Способ ввода ультразвуковых колебаний в расплавы и устройство для его осуществления

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоциалистическихРеспублик оп 956611(61) Дополнительное к авт, свид-ву(22) Заявлено 020281 (21) 3242678/22-02с присоединением заявки М 9(23) ПриоритетОпубликовано 0709,82, Бюллетень М 9 33Дата опубликования описания 070982 11) М Кп 3 С 22 Е 3/02 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийП.П.Прохоренко Н.й.деленковский, Аоийенно"ииа:йй.отрйчеваоч чт;"С ,. , ;, . ,еИнститут прикладной физики АН Бел уссМРЬРар(54) СПОСОБ ВВОДА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В РАСПЛАВЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к ультразвуковой технологии и может быть использовано при обработке в ультразвуковом поле жидких металлов и сплавов.Известен способ ввода .ультра-звуковых колебаний в расплавы металлов. По данному способу излучатель ультразвука изготавливают из материала расплава. После погружения излучателя в расплав и возбуждения ультра звуковых колебаний он .интенсивно изнашивается. При износе 2-4 мм его медленно поднимают из расплава, В результате материал расплава намораживается на излучатель и размеры его восстанавливаются до первоначальных. После этого его снова опускают в расплав, т.е. излучателю сообщают возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости относительно поверхности расплава 13,При ультразвуковой обработке расплавов по известному способу существенно снижается производительность эа счет периодического извлечения излучателя из расплава. Кроме того, контроль износа излучателя, особенно при обработке распла-. вов с высокой температурой плавлния, затруднителен и характеризуетсязначительными ошибками. Это приводитлибо к преждевременному подъемуизлучателя, что уменьшает производительность, либо к износу его,превышающему 2-4 мм, что приводит крассогласованию колебательнщЪ системы, резкому уменьшению амплитудыколебаний и как следствие, эффективности озвучивания и производительности. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, реализуемый в устройстве для ввода ультразвуковых колебаний в расплавы металлов. Ввод ультразвука в расплавы осуществляют с использованием полуволнового водоохлаждаемого поддона в форме цилиндрического стакана, соединенного с магнитострикционным преобразователем. Охлаждение осуществляют водой, температура которой значительно меньше температуры кипения 2).Эффективность охлаждения поддона, который является излучателем ультразвука, проточной холодной водой невысока, так как тепло при этом уходит тлько на нагреваниеводы, и эффективность охлаждения характеризуется коэффициентом ее теплоемкости. Это требует значительных расходов воды. При введении ультразвука в расплавы с высокой температурой плавления иэ-за 5 высокого температурного градиента . образуется паровая "рубашка" в рабочей полости волновода, которая препятствует теплопереносу и охлаждению излучателя. Кроме того, по 1 О данному способу невозможно обеспечить постоянство толщины корочки закристаллизовавшегося металла на поверхности излучателя, предохраняющей его от разрушения. Излишнее 5 охлаждение волновода вызывает рост корочки вплоть до кристаллизации всего слитка, а недостаточное охлаждение ведет к исчезновению корочки и активному износу колеблющейся поверхности излучателя, заг" рязнению обрабатываемого расплава материалом излучателя, рассогласованию колебательной системы и уменьшению эффективности и производительности ультразвуковой обработки.Устройство для ввода ультразвуковых колебаний в расплавы металлов включает магнитострикционный преобразователь и полный волновод, выполненный в виде полуволнового водоохлаждаемого поддона в форме цилиндрического стакана. Отсутствие элементов, регулирующих подачу воды для охлаждения в зависимости от харак- З 5 теристик процесса, не может обеспечить оптимальную толщину защитной корочки эакристаллизовавшегося металла на поверхности излучателя, Это приводит при переохлаждении к кристал 40 лизации всего слитка, а при недостаточном охлаждении - к износу излучателя и рассогласованию колебательной системы, что существенно снижает производительность ультразвуковой 45 обработки расплавов. Целью изобретения является повышение производительности ультразвуковой обработки расплавов.Указанная цель достигается тем, что согласно способу ввода ультразвуковых колебаний в расплав металлов с использованием полого водоохлаждаемого волновода, для охлаждения используют воду при температуре ки,пения и подают ее в рабочую полость волновода в количестве,пропорциональном увеличению резонансной частоты колебаний преобразователя.При охлаждении ультразвукового ,60 волновода водой при температуре кипения теплота затрачивается на паРообразование. Процесс теплопередачи характеризуется удельной теплотой парообразования, которая для воды состав ляет 22,6 10 зДж/кг. Количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды от 18 фС до 100 ОС, составляет 3,4210 Дж. Таким образом, эффективность охлаждения водой при температуре кипения, когда теплота затрачивается только на парообразование, выше почти в 7 раз по сравнению с охлаждением водой при 18 фС. При охлаждении волновода водой при температуре кипения отсутствует образование паровой "рубашки", препятствующей теплопередаче, так как процесс кипения охватывает весь обьем воды, поступившей в полость для охлаждения, При этом существует линейная связь между количеством подаваемой в полость воды и количеством отводимого тепла, что отсутствует при еохлаждении волновода холодной водой, которая сначала нагревается, а затем начинает кипеть. Таким образом, охлаждение ультразвукового волновода водой при температуре кипения позволяет в зависимости от количества подаваемой в полость воды стабилизировать практически любую температуру рабочего торца волновода; погруженного в расплав. Это имеет решающее значение для стабилизации защитной корочки закристаллизовавшегося металла, особенно при ультразвуковой обработке расплавов с высокой температурой плавления.При введении рабочего торца волновода в расплав и возбуждении ультразвуковых колебаний начинается его интенсивное эрозионное изнашивание, что приводит к увеличению резонансной частоты, которая, являясь основным критерием эффективности работы колебательной снстемы, выбрана в качестве сигнала, регулирующего подачу воды в полость волновода, а следовательно, теплоотвода и толщины защитной корочки.Устройство. реализующее способ, включает магнитострикцибнный преобразователь и волновод с полостью для охлаждения жидкости, В цепь питания магнитострикционного преобразователя параллельно включен частотомер, к которому последовательно подсоединены задающий электронный блок, усилитель, регулятор мощности и электродвигатель постоянного тока, приводящий в действие насос для подачи охлаждающей жидкости э полость волновода.Для точного измерения резонансной частоты колебательной системы в цепь питания магнитострикционного преобразователя параллельно включен частотомер. Система из задающего электронного блока, усилителя, регулятора мощности и электродвигателя постоянного тока, приводящего в д йЭксперименты показывают, что при излучении ультразвука в расплав алю" миния без охлаждения акустический излучатель-насадка подвергается эрозионному износу со скоростью примерно 10-15 мм/ч, что приводит к выходу ее иэ строя. При подаче в полость волновода водопроводной воды с температурой 18-22 С вследствие переохлаждения вокруг излучателя-насадки формируется слой закристаллизовавшегося металла толщиной 25-35 ьею, причем уменьшением потока воды его величину не удается уменьшить. Это приводит к рассогласованию колебательной системы, существенным потерям акустической энергии, что выра-. жается в отсутствии кавитации в оставшемся объеме расплава. Это значительно снижает производительность ультразвуковой обработки. При использовании предлагаемого устройства толщина защитной корочки металла может ствие насос для подачи воды в полостьволновода, обеспечивает точное и надежное преобразование управляющегосигнала от частотомера в переменныйнапор воды, подаваемой в полость волновода. 5На чертеже показана схема устройства.Устройство включает магнитострикционный преобразователь 1 и волновод2 с полостью для охлаждаемой жидкости,которая закрыта съемным излучателем-насадкой 3,. Ультразвуковые колебания генерируются в генераторе 4,образованном обратной акустическойсвязью. Преобраэоцатель 1 параллельно соединен с частотомером 5, а кнему последовательно подсоединенызадатчик 6, усилитель 7, регулятор 8мощности и электродвигатель 9 постоянного тока, приводящий в действиенасос 10 подачи воды из резервуара 11 с подогревателем. Регулировоч,ный золотник 12 обеспечивает регулировку потока воды в зависимости оттребуемой температуры и акустического 25режима.Устройство работает следующим образом.Предварительно осуществляют настройку резонансного режима работы акустической системы путем нагрева рабочего торца волновода 2 (иэлучателянасадки 3) в печи до температуры,соответствующей температуре расплавленного металла, в который необходимо вводить ультразвук. При воэбужде- З 5нии ультразвуковых колебаний регистрируется резонансная частота, которая фиксируется на задающем электронном блоке 6. Затем в резервуаре с подогревателем нагревают до кипения 40воду, и волновод 2 погружают в тигельс расплавом. При возбуждении ультразвуковых колебаний начинается эрозионное изнашивание излучателя-насадки 3,.что приводит к увеличению резонансной 45частоты колебательной системы, которая поддерживается обратной акустической связью. Резонансная частотаизмеряется частотомером 5. В задающем электронном блоке. 6 происходит ее 5 Осравнение с заданной частотой, преобразование и выдача сигнала рассогласования на усилитель 7 и регулятормощности 8, нагрузкой которого является двигатель постоянного тока 9,приводящий в действие насос 10. Таким образом, увеличение резонансной частоты колебательной системыприводит к пропорциональному увеличению напора, создаваемого насосом 10,аследовательно, и объема подаваемойдля охлаждения воды, теплоотвода итолщины накристаллизовавшейся защитной корочки металла. Это в свою очередь, приводит к уменьшению резонансной частоты системы до заданного 65 значения. Таким образом.в устройстве реализуется обратная связь, обеспечивающая требуемую толщину защитной корочки при любой температуре обрабатываемого расплава.Проверку работоспособности предлагаемого устройства и прототипа, который одновременно является и базовым, проводят на примере ввода ультразвуковых колебаний в расплав алюминия. Для возбуждения ультразвуковых колебаний используют генератор УЗГ-10, магнитострикционный преобразователь ПМСАс обратной акустической связью. Полуволиовой волновод диаметром 40 мм изготавливают из титанового сплава ВТ, который обладает малыми акустическими потерями. На рабочий конец волновода наворачивается излучатель-насадка иэ сплава ВТв виде крышки, Входной и выходной штуцеры подачи воды располагаются в узле колебаний волноводаДля реализации устройства собирается схема иэ час-. тотомера Ф 5004, задающего электронного блока, усилителя, регулятора мс., - ности электродвигателя постоянного тока типа ПЛУ 4 и насоса. Вода нагревается в цилиндрической емкости объемом 3 дмЗ. Объем тигля с расплавом 0,5 дмЗ. Толщина слоя накрис" таллизовавшегося металла контролируется стальным щупом с точностью 1 1 мм. Интенсивность акустической энергии, вводимой в расплав, контролируется по возникновению кавитации с помощью титанового щупа, пьезодатчика и светолучевого осциллографа. Температура расплава (700 ОС - 730 ОС) контролируется с помощью термопары и потенциометра. Амплитуда колебаний излучателя в ненагретом состоянии 15-18 мкм, частота колебаний 17,8 кГц.956611 формула изобретения ВНИИПИ Заказ 6525/8 Тираж 660 Подписно илиал ППП "Патент", г.ужгород, ул. Проектна быть стабилизирована в пределах 5-7 мм, Это обеспечивает формирование кавитационной области в тигле с расплавом, что можно следить по размытию сигнала на экране осциллографа.Таким образом, предлагаемый способ и устройство для ввода ультразвуковых колебаний в расплавы металлов обеспечивают повышение производительности в 3-4 раза за счет меньших потерь акустической энергии в переходном слое закристаллизовавшегося металла и, соответственно, большой в 3-4 раза коэффициент полезного действия. С помощью данного устройства можно эффективно вводить. ультразвук в расплавы с любой температурой плавления. 1, Способ ввода ультразвуковых колебаний в расплавы с использованием полого водоохлаждающего волновода, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности, в полость волновода подают воду при температуре кипения в количестве, пропорциональном увеличению резонансной частоты колебаний преобразователя.2. устройство для осуществленияспособа ввода ультразвуковых колебаний в расплавы содержащее магнитострикционный преобразователь, генератор и волновод с полостью, а такжеизмеритель-насадку с охлаждающей 1 О системой, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что оно дополнительно содержитпоследовательно соединенные частотомер, задатчик, усилитель, регулятормощности, электродвигатель, насос, 15 подогреватель, причем всасывающийпатрубок насоса соединен с резерву.аром, а выходной патрубок через ре.гулировочный золотник соединен с ох-лаждающей системой излучателя насад ки. Источники информации принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское .свидетельство СССР 9 61477, кл. 31 С 15/04, 1956. 2. Авторское свидетельство СССР Р 569651, кл. С 22 Г 3/02, 1976.