УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Установка для электродуговой обработки поверхности металлических изделий
Предлагаемая полезная модель относится к обработке изделий в виде проволоки и других прокатных профилей в вакууме с помощью электродугового разряда, обеспечивающего удаление с поверхности окалины, окисных пленок, закатов и других загрязнений.
Известна установка для очистки листового проката в вакууме с помощью катодных пятен электродугового разряда [Патент RU №2180365, С 23 С, 14/36, опубл. 10.03.2002 г.]., содержащая вакуумную камеру, средство обработки ленты, состоящее из трех электроплазменных модулей с графитовыми анодами, источник питания, отрицательный полюс которого соединен с лентой, направляющие ролики, блоки разматывания и сматывания ленты, установленные в вакуумной камере. Недостатком рассматриваемого устройства является размещение устройств смотки/размотки в вакуумной камере, что исключает его использование в процессах непрерывной очистки поверхности металлических полуфабрикатов в условиях прокатного производства.
Помимо этого крайне затруднена откачка камеры с установленными в ней механизмами и рулонами ленты, габариты камеры резко увеличиваются, невозможно использование этого решения для обработки поверхности заготовок большой ширины или толщины, сматываемых в крупногабаритные рулоны.
Известно устройство для электродуговой обработки поверхности металлических изделий в вакууме [Патент RU №2145645, C 23 F 4/00, опубл. 20.02.2000 г.], включающее рабочую камеру, входной и выходной шлюзы, средство создания вакуума, узел анода из двух электродов, узел катода, устройство перемещения изделия относительно анодов, источник питания электрической дуги, отрицательный полюс которого связан через узел катода с изделием, а положительный полюс - с анодами.
К недостаткам рассматриваемого решения относится размещение как минимум двух узлов катода в камере, что увеличивает ее габариты и снижает надежность работы из-за возможного перехода электрического разряда с изделия на катодные узлы с порчей последних.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является установка для электродуговой обработки поверхности металлических изделий в вакууме [патент RU №32496, C 23 F 4/00, опубл. 20.09.2003 г. на полезную модель].
В указанном решении токоподводы к изделию вынесены из камеры, а шлюзы секционированы по степени разрежения для достижения минимального натекания через них атмосферного воздуха, причем изделие дополнительно обжимается пружинными уплотнительными элементами.
Для стабилизации процесса использованы торцевые экраны, с отверстиями, эквидистантными профилю обрабатываемого изделия, продукты сгорания загрязнений собираются специальной магнитной ловушкой. Питание анодов выполнено от разных источников, что позволяет создавать в системе «анод - изделие» разные режимы обработки. Например, на входе в рабочую зону изделие подвергается черновой очистке большими токами, а на выходе меньшими значениями тока для чистовой очистки.
Заявленное в патенте №32496 решение имеет следующие недостатки:
- токоподвод со щеток, роликов и т.п. на входе и выходе изделия из камеры ненадежен, возможны перерывы подачи тока с погасанием дуги, т.е. токоподвод необходимо многократно дублировать;
- торцевое экранирование зоны горения дуги недостаточно, т.к. возможен переход разряда на элементы конструкции камеры; т.е. следует ввести экранирование всей рабочей зоны;
- с целью исключения «сваливания» дуги к токоподводу необходимо достигнуть разности потенциалов на входе и выходе изделия из камеры не более 0,1 В при горящей в камере дуге;
- недостаточная степень безопасности обслуживающего установку персонала, для чего необходимо повысить уровень электробезопасности работы путем заземления всех ее металлических частей: станины, камеры, правящих и наматывающих устройств, самого изделия;
- необходимо ввести в состав устройства блоки автоматического поджога дуги, по блоку на каждый анод, причем их работа должна синхронизироваться как с движением изделия, так и с горением/погасанием дуг очистки, т.е. блоки поджога необходимо связать с соответствующими датчиками;
- для анодов, выполненных в виде соленоидов и располагаемых либо вокруг профиля обработки, либо параллельно плоскостям обработки, необходимо введение специальных источников питания для создания магнитных полей анодов, фиксирующих место горения дуг очистки.
Заявленное техническое решение направлено на создание установки, обеспечивающей устранение указанных недостатков при повышении производительности и надежности работы, с возможностью встройки установки в производственную линию непрерывного получения прокатного полуфабриката.
Технический результат заключается в повышении качества обработки за счет устранения нестабильностей режимов в процессе работы, исключение аварийных ситуаций при выходе дугового разряда за рабочую зону или при погасаниях дуги на неоднородностях поверхности очищаемого полуфабриката, а также упрощение обслуживания надежно заземленной установки, что может быть обеспечено за счет использования комплекса деталей и узлов, стабилизирующих параметры рабочего дугового разряда и исключающих его горение на стенках камеры или иных элементах конструкции.
Заявленные технические результаты достигаются совокупностью существенных признаков, приведенных в формуле полезной модели.
Общими существенными признаками, заявленного решения и ближайшего аналога являются: рабочая камера, входной и выходной шлюзы, установленные на корпусе камеры, средства для создания вакуума в камере и шлюзах, по меньшей мере два анода, источники питания электрических дуг, положительный и отрицательный полюсы которых соединены соответственно с анодами и через скользящие контактные узлы с изделием, экран и устройство перемещения изделия.
Отличие заявленного устройства заключается в том, что установка снабжена блоками поджога электрической дуги, каждый из анодов выполнен в виде катушки с заданным количеством витков, причем положительные полюсы источников питания подключены к одному из выводов катушки таким образом, чтобы ток разряда на анодах создавал магнитное поле, автоматически увеличивающееся с увеличением тока разряда.
В частных случаях реализации установки отличие заключается в следующем:
- между выводами катушки включен дополнительный источник корректировки магнитного поля анодов, образующий собственное магнитное поле, не зависящее от величины тока разряда;
- рабочая камера, шлюзы и контактные узлы соединены с шиной заземления и отрицательным полюсом источников питания в одной общей точке так, чтобы разность потенциалов на входе и выходе изделия не превышала величины 0,1В;
- установка снабжена датчиком перемещения изделия, выход которого соединен с положительным выводом каждого из источников питания;
- каждый из блоков поджога электрической дуги содержит по меньшей мере два включенных по схеме "И" управляющих ключа,
например, симисторных, причем один из ключей каждого блока подключен к выходу датчика перемещения изделия, а другой ключ соединен через пороговое устройство с положительным полюсом источников питания;
- экран выполнен объемным из токопроводящего материала, например, из металлической сетки или решетки, внутри экрана расположены рабочие части анодов, обрабатываемый участок изделия и по меньшей мере две керамические вставки, установленные в зазоре между витками анода и изделием, при этом экран соединен через резисторы сопротивлением от 50 до 100 Ом с положительным полюсом источников питания и с одними из выходов блоков поджога дуги, а керамические вставки включены между экраном и другими выходами упомянутых блоков поджога;
- зазоры между экраном, анодами и изделием составляют от 5 до 10 мм;
- на поверхность керамических вставок нанесено методом напыления графитовое или металлическое покрытие с электрическим сопротивлением от 1 до 10 Ком;
- входной и выходной шлюзы имеют по меньшей мере по две шлюзовые секции каждый, при этом рабочая камера, первая секция входного шлюза и вторая секция выходного шлюза, а также вторая секция входного шлюза и первая секция выходного шлюза по ходу перемещения изделия, пневматически соединены с индивидуальными средствами для создания вакуума.
Для снижения токовых нагрузок ток подводится к изделию на входе и выходе его из камеры, а для улучшения контактов все элементы протяжки изделия через камеру связаны с общей точкой питания. В этой точке собраны все «-» источников питания электрической дуги, эта точка дополнительно заземлена и соединена медными шинами со всеми металлическими частями установки и с самим изделием.
Замеры, выполненные авторами, показали, что при монтаже указанных цепей медными шинами 2×15 мм разность потенциалов на входе и выходе изделия из камеры составляет 0,05-0,08 В.
Принятая схема повышает электробезопасность установки, поскольку все доступные персоналу металлические части надежно заземлены. Комплекс выбранных технических средств исключает горение дуги на стенки камеры или ее погасание, связанное с плохими контактами в цепях подачи тока.
Конструкция установки поясняется чертежом, на котором изображена схема установки. Установка содержит рабочую камеру 1, входной и выходной шлюзы с шлюзовыми секциями 2, 3, 4, 5 по ходу перемещения изделия через камеру и шлюзы, аноды 6 и 7, источники питания электрической дуги 8 и 9, источники корректировки магнитного поля анодов 10 и 11, изделие - катод 12, токоподводы 13 и 14, точка общего «минуса» 15, правильное устройство 16, устройство для продольного перемещения изделия 17 с мотор-редуктором 18.
Откачка камеры 1 осуществляется насосом 19, откачка шлюзов насосами 20 и 21, пневматически связанными через перепускные устройства 22 с шлюзовыми секциями 2, 3, 4, 5. Измерение степени разрежения в камере и шлюзах осуществляется вакуумметрами 23. Магнитная ловушка 24 служит для сбора отходов, падающих вниз в условиях вакуума под действием гравитационного поля или поля магнитов ловушки.
В каждом шлюзе смонтированы уплотнительные элементы 25, плотно охватывающие изделие для уменьшения натекания в камеру и шлюзы атмосферного воздуха. Рабочая зона отделена внутри камеры экраном 26, соединенным через резисторы 27 и 28 с анодами 6 и 7. Установка снабжена датчиком перемещения изделия 29, сигнал Vд которого подан на устройство включения источников питания дуги 8 и 9 и на ключи управления 30 блоками поджога дуги 31, например,
симисторные. По схеме «И» с ключами 30 подсоединены ключи 32, соединенные через пороговые устройства 33 с анодами 6 и 7. Между анодами 6 и 7 и изделием 12 внутри экрана 26 установлены керамические вставки 34, связанные с выходными клеммами блоков поджога 31. Вторые выходные клеммы блоков 31 соединены с экраном 26. На рисунке не показаны устройства охлаждения стенок камеры шлюзов и анодов.
Работает установка следующим образом. Изделие - катод 12 заводится через правильное устройство 16, узел токоподвода 13 и шлюзы 2, 3 в камеру 1. В камере 1 изделие вводится в экран 26 через приемное отверстие, эквидистантное форме изделия с зазором ≈10 мм. Изделие проходит через аноды 6, 7, выходное отверстие экрана 26 и поступает в выходные шлюзы 4, 5. Далее, через второй токоподвод 14, изделие заведено в устройство для перемещения изделия с роликом 17 и мотор-редуктором 18, затем изделие поступает на приемный барабан с устройством подмотки (на рисунке не показано).
3
д
xx
Работа начинается с включения режима откачки камеры и шлюзов. По достижении вакуума в камере 1 на уровне 5...12 Па на шлюзах 3, 4 ≈100 Па, на шлюзах 2, 5≈10 Па, включается движение изделия 12. Сигнал начала движения V датчика 29 включает источники питания дуги 8 и 9 и открывает один из симисторных ключей 30 блоков поджога 31. Напряжение холостого хода U включенных источников 8, 9 прикладывается к пороговым устройствам на стабилитронах 33 и через них поступает на вторые ключи 32 блоков поджога 31. Блоки поджога вырабатывают серии импульсов частотой f=50 Гц напряжением Un≅1000...1500 В, поступающих на расположенные внутри экрана 26 керамические вставки 34, в результате происходит электрический пробой по напыленному на поверхность вставок проводящему слою на экран 26.
Возникшее облако плазмы возбуждает разряд по цепи: источники 8, 9, резисторы 27, 28, экран 26. Ток разряда ограничен резисторами 27, 28 и он переходит в дуговой разряд по цепи: аноды 6, 7 - изделие 12.
Эксперименты показывают, что разряд наиболее интенсивно горит на дефектных участках - загрязнениях, окалине или закатах, что и обеспечивает очистку поверхности-изделия.
xx
пop
cт
ст
д
пop
При погасании горящих дуг, на соответствующих источниках появляется напряжение холостого хода U>U65B порогового устройства 33, например, стабилитрона U≅35 В. При этом напряжение U≅20 B прикладывается к ключам 32, снова инициируя электрическую дугу. Напряжение дуги U<U=15...30 В, поэтому блок поджога при горящей дуге отключается. При остановке изделия 12, связанного, например, с заеданием в правящем устройстве 16 исчезает сигнал Vд датчика перемещения 29, что приводит к отключению источников 8, 9 и закрыванию ключей 30 блоков поджога 31.
д
д
Зажигание дуги вне пределов рабочей зоны исключается экранировкой и изоляцией выводов анодов 6, 7. В случае перехода дуги на экран она гаснет, поскольку резисторы 27, 28 ограничивают ток дуги на уровне I≅1 А, а при токах ниже I≤10 А дуга в вакууме сразу гаснет.
При необходимости включаются источники корректировки магнитного тока анодов 10 и 11, ток которых позволяет точно ориентировать положение электрических дуг.
Эксперименты проводились на горячекатаном прутке ⌀ 6,2 мм из стали марки 10 КП и проволоке ⌀ 4 мм из алюминиево-магниевого сплава: 92% A1, 8% Mg.
ОБ
При использовании установки по очистке стального прутка скорость обработки V≅0,8 м/сек, токи анодов 240÷260 А, давление в рабочей камере 10÷12 Па.
ОБ
При очистке алюминиевой проволоки скорость обработки V≅1...,5≅м/сек, токи анодов 180...200 А, давление в рабочей камере 6÷10 Па.
Качество обработки поверхности соответствует требованиям заказчиков.