Способ плавления в направленном потоке энергии

(56) Азимов С,А. и др. Структура гелиоэнергетических комплексов. - Гелиотехника,1986, 3 Ф 1, с. 22, рис. 2.Корнеев Н.Р., Лучев О.А. Тепловой режим осевой плавки огнеупоров на солнечной печи, - Изв. АН Туркм, ССР, Сер.Физ.-техн., хим. и геолог, наук, 1985, М 2,с,36, рис,1,(54) СПОСОБ ПЛАВЛЕНИЯ В НАПРАВЛЕННОМ ПОТОКЕ ЭНЕРГИИ Изобретение относится к гелиотехнике .и может быть использовано в технологических процессах производства материалов и .изделий из расплава, например, в огнеупорной промышленности и порошковой металлургии.Известен способ плавления в направленном потоке солнечной энергии, включающий поступление твердого материала в зону .плавления, наплавление и стекание расплава.Этим способом получают струю расплава из порошка в печи, которая изготовлена в виде неподвижной водоохлаждаемой цилиндрической полости. Подачу порошка в зону плавления осуществляют посредством поршневого механизма. В процессе плавления порошок начинает спекаться. ПропекаГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ С(57) Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в технологических процессах производства материалов и изделий из расплава, например, в огнеупорной промышленности и порошковой металлургии. С целью увеличения производительности согласно способу плавления в направленном потоке энергии, включающему поступление материала твердой заготовки в зону плавления, наслоение порошка на заготовку, заготовку в процессе наслоения порошка вращают, а последний подают в зону плавления извне непрерывно. Ось вращения заготовки.ориентируют горизонтально в поперечном направлении относительно направления потока энергии. 1 ил. ние порошка по объему происходит неравномерно. Это затрудняет равномерную подвижку порошковой массы в зону плавления, приводит к неравномерному оплавлению нагреваемой поверхности, Боковой теплоунос водоохлаждаемыми стенками печи усиливает неравномерность оплавления. В результате постепенно по краям эоны плавления образуются спеченные нерасплавленные выступы и нависания (своды) с последующим их обваливанием в зону плавления, выплеском расплава иэ печи и обширной кристаллизацией зоны плавления. Это приводит к дестабилизации процесса плавки. Требуется длительное время для устранения нетехнологического состояния и обратного вхождения в кваэистационарный режим плавления, При этом10 20 25 30 35 40 45 50 55 управление процессом плавки осложняется малой возможностью влияния используемой поршневой подачи порошка на процессы в зоне плавления. Эффективным является только движение поршня вперед. Кроме того, согласно этому способу длительность непрерывной плавки задается обьемом дозатора печи. При выработке порошка из объема дозатора требуется отвести поршень назад и из бункера заполнить дозатор новой порцией порошка. В результате способ характеризуется частыми прерываниями процесса плавления и имеет малую производительность.Наиболее близким к предлагаемому является способ плавления в направленном потоке энергии, включающий поступление твердого материала в зону плавления, наплавление и стекание расплава,Согласно известному способу твердый материал в виде цилиндрической заготовки постепенно продвигают в фокальный обьем сконцентрированного потока солнечной энергии, Движение заготовки осуществляют в горизонтальном направлении соосно с оптической осью потока энергии. Скорость подачи заготовки устанавливают такой, чтобы фронт оплавления торца заготовки был совмещен с фокальной плоскостью концентрации энергии в течение всего процесса плавки. При этом твердый материал плавится и стекает с оплавляемой поверхности,Недостатком известного способа является его малая производительность. Длительность процесса непрерывного плавления задается линейным размером заготовки. Например, при плавлении окиси алюминия с рабочей скоростью движения заготовки 0,25 мм/с для непрерывной плавки в течение светового дня требуется заготовка длиной 7 - 9 м, Использование сменйых заготовок малого размера (0,5 - 1 м) приводит к частому прерыванию плавки на время, необходимое для замены заготовок и вхождения вновь в квазистационарный режим плавления. Кроме того, для каждого процесса плавки требуется изготавливать отдельную заготовку, причем в каждом случае плавки заготовка вырабатывается не полностью. В результате известный способ неэффективен с точки зрения общих трудозатрат и стоимости при получении большой массы расплава,Цель изобретения - увеличение производительности,Поставленная цель достигается тем, что согласно способу плавления в направленном потоке энергии, включающему поступление материала твердой заготовки в зону плавления и наслоение порошка на заг товку, заготовку в процессе наслоения порошка вращают, а последний подают в зону плавления извне непрерывно.Ось вращения заготовки ориентируют горизонтально в поперечном направлении относительно направления потока энергии,На чертеже показана схема устройства для осуществления предлагаемого способа. Способ плавления в направленном потоке энергии осуществляют следующим образом,Гелиостаты 1 направляют потоки солнечной радиации на параболоидный концентратор 2, в фокальном обьеме которого размещают заготовку 3 твердого материала. Заготовку 3 устанавливают в фокусе концентратора 2 с воэможностью регулируемого (по скорости и направлению) вращения, причем ось 4 вращения заготовки ориентируют горизонтально в поперечном направлении относительно направления потока энергии концентратора.Заготовку 3 изготавливают в виде бруска квазицилиндрической формы диаметром 40-100 см и длиной 50-120 см исходя из задаваемых параметров технологических процессов (материала, производительности, величины энергетического потока, целевого назначения струи расплава и пр,). Заготовку изготавливают различными способами, например, прессованием порошка,отливкой расплава в форму либо сборкой из отдельных кольцевых дисков меньшего размера. В качестве материала для заготовки используют материал, расплав которого нужно получить,или термостойкие материалы, например нэ основе. диоксида циркония,Дополнительно заготовку 3 выполняют с внутренним полым металлическим валом, посредством которого вращают заготовку, Внутренний вал также увеличивает жесткость термообрабатываемой заготовки,Нэ боковой цилиндрической поверхности заготовки 3 под воздействием потока энергии концентратора 2 образовывается зона плавления. Поток энергии. поступающий на поверхность заготовки, имеет в поперечном сечении округлую форму, что определяет каазикруглую форму нижней границы зоны плавления, В крайней нижней части зоны плавления самоформируется желобообразный короткий носок 5 типа лотка, Наплавляемая на поверхности эоны плавления пленка расплава собирается в общий поток и стекает по этому самообразовываемому носку 5 слива вниз с заготовки, При необходимости перед заготовкой устанавливают водоохлаждаемый экран с отверстием определенной формы, который служит лля придания зоне плавления требуемой51015 мм 55 При необходимости проведения плавки в заданной газовой атмосфере (кислород,граничной формы, в частности способствует формированию носка 5 слива расплава.,оВ процессе плавки заготовку 3 вращают и одновременно в зону плавления непрерывно подают порошок материала, Ось 4 вращения заготовки ориентируют горизонтально в плоскости перпендикулярной оптической оси концентратора 2. Подачу порошка производят иэ бункера 6 питателем 7 типа транспортерного устройства, Порошок, поступающий на оплавленную поверхность, вступает в термическое взаимодействие с пленкой расплава, Оплавляясь, порошок быстро припекается к заготовке и образует затвердевший поверхностный слой 8, т,е, поверхностный слой 8 формируется за счет одновременных процессов приплавления и припекания порошка. Скорость подачи порошка определяют из условия равенства толщины наслоения глубине проплавления боковой поверхности заготовки 3, Таким образом выплавленный участок заготовки 3 восстанавливается до исходного размера, Скорость вращения заготовки устанавливают такой, чтобы согласовать во времени процессы поступления твердого материала слоя 8 в зону плавления, его расплавления и стекания расплава. В установившемся кваэистационарном режиме носок 5 непрерывно смещается по поверхности заготовки 3 в направлении, противоположном ее вращению, оставаясь при этом неподвижным относительно пространственной системы координат и потока энергии концентратора.В зоне плавления одновременно с наплавлением происходит нагрев расплава на 200 - 400 С выше температуры плавления, Нагрев и перемешивание стекающей пленки расплава обеспечивает несохрэнение в расплаве структурной неоднородности припеченного материала слоя 8, отсутствие нерасплавленных твердых включений и однородность выходной струи расплава,Управление процессом плавки осуществляют путем изменения потока энергии от концентратора, скорости вращения и величины поступления порошка, а также расхода охлаждающей воды через внутренний вал заготовки. Согласованием значений управляющих параметров - скорости вращения заготовки и расхода подаваемого порошка - обеспечивают наступление квазистационарного режима плавки с требуемыми производительностью и температурой струи расплава. Выбор конкретных значений технологических параметров зависит от теплофизических свойств используемых материалов, параметров за 20 25 30 35 40 45 50 готовки и задаваемых значений характеристик струи расплава. Например, для окиси алюминия струю расплава с температурой нагрева на 200 С выше точки плавления и расходом 100 - 120 кг/ч получают при вращении соответствующей заготовки со скоростью 0,4-0,5 об/мин и подаче порошка -30 г/с. При этом толщина приплавляемого слоя 8 составляет 4 - 6 мм. При быстром вращении оплавления заготовки не возникает и происходит только прогрев ее объема, Эту операцию используют, например, для предварительного пропекания, упрочнения и дегазации объема заготовки перед плавкой, а также для требуемого в технологическом процессе кратковременного прекращения слива расплава, Легко осуществляемый визуальный контроль за ходом плавки и простая управляемость процессом (по скорости вращения заготовки и подаче порошка) позволяют поддерживать стабильную струю расплава с характеристиками в пределах технологических допусков.Современные технологии получения высокотемпературных сверхпроводящих металлооксидных материалов типа У-Ва - Со-О, В- Яг - Са - Сн - О и др. основаны на плавлении смеси порошков оксидов с последующей термообработкой плавленого материала. При этом к.процессу плавления предъявляются строгие требования - незя гря э няем ость, сохранение стехиометрического соотношения катионов, полнота синтеза, Все эти условия в полной мере реализуются при использовании предлагаемого способа плавления. Мощное лучистое энергопоступление, локализованность тепловых процессов в приповерхностной области заготовки обуславливают мгновенное расплавление исходного материала, Нагрев и перемешивание стекающей пленки расплава обеспечивают полноту синтеза, отсутствие. непроплавов и композиционную однородность, Предлагаемый способ плавления целесообразно использовать для промышленного производства высокотемпературных сверхпроводников, Например, расплав ВЯгСаСо 20 х с температурой перегрева на 300 С выше температуры плавления и производительностью 310-300 кг/ч получают при вращении заготовки со скоростью 0,8 - 1 об/мин и подаче порошка 90 г/с, Толщина припекаемого слоя 8 составляет 4 - 6 водород, инертные среды и др.) зону плавления заготовки извне обдувают потокомтребуемого газа. Это расширяет класс наплавляемых материалов.Охлаждение заготовки изнутри осуществляют протоком воды через полость вала вращения. Изменяя расход воды, влияют на величину теплоуноса от зоны плавления. Таким образом регулируют скорость оплавления и распределение температуры в обьеме заготовки. Создание определенного радиального температурного распределения требуется, при плавлении многокомпонентных материалов, для.котОрых характерно параллельное протекание нескольких температуроэависящих химических реакций.Наплавляемую по предлагаемому способу струю расплава можно использовать в различных технологических процесСах, например для изготовления порошков и гранул диепергированием расплава, аморфных лент с помощью валков-кристаллиэаторов, изделий сливом расплава в форму или на подвижный поддон.По предлагаемому способу плавления можно вести непрерывный процесс плавки сколь угодно длительное время, определяемое лишь условием поступления потока энергии, поскольку длительность плавки определяется наличием порошка в бункере 7, который можно периодически пополнять порошком, не прерывая процесса плавления. Кроме того, при использовании способа исключаются потери рабочего времени на частую смену заготовок и, соответственно, последующие затраты времени на вхождение в кваэистационарный режим плавления при каждой новой заготовке. Легкие контролируемость и управляемость процессом позволяют своевременно регистрировать возникновение нетехнологических состояний и оперативно предотвратить возможное прерывание процесса. Указанные факторы в совокупностиобуславливают увеличение производительности процесса плавки. Так, например, дляокиси алюминия среднее увеличение выра 5 ботки расплава в сравнении с известнымспособом в расчете на одну рабочую сменудостигает 1,8 - 2 раз.Предлагаемый способ характеризуетсятакже одноразовым изготовлением заготов 10 ки для наплавления сколь угодно большоймассы расплава, При сменном плавленииразных материалов осуществляют заменузаготовок. Таким образом, единожды изготовленная заготовка пригодна к многоразо 15 вому использованию без ухудшенияэксплуатационных характеристик,Предлагаемый способ плавления обеспечивает стабильность параметров струирасплава, что имеет значение при многих20 технологических процессах. например присливе расплава на валки кристаллизатора,при литье расплава в фигурные формы.Кроме того, в процессе плавления согласно предлагаемому способу отсутствуют25 какие-либо загрязнения,Изобретение может быть использованов промышленном производстве материалови изделий, изготавливаемых из расплава. 30 Формула изобретенияСпособ плавления в направленном потоке энергии, включающий поступление материала твердой заготовки в зону плавления, наслоение порошка на заготов ку, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюувеличения производительности, заготовку в процессе наслоения порошка вращают, а последний подают в зону плавления извне непрерывно.