Устройство для подготовки расплава, содержащего твердую и жидкую фазы

(19) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ(71) Чентро Ричерке Фиат С.п.А.(54)(57) 1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ РАСПЛАВА, СОДЕРЖИЦЕГО ТВЕРДУЮ ИЖИДКУЮ ФАЗЫ, включающее емкость длярасплава с дном.и приспособлениядля разделения потока расплава, выполненные в виде спиральных лопастей, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью понижения вязкостирасплава и повышения процента твердой Э(51) В 22 0 1/00 В 22 И 25/06 фазы в нем, дно емкости для расплава 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 распо-. ложением верхнего конца каждой спиральной лопасти под .углом 90 о 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 коноца спиральной лопасти последующего плоского элемента и отнОшение длины каждого отверстия к его диаметру равно единице.1058491 кости. вовать дальнейшему росту самих дендритов, В этом случае дендритныефрагменты независимы друг от другаи имеют тенденцию к принятию сферо 5 идальных форм под влиянием непрерывного механического воздействия.Укаэанное скольжение, которое может быть рассчитано с помощью относительного градиента скорости, может10 быть получено и внутри смеси с помощью турбулентного потока и ламинарного и постоянного потока жидкости,в котором, иными словами, различныечастицы смеси двигаются с заранееопределенной скоростью в зависимостиот их положения относительно стеноккамеры, через которую они проходят.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности и достигаемому результату является способ подготовки смеси, состоящей из твердойи жидкой фаэ сплава металла, и установка для осуществления этого процесса,Устройство состоит из емкости,в которой создается поток смеси ирасположены приспособления для передачи в виде спиральных лопастей,каждая из которых предназначена дляпоперечного разделения потока покрайней мере на две струи и приданиякаждой из них спиралевидной траектории движения. В этой установке смесьподвергается воздействию сил скольжения и непрерывным ударам, в результате чего смесь, выходящая иэустановки, имеет весьма высокий процент твердой фазы, в то время как .вязкость самой смеси довольно низка (1,Бвло установлено, что хотя наописанной установке и могут бытьполучены полностью удовлетворительные результаты, но,если у смеси должна быть заданная и не очень высокаявязкость, например, необходимая дляОбеспечения ее пригодности к после 2. Устройство по и, 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 по и, 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что охлаждаю:щее средство выполнено в виде мно Изобретение относится к установке для подготовки смеси, включающейв себя твердую и жидкую фазы сплаваметалла такого вида, который используется в процессах, определяемых какполужидкое,Известно, что в металлургии сплавы металлов имеют интервал температур, вне которого они затвердевают,а длительность данного интервалахарактеризует сам сплав, Над верхнйм пределом (ликвидусом) этого интервала сплав полностью находитсяв жидком состоянии, в то время какниже нижнего предела (солидуса)сплав находится в твердом состоянии.В интервале, в течение которогопроисходит затвердевание, различаютдве фазы (жидкую и твердую), относительные количества которых являются функцией температуры и композиции самого сплава.В обычных условиях эатвердеваниятвердое вещество находится в Лендритной форме, т.е. в виде древоподобных структур, характерной чертойкоторых является перпендикулярноеответвление от основных ветвей вторичных, третичных и т.д. ветвей,Как только доля твердого веществадостигнет 20, присутствующие дендриты образуют древоподобную структуру, которая повышает величину вязкости сверх допустимых пределов дляразливочной операции.Известны процессы, посредствомкоторых возможна подготовка смеси,состоящей иэ твердой и жидкой фазметаллического материала, которая,несмотря на довольно высокую концентрацию твердой фазы, обладаетхарактерными свойствами жидкости,в частности, относительно низкойвязкостью,В ходе этих процессов вызывается скольжение между различными частицами смеси, которые поддерживаютсяв движении таким образом, чтобы разрушать в определенных пределах дендритные взаимосвязи, образующиесяпри затвердевании смеси, и препятст 20 25 30 35 40 45 жества дополнительных отверстий в плоских элементах, образующих каналы для циркуляции охлаждающей жид 4, Устройство по и, 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что длина спи ральных лопастей равна длине отверстий. дующей разливке методом кокильного литьяуказанный процент твердойфазы не может быть увеличен сверхопределенного предела, который не50 превышает 60 Ъ, если габариты установки рассчитаны на получение до-, вольно высокой скорости потока смеси,как, например, для высокопроизводительных промышленных установок.Цель изобретения - понижение вязкости расплава и повышение процентатвердой фазы в нем,Укаэанная цель достигается тем,что в устройстве для подготовкирасплава, содержащего твердую и жидкую фазу, включающем емкость длярасплава с дном и приспособления дляразделения потока .расплава, выполненные в виде спиральных лопастей, дйоемкости для расплава образовано множеством уложенных в стопку, плоскихэлементов, выполненных со сквознымиотверстиями, образующими ряды вертикальных каналов диаметром 2-10 мм,в каждом из которых вдоль продольной 20оси размещено по одной спиральнойлопасти, образованной скручиваниемпластины или ребра вокруг продольнойоси с расположением верхнего концакаждой спиральной лопасти под углом90 оотносительно нижнего конца и делящей каждое отверстие на.две продольные камеры, при этом нижний конецспиральной лопасти предшествующегоплоского элемента расположен под углом 90 относительно верхнего концаапиральной лопасти последующегоплоского элемента и отношение длиныкаждого отверстия к его диаметруравно единице.Устройство может быть снабженоохлаждающим средством, выполненным,например, в виде множества дополнительных отверстий в плоских элементах, образующих каналы для циркуляции охлаждающей жидкости. 40Длина спиральныхлопастей равнадлине отверстий,На фиг,1 изображено устройство,продольный разрез; на Фиг,2 - спиралевидная лопасть, перспективный 45вид; на,фиг.3 приведено семействокривых, иллюстрирующих поведениеустройства в работе,Устройство состоит из множестваналоженных друг на друга плоскихэлементов 1 в каждом из которыхимеется серия отверстий 2, которыепересекают сам элемент и расположены в любой заданной конфигурации.Таким образом, когда подобные элементы накладываются друг на другатак, с одной парой контактирующихповерхностей, различные отверстия. 2определяют множественность каналов3, которйе пересекают всю стопку,образованную этими элементами.Эти накладывающиеся друг на друга элементы могут быть размежеванылюбой поперечной плоскостью, например, цилиндрической, а для сохранения их в правильном расположении 65 друг к другу можно предусмотретьустанавливаюцде устройства любоготипа, составленные, например, пара-.ми цилиндрических поверхностей 4,которые могут быть одарены друг сдругом (фиг.1), или с помощью штифтов, заклепок и. т.п.Различные каналы 3 соединены срезервуаром 5, в котором может находиться. задайное количество сплавав жидком состоянии. Он может постунать из удобной для этих целей плавильной печи, между которой и резерэвуаром могут быть предусмотреныустрсйства, оказывающие на сплавдавление, непрерывного или прерывистого действия создаваемое,какв первом случае, шестеренчатим насосом и поршневым во втором.Наложенные друг на друга элементы.охлаждаются соответствующими охлаж-дающими средствами для постепенногоохлаждения материала, который течетв каналах 3, и получения в каЖдомиэ них заданного температурного градиента ЬТ/ определяемого как вариация температуры ЬТ в качествефункции расстояния, пройденногоматериалом в канале. Для этой целиможно сделать. соответствующие отверстия 6 в элементах 1, которые образуют канали, являющиеся частью охлаждающей цепи.Для использования смеси нижнийвыход канала 3 может быть соединен,.например, с пресс-формой,В каждом отверстии 2 элемента 1 предусмотрены средства для сепара; ции и передачи материала, расположенные так, что через них.проходит материал, протекающий по оси через сами отверстия, Эти средства состоя из множества спиральных лопастей 7, каждая иэ которых разделяет .поток материала, движущегося под напором, по крайней мере, на две независиьаые струи 8 и 9 и заставляет каждую из нихтечь по такой траектории, чтобы в каждой струе, образуемой последующей лопастью, текли части обеих струй, образованных непосредственно, предшествовавшей лопастью.Для этой цели каждая лопасть может иметь Форму, как это показано на фиг .2, т .е. может быть получена путем скручивания .пластины вокруг продольной оси. Осевая длина каждой лопасти и шаг данной спирали подбираются так, чтобы кромки концов, соответственно передний конец 10 и задний конец 11 каждой .лопасти, вращались бы по отношению друг к другу ,под углом 90 . Очевидно, что в этих условиях поток материала, проходе- щего через отверстие 2, разделяется каждой лопастью на две по существу равные струи 8 и 9 и каждая из нихвращается, проходя через лопасть,под углом 90Как ясно видно на фиг.1 последовательно расположенные лопасти повернуты друг к другу также под углом 90" так, что задняя кромка каждой иэ них ортогональна к переднейкромке последующей лопасти.Данные лопасти могут быть сконструированы иэ любого материала, обладающего физической и химическойстойкостью против проходящего черезних сплава, например карбида вольфра.ма, металлокерамического материала,графита и т.п. Такие лопасти прикрепляются к соотнетствуюшему элементу 1 любым удобным способом спомощью соответствующего крепежаили могут быть иэготонлены как одноцелое с самим элементом.КроМе того, можно сконструировать установку, где лопасти поперемейно располагались бы по левой иправой винтоным линиям,На основании изобретения и дляцелей, которые будут указаны ниже,диаметр каждого отверстия 2 довольнс мал и находится в пределах 210 мм, а соотношение между осевойдлиной самого отверстия и его диаметром составляет порядка единицы.Предлагаемая установка действуетследуюшим образом.Сплав металла, который приводитсяи жидкое состояние плавлением, поступает н резервуар 5 под давлением,величина которого выбирается такой,чтобы могло быть преодолено жидкостно-динамическое сопротивление, скоторым сталкивается сам материалпри прохождении через. канал 3. Этоделается для того, чтобы материалпокидал нижние кромки отверстий каналов с заданной скоростью. Материал присутствующий на переднем конце каждого канала и все еще находяшийся полностью в жидком состоянии, при прохождении через канал постепенно охлаждается. Материал, подаваемый к первой лопасти 7 любого из каналов, разделяется на две струи 8 и 9, которые указаны стрелками на рис, 2. При прохождении первого канала каждая струя 8 и 9 нрашается, в оснонном, под углом 90 ф и, следовательно, при поступле-, нии на следуюшую лопасть разделяется еше на ,дне струи. Из этого следует, что каждая струя, протекаюШая через один из двух каналов, образуем,гх второй лопастью 7 канала, фактически состоит иэ материала, поступаюшего ,от двух струй 8 и 9, которые прошли каждый из каналов, образованных не, посредственно предшествующей лопастью Подобным же образом, когда каждая иэ образованных струй проходит третью лопасть, она подразделяется еще надне струи,В заключение, когда материал проходит через каждую из лопастей 7, онподразделяется на две независимыеструи, каждая из которых образуетсяпутем получения материала из обеихструй, вытекающих после прохождениянепосредственно предшествуюшей лопасти.10 В то время как сплав в продольномнаправлении проходит через канал 3,он охлаждается благодаря действиюсредств охлаждения и имеет тенденциюк образованию смеси, содержашей твер 15 дую и жидкую Фазы, в,которой содержание твердой фазы растет по мереохлаждения, т,е. постепенно, по мерепрохождения материала через каналы 3.Частицы материала, принадлежащиепотоку, который образует каждую изструй, проходящих через лопасть 7,начинают двигаться с заданной скоростью, которая очевидно зависит отположения, занимаемого самой струейотносительно поверхностей, отделяющих ассоциированную струю (поверхности лопасти 7 и отверстия 2) . Врезультате, пока смесь протекает мимо каждой из лопастей, она подвергается воздействию скольжения, которое, очевидно, зависит от скоростираспределения различных потоков какдой струи, Данное скольжение может. быть рассчитано с помощью градиентаскольжения, определяемого соотношением между разницей в скорости двухпотоков и расстоянием между ними.Ввиду этого скольжения между различными частицами, которое тем больше,чем больше соответствующий градиент,40 дендритные связи, имеюшие тенденциюк образованию в смеси, постепенноразрушаются по мере прохождения м-. -териала через лопасть, а возникновение новых подобных связей ингиби 45 РУРтсяКак только материал покидает одну лопасть и поступает на следуюшую,он находится в совершенно другом диапазоне скорости ввиду того, чторазличные частицы оказываются впотоках, положение которых относительно поверхностей, отсекаюцих ассоциированный поток, полностью отличается от положения, в котором находились потоки в предшестнуюшей лопасти и содержали те же частицы, Фактически, если считать, что, например,поток, который в первой лопасти располагается в непосредственной близости к поверхности самой лопасти,а не в ее центре, и который, следовательно, имеет очень низкую (почтинулевую) скорость из-за своей близости к данной поверхности, еслиэтот поток подается на следующую ло 65 пасть, то он располагается, по существу, в центре создаваемой лопастьюструи. Иными слонами, на немного большем расстоянии от поверхности самойлопасти, Из этого со всей очевидностью следует, что поток в данномположении обладает немного большей 5скоростью, чем имел соответствующийпоток на предшествовавшей лопасти.Это резкое изменение скорости, которому подвергаются различные частицыпри переходе от одной лопасти к последующей, приводит к значительномуувеличению градиента, скольжения; чтоспособствует значительному увеличению скольжения и ударов друг о друга частиц, принадлежащих к различным 15потокам, и, следовательно, ведет ;.всущественных масштабах к разрушениюдендритных связей, которые имеюттенденцию к образованию в твердойФазе материала, проходящего вдолькаждой из лопастей 3,В:то время как поток материалапродвигается вдоль каждого из каналов 3, он также подвергается воздействию температурного градиента Ь Т/( с 25т.е. в разнице температуры йТ с разницей в расстоянии Ь, пройденномсплавом по каждому каналу 3, что даетпредставление о скорости охлажденияв самом канале.30Путем экспериментов на установках,подобных предлагаемой, с каналами 3различных диаметров и работавших вразличных условиях эксплуатации, было установлено что соотношение меж 135ду вязкостью ( полученной смеси и 3концентрацией С твердой фазы самойсмеси, может быть выражено с помощьюкривых, как это показано на Фиг.3,где каждая из них относится к задан,ному температурному градиенту ЬТ/Ь 40(или скорости охлаждения), оставшемуся неизменным. Температурный градиент является функцией, прежде всего диаметра каналов 3, а также эксплуатационных условий установки (эфФективность охлаждения, скоростьсплава и т.п.) и имеет тенденцию кувеличению по мере уменьшения диаметра. Различные кривые данного семейства, обозначенные ссылочными буква= ми 6(, С и С связаны с постепенно уменьшающимися температурными градиентами. Из этих кривых со всей очевидностью следует, что если необходимо получить смесь с очень низкой заданной вязкостью(фиг.2) и одновременно с очень высокой концентрацией твердой фазы С,1, то зти условия могут быть выполнены только на установке, на которой можно получить также очень низкий температурный градиент (или скорость охлаждения) ЕТ 7 Ь равный 0 3 (установка, на которой возможно получить температурные градиенты 6и С,(, может дать смесь с той же вязкостью ц , но только с концентрацией твердых Фаз С( и С .намного меньшей, чем С) .Из приведенных пояснений следует, что для обеспечения оптимальных условий, необходимо заставить материал двигаться по каналам 3 с низкой скоростью скольжения. Тем не менее, установка также позволяет получить высокую скорость движения смеси, которая зависит исключительно от количества каналов 3 (и, следовательно, отверстий 2), предусмотренных на взаимонакладываеььи элементах 1,Следовательно, ввиду того, что установка по изобретению способна обеспечить получение смеси с одновременно очень низкой вязкостью и очень высокой концентрацией твердой фазы и по своим данным превосходит уже известные установки в этой области, а также имеет высокую скорость движения потока, то подобные установки представляют интерес для организации , ,процесса на промышленной основе,Конструктивно установка очень проста и при увеличении или уменьшении числа взаимонакладываемых элементов 1 пригодна для работы различными смесями.Очевидно, что модификация и изменения в форме и расположении различных частей устройства по изобретению могут быть осуществлены без отклонения от сущности самого изобретения.1058491 1 В СЭ С -фф и оленСоставитель Т, ЕТекред Л, Пилипен шетни орректор Г Портна едакт аказ 9612/5 лнал ППП Патентфф, г.Ужгород ул. Проектная, 4 9 Тираж 813 ВНИЙПИ Государственного по делам изобретений 11)035, Москва, Ж, Раув