PL202531B1 - Sposób i urządzenie do obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego generowanego między powierzchnią czołową elektrody a przeciwelektrodą utworzoną przez górną powierzchnię stopionego metalu w formie odlewniczej, przy czym do przemieszczania generowanego łuku elektrycznego stosuje się oddziaływanie pola magnetycznego wytwarzanego przez środki generujące pole magnetyczne.

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego generowanego między powierzchnią czołową elektrody a przeciwelektrodą stanowiącą stopiony metal w formie odlewniczej, wyposażone przynajmniej w jedną elektrodę do wytwarzania ruchomego łuku elektrycznego.

Chociaż odlewnictwo metali znane jest od kilku tysięcy lat. to do dnia dzisiejszego niektóre procesy związane z wytwarzaniem odlewów o wysokiej jakości metodą odlewania grawitacyjnego stwarzają określone problemy techniczne. W czasie procesu odlewania stopiony metal jest wlewany do formy, w której ochładza się, a następnie krystalizuje i krzepnie, najpierw w pobliżu ścianek formy, a póź niej w jej ś rodku. Ponieważ procesowi krzepnię cia wię kszoś ci metali towarzyszy skurcz, w odlewach, a zwłaszcza w ich górnym, środkowym regionie tworzą się często pęcherze. W produkcji staliwa pęcherze powodują odrzut od 5% do 20% wadliwych wlewków względnie odlewów. W celu zmniejszenia strat spowodowanych pęcherzami zastosowano częściowe odtlenianie staliwa o niewielkiej zawartości węgla w kadzi, dzięki czemu duże pęcherze zostają rozdrobnione na mniejsze, a następnie zamknięte i rozwalcowane w procesie obróbki plastycznej.

Próbowano również rozwiązać ten problem przez zastosowanie egzotermicznej izolacji górnej części formy w postaci żarzących się płytek lub proszku. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie w tej górnej części formy metalu w stanie stopionym, a tym samym powolne wypełnianie nim powstających pęcherzy.

Podobne problemy techniczne powstają w czasie odlewania metali do form piaskowych. W celu zapewnienia całkowitego wypełnienia formy używa się kilku dużych, wysokich nadlewów, ułatwiających wejście metalu i utrzymanie go pod odpowiednim ciśnieniem w formie. Następnie nadlewy te zostają odcięte i przeznaczone do recyklingu.

Innym niekorzystnym zjawiskiem towarzyszącym procesowi odlewania stopów metalowych jest powstawanie, w czasie ochładzania stopionego metalu, dużych dendrytów, będących wynikiem tworzenia się w czasie krzepnięcia struktury sieciowej w różnych punktach odlewu lub wlewka. Tworzenie się dendrytów powoduje wypychanie na zewnątrz zanieczyszczeń, zwłaszcza tlenków i azotków metali, które zbierają się na granicach ziaren krystalicznych tworząc wtrącenia, stanowiące miejsca ewentualnych pęknięć gotowego produktu. Ten niepożądany efekt można do pewnego stopnia zredukować stosując specjalne konstrukcje form oraz niższe temperatury odlewania.

Stopione metale stosowane w odlewnictwie zawierają również gazy pochodzące z atmosfery lub będące wynikiem reakcji chemicznych i powodujące porowatość odlewów. Wtrącenia wodoru, tlenu i innych gazów można zredukować przez odlewanie stopionych metali w komorach próżniowych, jednakże proces ten jest ekonomiczny tylko w przypadku produkcji stopów o najwyższej jakości.

Główną metodą wytwarzania wlewków metalowych o dużych wymiarach (jak kęsy, kęsiska i płyty) jest aktualnie odlewanie ciągłe, przy czym uzyskane wlewki o dużej długości są następnie cięte na wymagane wymiary. W najczęściej stosowanych sposobach wytwarzania wlewków, metal wlewany jest z kadzi do formy chłodzonej wodą przy czym tworzący się odlew jest przesuwany za pomocą wałków i chłodzony dodatkowo strumieniem wody. Jednakże w sposobie tym występuje również problem porowatości, a także zanieczyszczeń, pęknięć oraz ziaren o dużych wymiarach. W celu zredukowania tych niekorzystnych zjawisk podjęto szereg działań, których wynikiem są następujące opisy patentowe:

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 4 307 280 znany jest sposób wypeł niania pęcherzy polegający na ich lokalizowaniu, a następnie ściskaniu odlewu między dwiema elektrodami, do których doprowadzony jest prąd o takim natężeniu, które powoduje lokalne stopienie metalu w pobliżu pęcherza i jego zapadnięcie się, ewentualnie migrację na powierzchnię odlewu, na której tworzy się wówczas dołek. Sposób ten jest jednak nieefektywny w przypadku występowania w metalu wtrąceń stałych, stanowiących zwłaszcza siarczany lub krzemiany.

Z japoń skiego opisu patentowego nr JP 56 050 705 znane jest zastosowanie wał ków, które cisną na wlewek w czasie ciągłego odlewania metalu, co zapobiega powstawaniu pęknięć na jego

PL 202 531 B1 dolnej powierzchni. Okazało się jednak, że proces ten nie przyczynia się do redukcji wtrąceń lub poprawy mikrostruktury metalu.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 4 770 724 znany jest sposób cią g ł ego odlewania metali, zapewniający redukcję powstawania pęcherzy i skaz i zapewniający uzyskanie jednorodnych wlewków o dużej gęstości. Sposób ten polega na wymuszeniu, za pomocą wytwarzanego pola elektromagnetycznego, przepływu stopionego metalu do góry, czyli przeciwnie do kierunku działania sił grawitacyjnych. Okazało się jednak, że proces ten może być stosowany wyłącznie do wytwarzania wlewków o małych przekrojach poprzecznych, natomiast nie nadaje się do wytwarzania dużych wlewków w postaci płyt i kęsisk.

Z opisów patentowych Stanów Zjednoczonych AP nr nr US 4 756 749 oraz US 5 963 579 znany jest sposób ciągłego odlewania stali z kadzi, w której ciekłe staliwo zostaje poddane dodatkowej obróbce cieplnej za pomocą łuku elektrycznego, przy czym kadź jest zaopatrzona w kilka otworów wylotowych, tworzących równocześnie kilka wlewków. Okazało się jednak, że podczas wylewania stopionego, ulepszonego metalu z kadzi do formy, następuje ponowna absorpcja gazu, stwarzając te same problemy techniczne związane z porowatością i segregacją wlewków, które występują w konwencjonalnej metodzie odlewania.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 0 518 537 znany jest sposób i urządzenie do odlewania dużych wlewków w formach, polegający na tym, że wartość i rozkład temperatury w stopionym metalu po wlaniu go do formy są mierzone przez skierowany na jego powierzchnię miernik promieniowania połączony z monitorem, przy czym forma jest umieszczona w szczelnej komorze wypełnionej gazem obojętnym.

W celu utrzymania żądanej temperatury na powierzchni ciekł ego metalu i jej odpowiedniego rozkładu wewnątrz niego, zastosowano łuk elektryczny wytwarzany między trzema stałymi elektrodami a powierzchnią ciekłego wlewka. Natężenie i miejsce uderzenia łuku jest sterowane przez zespół sterujący, umożliwiający uzyskanie zadanej wstępnie struktury metalurgicznej materiału wlewka.

Miernik promieniowania przekazuje sygnał video do analizatora, uwidaczniając na monitorze obraz rozkładu temperatury wewnątrz metalu w kadzi i na powierzchni wlewka, umożliwiając operatorowi odpowiednią regulację łuków elektrycznych wytwarzanych przez wszystkie trzy elektrody, a tym samym również w pewnym zakresie mieszanie stopionego metalu na jego powierzchni.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 0 878 115 B1 znana jest rurowa elektroda generatora łuku elektrycznego, która w połączeniu z przeciwelektrodą stanowiącą powierzchnię stopionego metalu w formie, tworzy obwód elektryczny generujący wyładowania łuku elektrycznego. Elektroda jest ponadto zaopatrzona w przybliżeniu pionową szczelinę, dzięki której po zasileniu jej stałych prądem elektrycznym powstaje siła Lorentza, powodująca przemieszczanie się łuku elektrycznego powstającego między tą elektrodą a przeciwelektrodą wokół krawędzi elektrody, a dzięki temu mieszanie stopionego metalu na powierzchni odlewu lub wlewka.

Okazało się jednak, że uzyskanie takiej intensywności mieszania, która powodowałaby zmniejszenie porowatości wielkości ziarna i ilości wtrąceń, a tym samym uzyskanie jednorodnej struktury odlewanego materiału wymaga zasilania elektrody prądem o tak dużym natężeniu, że stosowanie tych elektrod dla dużych wlewków powodowałoby nieuzasadnione ekonomicznie duże zużycie energii.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 3 546 348 znana jest komora próż niowa do odlewania wlewków ze stopów metali, których składniki są dozowane z ustawionych wokół tej komory zasobników. Komora jest przy tym wyposażona w nie zużywające się elektrody, tworzące między ich krawędzią a powierzchnią stopionego metalu na powierzchni wlewka łuk elektryczny. Wyzwolona energia łuku zapewnia utrzymanie składników metalicznych w stanie stopionym i ich wzajemne wymieszanie.

Badania, które doprowadziły do wynalazku i polegały na wykonaniu setek doświadczeń w zakresie obróbki stopionych metali, w trakcie procesu odlewania w celu poprawienia struktury metalurgicznej odlewów, a zwłaszcza zmniejszeniu liczby i wielkości pęcherzy gazowych, zanieczyszczeń i wtrąceń oraz zmniejszenie wymiarów powstających w czasie krzepnięcia dendrytów, jak również poprawienie jednorodności materiału, wykazały, że najistotniejszy wpływ na wyniki tej obróbki ma równoczesny proces ogrzewania i mieszania stopionego metalu w czasie wiewania go do formy i krzepnię cia. Okazał o się przy tym, ż e efekty mieszania ciekł ego metalu przez znane ze stanu techniki nadawanie ruchu obrotowego generowanemu łukowi elektrycznemu, na przykład przez stosowanie elektrod rurowych zaopatrzonych w pionową szczelinę (według europejskiego opisu patentowego nr EP 0 878 115) albo też przy użyciu pola magnetycznego wytwarzanego przez cewki umieszczone

PL 202 531 B1 wewnątrz elektrody (według opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 3 546 348) są stosunkowo niewielkie, bowiem mieszanie to odbywa się jedynie w warstwie powierzchniowej stopionego metalu, zaś uzyskanie jego większej intensywności wiąże się z nadmiernym zużyciem energii.

Celem wynalazku stało się więc opracowanie takiego sposobu obróbki stopionych metali w czasie wlewania ich do formy i krzepnięcia, który zapewni znaczną intensywność i głębokość jego mieszania, a tym samym skuteczność obróbki w postaci znaczącego poprawienia struktury metalurgicznej odlewu.

Cel ten zrealizowano w sposobie obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego według wynalazku, który charakteryzuje się tym, że łuk elektryczny wytwarza się w atmosferze powietrza względnie gazu obojętnego, zwłaszcza argonu w trakcie wlewania stopionego metalu względnie bezpośrednio po jego wylaniu do formy, przy czym stosuje się formy odlewnicze o zredukowanej przynajmniej o 50%, a korzystnie o 80% masie nadlewów.

W trakcie napeł niania formy stosuje się korzystnie zasypkę zawierając ą tlenki metali i wę giel i wprowadzaną do formy w trakcie wlewania stopionego metalu, przy czym zasypkę chroni się od styku z elektrodą przez umieszczenie wokół niej ogniotrwałego pierścienia osłonowego, pływającego na powierzchni stopionego metalu.

Do przemieszczania generowanego łuku elektrycznego stosuje się korzystnie wprowadzony do wnętrza elektrody rurowej strumień gazu obojętnego, opływający jej powierzchnię wewnętrzną ruchem wzdłuż linii śrubowej.

Odmiana sposobu obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego polega na tym, że generowanemu łukowi elektrycznemu nadaje się jednokierunkowy ruch postępowy wzdłuż powierzchni czołowej znanej prostoliniowej elektrody nożowej przez zasilanie cewki elektrody prądem elektrycznym z zasilacza poprzez oscylator.

W odmianie tej w trakcie napeł niania formy stosuje si ę korzystnie zasypkę zawierając ą tlenki metali i węgiel i wprowadzaną do formy w trakcie wlewania stopionego metalu, przy czym zasypkę chroni się od styku z elektrodą przez umieszczenie wokół niej ogniotrwałego pierścienia osłonowego, pływającego na powierzchni stopionego metalu.

Celem wynalazku jest również opracowanie urządzenia do obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego, które zapewniałoby prawidłowe stosowanie sposobu tej obróbki, będącej przedmiotem wynalazku.

Cel ten zrealizowano w urządzeniu do obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego, które charakteryzuje się tym, że jego rurowa elektroda jest połączona za pośrednictwem układu sterującego z jednym z biegunów układu zasilającego, korzystnie w prąd stały DC, zaś z drugim z biegunów tego ukł adu zasilają cego jest połączony metal w formie odlewniczej, przy czym obwód elektryczny jest zamykany przez łuk elektryczny.

Elektroda jest zawieszona na obrotowym ramieniu, korzystnie osadzonym przesuwnie w słupie podstawy urządzenia.

Wewnątrz rurowej elektrody urządzenie jest korzystnie zaopatrzone w osadzoną w jej otworze dyszę odlewniczą przez którą stopiony metal jest wlewany do formy, pełniącej funkcję części osobnego obwodu elektrycznego o małej mocy, łączącego kadź odlewniczą z formą i służącego do kierowania łuku elektrycznego w kierunku do środka formy.

Urządzenie według wynalazku jest korzystnie wyposażone w układ wielu elektrod, z których każda elektroda jest umieszczona bezpośrednio nad jedną z części formy odlewniczej, przeznaczonej na nadlewy o masie zredukowanej przynajmniej o 50%, a korzystnie o 80%.

Każda z elektrod generujących ruchomy łuk elektryczny jest korzystnie wyposażona w oddzielny przesuwający ją silnik elektryczny i w oddzielny zasilający ją obwód elektryczny.

Rurowa elektroda generująca ruchomy łuk elektryczny jest korzystnie zaopatrzona w otaczający ją ogniotrwały pierścień osłonowy, wykonany korzystnie z materiału ceramicznego i umieszczony na górnej powierzchni odlewu względnie wlewki, izolując tę elektrodę od zasypki, pływającej na górnej powierzchni stopionego metalu.

Odmiana urządzenia do obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego charakteryzuje się tym, że jego elektroda jest korzystnie zamknięta od góry i wyposażona w jeden lub kilka stycznych do jej powierzchni wewnętrznej otworów połączonych ze źródłem zasilania gazu obojętnego, zwłaszcza argonu pod ciśnieniem i nachylonych pod niewielkim kątem ostrym do poziomu.

Inna odmiana urządzenia charakteryzuje się tym, że jego elektroda ma postać znanej elektrody nożowej, stanowiącej płaską prostoliniową płytkę i generującej ruchomy łuk elektryczny, przesuwający

PL 202 531 B1 się ruchem postępowym w jednym kierunku, przy czym elektroda ta jest wyposażona w zestaw przynajmniej częściowo otaczających ją rdzeni ferromagnetycznych oraz cewek i włączona w obwód elektryczny, w skład którego wchodzi układ zasilania, oscylator i przeciwelektrodą, stanowiąca górną powierzchnię stopionego metalu w formie.

Badania eksploatacyjne sposobu i urządzenia do obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego wytworzonego zgodnie z ideą wynalazku wykazały, że w trakcie stosowania ruchomego łuku elektrycznego uzyskuje się intensywne i głębokie mieszanie metalu w formie przy stosunkowo ograniczonym zużyciu energii. Mieszanie stopionego metalu powoduje rozdrobnienie dużych dendrytów na mniejsze, poprawiając strukturę ziarnistą odlewu, wywołuje ruch pęcherzy gazowych i zanieczyszczeń do górnej powierzchni stopionego metalu i zapewnia wysoką jednorodność odlewu. Zastosowanie wielogłowicowych urządzeń według wynalazku umożliwiło uzyskanie nie tylko znaczącego poprawienia struktury metalurgicznej odlewów, ale również znacznej redukcji ich masy, obniżając odpowiednio koszty produkcji.

Urządzenie do obróbki stopionych metali w celu uzyskania żądanej struktury odlewu według wynalazku jest uwidocznione w przykładowych rozwiązaniach konstrukcyjnych na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia elektrodę rurową do generowania łuku elektrycznego w ciekłym metalu zawartym w formie z uwidocznieniem rozkładu gę stości prądu elektrycznego w odlewie, w widoku perspektywicznym; fig. 2 - urządzenie do obróbki stopionych metali według wynalazku w widoku perspektywicznym; fig. 3 - rurową elektrodę umieszczoną nad powierzchnią ciekłego metalu, w przekroju poprzecznym; fig. 3a - rurową elektrodę zaopatrzoną w otaczającą ją cewkę elektromagnetyczną nad powierzchnią ciekłego metalu, w przekroju poprzecznym; fig. 4 - rurową elektrodę wraz z zestawem zapobiegającym dotarciu zasypki do strefy działania łuku, w przekroju poprzecznym; fig. 5 - urządzenie do wlewania ciekłego metalu przez otwór rurowej elektrody, w przekroju poprzecznym; fig. 6 - urządzenie do obróbki stopionych metali, wyposażone w wiele elektrod wytwarzających łuk elektryczny umieszczonych nad nadlewami odlewu, w widoku z góry; fig. 7 - rurową elektrodę łuku elektrycznego generującą wirowe pole elektryczne, uzyskane w wyniku oddziaływania strumienia argonu, w przekroju poprzecznym; fig. 8 - elektrodę do generacji łuku elektrycznego przemieszczającego się ruchem postępowym od jednego do drugiego końca elektrody, w widoku perspektywicznym; fig. 9 - porównanie rozkładu wymiarów dendrytów w odlewie wykonanym konwencjonalnym sposobem odlewania oraz sposobem według wynalazku; fig. 10 i 11 - fotografie struktury ziarnistej wlewków staliwnych o masie 10 t, wykonanych konwencjonalnym sposobem odlewania oraz sposobem według wynalazku; fig. 12 - wykresy przedstawiające wymiary ziaren austenitu we wlewku wykonanym konwencjonalnym sposobem odlewania oraz sposobem według wynalazku; fig. 13 - wykresy przedstawiające twardość w róż nych miejscach wlewków, wykonanych konwencjonalnym sposobem odlewania oraz sposobem według wynalazku: fig. 14 - fotografie przedstawiające pęcherze we wlewku wykonanym konwencjonalnym sposobem odlewania oraz sposobem według wynalazku, a fig. 15 - fotografie przedstawiające wymiary nadlewów w konwencjonalnym odlewaniu do formy piaskowej oraz w odlewaniu do formy piaskowej sposobem według wynalazku.

Figura 1 przedstawia rurową elektrodę 14, generującą łuk elektryczny powstający między jej krawędzią a powierzchnią stopionego metalu 12, znajdującego się w formie 28. Łuk ten tworzy określony rozkład gęstości prądu elektrycznego w odlewie, mający wpływ na przebieg krystalizacji i strukturę metalurgiczną odlewu.

Figura 2 ilustruje urządzenie 10 do obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego, stosowanej w procesie wytwarzania odlewów metalowych. Celem tej obróbki jest uzyskanie określonej struktury metalurgicznej krzepnących kryształów metalu, a ponadto zredukowanie ilości pęcherzy lub wtrąceń, a także porowatości i zmniejszenie wymiarów ziaren powstających kryształów oraz poprawienie jednorodności materiału odlewu.

Urządzenie 10 jest wyposażone w zawieszoną na ramieniu 22 połączonym z podstawą 20 elektrodę 14, generującą w czasie procesu odlewania względnie po napełnieniu formy 28 ruchomy łuk elektryczny 16 nad górną powierzchnią górną 18 stopionego metalu 12. Ramię 22, na którym zawieszona jest rurowa elektroda 14, ma regulowaną wysokość, co umożliwia jej pozycjonowanie nad górną powierzchnią 18 stopionego metalu 12.

Przeciwelektrodę 24 stanowi powierzchnia 26 metalowej formy odlewniczej 28, wskutek czego łuk elektryczny 16 (fig. 2 i 3) poprzez masę stopionego metalu i metalową formę 28 zamyka obwód elektryczny 30. W celu przyspieszenia procesu krzepnięcia forma 28 może być chłodzona wodą. Elektrodę 14 zasila układ zasilający 34 za pośrednictwem elektronicznego układu sterującego, który

PL 202 531 B1 zarówno nadaje łukowi elektrycznemu 16 ruch wirowy wokół osi elektrody 14, jak i umożliwia sterowanie natężeniem prądu elektrycznego. Układ zasilający 34 generuje korzystnie prąd stały (DC), chociaż oczywiście możliwe jest również stosowanie prądu zmiennego (AC). Układ ten jest ponadto wyposażony w stabilizator RF oraz ewentualnie w oscylator i w inne podobne układy elektroniczne i jest połączony swym dodatnim biegunem z elektrodą 14, zaś ujemnym biegunem z metalową powierzchnią 26 formy 28.

Odmiana urządzenia 42 przedstawiona schematycznie na fig. 3a jest dodatkowo wyposażona w oddzielnie zasilaną cewkę elektryczną 44, otaczającą rurową elektrodę 14 i nadającą generowanemu przez tę elektrodę łukowi elektrycznemu ruch wokół jej krawędzi, a ponadto umożliwiającą zwiększenie zakresu promieniowego tego ruchu oraz szybkości, z jaką porusza się wokół krawędzi elektrody 14.

Odmiana urządzenia 46, przedstawiona na fig. 4 i służąca do wytwarzania czystych metalowych odlewów w formie 28, jest zaopatrzona w rurową elektrodę 50 z osiowym otworem, w którym jest umieszczona dysza 52, połączona z przewodem 54 do zasilania gazem obojętnym, na przykład argonem, którego strumień 56, sterowany za pomocą układu sterującego 32 (fig. 2), jest skierowany na górną powierzchnię 36 odlewu, na przykład wlewka 48, zapobiegając jej utlenianiu się i absorpcji azotu oraz wspomagając usuwanie z tej powierzchni zanieczyszczeń niemetalowych, na przykład zasypki 58. Urządzenie jest ponadto korzystnie wyposażone w ogniotrwały pierścień osłonowy 60, wykonany korzystnie z materiału ceramicznego i umieszczany na górnej powierzchni 36 wlewka 48, zapobiegając w ten sposób gromadzeniu się na tej powierzchni zanieczyszczeń niemetalowych, zwłaszcza zasypki.

Figura 5 przedstawia odmianę urządzenia 62 do ciągłego odlewania wlewków. W otworze rurowej elektrody 64 tego urządzenia jest osadzona dysza odlewnicza 66, przez którą wprowadzany jest do formy 72 stopiony metal 68 z kadzi 70, umieszczonej nad dyszą 66. Przynajmniej część formy 72 jest przy tym wykonana z metalu, pełniąc funkcję części obwodu elektrycznego 74, która przenosi magnetycznie łuk elektryczny 16 w kierunku do środka odlewu 76. Urządzenie jest ponadto wyposażone w dwa obwody elektryczne 30 i 74, przy czym obwód wewnętrzny 30 o dużej mocy służy do generacji łuku elektrycznego 16, zaś obwód zewnętrzny 74 o małej mocy łączy kadź 70 z formą 72, nadając łukowi ruch promieniowy w kierunku do środka formy 72.

Figura 6 ilustruje odmianę urządzenia 78 do odlewania metali, wyposażoną w dużą liczbę rurowych elektrod 14. Każda z tych elektrod 14 jest umieszczona nad odpowiednim nadlewem dużej piaskowej względnie trwałej formy odlewniczej 80, służącej przykładowo do odlewania bloku cylindra silnika spalinowego i jej zaopatrzona we własny, przemieszczający ją silnik elektryczny 82 oraz w obwód elektryczny 30, zasilający ją i generujący łuk elektryczny nad odpowiednim nadlewem, nad którym jest umiejscowiona. Ponieważ przepływ stopionego metalu przez nadlewy jest znacznie usprawniony w wyniku działania ruchomego łuk elektrycznego, forma może być zaopatrzona w znacznie mniejszą liczbę nadlewów o mniejszych wymiarach w porównaniu do konwencjonalnej formy do odlewania bloku cylindrów. Zagadnienie to jest szczegółowo opisane w omówieniu fig. 15B.

Sposób obróbki stopionych metali w celu zmniejszenia liczby i wymiarów występujących w odlewie pęcherzy, wtrąceń, porowatości i rozmiarów ziaren oraz poprawy jednorodności materiału, według wynalazku, obejmuje następujące etapy:

Etap A: Wylewanie stopionego metalu (zarówno stopów materiałów żelaznych, jak i nieżelaznych) do formy 28 z przewodzącą elektrycznie powierzchnią metalową 26.

Etap B: Umieszczenie elektrody 14 generującej ruchomy łuk elektryczny tuż nad górną powierzchnią stopionego metalu w odległości od 2 mm do 20 mm.

Etap C: Włączenie zasilania stałym prądem elektrycznym (DC) obwodu elektrody 14 oraz sterowania tej elektrody w celu generacji ruchomego łuku elektrycznego powstającego między nią a górną powierzchnią stopionego metalu 18. Ruchomy łuk elektryczny powoduje ciągłe mieszanie stopionego metalu, w wyniku czego następuje rozdrobnienie dendrytów (fig. 9) oraz utrzymywanie w środku powierzchni odlewu jeziorka stopionego metalu, wypełniającego pęcherze tworzące się w odlewie w wyniku skurczu podczas krzepnięcia i ochładzania. Gęstość prądu łuku elektrycznego w odlewie ilustrują strzałki 5 na fig. 1. Mieszanie stopionego metalu ma charakter ruchu wirowego, który umożliwia pęcherzom gazowym i wtrąceniom o małej gęstości dotarcie do powierzchni odlewu.

Figura 7 ilustruje odmianę urządzenia 84 z elektrodą wykonaną z grafitu, umożliwiającą ciągły obrót generowanego łuku elektrycznego 16 za pomocą strumienia przepuszczanego przez elektrodę argonu. W tym celu elektroda jest zamknięta od góry, zaś jej ścianka obwodowa jest zaopatrzona w dwa nachylone do jej osi i w przybliżeniu styczne do powierzchni obwodowej jej wnętrza otwory 86,

PL 202 531 B1 którymi doprowadzany jest do wnętrza elektrody gaz obojętny, zwłaszcza argon pod ciśnieniem.

Omywające wewnętrzną powierzchnię elektrody, wzdłuż linii śrubowej, strumienie 90 argonu wypływając z elektrody wymuszają ciągłe wirowanie łuku elektrycznego 16, a równocześnie zapobiegają utlenianiu i absorpcji azotu, a także usuwają z ciekłego odlewu wtrącenia niemetalowe, zwłaszcza zasypkę.

Figura 8 przedstawia odmianę urządzenia 92 z elektrodą 96 w kształcie noża, w kształcie noża, generującą łuk elektryczny, któremu nadawany jest ruch postępowy w jednym kierunku. Elektroda ta jest stosowana w przypadku, gdy wymagany jest długi tor ruchu, na przykład wzdłuż podłużnej formy odlewniczej 97. Elektroda 96 jest wyposażona w zestaw elementów w kształcie podkowy, stanowiących rdzenie ferromagnetyczne 94, oraz w zestaw otaczających te rdzenie cewek 98. Obwód elektryczny 101, w który włączona jest elektroda 96, jest wyposażony w zasilacz 34 oraz oscylator 99, których działanie powoduje przesuwanie utworzonego łuku elektrycznego, jak również w przeciwelektrodę, którą stanowi stopiony metal 95. W celu zapłonu łuku elektrycznego 16 konieczne jest utworzenie niewielkiej przerwy między krawędzią 93 elektrody i powierzchnią stopionego metalu 95. W wyniku oddziaływania zmiennego pola magnetycznego generowanego przez cewki 98 i rdzenie ferromagnetyczne 94, następuje zapłon łuku elektrycznego w punkcie stanowiącym krawędź 93 elektrody 96, po czym łuk ten przemieszcza się z dużą szybkością wzdłuż powierzchni roboczej elektrody 96 do punktu stanowiącego jej przeciwległy koniec 103, w którym samoczynnie gaśnie, po czym natychmiast oscylator powoduje zapłon nowego łuku w punkcie zapłonu, na krawędzi 96 i cykl przemieszczania łuku powtarza się.

Sposób obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego jest poniżej zilustrowany na przykładzie odlewania metalowych wlewków do formy 28 i 72 (również metodą ciągłego odlewania), z użyciem zasypki 58. Zasypka 58, zawierająca tlenki metali i węgiel, jest wprowadzana do formy 28 w czasie wlewania stopionego metalu, chroniąc go przed utlenianiem i pełniąc funkcję smaru między ściankami formy a wlewkiem 48.

Sposób obróbki stopionych metali z użyciem zasypki obejmuje następujące etapy:

Etap A: Wlewanie stopionego metalu 48, 76 do formy 28, 72 (fig. 4 i 5).

Etap B: Usuwanie zasypki z górnej powierzchni 36 stopionego metalu tworzącego wlewek 48, za pomocą strumienia gazu obojętnego, zwłaszcza argonu. Strumień gazu obojętnego jest wprowadzany korzystnie aż do momentu zakończenia odlewania, chroniąc odlewy przed utlenianiem i absorpcją azotu wtedy, gdy odlew znajduje się jeszcze w stanie stopionym.

Etap C: Zapobieganie powrotowi zasypki przez umieszczenie ogniotrwałego pierścienia osłonowego 60 na górnej powierzchni 36 odlewu.

Etap D: Umieszczenie elektrody rurowej 50, 64 generującej ruchomy łuk elektryczny tuż nad górną powierzchnią 36 stopionego metalu.

Etap E: Doprowadzenie prądu elektrycznego do elektrody 50 w celu generacji ruchomego łuku elektrycznego 16 między nią 50 a górną 36 powierzchnią stopionego metalu 48. Ruchomy łuk elektryczny powoduje mieszanie stopionego metalu, a równocześnie rozdrabnianie krzepnących dużych dendrytów oraz przemieszczanie zanieczyszczeń o małej gęstości, w tym gazów, na górną powierzchnię stopionego metalu. W celu wypełnienia pęcherzy tworzących się w krzepnącym odlewie wskutek skurczu podczas krzepnięcia i ochładzania utrzymuje się w środku górnej powierzchni odlewu jeziorko stopionego metalu.

Etap F: Przesuwanie w wyniku oddziaływania pola magnetycznego indukowanego przez cewkę w sposób ciągły łuku elektrycznego 16 nad górną powierzchnią stopionego metalu, a wskutek tego jego intensywne mieszanie.

Sposób odlewania przy użyciu wielu elektrod, przedstawiony na fig. 6, umożliwia wytwarzanie bardzo dużych odlewów 80, na przykład bloków cylindrów w formach piaskowych, przy czym metal dostarczany jest do wnętrza formy poprzez dużą liczbę wlewów. Sposób ten obejmuje następujące etapy:

Etap A: Wlewanie stopionego metalu do formy 80.

Etap B: Umieszczenie dużej liczby oddalonych od siebie elektrod 14, generujących łuk elektryczny nad każdym z nadlewów odlewu, tuż nad ich górną powierzchnią.

Etap C: Doprowadzenie prądu elektrycznego do elektrod 14, generujących ruchome łuki elektryczne, w celu wytworzenia plazmy przemieszczającej się między elektrodami i górną powierzchnią stopionego metalu.

Na fig. 9 zilustrowany jest proces krzepnięcia dwóch odlewów 100 i 102, z których odlew 100, po lewej stronie fig. 9, jest wykonany w formie 110a w sposób konwencjonalny, zaś odlew 102, po

PL 202 531 B1 prawej stronie fig. 9, jest wykonany w formie 110b sposobem według wynalazku. Ilustracje przedstawiają krzepnięcie stopionego metalu 112 w pobliżu ścianek bocznych 106 i ścianki dennej 108 formy 110, przy czym obszar centralny pozostaje w tej formie w stanie ciekłym, oraz proces tworzenia się dendrytów 104, które dla lepszej ilustracji zostały przedstawione w powiększonych rozmiarach.

Z fig. 9 wynika, że konwencjonalny odlew 100 ma szerokie kolumnowe strefy wzrostu 114a ziaren, zaczynające się na ściankach bocznych 106, a kończące się na dendrytach 104. Natomiast odlew 102, ma wąskie kolumnowe strefy wzrostu kryształów 114b, zaczynające się na ściankach bocznych 106, a kończące na rozdrobnionych dendrytach 116, których segmenty odgałęźne 118 tworzą nowe krystality o niewielkich wymiarach. Gałęzie dendrytów zostały złamane w wyniku mieszania stopionego metalu przez oddziaływanie na niego ruchomego łuku elektrycznego, wskutek czego następuje utworzenie nowych centrów krystalizacyjnych o niewielkich wymiarach.

Figura 10 ilustruje mikrostrukturę dwóch wlewków o masie 10 t, wykonanych ze stali narzędziowej. Próbki wycięte zostały z obszarów z górnej, środkowej i dolnej części wlewków. Fotografie przedstawiają powiększony 50 razy mikroskopowy obraz po polerowaniu i trawieniu powierzchni. Z lewej strony fig. 10 przedstawione są fotografie 120, 122 i 124 wytrawionych próbek, wyciętych z wlewka wytworzonego konwencjonalnym sposobem odlewania, charakteryzujące się gruboziarnistą strukturą i niewielką jednorodnością materiału. Fotografie 138, 140 i 142 z prawej strony fig. 11 przedstawiają wypolerowane i wytrawione próbki, wycięte z odpowiednich części wlewka wytworzonego sposobem według wynalazku i charakteryzują się strukturą drobnoziarnistą i znacznie poprawioną jednorodnością materiału.

Wykresy 144, 146 i 148 na fig. 12 przedstawiają zależność wielkości ziaren austenitu dwóch prętów ze stali narzędziowej w trzech różnych punktach ich długości oraz różnej odległości od osi tych prętów. Dla każdego pręta dokonano więc dziewięciu pomiarów wielkości ziaren.

Austenit stanowi roztwór stały węgła w żelazie, przy czym wymiary jego ziaren jest niezwykle ważne w przypadku, gdy stal jest poddawana obróbce na gorąco.

Linie na wykresach łączące kwadraciki odpowiadające poszczególnym pomiarom odnoszą się do pręta wytworzonego konwencjonalnym sposobem odlewania, natomiast linie łączące kółeczka - odnoszą się do pręta wytworzonego sposobem według wynalazku.

Wyniki pomiarów wykazują że wymiary ziaren austenitu w pręcie wytworzonym sposobem według wynalazku zostały zredukowane we wszystkich punktach pręta, w których został dokonany pomiar. Zmniejszenie wielkości ziaren jest nieznaczne w środkowej i dolnej części pręta, zaś jest siedmiokrotnie większe w jego środkowej części górnej.

Figura 13 przedstawia porównawcze wykresy, będące wynikiem pomiarów twardości wlewków 154 i 156 przedstawionych na fig. 14. Wlewki mają masę 1,6 t, zaś ich twardość była mierzona na powierzchni bocznej 150 i w strefie osiowej 152 w sześciu punktach wzdłuż wysokości każdego wlewka, zaczynając od jego części dolnej. Podobnie jak na fig. 12, linie na wykresach łączące kwadraciki odpowiadające poszczególnym pomiarom odnoszą się do wlewka stalowego wytworzonego konwencjonalnym sposobem odlewania, zaś linie łączące kółeczka - do wlewka wytworzonego sposobem według wynalazku.

Konwencjonalne wlewki wykazują znacznie większe zmiany twardości niż wlewki wytworzone sposobem według wynalazku.

Figura 14 przedstawia fotografie stalowych wlewków 154 i 156 (według fig. 13)), po ich przecięciu wzdłuż osi oraz wypolerowaniu i wytrawieniu. Konwencjonalny wlewek 154 zawiera znaczącą ilość pęcherzy 158, powstających w wyniku skurczu materiału w czasie krzepnięcia i stygnięcia, natomiast wlewek 156, wytworzony sposobem według wynalazku, nie ma żadnych pęcherzy.

Na fig. 15a przedstawiono dwa stalowe odlewy 160 i 162 wytworzone w formie piaskowej. Odlewy te mają zewnętrzne wymiary wynoszące 800x650 mm i grubości ścianek od 50 mm do 75 mm, zaś masa każdego odlewu wynosi 310 kg, przy czym każdy z nich został odlany przez pojedynczy wlew 164, 166.

Odlew 160 po lewej stronie fig. 15a, wytworzony w konwencjonalny sposób, miał nadlew, który po odcięciu ważył 140 kg, zaś odlew 162 po prawej stronie fig. 15a, wytworzony sposobem według wynalazku, miał nadlew, który po odcięciu ważył tylko 26 kg.

Figura 15b ilustruje dwa odlewy 168 i 170 aluminiowych bloków cylindrów wytworzonych w formie piaskowej, przy czym każdy z nich ma dziesięć nadlewów 172 i 174. Odlew 168 został odlany w sposób konwencjonalny i ma pełno wymiarowe nadlewy, natomiast odlew 170 został odlany sposoPL 202 531 B1 bem według wynalazku, po umieszczeniu nad każdym nadlewem elektrody generującej ruchomy łuk elektryczny (fig. 6), przy czym masa nadlewu została zredukowana aż o 73%.

Zakres ochrony niniejszego wynalazku obejmuje wszystkie sposoby i rozwiązania konstrukcyjne urządzeń określone w zastrzeżeniach patentowych, przy czym ochrona obejmuje również wszelkie odmiany i modyfikacje wynalazku z zachowaniem jego istoty. Przedstawione w opisie korzystne przykłady wykonania wynalazku stanowią jedynie użyteczną formą jego ilustracji, nie ograniczając zakresu ochrony.

Claims (13)

1. Sposób obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego generowanego między powierzchnią czołową elektrody a przeciwelektrodą utworzoną przez górną powierzchnię stopionego metalu w formie odlewniczej, przy czym do przemieszczania generowanego łuku elektrycznego stosuje się oddziaływanie pola magnetycznego wytwarzanego przez środki generujące pole magnetyczne, znamienny tym, że łuk elektryczny wytwarza się w atmosferze powietrza względnie gazu obojętnego, zwłaszcza argonu w trakcie wlewania stopionego metalu względnie bezpośrednio po jego wylaniu do formy, przy czym stosuje się formy odlewnicze o zredukowanej przynajmniej o 50%, a korzystnie o 80% masie nadlewów.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w trakcie napełniania formy stosuje się zasypkę zawierającą tlenki metali i węgiel i wprowadzaną do formy w trakcie wlewania stopionego metalu, przy czym zasypkę chroni się od styku z elektrodą przez umieszczenie wokół niej ogniotrwałego pierścienia osłonowego, pływającego na powierzchni stopionego metalu.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do przemieszczania generowanego łuku elektrycznego stosuje się wprowadzony do wnętrza elektrody rurowej strumień gazu obojętnego, opływający jej powierzchnię wewnętrzną ruchem wzdłuż linii śrubowej.

4. Sposób obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego generowanego między powierzchnią czołową elektrody a przeciwelektrodą utworzoną przez górną powierzchnię stopionego metalu w formie odlewniczej, przy czym do przemieszczania generowanego łuku elektrycznego stosuje się oddziaływanie pola magnetycznego wytwarzanego przez środki generujące pole magnetyczne, znamienny tym, że generowanemu łukowi elektrycznemu nadaje się jednokierunkowy ruch postępowy wzdłuż powierzchni czołowej znanej prostoliniowej elektrody nożowej przez zasilanie cewki elektrody prądem elektrycznym z zasilacza poprzez oscylator.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że w trakcie napełniania formy stosuje się zasypkę zawierającą tlenki metali i węgiel i wprowadzaną do formy w trakcie wlewania stopionego metalu, przy czym zasypkę chroni się od styku z elektrodą przez umieszczenie wokół niej ogniotrwałego pierścienia osłonowego, pływającego na powierzchni stopionego metalu.

6. Urządzenie do obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego generowanego między powierzchnią czołową elektrody a przeciwelektrodą stanowiącą stopiony metal w formie odlewniczej, wyposażone przynajmniej w jedną elektrodę do wytwarzania ruchomego łuku elektrycznego, znamienne tym, że jego rurowa elektroda (14) jest połączona za pośrednictwem układu sterującego (32) z jednym z biegunów układu zasilającego (34), korzystnie w prąd stały DC, zaś z drugim z biegunów tego układu zasilającego (34) jest połączony metal (26) w formie odlewniczej (28), przy czym obwód elektryczny (30) jest zamykany przez łuk elektryczny.

7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że jego elektroda (14) jest zawieszona na obrotowym ramieniu (22), korzystnie osadzonym przesuwnie w słupie podstawy (20) urządzenia.

8. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że wewnątrz jego rurowej elektrody (64) jest zaopatrzone w osadzoną w jej otworze dyszę odlewniczą (66), przez którą stopiony metal (68) jest wlewany do formy (72), pełniącej funkcję części osobnego obwodu elektrycznego (74) o małej mocy, łączącego kadź odlewniczą (70) z formą (72) i służącego do kierowania łuku elektrycznego (16) w kierunku do środka formy (72).

9. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że jest wyposażone w układ wielu elektrod (14), z których każda elektroda jest umieszczona bezpośrednio nad jedną z części formy odlewniczej (80), przeznaczonej na nadlewy o masie zredukowanej przynajmniej o 50%, a korzystnie o 80%.

PL 202 531 B1

10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że każda z jego elektrod (14) generujących ruchomy łuk elektryczny (16) jest wyposażona w oddzielny przesuwający ją silnik elektryczny (82) i w oddzielny zasilający ją obwód elektryczny (30).

11. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że jego rurowa elektroda (50), generująca ruchomy łuk elektryczny (16), jest zaopatrzona w otaczający ją ogniotrwały pierścień osłonowy (60), wykonany korzystnie z materiału ceramicznego i umieszczony na górnej powierzchni (36) odlewu względnie wlewki (48), izolując tę elektrodę (14) od zasypki (58), pływającej na górnej powierzchni (36) stopionego metalu.

12. Urządzenie do obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego generowanego między powierzchnią czołową elektrody a przeciwelektrodą stanowiącą stopiony metal w formie odlewniczej, wyposażone przynajmniej w jedną elektrodę generującą ruchomy łuk elektryczny, znamienne tym, że jego elektroda (88) jest zamknięta od góry i wyposażona w jeden lub kilka stycznych do jej powierzchni wewnętrznej otworów (86) połączonych ze źródłem zasilania gazu obojętnego, zwłaszcza argonu pod ciśnieniem i nachylonych pod niewielkim kątem ostrym do poziomu.

13. Urządzenie do obróbki stopionych metali za pomocą ruchomego łuku elektrycznego generowanego między powierzchnią czołową elektrody, a przeciwelektrodą stanowiącą stopiony metal w formie odlewniczej, wyposażone przynajmniej w jedną elektrodę, znamienne tym, że jego elektroda ma postać znanej elektrody nożowej (96), stanowiącej płaską prostoliniową płytkę i generującej ruchomy łuk elektryczny (16), przesuwający się ruchem postępowym w jednym kierunku, przy czym elektroda ta jest wyposażona w zestaw przynajmniej częściowo otaczających ją rdzeni ferromagnetycznych (94) oraz cewek (98) i włączona w obwód elektryczny (101), w skład którego wchodzi układ zasilania (34), oscylator (99) i przeciwelektrodą, stanowiąca górną powierzchnię stopionego metalu (95) w formie (97).