SU1058491A3 - Устройство дл подготовки расплава,содержащего твердую и жидкую фазы - Google Patents

Abstract

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ РАСПЛАВА, СОДЕРЖАЩЕГО ТВЕРДУЮ И ЖИДКУЮ ФАЗЫ, включак цее. емкость дл  расплава с дном.и приспособлени  дл  разделени  потока расплава, выполненные в виде спиральных лопастей , о т л и ч а ю щ е вс  тем, что, с целью понижени  в зкостирасплава и повьшени  процента твердой фазы в нем, дно емкости дл  расплава образовано множеством уложенных в стопку плоских элементов, выпол-. ненных со сквозными отверсти ми,образующими р ды 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 дел щей 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 отверсти  к его диаметру равно единице. ел 00 4 СО

Description

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

3.Устройство по п. 2, отличающеес  тем, что охлаждающее средство выполнено в виде множества дополнительных отверстий в плоских элементах, образующих каналы дл  циркул ции охлаждающей жидкости .

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

Изобретение относитс  к установке дл  подготовки смеси, включающей в себ  твердую и жидкую фазы сплава металла такого вида, который используетс  в процессах, определ емых 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 находитс  в жидком состо нии, в то врем  как ниже нижнего предела (солидуса) сплав находитс  в твердом состо нии В интервале, в течение которого происходит затвердевание, различают две фазы (жидкую и твердую), относительные количества которых  вл ютс  функцией температуры и композиции cciMoro сплава.

В обычных услови х затвердевани  твердое вещество находитс  в дендритной форме, т.е. в виде древоподобных структур, характерной чертой которых  вл етс  перпендикул рное ответвление от основных ветвей вторичных , третичных и т.д. ветвей. Как только дол  твердого вещества достигнет 20%, присутствующие дендриты образуют древоподобную структуру , котора  повышает величину в зкости сверх допустимых пределов дл  разливочной операции.

Известны процессы, посредством которых возможна подготовка смеси, состо щей из твердой и жидкой фаз металлического материала, котора , несмотр  на довольно высокую концентрацию твердой фазы, обладает характерны: свойствами жидкости, в частности, относительно низкой в зкостью.

В ходе этих процессов вызываетс  скольжение между различными частицами , которые поддерживаютс  в движении таким образом, чтобы разрушать в определенных пределах дендритные взаимосв зи, образующиес  при затвердевании смеси, и преп тствовать дальнейшему росту самих дендритов , В этом случае дендритные фрагменты независимы друг от друга и имеют тенденцию к прин тию сфероидальных форм под вли нием непрерывного механического воздействи .

Указанное скольжение, которое может быть рассчитано с помощью относительного градиента скорости, может быть получено и внутри смеси с помощью турбулентного потока и ламинарного и посто нного потока жидкости, в котором, иными словами, различные частицы смеси двигаютс  с заранее определенной скоростью в зависимости от их положени  относительно стенок камеры, через которую они проход т.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  способ подготовки смеси, состо щей из твердой и жидкой фаз сплава металла, и установка дл  осуществлени  этого процесса .

Устройство состоит из емкости, в которой создаетс  поток смеси и расположены приспособлени  дл  передачи в виде спиральных лопастей, кажда  из которых предназначена дл  поперечного разделени  потока по. крайней мере на две струи и придани  каждой из них спиралевидной траектории движени . В этой установке смесь подвергаетс  воздействию сил скольжени  и непрерывным ударам, в результате чего смесь, выход ща  из установки, имеет весьма высокий процент твердой фазы, в то врем  как в зкость самой смеси довольно низка l .

Было установлено, что хот  на описанной установке и могут быть получены полностью удовлетворительные результаты, но,если у смеси должна быть заданна  и не очень высока  в зкость, например, необходима  дл  Обеспечени  ее пригодности к последующей разливке методом кокильного лить , 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, дл  высокопроизводительных промышленных установок.

Цель изобретени  - понижение в зкости расплава и повышение, процента твердой фазы в нем.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в устройстве дл  подготовки расплава, содержащего твердую и жидкую фазу, включающем емкость, дл  расплава с дном и приспособлени  дл  разделени  потока расплава, выполненные в виде спиральных лопастей, дйо емкости дл  расплава образовано множеством уложенных в стопку плоских элементов, выполненных со сквозными отверсти ми, образующими р ды 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 дел щей 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 отверсти  к его диаметру равно единице.

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

Длина спиральных лопастей равна длине отверстий.

На фиг.1 изображено устройство, продольный разрез; на фиг.2 - спиргшевидна  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 имеетс  сери  отверстий 2, которые пересекают сам элемент и расположены в любой заданной конфигурации. Таким образом, когда подобные элементы накладываютс  друг на друга так, с одной парой контактирунедих . поверхностей, различные отверсти  2 определ ют множественность каналов 3, которые пересекают всю стопку, образованную этими элементс1ми.

Эти накладывающиес  друг на друга элементы могут быть размежеваны любой поперечной плоскостью, например , цилиндрической, а дл  сохранени  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 находитьс , заданное количество сплава в жидкомСОСТОЯНИИ. Он может поступать из удобной дл  этих целей плавильной п,ечК| между которой и резер вуаром могут быть предусмотрены устройства, оказываклдие на сплав давление, непрерывного или преры- вистого действи ., создаваемое, в первом случае, шестеренчатым насосом и поршневым во втором.

НгшЬженные друг на друга элементы .охлаждаютс  соответствующими охлаждающими средствами дпп постепенного охлаждени  материала,- который течет в каналах 3, и получени  -в каЖдом из них заданного температурного градиента ДТ/L, определ емого как вариаци  температуры йТ в качестве функции рассто ни  L , пройденного материалом в канале. Дл  этой цели можно сделать соответствующие отверсти  6 в элементах 1, которые обра эуют каналы,  вл ющиес  частью охлаждающей цепи. .

Дл  использовани  смеси нижний выход канала 3 может быть соединен, например, с, пресс-формой.

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

Дл  этой цели кажда  лоп-асть может иметь форму, как это показано на фиг.2, т.е. может быть получена путем скручивани  .пластины вокруг продольной оси. Осева  длина каждой лопасти и шаг данной спирали подбираютс  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 услови х поток материала, проход щего через отверстие 2, раздел етс  каждой лопастью на две по сущергву равные струи 8 и 9 и кажда  из них вращаетс , проход  через лопасть, по  углом , Как  сйо видно на фиг.1 последо вательно расположенные лопасти повернуты друг к другу также под углом 90 так, что задн   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 проход щего чере них сплава, например карбида вольф ма/ металлокерамического материала графита и т.п. Такие лопасти прикрепл ютс  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 лини м. На оснований изобретени  и дл  целей, которые будут указаны киже диаметр каждого отверсти  2 доволь нр мал и находитс  в пределах 210 мм, а соотношение между осевой длиной самого отверсти  и его диаме ром составл ет пор дка единицы. Предлагаема  установка действует следующим образом. Сплав металла, который приводитс в жидкое состо ние плавлением, пос тупает в резервуар 5 под давлением величина которого выбираетс  такой чтобы могло быть преодолено жидкост , но-динамическое согфотивление, с которым сталкиваетс  сам материал при прохождении через.канал 3. Это делаетс  дл  того, чтобы материал покидал, нижние кромки отверстий каНалов с заданной скоростью. Материал, присутствующий на переднем конце каждого канала и все еще наход щийс  полностью в жидком состо нии, при прохождении через канал постепенно охлаждаетс . Материал , подаваемый к первой лопасти 7 любого из каналов, раздел етс  на две струи 8 и 9, которые указаны стрелками на рис. 2. При прохождении первого канала кажда  стру  8 и 9 вращаетс , в основном, под ух-лом 90 и, следовательно, при поступлеНИ .И на следующую лопасть разд ;ел етс еще на ;две струи. Из этого следует что кажда  стру , протекающа  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 кажда  из образованных струй проходит трет лопасть, она подраздел етс  еще на две струи. В заключение, когда материал проходит через каждую из лопастей 7, он подраздел етс  на две независиь-ие струи, кажда  из которых образуетс  путем получени  материала из о.беих струй, вытекающих после прохождени  непосредственно предшествующей лопасти . В то врем  .как сплав в продольном направлении проходит через канал .3, он охлаждаетс  благодар  действию средств о.хлс1ждени  и имеет тенденцию к образованию смеси, содержащей твердую и жидкую фазы, в.которой содержание твердой фазы растет по мере охлаждени , т.е. постепенно, по мере прохождени  материала через каналы 3. Частицы материала, принадлежащие потоку, который образует каждую из струй, проход щих через лопасть 7, начинают двигатьс  с заданной скоростью , котора  очевидно, зависит от положени , занимаемого самой струей относительно поверхностей, отдел ющих ассоциированную струю (поверхности лопасти 7 и отверсти  2) . В результате, пока смесь протекает мимо каждой из лопастей, она подвергаетс  воздействию скольжени ,кото-, рое, очевидно, зависит от скоростираспределерш .различных потоков каждой струи. Данное скольжение может быть рассчитано с помощью градиента скольжени , определ емого соотношением между разницей в скорости двух потоков и рассто нием мелшу ними. Ввиду этого скольжени  между различными частицами, которое тем больше, чем больше соответствующий градиент, дендритные св зи, имеющие тенденцию к образованию в смеси, постепенно разрушаютс  по мере прохождени  материала через лопасть, а возникновение новых подобных св зей ингибйруетс . Как только материал покидает одну лопасть и поступает на следующую, он находитс  в совершенно другом диапазоне скорости ввиду того, что различные частицы оказываютс  в потоках, положение которых относительно поверхностей, отсекающих ассоциированный поток, полностью отличаетс  От положени , в котором находились потоки в предшествующей лспасти и содержали те же частицы. Фактически , б;сли считать, что, например, поток, который В первой лопасти располагаетс  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 подаетс  на следующую ло- . пасть, то он располагаетс , по существу , в центре создаваемой лопаЪть струи. Иными словами, на немного бол шем рассто нии 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 подвергаютс  различные частицы при переходе от одной лопасти к последующей , приводит к значительному увеличению градиента.скольжени j что способствует значительному увеличению скольжени  и ударов друг о друга частиц, принадлежащих к различным потокам, и, следовательно, ведет г.в существенных масштабах к разрушению дендритных св зей, которые имеют тенденцию к образованию в твердой фазе материала, проход щего вдоль каждой из лопастей 3. В- то врем  как поток материала продвигаетс  вдоль каждого из каналов 3, он также подвергаетс  воздействию температурного градиента л T/L, т.е. в разнице температуры &Т с разннцей в рассто нии L , пройденнсад сплавом по каждому каналу 3, что дае представление о скорости охлаждени  в самом канале. Путем экспериментов на установках подо&ных предлагаемой, с каналами 3 различных диаметров и работавших в различных услови х эксплуатации,, бы л© установлено, что соотношение между в зкостью fj полученной смеси и концентрацией С твердой фазы самой еалеси, может бить выражено с помощью кривых, как это показано на фиг.З, где кажда  из них относитс  к заданj ному температурному градиенту uT/L, (или скорости охлаждени ), оставшемус  иеизменньом. Температурный градиент  вл етс  функцией, прежде всего диаметра каналов 3, а также эксплуатационных условий установки (эффективность охлаждени , скорость сплава и т.п.) и имеет тенденцию к увеличению по мере уменьшени  диамет ра. Различные кривые данного семейства , обозначенные ссылочными буквами G;, , G и G.3rf св заны с постепенно уменьшающимис  температурными градиентами . Из этих кривых со всей очевиднос- ью следует, что если необходимо получить смесь с очень низкой заданной в зкостью 5 (Фиг.2) и одновременно с очень высокой концентрацией твердой фазы С, то эти услови  могут быть выполнены только на установке , на которой можно получить также очень низкий температурный градиент (или скорость охлаждени ) liT/.L, равный GI (установка, на которой возможно получить температурные градиенты Gj и G;), может дать смесь с той же в зкостью 1, но только с концентрацией твердых фаз С и С . намного меньшей, чем Сл) . Из приведенных по снений следует, что дл  обеспечени  оптимальнь1х условий, необходимо заставить материал двигатьс  по каналам 3 с низкой скоростью скольжени . Тем не менее, установка также позвол ет получить высокую скорость движени  смеси, котора  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 в зкостью и очень высокой концентрацией твердой фазы и по своим данным превосходит уже известные установки в этой области, а также имеет высокую скорость движени  потока, то подобные установки представл ют интерес дл  организации процесса на промышленной основе. Конструктивно установка очень проста и при увеличении или уменьшении числа взаимонакладываемых элементов- 1 пригодна дл  работы различными смес  ми. Очевидно, что модификаци  и изменени  в форме и расположении различных частей устройства по изобретению могут быть осуществлены без отклонени  от сущности самого изобретени .

Claims (4)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ РАСПЛАВА, СОДЕРЖАЩЕГО ТВЕРДУЮ И ЖИДКУЮ ФАЗЫ, включающее, емкость для расплава с дном.и приспособления для разделения потока расплава, выполненные в виде спиральных лопастей, о т лич а ю щ е е с я тем, что, с целью понижения вязкости'расплава и повышения процента твердой фазы в нем, дно емкости для расплав ва образовано множеством уложенных в стопку плоских элементов, выпол-. ненных со сквозными отверстиями,образующими ряды вертикальных каналов диаметром 2-10 мм, в каждом из которых вдоль продольной оси размещено по одной спиральной лопасти, образованной скручиванием пластины,или ребра вокруг продольной оси с расположением верхнего конца каждой спиральной лопасти под углом 90°· относительно нижнего конца и делящей каждее 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.

SU „„1058491

2. Устройство по π. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью получения расплава с определенным значением концентрации твердой фазы, оно снабжено охлаждающим средством.

3. Устройство поп, 2, отличающееся тем, что охлаждаю- ; щее средство выполнено в виде мно жества 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 .