PL236087B1 - Sposób i urządzenie do wytwarzania zarodków krystalizacji w ciekłym aluminium i jego stopach - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do wytwarzania zarodków krystalizacji w ciekłym aluminium i jego stopach.

Aluminium i jego stopy aluminium są powszechnie wykorzystywane do przeróbki plastycznej na zimno i odlewniczej na gorąco z uwagi na ich dobre właściwości tzn. niską gęstość, dobrą przenikalność ciepła, własności antykorozyjne i dobrą przewodność elektryczną. Wykorzystywanie aluminium i jego stopów w różnych dziedzinach techniki wymaga przystosowania ich parametrów fizykochemicznych do ściśle określonego celu. Dlatego aluminium i jego stopy poddaje się modyfikacji, filtracji i rafinacji w celu uzyskania korzystnej, w tym drobnoziarnistej, struktury odlewu. Dodatkowo, procesy rafinacji i filtracji znacznie ograniczają porowatość gazową oraz ilość wtrąceń niemetalicznych w strukturze odlewów.

Znane rozwiązania prowadzące do zmniejszenia ilości zanieczyszczeń w ciekłej kąpieli metalowej a potem zmniejszenia ziaren w samych odlewach oparte są na procesach mieszania kąpieli w krystalizatorze, w czasie odlewania wlewków metodą półciągłą pionową, poprzez wytwarzanie wirującego pola elektromagnetycznego, lub też na urządzeniach z obrotową głowicą, wciągających ciekłą kąpiel metalową do wnętrza urządzenia i wyrzucających ją przez otwory w obudowie, co powoduje rozdrobnienie cząstek stopu i jego zanieczyszczeń.

W celu uzyskania drobnoziarnistej struktury we wlewku odlewanym metodą półciągłą pionową, np. poprzez kruszenie dendrytów powstających na froncie krzepnięcia, próbowano również stosowania głowic ultradźwiękowych zanurzonych bezpośrednio w jeziorku ciekłego metalu w krystalizatorze.

Każda z w/w metod powoduje w prawdzie zmianę struktury wewnętrznej odlewu w kierunku jego drobnoziarnistości, jednak metody te nie prowadzą do powstania zarodków krystalizacji wielkości nano na skalę przemysłową, co jest warunkiem wytworzenia struktury z dużą ilością zarodków krystalizacji drobniejszych niż TiB2, a w konsekwencji następuje gwałtowny proces krystalizacji prowadzący do rozrostu dendrytów. Wynikiem procesu zarodkowania nano jest możliwość uzyskania wysokich właściwości wytrzymałościowych stopów aluminium.

Należy tu wskazać, iż warunkami powstania stabilnych nanozarodków są:

- zaistnienie trwałych nanozarodków w postaci zawiesiny w określonych warunkach temperaturowych w ciekłej kąpieli dla określonego rodzaju stopu Al,

- trwałość zawiesiny nanozarodków pomimo ich wyższego ciężaru właściwego niż otaczającej kąpieli,

- ograniczenie ilości dużych cząsteczki w ciekłej kąpieli, które stanowią najczęściej tlenki, dodatki stopowe, związki metali, skupiska gazu, jak również skupiska samego aluminium powstałe w wyniku miejscowych przechłodzeń,

- proces podziału (rozbicia) cząstek składających się z wielu zarodków wielkości nano wymaga zachowania następujących warunków energetycznych: Ei+E2+E3+ZEć przed podziałem < E1+E2+E3+ZEd+XEn po podziale gdzie E1+E2+E3 - energia poszczególnych nanozarodków znajdujących się w dużych cząstkach,

- ZEd - suma energii dostarczonej dla łączenia nanozarodków w dużej cząstce,

- ZEn - suma nadmiaru energii dostarczonej w czasie dla poszczególnych nanozarodków,

- składnik ZEn powinien mieć mniejszą wartość niż składnik ZEd.

Takie warunki powstają przy stosowaniu sposobu według wynalazku.

Sposób wytwarzania zarodków krystalizacji w ciekłym aluminium i jego stopach, poprzez mechaniczne rozdrabnianie cząstek mikro i makro na mniejsze, charakteryzuje się tym, że ciekłe aluminium lub jego stop o temperaturze z zakresu 680-750°C podaje się do, włączonego w technologiczny ciąg odlewniczy, zbiornika przepływowego zawierającego co najmniej dwa zestawy z zespołami wirujących noży, przy czym prędkość przepływu strugi metalu zawiera się w zakresie 0,1-20 cm/min, a obroty noży wynoszą od 1000 do 5000 obr/min.

Urządzenie do wytwarzania zarodków krystalizacji w ciekłym aluminium i jego stopach, zawierające zbiornik ciekłej kąpieli metalowej, charakteryzuje się tym, że posiada co najmniej dwa zestawy z zespołami wirujących noży, zamocowanych prostopadle do pionowych wałków połączonych z wałami silników elektrycznych, zaś każdy wałek wraz z silnikiem jest pionowo osadzony w płycie osłonowej zbiornika przepływowego tak, że silnik znajduje się nad górną powierzchnią tej płyty a zespół noży po stronie przeciwnej, przy czym płyta nałożona jest na zbiornik, który zawiera kanał wlotowy i kanał wylotowy.

PL 236 087 B1

Korzystnie, noże osadzone są na wałkach w co najmniej dwóch płaszczyznach poziomych odległych od siebie o wymiar większy od grubości noża, i w ilości co najmniej dwóch noży w jednej płaszczyźnie, a rozstaw wałków jest nie większy niż podwojona długość noża.

Korzystnie, na wewnętrznych ścianach zbiornika przepływowego usytuowane są prostopadle zestawy noży nieruchomych w ilości, w każdym zestawie, o jeden nóż więcej niż ilość poziomych płaszczyzn z nożami.

Sposób oraz urządzenie według wynalazku zostały przedstawione w przykładach realizacji oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie w widoku z góry, fig. 1.1 - urządzenie w przekroju wzdłużnym, fig. 1.2 - urządzenie w przekroju poprzecznym, fig. 2 - dwa zestawy tnące z zespołami wirujących noży w pozycji pracy, zaś fig. 2.1 - te same dwa zestawy w widoku aksonometrycznym od dołu.

P r z y k ł a d 1

Stop aluminium zawierający 9% krzemu o temperaturze 700°C przelewa się strugą płynącą z prędkością 0,17 cm/min do zbiornika przepływowego 4, zawierającego zespoły noży wirujących z prędkością obrotową 2000 obr/min, przy czym zespoły noży usytuowane są bezpośrednio przy kanale wylotowym 6 strugi do formy.

Parametry technologiczne procesu ustawiane są indywidualnie, w zależności od rodzaj wsadu i pojemność zbiornika przepływowego, przy czym sposób według wynalazku pozwala uzyskać zarodki krystalizacji wielkości nano w postaci trwałej zawiesiny (chmury), zaś nadmiar ciepła wytworzonego podczas rozdrabniania cząsteczek gwarantuje stabilizację nanozarodków bez zmiany ich temperatury.

Odlewy wykonane sposobem według wynalazku charakteryzują się jednorodną strukturą wewnętrzną i wysoką wytrzymałością mechaniczną w porównaniu z podobnymi odlewami, zwłaszcza pod względem składu chemicznego, wykonanymi sposobami znanymi ze stanu techniki.

P r z y k ł a d 2

Urządzenie składa się ze zbiornika przepływowego 4 na ciekły metal, włączonego w technologiczny ciąg odlewniczy, wyposażonego w kanał wlotowy 5 i kanał wylotowy 6, w którym to zbiorniku umieszczone są dwa zestawy 1 i 2 z zespołami wirujących noży 1.1 i 2.1, zamocowanych prostopadle do pionowych wałków 1.2 i 2.2 połączonych z wałami silników elektrycznych 1.3 i 2.3, przy czym każdy wałek 1.2 i 2.2 wraz z silnikiem jest pionowo osadzony w płycie osłonowej 3 zbiornika 4 w taki sposób, że każdy z silników znajduje się nad górną powierzchnią tej płyty a zespół noży pod tą płytą. Noże 1.1 i 2.1 osadzone są na wałkach 1.2 i 2.2 w trzech płaszczyznach poziomych, zaś na ścianach wewnętrznych zbiornika 4 usytuowane są prostopadłe zestawy noży nieruchomych 4.1,4.2, 4.3 i 4.4.

Noże wykonane są z żaroodpornej stali pokrytej materiałem ceramicznym, żaroodpornym i odpornym na wymywanie przez gorącą kąpiel. Przekrój poprzeczny noża ma zarys trójkąta równobocznego, którego jeden z wierzchołków stanowi krawędź tnącą.

Podczas pracy urządzenia wirujące noże mają wysoką energię kinetyczną, co powoduje rozdrabnianie dużych cząstek, przy czym efekt rozdrabniania zwiększa się w miejscu przechodzenia nad sobą noży sąsiednich zestawów, które w tym czasie wirują w przeciwnym kierunku. Efektem oddziaływania wirujących noży na ciekły metal jest rozbicie do wielkości nano dużych cząstek wszelkich zanieczyszczeń, dodatków stopowych, skupisk aluminium oraz gazu, i uzyskanie ich trwałej zawiesiny.

Mechaniczne oddziaływanie na ciekły metal w celu ujednorodnienia składu chemicznego, uzyskania możliwie najdrobniejszej i jednorodnej struktury, oraz możliwie najwyższych właściwości wytrzymałościowych, jest zdecydowanie mniej kosztowne a równocześnie bardziej efektywne od działań na te stopy w stanie stałym.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania zarodków krystalizacji w ciekłym aluminium i jego stopach, poprzez mechaniczne rozdrabnianie cząstek mikro i makro na mniejsze, znamienny tym, że ciekłe aluminium lub jego stop o temperaturze z zakresu 680-750°C podaje się do, włączonego w technologiczny ciąg odlewniczy, zbiornika przepływowego (4) zawierającego co najmniej dwa zestawy (1,2) z zespołami wirujących noży (1.1,2.1), przy czym prędkość przepływu strugi metalu zawiera się w zakresie 0,1-20 cm/min, a obroty noży wynoszą od 1000 do 5000 obr/min.
2. 2. Urządzenie do wytwarzania zarodków krystalizacji w ciekłym aluminium i jego stopach, zawierające zbiornik ciekłej kąpieli metalowej, znamienne tym, że posiada co najmniej dwa zestawy

   PL 236 087 B1 (1,2) z zespołami wirujących noży (1.1,2.1), zamocowanych prostopadle do pionowych wałków (1.2, 2.2) połączonych z wałami silników elektrycznych (1.3, 2.3), zaś każdy wałek (1.2, 2.2) wraz z silnikiem jest pionowo osadzony w płycie osłonowej (3) zbiornika przepływowego (4) tak, że silnik znajduje się nad górną powierzchnią tej płyty a zespół noży po stronie przeciwnej, przy czym płyta (3) nałożona jest na zbiornik (4), który zawiera kanał wlotowy (5) i kanał wylotowy (6).
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że noże (1.1, 2.1) osadzone są na wałkach (1.2, 2.2) w co najmniej dwóch płaszczyznach poziomych odległych od siebie o wymiar większy od grubości noża, i w ilości co najmniej dwóch noży w jednej płaszczyźnie, a rozstaw wałków (1.2, 2.2) jest nie większy niż podwojona długość noża.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że na wewnętrznych ścianach zbiornika przepływowego (4) usytuowane są prostopadle zestawy noży nieruchomych (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) w ilości, w każdym zestawie, o jeden nóż więcej niż ilość poziomych płaszczyzn z nożami (1.1,2.1).