способ получения композиционных сплавов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения композиционных сплавов, включающий плавление, подачу расплава в накопитель и его обработку поршнем-вибратором, совершающим упругие колебания звуковой частоты в диапазоне 16-160 Гц, отличающийся тем, что плавление и обработку ведут в непрерывном режиме, при этом амплитуду колебаний определяют исходя из частоты колебаний, вязкости и плотности расплава по выражению

=1500 /(R₀ ² ),

где - динамическая вязкость расплава, Па·с;

- частота колебаний, с^-1;

- плотность сплава, кг/м³;

R₀ - радиус поршня вибратора, м;

поршень-вибратор погружают в расплав так, что расстояние от дна накопителя до его нижней плоскости составляет

H ₁=(2,5÷3,0)R₀+6V/( R₁ ²),

где V - скорость разливки сплава, м³ /с;

R₁ - радиус накопителя, м;

а уровень расплава над верхней плоскостью поршня-вибратора определяют из выражения H₂=(2÷8) d², где d=R₀ /R₁.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плавление взаимно нерастворимых компонентов сплава ведут в отдельных плавильных ваннах и подают в накопитель в заданном соотношении непосредственно под поршень-вибратор на расстоянии (5-15)·10^-3 м от нижней его плоскости непрерывно со скоростью, равной скорости разливки сплава, а уровни расплава относительно уровня подачи в накопитель определяют из условия равенства гидростатического давления.

3. Устройство для получения композиционных сплавов, включающее плавильные ванны, накопитель, отличающееся тем, что в накопителе установлен поршень-вибратор с радиусом R₀=(0,985-0,995)R ₁ и высотой H₆=(0,1÷0,2) d²R₀/600(1-d ²), который через жесткий шток соединен с источником гармонических колебаний звуковой частоты.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что плавильные ванны выполнены в виде концентрических колец вокруг накопителя и соединены с ним подающими каналами на уровне H₅=(2,5÷3,0)R₀ +6V/( R₁ ²)-(5÷15)10 ^-3 м от его дна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству композитов, а также может быть использовано при смешивании взаимно нерастворимых жидкостей.

Известны способ и устройство виброобработки расплава, включающий колебание изложницы с расплавом в вертикальном направлении с частотой 20-60 Гц и амплитудой 1-4 мм, обеспечиваемые кривошипно-шатунным или кулачковым механизмом с механическим приводом (Романов А.А. Литье стали в вибрирующую форму. М.: (Свердловск. отдел.): Машгиз, 1959).

Недостатками данного способа являются:

1. Невозможность обеспечить непрерывность процесса

2. Отсутствие перемешивания

Известен способ (прототип) обработки сплавов низкочастотными упругими колебаниями, при котором сплав с помощью волновода обрабатывается упругими колебаниями с частотой 38-100 Гц и амплитудой 0.5÷1.5 мм (Попова Э.А., Бодрова Л.Е., Пастухов Э.А., Ватолин Н.А. Особенности кавитационных процессов при воздействии на жидкие среды упругих колебаний низких частот.// Расплавы, 1998 №3, с.7-13).

Недостатками способа являются:

1. Дискретность и, как следствие, низкая производительность процесса.

2. Высокая трудоемкость и энергоемкость.

3. Повышенный расход материалов.

4. Серьезные трудности и большая дороговизна в реализации способа в производственном масштабе.

Известно устройство (прототип) (А.С. №1457274, СССР. БИ №5. 1989 г.) для обработки расплава низкочастотными колебаниями, содержащее источник колебаний, изложницу и волновод, отличающийся тем, что с целью повышения качества металла волновод выполнен в виде стакана с открытой снизу полостью при соотношении высоты к его наружному диаметру 1.5-2.5, внутреннего диаметра изложницы к внутреннему диаметру волновода, равном 1.001-1.01, и объема полости волновода к объему полости изложницы, равном 0.33-0.5.

Недостатками данного устройства являются:

1. Конструкция устройства позволяет вести процесс обработки лишь в дискретном режиме.

2. Низкая производительность агрегата.

3. Высокие удельные материальные затраты.

4. Повышенный удельный расход энергии.

Предлагаемое устройство предназначено для реализации способа получения и обработки композиционных сплавов в непрерывном режиме.

Задачей предлагаемого технического решения является получение композиционных сплавов с повышенными физико-механическими, электротехническими, трибологическими и другими служебными свойствами в промышленном масштабе, обеспечение непрерывности процесса, высоких производительности и качества, повышение стабильности процесса, снижение трудо-, энерго- и материалозатрат.

Технический результат настоящего изобретения выражается в возможности получения в промышленных масштабах сплавов, состоящих из взаимно нерастворимых, расслаивающихся компонентов, в повышении служебных характеристик сплавов за счет создания непрерывного процесса выплавки и обработки расплавов, в создании реальных условий получения композитов непрерывным способом. Это стало возможным в результате определения и увязки основных параметров процесса: уровня расплава в накопителе, положения поршня-вибратора в расплаве, амплитудно-частотных параметров вибрации и физических характеристик расплава, соотношения геометрических размеров накопителя и поршня-вибратора, формы и местоположении плавильных ванн, уровня расплава в них, места подачи составляющих компонентов в накопитель.

Поставленная задача решается тем, что:

1. В способе получения композиционных сплавов, включающем плавление, подачу расплава в накопитель, его обработку поршнем-вибратором, совершающим упругие колебания звуковой частоты в диапазоне 16-160 Гц, согласно изобретению выплавку и обработку ведут в непрерывном режиме, при этом амплитуду колебаний определяют исходя из частоты колебаний, вязкости и плотности расплава по выражению =1500 /(R₀ ² ), где - амплитуда колебаний, м; - динамическая вязкость расплава, Па·с; - частота колебаний, с^-1; - плотность сплава, кг/м³; R ₀ - радиус поршня вибратора, м, поршень-вибратор погружают в расплав так, что расстояние от дна накопителя до его нижней плоскости составляет H₁=(2,5÷3,0)R ₀+6V/( R₁ ²), а уровень расплава над верхней плоскостью поршня-вибратора определяют из выражения Н₂=(2÷8) d², где V - скорость разливки сплава,м ³/с; R₁ - внутренний радиус накопителя, м; d=R₀/R₁ - отношение радиуса поршня-вибратора к внутреннему радиусу накопителя.

2. В способе по пункту 1 согласно изобретению плавление взаимно нерастворимых компонентов сплава ведут в отдельных плавильных ваннах и подают в накопитель в заданном соотношении непосредственно под поршень-вибратор на расстоянии (5-15)·10 ^-3 м от нижней его плоскости (при нейтральном положении поршня вибратора) непрерывно со скоростью, равной скорости разливки сплава, а уровни расплава, относительно уровня подачи в накопитель, определяют из условия равенства гидростатического давления.

3. В устройстве для получения композиционных сплавов, включающем плавильные ванны, накопитель, согласно изобретению в накопитель введен поршень-вибратор с радиусом R₀=(0.985÷0.995)R ₁ и высотой Н₆=(0,1÷0,2) d²R₀/600(1-d ²), который через жесткий шток соединен с источником гармонических колебаний звуковой частоты.

4. В устройстве по пункту 3 согласно изобретению плавильные ванны выполнены в виде концентрических колец вокруг накопителя и соединены с ним подающими каналами на уровне H₅=(2.5÷3.0)R _o+6V/( R₁ ²)-((5÷15)·10 ^-3), от его дна, где - амплитуда колебаний, м; d=R₀/R ₁ - отношение радиуса поршня-вибратора к внутреннему радиусу накопителя; R₀ - радиус поршня-вибратора, м; R₁ - внутренний радиус накопителя, м.

Указанные признаки способа: непрерывность процессов выплавки и обработки, плавление взаимно нерастворимых компонентов в отдельных плавильных ваннах, уровни расплавов, определяемые из условия равного гидростатического давления, равенство скоростей подачи компонентов (V_п) и разливки расплава из накопителя (V_p), место их подачи в накопитель (на расстоянии (5-15)·10^-3 м ниже нижней плоскости поршня-вибратора), положение поршня-вибратора в объеме обрабатываемой смеси расплавов H₁ =(2,5÷3,0)R₀+6V/( R₁ ²), H ₂=(2÷8) d², _и амплитуда колебаний =1500 /(R₀ ² ), где 1500 - размерная величина, полученная в результате экспериментальной проработки для цилиндрического накопителя и расчета по формуле ( - безразмерный коэффициент, характеризующий турбулентное движение по траекторному критерию, Н_max - максимальная глубина проникновения вихревых потоков, м, d=R ₀R₁ - отношение радиуса поршня-вибратора к внутреннему радиусу накопителя), 6 - минимальное время обработки, с.

Указанные признаки устройства: введение в накопитель поршня-вибратора, соединенного через жесткий шток с источником гармонических колебаний звуковой частоты, выполнение плавильных ванн в виде концентрических колец, окружающих накопитель, и соединение этих ванн с накопителем подающими каналами на уровне H ₅=(2.5÷3.0)R₀+6V/( R₁ ²)-(5÷15 мм) от его дна, а также размеры поршня-вибратора R ₀=(0.985÷0.995)R₁ и H ₆=(0,1÷0,2) d²R₀/600(1-d ²), являются необходимыми для создания высокопроизводительного и экономически выгодного непрерывного процесса выплавки и вибрационной обработки композиционных сплавов и сплавов с повышенными служебными характеристиками.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем:

- непрерывность процессов выплавки и обработки обеспечивает высокую производительность и стабильность процесса, устраняет непроизводительные операции, ликвидирует влияние термосмен на материалы устройства;

- плавление взаимно нерастворимых компонентов в различных плавильных ваннах и установление уровней расплава, создающих равное гидростатическое давление в каналах подачи расплавов в накопитель, обеспечивает подачу в накопитель составляющих компонентов в заданном соотношении;

- установление скорости подачи компонентов в накопитель равной скорости выдачи готового расплава поддерживает постоянство уровня расплава в накопителе, а уровень подачи составляющих компонентов расплава на 10÷15 мм ниже уровня нижней плоскости поршня-вибратора гарантирует попадание смеси в зону интенсивного турбулентного перемешивания;

- расположение поршня-вибратора на высоте H₁=(2,5÷3,0)R₀ +6V/( R₁) от дна накопителя до нижней плоскости поршня-вибратора и амплитуда колебаний поршня-вибратора =1500 /(R₀ ² ) обеспечивают выдачу (разливку) постоянного по составу и гомогенного готового продукта;

- уровень расплава над верхней плоскостью поршня-вибратора Н₂=(2÷8) d² ликвидирует возможность попадания в расплав и растворения в нем атмосферного воздуха.

Сущность заявляемого устройства заключается в следующем:

- введение в накопитель поршня-вибратора, соединенного с источником гармонических колебаний жестким штоком, объединяет процессы непрерывной выплавки с непрерывной вибрационной обработкой;

- выполнение плавильных ванн в виде концентрических колец вокруг накопителя создает условия энерго- и материалосбережения, облегчает управление процессом.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен разрез устройства, на фиг.2 - вид сверху. Устройство содержит теплоизолятор 1, ванну расплава I компонента 2, нагреватели 3, ванну расплава II, компонента 4, теплоизолятор с нагревателями 5, накопитель 6, поршень-вибратор 7, каналы подачи компонентов сплава 8, отверстие выдачи сплава 9.

Выплавка по предлагаемому изобретению ведется следующим образом: в плавильных ваннах 2 и 4 плавятся взаимно нерастворимые компоненты специального сплава (к примеру, алюминий и свинец) и по каналам 8 поступают в накопитель 6, при этом отверстие выдачи сплава 9 закрыто. При заполнении накопителя на уровень Н₁, в накопитель вводится поршень-вибратор и при заполнении накопителя расплавом на высоту Н ₁+Н₂+Н₆ включается источник гармонических колебаний, который через шток сообщает колебательные движения с частотой 16-160 Гц и амплитудой =1500 /(R₀ ² ) мм поршню-вибратору 7.

Поршень-вибратор R ₀=(0.985÷0.995)R₁, H ₆=(0,1÷0,2) d²R₀/600(1-d ²) выполнен так, что генерирует в расплаве интенсивное турбулентно-вихревое движение, за счет которого осуществляется разбивание свинцовой составляющей на микрообъемы сферической формы, а также конвективное и диффузионное перемешивание сплава и делает состав его однородным. При получении однородного состава во всем объеме накопителя открывается отверстие выдачи сплава 9 и начинается разливка сплава с одновременной подачей новых порций расплавленных составляющих компонентов из плавильных ванн 2 и 4 и их виброобработка. Уровни расплавов Н ₃ и Н₄ в плавильных ваннах устанавливаются из условия равенства гидростатического давления расплавов.

Предлагаемое в изобретении объединение непрерывных процессов выплавки и виброобработки - единственно возможное решение получения однородного сплава из расслаивающихся нерастворимых друг в друге компонентов в промышленном масштабе.

Равенство скоростей подачи расплавов в накопитель и выпуска готового продукта из накопителя обеспечивает поддержание постоянного уровня расплава в накопителе как под поршнем-вибратором Н₁ =(2,5÷3,0)R₀+6V/( R₁ ²), так и над ним H₂=(2÷8) d².

Поддержание уровня расплава в накопителе под поршнем-вибратором H₁=(2,5÷3,0)R ₀+6V/( R₁ ²) - необходимое условие обеспечения равномерного распределения нерастворимых компонентов в алюминиевой матрице. При H₁ <2,5R₀+6V/( R₁ ²) - не обеспечится равномерное распределение нерастворимых компонентов в алюминиевой матрице, а также резко сократится КПД установки. При H₁>3,0R₀+6V/( R₁ ²) - в накопителе создадутся застойные зоны, в которых начнется процесс расслоения составляющих компонентов, вследствие чего не обеспечится однородность готового продукта.

Поддержание уровня расплава в накопителе над поршнем-вибратором H₂=(2÷8) d² - обязательное условие предотвращения насыщения расплава атмосферным воздухом. При Н ₂<2 d² - возможен захват атмосферного воздуха за счет бурления поверхности расплава и растворение его в расплаве, при H₂>8 d² - повысятся непроизводительные затраты энергии и увеличится угар металлов.

Значения амплитуды колебаний =1500 /(R₀ ² ) являются теоретически обоснованными, экспериментально проверенными и в заявляемом способе оптимальными. При <1500 /(R₀ ² ) не будет обеспечена полная однородность готового сплава, а при >1500 /(R₀ ² ) будет наблюдаться повышенный износ виброагрегата.

Введение поршня-вибратора в накопитель является важным признаком, поскольку это - единственно возможное конструктивное решение для исключения возможности расслоения сплава до его затвердевания.

Исполнение плавильных ванн в виде концентрических колец вокруг накопителя - условие, позволяющее минимизировать теплопотери и сократить расход материалов на изготовление нагревателей и теплозащиты, а уровень врезки подающих каналов в накопитель H ₅=(2,5÷3,0)R₀+6V/( R₁ ²)-(5÷15)·10 ^-3 от дна ковша обеспечивают попадание составляющих элементов в эпицентр турбулентного перемешивания.

Выполнение поршня вибратора радиусом R₀=(0.985÷0.995)R ₁ создает необходимую величину зазора, который, при данных характеристиках колебательного движения поршня-вибратора придает необходимый импульс движения струи расплава, а высота поршня-вибратора Н₆=(0,1÷0,2) d² R₀/600(1-d ²) задает струе необходимое направление движения.

При R₀<0.985R₁ импульс движения струи расплава будет низким и не выполнит необходимую обработку расплава, а при R₀>0.995R ₁ сопротивление движения струи в зазоре резко повысится, что приведет к технологически необоснованным энергозатратам, а также сократит импульс движения струи и, следовательно, не выполнит поставленной задачи обработки. При H ₆<0,1 d²R₀/600(1-d ²) ориентация струи расплава будет слабой и неоптимальной, что резко сократит КПД виброагрегата, а при H ₆>0,1 d²R₀/600(1-d ²) - резко повысится сопротивление движения струи в зазоре, что также сократит КПД виброагрегата и в результате не выполнит поставленной задачи обработки.

Предлагаемые способ и устройство получения композиционных сплавов были опробованы в лабораторных условиях в ГУ ИМЕТ УрО РАН при выплавке сплава из взаимно нерастворимых и расслаивающихся компонентов 65% Al и 35% Pb, а также при получении композита с алюминиевой матрицей и корундовым наполнителем в количестве 7%.

Лабораторная установка имела следующие геометрические размеры: радиус накопителя R₁=50,5÷10 ^-3 м общая высота накопителя 4·10^-1 м, сменные поршни-вибраторы с радиусами (R₀ ): 49,5·10^-3; 49,8·10 ^-3; 50,0·10^-3; 50,2·10 ^-3 (м), высота поршня вибратора Н₆ =3·10^-2 м; врезка каналов подачи расплава расположена на высоте Н₅=(13-18)·10 ^-2 м; высота плавильных ванн 15·10 ^-2 м.

Уровень расплава от дна накопителя до нижней плоскости вибратора 138·10^-3 м; уровень расплава над верхней плоскостью вибратора 35·10 ^-3 м; общий уровень расплава в накопителе 19·10 ^-2 м; уровень расплава Pb в плавильной ванне 3·10 ^-2 м, а уровень расплава Al - 12·10 ^-2 м.

Виброобработка производилась колебаниями с вариациями амплитуды (0,6-16)·10^-3 м и частоты 16÷160 Гц. В процессе эксперимента производилась выплавка и обработка алюмосвинцового сплава. Результаты эксперимента представлены в таблице.

Из приведенных экспериментальных данных видно, что при выплавке указанных выше сплавов с соблюдением заявляемых режимов способа и заявляемых параметров устройства получены качественные сплав и композит с заданными техническими (структура, механические свойства) и служебными (трибологические показатели) характеристиками (плавки №№2-5), а также данные эксперимента показали, что нарушение заявляемых режимов, т.е. с отклонением от рассчитанных по предлагаемым в изобретении математическим формулам, ведет к получению некондиционных сплавов (плавки №№1, 6-8). Таким образом, предлагаемые в изобретении способ выплавки, формулы расчета параметров ведения плавок, устройство для его осуществления и формулы расчета его размеров позволяют в промышленном масштабе получать сплавы, которые другим способом, в настоящее время, получить невозможно.