RU2250154C2

RU2250154C2 - Method for producing metallic fibers of melt

Info

Publication number: RU2250154C2
Application number: RU2003113523/02A
Authority: RU
Inventors: Р.Р. Ахметшин (RU); Р.Р. Ахметшин; А.В. Гудков (RU); А.В. Гудков; В.А. Подольский (RU); В.А. Подольский; В.А. Ткаченко (RU); В.А. Ткаченко
Original assignee: Ахметшин Ринат Робертович; Гудков Александр Владимирович; Подольский Владимир Антонович; Ткаченко Вячеслав Аркадьевич
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2005-04-20
Also published as: RU2003113523A

Abstract

FIELD: metallurgy, namely methods for making metallic fibers that may be used for manufacturing composite materials.

SUBSTANCE: method comprises steps of feeding in vertical plane stream of melt metal from nozzle of feeder onto rotating cooled surface; forming on said surface from layer of melt metal discrete liquid structures of metallic fibers; cooling fibers until their crystallization; before feeding stream of melt metal, setting its temperature in range (1.04 x t - 1.18 x t), where t - crystallization temperature of melt metal. Metallic fibers are formed by two stages. At first stage liquid structures of metallic fibers are moved at rate 0.5 - 148 m/s on cooled surface. At second stage metallic fibers are subjected to percussion cooling on ribbed surface of outer disc-type cooled crystallizer at cooling rate in range 3/3 - 25.7.

EFFECT: production of metallic fibers with possibility of increasing range of their fineness at different phase content.

7 cl, 3 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для промышленного производства металлического волокна, обладающего широким диапазоном дисперсности.The invention relates to the field of metallurgy and can be used for the industrial production of metal fiber with a wide range of dispersion.

Известен способ изготовления металлического волокна из расплава [1], включающий формирование металлического расплава в сообщающейся с воздушной атмосферой термостойкой емкости, захват заданной порции жидкого металла с поверхности металлического расплава контактирующей с ней вращающейся охлаждаемой поверхностью цилиндра-кристаллизатора и последующее отверждение захваченной порции жидкого металла на указанной поверхности с образованием структуры металлического волокна.A known method of manufacturing a metal fiber from a melt [1], comprising forming a metal melt in a heat-resistant container communicating with the air, capturing a given portion of liquid metal from the surface of the metal melt by a rotating surface of the mold cylinder in contact with it, and subsequently curing the captured portion of the liquid metal on said surface to form a metal fiber structure.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает воспроизводимость геометрической формы изготавливаемого металлического волокна из-за нестабильного во времени нестационарного взаимодействия флуктуирующей поверхности металлического расплава в термостойкой емкости с быстро вращающейся охлаждаемой поверхностью цилиндра-кристаллизатора (быстрое вращение цилиндра-кристаллизатора необходимо для создания центробежных сил, достаточных для удаления с его поверхности произведенного металлического волокна). Помимо этого, известным способом крайне затруднительно получить однородный по стехиометрии состав металлического волокна вследствие интенсивного взаимодействия сообщающегося с атмосферой воздуха высокотемпературного поверхностного слоя металлического расплава, приводящего к образованию окислов, и их неконтролируемое внедрение в формируемую из расплава структуру металлического волокна.The disadvantage of this method is that it does not provide reproducibility of the geometric shape of the manufactured metal fiber due to the unstable in time non-stationary interaction of the fluctuating surface of the metal melt in a heat-resistant container with a rapidly rotating cooled surface of the crystallizer cylinder (rapid rotation of the crystallizer is necessary to create centrifugal forces sufficient to remove produced metal fiber from its surface). In addition, it is extremely difficult to obtain a metal fiber composition that is uniform in stoichiometry due to the intense interaction of the high-temperature surface layer of the metal melt leading to the formation of oxides and their uncontrolled introduction into the metal fiber structure formed from the melt by the known method.

Известен способ изготовления металлического волокна (фибры) [2], включающий подачу в вертикальной плоскости струи металлического расплава из калиброванного сопла питателя на размещенную под ним движущуюся термостойкую ленту-транспортер, снабженную средством подачи охлаждающей жидкости на струю металлического расплава.A known method of manufacturing a metal fiber (fiber) [2], comprising feeding in a vertical plane a stream of metal melt from a calibrated nozzle of a feeder to a moving heat-resistant conveyor belt located below it, equipped with means for supplying coolant to the stream of metal melt.

Недостатком известного способа является то, что дисперсность производимого им металлического волокна ограничена размерами выходного отверстия сопла питателя, которые могут быть изменены лишь в узком интервале значений (в пределах типового значения около 100 микрон). Известный способ имеет также второй недостаток, выражающийся в том, что присущий ему комбинированный метод отверждения (теплоотвод в виде сочетания термостойкой ленты-транспортера с омывающей охлаждающей жидкостью) не позволяет осуществлять отверждение жидкого металлического расплава с высокой скоростью охлаждения (больше 10⁴ 1/К) по причине того, что на границе контакта металлического расплава и охлаждающей жидкости возникает устойчивый паразитный эффект “паровая шуба”, существенно ограничивающий отвод тепла от отверждаемого металлического волокна. По причине относительно низкой скорости охлаждения металлического расплава резко снижается возможность производства металлического волокна с аморфной структурой.The disadvantage of this method is that the dispersion of the metal fiber produced by it is limited by the size of the outlet of the nozzle of the feeder, which can be changed only in a narrow range of values (within the typical value of about 100 microns). The known method also has a second drawback, which is that the inherent combined curing method (heat sink in the form of a combination of a heat-resistant conveyor belt with a washing coolant) does not allow curing of a liquid metal melt with a high cooling rate (more than 10 ⁴ 1 / K) due to the fact that at the interface between the metal melt and the coolant there is a stable parasitic effect “steam coat”, which significantly limits the heat removal from the cured metal leaf fiber. Due to the relatively low cooling rate of the metal melt, the possibility of producing a metal fiber with an amorphous structure is sharply reduced.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу изготовления металлического волокна из расплава является способ изготовления металлического волокна [3], который включает подачу в вертикальной плоскости на вращающуюся охлаждаемую поверхность струи металлического расплава из сопла питателя металлического расплава, формирование на вращающейся охлаждаемой поверхности слоя металлического расплава, последующее выделение из этого слоя дискретных жидких структур металлического волокна и их охлаждение до отвержденного состояния, после чего готовое металлическое волокно принудительно (посредством центробежных сил) удаляют с вращающейся охлаждаемой поверхности. Недостатком наиболее близкого способа изготовления металлического волокна из расплава, принятого в качестве прототипа, является то, что геометрические размеры (в частности, толщина и ширина) производимого металлического волокна жестко связаны с размерами выходного отверстия сопла питателя металлического расплава, что не позволяет снизить их до микронных и субмикронных размеров ввиду наличия у металлического расплава отличных от нуля значений динамической вязкости даже при температуре плавления. Таким образом, очевидно, что способ-прототип не способен обеспечить изготовление высокодисперсного металлического волокна микронных и субмикронных размеров. Кроме того, способ-прототип нуждается в дополнительной операции по мерному разделению изготовленного металлического волокна после отверждения последнего на вращающейся охлаждаемой поверхности и сматывания металлического волокна (для предотвращения образования “комков” и “ежей” из полученной продукции). И, наконец, в способе-прототипе исключена возможность оперативного регулирования исключительно технологическим режимом размерного ряда получаемого металлического волокна в части его толщины и ширины, поскольку упомянутое регулирование возможно только выбором размеров выходного отверстия сопла питателя металлического расплава (осуществляемым в узком интервале значений).The closest in technical essence and the achieved result to the claimed method of manufacturing metal fiber from a melt is a method of manufacturing a metal fiber [3], which includes applying in a vertical plane to a rotating cooled surface a stream of metal melt from a nozzle of a feeder of metal melt, forming a layer on a rotating cooled surface molten metal, subsequent separation of discrete liquid structures of the metal fiber from this layer and their cooling curing, after which the finished metal fiber is forcibly (through centrifugal forces) removed from the rotating cooled surface. The disadvantage of the closest method of manufacturing metal fiber from a melt, adopted as a prototype, is that the geometric dimensions (in particular, thickness and width) of the metal fiber produced are rigidly related to the size of the outlet nozzle of the metal melt feeder, which does not allow them to be reduced to micron and submicron sizes due to the presence in the metal melt of non-zero values of dynamic viscosity even at the melting temperature. Thus, it is obvious that the prototype method is not able to provide the manufacture of highly dispersed metal fibers of micron and submicron sizes. In addition, the prototype method needs additional operations for the dimensional separation of the fabricated metal fiber after curing the latter on a rotating cooled surface and winding the metal fiber (to prevent the formation of “lumps” and “hedgehogs” from the resulting product). And, finally, the prototype method excludes the possibility of operational control exclusively by the technological regime of the size range of the obtained metal fiber in terms of its thickness and width, since the mentioned regulation is possible only by selecting the sizes of the outlet opening of the nozzle of the metal melt feeder (carried out in a narrow range of values).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение номенклатуры производимого металлического волокна в части увеличения интервала его дисперсности.The problem to which the present invention is directed, is to expand the range of metal fibers produced in terms of increasing the interval of its dispersion.

Техническим результатом является упрощение процесса прецизионного диспергирования металлического расплава до металлического волокна, а также расширение набора технологических параметров, управляющих формообразованием металлического волокна, включая как показатель его дисперсности, так и состав его фаз.The technical result is to simplify the process of precision dispersion of a metal melt to a metal fiber, as well as expanding the set of technological parameters that control the formation of a metal fiber, including both an indicator of its dispersion and the composition of its phases.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления металлического волокна из расплава, включающем подачу в вертикальной плоскости струи металлического расплава из сопла питателя, снабженного средством подогрева, на вращающуюся охлаждаемую поверхность, формирование на ней из слоя металлического расплава дискретных жидких структур металлического волокна, охлаждение дискретных жидких структур металлического волокна до отвержденного состояния и последующее удаление металлического волокна с вращающейся охлаждаемой поверхности, перед подачей струи металлического расплава из сопла питателя устанавливают его температуру в интервале от 1,04t до 1,18t, где t - температура отверждения металлического расплава, а формирование металлического волокна осуществляют в две стадии, на первой из которых из металлического расплава на вращающейся охлаждаемой поверхности создают дискретные жидкие структуры металлического волокна, при этом им сообщают скорость перемещения по вращающейся охлаждаемой поверхности в интервале от 0,5 до 148 метров в секунду относительно оси вращения охлаждаемой поверхности и с этой скоростью удаляют дискретные жидкие структуры металлического волокна с нее, а на второй стадии производят ударное охлаждение перемещающихся дискретных жидких структур металлического волокна на оребренной поверхности внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора, установленного соосно вращающейся охлаждаемой поверхности, с темпом охлаждения в интервале значений от 3,3 до 25,7.The specified technical result is achieved in that in a method for manufacturing metal fiber from a melt, comprising supplying in a vertical plane a jet of metal melt from a nozzle of a feeder equipped with heating means onto a rotating cooled surface, forming discrete liquid metal fiber structures from the metal melt layer on it, cooling discrete liquid structures of the metal fiber to the cured state and subsequent removal of the metal fiber with rotating cooling of the given surface, before feeding the jet of metal melt from the nozzle of the feeder, its temperature is set in the range from 1.04t to 1.18t, where t is the temperature of solidification of the metal melt, and the formation of metal fiber is carried out in two stages, the first of which consists of a metal melt a rotating cooled surface creates discrete liquid structures of a metal fiber, while they are informed of the speed of movement on a rotating cooled surface in the range from 0.5 to 148 meters per second relative but the axis of rotation of the cooled surface and at this speed remove the discrete liquid structures of the metal fiber from it, and in the second stage, shock moving cooling of the discrete liquid structures of the metal fiber on the fin surface of the external disk cooled mold installed coaxially to the rotating cooled surface, with a cooling rate in the range values from 3.3 to 25.7.

В соответствии с изобретением отверждение дискретных жидких структур металлического волокна на поверхности внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора производят при коэффициенте оребрения его рабочей поверхности в интервале значений от 1,06 до 482.In accordance with the invention, the curing of discrete liquid structures of a metal fiber on the surface of an external disk cooled mold is carried out at a finning coefficient of its working surface in the range of 1.06 to 482.

Желательно также над вращающейся охлаждаемой поверхностью и оребренной поверхностью внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора создать динамический слой инертного газа.It is also desirable to create a dynamic inert gas layer above the rotating cooled surface and the ribbed surface of the external disk cooled crystallizer.

Целесообразно также, чтобы в качестве инертного газа был использован аргон и/или гелий.It is also advisable that argon and / or helium be used as the inert gas.

В соответствии с изобретением в динамический слой инертного газа вводят аэрозоль в количестве от 4 до 60 процентов объемных.In accordance with the invention, an aerosol in an amount of 4 to 60 percent by volume is injected into the dynamic inert gas layer.

Предпочтительно также в динамический слой инертного газа вводить аэрозоль состава “аргон и/или гелий - частицы цинка” при следующем соотношении компонентов:It is also preferable to introduce an aerosol of the composition “argon and / or helium - zinc particles” into the dynamic inert gas layer in the following ratio of components:

- аргон и/или гелий 52-84% объемных- argon and / or helium 52-84% by volume

- частицы цинка 16-48% объемных- zinc particles 16-48% by volume

Желательно, чтобы частицы цинка имели фракционный состав в интервале значений от 0,05 до 1,2 микрона.It is desirable that the zinc particles have a fractional composition in the range from 0.05 to 1.2 microns.

Представленные в настоящей заявке на изобретение признаки необходимы и достаточны для получения указанного выше технического результата.The features presented in this application for the invention are necessary and sufficient to obtain the above technical result.

Проведенный анализ существующего уровня техники не выявил известных технических решений, содержащих сходные отличительные признаки, позволяющие добиться получения заявленного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящего объекта изобретения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.The analysis of the existing level of technology did not reveal known technical solutions containing similar distinctive features, allowing to obtain the claimed technical result, which allows us to conclude that this object of the invention meets the criteria of “novelty” and “inventive step”.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на Фиг.1 представлено схематичное изображение установки для реализации заявленного способа изготовления металлического волокна из расплава, на Фиг.2 схематично представлена последовательность преобразования жидкого металлического расплава в отвержденное металлическое волокно с основными элементами установки для такого преобразования (Фиг.2 “а”) и без установки в случае формирования на поверхности металлического волокна слоя защитного материала (Фиг.2 “б”), на Фиг.3 схематично изображен процесс прецизионного диспергирования слоя металлического расплава, образовавшегося из струи металлического расплава на вращающейся охлаждаемой поверхности, и последующее его отверждение в металлическое волокно.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for implementing the inventive method for manufacturing a metal fiber from a melt; Fig. 2 schematically shows a sequence for converting a liquid metal melt into a cured metal fiber with the main components of the installation for such a conversion (Fig. 2 “A”) and without installation in the case of the formation of a layer of protective material on the surface of the metal fiber (FIG. 2 “b”), figure 3 schematically illustrates Agen process precision dispersing the melt metal layer formed from a jet of the molten metal on a rotating cooling surface, and its subsequent curing in the metal fiber.

Перечень позиций.The list of positions.

1. Питатель металлического расплава с выходным соплом.1. A metal melt feeder with an outlet nozzle.

2. Средство подогрева питателя металлического расплава.2. Means of heating the feeder metal melt.

3. Струя металлического расплава.3. The stream of metal melt.

4. Вращающаяся охлаждаемая поверхность.4. The rotating cooled surface.

5. Привод вращения внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора.5. The drive rotation of the external disk cooled mold.

6. Слой металлического расплава.6. The layer of metal melt.

7. Дискретные жидкие структуры металлического волокна.7. Discrete liquid metal fiber structures.

8. Удаленная дискретная жидкая структура металлического волокна.8. Remote discrete liquid metal fiber structure.

9. Внешний дисковый охлаждаемый кристаллизатор.9. External disk cooled mold.

10. Привод вращения охлаждаемой металлической поверхности.10. The drive rotation of the cooled metal surface.

11. Оребрение внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора.11. The fins of the external disk cooled mold.

12. Отвержденное металлическое волокно на поверхности оребрения внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора.12. The cured metal fiber on the surface of the fins of the external disk cooled mold.

13. Удаленное с внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора металлическое волокно.13. The metal fiber removed from the external disk cooled mold.

14. Динамический слой инертного газа.14. The dynamic layer of inert gas.

15. Распределенный формирователь слоя инертного газа.15. Distributed inert gas layer former.

16. Блок формирования аэрозоли.16. The aerosol forming unit.

17. Вектор скорости перемещения дискретных жидких структур металлического волокна.17. The vector of the speed of movement of discrete liquid structures of a metal fiber.

18. Зона формирования защитного слоя.18. The zone of formation of the protective layer.

19. Частицы цинка в динамическом слое инертного газа.19. Zinc particles in a dynamic inert gas layer.

20. Частицы цинка на поверхности удаленной дискретной жидкой структуры металлического волокна.20. Zinc particles on the surface of a remote discrete liquid metal fiber structure.

21. Защитный слой цинка на поверхности отвержденного металлического волокна.21. A protective layer of zinc on the surface of the cured metal fiber.

22. Радиальное расстояние между вращающейся охлаждаемой поверхностью и внешним дисковым охлаждаемым кристаллизатором.22. The radial distance between the rotating cooled surface and the external disk cooled mold.

Пример 1.Example 1

Питатель 1 металлического расплава, выполненный из прозрачного кварцевого стекла в форме цилиндрической емкости объемом 450 см³ и толщиной стенки около 3 мм, заполняют расплавленным алюминием через горловину и закрывают герметичной крышкой из кварцевого стекла, снабженной патрубком подачи инертного газа (аргона). Используя средство подогрева 2 питателя алюминиевого расплава, выполненное в виде высокочастотной индукционной нагревательной системы (f=400 кГц, Р=3 кВт), устанавливают температуру алюминиевого расплава в питателе равной 778,5°С. По достижении указанной температуры через патрубок подачи инертного газа в питателе 1 металлического расплава создают избыточное давление аргона 0,35 атм. Через выходное цирконовое (ZrSiO₂) сопло с диаметром отверстия 0,35 мм струя алюминиевого расплава 3 вертикально падает с расстояния 150 мм на вращающуюся поверхность 4, охлаждаемую до 450°С водой под давлением 2,4 атм при расходе 15 л/сек. Вращающаяся охлаждаемая поверхность 4 выполнена в виде диска из бериллиевой бронзы диаметром 110 мм, который снабжен системой водоохлаждения и приводом вращения 10 на основе асинхронного двигателя мощностью 600 Вт c частотным регулированием скорости вращения. Скорость вращения диска из бериллиевой бронзы предварительно устанавливают равной 250 об/мин по часовой стрелке. В результате динамического взаимодействия струи алюминиевого расплава 3 с полированной поверхностью диска 4 из бериллиевой бронзы примерно на 3/4 поверхности диска (симметрично оси вращения) образуется тонкий слой металлического (алюминиевого) расплава 6. При этом из него под воздействием центробежных сил выделяются дискретные жидкие структуры алюминиевого волокна 7, которые со скоростью 0,5 м/сек относительно оси вращения удаляются с поверхности диска из бериллиевой бронзы преимущественно по направлению вектора скорости перемещения 17. Удаленное с ускорением с поверхности диска 4 из бериллиевой бронзы алюминиевое волокно в виде дискретной жидкой структуры металлического волокна 8 (Фиг.3) по инерции перемещается в динамическом слое 14 инертного газа (аргона) (Фиг.2), образующего зону 18 и содержащего 4% объемных аэрозоля, состоящего из 84% объемных аргона и 16% объемных частиц цинка с приведенным диаметром 1,2 мкм. Динамический слой 12 аргона создается благодаря работе распределенного формирователя 15 слоя инертного газа (Фиг.1), выполненного в форме полого металлического тора, снабженного выпускными отверстиями диаметром 2 мм в нижней части и заполняемого аргоном под избыточным давлением 0,26 атм. Туда же помимо аргона подается и аэрозоль из блока формирования аэрозоли 16. Частицы цинка, находящиеся в динамическом слое инертного газа 19, взаимодействуют с поверхностью удаляемых дискретных жидких структур алюминиевого волокна 8 и вследствие этого высокотемпературного взаимодействия образуют защитный слой цинка на поверхности отвержденного алюминиевого волокна 21. Но перед упомянутым отверждением удаленные дискретные жидкие структуры металлического волокна 8 (Фиг.3), перемещаясь в динамическом слое аргона и подвергаясь взаимодействию с частицами цинка 19 в том же слое, достигают поверхности внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора 9, снабженного оребрением 11 рабочей поверхности с коэффициентом оребрения, равным 482.The metal melt feeder 1, made of transparent quartz glass in the form of a cylindrical container with a volume of 450 cm ³ and a wall thickness of about 3 mm, is filled with molten aluminum through the neck and closed with a sealed quartz glass lid equipped with an inert gas (argon) supply pipe. Using the heating means 2 of the aluminum melt feeder, made in the form of a high-frequency induction heating system (f = 400 kHz, P = 3 kW), the temperature of the aluminum melt in the feeder is set to 778.5 ° C. Upon reaching the specified temperature through the inert gas supply pipe in the feeder 1 of the metal melt create an excess argon pressure of 0.35 atm. Through the outlet zircon (ZrSiO ₂ ) nozzle with a hole diameter of 0.35 mm, the stream of aluminum melt 3 vertically falls from a distance of 150 mm onto a rotating surface 4, cooled to 450 ° C with water at a pressure of 2.4 atm at a flow rate of 15 l / sec. The rotating cooled surface 4 is made in the form of a beryllium bronze disk with a diameter of 110 mm, which is equipped with a water cooling system and a rotation drive 10 based on a 600 W induction motor with frequency regulation of the rotation speed. The rotation speed of the beryllium bronze disk is pre-set to 250 rpm clockwise. As a result of the dynamic interaction of the jet of aluminum melt 3 with the polished surface of the disk 4 from beryllium bronze, a thin layer of metal (aluminum) melt 6 is formed on approximately 3/4 of the surface of the disk (symmetrically to the axis of rotation). Discrete liquid structures are released from it under the influence of centrifugal forces aluminum fiber 7, which with a speed of 0.5 m / s relative to the axis of rotation are removed from the surface of the disk from beryllium bronze mainly in the direction of the velocity vector 17. distant with acceleration from the surface of the disk 4 of beryllium bronze aluminum fiber in the form of a discrete liquid structure of a metal fiber 8 (Figure 3) by inertia moves in a dynamic layer 14 of inert gas (argon) (Figure 2), forming a zone 18 and containing 4% volumetric aerosol consisting of 84% volumetric argon and 16% volumetric zinc particles with a reduced diameter of 1.2 microns. The dynamic argon layer 12 is created due to the work of the distributed inert gas layer former 15 (Fig. 1), made in the form of a hollow metal torus, equipped with exhaust holes with a diameter of 2 mm in the lower part and filled with argon under an overpressure of 0.26 atm. In addition to argon, aerosol from the aerosol forming unit 16 is also supplied there. Zinc particles located in the dynamic inert gas layer 19 interact with the surface of the discrete liquid structures removed from the aluminum fiber 8 and, as a result of this high-temperature interaction, form a zinc protective layer on the surface of the cured aluminum fiber 21. But before said curing, the remote discrete liquid structures of the metal fiber 8 (FIG. 3), moving in a dynamic argon layer and undergoing interaction Alloy with zinc particles 19 in the same layer, they reach the surface of the external disk cooled mold 9, equipped with a fin 11 of the working surface with a fin coefficient of 482.

Внешний дисковый охлаждаемый (фреоном) кристаллизатор 9 выполнен из жаропрочной стали ЖС6К, установлен кооксиально диску 4 из бериллиевой бронзы и приводится во вращение частотно управляемым электроприводом 5 против часовой стрелки с частотой вращения 3500 об/мин. Далее, на оребренной 11 поверхности внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора 9 происходит процесс быстрого охлаждения удаленных дискретных жидких структур алюминиевого волокна 8 с темпом охлаждения, равным 3,3, до отвержденного состояния 12. Удаленное с внешнего дискового кристаллизатора алюминиевое волокно 13 на 98% состоит из прецизионных структур длиной 3 мм, шириной 120 микрон и толщиной 5 микрон. Регулированием радиального расстояния 22 между вращающимися охлаждаемыми поверхностью 4 и внешним дисковым кристаллизатором достигается изменение толщины защитного слоя цинка 21 на поверхности отвержденного металлического волокна. При радиальном расстоянии 22, равном 80 см, толщина защитного слоя цинка на поверхности отвержденного алюминиевого волокна составила 1,1 микрона.The external disk cooled (freon) crystallizer 9 is made of heat-resistant steel ZhS6K, coaxially mounted to disk 4 of beryllium bronze and driven into rotation by a frequency-controlled electric drive 5 counterclockwise with a speed of 3500 rpm. Further, on the finned surface 11 of the external disk-cooled crystallizer 9, the process of rapid cooling of the remote discrete liquid structures of aluminum fiber 8 with a cooling rate of 3.3 to the cured state 12 occurs. The aluminum fiber 13 removed from the external disk crystallizer consists of 98% precision structures 3 mm long, 120 microns wide and 5 microns thick. By adjusting the radial distance 22 between the rotating cooled surface 4 and the external disk crystallizer, a change in the thickness of the protective layer of zinc 21 on the surface of the cured metal fiber is achieved. With a radial distance of 22 equal to 80 cm, the thickness of the zinc protective layer on the surface of the cured aluminum fiber was 1.1 microns.

Пример 2.Example 2

Питатель металлического расплава 1, выполненный из прозрачного кварцевого стекла в форме конической емкости объемом 600 см³ и толщиной стенки около 4 мм, заполняют расплавленной бронзой ОФ4-0,25 через горловину и закрывают герметичной крышкой из кварцевого стекла, снабженной патрубком подачи инертного газа (гелия). Используя средство подогрева питателя бронзового расплава 2, выполненное в виде высокочастотной индукционной системы (f=400 кГц, Р=3 кВт), устанавливают температуру бронзового расплава 1285°С. По достижении указанной температуры через патрубок подачи инертного газа в питателе металлического расплава 1 создают избыточное давление гелия 0,4 атм.The metal melt feeder 1, made of transparent quartz glass in the form of a conical container with a volume of 600 cm ³ and a wall thickness of about 4 mm, is filled with molten bronze OF4-0.25 through the neck and closed with a sealed quartz glass lid equipped with an inert gas (helium) nozzle ) Using the means of heating the feeder of the bronze melt 2, made in the form of a high-frequency induction system (f = 400 kHz, P = 3 kW), the temperature of the bronze melt is set to 1285 ° C. Upon reaching the specified temperature through the inert gas supply pipe in the feeder metal melt 1 create an excess helium pressure of 0.4 ATM.

Через выходное цирконовое (ZrSiO₂) сопло с диаметром отверстия 0,6 мм струя бронзового расплава 3 вертикально падает с расстояния 130 мм на вращающуюся поверхность 4, охлаждаемую до 650°С водой под давлением 3 атм при расходе 22 л/сек. Вращающаяся охлаждаемая поверхность 4 выполнена в виде диска из молибдена диаметром 210 мм, снабженного тремя каналами охлаждения в нижней части. Молибденовый диск снабжен также приводом вращения 10 на основе асинхронного двигателя мощностью 800 Вт с частотным регулированием скорости вращения. Скорость вращения молибденового диска предварительно устанавливают равной 1500 об/мин по часовой стрелке. В результате динамического взаимодействия струи бронзового расплава 3 с поверхностью молибденового диска (чистота поверхности 8) 4 примерно на 1/3 поверхности диска (симметрично оси вращения) образуется тонкий слой металлического (бронзового) расплава 6. При этом из него под воздействием центробежных сил выделяются дискретные жидкие структуры бронзового волокна 7, которые со скоростью 79 м/сек относительно оси вращения удаляются с поверхности молибденового диска преимущественно по направлению вектора скорости перемещения 17. Удаленное с поверхности молибденового диска 4 бронзовое волокно в виде дискретной жидкой структуры металлического волокна 8 (Фиг.3) перемещается в динамическом слое инертного газа (гелия) 14 (Фиг.2), образующего зону 18 и содержащего 32% объемных аэрозоля, состоящего из 70% объемных аргона и 30% объемных частиц цинка с приведенным диаметром 0,63 мкм. Динамический слой гелия 12 создается благодаря работе распределенного формирователя слоя инертного газа 15 (Фиг.1), выполненного в форме полого металлического тора, снабженного десятью отверстиями диаметром 1,3 мм в нижней части и заполняемого гелием под избыточным давлением 0,8 атм. Туда же помимо гелия подается и аэрозоль из блока формирования аэрозоли 16. Частицы цинка, находящиеся в динамическом слое инертного газа 19, взаимодействуют с поверхностью удаляемых дискретных жидких структур бронзового волокна 8 и вследствие такого высокотемпературного взаимодействия образуют защитный слой цинка на поверхности отвержденного бронзового волокна 21. Однако перед этим отверждением удаленные дискретные жидкие структуры металлического волокна 8 (Фиг.3), перемещаясь в динамическом слое гелия 14 и подвергаясь взаимодействию с частицами цинка 19 в том же слое, достигают поверхности внешнего дискового охлаждаемого (водой при температуре 6°С) кристаллизатора 9, выполненного из молибдена и снабженного оребрением рабочей поверхности 11 с коэффициентом оребрения 246.Through the outlet zircon (ZrSiO ₂ ) nozzle with an orifice diameter of 0.6 mm, the jet of bronze melt 3 vertically falls from a distance of 130 mm onto a rotating surface 4, cooled to 650 ° C with water at a pressure of 3 atm at a flow rate of 22 l / sec. The rotating cooled surface 4 is made in the form of a molybdenum disk with a diameter of 210 mm, equipped with three cooling channels in the lower part. The molybdenum disk is also equipped with a rotation drive 10 based on an 800 W induction motor with frequency regulation of the rotation speed. The rotation speed of the molybdenum disk is pre-set equal to 1500 rpm clockwise. As a result of the dynamic interaction of the jet of bronze melt 3 with the surface of the molybdenum disk (surface purity 8) 4 approximately 1/3 of the surface of the disk (symmetrical to the axis of rotation) forms a thin layer of metal (bronze) melt 6. In this case, discrete precipitate from the centrifugal forces liquid structures of bronze fiber 7, which are removed from the surface of the molybdenum disk at a speed of 79 m / s relative to the axis of rotation mainly in the direction of the displacement velocity vector 17. Remote from the surface of the molybdenum disk 4, a bronze fiber in the form of a discrete liquid structure of a metal fiber 8 (Figure 3) moves in a dynamic layer of an inert gas (helium) 14 (Figure 2), forming zone 18 and containing 32% of volume aerosol, consisting of 70% of volume argon and 30% bulk particles of zinc with a reduced diameter of 0.63 microns. The dynamic helium layer 12 is created due to the work of the distributed former of the inert gas layer 15 (Fig. 1), made in the form of a hollow metal torus equipped with ten holes with a diameter of 1.3 mm in the lower part and filled with helium under an overpressure of 0.8 atm. In addition to helium, an aerosol from the aerosol forming unit 16 is also supplied there. Zinc particles located in the dynamic inert gas layer 19 interact with the surface of the discrete liquid structures of the bronze fiber 8 being removed and, due to such a high-temperature interaction, form a zinc protective layer on the surface of the cured bronze fiber 21. However, before this curing, the remote discrete liquid structures of the metal fiber 8 (FIG. 3), moving in the dynamic layer of helium 14 and interacting with zinc astitsami 19 in the same layer, reach the surface of the outer disc cooled (with water at a temperature of 6 ° C) mold 9 made of molybdenum, provided with ribbing and the working surface 11 by a factor of 246 finning.

Внешний дисковый охлаждаемый кристаллизатор 9 установлен кооксиально молибденовому диску 4 и приводится во вращение частотно управляемым электроприводом 5 против часовой стрелки с частотой вращения 6000 об/мин. Далее, на оребренной поверхности внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора 11 происходит процесс быстрого охлаждения удаленных дискретных жидких структур бронзового волокна с темпом охлаждения, равным 14,5, до отвержденного состояния 12. Полученные таким образом бронзовые волокна на 97% состоят из прецизионных структур длиной 1 мм, шириной 20 микрон и толщиной 1,4 микрона. Регулированием радиального расстояния 22 между вращающимися охлаждаемыми поверхностью 4 и внешним дисковым кристаллизатором достигается изменение толщины защитного слоя цинка 21 на поверхности отвержденного металлического волокна до минимального размера, равного 0,1 мкм, который соответствует расстоянию между вращающимся молибденовым диском и оребренным водоохлаждаемым кристаллизатором 10 мм.External cooled disk crystallizer 9 is installed cooxially molybdenum disk 4 and is driven by a frequency-controlled electric drive 5 counterclockwise with a rotation speed of 6000 rpm Further, on the fin surface of the external disk-cooled crystallizer 11, the process of rapid cooling of the discrete discrete liquid structures of the bronze fiber with a cooling rate of 14.5 to the cured state 12 occurs. The bronze fibers thus obtained consist of 1% precision structures for 97%, 20 microns wide and 1.4 microns thick. By adjusting the radial distance 22 between the rotating cooled surface 4 and the external disk crystallizer, the thickness of the protective layer of zinc 21 on the surface of the cured metal fiber is changed to a minimum size of 0.1 μm, which corresponds to the distance between the rotating molybdenum disk and the finned water-cooled crystallizer of 10 mm.

Пример 3.Example 3

Питатель металлического расплава 1, выполненный из гафния в форме цилиндрической емкости объемом 300 см³ и толщиной стенки около 0,8 мм, заполняют расплавом железа состава Fe₇₁Cr₇Si₉B₁₃ через горловину и закрывают герметичной крышкой из гафния, снабженной патрубком подачи инертного газа (аргона) из того же материала. Используя средство подогрева питателя железного расплава 2, выполненное в виде пропан-бутановой плазменной горелки, устанавливают температуру расплава железа состава Fe₇₁Cr₇Si₉B₁₃ равным 1310°С. По достижении указанной температуры через патрубок подачи инертного газа в питателе металлического расплава 1 создают избыточное давление аргона 0,6 атм. Через выходное цирконовое (ZrSiO₂) сопло с диаметром отверстия 0,45 мм струя расплава 3 железа состава Fe₇₁Cr₇Si₉B₁₃вертикально падает с расстояния 90 мм на вращающуюся поверхность 4, охлаждаемую до 900°С водой под давлением 1,4 атм при расходе 6 л/сек. Вращающаяся охлаждаемая поверхность 4 выполнена в виде массивного диска из молибдена диаметром 300 мм, охлаждаемого в нижней части со стороны крепления привода водой. Диск из молибдена снабжен приводом вращения 10 на основе асинхронного двигателя мощностью 3 кВт с частотным регулированием скорости вращения. Скорость его вращения предварительно устанавливают равной 10000 об/мин по часовой стрелке. В результате динамического взаимодействия струи расплава 3 железа состава Fe₇₁Cr₇Si₉B₁₃ с поверхностью диска из молибдена 4 примерно на 1/12 поверхности диска (симметрично оси вращения) образуется тонкий слой металлического расплава 6. При этом из него год воздействием центробежных сил выделяются дискретные жидкие структуры металлического волокна 7, которые со скоростью 148 м/сек относительно оси вращения удаляются с поверхности диска из молибдена преимущественно в направлении вектора скорости перемещения 17. Удаленное с поверхности диска из молибдена 4 волокно в виде дискретной жидкой структуры волокна 8 (Фиг.3) состава Fe₇₁Cr₇Si₉B₁₃ перемещается в динамическом слое инертного газа (состоящего из смеси гелия и аргона) 14 (Фиг.2), образующего зону 18 и содержащего 60% объемных аэрозоля, состоящего из 48% объемных аргона и 52% объемных частиц цинка с приведенным диаметром 0,05 мкм. Динамический слой смеси гелия и аргона 12 создается благодаря работе распределенного формирователя слоя инертного газа 15 (Фиг.1), выполненного в форме полого металлического тора, снабженного отверстиями диаметром 5 мм в нижней части и заполняемого смесью гелия и аргона под избыточным давлением 1,7 атм. Туда же помимо смеси гелия и аргона подается и аэрозоль из блока формирования аэрозоля 16. Частицы цинка, находящиеся в динамическом слое инертного газа 19, взаимодействуют с поверхностью удаляемых дискретных жидких структур волокна 8 состава Fe₇₁Cr₇Si₉B₁₃ и вследствие высокотемпературного взаимодействия образуют защитный слой цинка на поверхности отвержденного металлического волокна 21. Но перед этим отверждением удаленные дискретные жидкие структуры металлического волокна 8 (Фиг.3), перемещаясь в динамическом слое инертного газа из смеси гелия и аргона 14 и подвергаясь взаимодействию с частицами цинка 19 в том же слое, достигают поверхности внешнего дискового охлаждаемого (жидким азотом) кристаллизатора 9, выполненного из бериллиевой бронзы, снабженного оребрением рабочей поверхности 11 с коэффициентом оребрения 1,06.The metal melt feeder 1, made of hafnium in the form of a cylindrical container with a volume of 300 cm ³ and a wall thickness of about 0.8 mm, is filled with an iron melt of the composition Fe ₇₁ Cr ₇ Si ₉ B ₁₃ through the mouth and closed with a sealed hafnium lid equipped with an inert supply pipe gas (argon) from the same material. Using the means of heating the feeder of the iron melt 2, made in the form of a propane-butane plasma torch, set the temperature of the molten iron composition Fe ₇₁ Cr ₇ Si ₉ B ₁₃ equal to 1310 ° C. Upon reaching the specified temperature through the inert gas supply pipe in the feeder metal melt 1 create an argon pressure of 0.6 atm. Through an outlet zircon (ZrSiO ₂ ) nozzle with an orifice diameter of 0.45 mm, a jet of molten iron 3 of Fe ₇₁ Cr ₇ Si ₉ B ₁₃ vertically drops from a distance of 90 mm onto a rotating surface 4, cooled to 900 ° C by water under a pressure of 1.4 atm at a flow rate of 6 l / s. The rotating cooled surface 4 is made in the form of a massive molybdenum disk with a diameter of 300 mm, cooled in the lower part from the side of the drive fastening with water. The molybdenum disk is equipped with a rotation drive 10 based on a 3 kW induction motor with frequency regulation of the rotation speed. Its rotation speed is pre-set equal to 10,000 rpm clockwise. As a result of the dynamic interaction of the iron melt stream 3 of iron composition Fe ₇₁ Cr ₇ Si ₉ B ₁₃ with the surface of the disk of molybdenum 4, approximately 1/12 of the surface of the disk (symmetrical to the axis of rotation) forms a thin layer of metal melt 6. Moreover, it is exposed to centrifugal forces for a year discrete liquid structures of metal fiber 7 are released, which are removed from the surface of the disk from molybdenum at a speed of 148 m / s relative to the axis of rotation mainly in the direction of the displacement velocity vector 17. Remote from the disk surface molybdenum 4 fiber in the form of a discrete liquid structure of fiber 8 (FIG. 3) of composition Fe ₇₁ Cr ₇ Si ₉ B ₁₃ moves in a dynamic layer of an inert gas (consisting of a mixture of helium and argon) 14 (FIG. 2), forming zone 18 and containing 60% by volume aerosol consisting of 48% by volume argon and 52% by volume particles of zinc with a reduced diameter of 0.05 microns. The dynamic layer of a mixture of helium and argon 12 is created due to the work of the distributed shaper of the inert gas layer 15 (Figure 1), made in the form of a hollow metal torus equipped with holes with a diameter of 5 mm in the lower part and filled with a mixture of helium and argon under an overpressure of 1.7 atm . In addition to a mixture of helium and argon, an aerosol is also supplied from the aerosol forming unit 16. Zinc particles located in the dynamic inert gas layer 19 interact with the surface of the discrete liquid structures being removed, fibers 8 of the composition Fe ₇₁ Cr ₇ Si ₉ B ₁₃ and, due to the high-temperature interaction, form a zinc protective layer on the surface of the cured metal fiber 21. But before this curing, the removed discrete liquid structures of the metal fiber 8 (Figure 3), moving in a dynamic layer of inert gas from the mixture helium and argon 14 and interacting with zinc particles 19 in the same layer, they reach the surface of an external disk-cooled (liquid nitrogen) crystallizer 9 made of beryllium bronze equipped with a finned working surface 11 with a finning ratio of 1.06.

Внешний дисковый охлаждаемый кристаллизатор 9 установлен кооксиально диску из молибдена 4 и приводится во вращение частотно управляемым электроприводом 5 по часовой стрелки с частотой вращения 500 об/мин. Далее, на оребренной поверхности внешнего дискового охлаждаемого кристаллизатора 11 происходит процесс сверхбыстрого охлаждения удаленных дискретных жидких структур волокна с темпом охлаждения, равным 25,7, до отвержденного состояния 12. Полученные таким образом волокна на основе сплава Fe₇₁Cr₇Si₉B₁₃ на 95% состоят из прецизионных структур длиной 500 мм, шириной 8 микрон и толщиной 0,6 микрон.An external disk cooled mold 9 is installed coaxially to a molybdenum disk 4 and is driven by a frequency-controlled electric drive 5 clockwise with a rotation speed of 500 rpm. Further, on the ribbed surface of the external disk-cooled crystallizer 11, a process of ultrafast cooling of remote discrete liquid fiber structures occurs with a cooling rate of 25.7 to the cured state 12. The fibers obtained in this way based on the Fe ₇₁ Cr ₇ Si ₉ B ₁₃ alloy 95 % consist of precision structures 500 mm long, 8 microns wide and 0.6 microns thick.

Регулированием радиального расстояния 22 между вращающимися охлаждаемыми поверхностью 4 и внешним дисковым кристаллизатором до величины 1,5 мм достигается минимальная толщина защитного слоя цинка 21 на поверхности отвержденного металлического волокна величиной 0,15 мкм.By adjusting the radial distance 22 between the rotating cooled surface 4 and the external disk crystallizer to a value of 1.5 mm, a minimum thickness of the protective layer of zinc 21 is achieved on the surface of the cured metal fiber of 0.15 μm.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. Патент США №4589471, НКИ 164/463, 164/462, от 29.10.1984 г.1. US patent No. 4589471, NKI 164/463, 164/462, 10.29.1984

2. Патент СССР №1819186, МКИ В 22 D 11/06, от 21.12.1989 г., опуб. Бюл. №20 от 1993 г.2. USSR patent No. 1819186, MKI B 22 D 11/06, dated 21.12.1989, publ. Bull. No. 20 of 1993

3. Авторское свидетельство СССР №1685594, МКИ В 22 D 11/06, от 25.02.1988 г., опуб. Бюл. №39 от 23.10.1991 г. (прототип).3. USSR author's certificate No. 1685594, MKI B 22 D 11/06, dated 02.25.1988, publ. Bull. No. 39 of October 23, 1991 (prototype).

Claims

1. A method of manufacturing a metal fiber from a melt, comprising supplying in a vertical plane a jet of metal melt from a nozzle of a feeder equipped with heating means to a rotating cooled surface, forming discrete liquid structures of a metal fiber on a layer of a metal melt, cooling the discrete liquid structures of a metal fiber to cured state and subsequent removal of the metal fiber from a rotating cooled surface, characterized in that before feeding th jet of metal melt from the nozzle of the feeder set its temperature in the range from 1.04 · t to 1.18 · t, where t is the temperature of solidification of the metal melt, and the formation of the metal fiber is carried out in two stages, the first of which consists of a metal melt discrete liquid structures of a metal fiber are created on the rotating cooled surface, while they are informed of the speed of movement along the cooled surface in the range of 0.5 - 148 m per second relative to the axis of rotation of the cooled surface and from this the discrete liquid structures of the metal fiber are removed from it, and in the second stage, shock moving cooling of the moving discrete liquid structures of the metal fiber is performed on the finned surface of the external disk cooled crystallizer mounted coaxially to the rotating cooled surface with a cooling rate in the range of 3.3 - 25.7.

2. The method according to claim 1, characterized in that the curing of the discrete liquid structures of the metal fiber on the surface of the external disk cooled crystallizer is carried out at a finning coefficient of its working surface in the range of 1.06 - 482.

3. The method according to claim 1, characterized in that a dynamic inert gas layer is created above the rotating cooled surface and the fin surface of the external disk cooled crystallizer.

4. The method according to claim 3, characterized in that argon and / or helium is used as an inert gas.

5. The method according to claim 4, characterized in that an aerosol in an amount of 4-60 vol% is introduced into the dynamic inert gas layer.

6. The method according to claim 5, characterized in that an aerosol of the composition “argon and / or helium - zinc particles” is introduced into the dynamic inert gas layer in the following ratio of components, vol.%:

Argon and / or helium 52 - 84

Zinc particles 16 - 48

7. The method according to claim 6, characterized in that the zinc particles have a fractional composition in the range of 0.05 to 1.2 μm.