СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B22D11/00 B22D11/04 

Изобретение относится к металлургии, в частности, для получения непрерывных заготовок из распыляемого металла.

Известен способ непрерывного литья лент [1] заключающийся в заливке расплава на подвижную охлаждаемую поверхность, причем толщина получаемой литой ленты определяется скоростью перемещения поверхности и интенсивностью ее охлаждения, а ширина ленты регулируется воздействием на расплав электромагнитных сил.

Недостатком известного способа является получение только непрерывных металлических лент.

Известен также способ получения упрочненной металлической заготовки, заключающийся в совместной обработке порошков металла и углерода в аттриторах с последующим спеканием смеси [2]
Недостатком известного способа получения упрочненной заготовки являются раздельные операции получения порошка металла, совместная обработка порошка и углерода в аттриторах, прессование и спекание полученной смеси. Заготовки, требующие калибровки, могут вновь поступать в отделение спекания. Отдельно полученные и хранящиеся порошки металла имеют сравнительно высокие цены, большие затраты на изготовление индивидуальных (разрушаемых) пресс- форм, дополнительное специализированное оборудование для обработки порошков в аттриторах, печи для спекания и др.

Наиболее близким к предложенному способу является способ непрерывного литья заготовок, включающий распыливание в кристаллизаторе жидкого металла, подачу в кристаллизатор инертного газа, обжатие напыленного слоя, калибровку поверхности заготовки и ее непрерывное вытягивание [3]
Недостатком известного способа [3] является возможность получения только полых трубных заготовок с ограниченной толщиной стенки, так как обжатие напыленного слоя осуществляется между стенками формообразователя и перемещающимся вертикально вниз приводным валом с симметрично закрепленными на нем раскатными роликами. Увеличение толщины напыленного слоя приводит к низкой прочности стенки заготовки за счет недостаточных давлений обжатия.

Заявляемый способ направлен на создание высокопроизводительной и ресурсосберегающей технологии производства заготовок из порошковых материалов.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого способа, заключается в:
1. Повышении производительности процесса получения заготовок.

2. Получении сплошных заготовок произвольной формы и толщины с гарантированным качеством поверхности и внутренней структуры.

Заявляемый способ характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: распыливание в кристаллизаторе жидкого металла; подача в кристаллизатор инертного газа; обжатие напыленного слоя; калибровка поверхности заготовки и ее непрерывное вытягивание.

Отличительные признаки: подача в кристаллизатор пылевидного углерода; обжатие напыленного слоя частиц жидкого металла и пылевидного углерода.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Подача в кристаллизатор пылевидного углерода и обжатие слоя частиц жидкого металла и углерода повышает прочность получаемых сплошных заготовок с произвольной формой наружной поверхности.

Для реализации заявляемого способа заявляется устройство, уровень техники которого известен [2-4]
Известное устройство для непрерывного литья металлической ленты (полосы) [4] содержит быстровращающийся литейный ролик с приводом, сопло для непрерывного подвода металла, приспособление для подвода газа на поверхность ролика в направлении противоположном его вращению.

Недостаток устройства [4] заключается, прежде всего, в невозможности получения изделия отличного от металлической полосы по причине отсутствия устройства для прессования распыляемого металла. Кроме этого, необходимо строгое соблюдение технологии литья, заключающееся в точном регулировании и поддержании температуры распыляемого металла, положения форсунки относительно вращающегося с определенной скоростью литейного ролика и расстояния до него. Невыполнение одного из перечисленных требований может привести к расслоению получаемой полосы за счет переохлаждения распыляемого металла и получению изделия различной толщины. Дополнительно к этому, подвод газа на поверхность ролика приводит к нерациональному его расходу по причине открытой и изогнутой поверхности, в данном случае ролика.

Известно также устройство [2] содержащее емкость с металлом, устройство для подвода сжатого газа с форсункой, дополнительную емкость с жидкой средой для охлаждения распыляемого металла. Кроме этого, известное устройство содержит аттритор для совместной обработки порошков алюминия и углерода, бункер с дозатором металлического порошка и углерода, пресс и пресс-форму.

Недостатки известного устройства [2] заключаются в получении металлического порошка и заготовки металл-углерод в различных устройствах, необходимости изготовления графитовых пресс-форм для каждого изделия и ограниченной производительности за счет периодически повторяющихся операций: получения и охлаждения порошка, загрузки порошка металла и углерода в аттритор для совместной обработки, получение смеси с последующей ее загрузкой в пресс-форму, приложение необходимого давления, охлаждение полученной заготовки с последующим разрушением формы и извлечением изделия.

Наиболее близким к предложенному устройству является установка для получения трубных заготовок [3] содержащая разливочную емкость и стакан с распылителем, установленным в рабочей полости кристаллизатора при этом грани кристаллизатора выполнены с возможностью перемещения.

Недостатком известной установки [3] является возможность получения на ней только труб различного диаметра. Кроме этого, недостатком установки является отсутствие возможности регулировать степень обжатия напыленного слоя частиц металла.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого устройства, заключается в:
1.Упрощении конструкции устройства.

Экономии электроэнергии и материалов.

3. Повышении надежности работы устройства.

Заявляемое устройство характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: разливочная емкость; стакан с распылителем; кристаллизатор; грани кристаллизатора выполнены с возможностью перемещения.

Отличительные признаки: пара вертикальных граней кристаллизатора выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения; противоположная пара граней кристаллизатора выполнена с возможностью вращательного движения и имеет в верхней части расширенный участок с углом наклона "α" к вертикали; распылитель выполнен в виде конуса, на поверхности которого равномерно расположены отверстия для распыливания металла; образующая конуса параллельна граням кристаллизатора на расширенном участке; внутри стакана установлена тепловая труба; в верхней части кристаллизатора по его периметру установлен электромагнит; внутри полой тепловой трубы расположена трубка для подвода инертного газа; на конце трубки для подвода инертного газа установлен рассекатель потока с углом наклона образующей поверхности "β" к вертикали и длиной образующей "l", связанными следующими зависимостями с параметрами тепловой трубы и кристаллизатора

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Выполнение пары вертикальных граней кристаллизатора с возможностью возвратно-поступательного перемещения исключает приваривание напыленного слоя расплава к граням и уменьшает усилие необходимое для проталкивания металла вниз кристаллизатора. При этом улучшается качество наружной поверхности заготовки.

Выполнение противоположной пары граней кристаллизатора с расширенным в верхней части участком с углом наклона "α" к вертикали и возможностью вращательного движения обеспечивает условие захвата, обжатия и проталкивания напыленного слоя частиц жидкого металла и пылевидного углерода вниз кристаллизатора. При этом отпадает необходимость наличия дополнительного механизма для вытягивания заготовки и повышается надежность работы устройства.

Выполнение распылителя в виде конуса с образующей параллельной граням на расширенном участке и равномерно расположенными на нем отверстиями позволяет реализовать равномерное распыление металла в кристаллизатор за счет одинакового расстояния от отверстий распылителя до поверхности граней с расширенным в верхней части участком.

Установка во внутрь стакана полой тепловой трубы [5] обеспечивает необходимую термостабилизацию температуры металла в разливочной емкости, стакане и распылителе. Обеспечение постоянства (равенства) температур металла исключает забивание в распылителе отверстий, то есть обеспечивает постоянный расход металла в кристаллизатор и заданную производительность устройства при высокой надежности его работы. Кроме этого, тепловая труба с установленным на ней конусным клапаном в разливочной емкости позволяет ей одновременно выполнять функции стопора. Дополнительно к этому, изготовление полой тепловой трубы с внутренним диаметром "d" позволяет пропускать через нее в кристаллизатор пылевидный углерод и инертный газ.

Установка во внутрь тепловой трубы трубки позволяет раздельно подавать в кристаллизатор инертный газ и углерод.

Установка в верхней части по периметру кристаллизатора электромагнита позволяет дополнительно осуществлять отклонение капель распыляемого металла, увеличивать или уменьшать время контактирования частиц металла с инертным газом, то есть регулировать интенсивность его охлаждения. При этом уменьшается попадание распыливаемого металла за пределы кристаллизатора при увеличении расстояния от насадки до поверхности наклонных граней.

Закрепление на конце трубки для подвода инертного газа рассекателя потока обеспечивает его смещение вместе с пылевидным углеродом в верхнюю часть граней кристаллизатора и защиту распыляемого металла от окисления воздухом.

Увеличение угла наклона образующей поверхности рассекателя "β" к вертикали β > 90^°- α приводит к торможению потока инертного газа и потере его кинетической энергии (где ν скорость газа), что приводит к необходимости увеличения расхода газа и уменьшает равномерность распределения пылевидного углерода по сечению кристаллизатора. Уменьшение угла наклона β < 80^°- α приводит к поступлению частиц углерода в нижнюю часть кристаллизатора и исключает перемешивание его с распыляемым металлом.

Уменьшение длины наклона образующей поверхности рассекателя ухудшает формирование потока инертного газа вдоль поверхности и приводит к проникновению углерода в нижнюю часть кристаллизатора без его перемешивания с распыляемым металлом.

Увеличение длины образующей приводит к увеличению трения частиц углерода по поверхности рассекателя и как результат постепенное накапливание углерода на этой поверхности. Кроме этого, увеличение длины образующей приводит к налипанию на поверхности рассекателя распыляемого металла, что создает дополнительное сопротивление перемещению пылевидного углерода и уменьшает равномерность его распределения в сечении кристаллизатора.

На фиг.1 приведен внешний вид заявляемого устройства, на фиг. 2 сечение А-А фиг.1.

Заявляемое устройство на фиг 1 и 2 состоит из разливочной емкости 1, клапана 2, стакана 3 для подвода жидкого металла к распылителю 4 с отверстиями 5, полой тепловой трубы 6, трубки 7 с рассекателем 8 для подвода инертного газа, электромагнита 9, кристаллизатора 10 с парой вертикальных граней 11 с возможностью возвратно-поступательного перемещения и парой граней 12 с возможностью вращательного движения, в нижней части распылителя 4 имеется отверстие для прохода трубки. Полая тепловая труба 6 проходит через всю высоту стакана 3 и разливочную емкость 1. В верхней части тепловая труба 6 крепится к подъемному механизму, расположенному на разливочной емкости 1. Для одновременного выполнения функций стопора на наружной поверхности тепловой трубы 6 расположен клапан 2 для перекрытия выходного отверстия в емкости 1. Нижняя часть полой тепловой трубы 6 без зазора устанавливается на внутренней конусной поверхности распылителя 4, что исключает забивание металлом отверстия в его нижней части.

В разливочную емкость 1 жидкий металл заливается с определенным перегревом, необходимым для разогрева и запуска тепловой трубы 6 на всей ее длине. Металл в разливочной емкости 1 не должен переохлаждаться ниже температуры при которой существенно уменьшается вязкость расплава и увеличивается вероятность забивания закристаллизовавшимся металлом отверстий 5 распылителя 4. По мере разогрева трубы 6 происходит разогрев стакана 3 с распылителем 4. После достижения ими определенной температуры, исключающей кристаллизацию разливаемого металла на их внутренней поверхности, устройство готово к разливке. Стакан 3 с распылителем 4 располагается на необходимой глубине в кристаллизаторе 10.

Способ осуществляется заявляемым устройством следующим образом.

Включают подачу углерода в кольцевой зазор между тепловой трубой 6 и трубкой 7. Одновременно включают подачу инертного газа в кристаллизатор 10 через трубку 7 и привод пары вертикальных 11 и противоположных 12 граней. Поднимают стопор-тепловую трубу 6 с клапаном 2. При этом жидкий металл из разливочной емкости 1 поступает в стакан 3 с распылителем 4 и далее через отверстия 5 в нем в виде тонких струй (капель) поступает на рабочие поверхности граней 11 и 12 кристаллизатора 10, одновременно смешиваясь с пылевидным углеродом. Выходящий из трубки 7 инертный газ поступает на рассекатель потока 8, изменяет направление движения одновременно отклоняя поток пылевидного углерода в стороны граней кристаллизатора, пронизывает распыляемый металл и уходит за пределы кристаллизатора в вытяжной шкаф. При этом часть распыляемого металла попадает в зону электромагнита 9, где происходит улавливание капель и отклонение их траектории в нижнюю часть кристаллизатора 10. В процессе работы кристаллизатора грани 11 совершают возвратно-поступательное перемещение, а грани 12 сложное вращательное движение с обжатием распыляемого металла и углерода и выталкиванием образующейся заготовки из кристаллизатора.

Источники информации
1. Патент PS N 2548939 ФРГ, В 22 D 11/01, Опубл. 01.05.83, БИ N 1.

2. Спеченные материалы из алюминиевых порошков/Гопиенко В.Г. Смагоринский М.Е. Григорьев А.А. Беллавин А.Д. М. Металлургия, 1993, 320 с.

3. А.с. N 511995 СССР. Установка для получения трубных заготовок/ Вяльцев О.А. Новиков О.К. Малиновский Р.Р. опубл. 30.04.76, БИ N 16.

4. Патент PS N 2950406 ФРГ, опубл. 22.07.82, БИ N 29.

5. Тепловые трубы с металловолокнистыми капиллярными структурами/ Семена М.Г. Гершуни А.Н. Зарипов В.К. К. Вища школа, Головное изд-во, 1984. с. 215.

Изобретение направлено на создание высокопроизводительного и ресурсосберегающего процесса получения заготовок из порошковых материалов. Это обеспечивается дополнительной подачей в кристаллизатор пылевидного углерода и обжатием напыленного слоя частиц жидкого металла и углерода. Для повышения надежности работы устройства и повышения качества поверхности заготовок пара вертикальных граней кристаллизатора выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а противоположная пара граней выполнена с возможностью вращательного движения и имеет в верхней части расширенный участок с углом наклона "α" к вертикали, распылитель выполнен в виде конуса, на поверхности которого равномерно расположены отверстия для распыливания металла, а его образующая параллельна граням кристаллизатора на расширенном участке, при этом внутри стакана установлена тепловая труба, а в верхней части кристаллизатора по его периметру - электромагнит. Дополнительно к этому внутри тепловой трубы расположена трубка для подвода инертного газа, на конце которой установлен рассекатель потока. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ непрерывного литья заготовок, включающий распыливание в кристаллизаторе жидкого металла, подачу в кристаллизатор инертного газа, обжатие напыленного слоя, калибровку поверхности заготовки и ее непрерывное вытягивание, отличающийся тем, что дополнительно подают в кристаллизатор пылевидный углерод, а обжимают напыленный слой частиц жидкого металла и пылевидного углерода. 2. Устройство для непрерывного литья заготовок, содержащее разливочную емкость и стакан с распылителем, установленным в рабочей полости кристаллизатора, при этом грани кристаллизатора выполнены с возможностью перемещения, отличающееся тем, что пара вертикальных граней кристаллизатора выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а противоположная пара граней кристаллизатора выполнена с возможностью вращательного движения и имеет в верхней части расширенный участок с углом наклона α к вертикали, распылитель выполнен в виде конуса, на поверхности которого равномерно расположены отверстия для распыливания металла, а его образующая параллельна граням кристаллизатора на расширенном участке, при этом внутри стакана установлена тепловая труба, а в верхней части кристаллизатора по его периметру электромагнит. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что внутри тепловой трубы расположена труба для подвода инертного газа, на конце которой установлен рассекатель потока с углом наклона образующей поверхности b к вертикали и длиной образующей l, связанными следующими зависимостями с параметрами тепловой трубы и кристаллизатора
β = (80^°- 90^°)-α и l = (0,4 - 0,5)•d/sinα,
где d внутренний диаметр тепловой трубы.