УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК
INSTALLATION FOR FABRICATION OF CONTINUOUS NANO-METAL BILLETS

Изобретение относится к металлургии, в частности к устройствам для получения непрерывных нанокристаллических заготовок.
Известно устройство для получения непрерывных деформированных заготовок из измельченных материалов [1. Патент RU №2198054. Способ получения непрерывных деформированных заготовок из измельченных материалов и устройство для его осуществления / В.В. Стулов, В.И.Одиноков, В.И.Меркулов, Б.Н.Марьин. Опубл. 10.02.2003. Бюл. №4], содержащее обогреваемую разливочную емкость с двумя рядами отверстий и щелевой перемещающейся решеткой, кристаллизатор, одна пара вертикальных стенок которого выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а вторая пара - с возможностью вращательного движения и сведения стенок и имеет в верхней части расширенный участок с углом наклона к вертикали и вертикальный нижний участок, барабаны с лентами, емкость с измельченным материалом и дозатором, расположенную в средней части обогреваемой разливочной емкости, замок, замыкающий ленты.
Недостаток известного устройства заключается в невозможности получения в нем из измельченного материала нанокристаллических заготовок, состоящих из нанокристаллов.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого устройства, заключается:
1) в возможности получения непрерывных нанокристаллических заготовок;
2) в повышении производительности процесса получения нанокристаллических заготовок.
Заявляемое устройство характеризуется следующими существенными признаками.
Ограничительные признаки: устройство для получения непрерывных нанокристаллических заготовок, содержащее разливочную емкость с двумя рядами отверстий и щелевой перемещающейся решеткой, кристаллизатор, первая пара вертикальных стенок которого выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а вторая пара - с возможностью вращательного движения и сведения стенок и имеет расширенный участок с углом наклона к вертикали в верхней части и вертикальный нижний участок.
Отличительные признаки: разливочная емкость для предварительно подготовленного переохлажденного ниже температуры кристаллизации металла, находящегося в аморфном состоянии, выполнена с дополнительной емкостью для перегретого жидкого металла однородного переохлажденному металлу, расположенной в средней части разливочной емкости и содержащей стопор и погружной разливочный стакан, вертикальные стенки первой пары выполнены в виде тепловых труб, каналы которых заполнены теплоносителем, содержащих нагревательные устройства и устройства охлаждения, при этом устройство содержит две термопары, расположенные на различной глубине в кристаллизаторе, термопару, установленную в металле вертикальной стенки кристаллизатора и систему автоматического управления работой кристаллизатора. Кроме того, расстояние между нижними вертикальными участками стенок кристаллизатора второй пары при их сведении составляет δ=1-3 мм.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Раздельная подача в кристаллизатор одного и того же металла с различной температурой приводит к смещению равновесной диаграммы сплава к неравновесной, что уменьшает время пребывания кристаллов в идеальных условиях и требует меньших флуктуаций состава для реализации зародышей в объеме расплава. В особенности это касается 2-х и более компонентных систем, в которых составы зародыша и расплава различны и зависят от температуры.
На стадии зарождения кристаллов соотношение в составах твердой и жидкой фаз должно быть таким, чтобы обеспечивалось хорошее смачивание [Голиков И.Н., Маслеников С.Б. Дендритная ликвация в сталях. М.: Металлургия, 1977. С.21].
В двухкомпонентных системах активности компонентов А и В различны и происходит процесс перекачки атомов в системе кристалл-жидкость, который должен приводить к образованию устойчивых зародышей, но для этого, как отмечалось, требуется длительное время и идеально равновесная температура.
Раздельная подача одного и того же металла с различной температурой создает градиент температур в расплаве, необходимый для быстрого развития процесса и его перевода в неравновесное состояние. Кроме этого, отвод тепла в кристаллизаторе изменяет кинетику процесса и создаются условия для реализации неравновесных форм роста.
к
Смешивание перегретого и переохлажденного жидкого металла в кристаллизаторе влияет на размеры и форму зародышей r в однокомпонентной системе, что следует из формулы [Голиков И.Н., Маслеников С.Б. Дендритная ликвация в сталях. М.: Металлургия, 1977. С.16]
,
0
где σ - поверхностное натяжение между твердой и жидкой фазами; М - молекулярная масса; Т - температура равновесия кристалл-жидкость; Т - температура переохлажденного жидкого металла; ρ - плотность зародыша; q - теплота плавления металла.
0
0
к
0
к
к
При прочих равных условиях температуры Т и Т могут изменяться. Из приведенной формулы следует, что при уменьшении (Т) слагаемое (Т-Т) возрастает, а размер зародыша r уменьшается. При увеличении Т r увеличивается. Кроме этого, с ростом температуры расплава изменяется σ, а соответственно изменяется r.
Для гранецентрированной кубической решетки (железо, никель) анизотропия σ не превышает 15% [Голиков И.Н., Маслеников С.Б. Дендритная ликвация в сталях. М.: Металлургия, 1977. С.21], но этого достаточно, чтобы при направленном теплоотводе получили развитие в форме зародыша те направления, где затраты энергии на образование новой поверхности будут минимальными.
Заполнение разливочной емкости предварительно подготовленным переохлажденным ниже температуры кристаллизации металлом, находящимся в аморфном состоянии, исключает необходимость переохлаждения металла с высокой скоростью в кристаллизаторе до получения аморфного состояния.
Выполнение в средней части разливочной емкости дополнительной емкости для перегретого жидкого металла, однородного переохлажденному металлу, содержащей стопор и погружной разливочный стакан, позволяет подводить в центр кристаллизатора перегретый жидкий металл и перемешивать его с переохлажденным ниже температуры кристаллизации металлом, находящимся в аморфном состоянии.
Выполнение пары вертикальных стенок кристаллизатора в виде тепловых труб с каналами, заполненными теплоносителем и оснащенными нагревательными устройствами, устройствами охлаждения тепловых труб, позволяет разогревать вертикальные стенки перед заполнением кристаллизатора металлом и регулировать их охлаждение в процессе кристаллизации металла.
Наличие двух термопар, расположенных на различной глубине в кристаллизаторе, позволяет получать сигналы о температуре металла в кристаллизаторе и управлять процессом образования нанокристаллов.
Наличие термопары в металле вертикальной стенки позволяет получать непрерывный сигнал о ее температуре в моменты разогрева и охлаждения.
Наличие системы автоматического управления работой кристаллизатора позволяет управлять работой устройства на протяжении всего процесса получения непрерывных нанокристаллических заготовок.
При расстоянии между нижними вертикальными участками δ<1 мм стенок второй пары, находящихся в сведенном состоянии, предъявляет нецелесообразно завышенные требования к технологии изготовления и сборки кристаллизатора, затрудняет управление процессом получения нанокристаллических заготовок.
При расстоянии между нижними вертикальными участками δ>3 мм стенок второй пары, находящихся в сведенном состоянии, нецелесообразно увеличивается объем металла, находящегося в кристаллизаторе, и усложняется управление процессом образования нанокристаллов и получения нанокристаллических заготовок.
Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 приведен вид устройства; на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.
Заявляемое устройство состоит из разливочной емкости 1 для переохлажденного металла с отверстиями 2, перемещающейся решетки 3 со щелями 4, механизмов 5 перемещения решеток, емкости 6 для перегретого жидкого металла, стопора 7, погружного разливочного стакана 8, кристаллизатора 9 с первой парой вертикальных стенок 10 и второй парой стенок 11 с расширенным в верхней части участком 12 с углом наклона к вертикали и вертикальным нижним участком 13, термопар 14 и 15, подключенных в систему автоматического управления работой кристаллизатора. Вертикальные стенки 10 выполнены в виде тепловых труб с каналами 16, заполненными теплоносителем и оснащенными нагревательными устройствами 17 и устройством охлаждения 18, термопарой 19.
Перед заполнением кристаллизатора 9 металлом вторая пара стенок 11 устанавливается в положение, при котором вертикальные нижние участки оказываются на расстоянии δ=1-3 мм друг от друга. Системой автоматического управления работой кристаллизатора 9 включаются нагревательные устройства 17 с разогревом вертикальных стенок 10 до температуры, зависящей от марки разливаемого металла и контролируемой по показаниям термопары 19.
Работа устройства осуществляется в следующим образом.
Через отверстия 2 в разливочной емкости 1 и щели 4 в решетке 3 при помощи механизма 5 перемещения решеток переохлажденный ниже температуры кристаллизации металл, находящийся в аморфном состоянии, поступает в кристаллизатор 9 на расширенные в верхней части участки 12 с углом наклона к вертикали второй пары стенок 11. Одновременно из емкости 6 при помощи стопора 7 через погружной разливочный стакан 8 перегретый жидкий металл поступает в центр кристаллизатора 9. После заполнения кристаллизатора 9 металлом и получения сведений о его температуре по показаниям термопар 14 и 15, системой автоматического управления работой кристаллизатора отключаются нагревательные устройства 17, установленные в вертикальных стенках 10 с каналами 16. Включается привод стенок кристаллизатора. В результате вторая пара стенок 11 совершает сложное вращательное движение с деформацией нанокристаллов на расширенных в верхней части участках 12 с углом наклона к вертикали и калиброванием поверхности нанокристаллической заготовки на вертикальных нижних участках 13, а пара вертикальных стенок 10 совершает возвратно-поступательное перемещение с выталкиванием заготовки из кристаллизатора. В дальнейшем в зависимости от температуры металла в кристаллизаторе, контролируемой по показаниям термопар 14 и 15, а также термопары 19, системой автоматического управления работой кристаллизатора устанавливается необходимый расход охлаждающей среды в устройстве охлаждения 18, а также скорость привода стенок кристаллизатора, обеспечивающие получение непрерывной нанокристаллической заготовки.