RU2195517C2

RU2195517C2 - Method for creating electric arc discharge and apparatus for performing the same

Info

Publication number: RU2195517C2
Application number: RU2000120008A
Authority: RU
Inventors: Е.С. Сенокосов; Ю.В. Киселев; А.Е. Сенокосов; Е.Е. Никитина
Original assignee: Сенокосов Евгений Степанович; Киселев Юрий Васильевич; Сенокосов Андрей Евгеньевич; Никитина Елена Евгеньевна
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2002-12-27

Abstract

FIELD: working of metallic products by means of electric arc discharge, possibly in metallurgy and different branches of machine engineering. SUBSTANCE: method comprises steps of placing electrode near article and forming between them closed arc discharge gap; applying toroidal magnetic field to gap and igniting discharge between article and electrode; exciting additional magnetic field normal relative to treated surface of article and continuously moving in direction of discharge motion inside toroidal magnetic field along the whole interelectrode space; increasing electric current of electric arc until achieving uniform distribution of elemental discharges along the whole length of electrode and along article surface embraced by electrode; using non-magnetic electrode; placing outside and inside toroidal magnetic field electromagnets with magnetic fields oriented normally relative to electrode and to article surface and uniformly distributed along electrode; supplying alternating three-phase electric current to electromagnets; connecting magnetic cores with common outer magnetic circuit. EFFECT: enhanced uniformness of treatment, improved surface quality of treated articles due to distributing elemental discharges along the whole length of track of electrode spots. 2 cl, 6 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к поверхностной обработке изделий металлургической промышленности: очистке их от окалины и загрязнений, термообработке или модификации поверхности изделий и может быть использовано на предприятиях черной и цветной металлургии, а также в машиностроительных отраслях производства. Изобретение относится также к плазменной технике, к способам получения плазмы и управления ею. The invention relates to the field of metallurgy, and in particular to the surface treatment of products of the metallurgical industry: their cleaning from scale and contaminants, heat treatment or surface modification of products and can be used in enterprises of ferrous and non-ferrous metallurgy, as well as in machine-building industries. The invention also relates to plasma technology, to methods for producing and controlling plasma.

Известен способ получения дугового разряда путем введения сварочной проволоки в кольцевой дуговой электрод с образованием между ними концентричного разрядного промежутка, наложения внешнего соленоидального магнитного поля на межэлектродное пространство и поджига в нем разряда (GB 948554, кл. В 23 Р [нац. кл. B3V, 4В1, 4С], 05.02.1964). Здесь расположение максимума магнитного поля соленоида находится вне межэлектродного пространства, поэтому разряд неустойчив, поле выбрасывает его из этого пространства и гасит, равномерной обработки изделия получить не удается. A known method of producing an arc discharge by introducing a welding wire into an annular arc electrode with the formation of a concentric discharge gap between them, applying an external solenoidal magnetic field to the interelectrode space and igniting a discharge in it (GB 948554, class B 23 P [nat. Class B3V, 4B1, 4C], 02/05/1964). Here, the location of the maximum of the magnetic field of the solenoid is located outside the interelectrode space, therefore, the discharge is unstable, the field ejects it from this space and extinguishes it;

Более стабилен дуговой разряд, возбуждаемый в полости двух трубчатых электродов, на один из которых наложено магнитное поле двух соленоидов постоянного тока и дополнительное поле четырех постоянных радиальных электромагнитов чередующейся по азимуту полярности (SU 224716, кл. Н 05 Н 1/40, 12.07.1966). Данная конфигурация магнитного поля обеспечивает образование синусоидального следа электродных пятен на внутренней поверхности трубчатого электрода с постепенной выработкой материала электрода на относительно широкой круговой полосе. В этом случае след электродных пятен искусственно удлинен настолько, что в практически достижимом диапазоне параметров по току дуги и напряженности магнитного поля не удается рассредоточить элементарные разряды по всей длине этой траектории. В итоге улучшения качества плазменной обработки поверхности электрода получить не удается. The arc discharge excited in the cavity of two tubular electrodes is more stable, one of which is superimposed on the magnetic field of two direct current solenoids and an additional field of four constant radial electromagnets alternating in azimuth of polarity (SU 224716, class Н 05 Н 1/40, 07/12/1966 ) This configuration of the magnetic field ensures the formation of a sinusoidal trace of electrode spots on the inner surface of the tubular electrode with the gradual development of the electrode material in a relatively wide circular strip. In this case, the trace of electrode spots is artificially extended so much that in a practically achievable range of parameters according to the arc current and magnetic field strength it is not possible to disperse elementary discharges along the entire length of this trajectory. As a result, improvements in the quality of plasma treatment of the electrode surface cannot be obtained.

Известен способ получения дугового разряда путем расположения дугового электрода около изделия с образованием между ними замкнутого кольцевого разрядного промежутка, наложения на него внешнего магнитного поля с формой продольного спада его напряженности по мере удаления от этого промежутка и поджига в нем разряда, а также устройство для осуществления данного способа, содержащее электрод, магнитную систему создания электромагнитного поля, окружающего электрод наподобие тора, дуговой блок питания, подключенный к электроду и изделию, причем последние расположены с образованием межэлектродного промежутка замкнутой конфигурации (SU 1113196 А, В 21 В 45/04, 13.07.1983). Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному, принято в качестве прототипа. There is a method of producing an arc discharge by arranging an arc electrode near the product with the formation of a closed annular discharge gap between them, applying an external magnetic field to it with the shape of a longitudinal decrease in its intensity with distance from this gap and igniting a discharge in it, and also a device for performing this a method comprising an electrode, a magnetic system for creating an electromagnetic field surrounding an electrode like a torus, an arc power supply connected to an electrode and an article, Therefore, the latter are located with the formation of an interelectrode gap of a closed configuration (SU 1113196 A, B 21 V 45/04, 07/13/1983). This technical solution, as the closest to the declared one, was adopted as a prototype.

В частном случае короткий след электродных пятен, образующийся при обработке относительно тонкой проволоки, охваченной кольцевым электродом и внешним соленоидом с магнитопроводом, дающим спад продольный напряженности магнитного поля, прототип обеспечивает устойчивое горение дугового разряда на режиме, близком к распределенной дуге. В общем же случае скорость вращения дугового разряда, определяемая здесь только взаимодействием радиальной компоненты тока разряда с поперечной (относительно разряда) составляющей магнитного поля, не обеспечивает рассредоточения элементарных разрядов по всей длине дорожки электродных пятен на поверхности обрабатываемого изделия, что особенно заметно в случае крупных длинномерных изделий типа труб, прутков, профилей, поковок и т.д. После обработки их поверхность, как правило, оказывается матовой и неравномерной (электродуговая очистка). In a particular case, a short trace of electrode spots formed during processing of a relatively thin wire covered by a ring electrode and an external solenoid with a magnetic circuit, which decreases the longitudinal magnetic field strength, the prototype provides stable burning of the arc discharge in a mode close to a distributed arc. In the general case, the rotation speed of the arc discharge, determined here only by the interaction of the radial component of the discharge current with the transverse (relative to the discharge) component of the magnetic field, does not ensure the dispersion of elementary discharges along the entire length of the track of electrode spots on the surface of the workpiece, which is especially noticeable in the case of large lengthy products such as pipes, rods, profiles, forgings, etc. After processing, their surface, as a rule, is dull and uneven (electric arc cleaning).

Техническая задача заявленного технического решения состоит в обеспечении равномерности обработки и повышении класса чистоты поверхности готовых изделий за счет рассредоточения элементарных разрядов по всей длине следов катодных пятен на поверхности изделия. The technical task of the claimed technical solution is to ensure uniform processing and an increase in the surface cleanliness class of finished products due to the dispersion of elementary discharges along the entire length of the traces of cathode spots on the surface of the product.

Поставленная задача решена в способе получения дугового разряда путем расположения дугового электрода около изделия с образованием между ними замкнутого разрядного промежутка, наложения на него электромагнитного поля, окружающего электрод силовыми магнитными линиями наподобие тора, и поджига разряда между изделием и электродом; в рамках данного способа дополнительно возбуждают в межэлектродном пространстве внутри указанного "тора" магнитное поле, перпендикулярное к обрабатываемой поверхности и непрерывно движущееся в направлении движения разряда под действием магнитного поля, а после поджига дуги ее ток повышают до уровня равномерного рассредоточения элементарных разрядов по всей длине следов электродных пятен на поверхности изделия, причем данный ток тем ниже, чем меньше поперечный размер обрабатываемого изделия. The problem is solved in a method for producing an arc discharge by arranging an arc electrode near the product with the formation of a closed discharge gap between them, applying an electromagnetic field to it surrounding the electrode by magnetic lines like a torus, and igniting the discharge between the product and the electrode; in the framework of this method, a magnetic field is additionally excited in the interelectrode space inside the indicated “torus”, perpendicular to the surface being machined and continuously moving in the direction of the discharge movement under the influence of the magnetic field, and after ignition of the arc its current is increased to the level of uniform dispersion of elementary discharges along the entire length of the tracks electrode spots on the surface of the product, and this current is lower, the smaller the transverse size of the processed product.

При этом в устройстве для электродуговой обработки металлоизделий, содержащем электрод, магнитную систему создания электромагнитного поля, окружающего электрод силовыми линиями наподобие тора, дуговой блок питания, подключенный к электроду и изделию, причем последние расположены с образованием межэлектродного пространства замкнутой конфигурации, его электрод выполнен немагнитным и равноудален от изделия, магнитная система установлена так, чтобы максимум электромагнитного поля находился вблизи середины межэлектродного пространства, вне которого и внутри электромагнитного поля размещены электромагниты, поля которых ориентированы перпендикулярно к электроду и поверхности изделия и равномерно распределены вдоль электрода, причем катушки электромагнитов подключены к сети 3-фазного переменного тока, а сердечники соединены с внешним магнитопроводом. Moreover, in an apparatus for electric arc processing of metal products containing an electrode, a magnetic system for creating an electromagnetic field surrounding the electrode by force lines like a torus, an arc power supply connected to the electrode and the product, the latter being arranged to form a closed electrode interelectrode space, its electrode is non-magnetic and equidistant from the product, the magnetic system is installed so that the maximum of the electromagnetic field is near the middle of the interelectrode space a, and outside of which are placed within an electromagnetic field magnets, fields of which are oriented perpendicularly to the electrode and the workpiece surface and uniformly distributed along the electrode, wherein the coils of the electromagnets are connected to the 3-phase AC voltage, and the cores are joined to the outer yoke.

Схемы устройств, выполненных согласно данному предложению, представлены на фиг. 1-6, где приняты следующие обозначения: 1 - электрод, 2 - магнитопровод, 3 - катушка возбуждения постоянного магнитного поля, 4 - силовая линия магнитного поля, 5 - дуговой блок питания, 6 - изделие, 7 - положение максимума напряженности продольного эл. магнитного поля внешней магнитной системы (2, 3), 8 - сердечник электромагнита, 9 - катушки электромагнита, 10 - магнитопровод, 11 - элемент магнитопровода (диск или цилиндр); d - межэлектродное расстояние. Заявленное техническое решение включает варианты для обработки длинномерных материалов и плоских изделий любых размеров при различном исполнении внешней магнитной системы. Schemes of devices made in accordance with this proposal are presented in FIG. 1-6, where the following notation is adopted: 1 - electrode, 2 - magnetic circuit, 3 - constant magnetic field excitation coil, 4 - magnetic field line, 5 - arc power supply, 6 - product, 7 - position of maximum longitudinal electric tension. the magnetic field of the external magnetic system (2, 3), 8 - the core of the electromagnet, 9 - coil of the electromagnet, 10 - magnetic circuit, 11 - element of the magnetic circuit (disk or cylinder); d is the interelectrode distance. The claimed technical solution includes options for processing lengthy materials and flat products of any size with various designs of an external magnetic system.

Фиг.1 - схема устройства для электродуговой обработки длинномерных материалов; имеет магнитопровод, концентрирующий наружные силовые линии внешней магнитной системы с одной катушкой возбуждения поля; в этом варианте толщина области 7 максимальной напряженности соленоидального поля, определяющая ширину следов катодных пятен на поверхности изделия, относительно невелика. Figure 1 - diagram of a device for electric arc processing of long materials; has a magnetic core concentrating the external lines of force of the external magnetic system with one field excitation coil; in this embodiment, the thickness of the region 7 of the maximum intensity of the solenoidal field, which determines the width of the traces of the cathode spots on the surface of the product, is relatively small.

Фиг. 2 - вид, выявляющий расположение электромагнитов 8, 9 (при снятой внешней магнитной системе). FIG. 2 is a view revealing the location of electromagnets 8, 9 (with the removed external magnetic system).

Фиг. 3 - вариант магнитопровода, концентрирующего все силовые магнитные линии внешней магнитной системы с равнораспределенным по азимуту набором катушек возбуждения поля; в этом случае силовые магнитные линии резче поворачивают к торцам магнитопровода, поэтому здесь размер области 7 возрастает, приводя к увеличению ширины следов катодных пятен на поверхности изделия (линией наложенного контура здесь намечены габариты внутреннего узла устройства). FIG. 3 is a variant of a magnetic circuit concentrating all the power magnetic lines of an external magnetic system with a set of field excitation coils equally distributed in azimuth; in this case, the magnetic force lines sharply turn toward the ends of the magnetic circuit, therefore, here the size of region 7 increases, leading to an increase in the width of the traces of the cathode spots on the surface of the product (the dimensions of the internal assembly of the device are indicated here by a superimposed contour line).

Фиг. 4 - вариант устройства для электродуговой обработки плоских изделий с внешней магнитной системой, имеющей одну катушку возбуждения поля и создающей узкую зону максимума поля. FIG. 4 is an embodiment of a device for electric arc processing of flat products with an external magnetic system having one field excitation coil and creating a narrow zone of field maximum.

Фиг. 5 - сечение, выявляющее расположение электромагнитов 8, 9 (при снятой внешней магнитной системе). FIG. 5 is a section showing the location of the electromagnets 8, 9 (with the removed external magnetic system).

Фиг.6 - вариант магнитопровода, аналогичный приведенному на фиг.3. 6 is a variant of the magnetic circuit, similar to that shown in figure 3.

Сущность предложенного технического решения заключается в том, что движение разряда под действием основного магнитного поля, которое в данном случае является внешним, интенсифицируется с помощью внутреннего движущегося магнитного поля, которое увлекает за собой разряд благодаря эффекту "вмороженности" магнитного поля в достаточно сильно ионизованную плазму положительного столба разряда. Ускорение движения разряда по поверхности изделия способствует рассредоточению элементарных разрядов вдоль дорожки электродных пятен на данной поверхности. Таким образом возникает распределенный разряд на некотором отрезке траектории электродных пятен. Обработка поверхности при этом становится более равномерной. Увеличение тока разряда приводит к увеличению числа одновремено горящих и движущихся элементарных разрядов. Быстрое движение этой группы вдоль поверхности изделия, выстраивающее элементарные разряды в цепочку, приводит к удлинению указанного отрезка. При некотором значении тока дуги распределенный разряд охватывает всю траекторию электродных пятен, что проявляется в высокой равномерности обработки поверхности изделия и в повышении класса чистоты обработанной поверхности. Такой режим является оптимальным. Дальнейшее увеличение тока разряда вновь приводит к появлению неравномерности обработки изделия и к снижению чистоты его поверхности. Абсолютная величина оптимального тока разряда определяется площадью следов катодных пятен на поверхности изделия. The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the movement of the discharge under the action of the main magnetic field, which in this case is external, is intensified by an internal moving magnetic field, which carries the discharge along with it due to the effect of “freezing” of the magnetic field into a sufficiently strongly ionized plasma of a positive discharge column. Acceleration of the movement of the discharge on the surface of the product contributes to the dispersion of elementary discharges along the track of electrode spots on this surface. Thus, a distributed discharge arises on a certain segment of the trajectory of the electrode spots. The surface treatment in this case becomes more uniform. An increase in the discharge current leads to an increase in the number of simultaneously burning and moving elementary discharges. The rapid movement of this group along the surface of the product, arranging elementary discharges in a chain, leads to an elongation of the specified segment. At a certain value of the arc current, the distributed discharge covers the entire trajectory of the electrode spots, which is manifested in a high uniformity of the surface treatment of the product and in an increase in the cleanliness class of the treated surface. This mode is optimal. A further increase in the discharge current again leads to the appearance of uneven processing of the product and to a decrease in the purity of its surface. The absolute value of the optimal discharge current is determined by the area of the traces of the cathode spots on the surface of the product.

Таким образом, из двух вариантов внешних магнитных систем устройства согласно фиг. 1 и 4, имеющие меньшую ширину максимума соленоидального поля и, следовательно, обеспечивающие более узкий "коридор" для движения приэлектродных пятен на поверхности изделия, характеризуются меньшей величиной оптимального тока дуги. Кроме того, данный параметр предложенного устройства является функцией сочетания материалов электродов и термодинамических параметров плазмы в межэлектродном пространстве. Относительно просто прослеживается влияние давления плазмообразующей среды: при уменьшении этого параметра снижается плотность плазмы, а вместе с нею средняя эффективная плотность тока элементарных разрядов, что приводит к уменьшению величины оптимального тока дуги. Отсюда следует характер влияния геометрии и параметров разряда на величину оптимального тока разряда. Thus, of the two variants of the external magnetic systems of the device according to FIG. 1 and 4, having a smaller width of the maximum of the solenoidal field and, therefore, providing a narrower “corridor” for the movement of near-electrode spots on the surface of the product, are characterized by a smaller value of the optimal arc current. In addition, this parameter of the proposed device is a function of a combination of electrode materials and thermodynamic parameters of the plasma in the interelectrode space. The influence of the pressure of the plasma-forming medium is relatively easily traced: with a decrease in this parameter, the plasma density decreases, and with it the average effective current density of elementary discharges, which leads to a decrease in the value of the optimal arc current. From here follows the nature of the influence of the geometry and parameters of the discharge on the value of the optimal discharge current.

Устройство, выполненное согласно фиг.1-3, работает следующим образом. В электроразрядное устройство подают изделие, например трубу, размещая начальный участок обработки, например торец, в середине пространства, охваченного электродом 1. Взаимное перемещение устройства и изделия может быть организовано так, как это показано на фиг.1, где предполагается движение трубы вдоль оси неподвижного разрядного устройства. Изобретение включает в себя также перемещение электродугового инструмента вдоль неподвижной трубы. При необходимости в зоне горения разряда создают контролируемую атмосферу (защитную или восстановительную) или вакуум, затем подают питание на катушки 3 и 9 и включают дуговой блок питания 5, который вначале инициирует дуговой разряд между электродом 1 и трубой 6, а затем выводит ток разряда на заданный уровень. Одновременно включают подачу изделия с заданной скоростью (в направлении стрелки - см. справа на фиг.1). Выполнение электрода немагнитным прежде всего необходимо для обеспечения эффективности дополнительного магнитного поля, а равноудаленность электрода от изделия (d≈Const.) способствует равномерности обработки его поверхности. Работа устройств по фиг.4-6 аналогична, за исключением геометрии изделия. Траекторию взаимного перемещения устройства и изделия задает технолог в соответствии с размерами и физико-техническими параметрами изделия. The device made according to figures 1-3, works as follows. An article, for example a pipe, is fed into an electric-discharge device, placing the initial processing section, for example, an end, in the middle of the space covered by the electrode 1. Mutual movement of the device and the product can be arranged as shown in Fig. 1, where the pipe is supposed to move along the axis of the stationary bit device. The invention also includes moving an electric arc tool along a fixed pipe. If necessary, a controlled atmosphere (protective or reducing) or vacuum is created in the discharge combustion zone, then power is supplied to coils 3 and 9 and the arc power supply 5 is turned on, which first initiates an arc discharge between electrode 1 and pipe 6, and then displays the discharge current to set level. At the same time, the product is turned on at a given speed (in the direction of the arrow - see the right in Fig. 1). The implementation of the electrode non-magnetic is primarily necessary to ensure the effectiveness of the additional magnetic field, and the equidistance of the electrode from the product (d≈Const.) Promotes uniform processing of its surface. The operation of the devices of FIGS. 4-6 is similar, with the exception of the geometry of the product. The trajectory of the mutual movement of the device and the product sets the technologist in accordance with the dimensions and physical and technical parameters of the product.

Экономическая эффективность предлагаемого изобретения видна из примера электродуговой очистки стальных труб диаметром 250 мм и толщиной стенки 10 мм, испытанной в поточной линии трубопрокатного завода АО "Трубосталь", г. Санкт-Петербург. Базовым образцом для сравнения эффективности предложения избрана ранее применявшаяся технология очистки с продольным набором кольцевых дуговых электродов и одним общим наружным соленоидом магнитной крутки дуги. В новой установке электродуговой очистки кольцевой электрод был выполнен в виде медной водоохлаждаемой обоймы с внутренней графитовой вставкой. Ее внутренний диаметр составил 290 мм при ширине равной 45 мм. Внешняя магнитная система, выполненная по схеме фиг.1, обеспечила максимум напряженности соленоидального поля в среднем сечении электрода до 0,15 Тл, оптимальный ток разряда при атмосферном давлении защитной среды азота составил около 2300 А. Обработанная поверхность трубы оказалась чистой и гладкой (максимальная шероховатость не более R_max=10...15 мкм). Ранее применявшаяся технология обеспечивала получение матовой поверхности трубы при разбросе максимальной шероховатости ее поверхности в диапазоне R_max=20...120 мкм, что в ряде случаев не удовлетворяло требованиям заказчика. Для питания катушек 9 использовался 3-фазный ток 10 А с частотой 50 Гц, катушки были включены по схеме "звезда". Использовалась многополюсная система для обеспечения движущегося магнитного поля.The economic efficiency of the invention is seen from the example of electric arc cleaning of steel pipes with a diameter of 250 mm and a wall thickness of 10 mm, tested in the production line of the tube rolling plant JSC "Trubostal", St. Petersburg. The previously applied cleaning technology with a longitudinal set of circular arc electrodes and one common external solenoid of the magnetic twist of the arc was selected as the basic model for comparing the effectiveness of the proposal. In the new installation of electric arc cleaning, the ring electrode was made in the form of a copper water-cooled holder with an internal graphite insert. Its inner diameter was 290 mm with a width of 45 mm. An external magnetic system, made according to the scheme of Fig. 1, ensured a maximum solenoidal field strength in the middle section of the electrode of up to 0.15 T, the optimal discharge current at atmospheric pressure of the nitrogen protective medium was about 2300 A. The treated pipe surface turned out to be clean and smooth (maximum roughness no more than R _max = 10 ... 15 μm). Previously used technology provided a matte surface of the pipe with a spread of the maximum roughness of its surface in the range R _max = 20 ... 120 μm, which in some cases did not satisfy the requirements of the customer. To power the coils 9, a 3-phase current of 10 A with a frequency of 50 Hz was used, the coils were turned on according to the "star" scheme. A multipolar system was used to provide a moving magnetic field.

Claims

1. A method of producing an arc discharge by arranging an electrode near the product with the formation of a closed discharge gap between them, applying a toroidal magnetic field surrounding the electrode, and igniting the discharge between the product and the electrode, characterized in that throughout the interelectrode space inside the specified toroidal magnetic the fields excite an additional magnetic field perpendicular to the surface of the workpiece and continuously moving in the direction of the discharge, the arc current ovyshayut to uniformly disperse elementary discharges the entire length of the electrode and the covered electrode surface of the article.

2. Device for electric arc processing of metal products, containing an electrode, a magnetic system for creating a toroidal magnetic field surrounding the electrode by force lines, an arc power supply connected to the electrode and the product, characterized in that the electrode is non-magnetic and its working surface is equidistant from the surface of the workpiece , electromagnets are placed outside and inside the toroidal magnetic field, the magnetic fields of which are oriented perpendicular to the electrode and the surface of the product and are uniform distributed along the electrode, wherein the electromagnets are powered three-phase alternating current, and the magnetic cores are connected to a common external magnetic circuit.