Устройство для ультразвуковой обработкирасплавленного металла

Сеюз Севетсиих Социалистических УесвубаикОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . К АВТОРСКОМУ СВИ ТВЛЬСТВУ щ 850301(22) Заявлено 170879 (21) 281 б 440/22-02 151) М. Кл.з с присоединением заявки Мо В 22 0 27/02 Государственный комитет СССР по делаю мзобретеиий и открытий(088.8) Дате опубликования описания 30 Ю 81(71) Заявитель. физико-технический институт АН Белорусской ССР(54) -УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА1 О Изобретение относится к ультразвуковой технологии н может быть использовано при обработке в ультразвуковом поле жидких металлов и сплавовИзвестны охлаждаемые и неохлаждаемые устройства ввода ультразвуковых колебаний в расплавы металлов,содержащие магнитострнкцнонный преобразователь и волновод-концентратор 1.Неохлаждаемое устройство-излучатель имеет простую конструкцию, обеспечивает Требуемую интенсивность ультразвука при озвучивании расплава металлов. Однако вследствие наг рева рабочих поверхностей неохлаждаемого излучателя при вводе ультразвуковых колебаний в расплавы про" исходит изменение резонансной частоты колебательной системы,. растут по терн акустической энергии в материале излучателя, увеличивается эрозия рабочих поверхностей, что .в целом резко уменьшает эффективность озвучивания расплава.Наиболее близким к предложенному является устройство для ввода ультразвуковых колебаний в кристаллизующиеся расплавы металлов, содержащее магнитострикционный преобразователь и 30 излучатель, выполненный в виде полу- волнового водоохлаждаемого поддона в форме цилиндрического стакана, соединенного непосредственно с магнитострикционным преобразователем 2 1.Основной недостаток данного устройства - нестабильность его работы при озвучивании расплавов вследствие невозможности обеспечения постоянства толщины корочки эакрнсталлиэовавшегося металла на поверхности излучателя, предохраняющей его от разрушения. между толщиной корочки и степенью охлаждения в устройстве не существует обратной связи. Поэтому любое изменение услоЗЪй процесса приводит к отклонению толщины корочки от оптимальной. Излишнее охлаждение волновода вызывает рост корочки вплоть до кристаллизации всего слитка, а недостаточное охлаждение ведет к исчезновению корочки и активному износу .колеблющейся поверхности излучателя и загрязнению обрабатываемого расплава материалом излучателя. Кроме того, изменение толщины корочки фактически меняет геометрические размеры .колебательной системы и тем самым выводит ее из резонанса, что является причиной нестабйльной работы устройства при обработке жидких расплавов.Цель изобретения - повышение стабильности работы устройства и повышение срока службы волновода.Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве с магнитострикционным преобразователем, охлаждаемым жидкостью в полости излуча.- ющей системы, выполненной замкнутой, размещена капиллярная структура, закрепленная в узле колебаний волновода, а ближайшая к преобразователю внутренняя торцовая поверхность полости находится в пучности колебаний волновода и удалена от торцов капилляров на 0,03-0,5 мм. 15На чертеже изображено предложенное устройство.В водоохлаждаемом корпусе преобразователя 1 размещен магнитострикционный пакет 2 с обмоткой 3 питания, 20 который припаян к ультразвуковому волноводу, состоящему из двух полу- волновых элементов 4 и 5. В замкнутой цилиндрической полости волновода с помощью кольца б закреплена капиллярная структура (пакет капиллярных тру бок) 7 и находится жидкость 8, предназначенная для переноса тепла. Ближайшая к преобразователю торцовая поверхность полости расположена в пучности колебаний и удалена от торца капилярной структуры на 0,03-0,5 мм.Капиллярная структура 7 набрана из отдельных капилляров и выполнена в виде трубки, стенками которой является слой капилляров.35Устройство работает следующим образом.Рабочий конец волновода вводитсяв расплав металла и на преобразователь подается напряжение ультразвуковой частоты.Под действием ультразвуковых колебаний в данной конструкции возникает ультразвуковой капиллярный эффект.В результате жидкость 1 теплоноситель) прокачивается под действием ультразвука через капиллярные каналы от торца полости волновода, расположечной в пучности волновода, кего рабочему концу.Так как в момент введения в расплав температура рабочей части волновода ниже температуры кристаллизации металла на поверхности волновода,йроисходит кристаллизация, т.е. образуется корочка металла, Одновременноетепло из расплава передается в тело И волновода, и последний разогревается.При разогреве рабочего торца волновода до температуры кипения теплоносителя последний начинает интенсивно испаряться, поглощая тепло и 0 .охлаждая волновод, Давление паров в этой части полости резко возрастает, и пары теплоносителя под действием перепада давления в зонах испарения и конденсации перемещаются в во доохлаждаемую часть волновода. Здесьпар конденсируется и отдает охлаждающей воде энергию,аккумулированнуюпри испарении. Таким образом, быстрои эффективно осуществляется теплоотвод от рабочей части волновода и еготемпература поддерживается близкойк температуре кипения теплоносителя.Если температура рабочей части,волновода по каким-либо причинам становится ниже температуры кипения теплоносителя, теплоотвод ухудшается ирабочий конец волновода разогреваетсявследствие подвода тепла из расплавадо температуры кипения теплоносителя.Таким образом, предложенное устройство работает фактически с обратной температурной связью, а постоянство температуры торца волновода, на-ходящегося в расплаве, обеспечиваетпостоянство толщины корочки, причемсама толщина может регулироватьсявыбором соответствующего теплоносителя.В результате повышается стабильность работы устройства (его КПД) иобеспечивается надежная защита иэлучателя от разрушения в ультразвуковомполе.При малых зазорах Ь между излучающей поверхностью и капилляром давление у торца в капилляра быстро растетс уменьшением Ь . Однако несмотряна увеличение давления, вызывающеготечение жидкости по капиллярным каналам под действием ультразвука призазорах Ь 0,03 мм, скорость прокачивания жидкости через капилляр начинает уменьшаться вследствие того,что в этом случае зазор представляетсобой большое гидродинамическое сопротивление и подвод жидкости к каналу капилляра затрудняется. Таким образом, уменьшать зазор менее 0,03 ммнецелесообразно. С увеличением зазораэффект быстро уменьшается и при зазорахл 0,5 мм давление, возникающеев ультразвуковом поле и вызывающееувеличение скорости протекания жидкости в капилляре, составляет всего20-30 от давления, возникающего при.зазоре, равным 0,05 мм. В связи сэтим увеличивать зазор более 0,5 ммнецелесообразно,Сравнительную .проверку работы предлагаемого устройства и известного2проводят следующим образом.Из титанового сплава ВТ.-9 изготовлены два полых цилиндрических волновода, длина которых равняется длинеультразвуковой волны. В одном иэ волноводов в узле колебаний выполненыдва отверстия со штуцерами для водяного охлаждения. В полости этого волновода размещена медная трубка, присоединенная ко входному отверстиюполости. Вода по трубке подается крабочей части волновода. Волновод навинчивается на преобразователь ИМС20. проверка показывает, что предложенФормула изобретения 35 40 45 50 15-Н 18 с помощью переходной шпильки.Температура охлаждающей воды (водопроводной) составляет 12 ОС. Торецволновода опускают в ванну с расплавом свинца при 340 С. Мощность нагревателя ванны - 5 кВт. На торцовойповерхности излучателя начинает накристаллиэовываться материал расплава, толщину образовавшейся при этомкорочки измеряют с помощью стальногощупа.Через 30 мнн после введения торцаволновода в расплав при постоянномрасходе воды, охлаждающей волновод,4,5 л/мин, толщина твердой корочки нторце волновода составляет 17 мм. Затем преобразователь подключают к генератору УЭГ,5, в цепь анодногопитания которого включают автотранс-.форматор для регулировки амплитудыколебаний преобразователя в широкихпределах. Через 10 мин после включения ультразвуковых колебаний приамплитуде колебаний торца волновода8 мкм толщина корочки составляет5 мм. Увеличение расхода воды до6 л/мин доводит толщину корочки до9 мм, а с уменьшением расхода до4 л/мин корочка пропадает, При расходе воды 7,5 л/мин с изменениемамплитуды колебаний от 5 до 12 мкмтолщина корочки изменяется от 10 до0 мм.Отсутствие корочки приводит к интенсивному разрушению излучателя изагрязнению обрабатываемого металламатериалом волновода. Наличие корочки толщиной более 3 мм вызывает рассогласование излучателя и ужудшениеусловий передачи звуковой энергии врасплав металла, в результате интенсивность звука в рабочей емкости падает на 70-90,Предложенное устройство выполняютследующим образом. В цилиндрическийполый волновод вставляют пакет стальных капиллярных трубок, приваренныхк стальному кольцу, которое, в свою.очередь, приварено к цилиндрическомуволноводу таким образом,что торецпакета капилляров находится посленавинчивания цилиндрического волновода на преобразователь ПМС-А 18на расстоянии 0,2 мм от торцовой поверхности шпильки, на которую навинчивается концентратор. В полость полновода вводят глицерин и завинчивают волновод на преобразователь, Принудительно охлаждают преобразователь ПИС-А 18 проточной водой согласно паспортным данным преобразователя (4,5 л/мин) и вводят торец волновода в расплав. Через 30 мин толщина измеренной корочки сос тавляет б мм. Через 10 мин после включения ультразвуковыми колебаний с амплитудой .8 мкм толщина корочки уменьшается до 3 мм. При изменении амплитуды колебаний от 5 до 12 мкм толщина корочки изменяется от 2 до 1 ммеПри изменении расхода воды, охлаждающей магнитостриктор, от 4 до б л/мин в пределах точности измерений толщина корочки не изменяется (точность измерений + 0,2 мм),Выполненная экспериментальная,ное устройство улучшает стабилизациютолщины корочки по сравнению с известным за счет стабилизации температуры рабочей поверхности излучателя; В результате стабилизируется работаизлучателя, повышается эффективность обработки, предотвращается разрушение излучателя. Устройство для ультразвуковой обработки расплавленного металла, содержащее магнитострикционный преобразователь и волновод с полостью для охлаждающей жидкости, о т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью повышения стабильности работы устройстваи повышения срока службы волновода,полость волновода .выполнена замкнутой и в ней зафиксирован пакет капиллярных трубок, торцы которых размещены на расстоянии 0,03-0,5 мм отторцовой поверхности полости со стороны магнитострикционного преобразователя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Источники мощного ультразвука.Под ред. Розенберга Л.Д. "Наука",1967, с, 231-234.2. Авторское свидетельство СССР850301 года оставитель Т,Королеваехред Т,Иаточка Корректор бине Редактор Н.Б в аказ 6194 одписноеССР даЮФааайае а етвавщ аеаеевтееаьаееиюат еииэаиее е т шиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4/14 Тираж ВНИИПИ Росударствпо делам изобре 3035, ИоСква, Ж69нного комиттений и откРаушская на