RU80377U1

RU80377U1 - DEVICE FOR PLASMA PROCESSING OF PRODUCTS

Info

Publication number: RU80377U1
Application number: RU2008135429/22U
Authority: RU
Inventors: Олег Юрьевич Ефимов; Михаил Васильевич Никиташев; Валерий Яковлевич Чинокалов; Вадим Петрович Симаков; Сергей Александрович Дубинин; Николай Семенович Колесников; Владимир Кимович Варламов; Владимир Васильевич Попов; Владимир Вадимович Фишер
Original assignee: Открытое акционерное общество "Западно-Сибирский металлургический комбинат" (ОАО "ЗСМК")
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2009-02-10

Abstract

Полезная модель относится к плазменной обработке изделий, в частности, к устройствам для плазменной поверхностной закалки калибров прокатных валков. Технический результат заключается в том, что в предлагаемом устройстве путем выбора оптимальных размеров выходного канала сопла происходит стабилизация дуги прикатодного участка, что позволяет осуществлять плазменную обработку изделий с повышенной производительностью, а наличие втулки из жаропрочного материала, например, молибдена, позволит защитить выходной канал сопла от разгара, и тем самым повышает ресурс работы самого устройства. Устройство для плазменной обработки изделий содержит газовихревую камеру, водоохлаждаемый электрод, выполненный в виде медной державки с запрессованным в нее стержнем активной вставки, водоохлаждаемое сопло с выходным цилиндрическим каналом, который снабжен втулкой из жаропрочного материала, толщина втулки 1,5-2,0 мм, диаметр выходного канала определяют как d_k=(0,1-0,12) , а его длину как 1_k= (0,3-0,35) d_к, где: d_к - диаметр выходного канала сопла, мм 1_k - длина выходного канала сопла, мм 0,1-0,12 - значение эмпирического коэффициента, характеризующего зависимость геометрических размеров выходного отверстия сопла от токосиловых параметров плазменной струи, (0,1-0,12), мм(ВА)^-1/2. U - рабочее напряжение дуги, В I - ток дуги, А 1 н.п. ф-лы, 1 ил. 1 табл.The utility model relates to plasma processing of products, in particular, to devices for plasma surface hardening of calibers of rolling rolls. The technical result consists in the fact that in the proposed device by selecting the optimal size of the outlet channel of the nozzle, the arc of the cathode section is stabilized, which allows plasma processing of products with increased productivity, and the presence of a sleeve of heat-resistant material, for example, molybdenum, will protect the outlet channel of the nozzle from heat, and thereby increases the life of the device itself. A device for plasma processing of products contains a gas-vortex chamber, a water-cooled electrode made in the form of a copper holder with a core of an active insert pressed into it, a water-cooled nozzle with an output cylindrical channel, which is equipped with a sleeve made of heat-resistant material, the thickness of the sleeve is 1.5-2.0 mm, the diameter of the output channel is defined as d _k = (0.1-0.12) and its length as 1 _k = (0.3-0.35) d _k , where: d _k is the diameter of the output channel of the nozzle, mm 1 _k is the length of the output channel of the nozzle, mm 0.1-0.12 is the empirical value coefficient characterizing the dependence of the geometric dimensions of the nozzle outlet on the current-force parameters of the plasma jet, (0.1-0.12), mm (VA) ^-1/2 . U is the operating voltage of the arc, In I is the arc current, A 1 n.p. f-ly, 1 ill. 1 tab.

Description

Полезная модель относится к плазменной обработке изделий, в частности, к устройствам для плазменного поверхностного упрочнения гладких калибров прокатных валков.The utility model relates to plasma processing of products, in particular, to devices for plasma surface hardening of smooth calibers of rolling rolls.

Известно устройство для плазменной наплавки, содержащее корпус с закрепленными в нем концентрическими внутренним и наружным соплами, при этом канал внутреннего сопла имеет цилиндрическое сечение. Устройство позволяет проводить термообработку гладкой поверхности изделия (SU №963194, В23К 9/16,1980 г.).A device for plasma surfacing is known, comprising a housing with concentric inner and outer nozzles fixed therein, the channel of the inner nozzle having a cylindrical section. The device allows heat treatment of the smooth surface of the product (SU No. 963194, V23K 9 / 16.1980).

Недостатком данного устройства является отсутствие стабилизации прикатодного участка дуги, что снижает качество обрабатываемого изделия, а также повышенный термический износ канала сопла.The disadvantage of this device is the lack of stabilization of the cathode section of the arc, which reduces the quality of the workpiece, as well as increased thermal wear of the nozzle channel.

Известно также устройство для плазменной обработки (резки, наплавки, напыления и других технологических процессов), содержащее водоохлаждаемые сопло и электрод, при этом канал сопла имеет цилиндрическое сечение, а рабочий конец электрода может иметь различные исполнения в зависимости от назначения плазмотрона (SU №880654, В23К 9/16, 1981 г.).There is also known a device for plasma processing (cutting, surfacing, spraying and other technological processes) containing a water-cooled nozzle and electrode, while the nozzle channel has a cylindrical section, and the working end of the electrode can have different designs depending on the purpose of the plasma torch (SU No. 880654, B23K 9/16, 1981).

Известное устройство позволяет проводить термоупрочнение различного типа поверхностей изделия (гладкая, профильная).The known device allows thermal hardening of various types of product surfaces (smooth, profile).

Недостатком устройства является отсутствие стабилизации катодного участка дуги соплом, что приводит к неконтролируемым перегревам обрабатываемой поверхности, что снижает качество обработки.The disadvantage of this device is the lack of stabilization of the cathode section of the arc by the nozzle, which leads to uncontrolled overheating of the treated surface, which reduces the quality of processing.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому положительному результату является устройство для плазменной обработки изделия, содержащее газовихревую камеру плазмообразующего газа, водоохлаждаемый электрод (катод), выполненный в виде Closest to the claimed solution according to the technical nature and the achieved positive result is a device for plasma processing of the product containing a gas-vortex chamber of a plasma-forming gas, a water-cooled electrode (cathode), made in the form

медной державки с запрессованным в нее стержнем активной вставки, водоохлаждаемое сопло с выходным цилиндрическим каналом. (Лещинский А.К., Самогутин С.С., Пирч И.И., Комар В.И. Плазменное поверхностное упрочнение, Киев: Наукова Думка, 1990. С.86-89).a copper holder with a core of an active insert pressed into it, a water-cooled nozzle with an output cylindrical channel. (Leshchinsky A.K., Samogutin S.S., Pirch I.I., Komar V.I. Plasma surface hardening, Kiev: Naukova Dumka, 1990. P. 86-89).

Известное устройство позволяет проводить плазменную поверхностную закалку гладких поверхностей изделий, однако предлагаемый размер цилиндрического канала сопла способствует обжатию плазменной струи, что ведет к необоснованному повышению плотности теплового потока плазменной струи и нестабильности дуги катодного участка, а также повышенному термическому износу поверхности канала сопла.The known device allows plasma surface hardening of smooth surfaces of products, however, the proposed size of the cylindrical channel of the nozzle contributes to compression of the plasma jet, which leads to an unreasonable increase in the density of the heat flux of the plasma jet and the instability of the arc of the cathode section, as well as increased thermal wear of the surface of the nozzle channel.

Задачей полезной модели является стабилизация катодного участка дуги, что позволяет достичь более высокой производительности, качества плазменной обработки и повышения ресурса работы самого устройства.The objective of the utility model is to stabilize the cathode section of the arc, which allows to achieve higher performance, quality of plasma processing and increase the life of the device itself.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом устройстве для плазменной обработки изделий, содержащем газовихревую камеру, водоохлаждаемый электрод (катод), выполненный в виде медной державки с запрессованным в нее стержнем активной вставки, водоохлаждаемое сопло с выходным цилиндрическим каналом, согласно полезной модели, выходной канал сопла дополнительно снабжен втулкой из жаропрочного материала с толщиной стенки 1,5-2,0 мм, при этом диаметр выходного канала сопла определяют из соотношения d_к=(0,1 - 0,12) √UI, а его длину как 1_k=(0,3-0,35) d_к, где d_к - диаметр выходного канала сопла, мм; 1_k -длина выходного канала сопла, мм, (0,1-0,12)- значение эмпирического коэффициента, учитывающего зависимость геометрических размеров выходного отверстия сопла от токосиловых параметров плазменной струи, мм (ВА)^-1/2 U,I - соответственно рабочее напряжение, В, и ток, А, дуги.The problem is achieved in that in the proposed device for plasma processing of products containing a gas vortex chamber, a water-cooled electrode (cathode) made in the form of a copper holder with an active insert rod pressed into it, a water-cooled nozzle with an output cylindrical channel, according to a utility model, an output channel the nozzle is additionally equipped with a sleeve made of heat-resistant material with a wall thickness of 1.5-2.0 mm, while the diameter of the outlet channel of the nozzle is determined from the relation d _k = (0.1 - 0.12) √UI, and its length is 1 _k = (0.3 -0.35) d _k , where d _k is the diameter of the output channel of the nozzle, mm; 1 _{k is the} length of the nozzle exit channel, mm, (0.1-0.12) is the value of an empirical coefficient that takes into account the dependence of the geometric dimensions of the nozzle exit hole on the current force parameters of the plasma jet, mm (VA) ^-1/2 U, I - respectively operating voltage, V, and current, A, arcs.

Технический результат заключается в достижении необходимой плотности теплового потока путем стабилизации дуги прикатодного участка параметрами сопла, что позволяет осуществлять термообработку поверхности изделий с повышенной производительностью, а наличие втулки The technical result consists in achieving the necessary heat flux density by stabilizing the arc of the near-cathode region with nozzle parameters, which allows heat treatment of the surface of products with increased productivity, and the presence of a sleeve

из жаропрочного материала защитит выходной канал сопла от разгара и тем самым повысит ресурс работы устройства в целом.of heat-resistant material will protect the output channel of the nozzle from heat and thereby increase the life of the device as a whole.

Выбор эмпирического коэффициента для расчета диаметра выходного канала сопла d_к устройства для плазменной обработки изделий в заданном диапазоне значения 0,1-0,12 обеспечивает получение необходимой плотности теплового потока плазменной струи для формирования упрочненного слоя с минимальным оплавлением, оптимальной ширины зоны упрочнения за один проход и технологической толщины, ограниченной допустимым износом обрабатываемого изделия, при этом плотность теплового потока плазменной струи и скорость перемещения задаются в пределах диапазонов (85-125)*10⁶ Вт/м² и 35-53 мм/с соответственно (Патент 2298043 Российская Федерация, C21D 9/38, 2007 г.).The choice of the empirical coefficient for calculating the diameter of the outlet channel of the nozzle d _{to the} device for plasma processing of products in a given range of 0.1-0.12 provides the required density of the heat flux of the plasma jet to form a hardened layer with minimal fusion, the optimal width of the hardening zone in one pass and technological thickness limited by the allowable wear of the workpiece, while the density of the heat flux of the plasma jet and the speed of movement are set within the range ranges (85-125) * 10 ⁶ W / m ² and 35-53 mm / s, respectively (Patent 2298043 Russian Federation, C21D 9/38, 2007).

Использование устройства с диаметром выходного канала сопла d_к менее 0,1 в заданном диапазоне плотности теплового потока плазменной струи и скорости перемещения приводит к уменьшению ширины зоны упрочнения за один проход с переходом к режиму оплавления, что ведет к снижению качества обрабатываемого изделия.Using a device with a nozzle outlet channel diameter d _{k of} less than 0.1 in a given range of the density of the heat flow of the plasma jet and the speed of movement leads to a decrease in the width of the hardening zone in one pass with the transition to the reflow mode, which leads to a decrease in the quality of the processed product.

Использование устройства с диаметром выходного канала сопла d_кболее 0,12 в заданном диапазоне плотности теплового потока плазменной струи и скорости перемещения приводит к увеличению ширины зоны упрочнения за один проход, снижению плотности теплового потока плазменной струи с формированием толщины упрочненного слоя меньше технологической.Using a device with a diameter of the outlet channel of the nozzle d _to more than 0.12 in a given range of the density of the heat flux of the plasma jet and the speed of movement, it leads to an increase in the width of the hardening zone in one pass, to a decrease in the density of the heat flux of the plasma jet with the formation of a thickness of the hardened layer less than the technological one.

Выбор длины выходного канала сопла 1_k устройства для плазменной обработки изделий из условия 1_k=(0,3-0,35)d_к обеспечивает реализацию оптимальных газодинамических и теплофизических условий формирования плазменной струи с увеличением ее поперечного сечения на необходимом расстоянии до обрабатываемой поверхности, которое определяется устойчивостью дуги.The choice of the length of the outlet channel of the nozzle 1 _{k of the} device for plasma processing of products from the condition 1 _k = (0.3-0.35) d _k provides the implementation of the optimal gas-dynamic and thermophysical conditions for the formation of a plasma jet with an increase in its cross section at the required distance to the surface to be treated, which is determined by the stability of the arc.

Выбор длины выходного канала сопла 1_k менее 0,3 d_к ведет к снижению эффективности охлаждения цилиндрической поверхности выходного канала сопла по причине роста плотности теплового потока плазменной струи.The choice of the length of the outlet channel of the nozzle 1 _k less than 0.3 d _k leads to a decrease in the cooling efficiency of the cylindrical surface of the outlet channel of the nozzle due to an increase in the density of the heat flux of the plasma jet.

Использование устройства с длиной выходного канала сопла 1_к более 0,35 d_к нецелесообразно по причине развития процесса обжатия плазменной струи, что сопровождается повышением тепловых потерь плазменной струи.The use of a device with a nozzle exit channel length of 1 _k over 0.35 d _{k is} impractical due to the development of the plasma jet compression process, which is accompanied by an increase in the heat loss of the plasma jet.

Наличие втулки из жаропрочного материала, например, молибдена, с толщиной стенки 1,5-2,0 мм способствует защите выходного канала сопла от выгорания и увеличению рабочего ресурса устройства.The presence of a sleeve of heat-resistant material, for example, molybdenum, with a wall thickness of 1.5-2.0 mm helps to protect the output channel of the nozzle from burnout and increase the working life of the device.

Толщина стенки цилиндрической вставки выходного канала сопла 1,5 - 2,0 мм определена из соображений выбора технологических приемов ее установки, например, запрессовка, нарезка резьбы и др.The wall thickness of the cylindrical insert of the outlet channel of the nozzle of 1.5 - 2.0 mm is determined from considerations of the choice of technological methods for its installation, for example, pressing, threading, etc.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства. Устройство содержит газовихревую камеру 1 с завихрителем 2 и водоохлаждаемым электродом (катод) 3, выполненным в виде медной державки с запрессованным в нес стержнем активной вставки 4; сопло 5 с выходным каналом 6, имеющим жаропрочную цилиндрическую вставку 7, и рубашку водяного охлаждения 8 сопла 5. Плазменная струя 9 воздействует на изделие 10.A utility model is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the device. The device comprises a gas-vortex chamber 1 with a swirler 2 and a water-cooled electrode (cathode) 3, made in the form of a copper holder with the core of the active insert 4 pressed into the carrier; a nozzle 5 with an output channel 6 having a heat-resistant cylindrical insert 7, and a water cooling jacket 8 of the nozzle 5. The plasma jet 9 acts on the product 10.

Устройство функционирует следующим образом: в электрод 3 и в рубашку водяного охлаждения 8 одновременно подастся вода. Плазмообразующий газ, через завихритель 2 поступает в газовихревую камеру 1. Известным способом, например, осциллятором (Плазменная технология. Опыт разработки и внедрения. Д.Г.Быховский и др. Л. Лениздат, 1980.-С 38-41) возбуждают начальную электрическую дугу между катодом 3, выполненным в виде медной державки с запрессованным в нее стержнем активной вставки 4 и соплом 5, обеспечивающую нагрев и ионизацию плазмообразующего газа. При достижении достаточного потенциала между The device operates as follows: water is simultaneously supplied to the electrode 3 and to the water cooling jacket 8. Plasma-forming gas, through the swirler 2 enters the gas-vortex chamber 1. In a known manner, for example, by an oscillator (Plasma technology. Development and implementation experience. D.G. Bykhovsky and others L. Lenizdat, 1980.-C 38-41) excite the initial electric an arc between the cathode 3, made in the form of a copper holder with the core of the active insert 4 pressed into it and a nozzle 5, which provides heating and ionization of the plasma-forming gas. When sufficient potential is reached between

катодом 3 и изделием 10 (анод), за счет электропроводности нагретого плазмообразующего газа образуется основная дуга, начальная дуга при этом отключается. Плазмообразующий газ, проходя через основную дугу, ионизируется и нагревается до температуры порядка 12000 К и стекает из выходного канала 6 с жаропрочной цилиндрической вставкой 7 в виде, увеличивающейся в поперечном сечении, плазменной струи 9. Размеры (диаметр и длина) выходного канала 6 определяются токосиловыми параметрами, определяемыми из заданных технологических условий плазменной поверхностной обработки изделия. В таблице представлены результаты плазменной обработки прокатных валков устройствами, имеющими различные геометрические параметры сопла. Из таблицы видно, что наилучшие показатели по упрочнению изделий достигаются при значениях диаметра выходного канала сопла d_k=0,105 и длиной выходного канала сопла 1_k= 0,33d_k, при которых достигается требуемая толщина упрочненного слоя 0,7-0,8 мм и минимальное оплавление обрабатываемой поверхности.cathode 3 and article 10 (anode), due to the electrical conductivity of the heated plasma gas, the main arc is formed, the initial arc is turned off. The plasma-forming gas passing through the main arc is ionized and heated to a temperature of about 12000 K and flows from the output channel 6 with a heat-resistant cylindrical insert 7 in the form of a plasma jet 9 increasing in cross section. The dimensions (diameter and length) of the output channel 6 are determined by current-force parameters determined from the given technological conditions of the plasma surface treatment of the product. The table shows the results of the plasma treatment of the rolling rolls with devices having various geometric parameters of the nozzle. The table shows that the best indicators for hardening products are achieved when the values of the diameter of the outlet channel of the nozzle d _k = 0.105 and the length of the outlet channel of the nozzle 1 _k = 0.33 d _k , at which the required thickness of the hardened layer of 0.7-0.8 mm and a minimum fusion of the treated surface are achieved.

Дополнительная стабилизация катодного участка дуги за счет оптимальных параметров выходного канала сопла обеспечивает устойчивое горение дуги между активной вставкой электрода и участком поверхности изделия, что повышает качество обрабатываемого изделия.Additional stabilization of the cathode section of the arc due to the optimal parameters of the output channel of the nozzle provides stable arc burning between the active insert of the electrode and the surface area of the product, which improves the quality of the processed product.

Устройство для плазменной обработки изделий промышленно применимо для плазменной поверхностной обработки различных изделий, например, калибров сортопрокатных валков.A device for plasma processing of products is industrially applicable for plasma surface treatment of various products, for example, calibrated rolls.

таблицаtable I, A при U=30 ВI, A at U = 30 V d_k.=0,095
,
ммd _k . = 0,095
,
mm 1_k=0,29d_k мм1 _k = 0.29d _k mm q,
Вт/мм² q
W / mm ² Показатели качестваQuality indicators d_k=0,105
,
ммd _k = 0.105
,
mm 1_k=0,33d_k,
мм1 _k = 0.33d _k ,
mm q
Вт/мм² q
W / mm ² Показатели качестваQuality indicators d_k,=0,125
,
ммd _k , = 0.125
,
mm 1_k=0,36d_k,
мм1 _k = 0.36d _k ,
mm q,
Вт/мм² q
W / mm ² Показатели качестваQuality indicators 100one hundred 5,25.2 1,511.51 141141 Оплавление поверхности, повышение количества зон упрочнения и отпуска, повышение термического износа канала соплаSurface melting, increasing the number of hardening and tempering zones, increasing the thermal wear of the nozzle channel 5,85.8 1,911.91 113113 Минимальное оплавление, достижение требуемой толщины слоя.
(0,7-0,8)ммMinimum flashing, achieving the required layer thickness.
(0.7-0.8) mm 6,86.8 2,452.45 8383 Не достигается требуемая толщина упрочненного слоя
менее 0,6 ммThe required thickness of the hardened layer is not achieved.
less than 0.6 mm 110110 5,55.5 1,601,60 139139 6,06.0 1,981.98 116116 7,27.2 2,592.59 8181 120120 5,75.7 1,651.65 141141 6,36.3 2,082.08 116116 7,57.5 2,702.70 8282 130130 5,95.9 1,711.71 142142 6,56.5 2,152.15 117117 7,87.8 2,812.81 8282

Claims

A device for plasma processing of products containing a gas vortex chamber, a water-cooled electrode made in the form of a copper holder with an active insert rod pressed into it, a water-cooled nozzle with an output cylindrical channel, characterized in that the output channel of the nozzle is additionally equipped with a sleeve made of heat-resistant material with a wall thickness of 1, 50-2.0 mm, while the diameter of the output channel is determined from the ratio

, and its length as l _{k =} (0.3-0.35) d _k ,

where d _k is the diameter of the outlet channel of the nozzle, mm;

l _to - the length of the outlet channel of the nozzle, mm;

(0,1-0,12) - the value of the empirical coefficient, taking into account the dependence of the geometric dimensions of the nozzle outlet on the current-force parameters of the plasma jet, mm (V · A) ^-1/2 ;

U is the operating voltage of the arc, V;

I - arc current, A.