СОПЛО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АМОРФНОЙ ЛЕНТЫ
NOZZLE FOR PRODUCTION OF AMORPHOUS STRIP

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении ленты из аморфных, нанокристаллических металлов и сплавов для производства магнитопроводов распределительных трансформаторов, трансформаторов тока, высокочастотных и импульсных микротрансформаторов, магнитных усилителей и др.
В качестве аналога выбрано сопло для производства тонких, быстро охлаждаемых металлических полос из композитной керамики, содержащее вставку из металлокерамики с отверстием для подачи расплава (Патент №JP 1150449, B22D 11/06, 13.06.1989 г.).
Недостатком данного сопла является повышенная трудоемкость изготовления вставки, обусловленная сложностью конструкции, связанной с наличием буртов для крепления вставки к корпусу, применением дополнительного термостойкого связующего материала для герметичного крепления вставки к корпусу и трудоемкостью выполнения узкого и протяженного щелевидного канала. Кроме того, выполнение стенок щели из одинакового материала с одними и теми же свойствами ухудшает условия истечения расплава из сопла и приводит к повышению риска попадания неметаллических включений из связующего материала в отверстие вставки, через которое подается расплав и неустойчивому формированию лужицы расплава.
Из известных наиболее близким к предложенному является сопло для производства тонкой металлической полосы, получаемой сверхбыстрым охлаждением, выбранное в качестве прототипа, содержащее корпус из материала, имеющего высокую термостойкость, и вставку с выпускным каналом из материала, имеющего высокую стойкость к коррозии (патент №JP 57056142, B22D 11/06, 03.04.1982 г.)
Недостатками данного сопла являются трудоемкость изготовления и высокая стоимость, обусловленные сложностью конструкции, в которой присутствуют бурты для крепления вставки к корпусу, и низкой технологичностью изготовления, ограниченные условия истечения расплава вследствие наличия дополнительной полости во вставке и одинаковых свойств всех стенок выпускного канала. Это повышает риск затвердевания расплава во вставке, приводит к снижению надежности работы сопла и ухудшает качество производимой ленты.
Техническим результатом от применения данного изобретения является улучшение качества аморфной ленты, обеспечение возможностей для увеличения ширины получаемой ленты и расширения диапазона толщины ленты от 20 до 45 мкм, повышение стойкости сопла и надежности работы узла разливки расплава, снижение трудоемкости и себестоимости изготовления сопла.
Технический результат достигается тем, что сопло для производства аморфной ленты содержит корпус, выполненный в виде полой усеченной пирамиды, вставку и щелевидный канал, который образован боковой гранью вставки и стенкой корпуса, при этом вставка выполнена из материала с более низкой смачиваемостью, чем материал корпуса.
Также технический результат достигается тем, что корпус выполнен из кварцевой керамики, а вставка из нитридной керамики, щелевидный канал выполнен наклонным в сторону вставки, вставка выполнена в виде усеченной пирамиды с выступами, выполненными на рабочей боковой поверхности по краям с высотой, соответствующей ширине щелевидного канала, при этом боковые грани вставки и выступы опираются на ответные наклонные стенки корпуса. На боковой грани вставки между крайними выступами выполнен, по крайней мере, один дополнительный выступ, а щелевидный канал выполнен с переменной шириной, уменьшающейся в сторону выходного сечения.
Выполнение щелевидного канала между боковой гранью вставки и стенкой корпуса обеспечивает возможность получения канала требуемой ширины сечения (по всей длине сопла) с высокой степенью точности и качеством поверхности, что способствует стабильности истечения и повышению надежности работы разливочного узла. При этом механическая обработка корпуса и вставки осуществляется отдельно с возможностью использования высокопроизводительного инструмента, обрабатываемые детали не имеют буртов, что повышает технологичность их изготовления и качество обработки, уменьшается трудоемкость и стоимость изготовления.
Использование щелевидного канала со стенками из материалов с разной смачиваемостью улучшает условия формообразования лужицы расплава в процессе разливки, препятствует сбросу расплава в направлении, противоположном выходу ленты, обеспечивает одинаковую толщину и поперечную разнотолщинность аморфной ленты.
Наклон щелевидного канала в сторону вставки обеспечивает оптимальное направление потока и исключает выбросы расплава в обратную сторону. Величина оптимального угла наклона щелевидного канала составляет 5-20°. Увеличение угла наклона выше 20° приводит к нарушению динамической устойчивости истечения струи расплава и разбрызгиванию расплава на поверхности литейного колеса.
Наличие технологических выступов на боковой (рабочей) поверхности вставки обеспечивает формирование требуемого сечения щелевидного канала, что определяет стабильность процесса получения аморфной ленты и однородность геометрических и физических параметров получаемой ленты.
Наличие дополнительного выступа на боковой грани вставки также способствует стабилизации профиля щелевидного канала (особенно при получении широких лент), сохранению постоянства геометрических параметров канала, которые могут изменяться в течение разливки за счет термических деформаций и эрозии.
Переменное сечение внутренней полости сопла приводит к увеличению скорости истечения расплава на выходе из канала, равномерному распределению расплава по всей длине щелевидного канала и динамической стабильности струи расплава.
Сопло для производства аморфной ленты изображено на чертежах, где на:
Фиг.1 изображено поперечное сечение сопла с вставкой.
Фиг.2 изображено продольное сечение сопла по выступам вставки.
Фиг.3 - то же, с дополнительными выступами.
Фиг.4 показана вставка без дополнительных выступов.
Фиг.5 показана вставка с дополнительными выступами.
Фиг.6 изображена лужица расплава.
Сопло для производства аморфной ленты состоит из корпуса 1 и установленной в корпусе вставки 2, образующих щелевидный канал 3.
В корпус 1 из кварцевой керамики с высокой огнеупорностью, термостойкостью, химической стойкостью к расплаву и низкой смачиваемостью устанавливается вставка 2 из нитридной керамики с более низкой смачиваемостью, чем материал корпуса, с повышенной износостойкостью и хорошей обрабатываемостью, при этом грань вставки и стенка корпуса образуют щелевидный канал 3 для подачи расплава 4 на быстро охлаждаемую цилиндрическую поверхность 5.
1
Щелевидный канал 3 образован стенкой 6 корпуса 1, который выполнен в виде полой усеченной пирамиды, и гранью 7 вставки, которая также выполнена в виде усеченной пирамиды. Такое соединение корпуса 1 и вставки 2 обеспечивает надежное соединение вставки с корпусом и не требует применения дополнительного связующего материала для крепления вставки и удержания расплава во внутренней полости сопла. Щелевидный канал 3 выполнен с углом наклона α=20° в сторону вставки. Расплав 4 подается на быстро охлаждаемую вращающуюся цилиндрическую поверхность 5 под углом γ=0…15°, что снижает риск выброса металла в обратном направлении и позволяет устанавливать сопло ближе к крайней верхней точке цилиндрической поверхности 5. Вставка содержит выступы по краям 8 и дополнительные выступы 9, соответствующие ширине щелевидного канала, которые опираются на ответные наклонные стенки корпуса. Дополнительные выступы 9 во вставке выполнены с профилем прямоугольной или трапециевидной формы со скосами, направленными в сторону выходного сечения канала и с высотой H=0,75-0,85H, где Н - высота вставки. Выступы во вставке выравнивают расход жидкого металла 4 при выпуске по всей длине щелевидного канала 3 и увеличивают жесткость сопла. Сопло выполнено со скосом от кромки щелевидного канала вставки и до наружной стенки сопла со стороны вставки с углом наклона β=15…30°. Сопло выполнено с переменной шириной внутренней полости, уменьшающейся в сторону выходного сечения.
1
1
Выходное сечение щелевидного канала выполнено с шириной, определяемой из выражения: S=k·B, где S - ширина выходного сечения щелевидного канала; k=14…17 (выбирается в зависимости от толщины ленты, чем больше толщина ленты тем больше коэффициент k); В - толщина ленты.
2
1
Входное сечение щелевидного канала может быть выполнено с шириной, определяемой из выражения: S=k·S, где
2
S - ширина входного сечения щелевидного канала; k=1…1,5 (выбирается в зависимости от толщины ленты, с увеличением толщины ленты увеличивается коэффициент k). Длина щелевидного канала соответствует ширине получаемой аморфной ленты. Данное сопло может быть использовано для производства аморфной ленты шириной до 300 мм и толщиной от 20 до 45 мкм.
Перед выпуском жидкого металла сопло разогревается нагревательным устройством для подготовки расплава или другим устройством с целью предотвращения затвердевания жидкого метала при выпуске.
Более низкая смачиваемость материала вставки по сравнению с материалом корпуса в сочетании с наклоном щелевидного канала сопла способствует преимущественному истечению расплава по стенке щелевидного канала, образованной вставкой, компенсирует нехватку расплава в передней части лужицы 10 и сокращает избыток расплава в задней части лужицы 11.
Таким образом, применение предложенного сопла позволит:
- производить аморфную ленту высокого качества для энергосберегающих распределительных трансформаторов, трансформаторов тока и другого электрического оборудования;
- повысить надежность и работоспособность оборудования для производства аморфной ленты;
- снизить трудоемкость процесса изготовления вставки и сборки сопла;
- снизить себестоимость изготовления вставки за счет минимизации габаритных размеров вставки из более дорогих материалов;
- повысить технологичность изготовления сопла.