Устройство для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов
DEVICE FOR ULTRASONIC TREATMENT OF MELT OF LIGHT ALLOYS

Техническое решение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при получении слитков легких сплавов, фасонном литье и дисперсном упрочнении алюминиевых сплавов путем введения в материал микро- или наночастиц, при изготовлении различных деталей самолетов и вертолетов в авиастроении, корпусов ракет, обтекателей, топливных и кислородных баков, защитных оболочек для литий-ионных батарей, корпусов приборов, малоинерционных робототехнических модулей, в автомобильной промышленности, в снаряжении для спорта и отдыха.
Одним из наиболее эффективных способов повышения качества получаемых материалов и изделий из них является обработка расплавов в процессе изготовления ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности в кавитационном режиме.
Эффективность обработки расплавов ультразвуковыми (УЗ) колебаниями зависит от способа передачи колебаний в обрабатываемые расплавы.
Разработаны и используются на практике различные устройства для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов, при помощи которых ультразвуковое воздействие осуществляется на стенки технологических объемов, в которых находятся расплавы [1], бесконтактно на поверхность расплавов [2], или непосредственно на расплав [3, 4], путем введения в него колеблющегося с ультразвуковой частотой рабочего инструмента (излучателя).
Очевидно, что ультразвуковые колебания наиболее эффективно подавать непосредственно в расплав металла, чтобы обеспечить максимальное энергетическое воздействие в кавитационном режиме и исключить влияние кристаллизатора, в котором получается слиток или отливка, на параметры колебательной системы.
Основная проблема введения ультразвуковых колебаний в расплавы металлов обусловлена их высокой температурой, приводящей к изменению акустических свойств излучателей и к их быстрому расплавлению и разрушению.
Устройства, обеспечивающие непосредственное введение УЗ колебаний в расплав наиболее эффективны в энергетическом отношении, способны обеспечить обработку максимальных по размерам объемов расплавов. Однако, даже кратковременное размещение излучателя и его частичное растворение изменяет акустические характеристики излучателя и ухудшает качество обработки, а продолжительное нахождение излучателя в жидкой фазе приводит к его полному разрушению или растворению.
Для частичного решения проблемы используются устройства для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов, в которых рабочие инструменты (излучатели), непосредственно контактирующие с расплавами, выполняются из специальных тугоплавких материалов.
Наиболее близки по технической сущности к предлагаемому является
устройство для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов, содержащее преобразователь, концентратор ультразвуковых колебаний и излучатель из ниобия, тантала или их сплавов длиной, кратной половине длины волны продольных колебаний ультразвука на частоте его возбуждения [5], принятое за прототип.
Выполнение в прототипе излучателя из ниобия, тантала и их сплавов, характеризующихся температурой плавления, значительно превышающей (не менее 2 раз) температуры плавления легких сплавов, позволяет частично решить проблему непосредственного ультразвукового воздействия на расплавы с высокой температурой (до 1000 градусов). Выполнение излучателя длиной, равной половине длины волны продольных колебаний ультразвука на частоте его возбуждения, что реально не превышает 100…150 мм, и погружение излучателя в расплав обуславливает его нагрев до температуры плавления обрабатываемых сплавов (до 1000 градусов). За счет этого происходит соответствующий нагрев концентратора, изготовленного не из тугоплавкого материала и значительный нагрев самого преобразователя.
Недостатками прототипа является:
1. Низкая эффективность формирования ультразвуковых колебаний, вводимых в обрабатываемый расплав из-за существенного изменения эффективности работы преобразователя при температурах, близких к температуре Кюри (температуры потери пьезоэлектрических или магнитострикционных свойств преобразователя), изменения акустических свойств материалов концентратора и излучателя (изменение скорости распространения и затухания колебаний), обусловленных нагревом излучателя и концентратора.
2. Снижение эффективности вводимых колебаний, надежности и работоспособности устройства из-за нарушения акустического контакта в месте механического резьбового соединения концентратора и излучателя. Это происходит при высокой температуре из-за различий в коэффициентах термического расширения соединяемых металлов, значительной амплитуды механических колебаний и приводит к частичной или полной потери акустического контакта и снижению эффективности передачи колебаний в излучатель, и соответственно, в обрабатываемый расплав.
Перечисленные недостатки ограничивают возможности ультразвукового излучателя, которые приводят к существенному снижению эффективности введения ультразвуковых волн в расплавы, снижению производительности обработки и потере качества конечного продукта, что делает такое устройство практически не пригодным для производственного применения, требующего длительной и эффективной обработки расплавов при получении новых сплавов и изготовлении из них ответственных деталей.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующего устройства, и создание устройства для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов, способного обеспечить повышение эффективности введения ультразвуковых волн, увеличение производительности и улучшение качества конечного продукта за счет обеспечения стабильности параметров колебательной системы, исключения перегревов преобразователя и концентратора, исключения возможности нарушения акустического контакта излучателя с концентратором.
Кроме того, предлагаемое устройство позволит обеспечить повышение привлекательности самого метода ультразвуковой обработки расплавов металлов за счет увеличение надежности устройства и возможности его практического применения, как на серийных больших производствах, так и на малых производствах, отливающих отдельные уникальные изделия.
Суть технического решения заключается в том, что в предлагаемом устройстве для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов, содержащем преобразователь, концентратор ультразвуковых колебаний и излучатель из ниобия, тантала или их сплавов длиной, кратной половине длины волны продольных колебаний ультразвука на частоте его возбуждения, излучатель выполнен длиной не менее длины волны продольных колебаний ультразвука на частоте его возбуждения, на концентраторе в месте минимума механических колебаний выполнен крепежный поясок, симметрично оси концентратора и излучателя размещена охлаждающая камера, выполненная в виде полого цилиндра с патрубками ввода вывода охлаждающей жидкости, одна из торцевых поверхностей которого герметично закреплена на пояске концентратора. Вторая торцевая поверхность охлаждающей камеры имеет центральное отверстие и герметично закреплена на поверхности излучателя в месте, расположенном на расстоянии, равном четверти длины волны колебаний в излучателе от места соединения излучателя с концентратором.
Технический результат выражается в создании устройства для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов, позволяющего обеспечить длительную обработку расплавов без снижения эффективности ультразвукового воздействия, исключить возможность нарушения акустического контакта между излучателем и концентратором при высокой температуре обрабатываемых сплавов, обеспечить стабилизацию параметров преобразователя, концентратора и излучателя, а также уменьшить разрушения излучателя за счет его частичного охлаждения со стороны участка, присоединенного к концентратору и охлаждаемого водой в охлаждающей камере.
Сущность предлагаемого технического решения и принцип его работы поясняются Фиг. 1.
На Фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов.
Предлагаемое устройство для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов состоит из пьезоэлектрического преобразователя электрических колебаний в механические 1, концентратора - усилителя механических колебаний 2, излучателя - рабочего инструмента 3 из ниобия, тантала или их сплавов длиной, не менее длины волны продольных колебаний ультразвука на частоте его возбуждения. На концентраторе в месте минимума механических колебаний выполнен крепежный поясок 4, симметрично оси концентратора и излучателя размещена охлаждающая камера 5, выполненная в виде полого цилиндра с патрубками ввода 6 и вывода 7 охлаждающей жидкости. Одна из торцевых поверхностей 8 полого цилиндра охлаждающей камеры герметично закреплена на пояске концентратора 4. Вторая торцевая поверхность 9 охлаждающей камеры 5 имеет центральное отверстие и герметично закреплена при помощи эластичного уплотнения 10 на поверхности излучателя в месте, расположенном на расстоянии, равном четверти длины волны колебаний в излучателе от места соединения 11 излучателя с концентратором.
Выполнение рабочего инструмента - излучателя 3 из высокотемпературного материала и резонансной длиной, соответствующей двум длинам полуволн в материале инструмента обеспечивает возможность размещения части инструмента и соединительной поверхности с концентратором внутри охлаждающей камеры, в которой протекает охлаждающая жидкость (например, водопроводная вода с температурой не выше 35 градусов Цельсия). Это позволяет обеспечить охлаждение концентратора, исключить нагрев преобразователя (дает возможность использовать пьезоэлектрический преобразователь с большим КПД в сравнении с магнитострикционным) и обеспечить охлаждение части рабочего инструмента - излучателя. Благодаря этому охлаждению будет осуществляться охлаждение всего излучателя и даже той его части, которая в процессе обработки погружается в расплав.
Выполнение на концентраторе буртика в месте минимума механических колебаний (на расстоянии, соответствующем четверти длины волны УЗ колебаний в материале концентратора от места соединения концентратора с излучателем) позволяет реализовать герметичное крепление одной из торцевых поверхностей охлаждающей камеры без существенного влияния на параметры колебательной системы (без снижения ее эффективности).
Вторая торцевая поверхность охлаждающей камеры имеет центральное отверстие и герметично закреплена на поверхности излучателя в месте, расположенном на расстоянии, равном четверти длины волны колебаний в излучателе от места соединения излучателя с концентратором. Такое крепление исключает влияние охлаждающей камеры на резонансные свойства излучателя и всей системы и позволяет, при необходимости, легко заменять излучатель
Устройство для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов работает следующим образом.
2
Подаваемые от электронного генератора (на фиг. 1 не показан) ультразвуковой частоты электрические колебания преобразуются пьезоэлектрическим преобразователем 1 в упругие колебания ультразвуковой частоты. Упругие колебания усиливаются концентратором 2 механических колебаний и передаются в излучатель 3 резонансной длины. Колебания торцевой свободной поверхности излучателя, частично погруженного в расплав, при определенной амплитуде и интенсивности воздействия (не менее 20 Вт/см) обеспечивают возникновение кавитационного процесса в расплаве и реализацию необходимых процессов удаления газов, распределения наночастиц, изменения структуры и свойств получаемого сплава. Для обеспечения длительной и эффективной обработки в охлаждающую камеру 5 через патрубки ввода - вывода непрерывно подается охлаждающая жидкость, обеспечивающая необходимые условия эксплуатации преобразователя, концентратора и инструмента.
Предварительные испытания устройства показали, что нарушения акустического контакта в процессе многодневной эксплуатации не происходит, параметры колебательной системы в процессе многочасовой обработки расплава стабилизируются, т.е. обеспечивается длительное воздействие без изменения параметров УЗ колебаний. Частичное охлаждение рабочего инструмента - излучателя позволило увеличить срок его эксплуатации в расплавах при температуре 750 градусов Цельсия не менее чем в 10…15 раз.
Использование предлагаемого устройства позволяет получать сплавы с новыми уникальными свойствами за счет длительной равномерной обработки и возможности эффективного равномерного распределения в сплавах упрочняющих составляющих и наночастиц.
Предложенное устройство для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов прошло успешные испытания в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета и малого инновационного предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий» и запланировано к промышленному производству в 2020 году.
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Дегазация расплавленных сплавов с помощью ультразвуковых колебаний [Текст]: US 2007/0235159 А1: МПК B22D 27/08 (2006.01) / B22D 27/00 (2006.01) / Qingyou Han, Hanbing Xu, Thomas Т. Meek; заявка: 11A204893 от 16.08.2005. Опубликовано: 11.10.2007.
2. Микрокристаллический сплав, метод для производства, аппарат для производства и способ производства литья [Текст]: патент US 8,992,705 В2: МПК С22С 2 I/06 (2013.01) / С22С 23/04 (2013.01) / C22F 1/043 (2013.01) / C22F 1/047 (2013.01) / C22F 3/02 (2013.01) / Yuichi Furukawa; Yoshiki Tsunekawa; патентообладатель: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Aichi-ken (JP); Toyota School Foundation, Aichi-Ken (JP); заявка: №13/392 696 от 02.08.2010. Опубликовано: 31.03.2015.
3. Способ получения упрочненных алюминиевых сплавов [Текст]: патент RU на ИЗ 2631995: С22С 1/03 (2006.01) / Ворожцов А.Б., Архипов В.А., Ворожцов С.А., Дубкова Я.А., Кудряшова О.Б., Хрусталев А.П., Степкина М.Ю.; патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) (RU); заявка: 2016144615 от 14.11.2016. Опубликовано: 29.09.2017.
4. Способ получения упрочненных сплавов на основе алюминия [Текст]: патент RU на ИЗ 2542044: МПК С22С 1/03 (2006.01) / С22С 1/06 (2006.01) / Ворожцов А.Б., Ворожцов С.А., Архипов В.А., Кульков С.Н., Шрагер Э.Р.; патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) (RU) заявка: 2013149191/02 от 05.11.2013. Опубликовано: 20.02.2015.
5. Устройство для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов [Текст]: патент на ИЗ RU 2186147: МПК C22F 3/02 (2000.01) / Эскин Г.И.; патентообладатель: Эскин Г.И.; заявка: 2000123139/02, 07.09.2000. Опубликовано: 27.07.2002 - прототип.