УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВОЛОКОН ИЗ РАСПЛАВА Российский патент 1997 года по МПК B22D11/06 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения металлических волокон из различных металлов и сплавов методом экстракции расплава.

Известно устройство для получения тонкой ленты непосредственно из расплава с помощью валков-кристаллизаторов (см. например, Мирошниченко И.С. Закалка из жидкого состояния. М. Металлургия, 1982, с. 9, рис. 6), которое может быть использовано для получения металлических волокон в случае дозирования подачи расплава из печи. Известное устройство содержит станину с двумя приводными валками-кристаллизаторами, над которыми закреплена печь с расплавом и пневматической системой подачи расплава в зону кристаллизации. Известное устройство позволяет получать калиброванное по толщине волокно. Однако такое устройство не может быть использовано для промышленного получения волокна ввиду недостаточной производительности, обусловленной цикличностью работы системы подачи расплава. Кроме того, процесс охлаждения расплава в зоне кристаллизации устройства протекает неустойчиво (см. например, Метастабильные и неравновесные сплавы. Под ред. Ефимова Ю.В. М. Металлургия, 1988, с. 184 185), т. к. главные технологические параметры, такие как поток и подача расплава, величина зазора между валками, скорость их вращения, термомеханические свойства охлаждающего материала, можно варьировать в пределах сравнительно узких интервалов. Это обстоятельство приводит к снижению качества получаемого волокна.

Известно устройство для изготовления металлических волокон и ленты из расплава (см. например, Быстрозакаленные металлы. Под ред. Б. Контора. М. Металлургия, 1983, с. 40), содержащее станину с закрепленным на ней на горизонтальной оси дисковым кристаллизатором. Над дисковым кристаллизатором размещен обогреваемый тигель с расплавом. Известное устройство за счет высоких скоростей охлаждения расплава (10 10 К/с) позволяет получать металлическое волокно с микрокристаллической и аморфной структурой, а также волокна из труднообрабатываемых сплавов. К недостаткам устройства следует отнести невысокую производительность вследствие ограниченного объема тигля и низкую долговечность тигля, обусловленную эрозией его сопла в процессе работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для изготовления металлических волокон методом экстракции расплава (см. например, Аморфные сплавы. Манохин А.И. Мишин Б.С. Васильев В. А. и др. М. Металлургия, 1984, с.50, рис. 23 прототип), содержащее станину, выполненную в виде подвижной рамы с закрепленным на ней на горизонтальной оси дисковым кристаллизатором с приводом. Под дисковым кристаллизатором на подъемной площадке размещена ванна с расплавом.

Известное устройство отличается высокой производительностью, ограничивающейся лишь скоростью вращения кристаллизатора, и простотой конструкции емкости для расплава. Кроме того, устройство позволяет регулировать толщину и форму за счет как изменения скорости вращения диска, так и глубины погружения диска в расплав. Обычно толщина быстрозакаленного продукта составляет 20 100 мкм. Одним из недостатков известного устройства является недостаточно высокая скорость охлаждения расплава (10³ - 10⁴ К/с) на рабочей поверхности дискового кристаллизатора. Это объясняется тем, что во время работы устройства в результате контакта водоохлаждаемого дискового кристаллизатора с расплавом металла в месте этого контакта в объеме расплава образуется "подстуженная" зона с температурой несколько меньшей, чем температура остального объема ванны, вследствие этого снижается скорость охлаждения расплава на рабочей поверхности диска-кристаллизатора, которая прямо пропорциональна разности температур расплава и поверхности дискового кристаллизатора (см. Метастабильные и неравновесные сплавы. Под ред. Ефимова Ю.В. М. Металлургия, 1988, с. 149, ф. 3.89) [2]
Увеличение скорости охлаждения расплава позволило бы повысить качество получаемого волокна за счет улучшения его потребительских свойств. Например, с увеличением скорости охлаждения возрастает прочность быстрозакаленных сплавов (см. Конструкционные и жаропрочные материалы для новой техники. Сборник работ под ред. Н.М. Жаворонкова. М. Наука, 1978, с. 314, рис. 1, с. 317).

Другим недостатком известного устройства является неравномерность толщины получаемого волокна в продольном направлении. Толщина волокна непрерывно уменьшается от одного конца к другому. Это обусловлено характером взаимодействия поверхности диска-кристаллизатора, на котором выполнены дискретные выступы (см. например, /4/, с. 47, рис. 22, г) с расплавом. В частности, в момент погружения выступа рабочей поверхности диска-кристаллизатора, на котором формируется волокно, в расплав с высокой скоростью (10 70 м/с) возникает явление удара выступа о поверхность расплава, которое сопровождается образованием волны. При вхождении выступа диска в тело волны глубина его погружения в расплав и, следовательно, толщина образуемого волокна увеличивается (см. например, /4/, с. 46, формула 51). Затем волна гаснет (за счет прилипания расплава к поверхности выступа) и глубина погружения диска в расплав, а с ней и толщина волокна уменьшается и достигает минимальной толщины в момент выхода выступа дискового кристаллизатора из расплава.

Продольная разнотолщинность волокна снижает его потребительские свойства за счет неоднородности свойств по длине и ограничивает сферу применения (например, в области пористых волоконных фильтров неравномерность толщины волокна будет снижать их качественные показатели). Кроме того, затруднительно использовать известное устройство для производства металлического волокна в промышленных масштабах вследствие цикличности его работы. Цикличность работы устройства связана с тем, что в процессе его работы необходимо делать технологические перерывы для наполнения ванны расплавом, что снижает производительность устройства.

Задача, решаемая заявляемым устройством, состоит в повышении качества изготавливаемого волокна путем увеличения скорости охлаждения расплава на дисковом кристаллизаторе, а также за счет снижения разнотолщинности по длине волокна.

Кроме того, задача, решаемая изобретением, состоит в повышении производительности устройства за счет снижения длительности технологических перерывов.

В заявляемом устройстве ось дискового кристаллизатора смонтирована на одном из концов двухплечего рычага, на другом конце которого размещен противовес, причем точка опоры рычага связана со станиной устройства шарнирно.

Поставленная задача достигается и тем, что противовес снабжен приводом его перемещения вдоль рычага. Поставленная цель также достигается тем, что дисковый кристаллизатор снабжен приводом его возвратно-поступательного перемещения.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что рычаг снабжен приводом его вращательного перемещения вокруг его вертикальной оси, проходящей через точку опоры рычага.

Наконец, поставленная задача достигается тем, что рычаг снабжен виброприводом его перемещений в вертикальной плоскости относительно точки опоры.

Сравнительный анализ известного уровня техники, описанного в источниках [1, 2, 3] свидетельствует, что заявленное устройство в значительной степени отличается как от каждого из известных устройств, так и от их комбинаций. Отсюда следует, что притязания заявителя для специалиста явным образом не следуют из уровня техники известных устройств и поэтому могут быть охарактеризованы как имеющие изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 представлены виды устройства сбоку и сверху соответственно; на фиг. 3 устройство в исходном, промежуточном и конечном положениях; на фиг. 4 схема компоновки участка по производству металлического волокна.

Устройство для изготовления металлического волокна состоит из (фиг. 1, 2) станины 1, на которой смонтирован двухплечий рычаг 2. Точка опоры 3 рычага 2 связана со станиной 1 посредством шарнира 4. На одном из концов рычага 2 расположена на направляющих подвижная каретка 5 с закрепленным на ней на горизонтальной оси О О приводным дисковым кристаллизатором 6. На другом конце рычага 2 на направляющих смонтирован подвижный противовес 7. Дисковый кристаллизатор 6 устройства расположен над обогреваемой ванной 8 с расплавом 9.

Противовес снабжен приводом 10 перемещения "а" вдоль рычага 2. Каретка 5 со смонтированным на ней кристаллизатором 6 снабжена приводом 11 своего возвратно-поступательного движения "б". Кроме того, кристаллизатор 6 имеет привод 12 вращательного движения "г" вокруг оси О-О, который смонтирован на каретке 5. В неподвижной части "А" станины 1 расположен привод 13 вращательного перемещения "д" рычага 2 вокруг вертикальной оси 0₁ - 0₁, проходящей через точку опоры 3 рычага 2. На подвижной части "Б" станины 1 размещен вибропривод 14 для перемещений "е" рычага 2 в вертикальной плоскости относительно точки опоры 3 рычага 2.

Участок для производства металлического волокна (фиг. 4) состоит из устройства 17 для изготовления волокна, двух обогреваемых ванн 15 и 16 для расплава, а также питающей печи-миксера 18, расположенной на рельсовом пути 19.

Устройство работает следующим образом. В начале рабочего цикла устройство находится в исходном положении 1 (фиг. 3, показано пунктирными линиями). При этом все приводы устройства выключены, а противовес 7 находится в крайнем левом положении (на наибольшем удалении 11 от точки опоры 3 рычага 2) (фиг. 2, 3). Затем включается привод 10 перемещения противовеса 2 и противовес ускоренно перемещается по направлению к точке опоры 3 рычага 2 (фиг. 1, 2, 3). Рычаг 2 выходит из равновесия, и его плечо, на котором закреплен диск-кристаллизатор 6, начинает опускаться к ванне 8 с расплавом 9 (движение "и") (фиг. 1, 3). Движение диска 6 отслеживается датчиком расстояния (на рисунках условно не показан). Как только диск-кристаллизатор 6 коснется поверхности расплава 9, включаются приводы его вращения 12, возвратно-поступательного движения 11 и вибропривод 14 рычага 2, а привод 10 перемещения противовеса 2 переходит в замедленный режим (фиг. 1, 2 и 3). Начинается процесс экстракции расплава 9 диском-кристаллизатором 6 (фиг. 1, 2), во время которого расплав налипает на рабочую кромку диска, увлекается им в направлении вращения диска, охлаждается и удаляется из ванны. Затем под действием центробежных сил отделяется от поверхности диска. При этом уровень расплава 9 в ванне 8 начинает убывать (фиг. 3). По мере убывания уровня расплава противовес 2 под действием привода 10 перемещается ближе к точке опоры 3 рычага 2 (фиг. 3). Плечо рычага 2 с диском-кристаллизатором 6 все больше наклоняется к ванне 8 с расплавом (фиг. 3). Таким образом, контакт диска-кристаллизатора с расплавом отслеживается и остается постоянным независимо от убывания уровня расплава в ванне.

После того, как уровень расплава в ванне 8 достигает минимального значения h, устройство займет положение III, а противовес 7 переместится в крайнее правое положение (на удалении 1 от точки опоры 3 рычага) (фиг. 3). В этот момент привод 10 перемещения противовеса 7 изменит направление вращения и противовес 7 в ускоренном режиме вернется в крайнее правое положение (на удаление от точки опоры 3 рычага) (фиг. 3). Рычаг 2 выйдет из равновесия, приводы 10, 12, 11, 13 и 14 отключатся и устройство вновь займет исходное положение I (движение "и") (фиг. 3). Рабочий цикл завершен, и ванна готова к наполнению ее расплавом.

В процессе совершения устройством рабочего цикла каретка 5 под действием привода 11 совершает возвратно-поступательные движения "б" вдоль рычага 2 относительно ванны с расплавом 8 (фиг. 1). Привод 13 сообщает рычагу 2 с кристаллизатором 6 возвратно-поступательное вращательное движение "д" вокруг вертикальной оси О-О (фиг. 2). Совокупность движений "б" и "д" диска-кристаллизатора 6 приводит к тому, что точка его контакта "ж" с поверхностью расплава будет смещаться по поверхности расплава по замкнутой траектории. В результате этого в каждый последующий момент времени экстракция расплава будет производиться с новой точки его поверхности. Такой режим экстракции исключает образование подстывшей зоны под диском-кристаллизатором, которая образуется в результате интенсивного отвода тепла от расплава водоохлаждаемым диском-кристаллизатором. Температура расплава в месте его экстракции, а, следовательно, и скорость его охлаждения повышаются.

Кроме того, вращательное перемещение "д" рычага 2 вокруг его вертикальной оси 0₁ 0₁, проходящей через точку опоры 3 рычага, позволяет вести экстракцию расплава поочередно из по меньшей мере двух ванн 15, 16 (фиг. 4). Такой режим работы устройства обеспечивает повышение его производительности за счет того, что исключаются технологические перерывы, необходимые для пополнения ванн расплавом и их текущего ремонта. В то время, как устройством 17 в положении IV ведется экстракция из одной из ванн 16, другая ванна 17 пополняется расплавом из подвижной печи-миксера 18 в положении VI, которая перемещается от ванны к ванне по рельсовому пути 19. После завершения экстракции из ванны 17 устройство разворачивается в положении V и ведет экстракцию из ванны 15 в положении V, а печь-миксер перемещается в положение VII и пополняет расплавом ванну 16 (фиг. 5). Перерывы экстракции из каждой ванны позволяют кроме пополнения ванн расплавом провести текущий ремонт футеровки и системы нагрева расплава без приостановки процесса получения металлического волокна.

Вибропривод 14 сообщает рычагу 2 с диском-кристаллизатором 6 колебательные перемещения "е" в вертикальной плоскости относительно точки опоры 3 рычага (фиг. 1, 2). Колебательные движения "е" в вертикальной плоскости диска-кристаллизатора 6 позволяют циклически изменить глубину его погружения в расплав 9 (фиг. 1). За счет перемещения "е", которое пропорционально амплитуде возникающей волны расплава, в момент выхода выступа рабочей поверхности диска-кристаллизатора из расплава глубина его погружения в расплав, а, следовательно, и толщина волокна увеличиваются. При входе очередного выступа в расплав глубина погружения диска-кристаллизатора уменьшается и уменьшается толщина волокна. Это позволяет снизить продольную разнотолщинность волокна, которая наблюдается при работе известного устройства.

Пример работы устройства. Заявляемое устройство использовалось для получения волокна из сплава Аl + 20% Si. Температура расплава в ванне составляла 850^oC. Экстракцию расплава осуществляли медным водоохлаждаемым диском-кристаллизатором диаметром 200 мм. На рабочей поверхности диска, выполненной в виде гребня, было нарезано 26 выступов с рабочей длиной 12 мм и шириной 0,5 мм. Скорость вращения диска составляла 30 с. Диск с приводом вращения и продольного перемещения закрепляли в направляющих на одном из концов рычага длиной 2 м. На другом конце рычага в направляющих был закреплен противовес с приводом продольного перемещения. Рычаг на шарнирной опоре был закреплен на подвижной части станины в точке, находящейся в середине рычага. Подвижная часть станины снабжалась приводом вращения вокруг вертикальной оси и через упорный подшипник сопрягалась с неподвижной частью станины. На подвижной части станины закрепляли шарнирно связанный с рычагом вибропривод с частотой колебаний 780 Гц и амплитудой 100 мкм.

Скорость продольного возвратно-поступательного движения диска составляла 0,01 м/с; скорость движения противовеса по рычагу в ускоренном режиме 0,1 м/с, в замедленном режиме 10 м/с; скорость вращения подвижной части станины 0,01 м/с. Такое же по химическому составу металлическое волокно получали на том же устройстве при отключенных приводах продольных перемещений противовеса, диска-кристаллизатора, вращения подвижной части станины и отключенном виброприводе. Рычаг был жестко связан со станиной. Уменьшение уровня расплава в ванне компенсировали подъемом ванны с помощью гидропривода.

Механические свойства полученного волокна и его геометрические параметры приведены в таблице.

Как следует из экспериментальных данных, приведенных в таблице, существенные признаки заявленного устройства позволяют повысить качество волокна за счет уменьшения разнотолщинности и повышения механических свойств по сравнению с известным уровнем техники, что соответствует решаемой авторами задаче в заявленном устройстве.

Использование: металлургия, получение металлических волокон из различных металлов и сплавов методом экстракции расплавов. Устройство снабжено двуплечим рычагом, на одном конце которого на горизонтальной оси размещен дисковый кристаллизатор, а на другом - противовес. Точка опоры рычага связана со станиной шарнирно. Противовес снабжен приводом его перемещения вдоль рычага. Дисковый кристаллизатор снабжен приводом его возвратно-поступательного перемещения. 4 з. п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Устройство для изготовления металлических волокон из расплава, содержащее станину и ванну для расплава с расположенным над ней на горизонтальной оси приводным дисковым кристаллизатором, отличающееся тем, что оно снабжено двуплечим рычагом, на одном конце которого на горизонтальной оси размещен дисковый кристаллизатор, а на другом противовес, причем точка опоры рычага связана со станиной шарнирно. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что противовес снабжен приводом его перемещения вдоль рычага. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что дисковый кристаллизатор снабжен приводом его возвратно-поступательного перемещения. 4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что рычаг снабжен приводом его вращательного перемещения вокруг его вертикальной оси, проходящей через точку опоры рычага. 5. Устройство по пп. 1 4, отличающееся тем, что рычаг снабжен виброприводом его перемещения в вертикальной плоскости относительно точки опоры.