PL183557B1 - Sposób i generator łuku plazmowego do obróbki cieplnej krzepnącego metalu - Google Patents

Abstract

1 . Sposób obróbki cieplnej krzepnacego me talu, w którym za pom oca dw uszynow ej struktury zaw ierajacej elektrode i przeciw elektrode, generuje sie luk plazm ow y pom iedzy dolnym obrzezem elektrody a przeciw elektroda i ogrzew a sie cie k ly metal za pom oca tego luku plazmowego, znamienny tym, ze umieszcza sie generator luku plazmowego (50, 7 0 , 8 0 , 126) dolnym obrzezem (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) je g o elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) w dobranej odleglosci (W ) od pow ierzchni metalu (64, 122), la czy sie elektrode (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) z jed n ym biegunem elektrycznego zródla zasilania (56, 72, 84, 130), a przeciw elektrode (15, 28, 42, 73, 86, 122) z drugim b ie g u n e m ....................... 3 . Generator luku plazm ow ego do obróbki cieplnej krzepnacego m etalu, zaw ie raja cy elektrode i przeciw elektrode, które stanow ia dw uszynow a strukture dostosowana do generow ania luku pla- zmowego, przy czym elektroda ma korpus z górnym obrzezem oraz z roboczym dolnym obrzezem i zaopatrzona jest w zespól przylaczen io w y pola- czony z elektrycznym zródlem zasilan ia, znam ien- ny tym, ze zespól przylaczenio w y (13, 23, 37, 45, 53, 93) zawiera co najm niej jedno gniazdo (12) usytu- owane na elektro dzie...................................................... F i g . 1 PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i generator łuku plazmowego do obróbki cieplnej krzepnącego metalu.

Wynalazek dotyczy sposobu i generatora łuku plazmowego typu zarówno do bezpośredniej, jak i do pośredniej obróbki cieplnej krzepnącego metalu, a zwłaszcza sposobu i generatora łuku plazmowego z łukiem plazmowym krążącym po torze zamkniętym, wykorzystanych do obróbki cieplnej krzepnącego metalu.

Znane są sposoby obróbki cieplnej krzepnącego metalu, stosujące generatory łuku plazmowego, w których za pomocą dwuszynowej struktury zawierającej elektrodę i przeciwelektrodę generuje się łuk plazmowy pomiędzy dolnym obrzeżem elektrody a przeciwelektrodą i ogrzewa się ciekły metal za pomocą tego łuku plazmowego.

Generatory łuku plazmowego stosowane są do obróbki cieplnej różnych przedmiotów w licznych procesach technologicznych, na przykład w procesach metalurgicznych do tak zwanego przetapiania plazmowego, odlewania plazmowego, oczyszczania plazmowego itp.

Znane są generatory łuku plazmowego zawierające palniki z łukiem plazmowym, których opis konstrukcji i wykorzystania w różnych zastosowaniach metalurgicznych można znaleźć w licznych technicznych monografiach czy podręcznikach, na przykład w rozdziale Plasma Melting and Casting (Stapianie i odlewanie plazmowe) Metals Handbook, wyd. dziewiąte, vol. 15, Metals Park Ohio, albo w monografii Plasma Metallurgy. The Principles (Metalurgia plazmowa. Zasady) aut. V. Dembovsky, Elsevier, 1985, str. 314-315.

Znane są generatory łuku plazmowego do obróbki cieplnej krzepnącego metalu dwóch typów: do pośredniej i do bezpośredniej obróbki cieplnej. W generatorze do pośredniej obróbki cieplnej zarówno katodę jak i anodę stanowią elementy generatora. W generatorze do bezpośredniej obróbki cieplnej jedną elektrodę stanowi element generatora, podczas gdy przeciwelektrodąjest przewodzące elektrycznie podłoże.

W opisie patentowym GB 1268843 przedstawiono generator ługu plazmowego do pośredniej obróbki cieplnej zawierający katodę z chłodzeniem wodnym i dwie pierścieniowe anody, jedną zapłonową a drugą do normalnej pracy, dołączone do zasilania. Końcówka katody jest chroniona za pomocą wtrysku gazu obojętnego, na przykład argonu, helu lub azotu.

W opisie patentowym US-A-4.958.057 przedstawiono typowy generator łuku plazmowego do bezpośredniej obróbki cieplnej stosowany przy nagrzewaniu metalu w procesie odlewania ciągłego. Zawiera on cylindryczny element podtrzymujący katodę z wkładem chłodzenia wodnego, anodę zapłonową i pierścieniową katodę, mającą kanał wewnętrzny do wtrysku obojętnego gazu ochronnego. Wyładowanie elektryczne zachodzi między katodą a obrabianym podłożem, które stanowi anodę.

W znanych generatorach łuku plazmowego zarówno typu do bezpośredniej obróbki cieplnej, jak i do pośredniej obróbki cieplnej dla ich poprawnego działania konieczny jest wtrysk gazu obojętnego lub chłodzenie wodne.

Przy chłodzeniu gazem stosuje się tak zwane, palniki plazmowe zawierające dyszę podającą plazmę. Przy wtrysku gazu pod ciśnieniem do palnika powstaje podłużny strumień łuku plazmowego wyrzucany z dużą prędkością z dyszy dostarczającej plazmę, która w przypadku obróbki odlewanego krzepnącego metalu wywiera lokalny nacisk na powierzchnię jeszcze zestalającego się metalu, prowadząc podczas chłodzenia do powstawania dużych pustych przestrzeni.

183 557

Przy chłodzeniu wodnym wszelkie nieuniknione wycieki wody po dotarciu do gorącego ciekłego metalu mogą spowodować eksplozję.

Znane są również generatory łuku plazmowego, w których łuk plazmowy przy obrabianiu powierzchni jest w sposób kontrolowany przemieszczany po ścieżce otwartej, prostej lub zamkniętej, na przykład kołowej, wzdłuż odpowiednio ukształtowanej elektrody. Takie przemieszczanie łuku pozwala uniknąć przegrzania, zapewnia bardziej równomierną obróbkę podłoża i zmniejsza erozję elektrod, przedłużając w ten sposób okres trwałości urządzenia. Tak więc, opis US 5.132.511 przedstawia palnik plazmowy do pośredniej obróbki cieplnej z dwiema rurowymi współosiowymi elektrodami rozsuniętymi względem siebie w kierunku osiowym i zaopatrzonymi w uszczelnioną cylindryczną komorę znajdującą się między tymi dwiema elektrodami.

W opisie patentowym US 5.393.954 przedstawiono palnik plazmowy do pośredniej obróbki cieplnej, zawierający dwie współosiowe elektrody rurowe, z których przynajmniej jedna jest otoczona polem magnetycznym sterowanym poprzez elektroniczny zespół sterujący, przy czym stopa łuku plazmowego jest przemieszczana w sposób kontrolowany. Łuk plazmowy zapala się po wtrysku gazu obojętnego do komory rozdzielającej elektrody.

W znanych generatorach łuku plazmowego łuk może być przemieszczany pod wpływem oddziaływania siły ponderomotorycznej znanej jako siła Lorentz'a. Siła Lorentz'a powstaje podczas ruchu ładunku elektrycznego w polu magnetycznym i jest proporcjonalna do indukcji magnetycznej, ładunku elektrycznego, jego prędkości, jak również zależy od kąta między wektorami indukcji magnetycznej i prędkości poruszającego się ładunku. Siła Lorentza w generatorze łuku plazmowego powstaje w wyniku oddziaływania między lukiem (stanowiącym intensywne wyładowanie elektryczne), jego polem magnetycznym i polem magnetycznym wytwarzanym w generatorze przez prąd elektryczny płynący przez elektrody. Kiedy elektrody stanowią tak zwaną strukturę dwuszynową, siła Lorentz'a powoduje przyspieszanie i przemieszczanie łuku elektrycznego.

Zastosowany tu termin struktura dwuszynową w odniesieniu do elektrod w generatorze łuku plazmowego oznacza dwa równoległe obiekty przewodzące prąd elektryczny (tak zwane szyny) rozsunięte względem siebie i dołączone, każda, do jednego z biegunów zasilania elektrycznego. Zainicjowany między elektrodami łuk elektryczny, przemieszcza się wzdłuż szyn z dala od gniazda zespołu przyłączeniowego do elektrycznego źródła zasilania.

Zgodnie ze znaną terminologią generatory łuku plazmowego, w których wyładowanie łukowe jest przyspieszane siłą ponderomotoryczną w przestrzeni między dwiema równoległymi elektrodami nazywane są generatorami łuku plazmowego z geometrią szynową.

Zjawisko, zgodnie z którym siła Lorentz'a przyspiesza i przemieszcza łuk plazmowy w generatorze łuku plazmowego o konstrukcji dwuszynowej, znane jest jako zasada akceleracji elektromagnetycznej. W literaturze wspomina się o niej w odniesieniu do akceleratorów łuku plazmowego lub generatorów hydrodynamicznych, na przykład w Impulse Plasma Accelerators (Impulsowe akceleratory łuku plazmowego) aut. Alexandrov i in., Charków, 1983, str. 192, 194 oraz Electroslag Welding and Melting (Elektrożużlowe spawanie i stapianie) aut. J Kompan i E. Sherbinin, Machinostojenije, 1989, str. 191, 192. Specyficzne wykorzystanie siły Lorentz'a opisano w Scaling Laws for Plasma Armatures in Railguns (Zasady skalowania dla armatur plazmowych w działach szynowych) aut. Lindseya D. Tornhilla i in., Transactions of Plasma Science, vol. 21, nr 3, czerwiec 1993, 289-290.

Przykład generatora łuku plazmowego do pośredniej obróbki cieplnej i z magnetycznym przyspieszaniem szynowym ujawniono w opisie patentowym SU 890567. W tym generatorze elektrody mają postać dwóch współosiowych rur eliptycznych, a przestrzeń między elektrodami jest wypełniona materiałem dielektrycznym. Ściana każdej z rur jest zaopatrzona w osiową szczelinę tak, że szczelina w jednej rurze jest zwrócona w stronę pozbawionej szczeliny części ściany drugiej rury. W sąsiedztwie każdej szczeliny znajduje się gniazdo elektrycznego zespołu przyłączeniowego i w ten sposób otrzymuje się strukturę dwuszynową. Dla nieprzerwanej cyrkulacji łuku plazmowego musi on móc przechodzić w poprzek szczelin, i dlatego szerokość każdej szczeliny musi być mniejsza od grubości łuku. Jednak mijając szczeliny luk wchodzi dokładnie w strefę sąsiedniego styku elektrycznego, gdzie kierunek

183 557 jego dalszego ruchu jest niezdefiniowany, a w wyniku tego szybkość, z którą luk porusza się w pobliżu szczelin niekorzystnie się zmniejsza i niekiedy wyładowanie nawet ulega przerwaniu, co stanowi poważną niedogodność.

W opisie patentowym SU 847533 przedstawiono przenośny generator łuku plazmowego, do obróbki podłoża przewodzącego elektrycznie. Główna elektroda ma postać spiralnie skręconego wydrążonego korpusu z jednym zwojem, którego częściowo zachodzące na siebie końce są przemieszczone kątowo względem siebie nawzajem tworząc przerwę między nimi. Obrzeże jednego końca korpusu spiralnego jest usytuowane blisko podłoża (obrzeże bliższe) i dołączone jest do bieguna zasilania elektrycznego za pomocą elementu przyłączeniowego umieszczonego w pobliżu przerwy. Ukształtowanie spiralne elektrody spełnia następujące równanie:

Y = K(X)^3/2 gdzie Y jest skokiem spirali, K jest współczynnikiem proporcjonalności, a X jest odległością liniową wzdłuż obwodu między elementem przyłączeniowym a końcem spirali. Zgodność ze wzorem zapewnia przyśpieszenie łuku wzdłuż spiralnej elektrody.

Jednak zastosowanie elektrody o kształcie spełniającym powyższy warunek wiąże się z pewną liczbą niedogodności.

Wytwarzanie spiralnej elektrody z grafitu, wolframu lub podobnego materiału konwencjonalnie stosowanego do wytwarzania takich elektrod dla generatorów łuku plazmowego jest trudne i kosztowne.

Ponadto z powodu wykładniczego wzrostu Y w funkcji X, prąd łuku plazmowego fluktuuje i w wyniku tego, w praktyce, generator łuku plazmowego, według SU 847533, jest w stanie pracować niezawodnie bez środków pomocniczych tylko do średnicy spirali nie większej niż 6 cm, natomiast przy średnicach większych mogą występować przerwania łuku plazmowego. Dla uniemożliwienia takich przerw, konieczny jest ponowny zapłon łuku plazmowego w każdym cyklu za pomocą oscylatora wysokiego napięcia.

I wreszcie, ponieważ plazma jest przyspieszana nierównomiernie wzdłuż wewnętrznego obrzeża elektrody, to elektroda jest nagrzewana nierównomiernie, co wymaga skutecznego i niezawodnego układu chłodzenia wodnego z odpowiednim oprzyrządowaniem, do kontroli temperatury i ciśnienia wody.

Wszystko to czyni generator łuku plazmowego kosztownym i powoduje, że niemożliwe jest jego stosowanie do zadań, gdzie niepożądana jest obecność wody chłodzącej z powodu niebezpiecznych konsekwencji jej wycieków.

Sposób obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według wynalazku polega na tym, że za pomocą dwuszynowej struktury zawierającej elektrodę i przeciwelektrodę generuje się łuk plazmowy pomiędzy dolnym obrzeżem elektrody a przeciwelektrodą i ogrzewa się ciekły metal za pomocą tego łuku plazmowego.

Sposób obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że umieszcza się generator łuku plazmowego dolnym obrzeżem jego elektrody w dobranej odległości od powierzchni metalu, łączy się elektrodę z jednym biegunem elektrycznego źródła zasilania, a przeciwelektrodę z drugim biegunem elektrycznego źródła zasilania, po czym powoduje się zapłon łuku plazmowego i powstały łuk plazmowy przemieszcza się nieprzerwanie po zamkniętym torze w jednym kierunku wzdłuż dolnego obrzeża elektrody.

Korzystnie utrzymuje się stałą odległość między dolnym obrzeżem elektrody a powierzchnią metalu, sukcesywnie opuszczając elektrodę.

Generator łuku plazmowego do obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według wynalazku zawiera elektrodę i przeciwelektrodę, które stanowią dwuszynową strukturę dostosowaną do generowania łuku plazmowego, przy czym elektroda ma korpus z górnym obrzeżem oraz z roboczym dolnym obrzeżem i zaopatrzona jest w zespół przyłączeniowy połączony z elektrycznym źródłem zasilania.

Generator łuku plazmowego do obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zespół przyłączeniowy zawiera co najmniej jedno gniazdo usytuowane na elektrodzie dwuszynowej struktury, poprzez które elektroda jest połączona z dodatnim biegunem elektrycznego źródła zasilania, a korpus elektrody ma co najmniej jedną

183 557 biegnącą wzdłużnie szczelinę, która posiada górny odcinek przy górnym obrzeżu korpusu elektrody, dolny odcinek przy dolnym obrzeżu korpusu elektrody i usytuowany pomiędzy nimi główny odcinek. Każda ze szczelin dzieli ścianę korpusu elektrody na dwa usytuowane obok siebie sektory, z których każdy ma dolne obrzeże oraz górne obrzeże. Przy szczelinie na jednym z sektorów jest usytuowane gniazdo zespołu przyłączeniowego, zaś na jego dolnym obrzeżu jest usytuowana strefa przejmowania łuku plazmowego. Na dolnym obrzeżu drugiego z sektorów jest usytuowana strefa przekazywania łuku plazmowego. Strefy przekazywania i przejmowania łuku plazmowego są rozdzielone dolnym odcinkiem szczeliny i są ułożone po obu jej stronach, a rzut gniazda zespołu przyłączeniowego na dolne obrzeże korpusu elektrody jest usytuowany z odstępem od strefy przejmowania łuku plazmowego w drugim kierunku, przeciwnym do pierwszego kierunku.

Dwuszynowa struktura zawiera przeciwelektrodę z elektrycznie przewodzącego materiału.

Elektroda jest otoczona cylindryczną obudową usytuowaną z odstępem od niej, a pomiędzy elektrodą a cylindryczną obudową jest utworzona pierścieniowa komora.

Na górnym końcu cylindrycznej obudowy pierścieniowa komora jest przykryta szczelną pokrywą.

W pierścieniowej komorze jest umieszczony zespół zapłonowy łuku plazmowego. Zespół zapłonowy umieszczony jest w pobliżu górnego obrzeża korpusu elektrody. Elektroda jest połączona z zespołem osiowego przemieszczania.

Każdy dolny odcinek szczeliny korpusu elektrody jest nie szerszy od przewidywanej najmniejszej średnicy kolumny łuku plazmowego, a odstęp między rzutem gniazda zespołu przyłączeniowego na dolne obrzeże, a strefą przejmowania łuku plazmowego jest nie mniejszy od największej średnicy stopy rzeczywistej kolumny łuku plazmowego.

Korpus elektrody ma jedną szczelinę, a dwa sektory ściany są połączone ze sobą tworząc jedną część korpusu przechodzącą od jednej strony szczeliny do drugiej.

W korzystnym wariancie wynalazku korpus elektrody ma szczeliny, a ściana ma sektory, z których każdy jest usytuowany między dwiema sąsiednimi szczelinami.

Co najmniej jedna szczelina elektrody ma górny odcinek i dolny odcinek niewspółliniowe względem siebie.

Co najmniej jedna szczelina elektrody ma główny odcinek, który posiada dwie części tworzące między sobą kąt rozwarty.

Co najmniej jedna szczelina elektrody jest ukośna.

Korzystnie, gniazdo zespołu przyłączeniowego elektrody jest usytuowane w pobliżu górnego obrzeża korpusu elektrody.

Dolne obrzeże korpusu elektrody jest ukształtowane stożkowo.

Główny odcinek co najmniej jednej ze szczelin elektrody jest odgięty, a rzut gniazda zespołu przyłączeniowego na dolne obrzeże korpusu elektrody znajduje się w sektorze ściany jej korpusu, w którym jest usytuowana strefa przekazywania łuku plazmowego.

Rzut każdego gniazda zespołu przyłączeniowego elektrody na dolne obrzeże znajduje się poza zamkniętym torem przebiegu łuku plazmowego.

Rzut każdego gniazda zespołu przyłączeniowego elektrody na dolne obrzeże jej korpusu znajduje się wewnątrz obwodu zamkniętego toru łuku plazmowego lub na zewnątrz obwodu zamkniętego toru łuku plazmowego.

W obszarze dolnego obrzeża korpusu elektrody przynajmniej dolny odcinek każdej szczeliny jest ukształtowany przez zakładkę między częściami sąsiednich sektorów zawierającymi strefy przekazywania i przejmowania łuku plazmowego.

Korpus elektrody jest wielościanem o profilu gwiaździstym i jest zestawiony z wielu modularnych segmentów o kształcie ściętych trójkątów, z których każdy stanowi sektor ściany korpusu i które zachodzą na siebie wzajemnie w pobliżu szczelin.

Opracowano sposób obróbki cieplnej krzepnącego w formach ciekłego metalu za pomocą krążącego łuku plazmowego generowanego w generatorze łuku plazmowego. Generator łuku plazmowego, według wynalazku ma prostą i niezawodną konstrukcję. Dostosowany jest do generacji krążącego w sposób ciągły po zamkniętym torze i samostabilizującego się łuku

183 557 plazmowego bez konieczności chłodzenia wodnego czy wtrysku gazu obojętnego. Ponadto, nadaje się do pracy z mocą do 50 kW w dłuższym czasie.

Kolejną zaletą opisanego sposobu obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według wynalazku jest możliwość sterowania warunkami schładzania i zestalania ciekłego metalu za pomocą łuku plazmowego, co poprawia jakość zestalonego metalu. Przy stosowaniu generatora łuku plazmowego, według wynalazku taka poprawa występuje wskutek przemieszczania łuku plazmowego po zamkniętym torze pod działaniem sił Lorentz'a w nim generowanych.

Ponadto stwierdzono, że dzięki stosowaniu sposobu obróbki cieplnej materiałów, według wynalazku unika się defektów występujących przy znanych sposobach, takich jak na przykład tworzenie się jam i niejednorodności składu chemicznego i struktury krystalicznej w przekroju wlewka.

Jeszcze inną zaletą sposobu obróbki cieplnej, według wynalazku jest poprawa struktury krystalicznej zestalonego metalu, przypuszczalnie w wyniku działania pól elektromagnetycznych, które powodują powstawanie siły Lorentz’a.

Przy zastosowaniu sposobu obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według wynalazku ilość odpadów metalu znacznie zmniejsza się.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny widok perspektywiczny jednego z przykładów wykonania elektrody do generatora łuku plazmowego według wynalazku, fig. 2A - schematyczny widok z boku innego przykładu wykonania elektrody z przeciwelektrodą, do generatora łuku plazmowego według wynalazku, fig. 2B - widok od góry przykładu wykonania elektrody z fig. 2A, fig. 3 - schematyczny widok perspektywiczny innego przykładu wykonania elektrody wraz przeciwelektrodą, do generatora łuku plazmowego według wynalazku, fig. 4 schematyczny widok perspektywiczny kolejnego przykładu wykonania elektrody do generatora łuku plazmowego według wynalazku, fig. 5 - schematyczny przekrój przykładu wykonania generatora łuku plazmowego do pośredniej obróbki cieplnej, fig. 6 - schematyczny przekrój przykładu wykonania generatora łuku plazmowego do bezpośredniej obróbki cieplnej, fig. 7A - schematyczny przekrój innego przykładu wykonania generatora łuku plazmowego do bezpośredniej obróbki cieplnej, fig. 7B - schematyczny widok od dołu przykładu wykonania generatora z fig. 7A, fig. 8 - schematyczny przekrój przez zespół zapłonowy generatora łuku plazmowego według niniejszego wynalazku, fig. 9 - schematyczny ogólny widok/przekrój zestawu do obróbki cieplnej ciekłego metalu w formie, za pomocą generatora łuku plazmowego według niniejszego wynalazku, a fig. 10 przedstawia zestalone wlewki uzyskane w wyniku sposobu obróbki cieplnej krzepnącego metalu według niniejszego wynalazku (wlewek b) i w wyniku innego sposobu wytwarzania wlewków krzepnącego metalu (wlewek a).

Sposób obróbki cieplnej krzepnącego metalu polega na tym, że za pomocą dwuszynowej struktury zawierającej elektrodę i przeciwelektrodę, generuje się łuk plazmowy pomiędzy dolnym obrzeżem elektrody a przeciwelektrodą i ogrzewa się ciekły metal za pomocą tego łuku plazmowego. Jak przedstawiono na fig. 7A, 7B, następnie umieszcza się generator łuku plazmowego 80 dolnym obrzeżem 90 jego elektrody 81 w dobranej odległości W od powierzchni metalu łączy się elektrodę 81 z jednym biegunem elektrycznego źródła zasilania 84, a przeciwelektrodę 86 z drugim biegunem elektrycznego źródła zasilania 84. Po czym powoduje się zapłon łuku plazmowego 101 i powstały łuk plazmowy 101 przemieszcza się nieprzerwanie po zamkniętym torze w jednym kierunku 94 wzdłuż dolnego obrzeża 90 elektrody 81.

Korzystnie w sposobie obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według wynalazku, utrzymuje się stałą odległość W między dolnym obrzeżem 90 elektrody 81 a powierzchnią metalu, stanowiącą przeciwelektrodę 86, poprzez sukcesywne opuszczanie elektrody 81. Realizowane jest to dzięki zastosowaniu w zestawie do obróbki cieplnej krzepnącego metalu zespołu osiowego przemieszczania do regulacji i optymalizacji odległości W dolnego obrzeża 90 elektrody 81 od podłoża będącego ciekłym metalem.

Sposób obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według wynalazku realizowany jest przez generator łuku plazmowego 50, 70, 80. 126 przedstawiony na fig. 5-8.

183 557

Figury 5 i 6 przedstawiają schematyczny przekrój przykładu wykonania generatora łuku plazmowego według wynalazku, typów, odpowiednio do pośredniej i do bezpośredniej obróbki cieplnej.

Na fig. 5 przedstawiono przekrój osiowy generatora łuku plazmowego 50, według niniejszego wynalazku, zawierającego rurową elektrodę 51 z ukośną przelotową szczeliną 52 i z zespołem przyłączeniowym 53. Elektroda 51 jest otoczona cylindryczną obudową 54 i jest zaopatrzona w pokrywę 55. Pokrywa 55 jest elementem opcjonalnym. Elektroda 51 i obudowa 54 są połączone z dwoma przeciwnymi biegunami wysokoprądowego źródła zasilania 56, znanego typu, przy czym obudowa 54 stanowi w tym przykładzie wykonania przeciwelektrodę. Generator łuku plazmowego 50 jest zaopatrzony również w zespół zapłonowy 57 do inicjowania pomocniczego wyładowania łukowego. Zespół zapłonowy 57 zawiera elektrodę zapłonową 58 zasilaną z oscylatora wysokonapięciowego 59, znanego typu, a występ 60 na wewnętrznej powierzchni ściany obudowy 54 usytuowany w pobliżu elektrody 51 ułatwia zapłon pomocniczego wyładowania łukowego 61, które po zapłonie przemieszcza się do dolnego obrzeża 63 elektrody 51. Przemieszczenie pionowe pomocniczego wyładowania łukowego jest spowodowane również siłą Lorentz'a, która w tym konkretnym przypadku powstaje w wyniku istnienia przewodzącej prąd, dwuszynowej struktury złożonej z elektrody 51 i obudowy 54. Główne wyładowanie łukowe w postaci łuku plazmowego 62 powstaje między dolnym obrzeżem 63 elektrody 51, a przeciwelektrodą, którą stanowi obudowa 54, i zaczyna krążyć wokół dolnego obrzeża 63 rurowej elektrody 51 zapewniając równocześnie obróbkę cieplną podłoża 64 (na przykład bloku betonowego).

Na fig. 6 przedstawiono schematyczny przekrój przykładu wykonania generatora łuku plazmowego 70, według wynalazku, typu do bezpośredniej obróbki cieplnej w sposobie obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według niniejszego wynalazku. Rurowa elektroda 71 generatora łuku plazmowego 70 ma opisaną powyżej konstrukcję i jest dołączona do dodatniego bieguna elektrycznego źródła zasilania 72, przy czym biegun ujemny jest dołączony do przeciwelektrody 73, którą w tym przykładzie wykonania generatora łuku plazmowego, według wynalazku, stanowi elektrycznie przewodzące podłoże w postaci obrabianego obiektu. Biegun ujemny elektrycznego źródła zasilania 72 dołączony jest również do cylindrycznej obudowy 74 koncentrycznie otaczającej elektrodę 71. Dolna część powierzchni wewnętrznej ściany obudowy 74 pokryta jest elektrycznie przewodzącą warstwą odporną na wysoką temperaturę, na przykład jest malowana odpowiednią farbą. Zespół zapłonowy 75 jest montowany w pierścieniowej przestrzeni utworzonej między elektrodą 71 a obudową 74. Przy zasilaniu zespołu zapłonowego 75 z oscylatora 76 wysokiego napięcia, między elektrodą 71 a zespołem zapłonowym 75 powstaje pomocnicze wyładowanie łukowe 77, które następnie przemieszcza się w dół do dolnego obrzeża 78 elektrody 71. Dolne obrzeże 78 elektrody 71 generatora łuku plazmowego 70 jest stożkowe, jak to przedstawiono na fig. 6 rysunku, zapewniając w ten sposób pożądany kształt i ukierunkowanie głównego łuku plazmowego 79. Stożkowego dolne obrzeże 78 i malowana dolna część powierzchni wewnętrznej ściany obudowy 74 generatora łuku plazmowego 70 umożliwiają rozpięcie się łuku plazmowego 79 od dolnego obrzeża 78 do powierzchni podłoża 73, a nie do obudowy 74.

Na fig. 7A i 7B przedstawiono schematyczny przekrój osiowy i widok od dołu innego przykładu wykonania generatora łuku plazmowego według niniejszego wynalazku. Generator łuku plazmowego 80 zawiera rurową główną elektrodę 81 zainstalowaną wewnątrz cylindrycznej obudowy 82 uszczelnionej od góry pokrywą 83, która jest elementem opcjonalnym. Generator łuku plazmowego 80 dołączony jest do zasilacza 84 zawierającego źródło wysokoprądowe i oscylator wysokiego napięcia (nie pokazany) służący do zasilania energią elektrody 81 i przeciwelektrody 86 oraz zespołu zapłonowego 85 generatora łuku plazmowego 80. Oś wzdłużna elektrody 81 jest prostopadła do podłoża, czyli powierzchni obrabianego przedmiotu, na przykład kawałka metalu. Przeciwelektrodę 86 w tym przykładzie wykonania generatora łuku plazmowego, według wynalazku stanowi obrabiane podłoże, tutaj metal. Obudowa 82 mieszcząca elektrodę 81 jest zainstalowana w odległości W od powierzchni obrabianego metalowego przedmiotu w celu utworzenia przestrzeni roboczej dla łuku plazmowego 101. Elektroda 81 generatora łuku plazmowego 80, według wynalazku, może być wytwarzana

183 557 z grafitu lub z przewodzącego elektrycznie, odpornego na ścieranie materiału ogniotrwałego. Zespół zapłonowy 85 wystaje z pokrywy 83 i jest usytuowany w pierścieniowej przestrzeni między elektrodą 81 a obudową 82. Elektryczny zespół przyłączeniowy 93 jest odłączalnie zainstalowany w pokrywie 83, a dołączony jednym końcem do elektrycznego źródła zasilania 84 a drugim końcem do elektrody 81, w celu zasilania jej energią elektryczną.

Szczelina 88 przedstawiona na fig. 7A sięga od górnego obrzeża 89 cylindrycznej rurowej elektrody 81 w dół do jej roboczego dolnego obrzeża 90, i ma górny odcinek 91 przy górnym obrzeżu 89, główny odcinek szczeliny 88 i dolny odcinek 92 przy dolnym obrzeżu 90. Jak to przedstawiono na fig. 7A, szczelina 88 składa się z dwóch części, jednej pionowej, która jest równoległa do tworzącej cylindrycznej powierzchni bocznej elektrody 81 oraz części ukośnej, które tworzą ze sobą kąt rozwarty. Dzięki takiej konstrukcji szczeliny 88, odcinki górny 91 i dolny 92 obrzeży górnego 89 i dolnego 92 nie są współliniowe i są przemieszczone kątowo w sposób przedstawiony na fig. 7B. Elektroda 81 zawiera jeden sektor z zespołem przyłączeniowym 93 zainstalowanym na pokrywie 83 za pomocą tulei izolacyjnej i mającym gniazdo na górnym obrzeżu 89 elektrody 81 w bezpośredniej bliskości górnego odcinka 91 szczeliny 88 przy górnym obrzeżu 89. Rzut zespołu przyłączeniowego 93 na dolne obrzeże 90 znajduje się między dolnym odcinkiem 92 szczeliny 88 przy dolnym obrzeżu 90, a rzutem górnego odcinka 91 szczeliny 88 przy górnym obrzeżu 89 na dolne obrzeże 90, w odstępie L od dolnego odcinka 92 w kierunku przeciwnym do kierunku 94 przemieszczania się łuku plazmowego 101, przedstawionym strzałkami na kołowej linii przerywanej.

Figura 8 przedstawia schematyczny przekrój przez jeden z przykładów wykonania zespołu zapłonowego generatora łuku plazmowego, według niniejszego wynalazku, na przykład jak przedstawionego na fig. 7A z odnośnikiem 85. Zespół zapłonowy 85 może być zamocowany w sposób odłączalny na pokrywie 83 generatora łuku plazmowego 80 z fig. 7A i 7B, rozciągając się między elektrodą 81 a powierzchnią wewnętrzną ściany obudowy 82. Jednak możliwe są również inne lokalizacje zespołu zapłonowego 85. W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 8, zespół zapłonowy 85 zawiera elektrody, pierwszą 95, drugą 96 i trzecią 97, które są połączone z elektrycznym źródłem zasilania 84 i są zamocowane wewnątrz wysokonapięciowej pokrywy izolacyjnej 98. Elektroda pierwsza 95 ma postać podłużnego trzpienia częściowo i współosiowo zamocowanego w rurowej elektrodzie drugiej 96 z odstępem od niej i utworzeniem pierścieniowej przestrzeni 99. Elektroda trzecia 97 ma postać pręta zainstalowanego poziomo w pobliżu górnej krawędzi rurowej elektrody drugiej 96 z jednym jej końcem wewnątrz zespołu zapłonowego 85 usytuowanym w pobliżu elektrody pierwszej 95. Elektroda trzecia 97 jest usytuowana prostopadle do elektrod pierwszej 95 i drugiej 96, i jest połączona z oscylatorem wysokiego napięcia (nie pokazany).

Korzystne jest, jeśli górna część rurowej elektrody drugiej 96 jest ukształtowana z występem 100 na wewnętrznej powierzchni ściany elektrody drugiej 96 z utworzeniem zwężonej szczeliny między elektrodami pierwszą 95 i drugą 96 w obszarze, w którym przykładane jest wysokie napięcie oscylacyjne.

Korzystne jest, jeśli zespół zapłonowy 85 jest zainstalowany z dala od przestrzeni roboczej określonej odległością W, aby na jego działanie nie wpływało silnie gorące i wysoce erozyjne środowisko przestrzeni roboczej. W praktyce, korzystne jest, jeśli zespół zapłonowy 85 ma postać modułu wygodnego do szybkiej i łatwej konserwacji i wymiany.

Generator łuku plazmowego 80 przedstawiony na fig. 7A, 7B i 8 działa w sposób następujący. Następuje włączenie zasilania, i napięcie o wartości w przybliżeniu 170V jest przykładane równocześnie w przestrzeni roboczej między elektrodę 81 a obudową 82, jak również w pierścieniowej przestrzeni 99, między elektrodami pierwszą 95 i drugą 96 zespołu zapłonowego 85. Następnie zostaje włączony oscylator wysokonapięciowy dla podania oscylacyjnego wysokiego napięcia o wartości dostatecznej do powstania wyładowania między występem 100 a elektrodą pierwszą 95. To wyładowanie łukowe poprzedza powstanie pomocniczego wyładowania łukowego w szczelinie pomiędzy współosiowo umieszczonymi elektrodami pierwszą 95 i drugą 96. Pomocnicze wyładowanie łukowe przemieszcza się w dół wzdłuż ściany elektrody 81 wskutek przyspieszania, które powstaje między równoległymi odpowiednimi powierzchniami, wewnętrzną cylindrycznej obudowy 82 i zewnętrzną elektrody 81,

183 557 a następnie zostaje dopchnięte do dolnego obrzeża 90 elektrody 81 z prędkością około 40 m/s. Całkowity czas zapłonu nie przekracza 0,002 s. Po dojściu pomocniczego wyładowania łukowego, inicjowanego w zespole zapłonowym 85, do dolnego obrzeża 90, przybiera ono postać wyładowania głównego, czyli łuku plazmowego 101, między dolnym obrzeżem 90 elektrody 81 generatora łuku plazmowego 80, a przeciwelektrodą 86 stanowiącą powierzchnię obrabianego metalu, przy czym łuk plazmowy 101 krąży w przestrzeni roboczej określonej odległością W.

Na fig. 1 przedstawiono w widoku perspektywicznym jeden z przykładów wykonania elektrody do generatora łuku plazmowego, według niniejszego wynalazku. Elektroda 2 zawiera korpus, korzystnie rurowy cylindryczny o osi podłużnej, mający górne obrzeże 3 i robocze dolne obrzeże 4 dla łuku plazmowego i stanowi strukturę dwuszynową, która przy pracy określa zamknięty tor przemieszczenia elektrycznego łuku plazmowego pod działaniem siły Lorentz'a generowanej w urządzeniu. Ściana 5 cylindrycznego korpusu elektrody 2 jest rozdzielona pojedynczą szczeliną 6 biegnącą w kierunku osiowym i posiadającą górny odcinek 7 przy górnym obrzeżu 3. główny odcinek 8 i dolny odcinek 9 przy dolnym obrzeżu 4. Główny odcinek 8 szczeliny 6 posiada dwie części tworzące między sobą kąt rozwarty. Szczelina 6 dzieli ścianę 5 na dwa sektory, 10 i 11. Elektroda 2 w pobliżu górnego obrzeża 3 zaopatrzona jest w gniazdo 12 zespołu przyłączeniowego 13 służącego do połączenia z biegunem elektrycznego źródła zasilania (nie pokazane). Gniazdo 12 zespołu przyłączeniowego 13 nie musi być umieszczone przy górnym obrzeżu 3, a może znajdować się w innym miejscu korpusu, lecz korzystnie w dobranej odległości od roboczego dolnego obrzeża 4 tak, aby nie znajdowało się pod działaniem łuku plazmowego i oparów podłoża. Przerywana strzałka na fig. 1 wskazuje kierunek 14 przemieszczania się generowanego podczas pracy pod działaniem siły Lorentz'a elektrycznego łuku plazmowego. Jak wspomniano, do realizacji przemieszczania łuku plazmowego w generatorze łuku plazmowego potrzebna jest dwuszynową struktura utworzona przez elektrodę 2 z dolnym obrzeżem 4 i przeciwelektrodę 15.

Dolny odcinek 9 szczeliny 6 przy dolnym obrzeżu 4 rozdziela strefę przekazywania 16 i strefę przejmowania 17 łuku plazmowego. Strefa przejmowania 17 znajduje się na tym samym sektorze 11 ściany 5, co gniazdo 12 zespołu przyłączeniowego 13.

W tym przykładzie wykonania elektrody do generatora łuku plazmowego, według wynalazku, szczelina 6 elektrody 2 jest tak ukształtowana, że rzut 19 gniazda 12 zespołu przyłączeniowego 13 na dolne obrzeże 4 elektrody 2 znajduje się blisko strefy przekazywania 16 i jest odsunięty od strefy przejmowania 17 łuku plazmowego w kierunku, który jest przeciwny do wspomnianego kierunku 14, o odstęp L. Odległość ta jest nie mniejsza od największej średnicy stopy rzeczywistej kolumny generowanego łuku plazmowego.

Łuk plazmowy między elektrodą 2 a przeciwelektrodą 15 w generatorze łuku plazmowego, według wynalazku, tworzy kolumnę przewodzącą prąd i mostkującą dwie elektrody 2 i 15. Ponieważ elektroda 2 i przeciwelektrodą 15 stanowią dwuszynową strukturę, to prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne, które oddziałuje wzajemnie z prądem łuku plazmowego i jego polem magnetycznym, powodując powstanie siły Lorentz'a, która przemieszcza kolumnę łuku plazmowego wzdłuż dolnego obrzeża 4 w kierunku na zewnątrz od rzutu 19 gniazda 12 zespołu przyłączeniowego 13, to znaczy w pierwszym kierunku 14, wskazanym przerywaną strzałką.

W generatorze łuku plazmowego, według wynalazku, nieprzerwane przemieszczanie łuku plazmowego osiąga się dzięki temu, że przy każdorazowym przechodzeniu przez dolny odcinek 9 elektrody 2 przy jej dolnym obrzeżu 4 stopa łuku plazmowego znajduje się za (w odniesieniu do ruchu łuku zgodnie z kierunkiem 14) strefą elektrycznego oddziaływania od gniazda 12 zespołu przyłączeniowego 13, to znaczy za rzutem 19.

Na fig. 2A i 2B przedstawiono inny przykład wykonania elektrody 20 do generatora łuku plazmowego, według wynalazku. Elektroda 20 zawiera prostokątny rurowy korpus złożony z pewnej liczby segmentów stanowiących sektory 21 ściany elektrody 20 i rozdzielone wieloma ukośnymi szczelinami 22.

Górne krawędzie segmentów 21 stanowią górne obrzeże 24 elektrody 20, a dolne ich krawędzie stanowią jej dolne obrzeże 27. zatem każdy z sektorów 21 ma obrzeże górne i dolne.

183 557

Każdy z sektorów 21 elektrody 20 jest zaopatrzony w gniazdo i w, osadzony w górnej wewnętrznej części sektorów 21 w pobliżu ich górnego obrzeża, przewód, tworzące zespół przyłączeniowy 23 elektrody 20. Wszystkie przewody połączone są za pośrednictwem wspólnej doprowadzającej prąd płyty 25, dołączonej do bieguna elektrycznego źródła zasilania (nie pokazane) za pośrednictwem szyny 26. Chociaż kształty i liczba sektorów są różne, to rozmieszczenie elementów zespołu przyłączeniowego 23 oraz stref przekazywania i przejmowania łuku plazmowego po dwóch stronach szczeliny 22 w pobliżu dolnego obrzeża 27 elektrody 20 jest podobne do ich rozmieszczenia w elektrodzie 2 do generatora łuku plazmowego, według wynalazku, w innym jego przykładzie wykonania pokazanym na fig. 1. Jak można zauważyć, rzut każdego gniazda przyporządkowanego do danego sektora 21 korpusu elektrody 20 na płaszczyznę dolnego obrzeża 27 elektrody 20 leży w sąsiednim sektorze 21 elektrody 20, w pobliżu strefy przekazywania łuku plazmowego. Na fig. 2A i 2B schematycznie przedstawiono przeciwelektrodę 28 umieszczoną pod dolnym obrzeżem 27 elektrody 20. Przeciwelektroda 28 zaopatrzona jest w zacisk 29 do dołączenia do przeciwnego bieguna elektrycznego źródła zasilania (nie pokazane). Kiedy między elektrodą 20 a przeciwelektrodą 28 jest inicjowany elektryczny łuk plazmowy, to powstaje siła Lorentz'a, pod działaniem której łuk plazmowy jest nieprzerwanie przemieszczany wzdłuż roboczego dolnego obrzeża 27 rurowego korpusu w pierwszym kierunku oznaczonym na fig. 2B przerywaną linią ze strzałką.

Figura 3 przedstawia kolejny przykład wykonania elektrody 30 do generatora łuku plazmowego według wynalazku. Elektroda 30 ma rurowy korpus o gwiaździstym kształcie złożony z wielu segmentów o zarysie ściętych trójkątów stanowiących sektory 31 ściany korpusu i rozdzielonych osiowo biegnącymi szczelinami 32. W kierunku osiowym rurowy korpus elektrody 30 rozciąga się między jej górnym obrzeżem 33, a roboczym dolnym obrzeżem 34. Każdy z sektorów 31 ściany korpusu o zarysie ściętych trójkątów ma pierwszą część 35 ściany korpusu, na której znajduje się strefa przejmowania łuku plazmowego oraz przewód elektryczny zespołu przyłączeniowego 37, i drugą część 36 ściany korpusu; na której znajduje się strefa przekazywania łuku plazmowego. Krawędź bliższa 38 pierwszej części 35 ściany sektora 31 znajduje się blisko odpowiadającej jej szczeliny 32, a naprzeciw niej znajduje się krawędź dalsza 39 drugiej części 36 ściany sąsiedniego sektora 31. Przewody zespołu przyłączeniowego 37 wszystkich sektorów 31 elektrody 30 dołączone są do wspólnej płyty 40 zaopatrzonej w szynę 41 do dołączenia do bieguna elektrycznego źródła zasilania (nie pokazane). Poniżej elektrody 30 usytuowana jest, przedstawiona schematycznie, przeciwelektroda 42 z zaciskiem 43 do dołączenia do przeciwnego bieguna elektrycznego źródła zasilania.

Można zauważyć, że sektory 31 elektrody 30 rozmieszczone są w taki sposób, że rzuty gniazd przewodów zespołu przyłączeniowego 37 na dolne obrzeże 34 usytuowane są na obwodzie zamkniętego toru łuku plazmowego w pierwszym kierunku, przedstawionym za pomocą linii przerywanej ze strzałkami. Ponadto, każda pierwsza część 35 ściany sektora 31 częściowo zachodzi na drugą część 36 ściany sąsiedniego sektora 31 elektrody 30 z utworzeniem szczeliny 32. Tak więc, każda krawędź bliższa 38 z umieszczonym w jej pobliżu przewodem zespołu przyłączeniowego 37 jest usytuowana z odstępem L od sąsiedniej krawędzi dalszej 39 w drugim kierunku, przeciwnym do pierwszego kierunku. W tym przykładzie wykonania elektrody, odstęp L stanowi również odległość między strefą przejmowania łuku plazmowego, a rzutem gniazda przewodu zespołu przyłączeniowego 37 na dolne obrzeże 34. Strefa przekazywania i strefa przejmowania łuku plazmowego stanowią strony każdej ze szczelin 32 w pobliżu dolnego obrzeża 34. Dzięki takiej konstrukcji, każda strefa przekazywania łuku plazmowego (niewidoczna) przekazuje przemieszczającą się kolumnę łuku plazmowego na sąsiednią strefę przejmowania przez odcinek szczeliny 32 w obszarze dolnego obrzeża 34 w miejscu, które znajduje się za gniazdem przewodu zespołu przyłączeniowego 37 zgodnie z kierunkiem ruchu łuku plazmowego, zapewniając w ten sposób nieprzerwane przemieszczanie się łuku w pierwszym kierunku.

Figura 4 przedstawia schematyczny widok jeszcze innego przykładu wykonania elektrody 44 do generatora łuku plazmowego, według wynalazku. Ten przykład wykonania elektrody do generatora łuku plazmowego, według wynalazku jest podobny do przykładu wykonania elektrody 30 z fig. 3 z tym, że szczeliny 49 są osiowe, a odcinki górny przy górnym

183 557 obrzeżu elektrody 44, główny i dolny przy dolnym obrzeżu elektrody 44 współliniowe, i również tym, że rzuty gniazd przewodów zespołu przyłączeniowego 45 na płaszczyznę P podtrzymującą robocze dolne obrzeże 46 elektrody 44 są odsunięte od zamkniętego toru 47 przemieszczania łuku plazmowego po tej płaszczyźnie P. Jednak w odróżnieniu od przykładu wykonania elektrody z fig. 3, rzuty gniazd przewodów zespołu przyłączeniowego 45 wypadają na zewnątrz obwodu toru 47, a sektory 48 ściany korpusu nie zachodzą na siebie nawzajem przy szczelinach 49. Podobnie, jak na fig. 3, każdy rzut gniazda przewodu zespołu przyłączeniowego 45 na płaszczyznę P wyznaczoną przez dolne obrzeże 46 jest odsunięty od strefy przekazywania łuku plazmowego w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu łuku plazmowego, o odstęp L, dzięki czemu podczas pracy zapewnione jest nieprzerwane przemieszczanie łuku plazmowego po torze zamkniętym.

Część łuku plazmowego 62, 79, 101 będąca w kontakcie z dolnym obrzeżem 4, 27, 34, 46, 63, 78, 90 elektrody 2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127 do generatora łuku plazmowego 50, 70, 80, 126, według wynalazku, zwana jest wśród specjalistów stopą. Przy pracy elektrody 2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127 do generatora łuku plazmowego 50, 70, 80, 126, według niniejszego wynalazku, stopa łuku plazmowego 62, 79, 101 przemieszcza się po zamkniętym torze wzdłuż dolnego obrzeża 4, 27, 34, 46, 63, 78, 90.

Należy zauważyć, że średnica kolumny łuku plazmowego 62, 79, 101 i średnica stopy łuku plazmowego 62, 79, 101 mają wartości, które można zmierzyć doświadczalnie. Wartości najmniejszej i największej średnicy kolumny łuku plazmowego 62, 79, 101 można ponadto wyliczyć z wartości najmniejszych wartości prądów łuku plazmowego 62, 79, 101 za pomocą równań znanych specjalistom. Na przykład, w środowisku gazowym pod ciśnieniem atmosferycznym i przy prądzie łuku plazmowego 62, 79, 101 około 300 A, ta średnica łuku plazmowego 62, 79, 101 na stałej elektrodzie 2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127 osiąga około 5 cm, a średnica stopy łuku plazmowego 62, 79, 101 zawiera się w zakresie od 3 mm do 5 mm.

Znaczenie wspomnianych powyżej warunków polega na tym, że najwęższa możliwa kolumna łuku plazmowego 62, 79, 101 inicjowana w generatorze łuku plazmowego 50, 70, 80, 126 powinna być w stanie przebyć szczelinę, a najszersza stopa łuku plazmowego 62, 79, 101 nie powinna zakrywać strefy znajdującej się pod gniazdem 12 do osadzenia przewodu zespołu przyłączeniowego 13, 23, 37, 45, 53, 93 podczas przechodzenia w poprzek dolnego obrzeża 4, 27, 34, 46, 63, 78, 90, lecz raczej powinna przechodzić przez strefę przejmowania 17, która jest przemieszczona w bok względem gniazda 12 zespołu przyłączeniowego 13, 23, 37, 45, 53, 93 we wspomniany sposób, dzięki czemu zapewnione jest nieprzerwane przemieszczanie się elektrycznego łuku plazmowego 62, 79, 101.

W razie potrzeby, dolne obrzeże 4, 27, 34, 46, 63, 78, 90 elektrody 2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127 może być ukształtowane stożkowe, dzięki czemu powierzchnia dla wyładowania elektrycznego jest zwiększona i odchylona od prostopadłej do osi rurowego korpusu, umożliwiając w ten sposób korygowanie kierunku 14, 94 łuku plazmowego 62, 79, 101.

W razie potrzeby, sektory ściany elektrody generatora łuku plazmowego, według wynalazku mogą być skonstruowane tak, że przynajmniej odcinek dolnego obrzeża elektrody przy każdej szczelinie jest ukształtowany przez zakładkę między sąsiednimi sektorami, tworząc strefy przekazywania i przejmowania łuku plazmowego. Na przykład, rurowy korpus elektrody do generatora łuku plazmowego, według wynalazku może mieć przekrój gwiaździsty wieloboczny i być zestawiony z wielu modułowych segmentów korpusu częściowo zachodzących na siebie krawędziami, jak w przykładzie wykonania elektrody 30 pokazanym na fig. 3. Przy takiej konstrukcji, powierzchnia przekroju elektrody 30 jest powiększona poza cylindryczny rurowy korpus, którego obwód jest wyznaczony gniazdami zespołu przyłączeniowego 37 przy górnym obrzeżu 33.

Po zasileniu, elektroda 2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127 generatora łuku plazmowego 50, 70, 80, 126, według niniejszego wynalazku, na przykład wykonana z grafitu lub metalu trudnotopliwego, jest w stanie generować, bez potrzeby chłodzenia wodnego, łuk plazmowy 62, 79, 101 o mocy aż do 50 kW. Natomiast w przypadku elektrod 2, 20, 30, 44, 51,71,81, 127 do generatora łuku plazmowego 50, 70, 80, 126, według wynalazku, o wymiarze przekroju korpusu nie przekraczającym 7 cm, może być wymagana praca z przerwami.

183 557

Wszystkie przykłady wykonania elektrody 2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127 do generatora łuku plazmowego 50, 70, 80, 126, według wynalazku, przedstawione na fig. 1 do 4 są zaprojektowane dla zapewnienia nieprzerwanej cyrkulacji łuku plazmowego 62, 79, 101 w generatorze łuku plazmowego 50, 70, 80, 126. Jak wspomniano, szerokość dolnego odcinka 9, 92 szczeliny 6, 22, 32, 49, 52, 88 przy dolnym obrzeżu 4, 27, 34, 46, 63, 78, 90 jest, korzystnie, nie większa od średnicy najwęższej kolumny łuku plazmowego 62, 79, 101 nominalnie inicjowanego na tej elektrodzie 2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127, a odległość L jest, korzystnie, nie mniejsza od najszerszej stopy łuku plazmowego 62, 79, 101 generowanego na elektrodzie 2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127.

Figura 9 przedstawia schematyczny ogólny widok/przekrój zestawu do obróbki cieplnej krzepnącego ciekłego metalu 122 we wlewnicy 120, zawierającego generator łuku plazmowego 126 według niniejszego wynalazku.

Zestaw przedstawiony na fig. 9 zawiera wlewnicę 120, która ma denne urządzenie wlewowe z wlewem głównym 121. Ciekły metal 122 jest wlewany z kadzi (nie pokazana) do leja 124 zespołu wlewu głównego 121, następnie przedostaje się do wlewnicy 120 przez jej dno i wypełnia ją do wysokości regulowanej przez czujnik 125. W sąsiedztwie górnej części wlewnicy 120 znajduje się generator łuku plazmowego 126, według wynalazku, zawierający elektrodę 127, osadzony w wózku 128 z kołami 135 na szynach 129. Generator łuku plazmowego 126 może nawrotnie przesuwać się między położeniem spoczynkowym poza wlewnicą 120 a położeniem roboczym, na wprost wlewnicy 120. Poza tym stosowany jest zespół osiowego przemieszczania (nie pokazany) umożliwiający podnoszenie i opuszczanie generatora łuku plazmowego 126.

Zestaw do obróbki cieplnej krzepnącego metalu wykorzystywany w sposobie obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według wynalazku, zawiera ponadto główne źródło zasilania 130, oscylator wysokonapięciowy 131 i płytę sterownicza 132, która służy do sterowania przesuwem generatora łuku plazmowego 126 do położenia roboczego i z powrotem, oraz do sterowania jego działaniem podczas cyklu roboczego. W tym celu płyta sterownicza 132 jest wyposażona w odpowiednie elektroniczne jednostki sterowania (nie pokazane) umożliwiające uruchamianie w trybie ręcznym lub zgodnie z zadanym programem.

Magistrala 133 z odpowiednimi kablami elektrycznymi służy do połączenia elektrycznych źródeł zasilania 130, 131 z generatorem łuku plazmowego 126 za pośrednictwem płyty sterowniczej 132, z ciekłym metalem 122 za pośrednictwem przewodu 134 i z zespołem kół 135 oraz czujnikiem 125.

W praktyce, generator łuku plazmowego 126 jest przestawiany w położenie robocze ponad wlewnicą 120, przy czym ciekły metal 122 jest wlewany do formy aż do pewnego poziomu sterowanego przez czujnik 125. Poziom ciekłego metalu 122 określa odległość W w przestrzeni roboczej między powierzchnią ciekłego metalu 122 w formie, a dolnym obrzeżem elektrody 127. Odległość W zwykle utrzymuje się w zakresie od 8 mm do 10 mm dla napięcia roboczego w zakresie od 60 V do 80 V. W przypadku napięć roboczych powyżej 80 V odległość W zwiększa się, i na przykład przy wartości 170 V wynosi 25 mm. Po wyregulowaniu odległości W przestrzeni roboczej, następuje włączenie elektrycznego źródła zasilania 130 i oscylatora wysokonapięciowego 131, przy czym pomocnicze wyładowanie łukowe jest generowane i jest utrzymywane aż do zainicjowania głównego łuku plazmowego i rozpoczęcia się obróbki cieplnej powierzchni metalu 122. Oscylator wysokonapięciowy 131 zwykle jest utrzymywany w stanie włączenia aż do ustabilizowania się łuku plazmowego, co jest wskazywane przez przepływ prądu elektrycznego, odpowiedni do mocy potrzebnej w danym zastosowaniu. Na przykład, przy napięciu 170 V można uzyskać łuk plazmowy z prądem wynoszącym 300 A, co daje 50 kW mocy elektrycznej. Wysokość elektrody 127 generatora łuku plazmowego 126, według wynalazku, wynosi w przybliżeniu 40 mm do 60 mm dla wlewka o masie około 20 kg.

Czas trwania głównego wyładowania w postaci łuku plazmowego, to znaczy czas potrzebny na obróbkę cieplną można regulować za pomocą odpowiedniego bloku czasowego (nie pokazany). W praktyce blok czasowy powinien nadawać się do ciągłego lub okresowego włączania mocy zasilania przy krzepnięciu wlewka w formie.

183 557

Po zakończeniu obróbki cieplnej następuje wyłączenie generatora łuku plazmowego 126, i odsunięcie z położenia roboczego, a po dalszym ostygnięciu schładzanego wlewka generator łuku plazmowego 126 może być zdjęty z formy.

Należy zaznaczyć, że dzięki stałej cyrkulacji głównego wyładowania łukowego w postaci łuku plazmowego, osiąganej w sposobie obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według niniejszego wynalazku, możliwe jest dokonywanie potrzebnej obróbki cieplnej przy zmianie odległości W przestrzeni roboczej. Zatem, w razie potrzeby generator łuku plazmowego 126 może być zaopatrzony w zespół osiowego przemieszczania (nie pokazany) do pionowego podnoszenia i opuszczania elektrody 127 wewnątrz obudowy generatora łuku plazmowego 126, i regulacji w ten sposób odległości W przestrzeni roboczej (patrz fig. 7A). Takie przesuwanie pionowe jest regulowane w sposób ciągły przez czujnik 125 monitorujący poziom ciekłego metalu 122 w formie, zapewniając sukcesywne, kontrolowane opuszczanie elektrody 127 generatora łuku plazmowego 126 odpowiednio do skurczu metalu 122, dzięki czemu w sposobie obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według wynalazku, poprawia się jakość obróbki cieplnej i zmniejsza się ilość odpadów metalu poprzez eliminację defektów wlewków.

Wynik obróbki cieplnej przedstawiono na fig. 10, która ukazuje fotografie dwóch zestalonych wlewków (a) i (b) ze stopu aluminiowego A332.0. Wlewek (b) uzyskano w wyniku sposobu obróbki cieplnej krzepnącego metalu według wynalazku, a wlewek (a) uzyskano w wyniku innego sposobu wytwarzania wlewków metalu. Masa wlewków wynosi 7,2 kg. Konwencjonalny wlewek (a) zawiera pęcherze w górnej części, a w konsekwencji duża część wlewka musi być odrzucona przez użytkownika jako odpad. W odróżnieniu od tego, wlewek (b), który podczas schładzania w sposobie obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według niniejszego wynalazku, był poddawany obróbce krążącym tukiem plazmowym w czasie 50 s, ma gładką górną powierzchnię i ma wymagane dokładne wymiary, dzięki czemu nie wymaga żadnej dodatkowej obróbki.

Sposób i generator łuku plazmowego do obróbki cieplnej krzepnącego metalu, według niniejszych wynalazków, znajdą zastosowanie w procesach obróbki cieplnej materiałów, zwłaszcza wtedy, gdy wymagane jest zastosowanie stosunkowo dużych elektrod, do mocy wyjściowej przynajmniej około 50 kW, bez chłodzenia wodnego i iniekcji gazu ochronnego dla stabilizowania łuku plazmowego, co umożliwia konstrukcja elektrody do generatora łuku plazmowego, według wynalazku.

Generatory łuku plazmowego, według wynalazku, mogą być typu do pośredniej lub do bezpośredniej obróbki cieplnej.

Generatory łuku plazmowego, według wynalazku, do bezpośredniej obróbki cieplnej można wykorzystywać w procesie ogrzewania krążącym lukiem plazmowym ciekłego metalu stygnącego i krystalizującego w formie dla eliminacji typowych wad odlewniczych, takich jak powstających pustych przestrzeni, jam skurczowych lub porowatości, rozseparowywania, niejednorodności składu chemicznego oraz struktury krystalicznej w poprzek wlewka i innych.

Natomiast generatory łuku plazmowego, według wynalazku, do pośredniej obróbki cieplnej można wykorzystywać do obróbki plazmowej podłoży nieprzewodzących, takich jak surowce w budownictwie, odpadki lub inne materiały dielektryczne.

183 557

F i g . 2 B

183 557

Fig.3

183 557

183 557

183 557

F i g . 7 Β

183 557

Fi g . 8

183 557

Fig.9

183 557

Fig . 10

183 557

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zł.

Claims (23)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób obróbki cieplnej krzepnącego metalu, w którym za pomocą dwuszynowej struktury zawierającej elektrodę i przeciwelektrodę, generuje się luk plazmowy pomiędzy dolnym obrzeżem elektrody a przeciwelektrodą i ogrzewa się ciekły metal za pomocą tego łuku plazmowego, znamienny tym, że umieszcza się generator luku plazmowego (50, 70, 80, 126) dolnym obrzeżem (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) jego elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) w dobranej odległości (W) od powierzchni metalu (64, 122), łączy się elektrodę (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) z jednym biegunem elektrycznego źródła zasilania (56, 72, 84, 130), a przeciwelektrodę (15, 28, 42, 73, 86, 122) z drugim biegunem elektrycznego źródła zasilania (56, 72, 84,130), po czym powoduje się zapłon łuku plazmowego (62, 79,101) i powstały łuk plazmowy (62, 79, 101) przemieszcza się nieprzerwanie po zamkniętym torze w jednym kierunku (14, 94) wzdłuż dolnego obrzeża (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) elektrody (2, 20, 30, 44, 51,71,81,127).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że utrzymuje się stałą odległość (W) między dolnym obrzeżem (4,27, 34, 46, 63, 78, 90) elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127), a powierzchnią metalu (64) sukcesywnie opuszczając elektrodę (2,20,30, 44,51, 71, 81,127).
3. 3. Generator łuku plazmowego do obróbki cieplnej krzepnącego metalu, zawierający elektrodę i przeciwelektrodę, które stanowią dwuszynową strukturę dostosowaną do generowania łuku plazmowego, przy czym elektroda ma korpus z górnym obrzeżem oraz z roboczym dolnym obrzeżem i zaopatrzona jest w zespół przyłączeniowy połączony z elektrycznym źródłem zasilania, znamienny tym, że zespół przyłączeniowy (13, 23, 37, 45, 53, 93) zawiera co najmniej jedno gniazdo (12) usytuowane na elektrodzie (2, 20,30, 44, 51, 71, 81,127) dwuszynowej struktury, poprzez które elektroda (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) jest połączona z dodatnim biegunem elektrycznego źródła zasilania (56, 72, 84, 130), a korpus elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) ma co najmniej jedną biegnącą wzdłużnie szczelinę (6, 22, 32, 49, 52, 88), która posiada górny odcinek (7, 91) przy górnym obrzeżu (3, 24, 33, 89) korpusu elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127), dolny odcinek (9, 92) przy dolnym obrzeżu (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) korpusu elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) i usytuowany pomiędzy nimi główny odcinek (8), przy czym każda ze szczelin (6, 22, 32, 49, 52, 88) dzieli ścianę (5) korpusu elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) na dwa usytuowane obok siebie sektory (10 i 11; 21 i 21; 31 i 31; 48 i 48), z których każdy ma dolne obrzeże oraz górne obrzeże, a przy szczelinie (6, 22, 32, 49, 52, 88) na jednym z sektorów (11, 21, 31, 48) jest usytuowane gniazdo (12) zespołu przyłączeniowego (13, 23, 37, 45, 53, 93), zaś na jego dolnym obrzeżu jest usytuowana strefa przejmowania (17) łuku plazmowego (62, 79, 101), natomiast na dolnym obrzeżu drugiego z sektorów jest usytuowana strefa przekazywania (16) łuku plazmowego (62, 79, 101), przy czym strefy przekazywania (16) i przejmowania (17) łuku plazmowego (62, 79, 101) są rozdzielone dolnym odcinkiem (9, 92) szczeliny (6, 22, 32, 49, 52, 88) i są ułożone po obu jej stronach, a rzut (19) gniazda (12) zespołu przyłączeniowego (18, 23, 37, 45, 53, 93) na dolne obrzeże (4, 27, 34. 46, 63, 78, 90) korpusu elektrody (2, 20, 30. 44, 51, 71, 81, 127) jest usytuowany z odstępem od strefy przejmowania (17) łuku plazmowego (62, 79, 101) w kierunku przeciwnym do kierunku (14. 94).
4. 4. Generator o według zastrz. 3, znamienny tym, że dwuszynową struktura zawiera przeciwelektrodę (73, 86,122) z elektrycznie przewodzącego materiału.
5. 5. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że elektroda (51, 71, 81, 127) jest otoczona cylindryczną obudową (54, 74, 82) usytuowaną z odstępem od niej, a pomiędzy elektrodą (51. 71. 81. 127), a cylindryczną obudową (54, 74, 82) jest utworzona pierścieniowa komora.
6. 6. Generator według zastrz. 5, znamienny tym, że na górnym końcu cylindrycznej obudowy (54, 74, 82), pierścieniowa komora jest przykryta szczelną pokrywą (55, 83).

   183 557
7. 7. Generator według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że w pierścieniowej komorze jest umieszczony zespół zapłonowy (57, 75, 85) łuku plazmowego (62, 79,101).
8. 8. Generator według zastrz. 7, znamienny tym, że zespół zapłonowy (57, 75, 85) umieszczony jest w pobliżu górnego obrzeża (3, 24, 33, 89) korpusu elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71,81, 127).
9. 9. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że elektroda (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81,127) jest połączona z zespołem osiowego przemieszczania.
10. 10. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że każdy dolny odcinek (9, 92) szczeliny (6, 22, 32, 49, 52, 88) korpusu elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) jest nie szerszy od przewidywanej najmniejszej średnicy kolumny łuku plazmowego (62, 79, 101), a odstęp (L) między rzutem (19) gniazda (12) zespołu przyłączeniowego (13, 23, 37, 45, 53, 93) na dolne obrzeże (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90), a strefą przejmowania (17) łuku plazmowego (62, 79, 101) jest nie mniejszy od największej średnicy stopy rzeczywistej kolumny łuku plazmowego (62, 79, 101).
11. 11. Generator według zastrz. 3 albo 10, znamienny tym, że korpus elektrody (2, 51, 71, 81, 127) ma jedną szczelinę (6, 52, 88), a dwa sektory (10 i 11) ściany (5) są połączone ze sobą tworząc jedną część korpusu przechodzącą od jednej strony szczeliny (6,52, 88) do drugiej.
12. 12. Generator według zastrz. 3 albo 10, znamienny tym, że korpus elektrody (20, 30, 44) ma szczeliny (22, 32, 49), a ściana (5) ma sektory (21, 31, 48), z których każdy jest usytuowany między dwiema sąsiednimi szczelinami (22, 32, 49).
13. 13. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że co najmniej jedna szczelina (6, 22, 32, 49, 52, 88) elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) ma górny odcinek (71, 91) i dolny odcinek (9, 92) niewspółliniowe względem siebie.
14. 14. Generator według zastrz. 13, znamienny tym, że co najmniej jedna szczelina (6, 22, 32, 49, 52, 88) elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81,127) ma główny odcinek (8), który posiada dwie części tworzące między sobą kąt rozwarty.
15. 15. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że co najmniej jedna szczelina (6, 22, 32, 49, 52, 88) elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81,127) jest ukośna.
16. 16. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że gniazdo (12) zespołu przyłączeniowego (13, 23, 37, 45, 53, 93) elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) jest usytuowane w pobliżu górnego obrzeża (3, 24, 33, 89) korpusu elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127).
17. 17. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, ze dolne obrzeże (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) korpusu elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81,127) jest ukształtowane stożkowo.
18. 18. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że główny odcinek (8) co najmniej jednej ze szczelin (6, 22, 32, 49, 52, 88) elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) jest odgięty, a rzut (19) gniazda (12) zespołu przyłączeniowego (13, 23, 37, 45, 53, 93) na dolne obrzeże (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) korpusu elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127), znajduje się w sektorze (10, 21, 31, 48) ściany (5) jej korpusu, w którym jest usytuowana strefa przekazywania (16) łuku plazmowego (62, 79,101).
19. 19. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że rzut (19) każdego gniazda (12) zespołu przyłączeniowego (13, 23, 37, 45, 53, 93) elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) na dolne obrzeże (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90), znajduje się poza zamkniętym torem przebiegu łuku plazmowego (62, 79,101).
20. 20. Generator według zastrz. 19, znamienny tym, że rzut (19) każdego gniazda (12) zespołu przyłączeniowego (13, 23, 37, 45, 53, 93) elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) na dolne obrzeże (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) jej korpusu, znajduje się wewnątrz obwodu zamkniętego toru łuku plazmowego (62, 79,101).
21. 21. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że rzut (19) każdego gniazda (12) zespołu przyłączeniowego (13, 23, 37, 45, 53, 93) elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) na dolne obrzeże (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) jej korpusu, znajduje się na zewnątrz obwodu zamkniętego toru łuku plazmowego (62, 79. 101).
22. 22. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że w obszarze dolnego obrzeża (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90) korpusu elektrody (2, 20, 30, 44, 51, 71, 81, 127) przynajmniej dolny odcinek (9, 92) każdej szczeliny (6. 22, 32, 49, 52, 88) jest ukształtowany przez zakładkę między

    183 557 częściami sąsiednich sektorów (10 i 11; 21 i 21; 31 i 31; 48 i 48) zawierającymi strefy przekazywania (16) i przejmowania (17) łuku plazmowego (62, 79, 101).
23. 23. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że korpus elektrody (30) jest wielościanem o profilu gwiaździstym i jest zestawiony z wielu modularnych segmentów o kształcie ściętych trójkątów, z których każdy stanowi sektor (31) ściany korpusu i które zachodzą na siebie wzajemnie w pobliżu szczelin (32).

    * * *