Устройство для плазменной обработки изделий

Полезная модель относится к плазменной обработке изделий, в частности, к устройствам для плазменной поверхностной закалки калибров валков чистовых клетей для прокатки арматурного профиля. Технический результат заключается в создании устройства для плазменной обработки изделий, которое позволит за счет формирования столба дуги в цилиндрической части электрода и определения оптимальной длины сопла, соответственно, обеспечить достижение необходимой плотности мощности теплового потока плазменной струи и осуществить термообработку поверхности изделий с повышенной производительностью. Устройство для плазменной обработки изделий содержит канал для подачи рабочего газа, электроды, один из которых выполнен с внутренним каналом и рубашкой охлаждения, и соединен с преобразователем потока рабочего газа. Преобразователь потока рабочего газа выполнен в виде сопла с расширением в сторону истечения плазменной струи и образует с электродом общий внутренний канал переменного сечения. Электрод и преобразователь потока рабочего газа имеют общую рубашку охлаждения. Внутренний канал электрода выполнен цилиндрическим. Длину сопла l_с определяют из условия l _с=(1,4-1,7)d_c, где - d _c выходной диаметр сопла.

Полезная модель относится к плазменной обработке изделий, в частности, к устройствам для плазменной поверхностной закалки калибров валков чистовых клетей для прокатки арматурного профиля.

Известно устройство для плазменной поверхностной закалки, содержащее корпус, установленные в корпусе катод и цилиндрическое охлаждаемое сопло - анод, каналы подачи плазмообразующего газа. Известное устройство позволяет обрабатывать сложную конфигурацию поверхности изделия (SU №727369, В21К 9/16, 1977 г.).

Недостатком известного устройства является малая ширина упрочняемой зоны за один проход.

Известно устройство для плазменной поверхностной закалки, с секционированной межэлектродной вставкой. Известное устройство позволяет обрабатывать сложную конфигурацию поверхности изделия эффективно за счет того, что увеличенная длина дуги в цилиндрическом канале обеспечивает достижение необходимых теплофизических параметров плазменной струи при более низких токах и, в целом, повышается стабильность работы плазмотрона (Лещинский А.К., Самогутин С.С., Пирч И.И., Комар В.И. Плазменное поверхностное упрочнение, Киев: Наукова Думка, 1990. С.82-99).

Недостатком известного устройства является малая ширина закаливаемой за один проход зоны. При многопроходной же закалке наблюдается существенная неоднородность обработанной поверхности.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому положительному результату является устройство для плазменной обработки изделия, содержащее систему подачи рабочего газа, электроды, один из которых выполнен с внутренним каналом и рубашкой

охлаждения, и соединенный с преобразователем потока рабочего газа, выполненного в виде сопла с расширением в сторону истечения плазменной струи, образующим с ним общий внутренний канал переменного сечения (RU №2069131, В23К 10/00, 1995 г.).

Известное устройство позволяет обрабатывать поверхности изделия сложной конфигурации с повышенной производительностью по площади, однако выполнение внутреннего канала электрода с конусным сечением способствует усилению процесса шунтирования дуги, ведущего к уменьшению средней длины дуги (она не успевает развиться). Это приводит к асимметрии горения дуги в канале и неравномерности нагрева плазмообразующего газа для малых значений рабочего тока технологического диапазона (Чередниченко B.C., Аньшаков А.С., Кузьмин М.Г. Плазменные электротехнические установки, Новосибирск, НГТУ, 2005, С.236-239). Выполнение преобразователя газа без эффективного охлаждения при расположении его в зоне активного действия плазменной струи способствует повышенному высокотемпературному окислительному износу

Задачей полезной модели является упрочнение с высокой производительностью поверхности обрабатываемых изделий и получение однородных свойств по износостойкости и контактно-усталостной выносливости по всей обработанной поверхности изделий.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом устройстве для плазменной обработки изделий, содержащем канал для подачи рабочего газа, электроды, один из которых выполнен с внутренним каналом и рубашкой охлаждения, и соединен с преобразователем потока рабочего газа, выполненным в виде сопла с расширением в сторону истечения плазменной струи и образующим с ним общий внутренний канал переменного сечения согласно полезной модели, электрод и преобразователь потока рабочего газа имеют общую рубашку охлаждения, при этом внутренний канал электрода выполнен цилиндрическим, а длину сопла l_с определяют из условия l_с=(1,4-1,7)d_c,

где - d_c выходной диаметр сопла.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в создании устройства для плазменной обработки изделий, которое позволит за счет формирования столба дуги в цилиндрической части электрода и определения оптимальной длины сопла, соответственно, обеспечить достижение необходимой плотности мощности теплового потока плазменной струи и осуществить термообработку поверхности изделий с повышенной производительностью.

Технический результат достигается тем, что электрод и преобразователь потока рабочего газа имеют общую рубашку охлаждения, при этом внутренний канал электрода выполнен цилиндрическим, а длину сопла l _с определяют из условия l_с=(1,4-1,7)d _c,

где - (1,4-1,7) - эмпирический коэффициент, полученный экспериментальным путем.

Выбор длины сопла l _с устройства для плазменной обработки изделий из условия l_с=(1,4-1,7)d_c обеспечивает реализацию оптимальных газодинамических и теплофизических условий формирования турбулентной плазменной струи с углом раскрытия =18° в среде с атмосферным давлением (Бобров Г.В. Ильин А.А. Нанесение неорганических покрытий, Москва: Интермет Инжиниринг, 2004, С.254-255), т.к. гидравлическое сопротивление выходного сопла переменного сечения слагается из потерь на трение и на вихреобразование. Вихревые потери вызываются отрывом пограничного слоя от стенок выходного сопла, они зависят от угла раствора выходного сопла и играют главную роль. При малых углах раствора гидравлические потери невелики, но по мере увеличения угла они возрастают. С ростом угла раствора зона вихрей перемещается от конца выходного сопла к его началу и при больших углах вся стенка покрыта вихревой областью (Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Том 1, Москва, Наука, 1991, С.455-460).

Выполнение условия выбора длины сопла l_c<l,4d _c (увеличение угла ) ведет к значительному возрастанию газодинамических потерь в сопле.

Выполнение условия для длины сопла l _c>l,7d_c (уменьшение угла ) технически не целесообразно по причине незначительного снижения газодинамических потерь и росту тепловых потерь, способствующих охлаждению плазменной струи.

Диаметр сопла d _c определяют из условия d>d_c0,5d,

где d - диаметр обрабатываемого изделия,

d_c - выходной диаметр сопла,

что описано в заявке на изобретение ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» №2006121872 от 19.06.2006 г «Способ термической обработки профилированных металлических поверхностей».

Выполнение электрода и преобразователя потока рабочего газа с общей рубашкой охлаждения обеспечивает эффективную защиту устройства от высокотемпературного окисления и повышает ресурс его работы в целом.

Выполнение внутреннего канала электрода в виде цилиндра обеспечивает достижение оптимальной средней длины электрической дуги, что способствует устойчивой работе устройства, и необходимой плотности мощности теплового потока плазменной струи для обработки изделий.

Диаметр цилиндрического сечения внутреннего канала электрода d_ц равен меньшему диаметру сопла, который определяется выходным диаметром сопла d_c , длиной сопла l_с и углом раскрытия турбулентной плазменной струи .

Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображено устройство для плазменной обработки изделий, содержащее канал 1 для подачи рабочего газа, электрод 2 (катод) и электрод 3 (анод), преобразователь 4 потока рабочего газа, выполненный в виде сопла и соединенный с электродом 3. Преобразователь 4 потока рабочего газа имеет с электродом 3 общую рубашку охлаждения 5 и направлен на обрабатываемое изделие 6.

Устройство функционирует следующим образом: канал 1 для подачи рабочего газа обеспечивает его поступление в межэлектродный зазор, одновременно подается вода в рубашку охлаждения 5. Известным способом

(например, осциллятором) в межэлектродном зазоре возбуждают начальную электрическую дугу, обеспечивающую нагрев и ионизацию плазмообразующего газа. При достижении достаточного потенциала между электродами 2 и 3, за счет электропроводности нагретого плазмообразующего газа, образуется основная дуга, начальная дуга при этом отключается. Под действием осевой составляющей скорости потока плазмообразующего газа дуга растягивается на оси цилиндрического участка электрода 3 в направлении течения потока. Столб дуги стабилизируется на оси цилиндрического участка электрода 3 из-за градиента давления в вихре. Радиальный участок дуги замыкает столб дугового разряда на цилиндрический участок электрода 3.

Плазмообразующий газ, проходя через основную дугу, нагревается до температуры порядка 10000 К и стекает в виде плазменной струи из преобразователя 4 потока рабочего газа, выполненного в виде сопла, на обрабатываемое изделие 6.

Вследствие относительного перемещения устройства для плазменной обработки изделий происходит обработка поверхности изделия 6 в виде полосы.

Более высокая производительность закалки поверхности изделия по площади и по ресурсу работы устройства осуществляется за счет того, что горение дуги и нагрев газа осуществляется в цилиндрическом участке электрода, обеспечивающим необходимую среднюю длину дуги и, тем самым, достижение эффективных теплофизических параметров образуемой плазменной струи, таких как температура, степень ионизации и др. Охлаждаемый преобразователь рабочего газа, выполненный в виде сопла, повышает ресурс работы устройства в целом, тем самым обеспечивает оптимальную геометрию плазменной струи с одновременным увеличением площади ее поперечного сечения, что ведет к увеличению ширины упрочняемой зоны за один проход, достижению однородности эксплуатационных свойств по всей обработанной поверхности изделий.

Устройство для плазменной обработки изделий промышленно применимо для плазменной закалки калибров валков чистовых клетей для прокатки арматурных профилей позволяет за счет формирования столба дуги в цилиндрической части электрода, и увеличения оптимальной длины сопла обеспечить достижение необходимой плотности мощности теплового потока плазменной струи и осуществить термообработку поверхности изделий с повышенной производительностью.

Устройство для плазменной обработки изделий, содержащее канал для подачи рабочего газа, электроды, один из которых выполнен с внутренним каналом и рубашкой охлаждения, и соединен с преобразователем потока рабочего газа, выполненным в виде сопла с расширением в сторону истечения плазменной струи и образующим с ним общий внутренний канал переменного сечения, отличающееся тем, что электрод и преобразователь имеют общую рубашку охлаждения, при этом внутренний канал электрода выполнен цилиндрическим, а длину сопла l _с определяют из условия l_c=(1,4-1,7)d _c, где d_c - выходной диаметр сопла.