СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ

Полезная модель относится к устройствам, работающим в жидкой среде, может быть использовано в металлургической, химической, нефтяной, пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности и предназначено для получения металломатричных композитов, тонких эмульсий, суспензий, насыщенных растворов, гомогенных смесей.
Известен ряд эффективных аппаратов, позволяющих проводить диспергирование и гомогенизацию обработкой среды с различными физическими свойствами.
Известен роторно-диспергирующий аппарат (А.с. СССР N 1200960, МПК В01F 7/28, 1985), содержащий корпус с набором коаксиальных цилиндров с прорезями и ротор в виде диска, на торцах которого закреплены коаксиальные цилиндры с прорезями, расположенные между цилиндрами корпуса, и имеющего отверстия, у которых установлены радиальные лопатки, размещенные на одном торце диска перед отверстиями по направлению вращения, а на другом торце - за отверстиями, при этом у соседних отверстий лопатки перед отверстиями расположены на противоположных торцах, диск дополнительно снабжен напорными лопатками, расположенными по ходу потока за радиальными лопатками, размещенными перед отверстиями на противоположном торце диска.
Недостатком аппарата является то, что при крупных (более 0.5 мм) твердых включениях в рабочую жидкую среду процесс диспергирования становится весьма длительным, т.к. кавитационные пузырьки при схлопывании выламывают из твердых включений очень маленькие (порядка нескольких микрон) кусочки, не раскалывая твердые куски диспергируемого материала. К тому же крупные куски зачастую плотно забивают ротор, перекрывают щели, поток жидкости сквозь них прекращается, что полностью останавливает процесс диспергирования.
Известен смеситель (А.с. СССР №445453, кл. В01F 7/18, 1974) содержащий корпус, по вертикальной оси которого установлен вращающийся подающий орган, помещенный в рабочую камеру в виде цилиндрической полости с отверстиями в боковой поверхности, и цилиндрический насадок, установленный с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси камеры.
Недостатком данного смесителя является невозможность получения эмульсии широкого диапазона в связи с отсутствием возможности регулирования процесса.
Известен роторный аппарат (А.с. СССР №1824227, МПК В01F 7/28, 1993), содержащий ротор, выполненный в виде диска с радиальными лопатками и статор с набором коаксиальных цилиндров с прорезями, расположенными под острым углом по направлению вращения ротора, каждый цилиндр статора снабжен установленным с зазором относительно него дополнительным цилиндром с прорезями, причем прорези дополнительных цилиндров смещены и наклонены в противоположную сторону относительно основных цилиндров.
Недостатком устройства является то, что ротор часто забивается крупными частицами и приходится останавливать процесс диспергирования.
Наиболее близким решением является конструкция смесителя, используемого при реализации изобретения (Патент РФ №2145342, С11В 3/16, В01F 7/16 от 10.02.2000), устройства для рафинации масел и может быть использовано, например, в пищевой и химической промышленности. Изобретение служит улучшению условий смешивания масла и жидкости-реагента, а также упрощение конструкции устройства. Основной эффект такой обработки наблюдается в зазорах между ротором и статором. Благодаря этому такой способ дает хорошие результаты в процессах растворения, перемешивания, гомогенизации.
Устройство состоит из цилиндрического корпуса с патрубками для подвода масла и жидкости-реагента, которые расположены на одной оси, перпендикулярной оси корпуса. Корпус снабжен патрубком для отвода обработанного масла. Внутри корпуса установлена перфорированная перегородка с завихрителями, выполненными в виде дугообразных пластин, установленных по периферии перегородки под углом к ее диаметру. Внутри корпуса размещено приспособление для перемешивания масла и жидкости-реагента, представляющее собой установленный на вращающемся валу ротор с лопатками.
Устройство работает следующим образом. Масло подается в корпус устройства по патрубку. Навстречу ему по патрубку подается жидкость-реагент. Ротор, вращаясь со скоростью 200-10000 об/мин, интенсивно перемешивает масло и жидкость-реагент в поле центробежных сил, а благодаря завихрителям и отверстиям в внутри корпуса создаются вращающиеся затопленные струи. При интенсивном воздействии на обрабатываемую среду масло-жидкость-реагент этих физических факторов происходит образование и последующее расслоение ультрадисперсной эмульсии на составляющие фазы, что приводит к полной коагуляции примесей исходного масла в жидкости-реагенте. Полученная взвесь выходит под давлением из патрубка. Использование предлагаемого устройства позволяет повысить эффективность рафинации масла за счет улучшения условий реакции масла и жидкости-реагента. Недостатком устройства является то, что ротор часто забивается крупными частицами и приходится останавливать процесс диспергирования, а в зазорах между вращающимся ротором и неподвижным статором возникают высокие градиенты скорости порядка 8000-8000000 мм/с мм и выше. Это в свою очередь приводит к тому, что в зазорах между ротором и статором значительно повышается температура за счет трения в жидкотекучей среде, причем чем выше вязкость среды, тем выше скорость повышения температуры.
Задачей, решаемой настоящей полезной модели, является обеспечение качественного диспергирования твердых частиц в жидкой матрице в процессе приготовления композиционного материала.
Указанный технический результат достигается тем, что смеситель для металломатричных композитов, содержащий цилиндрический корпус с перегородками, установленными перпендикулярно оси корпуса и ротор с лопатками, цилиндрический корпус смесителя изготовлен разборным, состоящим из колец для установки перегородок, выполненных в виде неподвижных рабочих лопастей, обеспечивающих торможение вращающегося потока, а ротор выполнен в виде секций, состоящих из втулок с укрепленными в них подвижными лопатками (лопастями), при этом ротор состоит из 2-10 секций.
На фиг.1 представлен предложенный смеситель для металломатричных композитов: 1 - кольцо с неподвижными перегородками в виде лопастей; 2 - кольцо верхнее; 3 - звено ротора с подвижными лопостями; 4 - лопасти подвижные; 5 - втулка верхняя; 6 - вал; 7 - дно; 8 - траверса; 9 - траверса верхняя; 10 - хомут правый; 11 - хомут левый; 12 - болт; 13 - подшипник скольжения; 14 - поводок; 15 - шайба; 16 - гайка; 17 - опорная гайка; 18 - подвижные лопасти встречного потока; 19 - неподвижные рабочие лопасти.
Смеситель состоит из корпуса, который выполнен разборным. Он состоит из колец 1 для установки (сварка изнутри) неподвижных рабочих перегородок (лопастей) 19, обеспечивающих торможение вращающегося потока и направления его сверху вниз по внутренней периферии устройства. Неподвижные лопасти тормозят вращение расплава, поэтому между различными микро слоями материала возникают градиенты скоростей, вызывающие перетирание материала одних микро слоев относительно других, перетирание на внутренней поверхности корпуса, на поверхности как подвижных, так и неподвижных лопастей. Торможение предназначено так же для увеличения турбулентности и создания касательных напряжений, которые будут разрушать агломераты. Направленное движение сверху вниз необходимо для макроскопического перемешивания металла с частицами, а также для создания повышенного давления в нижних ярусах миксера для пропитки неразрушенных агломератов и для увеличения сил воздействия жидкого расплава и твердых частиц или их скоплений.
Ротор смесителя выполнен из сборных звеньев 3, каждое из которых состоит из лопастей 4 и втулки 5, которые насажены на вал 6 последовательно. Лопасти при вращении ротора проходят между неподвижными лопастями корпуса с зазором между ними и корпусом в 1 мм на сторону, что создает более высокий градиент скоростей, способствующий диспергированию композита. Лопасти ротора 4 вовлекают материал во вращение, раздвигая его и разбрасывая к стенкам корпуса. Угол атаки лопастей расположен таким образом, что вызывает движение расплава так же сверху вниз, увеличивая давление и циркуляцию перемешиваемой массы. Создание противотока осуществляется лопастями встречного 18, имеющими встречный угол наклона.
Разборные корпус и ротор позволяют менять изношенные элементы, оставляя менее изношенные, менять число ярусов, если это потребуется для уменьшения массы подготавливаемого композита, менять число лопастей, как на роторе, так и на корпусе, менять углы атаки лопастей в каждом или в некоторых ярусах, добиваясь более эффективной работы миксера. Корпус и ротор собираются с дном 7 и траверсами 8 и 9 и скрепляются в хомутах 10 и 11 посредством болта 12, (на сборочном чертеже одна из планок хомута условно развернута на 90° и показана в разрезе на главном виде). Вал вращается в подшипниках скольжения 13, изготовленных из плотных марок графита КПУ-1. Привод ротора во вращение осуществляется с помощью шуруповерта-дрели через поводок 14 и гибкий вал. Необходима регулировка частоты вращения и реверс. Установленная между первым звеном ротора миксера и дном смесителя шайба 15 позволяет выдержать зазор в 1 мм. Собранные звенья ротора крепятся в корпусе смесителя гайками 16 и 17. Конструкция лопастей первого звена миксера 18 позволяет создать направленный противоток, что тоже способствует гомогенизации расплава.
Работа смесителя производится в следующей последовательности. Установка смесителя (возможно с навеской твердых частиц) в шахтную печь с рабочим объемом ⌀110 и зоной нагрева ~200 мм, где нагревается до температуры ~300°С. Матрица композита в количестве 3-5 кг расплавляют отдельно. Расплав должен иметь заданную температуру, очищен от плен, прорафинирован и залит в миксер. Затем смеситель извлекают из печи, заливают его порцией расплава, засыпают необходимое количество порошка, если он предварительно не помещен в смеситель. Через поводок 14 смеситель подсоединяется к шуруповерту. Вал ротора 6 с закрепленными звеньями ротора 3 с лопатками 4 приводится во вращение, начиная с минимальной и увеличивающейся до максимальной частоты 500-1000 об/мин. Вращение должно продолжаться от 20 до 40 с. Затем через гибкий привод, производится реверсирование вращения и композит заливается в подготовленную литейную форму по обычной технологии непосредственно из смесителя.
Составной корпус смесителя и рабочие органы должны быть изготовлены из свариваемой жаростойкой и жаропрочной стали. При ремонте могут заменяться только изношенные секции.
Предлагаемый смеситель позволяет обеспечить качественное диспергирование твердых частиц в жидкой матрице в процессе приготовления композиционного материала.