene una zona que recibe el arco de plasma, cuyas zonas transmisoras y receptoras del arco de plasma están y limitan con la extensión del espacio de la segunda región de borde de dicho espacio que se extiende longitudinalmente formando de este modo los dos lados de dicha extensión del espacio;

(iv)

dicho sitio de conectador asociado con el espacio se localiza de modo que su proyección sobre una segunda porción de borde está retirada lateralmente de dicha zona que recibe el arco de plasma en una segunda dirección que es opuesta a dicha primera dirección,

instalar dicho generador de plasma de modo que dicho segundo borde esté próximo a la superficie de dicho sustrato conductor de la electricidad que puede ser un metal líquido a una distancia seleccionada de manera adecuada del mismo, conectar dicho electrodo principal a un polo de suministro de energía eléctrica y el metal líquido al otro polo del mismo, y hacer saltar un arco eléctrico, por lo que en operación se genera una fuerza de Lorentz en una estructura de dos carriles que comprende dicho electrodo principal y dicho contraelectrodo, hacer que un arco de plasma formado entre dicho electrodo principal y dicho contraelectrodo se muevan ininterrumpidamente en una trayectoria cerrada en dicha primera dirección a lo largo de dicha segunda región de borde y a través de cada una de dichas extensiones de espacio de la segunda región de borde;

y continuar el tratamiento hasta que el metal líquido alcanza la solidificación.

El control del enfriamiento y el régimen de solidificación de un metal líquido por tratamiento térmico con un arco de plasma de acuerdo a la invención, mejora la calidad del metal solidificado. De acuerdo a la invención se encontró que tal mejora se debe al desplazamiento del arco de plasma a lo largo de una trayectoria cerrada, por la acción de una fuerza de Lorentz generada dentro del generador de plasma novedoso. Además se ha encontrado, de acuerdo con la presente invención, que debido a tal tratamiento se evitan los defectos, de moldeo de la técnica anterior, tales como, la formación de burbujas y porosidad, segregación, formación de cavidades de contracción, y la no homogeneidad de la composición química y estructura cristalina a través del lingote. También se ha encontrado que de acuerdo con la invención se reduce la cantidad de metal desechado. Además también se ha encontrado que, como consecuencia del tratamiento térmico de acuerdo a la invención la estructura cristalina del metal solidificado se mejora, posiblemente como consecuencia de los campos electromagnéticos que contribuyen a la creación de la fuerza de Lorentz.

Breve descripción de los dibujos

Para una mejor compresión, ahora serán descritas algunas modalidades específicas de la invención, a manera de ejemplo únicamente, con referencia a los dibujos anejos en los cuales;

la Figura 1 es una vista tridimensional esquemática de una modalidad de un electrodo generador de arco de plasma de acuerdo a la invención;

la Figura 2A es una vista lateral de otra modalidad de un electrodo de acuerdo a la invención, que muestra también esquemáticamente un contraelectrodo;

la Figura 2B es una vista superior de la modalidad mostrada en la Figura 2A;

la Figura 3 es una vista tridimensional esquemática, de otra modalidad más de un electrodo generador de arco de plasma de acuerdo con la invención, junto un contraelectrodo;

la Figura 4 es una vista tridimensional, esquemática, de otra modalidad más de un electrodo generador de arco de plasma de acuerdo a la invención;

la Figura 5 es una vista en corte, transversal, esquemática, de una modalidad de un aparato generador de arco de plasma no transferible de acuerdo a la invención;

la Figura 6 es una vista en corte transversal, esquemática, de una modalidad de un aparato generador de arco de plasma transferible de acuerdo a la invención;

la Figura 7A es una vista en corte transversal, axial, esquemática, de otra modalidad del aparato generador de arco de plasma transferible de acuerdo con la invención;

la Figura 7B es una vista inferior de la modalidad mostrada en la Figura 7A;

la Figura 8 es una vista en corte transversal, agrandada, de los medios de ignición en un aparato generador de arco de plasma de acuerdo a la invención;

la Figura 9 es una vista general de una instalación para la ejecución del enfriamiento y solidificación controlados de metal líquido en un molde, por medio de un aparato generador de arco de plasma de acuerdo con la invención; y

la Figura 10 muestra lingotes solidificados con y sin tratamiento por un arco de plasma circulante de acuerdo a la invención.

Descripción detallada de las modalidades específicas

La Figura 1 ilustra una vista en perspectiva de una modalidad de un electrodo generador de arco de plasma de acuerdo a la invención. Como se muestra, el electrodo 2 comprende un cuerpo cilíndrico tubular que tiene un eje longitudinal, un primer borde 3, un segundo borde de trabajo 4 que sirve para la descarga del arco eléctrico y que es constituyente de una estructura de dos carriles, la cual, en operación define una trayectoria cerrada para el movimiento del arco eléctrico a consecuencia de una fuerza de Lorentz generada en el dispositivo. La pared lateral 5 del cuerpo del electrodo cilíndrico es cortada por un solo espacio pasante 6 que se extiende generalmente en la dirección axial y que tiene una extensión de espacio 7 de la primera región de borde, una extensión de espacio principal 8 y una extensión de espacio 9 de la segunda región de borde. Como se muestra, la extensión de espacio principal 8 comprende dos partes que forman entre ellas un ángulo obtuso. El espacio 6 se divide entre dos sectores 10 y 11 de la pared 5. El electrodo 2 tiene en el primer borde 3 un sitio de conectador 12 asociado con el espacio equipado con un conectador 13 que sirve para conectar un polo de la fuente de energía de c.c. (no se muestra). Debe notarse, sin embargo, que el sitio de conectador no necesariamente tiene que localizarse en el primer borde y puede colocarse a cualquier nivel del cuerpo tubular, pero preferiblemente, a una distancia razonable del borde de trabajo 4 para no ser afectado por los humos del arco de plasma y el sustrato. La flecha de trazos 14 en la Figura 1 muestra la dirección de movimiento del arco eléctrico generado en operación a consecuencia de la fuerza de Lorentz, es decir, la llamada primera dirección. Como se mencionó, para el propósito de este movimiento, el electrodo 2 con el segundo borde 4 es un componente de la estructura de dos carriles requerida y el contraelectrodo 15 constituye el otro componente.

La extensión del espacio de la segunda región de borde 9 se divide entre una zona 16 que transmite el arco eléctrico y una zona 17 que recibe el arco eléctrico. La zona receptora 17 se encuentra en el mismo sector de pared que el sitio de conectador 12.

Como se observa, en esta modalidad, el espacio 6 está formado de modo que la proyección 19 del sitio de conectador 12 sobre el segundo borde 4 del electrodo 2 se localiza cerca de la zona 16 que transmite el arco eléctrico y está retirada de la zona 17 que recibe el arco en una dirección (la llamada segunda dirección) que es opuesta a la primera dirección mencionada en una distancia L. Esta distancia, esencialmente, no es más pequeña que el diámetro más grande del pie de la columna de arco de plasma generada.

Cuando se inicia el arco entre el electrodo 2 y el contraelectrodo 15, forma un cuerpo de plasma conductor de corriente que une los dos electrodos. Puesto que los dos electrodos constituyen una estructura de dos carriles, la corriente eléctrica crea un campo magnético el cual interactúa con la corriente del arco y su campo magnético, causando de este modo la generación de la fuerza de Lorenz, la cual impulsa la columna del arco a lo largo del segundo borde 4 en la dirección de separarse de la proyección 19 del sitio de conectador 12, es decir en la dirección indicada por la flecha de trazos 14.

De acuerdo con la invención, el movimiento no interrumpido del arco de plasma se logra debido al hecho de que en cada cruce de la extensión del espacio largo 9 del segundo borde del pie del arco de plasma se encuentra corriente abajo (con referencia al movimiento del arco en la dirección de la flecha 14) de una zona de influencia eléctrica del sitio de conectador 12, es decir, corriente abajo de la proyección 19.

Las Figuras 2A y 2B ilustran otra modalidad de un electrodo de acuerdo con la invención, que comprende un cuerpo tubular, rectangular, 20, montado a partir de un número de segmentos que forman los sectores 21 de pared del electrodo y separados por una pluralidad de espacios inclinados 22. Los bordes superiores de los segmentos 21 forman un primer borde 24 del electrodo 20, y sus bordes inferiores forman un segundo borde 27 del mismo, cada uno de los sectores 21 tiene de este modo primera y segunda porciones de borde. Cada uno de los sectores 21 de electrodo está provisto de un sitio de conectador eléctrico equipado con conectadores 23 que se proyectan lateralmente y colocados en la porción superior interna de los sectores 21, cerca de su primer borde. Todos los conectadores 23 están interconectados por una placa conductora de corriente común 25, que puede conectarse eléctricamente a un polo de una fuente de energía de c.c. (no se muestra) vía un conductor colectivo 26 que conduce corriente. Esencialmente la localización de cada conectador 23 asociado con el espacio en relación al espacio asociado 22 y de las zonas que transmiten y reciben el arco eléctrico en los dos lados de la extensión del espacio de la segunda región de borde, así como la localización de la proyección de cada sitio de conectador sobre una segunda porción de borde son todas similares a la disposición mostrada en la Figura 1, aunque las formas y números de sectores y espacios son diferentes. Como puede observarse, la proyección de cada conectador 23 asociado con un sector 21 de cuerpo de electrodo particular, a un plano que contiene el segundo borde 27 del electrodo 20 se encuentra en el segmento de electrodo adyacente, cerca de su zona de transferencia de arco de plasma. En las Figuras 2A y 2B se muestra esquemáticamente un contraelectrodo 28 colocado debajo del segundo borde 27 del electrodo 20. El contraelectrodo está provisto de un terminal 29 para conectarse al polo opuesto de la fuente de energía de c.c. (no se muestra). Cuando se inicia una descarga de arco eléctrico entre los electrodos 20 y 28, se genera una fuerza de Lorentz mediante la cual el arco de plasma es desplazado ininterrumpidamente a lo largo del segundo borde de trabajo 27 del cuerpo tubular en la dirección de la flecha de trazos en la Figura 2B (primera dirección).

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La Figura 3 ilustra otra modalidad más de un electrodo 30 de acuerdo con la invención, que tiene una forma similar a la de una estrella y que comprende un cuerpo esencialmente tubular montado a partir de una pluralidad de segmentos tronco-triangulares que forman una pluralidad de sectores 31 de pared separados por espacios 32 que se extiende axialmente. En la dirección axial el cuerpo tubular del electrodo 30 se extiende entre un primer borde (superior) 33 y un segundo borde de trabajo (inferior) 34. Los sectores 31 de pared tronco-triangulares tienen, cada uno, una primera porción de pared 35, la cual contiene la zona que recibe el arco de plasma y también un conectador eléctrico 37, y una segunda porción de pared 36, la cual contiene la zona, que transmite el arco de plasma. El borde 38 de una primera porción 35 de un sector 31 que está cerca de un espacio asociado 32 se denomina aquí borde proximal, y el borde opuesto 39 de una segunda porción 36 de un sector adyacente 31 se denomina aquí borde distal 39. Los medios 37 de conectador eléctrico de todos los sectores 31 del electrodo están conectados a una placa conductora de corriente común, 40, provista de un conductor colectivo 41 para conexión a un polo de una fuente de energía de c.c. (no se muestra). Debajo del electrodo 30 se encuentra, como se muestra esquemáticamente, un contraelectrodo 42 con un terminal 43 para conectarse al polo opuesto de la fuente de energía de c.c. (no se muestra).

Puede observarse que los sectores 31 del electrodo están dispuestos de tal manera que las proyecciones de los conectadores 37 sobre el segundo borde 34 están colocadas dentro del perímetro de la trayectoria cerrada del movimiento del arco en dicha primera dirección, mostrada por medio de la flecha de trazos. Además, cada primera porción 35 de un sector 31 se superpone parcialmente a la segunda porción 36 de pared de un sector de electrodo adyacente 31 con la formación de dichos espacios 32. De este modo cada borde proximal 38 con el conectador asociado 37 está retirado del borde distal adyacente 39 en una segunda dirección opuesta a dicha primera dirección, en una distancia L. En esta modalidad específica, este espacio es también la distancia entre la zona que recibe el arco eléctrico y la proyección del sitio de los medios 37 de conectador eléctrico sobre el segundo borde 34, (como se definió, la zona que transmite el arco y la zona que recibe el arco forman los lados de cada uno de los espacios 32 en la región del segundo borde 34). Debido a esa disposición cada zona que transmite el arco eléctrico (no se observa) transmite la columna del arco en movimiento a la zona que recibe el arco, adyacente, a través de la extensión del espacio de la segunda región de borde en un lugar el cual se encuentra corriente abajo del sitio del conectador 37, asegurando de este modo el movimiento ininterrumpido del arco en dicha primera dirección de la flecha de trazos.

La Figura 4 muestra esquemáticamente otra modalidad más, 44, de un electrodo de acuerdo a la invención. Similar a la modalidad de la Figura 3, porque los espacios están axiales con la extensión de su espacio de la primera región de borde la extensión del espacio principal y la extensión del espacio de la segunda región de borde están alineados, y también porque las proyecciones de los medios de conectador 45 sobre un plano P que contiene el segundo borde de trabajo 46 del electrodo 44, están fuera de la trayectoria cerrada 47 del movimiento del arco de plasma sobre el mismo plano P. Sin embargo, a diferencia de la modalidad de la Figura 3 las proyecciones de los medios de conectador 45 se encuentran fuera del perímetro de la trayectoria 47, y los sectores 48 de pared no se superponen entre sí cerca de los espacios 49. De manera similar a la Figura 3, cada proyección de un conectador 45 sobre el plano P que contiene el segundo borde 46 se encuentra retirada de una zona que transmite el arco de plasma, asociada, en una dirección opuesta a la del movimiento, del arco de plasma, en una distancia L, por lo que en operación se asegura el movimiento ininterrumpido del arco de plasma a lo largo de su trayectoria cerrada.

Todas las modalidades de electrodo ilustradas en las Figuras 1 a 4 están diseñadas para proporcionar una descarga de arco de plasma circulante ininterrumpida en generadores de plasma. Como se mencionó, el ancho de la extensión del espacio de la segunda región de borde preferiblemente no deberá ser mayor que el diámetro de la columna de arco más estrecha diseñada para iniciarse sobre el electrodo, y la distancia L no deberá, preferiblemente, ser mayor que el pie más ancho de un arco generado en el electrodo. La configuración inventiva del electrodo permite su uso para electrodos relativamente grandes sin enfriamiento por agua e inyección de un gas protector para estabilizar la descarga de plasma, y al menos, hasta salida de potencia de, aproximadamente, 50 kW.

Las Figuras 5 y 6 ilustran, esquemáticamente, y a manera de ejemplo únicamente, modalidades del aparato generador de plasma de acuerdo con la invención de los tipos no transferible y transferible, respectivamente.

Refiriéndose primero a la Figura 5, en ella se muestra en una vista en corte transversal, axial una modalidad de un aparato generador de plasma 50 que comprende un electrodo tubular principal 51 de acuerdo a la invención, que tiene, un espacio pasante inclinado 52 y provisto de medios de conectador eléctrico 53. El electrodo principal 51 está rodeado concéntricamente por un alojamiento cilíndrico conductor 54 que tiene una tapa 55. Debe notarse que la tapa 55 es opcional. El electrodo principal 51 y el alojamiento 54 están conectados a dos polos opuestos de una fuente de energía 56 de gran intensidad, de c.c., de por sí conocido, sirviendo el alojamiento 54 como contraelectrodo en el aparato. El aparato 50 está también proviso de medios de ignición 57 para hacer saltar una descarga de arco auxiliar. Los medios de ignición comprenden un electrodo de ignición 58 activados por un oscilador de alto voltaje 59, como es de por sí conocido y una protuberancia 60 proporcionada sobre la pared interna del alojamiento y colocada cerca del electrodo principal 51 que sirve para facilitar la ignición de un arco auxiliar 61, el cual después de la ignición se mueve a la región de borde inferior del electrodo principal. El desplazamiento vertical del arco auxiliar es también causado por la fuerza de Lorentz, la cual en este caso particular parece obedecer a la existencia de una estructura similar a un carril, que conduce corriente, que comprende el electrodo principal 51 y el alojamiento 54. La descarga 62 del arco principal se establece entre la región de borde inferior del electrodo principal 51 y el contraelectrodo 54, y comienza a circular alrededor del borde inferior 63 del electrodo tubular 51, proporcionando de este modo el tratamiento térmico de un substrato 64 (por ejemplo, una losa de hormigón).

La Figura 6 ilustra esquemáticamente una vista en corte transversal de un aparato generador de arco de plasma transferible 70 de acuerdo a la invención. Un electrodo tubular principal 71 del aparato tiene la configuración descrita anteriormente y esta conectado a un polo positivo de la fuente de energía de c.c. 72, el polo negativo, opuesto, está conectado a un substrato eléctricamente conductor 73, el cual es el objeto a ser tratado y sirve como contraelectrodo. El polo negativo de la fuente de energía 72 está también conectado a un alojamiento cilíndrico 14 que rodea concéntricamente el electrodo principal 71. La porción inferior de la pared interna del alojamiento 74 es cubierta por una capa eléctricamente aislante, que resiste altas temperaturas, por ejemplo, pintada por una pintura adecuada (no se muestra). Un electrodo de ignición 75 se encuentra montado en el espacio anular formado entre el electrodo principal y el alojamiento. Cuando el electrodo de ignición 75 es activado por un oscilador de alto voltaje 76, se genera un arco auxiliar 77 entre el electrodo principal y el electrodo de ignición, y a continuación se transfiere hacia abajo hacia la región 78 del borde inferior del electrodo principal 71. La región 78 del borde inferior está biselada en la forma en que se muestra en el dibujo, proporcionando de este modo la forma y orientación deseadas de la descarga del arco principal 79. La región de borde biselada 78 y la pared pintada del alojamiento 74 hacen que el arco 79 abarque desde el borde 78 hasta la superficie 73, en vez de hasta el alojamiento 74.

Las Figuras 7A y 7B muestran esquemáticamente una vista en corte transversal axial y una vista inferior, respectivamente, de todavía otra modalidad 80 de un aparato generador de plasma transferible de acuerdo a la invención. El aparato comprende un electrodo tubular principal 81 montado dentro de un alojamiento cilíndrico 82 sellado desde arriba por una cubierta 83, siendo esta última opcional. El generador es conectado a una unidad 84 de suministro de energía de c.c. que incluye una fuente de alta intensidad y un oscilador de alto voltaje (no se muestra) que sirve para activar el electrodo principal y el contraelectrodo y los medios de ignición 85 del aparato. El eje longitudinal del electrodo principal 81 es vertical a la superficie de un objeto a ser tratado, por ejemplo, una pieza de metal, la cual se encuentra colocada como contraelectrodo 86. El alojamiento 82 que acomoda el electrodo principal 81, está instalado a una distancia W de la superficie de la pieza de metal para proporcionar un espacio de trabajo para una descarga de arco de plasma. El electrodo principal 81 de acuerdo a la invención, puede ser manufacturado de grafito o de un material refractario resistente a la erosión, eléctricamente conductor. Los medios de ignición 85 se proyectan desde la cubierta 83 y se encuentran localizados, en el espacio anular formado entre el electrodo principal 81 y el alojamiento 82. Un conectador eléctricamente conductor 93 se encuentra montado de manera liberable en la cubierta 83 y está conectado eléctricamente a un extremo de la unidad de suministro de energía 84, y en su extremo opuesto al electrodo principal 81 para suministrar energía eléctrica a éste.

Un espacio 88 mostrado en la Figura 7A se extiende desde el primer borde (superior) 89 del electrodo principal, tubular, cilíndrico 81, hacia abajo al segundo borde de trabajo (inferior), 90 del mismo, y tiene una extensión del espacio de la primer región de borde 91, una extensión del espacio principal y una extensión del espacio de la segunda región de borde 92. Como se muestra mejor en la Figura 7A, el espacio 88 comprende dos partes, una vertical, la cual es paralela a la generatriz de la pared lateral cilíndrica del electrodo 81, y una inclinada, cuyas partes incluyen entre ellas un ángulo obtuso. Debido a este diseño del espacio 88, las extensión de los espacios de la primera y segunda regiones de borde 91 y 92 no están alineados y están desplazados angularmente como se muestra en la Figura 7B. El electrodo 81 comprende un sector de electrodo equipado con conectador eléctrico 93 montado en una tapa 83 por medio de un manguito aislante y que tiene su lugar en el primer borde 89 del electrodo en estrecha proximidad a la extensión del espacio de la primera región de borde 91. La proyección del conectador 93 sobre el segundo borde 90 se localiza entre la extensión del espacio de la segunda región de borde 92 y la proyección de la extensión del espacio de la primera región de borde 91 sobre el segundo borde 90, a una distancia L de la extensión 92 en una dirección opuesta a la del movimiento del arco de plasma mostrado por las flechas en la línea interrumpida circular
94.

La Figura 8 ilustra una modalidad de los medios de ignición en un aparato generador de arco de plasma de acuerdo a la invención, por ejemplo como el que se muestra en la Figura 7A con el número de referencia 85. Los medios de ignición 85 pueden ser colocados de manera liberable en la cubierta 83 del aparato de las Figuras 7A y 7B para proyectarse entre el electrodo principal 81 y la pared lateral del alojamiento 82. Sin embargo, son concebibles otras localizaciones de los medios de ignición. En la modalidad mostrada en la Figura 8, los medios de ignición 85 consisten en un primero, un segundo y un tercer electrodos 95, 96 y 97 los cuales están conectados eléctricamente a la unidad de energía 84 y asegurados dentro de una tapa aislante del alto voltaje 98. El electrodo 95 tiene forma de una varilla parcialmente alargada y acomodada coaxialmente dentro del segundo electrodo tubular 96 en relación separada con la formación de un espacio anular 99. El tercer electrodo tiene forma de barra horizontal 97 montada cerca del borde superior del electrodo tubular 96, con el extremo interno cercano al electrodo 95. El electrodo 97 es, esencialmente normal a los electrodos 95 y 96 y está conectado eléctricamente al oscilador de alto voltaje (no
mostrado).

Sería ventajoso si la región superior del tubo 96 se formara con un resalto interno 100 para definir un espacio estrecho dedicado entre los electrodos 95 y 96 en la región en donde se aplica el alto voltaje de oscilación.

De manera preferible, los medios de ignición 85 están montados lejos del espacio de trabajo W puesto que de esta manera el funcionamiento de los mismos no es influenciado de manera significativa por la atmósfera altamente erosiva presente en el espacio de trabajo. En la práctica, se recomienda que los medios de ignición se formen como un módulo para permitir el rápido y conveniente mantenimiento y reemplazo de los mismos.

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El aparato generador de arco de plasma ilustrado en las Figuras 7A, 7B y 8 se pone en funcionamiento de la siguiente manera. Se conecta la energía y se aplica un voltaje de trabajo de aproximadamente 170 V simultáneamente dentro del espacio de trabajo entre el electrodo principal 81 y la superficie de metal 86, entre el electrodo, principal 81 y el alojamiento 82, así como dentro del espacio anular 99 entre los electrodos 95 y 96 de los medios de ignición 85. Posteriormente se enciende el oscilador de alto voltaje para suministrar un alto voltaje de oscilación suficiente para generar una descarga eléctrica entre el electrodo 97 y resalto 100 y también una descarga entre el resalto 100 y el electrodo 95. Esta descarga de arco es seguida por la formación de un arco de plasma auxiliar dentro de un espacio entre los medios de electrodo colocados coaxialmente, 95 y 96. El arco de plasma se desplaza hacia abajo a lo largo de la pared lateral del electrodo principal 81 en virtud de la aceleración del carril proporcionada entre las superficies paralelas respectivas del alojamiento cilíndrico 82 y el electrodo principal 81, y es empujado hacia el segundo borde 90 del electrodo principal 81 a una velocidad de, aproximadamente, 40 m/seg. El tiempo total requerido para el paso de ignición no excede de 0,002 segundos. Después de lo que el arco de plasma auxiliar generado por la descarga de ignición ha alcanzado el segundo borde 90, adquiere la forma de la descarga de arco de plasma, principal 101 entre, el segundo borde 90 del electrodo principal y la superficie 86 del metal a ser tratado, cuyo arco de plasma principal gira en el espacio de trabajo W.

La figura 9 muestra esquemáticamente cómo un generador de plasma de acuerdo a la presente invención, puede ser utilizado para el tratamiento térmico de un metal líquido que se encuentra solidificando dentro de un molde de lingote.

La disposición mostrada en la Figura 9 incluye un molde de lingote 120, el cual tiene una disposición de colada inferior con una puerta de colada 121. El metal líquido 122 es vertido desde una cuchara de colada (no se muestra) hacia un embudo 124 del sistema de puerta de colada 121, entra en el molde del lingote 120 a través del fondo del mismo y lo llena hasta una altura controlada por un sensor 125. Adyacente a la parte superior del molde 120, se encuentra colocado un aparato 126 generador del arco de plasma que contiene un electrodo principal 127 de acuerdo con la invención mantenido en un carro 128 que tiene ruedas 135 montadas en carriles 129, y de este modo es capaz de ser desplazado de manera reversible entre una posición de reposo fuera de alineación con el molde 120 y una posición operativa en alineación con el molde. Se proporcionan además medios (no se muestran) capaces de elevar y bajar el aparato 126. El aparato 126 generador de arco de plasma comprende una fuente de energía principal 130, un oscilador de alto voltaje 131 y un tablero de control 132 para controlar el desplazamiento del aparato 126 a y desde la posición de trabajo, así como su funcionamiento durante el ciclo de trabajo. Para ello, el tablero de control 132 está equipado con medios electrónicos de control apropiados (no se muestran) que permiten la operación en un modo manual o de acuerdo con un programa previamente diseñado.

Se proporciona un conductor colectivo 133 con cables eléctricos apropiados para comunicación eléctrica entre las fuentes de energía 130, 131 vía el tablero de control 132, con el generador de plasma 126, el metal líquido 122 vía un conectador 134, el mecanismo 135 y el sensor 125.

En la práctica, el generador de plasma 126 es llevado a la posición de trabajo encima del molde de lingote 120, el metal líquido es vertido en el molde hasta cierto nivel controlado por el sensor 125, cuyo nivel define el ancho W del espacio de trabajo entre la superficie del metal líquido 122 en el molde y el segundo borde (inferior) del electrodo principal 127. El ancho W se mantiene usualmente dentro del intervalo de 8 a 10 mm, si el voltaje de operación está dentro del intervalo de 60-80 V. Para voltajes de operación mayores de 80 V el ancho se incrementa y a 170 V, por ejemplo es de 25 mm. Después de ajustar el ancho requerido del espacio de trabajo, se encienden la fuente de energía 130 y el oscilador de alto voltaje por lo que se inicia la descarga del arco auxiliar y se mantiene hasta, que la descarga del arco de plasma principal es iniciada y comienza el tratamiento térmico de la superficie metálica. El oscilador de alto voltaje usualmente se mantiene encendido hasta el establecimiento de la descarga de arco principal, lo cual es indicado por un flujo de corriente eléctrica que corresponde a la energía, requerida para una aplicación particular. Por ejemplo, a un voltaje de 170 V puede lograrse una descarga de arco principal con una intensidad de 300 A, la cual proporciona una energía eléctrica de 50 kW. La altura del electrodo principal es de aproximadamente 40-60 mm para un lingote con una masa de, aproximadamente, 20 kg.

La duración de la descarga del arco principal, es decir el tiempo requerido para el tratamiento térmico, puede ser controlada por medio de un temporizador apropiado (no se muestra). En la práctica, el temporizador deberá ser adecuado para un accionamiento continuo o periódico de la fuente de energía durante la solidificación del lingote dentro de un molde.

Después de la terminación del tratamiento térmico, el aparato generador de arco de plasma se apaga y se desplaza fuera de la posición, de trabajo, y después de un enfriamiento adicional el lingote frío puede ser liberado del molde.

Deberá notarse que, debido a la circulación constante de la descarga de arco principal lograda de acuerdo con la presente invención, es posible efectuar el tratamiento térmico requerido haciendo variar, al mismo tiempo el ancho del espacio de trabajo. De este modo, si se desea, el generador de plasma puede ser provisto de medios (no se muestran) para mover en vaivén verticalmente el electrodo principal 127 dentro del alojamiento 126, ajustando por lo tanto el ancho del espacio de trabajo W (Figura 7A). Tal desplazamiento vertical puede ser controlado continuamente por el sensor 125 que verifica el nivel del metal líquido en el molde, asegurando de este modo el descenso del electrodo 127 de acuerdo con la contracción del metal, por lo que el tratamiento que conduce a la eliminación de defectos en los lingotes se mejora y la cantidad de metal desechado se reduce.

El resultado del tratamiento térmico de acuerdo a la invención, se ilustra en la Figura 10, la cual muestra fotografías de dos lingotes (a) y (b) de aleación de aluminio A332.0 solidificados sin (a) y con (b) tratamiento por la técnica de arco de plasma circulante de acuerdo a la invención. La masa de los lingotes es de 7,2 kg. El lingote convencional (a) tiene una burbuja en su porción superior, y en consecuencia una capa significativa del lingote debe ser eliminada por el usuario. En contraste, el lingote (b), el cual se sometió durante el enfriamiento al tratamiento con arco de plasma de acuerdo a la invención durante un periodo de 50 segundos, tiene una superficie superior lisa y no requiere ningún tratamiento adicional puesto que tiene las dimensiones precisas requeridas.

Claims (24)

1. Un electrodo generador de arco de plasma (2, 20, 30, 44) que, en asociación con un contraelectrodo (15, 28, 42, 54, 73, 86, 122) proporciona una estructura de dos carriles capaz de generar una descarga de arco de plasma que puede desplazarse a lo largo de una trayectoria cerrada en una primera dirección (14), cuyo electrodo tiene medios (13, 23, 37, 45, 53, 93) de conectador eléctrico para conectarse a una fuente de c.c. de suministro de energía eléctrica (56, 72, 84) y comprende un cuerpo esencialmente tubular con un primer borde (3, 24, 33, 89) formando parte de una primera región de borde, y un segundo borde de trabajo (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) formando parte de una segunda región de borde y que sirve para la descarga del arco eléctrico, en cuyo electrodo

(i) dichos medios de conectador eléctrico incluyen al menos un sitio (12) de conexión en el electrodo;

(ii) dicho cuerpo tubular tiene, al menos un espacio (6, 22, 32, 49, 52, 88) que se extiende longitudinalmente con una extensión del espacio (7, 91) en la primera región de borde, una extensión del principal (8), una extensión (9, 92,) del espacio en la segunda región de borde, cada uno de cuyos espacios se divide lateralmente entre dos sectores de pared (10 y 11; 21 y 21; 31 y 31; 48 y 48), cada uno de los cuales tiene una primera y una segunda porciones de borde, llevando uno de los sectores de pared (11, 21, 31, 48) un sitio de conectador asociado con el espacio;

(iii) la segunda porción de borde de uno de tales sectores de pared tiene una zona (16, 36) que transmite el arco de plasma, y la segunda porción de borde del otro sector de pared que lleva dicho sitio de conectador tiene una zona (17, 35) que recibe el arco de plasma, cuyas zonas transmisoras y receptoras del arco de plasma están separadas por y limitan con la extensión del espacio de la segunda región de borde de dicho espacio que se extiende longitudinalmente, formando de este modo los dos lados de dicha extensión del espacio;

(iv) dicho sitio de conectador asociado con el espacio se localiza de modo que su proyección sobre una segunda porción de borde está retirado lateralmente de dicha zona que recibe el arco de plasma en una segunda dirección que es opuesta a dicha primera dirección, por lo que en operación se genera una fuerza de Lorentz en dicha estructura de dos carriles que hace que el arco de plasma formado entre el electrodo generador del arco de plasma y el contraelectrodo se mueva ininterrumpidamente en una trayectoria cerrada en dicha primera dirección a lo largo de dicha segunda región de borde y a través de cada una de dichas extensiones de los espacios de dicha segunda región de
borde.

2. El electrodo de conformidad con la reivindicación 1, en el que cada extensión (9, 92) del espacio de la segunda región de borde está dimensionado para no ser esencialmente mayor que el diámetro más pequeño de la columna de arco de plasma real, y la distancia (L) entre dicha proyección del sitio de conectador asociado con el espacio sobre una segunda porción de borde y dicha zona que recibe el arco eléctrico no es, esencialmente, mayor que el diámetro más grande del pie de la columna de arco de plasma real.

3. El electrodo de conformidad con la reivindicación 1 o 2, en el que dicho cuerpo tubular del electrodo (2, 51, 71, 81) de arco de plasma tiene un solo espacio (6, 52, 88) y dichos dos sectores de pared acuerdan en un solo cuerpo que se extiende desde un lado del espacio a otro.

4. El electrodo de conformidad con la reivindicación 1 o 2, en el que dicho cuerpo tubular tiene varios espacios (22, 32, 49) y varios sectores (21, 31, 48) de pared, extendiéndose cada sector de pared entre dos espacios.

5. El electrodo de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho al menos un espacio (6, 22, 52, 88) que se extiende longitudinalmente, dichas extensiones (7 y 9, 91 y 92) de los espacios de la primera y segunda regiones de borde no están alineados.

6. El electrodo de conformidad con la reivindicación 5, en el que la extensión (8, 52, 88) del espacio principal tiene dos partes que incluyen entre ellas un ángulo obtuso.

7. El electrodo de conformidad con la reivindicación 5, en el que dicho al menos un espacio (22) que se extiende longitudinalmente está inclinado.

8. El electrodo de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que cada sitio de conectador asociado con el espacio está en la región del primer borde (3, 24, 33, 89) o cerca de ella.

9. El electrodo de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicha región del segundo borde (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) está biselada.

10. El electrodo de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la extensión principal de dicho al menos un espacio (6, 22, 52, 88) que se extiende longitudinalmente está formada de modo que la proyección del sitio de conectador asociado con el espacio sobre una segunda porción de borde se localiza en el sector de pared que contiene la zona que transmite el arco eléctrico.

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11. El electrodo de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los sectores (31, 48) de dicho cuerpo esencialmente tubular están diseñados de modo que la proyección de cada sitio de conectador asociado con el espacio sobre la segunda porción de borde se localiza fuera de dicha trayectoria cerrada.

12. El electrodo de conformidad con la reivindicación 11, en el que los sectores (31) de dicho cuerpo esencialmente tubular están diseñados de modo que la proyección de cada sitio de conectador asociado con el espacio sobre una segunda porción de borde se localiza dentro del perímetro de dicha trayectoria cerrada.

13. El electrodo de conformidad con la reivindicación 11, en el que los sectores (48) de dicho cuerpo esencialmente tubular están diseñados de modo que la proyección de cada sitio de conectador asociado en el espacio sobre una segunda porción de borde se localiza fuera del perímetro de dicha trayectoria cerrada.

14. El electrodo de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 1, 4 y 8 a 13, en el que los sectores (31) de pared del electrodo generador de arco de plasma de acuerdo con la invención están diseñados de modo que al menos la extensión de la segunda región de borde de cada espacio se forma por una superposición entre porciones de sector de pared adyacentes que comprenden dichas zonas que transfieren (36) y reciben (35) el arco de plasma.

15. El electrodo de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 1, 4 y 8 a 13, en el que dicho cuerpo tubular (30) tiene una forma poliédrica similar a la de una estrella y se monta a partir de una pluralidad de segmentos tronco-triangulares modulares, cada uno de los cuales constituye una sector de pared y se superponen parcialmente cerca de los espacios.

16. Un aparato generador de arco (50, 70, 80, 126), que comprende un electrodo de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.

17. Un aparato generador de arco de plasma (760, 80, 126) de conformidad con la reivindicación 16, en el que dicho electrodo (71, 81, 127) generador de arco de plasma es capaz de cooperar con un sustrato (73, 86, 122) que conduce electricidad, que sirve como contraelectrodo y que forma junto con dicho electrodo generador de arco de plasma la estructura de dos carriles.

18. El aparato de conformidad con la reivindicación 17, que comprende un alojamiento cilíndrico (74, 82) que rodea a dicho electrodo generador de arco de plasma y separado del mismo para formar con éste una cámara anular.

19. El aparato de conformidad con la reivindicación 18, que comprende una tapa (83) que sella el alojamiento desde el extremo proximal hasta el primer borde del electrodo.

20. El aparato de conformidad con la reivindicación 18 a 19, que comprende medios de ignición (75, 85) montados dentro de un espacio anular entre el electrodo y el alojamiento.

21. El aparato de conformidad con la reivindicación 20, en el que dichos medios de ignición se montan en proximidad de dicho primer borde.

22. El aparato de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 21, que comprende medios (132) para el desplazamiento axial del electrodo generador de arco de plasma.

23. Un procedimiento para el tratamiento térmico de un metal líquido que se encuentra solidificando dentro de un molde, que comprende proporcionar un aparato (70, 80, 126) generador de arco de plasma transferible, que tiene un electrodo principal (2, 20, 30, 44, 71, 81, 127) que coopera con un sustrato (73, 86, 122) conductor de electricidad que sirve como contraelectrodo, cuyo electrodo principal en asociación con dicho sustrato conductor de electricidad proporciona una estructura de dos carriles capaz de generar una descarga de arco de plasma desplazable a lo largo de una trayectoria cerrada en una primera dirección (14), cuyo electrodo principal tiene medios (13, 23, 37, 45, 93) de conectador eléctrico para conectarse a una fuente de c.c. de un suministro (56, 72, 84, 130) de energía eléctrica, y que comprende un cuerpo esencialmente tubular con un primer borde (3, 24, 33, 89) que forma parte de una primera región de borde, y un segundo borde de trabajo (4, 27, 34, 46, 78, 90) que forma parte de una segunda región de borde y que sirve para la descarga del arco eléctrico, en cuyo electrodo:

(i)

dichos medios de conectador eléctrico incluyen al menos un sitio (12) de conectador en el electrodo;

(ii)

dicho cuerpo tubular tiene al menos un espacio (6, 22, 32, 49, 88) que se extiende longitudinalmente con una primera extensión (7, 91) de espacio de la primera región de borde, una extensión (8) de espacio principal, y una extensión (9, 92) de espacio de la segunda región de borde, cada uno de cuyos espacios se divide lateralmente entre dos sectores de pared (10 y 11; 21 y 21; 31 y 31; 48 y 48), cada uno de los cuales tiene una primera y una segunda porciones de borde, llevando uno de dichos sectores (11, 21, 31, 48) de pared un sitio de conectador asociado con el espacio;

(iii)

la segunda porción de borde de uno de tales sectores de pared tiene una zona (16, 36) que transmite el arco de plasma, y la segunda porción de borde del otro sector de pared que contiene dicho sitio de conectador tiene una zona (17, 35) que recibe el arco de plasma, cuyas zonas transmisoras y receptoras del arco de plasma están separadas y limitan sobre la extensión de espacio de la segunda región de borde de dicho espacio que se extiende longitudinalmente formando de este modo los dos lados de dicha extensión del espacio;

(iv)

dicho sitio de conectador asociado con el espacio se localiza de modo que su proyección sobre una segunda porción de borde está retirada lateralmente de dicha zona que recibe el arco de plasma en una segunda dirección que es opuesta a dicha primera dirección,

instalar dicho generador de plasma de modo que dicho segundo borde esté próximo a la superficie de dicho sustrato conductor de la electricidad que puede ser un metal líquido (122) en una distancia seleccionada de manera adecuada de la misma, conectar dicho electrodo principal a un polo del suministro (130) de energía eléctrica y el metal líquido al otro polo del mismo, hacer saltar un arco eléctrico, por lo que en operación se genera una fuerza de Lorentz en una estructura de dos carriles que comprende dicho electrodo principal y dicho contraelectrodo, hacer que un arco de plasma formado entre dicho electrodo principal y dicho contraelectrodo se mueva ininterrumpidamente en una trayectoria cerrada en dicho primera dirección a lo largo de dicha segunda región de borde y a través de cada una de dichas extensiones de los espacios de dicha segunda región de borde;

y continuar el tratamiento hasta que el metal líquido alcanza la solidificación.

24. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 23, que comprende hacer descender dicho electrodo (127) generador de arco de plasma, para mantener una distancia constante entre dicho segundo borde y la superficie de metal dentro del molde.