Устройство для подготовки расплава,содержащего твердую и жидкую фазы Советский патент 1983 года по МПК B22D1/00 B22D25/06 

2.Устройство по п. 1, о т л ичаюиееся тем, что, с целью получения расплава с определенным значением концентрации твердой фазы, оно снабжено охлажлающим средством.

3.Устройство по п. 2, отличающееся тем, что охлаждающее средство выполнено в виде множества дополнительных отверстий в плоских элементах, образующих каналы для циркуляции охлаждающей жидкости .

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина спиральных лопастей равна длине отверстий.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ РАСПЛАВА, СОДЕРЖАЩЕГО ТВЕРДУЮ И ЖИДКУЮ ФАЗЫ, включакяцее. емкость для расплава с дном.и приспособления для разделения потока расплава, выполненные в виде спиральных лопастей, о т л и ч а ю щ е вся тем, что, с целью понижения вязкостирасплава и повьшения процента твердой фазы в нем, дно емкости для расплава образовано множеством уложенных в стопку плоских элементов, выпол-. ненных со сквозными отверстиями,образующими ряды вертикальных каналов диаметром 2-10 мм, в каждом тлэ которых вдоль продольной оси размещено по одной спиральной лопасти, образованной скручиванием пластины,или ребра вокруг продольной оси с расположением верхнего конца ка-ждой спиральной лопасти под углом ЭО относительно нюкнего конца и делящей каждее отверстие на две продольные камеры, при этом нижний конец спиральной лопасти предшествующего i плоского элемента расположен под углом 90° относительно верхнего конСО ца спиральной Лопасти последующего плоского элемента и отношение длины - каждого отверстия к его диаметру равно единице. ел 00 4 СО

Изобретение относится к установке для подготовки смеси, включающей в себя твердую и жидкую фазы сплава металла такого вида, который используется в процессах, определяемых ка полужидкое.

Известно, что в металлургии сплавы металлов имеют интервал температур, вне которого они затвердевают, а длительность данного интервала характеризует сам сплав. Над верхним пределом (ликвидусом) этого интервала сплав полностью находится в жидком состоянии, в то время как ниже нижнего предела (солидуса) сплав находится в твердом состоянии В интервале, в течение которого происходит затвердевание, различают две фазы (жидкую и твердую), относительные количества которых являются функцией температуры и композиции cciMoro сплава.

В обычных условиях затвердевания твердое вещество находится в дендритной форме, т.е. в виде древоподобных структур, характерной чертой которых является перпендикулярное ответвление от основных ветвей вторичных, третичных и т.д. ветвей. Как только доля твердого вещества достигнет 20%, присутствующие дендриты образуют древоподобную структуру, которая повышает величину вязкости сверх допустимых пределов для разливочной операции.

Известны процессы, посредством которых возможна подготовка смеси, состоящей из твердой и жидкой фаз металлического материала, которая, несмотря на довольно высокую концентрацию твердой фазы, обладает характерны: свойствами жидкости, в частности, относительно низкой вязкостью.

В ходе этих процессов вызывается скольжение между различными частицами , которые поддерживаются в движении таким образом, чтобы разрушать в определенных пределах дендритные взаимосвязи, образующиеся при затвердевании смеси, и препятствовать дальнейшему росту самих дендритов, В этом случае дендритные фрагменты независимы друг от друга и имеют тенденцию к принятию сфероидальных форм под влиянием непрерывного механического воздействия.

Указанное скольжение, которое может быть рассчитано с помощью относительного градиента скорости, может быть получено и внутри смеси с помощью турбулентного потока и ламинарного и постоянного потока жидкости, в котором, иными словами, различные частицы смеси двигаются с заранее определенной скоростью в зависимости от их положения относительно стенок камеры, через которую они проходят.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ подготовки смеси, состоящей из твердой и жидкой фаз сплава металла, и установка для осуществления этого процесса.

Устройство состоит из емкости, в которой создается поток смеси и расположены приспособления для передачи в виде спиральных лопастей, каждая из которых предназначена для поперечного разделения потока по. крайней мере на две струи и придания каждой из них спиралевидной траектории движения. В этой установке смесь подвергается воздействию сил скольжения и непрерывным ударам, в результате чего смесь, выходящая из установки, имеет весьма высокий процент твердой фазы, в то время как вязкость самой смеси довольно низка l .

Было установлено, что хотя на описанной установке и могут быть получены полностью удовлетворительные результаты, но,если у смеси должна быть заданная и не очень высокая вязкость, например, необходимая для Обеспечения ее пригодности к последующей разливке методом кокильного литья, указанный процент твердой фазы не может быть увеличен сверх Определенного предела, который не

превышает 60%, если габариты установки рассчитаны на получение довольно высокой скорости потока смеси как, например, для высокопроизводительных промышленных установок.

Цель изобретения - понижение вязкости расплава и повышение, процента твердой фазы в нем.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для подготовки расплава, содержащего твердую и жидкую фазу, включающем емкость, для расплава с дном и приспособления для разделения потока расплава, выполненные в виде спиральных лопастей, дйо емкости для расплава образовано множеством уложенных в стопку плоских элементов, выполненных со сквозными отверстиями, образующими ряды вертикальных каналов диаметром 2-10 мм, в каждом из которых вдолЪ продольной оси размещено по одной спиральной лопасти, образованной скручиванием пластины или рёбра вокруг продольной оси с расположением верхнего конца каждой спиральной лопасти под углом 9Соотносительно нижнего конца и делящей каждое отверстие на две продольные камеры, при этом нижний конец спиральной лопасти предшествующего плоского элемента расположен под углом 90° относительно верхнего конца спиральной лопасти последующего плоского элемента и отношение длины каждого отверстия к его диаметру равно единице.

Устройство может быть снабжено охлаждающим средством, выполненным, например, в виде множества дополнительных отверстий в плоских элементах, образующих каналы для циркуляции охлаждгиощей жидкости.

Длина спиральных лопастей равна длине отверстий.

На фиг.1 изображено устройство, продольный разрез; на фиг.2 - спиргшевидная лопасть, перспективный вид; на.фиг.3 приведено семейство кривых, иллюстрируюрдах поведение устройства в работе.

Устройство состоит из множества наложенных друг на друга плоских элементов 1f в каждом из которых имеется серия отверстий 2, которые пересекают сам элемент и расположены в любой заданной конфигурации. Таким образом, когда подобные элементы накладываются друг на друга так, с одной парой контактирунедих . поверхностей, различные отверстия 2 определяют множественность каналов 3, которые пересекают всю стопку, образованную этими элементс1ми.

Эти накладывающиеся друг на друга элементы могут быть размежеваны любой поперечной плоскостью, например, цилиндрической, а для сохранения их в правильном расположении

друг к другу можно предусмотреть устанавливающие устройства любого типа, составленные, например, парат ми цилиндрических поверхностей 4, которые могут быть спарены друг с другом (фиг.1), или с псалощью штифтов, заклепок и т.п.

Различные каналы 3 соединены с резервуаром 5, в котором может находиться, заданное количество сплава в жидкомСОСТОЯНИИ. Он может поступать из удобной для этих целей плавильной п,ечК| между которой и резер вуаром могут быть предусмотрены устройства, оказываклдие на сплав давление, непрерывного или преры- вистого действия., создаваемое, в первом случае, шестеренчатым насосом и поршневым во втором.

НгшЬженные друг на друга элементы .охлаждаются соответствующими охлаждающими средствами дпп постепенного охлаждения материала,- который течет в каналах 3, и получения -в каЖдом из них заданного температурного градиента ДТ/L, определяемого как вариация температуры йТ в качестве функции расстояния L , пройденного материалом в канале. Для этой цели можно сделать соответствующие отверстия 6 в элементах 1, которые обра эуют каналы, являющиеся частью охлаждающей цепи. .

Для использования смеси нижний выход канала 3 может быть соединен, например, с, пресс-формой.

В каждом отверстии 2 элемента 1 предусмотрены средства для сепараг ции и передачи матери&ла, расположенные так, что через них. проходит материал, протекающий по оси через сами отверстия. Эти средства состоят из множества спиральных лопастей 7, каждая из которых разделяет, .поток материала, движущегося под напором, по крайней мере, на две независимее струи 8 и 9 и заставляет каждую из них течь по такой траектории,чтобы в каждой струе, образуемой последующей лопастью, текли части обеих струй, образованных н.епосредственно предшествовавшей лопастью.

Для этой цели каждая лоп-асть может иметь форму, как это показано на фиг.2, т.е. может быть получена путем скручивания .пластины вокруг продольной оси. Осевая длина каждой лопасти и шаг данной спирали подбираются так, чтобы кромки концов, соответственно передний конец 10 и задний конец 11 каждой -лопасти, В1 ащались бы по отношению друг к под углом 90. Очевидно,. что в этих условиях поток материала, проходящего через отверстие 2, разделяется каждой лопастью на две по сущергву равные струи 8 и 9 и каждая из них вращается, проходя через лопасть, поя углом , Как ясйо видно на фиг.1 последо вательно расположенные лопасти повернуты друг к другу также под углом 90 так, что задняя кромка каж дои из них ортогональна к передней кромке последующей лопасти, Данные лопасти могут быть сконс руированы из любого материала, облада101цего физической и химической стойкостью против проходящего чере них сплава, например карбида вольф ма/ металлокерамического материала графита и т.п. Такие лопасти прикрепляются к соответствующему элементу 1 любым удобным способом с помощью Соответствующего крепежа или могут быть изготовлены как одн целое с самим элементом, Кроаде того, можно сконструировать установку, где лопасти попере менно располагались бы по левой и правой винтовым линиям. На оснований изобретения и для целей, которые будут указаны киже диаметр каждого отверстия 2 доволь нр мал и находится в пределах 210 мм, а соотношение между осевой длиной самого отверстия и его диаме ром составляет порядка единицы. Предлагаемая установка действует следующим образом. Сплав металла, который приводитс в жидкое состояние плавлением, пос тупает в резервуар 5 под давлением величина которого выбирается такой чтобы могло быть преодолено жидкост ,но-динамическое согфотивление, с которым сталкивается сам материал при прохождении через.канал 3. Это делается для того, чтобы материал покидал, нижние кромки отверстий каНалов с заданной скоростью. Материал, присутствующий на переднем конце каждого канала и все еще находящийся полностью в жидком состоянии, при прохождении через канал постепенно охлаждается. Материал, подаваемый к первой лопасти 7 любого из каналов, разделяется на две струи 8 и 9, которые указаны стрелками на рис. 2. При прохождении первого канала каждая струя 8 и 9 вращается, в основном, под ух-лом 90 и, следовательно, при поступлеНИ.И на следующую лопасть разд ;еляетс еще на ;две струи. Из этого следует что каждая струя, протекающая через один из двух каналов, образуемых второй лопастью 7 канала, фактическ . состоит из материала, поступающего /от двух струй 8 и 9, которые прошл каждый из каналов, образованных не,посредственно предшествующей лопаст Подобным же образом, когда каждая из образованных струй проходит трет лопасть, она подразделяется еще на две струи. В заключение, когда материал проходит через каждую из лопастей 7, он подразделяется на две независиь-ие струи, каждая из которых образуется путем получения материала из о.беих струй, вытекающих после прохождения непосредственно предшествующей лопасти. В то время .как сплав в продольном направлении проходит через канал .3, он охлаждается благодаря действию средств о.хлс1ждения и имеет тенденцию к образованию смеси, содержащей твердую и жидкую фазы, в.которой содержание твердой фазы растет по мере охлаждения, т.е. постепенно, по мере прохождения материала через каналы 3. Частицы материала, принадлежащие потоку, который образует каждую из струй, проходящих через лопасть 7, начинают двигаться с заданной скоростью, которая очевидно, зависит от положения, занимаемого самой струей относительно поверхностей, отделяющих ассоциированную струю (поверхности лопасти 7 и отверстия 2) . В результате, пока смесь протекает мимо каждой из лопастей, она подвергается воздействию скольжения,кото-, рое, очевидно, зависит от скоростираспределершя.различных потоков каждой струи. Данное скольжение может быть рассчитано с помощью градиента скольжения, определяемого соотношением между разницей в скорости двух потоков и расстоянием мелшу ними. Ввиду этого скольжения между различными частицами, которое тем больше, чем больше соответствующий градиент, дендритные связи, имеющие тенденцию к образованию в смеси, постепенно разрушаются по мере прохождения материала через лопасть, а возникновение новых подобных связей ингибйруется. Как только материал покидает одну лопасть и поступает на следующую, он находится в совершенно другом диапазоне скорости ввиду того, что различные частицы оказываются в потоках, положение которых относительно поверхностей, отсекающих ассоциированный поток, полностью отличается От положения, в котором находились потоки в предшествующей лспасти и содержали те же частицы. Фактически, б;сли считать, что, например, поток, который В первой лопасти располагается в непосредственной близости к поверхности самой лопасти, а не в ее центре, и который, следовательно, имеет очень низкую (почти нулевую) скорость из-засвоей близости к данной поверхности, если этот поток подается на следующую ло- . пасть, то он располагается, по существу, в центре создаваемой лопаЪть струи. Иными словами, на немного бол шем расстоянии от поверхности самой лопасти. Из этого со всей очевидностью следует, что поток в данном положении обладает немного большей скоростью, чем имел соответствующий поток на предшествовавшей лопасти. Это резкое изменение-скорости, которому подвергаются различные частицы при переходе от одной лопасти к последующей, приводит к значительному увеличению градиента.скольженияj что способствует значительному увеличению скольжения и ударов друг о друга частиц, принадлежащих к различным потокам, и, следовательно, ведет г.в существенных масштабах к разрушению дендритных связей, которые имеют тенденцию к образованию в твердой фазе материала, проходящего вдоль каждой из лопастей 3. В- то время как поток материала продвигается вдоль каждого из каналов 3, он также подвергается воздействию температурного градиента л T/L, т.е. в разнице температуры &Т с разннцей в расстоянии L , пройденнсад сплавом по каждому каналу 3, что дае представление о скорости охлаждения в самом канале. Путем экспериментов на установках подо&ных предлагаемой, с каналами 3 различных диаметров и работавших в различных условиях эксплуатации,, бы л© установлено, что соотношение между вязкостью fj полученной смеси и концентрацией С твердой фазы самой еалеси, может бить выражено с помощью кривых, как это показано на фиг.З, где каждая из них относится к заданj ному температурному градиенту uT/L, (или скорости охлаждения), оставшемуся иеизменньом. Температурный градиент является функцией, прежде всего диаметра каналов 3, а также эксплуатационных условий установки (эффективность охлаждения, скорость сплава и т.п.) и имеет тенденцию к увеличению по мере уменьшения диамет ра. Различные кривые данного семейства, обозначенные ссылочными буквами G;, , G и G.3rf связаны с постепенно уменьшающимися температурными градиентами. Из этих кривых со всей очевиднос- ью следует, что если необходимо получить смесь с очень низкой заданной вязкостью 5 (Фиг.2) и одновременно с очень высокой концентрацией твердой фазы С, то эти условия могут быть выполнены только на установке, на которой можно получить также очень низкий температурный градиент (или скорость охлаждения) liT/.L, равный GI (установка, на которой возможно получить температурные градиенты Gj и G;), может дать смесь с той же вязкостью 1, но только с концентрацией твердых фаз С и С .намного меньшей, чем Сл) . Из приведенных пояснений следует, что для обеспечения оптимальнь1х условий, необходимо заставить материал двигаться по каналам 3 с низкой скоростью скольжения. Тем не менее, установка также позволяет получить высокую скорость движения смеси, которая зависит исключительно от количества каналов 3 (и, следовательно, отверстий 2), предусмотренных на взаимонакладываег ых элементах 1, Следовательно, ввиду того, что установка по изобретению способна обеспечить получение смеси с одновременно очень низкой вязкостью и очень высокой концентрацией твердой фазы и по своим данным превосходит уже известные установки в этой области, а также имеет высокую скорость движения потока, то подобные установки представляют интерес для организации процесса на промышленной основе. Конструктивно установка очень проста и при увеличении или уменьшении числа взаимонакладываемых элементов- 1 пригодна для работы различными смес ями. Очевидно, что модификация и изменения в форме и расположении различных частей устройства по изобретению могут быть осуществлены без отклонения от сущности самого изобретения.