Устройство для акустической обработки кристаллизующихся расплавов Советский патент 1983 года по МПК C22F3/02 

2,Устройство по п. 1, отличающееся тем, что акустический контакт выполнен с торцовой поверхностью полости волновода, примыкающей к преобразователю.

3.Устройство по п. 1, о т л и- чающееся тем, что акустический контакт выполнен с торцовой поверхностью полости волновода, примыкающей к его рабочему излучающему торцу.

4.Устройство по пп. 2 и 3, о тли чающееся тем, что торцовые поверхности полости волновода, примыкающие к пакету капиллярных трубок, выполнены с пористой или капиллярной структурой.

5.Устройство по пп. 1, 2 и 4, отличающееся тем, что

в торцовой части капиллярных трубок выполнены выборки.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИi ЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРИСТАЛЛИЗУШ ИХСЯ РАСПЛАВОВ, содержащее акустический преобразователь с корпусом охлаждения и соединенный с преобразователем полый волновод с размещенным в его . полости пакетом капиллярных трубок, отлич ающ.ееся тем, что, с целью повышения эффективности обработки расплава, торцы пакета капиллярных трубок присоединены к торцовым поверхностям полости волно,вода с акустическим контактом. (Л

Изобретение относится к металлургии, а конкретно к процессам акустической обработки расплавов, например при ультразвуковой обработке жидких металлов, а также в других процессах ультразвуковой технологии, в которых необходимо отводить значительное количество тепла.от передающего акустическую энергию волновода,, контактирующего с обрабатываемым объектом или со средством для его обработки. Известно устройство для ввода акустических колебаний в кристаллизующиеся расплавы металлов, содержа щее акустический преобразователь и излучатель, выполненный в виде полу волнового водоохлаждаемого поддона в форме цилиндрического стакана, соединенного непосредственно с преобразователем 1. Недостаток устройства - нестабиль ность его работы при озвучивании рас плавов вследствие невозможности обес печения постоянства толщины корочки закристаллизовавшегося металла на поверхности излучателя, предохраняющей его от разрушения. Между толщиной корочки и степенью охлаждения в устройстве не существует обратной связи. Поэтому любое изменение условий процесса приводит к отклонению толщины корочки от оптимальной. Излишнее охлаждение волновода вызывает рост корочки вплоть до кристаллизации всего слитка, а недостаточное охлаждение ведет к исчезновению корочки и активному износу колеблющейся поверхности излучателя и загрязнению обрабатываемого расплава материалом излучателя. Кроме того, изменение толщины корочки фактически меняет геометрические размеры колеба тельной системы и тем самым выводит ее из резбнанса, что является причиной нестабильной работы устройства при обработке жидких расплавов. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для обработки кристаллизующихся распла ов, содержащее акустический преобразователь с корпусом охлаждения, источник питания и полый волновод, в котором размещен пакет капиллярных трубок, закрепленный в узле колебаний волновода, а ближайшая к преобразователю внутренняя торцовая поверхность полости волновода находится в пучности его колебаний и удалена от торцов капилляров на 0,030,5 мм, причем в полость волновода введен теплоноситель 2. Основной недостаток устройства заключается в том, что при больших тепловых нагрузках рабочий торец волновода не успевает охлаждаться, поскольку количество прокачиваемого по капиллярам теплоносителя недостаточно для его охлаждения. Это обусловливает снижение эффективности обработки, так как при больших тепловых нагруз.ках возможен перегрев волновод а j что в свою очередь вызывает изменение резонансной частоты колебательной системы, рост потерь акустической энергии в материале волновода, ухудшение условий кристаллизации, увеличение эрозии рабочих поверхностей, которое может привести к недопустимому загрязнению обрабатываемого объекта материалом волновода. Кроме того, снижается надежность систем в целом и ограничивается допустимая удельная акустическая мощность, передаваемая в обрабатываемый объект. Это сужает технологические возможности устройства. Кроме того, сужение технологических возможностей связано с необходимостью вертикального расположения волновода, так как в противном случае не все капиллярные трубки будут контактировать -с теплоносителем и эффективность охлаждения вол- новода, а вместе с ней и эффективность обработки снизятся. Целью изобретения является повышение эффективности обработки расплава. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для акустической обработки кристаллизующихся расплавов, содержащем акустический преобразователь с корпусом охлаждения и соединённый с преобразователем полый волновод с размещенным в его полости пакетом капиллярных трубок, торцы пакета капиллярных трубок присоединены к торцовым поверхностям полости волновода с акустическим кон тактом. Такое выполнение устройства позволяет ускорить течение теплоносителя по капиллярным трубкам вследствие возбуждения акустических колебаний непосредственно в теле капилляров и позволяет улучшить условия охлаждения волновода, что повышает эффективность обработки расплавов ультразвуковыми колебаниями. Причем акустический контакт выполнен с. торцовой поверхностью полости волновода, примыканицей к преобразователю. Выполнение акустического контакта со стороны акустического преобразова теля улучшает условия охлаждения вол новода, особенно при больших тепловы нагрузках, что повышает эффективность обработки расплавов. При этом акустический контакт выполнен с торцовой поверхностью полос ти волновода, примыкающей к его рабо чему излучающему торцу. Такое выполнение устройства позволяет осуществить равномерное охлаж дение рабочего торца волновода, в то числе и CciMoro волновода, что повышает эффективность обработки расплавов. В устройстве торцовые поверхности полости волновода, примыкающие к пакету капиллярных трубок, выполнены с пористой или капиллярной структурой . Такое выполнение устройства позво ляет еще более повысить эффективност обработки, поскольку, не препятствуя возбуждению акустических колебаний непосредственно в капиллярных, позволяет более равномерно распределить между ними общий поток теплоносителя Особенно ярко это проявляется при неточной установке волновода по отношению к вертикальной плоскости (когда продольная ось волновода не совпадает с вертикальной плоскостью или при необхсЗдимости установки волновода в плоскости, отличной от вер тикальной. Это в свою очередь приво дит к более равномерному охлаждению излучающей поверхности волновода и, соответственно, более эффективной обработке. Кроме того, расширяются. технологические возможности устрой-. ства, так как снимаются ограничения j по строго вертикальному расположению волновода. Кроме того, в торцовой части капиллярных трубок выполнены выборки. Такое выполнение устройства снижает гидродинамическое сопротивление зазора между капиллярными трубками и контактирующими с ними торцовыми поверхностями полости волновода., в особенности при небольших амплитудах колебаний преобразователя, которые могут в ряде случаев быть необходимыми по условиям техпроцесса, и при отсутствии нанесенной на поверхность полости волновода, ближайшей к акустическому преобразователю, капиллярной структуры. При этом ускоряется течение жидкости по капиллярам, что улучшает условия охлаждения волновода при высоких тепловых нагрузках, а следовательно, и повышает эффективность обработки. На фиг. 1 показано устройртво при выполнении акустического контакта капиллярных трубок с торцовой поверхностью полости волновода, примыкакхцей к преобразователю; на фиг. 2 фиксатор и капиллярнгле трубки с выборками различных видов; на фиг.З устройство при выполнении акустического контакта с торцовой поверхностью полости волновода, примыкающей к его рабочему излучающему торцу. В водоохлаждаемом корпусе 1(фиг.1) размещен акустический преобразов.атель 2 с обмоткой 3 питания, подключенной к источнику питания акустического преобразователя УЗГ (не показан). Преобразователь 2 припаян к акустическому волноводу, состоящему из двух полых эле1ментов 4 и 5. В замкнутой полости 6 волновода установлен пакет 7 капиллярных трубок 8, выполненных из эвукопроводного материала и присоединенных с акустическим контактом к торцовой поверхности 9 полости волновода, ближайшей к акустическому преобразователю 2 и расположенной вблиэи пучности колебаний. Трубки 8 могут иметь выборки10 в торцах, а на поверхность 9 полости волновода может быть нанесена капиллярная или пористая структура 11. Нанесение на поверхности 9 структуры 11 осуществляется либо путем обработки, например механической, самих этих поверхностей (нарезание канавок, резьбы), либо путем установки на ней таких материалов, как фитильная ткань мелкоячеистая сетка, и т.д. При этом установленный в полости б пакет 7 Ксшиллярных трубок 8 при соединении элементов 4 и 5 волновода, контактируя с поверхностью 12 полости волновода, прижимает капиллярно-пористую

структуру 11 к поверхности 9. Предварительно в полость б вводится теплоноситель 13 или им пропитывается капиллярно-пористая структура 11. В качестве теплоносителя могут быть использованы различные углеводород, фреон, вода и др. Для лучшей фиксации пакета 7 капиллярных трубок в полости может быть использован фиксатор 14, выполненный таким образом, чтобы не препятствовать прохождению паров теплоносителя к поверхности 9. Например, он может быть выполнен в виде кольца с радиально расходящими.ся упорами. Однако предложенное устройство позволяет обойтись и без фиксатора 14, поскольку фиксация пакета 7 может быть обеспечена упругостью трубок 8, контактирующих с поверхностями 9 и 12. Акустический контакт трубок 8 с поверхностью 9 непосредственно или через посредство пористо-капиллярной структуры 11 может осуществляться и с помощью упругого фланца 15, жестко связанного с пакетом 7-капиллярных трубок 8 и эазмещенного между элементами 4 и 5 волновода. В этом случае отдельные трубки 8 пакета 7 должны быть жестко связаны друг с другом.

Устройство работает следующим образом.

Рабочий торец волновода вводят в расплав металла или присоединяют к емкости для акустической обработки расплава. На преобразователь подают напряжение звуковой (ультразвуковой) частоты и под действием акустических колебаний возникает звукокапиллярный эффект. В результате теплоноситель прокачивается через капиллярные каналы от торцовой поверхности 9 полости волновода, расположенной в его пучности, к тыльной поверхности 12 его рабочего торца.

При обработке кристаллизующихся расплавов на поверхности волновода происходит кристаллизация, т.е. образуется корочка металла. Одновременно тепло из расплава передается в тело волновода и последний разогревается.

При разогреве рабочего торца волновода до температуры кипения теплоносителя последний начинает интенсивно испаряться, поглощая тепло и охлаждая волновод. Давление паров в этой части полости резко возрастает и пары теплоносителя под действием перепада давления в зонах испарения 12 и конденсации 9, 11 перемещаются в водоохлаждаемую часть волновода. Здесь пар конденсируется и отдает охлаждающей воде энергию, аккумулированную при испарении. Таким образом, быстро и эффективно осуществляется теплоотвод от рабочей части волновода и его температура подлерживается близкой -к температуре кипения .теплоносителя.

Если температура рабочей части .волновода по каким-либо причинам становится ниже температуры кипения теплоносителя, теплоотвод ухудшается и рабочий конец волновода разогревается вследствие подвода тепла из расплава до температуры кипения теплоносителя.

Таким образом, осуществляется обратная температурная связь, а постоянство температуры торца волновода, находящегося в расплаве, обеспечивает постоянство толщины корочки, причем сама толщина может регулироваться выбором соответствующего теплоносителя, количества и диаметра капиллярных трубок 8.

В результате повышается стабильность работы устройства, снижаются акустические потери, повьлиается эффективность обработки и обеспечивается надежная защита излучателя от разрушения в акустическом поле.

При обработке других объектов также обеспечивается эффективный от1вод тепла, выделяющегося на рабочем торце волновода во время работы устройства.

Поскольку капиллярные трубки 8 находятся в акустическом контакте с поверхностью 9 полости волновода, в них резко ускоряется течение теплоносителя 13 несмотря на то, что зазор между торцами трубок и поверхностью 9 уменьшается. Это происходит вследствие вибрации трубок 8 пакета

7и связанного с ней периодического увеличения упомянутого зазора.

При этом улучшается охлаждение торца волновода в особенности при больших тепловых нагрузках, что повышает эффективность обработки.

Наличие на поверхности 9 капиллярной или пористой структуры 11 еще более улучшает охлаждение волновода, поскольку при этом теплоноситель равномернее распределяется между отдельными капиллярными трубками

8(в особенности при установке волновода в плоскости, отличной от вертикальной), что также повышает эффективность обработки.

Наличие выборок 10 на торцах капиллярных трубок 8 улучшает условия подачи теплоносителя 13 к поверхности испарения 12, в особенности при небольших амплитудах колебаний преобразователя, благодаря снижению гидродинамического сопротивления в зазоре между капиллярными трубками 8 и поверхностями 9 и 12 полости волновода без снижения давления у торца капиллярных трубок, находящихся в акустическом контакте с поверхностью 9. Это также способствует улучшению охлаждения волновода, а следовательно, и повышению эффективности акустической обработки. В варианте выполнения устройства рогласно фиг. 3, (обозначения позиций 1-7 те же, что и на фиг. 1) торцы капиллярных трубок примыкают к пористой или капиллярной структуре 8 нанесеннойна торцовую поверхность 9 полости волновода, примыкающей к его рабочему излучающему торцу 10. Установленный в полости б пакет 7 капиллярных трубок фиксируется в ней посредством фланца 11, размещенного между элементами 4 и 5 волновода и жестко связанного с пакетом 7. Предварительно в полость б вводят теплоноситель 12, контактирующий с поверхностью 13 полости б волновода, примыкающей к акустическому преобразователю 2. Наличие на поверхности 9 капиллярной или пористой структуры 8 СПОсобствует более равномерному распределению теплоносителя 12 на охлаждаемой поверхности. При этом улучшается охлаждение торца волновода, осЬренно при больших тепловых нагруз ках, что повышает эффективность обработки расплава акустическими колебаниями. Устройство по сравнению с известным обеспечивает получение следующих преимуществ: при обработке расплавов стабилизация температуры рабочей поверхности излучателя, в особенности при высоких тепловых нагрузках,в результате чего стабилизируется работа излуча теля, повышается эффективность .обработки, предотвращается разрушение излучателя; повьааение количества акустической энергии, излучаемой в обрабатываем } расплав вследствие уменьшения ее доли, излучаемой в теплоноситель, поскольку сопротивление нагрузки тонкого слоя теплоноси- теля значительно ниже, чем в случае охлаждения большим объемом теплоносителя, а также вследствие лучшего охлаждения волновода и уменьшения в материале волновода потерь акустической энергии; расширение технологических возможностей устройства вследствие снятия ограничений по вертикальному расположению волновода, при обработке кристаллизующихся расплавов при рафинирующих переплавах улучшаются условия кристаллизации метгшла, так как повышается плотность акустической энергии в кристаллизирующемся расплаве и одновременно повышается скорость отвода тепла от обработанного материала, что позволяет повысить массовую скорость плавки. Кроме того, снижается знергоем-. кость процесса вследствие снижения мощности акустических излучателей и источников их питания (за счет снижения акустических потерь). Повьшение эффективности процесса проявляется в снижении степени ликвации и величины зерна, устранении столбчатвй и формировании равноосной структуры в слитке, что повышает качество литого металла, следовательно, и эффективиость процесса. Kpcwie того, возрастает высота слитка с однородной структурой, что повышает сквозной выход годного для труднодеформируемых сплавов не менее, чем на 10%..

п

Bodff