СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2009 года по МПК C23F4/00 C23C4/02 C23C14/02 C23G1/00 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к очистке поверхности металлических 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. Данное техническое решение относится также к плазменной технике, к способам получения плазмы и управления ею.

Известны способы и устройства электродуговой очистки поверхности металлических изделий (авт.свид. СССР №№122603, 224716, 367980, 1113196, 1189618; патенты РФ №№2012694, 2021391, 2064524, 2068029, 2074903, 2135316, 2144096, 2165474, 2170283, 2195517; патенты США №№4950377, 4971667, 5246741; патенты Великобритании №№2055939, 2164359; патент Франции №2403860; патент ЕР №0175538; патенты WO №№92/6965, 93/13238, 97/00106, 99/28520; Физика плазмы 1978, 4(4), с.425-428; Ивановский Г.Ф. и др. Ионно-плазменная обработка материалов. М.: «Радио и связь», 1986, с.156-158 и др.). Общим недостатком вышеперечисленных способов и устройств для электродуговой очистки металлических изделий является то, что очистка сопряжена с большими энергопотерями и нагревом обрабатываемых изделий. Большие энергопотери приводят к удорожанию и снижению производительности очистки металлов, а высокий нагрев металла во время очистки приводит к снижению или к потере потребительских свойств металлического изделия. Все это связано с тем, что очистка металлических изделий осуществляется катодными пятнами электродугового разряда, которые движутся по очищаемой поверхности (Е.С.Сенокосов, А.Е., Сенокосов. Плазменная электродуговая очистка металлических изделий, журнал «Металлург», №4, 2005 г., с.44).

Из известных способов и устройств наиболее близким к предлагаемому способу является А.С. РФ №1806870, В08В 3/10,1989 г., которое и выбрано в качестве ближайшего аналога.

Согласно аналога с целью повышения производительности и качества дуговой очистки поверхности металла без ухудшения качества металла в межэлектродный зазор (катодом является очищаемая деталь) вводится дополнительное рабочее тело и пары, или химические соединения щелочных или щелочно-земельных элементов.

Однако, указанный аналог обладает рядом существенных недостатков, которые до сих пор не позволили применить его на практике.

Основным недостатком ближайшего аналога являются высокие энергопотери при очистки металлических изделий. Эти энергопотери в основном связаны с тем, что катодные пятна, которыми очищается поверхность металлического изделия, хаотически многократно перемещаются по уже очищенной поверхности металла, если это очистка от оксидов, то по поверхности, уже очищенной от оксидов. Это сопряжено с высокими энергопотерями и снижением производительности очистки поверхности. Высокие энергопотери, в свою очередь, приводят к перегреву очищаемой поверхности и ухудшению качества металла.

Известно, что щелочные (ЩМ), щелочно-земельные (ЩЗМ) или редкоземельные металлы (РЗМ) обладают самыми низкими потенциалами ионизации, низкой работой выхода электронов и высокой энергией адсорбции на горячей поверхности катодов по сравнению с другими химическими элементами таблицы Менделеева. Добавление этих химических веществ в чистом виде или в виде химических соединений в плазмообразующие рабочие тела приводит к существенному снижению энергозатрат на поддержание дуговых разрядов и на снижение температуры плазмы и поверхности катодов (Е.С.Сенокосов, Межвузовский тематический сборник научных трудов, «Источники и ускорители плазмы», выпуск 7 и 8, 1983 и 1984 гг., г.Харьков; Е.С.Сенокосов, АН СССР, Сборники докладов 7-х и 8-х чтений, посвященных разработке научного наследия и развития идей Ф.А.Цандера, изд. «Наука», 1984 г.и 1986 г.).

Снижение энергозатрат на поддержание дуговых разрядов при добавлении ЩМ, ЩЗМ и РЗМ в плазмообразующее рабочее тело (ПРТ) происходит за счет снижения эффективного потенциала ионизации, то есть за счет снижения энергозатрат на плазмообразование в дуговом разряде (СИ. Думов, Технология электрической сварки плавлением, «Машиностроение», Л., 1978 г., с.30). Снижение температуры очищаемой поверхности металлических изделий (катода) при введении в ПРТ атомов ЩМ, ЩЗМ и РЗМ происходит за счет снижения работы выхода электронов с катода, то есть снижения энергозатрат на эмиссию электронов с очищаемой поверхности (Г.А.Любимов, В.И.Раховский, Катодное пятно вакуумной дуги, журнал «Успехи физических наук», т.125, вып.4, 1978 г., с.693).

На снижение стоимости, увеличение производительности и снижение нагрева очищаемой поверхности металлического изделия, влияют не только физические свойства ЩМ, ЩЗМ и РЗМ, но и способ их введения в дуговой разряд и особенно в катодную область разряда.

Согласно ближайшего аналога введение паров ЩМ и ЩЗМ или их соединений производят с помощью дополнительного рабочего тела из емкости, где их испаряют. На практике это наоборот удорожает процесс обработки поверхности металлических изделий по следующим причинам.

Подача паров ЩМ, ЩЗМ и РЗМ в вакууме и особенно при атмосферном давлении представляет собой сложную инженерную проблему и требует дорогостоящего оборудования и высокой квалификации обслуживающего персонала.

Использование дополнительного газообразного рабочего тела усложняет оборудование для очистки металлических изделий и удорожает процесс самой очистки. В ближайшем аналоге предлагается использовать в качестве ПРТ аммиак. Известно, что аммиак взрывоопасен и ядовит, это еще более удорожает процесс очистки металлических изделий и делает его неприменимым на практике.

Технической задачей изобретения является существенное снижение стоимости очистки металлических изделий, увеличение производительности очистки и снижение нагрева металла очищаемого изделия.

Поставленная задача, согласно предлагаемому способу электродуговой очистки поверхности металлических изделий, являющихся катодом, решается тем, что на очищаемую поверхность предварительно наносят щелочные, щелочно-земельные или редкоземельные металлы или их химические соединения.

Поставленная задача, согласно предлагаемому способу очистки поверхности металлических изделий, решается тем, что для создания защитной или восстановительной атмосферы на очищаемую поверхность металлического изделия наносят вещество, которое газифицируется катодными пятнами.

Согласно предлагаемому способу очистка металлических изделий осуществляется следующим образом. Перед очисткой все изделие покрыто окалиной, ржавчиной и другими загрязнениями (поковки, отливки, горячекатаная сталь и т.п.).

На очищаемую поверхность, например, предназначенную для очистки от оксидов и других загрязнений, наносят ЩМ, ЩЗМ, РЗМ или их химические соединения. Согласно способу эти покрытия должны быть очень тонкими, вплоть до атомарных слоев. Их основное назначение снизить работу выхода электронов в местах на поверхности изделия, где находится окалина, ржавчина или другие загрязнения (А.И.Морозов, Введение в плазмодинамику, Физматлит, М., 2006 г., с.365). Атомы ЩМ, ЩЗМ и РЗМ, нанесенные, например, термическим напылением на изделия, на воздухе быстро превращаются в химические соединения типа оксидов щелочей и т.п.и внедряются путем абсорбции и адсорбции в окалину, ржавчину или другие загрязнения (Современный словарь иностранных слов, «Дуэт» «Комета», С-Петербург, 1994 г., с.11 и 22).

В виде химических соединений ЩМ>ЩЗМ и РЗМ можно наносить в сухом виде на изделия при горячей обработке, например, напылять или посыпать их при прокатки горячих заготовок на металлическую полосу, катанку, фасонный профиль, поковку или отливку, или методом окунания, например, известкование катанки (И.А.Юхвец, Волочильное производство, Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, М. 1954 г., с.160) с последующей сушкой.

Очистка металлической поверхности изделий катодными пятнами электрической дуги, например, в процессе дуговой очистки, после нанесения ЩМ, ЩЗМ и РЗМ в чистом виде или в виде химических соединений принципиально отличается от применяемой сейчас (Е.С.Сенокосов, А.Е.Сенокосов, Плазменная электродуговая очистка металлопроката, катанки, проволоки, труб и штучных металлических изделий от окалины, ржавчины и других загрязнений, журнал «Металлические страницы», №10, 2005 г., с.2).

Это принципиальное отличие заключается в том, что эмиссия электронов в катодных пятнах и ионизация испаряющихся с поверхности очищаемой детали частиц загрязнений экспоненциально зависит от работы выхода электронов и потенциала ионизации атомов, из которых состоят загрязнения, соответственно (В.И.Раховский, Физические основы коммутации электрического тока в вакууме, «Наука», М., 1970 г., с.192).

Процессы в электрическом разряде, особенно в его прикатодной области, самосогласованы, поэтому катодные пятна наиболее устойчивы и преимущественно перемещаются по поверхности катода в местах с наименьшей работой выхода электронов и покрытых легкоионизирующимися атомами, по сравнению с основным материалом катода, в данном случае материалом детали.

Если деталь выполнена из стали, то основным элементом является железо. Работа выхода электронов поверхности железа равна 4,31 электронвольт, а потенциал ионизации 7,90 электронвольт.

Если, согласно предлагаемому способу электродуговой очистки поверхности металлического изделия, перед очисткой от печной, воздушной окалины и ржавчины в загрязненную поверхность внедрить или нанести атомы или соединения относительно дешевых и распространенных элементов: Са, Ва, Sr, К и Na, то работа выхода электронов эмиссии в этих загрязненных участках упадет до величины работы выхода электронов этих элементов. Соответственно и в плазмообразовании в катодных пятнах будут участвовать только эти элементы.

В таблице приведены значения работы выхода электронов и потенциалов ионизации этих элементов и расчетные значения отношения вероятностей выхода электронов эмиссии с загрязненных поверхностей по сравнению с чистой поверхностью стального изделия при температуре 3000 К и отношения вероятностей ионизации внедренных в поверхность указанных химических элементов по сравнению с вероятностью ионизации атомов железа при температуре плазмы 6000 К, характерной для электродуговой очистки. Температуры выбраны из многочисленных статистических данных.

ТаблицаХимический элементFeСаВаSrNaКРабота выхода электронов, эV4,312,82,492,352,352,22Потенциал ионизации, эV7.96.115.215.695.134.34Отношение вероятности термоэмиссии электронов с загрязненной поверхности по отношению к чистой поверхности стали (Т=3000 К)13441142196319633246Отношение вероятности ионизации ЩМ и РЗМ к вероятности ионизации атомов железа (Т=6000 К)13218172212978

Из таблицы видно, что катодным пятнам энергетически выгодно перемещаться по участкам детали, в которые внедрены атомы ЩМ, ЩЗМ и РЗМ, так как вероятность выхода электронов эмиссии с загрязненной поверхности несоизмеримо выше, чем с поверхности чистой стали. Кроме того, вероятность ионизации атомов ЩМ, ЩЗМ и РЗМ так же выше, чем вероятность ионизации атомов железа (В.И.Раховский, Физические основы коммутации электрического тока, «Наука», М., 1970 г., с.193) в силу более низкого потенциала ионизации, соответственно и энергозатраты на плазмообразование в электрических дугах с присадками атомов ЩМ, ЩЗМ и РЗМ будут ниже, это доказано на практике (Г.А. Любимов, В.И. Раховский, Катодное пятно вакуумной дуги, журнал «Успехи физических наук», том 125, вып.4, 1978 г., с.691 по 703).

Таким образом, нанесение ЩМ, ЩЗМ и РЗМ на металлические детали перед их очисткой электрическими дугами, например, перед очисткой катодными пятнами, приводит к тому, что катодные пятна в основном перемещаются по загрязненной поверхности. При этом падение напряжения в таких электрических дугах существенно меньше, чем в дугах, горящих на чистых стальных поверхностях, следовательно, это приводит к снижению энергозатрат на очистку деталей. Одновременно снижение работы выхода электронов и потенциала ионизации ПРТ приводит к снижению температуры в катодных пятнах, а, следовательно, к снижению нагрева очищаемой детали. К снижению температуры поверхности очищаемой детали приводит и то, что катодные пятна, в основном, перемещаются по еще неочищенным участкам поверхности, так как вероятность их нахождения на очищенной поверхности значительно меньше, чем на загрязненной, в которую внедрены атомы ЩМ, ЩЗМ и РЗМ в чистом виде или в виде химических соединений.

Для применения этого способа очистки поверхности в вакууме и при атмосферном давлении на воздухе необходимо в зоне электрических разрядов создать защитную или защитно-восстановительную атмосферу. Для этого вместе с ЩМ, ЩЗМ и РЗМ в чистом виде или в виде химических соединений на поверхность изделия наносят газообразующие покрытия по аналогии, как это делают при нанесении обмазок на сварочные электроды (С.И.Думов, Технология электрической сварки плавлением, Л., «Машиностроение», 1978 г., с.73).

В экспериментальной лаборатории АОЗТ «Кластер» (г.Санкт-Петербург) подтверждена возможность и эффективность предлагаемого способа. В экспериментах проводилась электродуговая очистка стальной (ст.45) катанки диаметром 5,5 мм и стальной ленты шириной 200 мм и толщиной 2,5 мм. На катанке и стальной ленте исходным загрязнением была прокатная окалина Fe₃O₄ и местами ржавчина Fe₂О₃. Очистка катанки и стальной ленты проводилась при перемотке последних в вакуумной камере при давлении 10^-2 мм рт.ст. Ток в дуге при очистке катанки без покрытий составлял 600 ампер при падении напряжения 22 вольта. При очистке стальной ленты без покрытия ток составлял 800 ампер при падении напряжения в дуге 24 вольта. Температура катанки после очистки составляла 180°С, а температура стальной ленты 220°С.

В сравнительных экспериментах с покрытиями использовались щелочь КОН и известковый раствор Са(ОН)₂ - Опытные образцы бунтов катанки смачивались щелочью КОН, а стальная лента - известковым раствором. Перед очисткой образцы высушивались. В качестве газообразующих покрытий наносили вакуумное масло ВМ-3. Результаты экспериментов по очистки катанки с покрытием КОН при токе 600 ампер показали снижение падения напряжения в разряде до 17 вольт и температуры после очистки до 70-80°С, а чистка стальной ленты с покрытием Са(ОН)₂ при токе 800 ампер показала, что падение напряжения в дуге снизилось до 18 вольт, а температура не превышала 80-100°С. При этом отмечено увеличение производительности очистки до 20%.

Таким образом, в экспериментах доказано, что предлагаемый способ электродуговой очистки поверхности металлических изделий позволяет существенно снизить стоимость (энергозатраты на очистку снизились на 23-25%) очистки, увеличить производительность и снизить нагрев металла до 80-100°С.

Изобретение относится к области очистки металлических изделий, таких как катанка, проволока, полоса, поковки, отливки и других, в частности к способу электродуговой обработки поверхностей металлических изделий, и может найти применение в различных отраслях машиностроения. Перед обработкой дуговыми разрядами поверхность предварительно в процессе горячей обработки или в холодном состоянии покрывается тонким слоем щелочными, щелочно-земельными или редкоземельными металлами или их соединениями. Перед обработкой при атмосферном давлении обрабатываемая поверхность предварительно покрывается материалом, который газифицируется катодными пятнами дуги, создавая защитную или восстановительную среду над очищаемой поверхностью. В результате достигается существенное снижение стоимости обработки металлических изделий, увеличение производительности обработки и снижение нагрева металла обрабатываемого изделия. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ электродуговой очистки поверхности металлических изделий, включающий создание между, по крайней мере, частью изделия и одним электродом разряженной, защитной или восстановительной среды, возбуждение электрического разряда источником питания и обработку изделия катодными пятнами разряда, отличающийся тем, что на обрабатываемую поверхность предварительно наносят щелочные, щелочноземельные или редкоземельные металлы или их химические соединения.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания защитной или восстановительной среды на обрабатываемую поверхность металлического изделия наносят вещество, которое газифицируется катодными пятнами.