УСТАНОВКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Полезная модель относится к металлургии и может быть использована для получения волокон и холстов из них.
Известна установка для производства волокна из неорганических материалов, содержащая вакуумную камеру, установленные в ней с возможностью вращения кристаллизатор и контейнер для сбора волокон, устройство подачи заготовки в направлении кристаллизатора, устройство нагрева, расположенное над кристаллизатором и выполненное в виде корпуса с отверстием для прохода заготовки, пазом для выхода волокна и нагревательными элементами, установленными по контуру отверстия, и механизм наматывания волокна, выполненный в виде двух барабанов, связанных лентой, причем один из барабанов является приводным, и установленный в контейнере (патент РФ №2148477, кл. B22F 9/10, 2000 г)
Недостатком данной конструкции является низкая однородность распределения волокна по ленте и отсутствие механической прочности в холсте.
Известна установка для производства волокна из неорганических материалов, содержащая вакуумную камеру, в которой установлен кристаллизатор с возможностью вращения, устройство подачи, как минимум, одной заготовки в направлении кристаллизатора, устройство нагрева, контейнер для сбора волокон, внутри которого расположен механизм наматывания волокна, выполненный в виде цилиндра с рифленой поверхностью, связанного с приводом, обеспечивающим его вращательное и возвратно-поступательное движение одновременно (см. патент РФ №54321, 2005 г.).
Известная конструкция позволяет получать холсты из металлических волокон, а механизм наматывания волокна может быть использован в качестве механизма формирования холста.
Недостатком известной конструкции - является невозможность получения пористо-волокнистого холста заданной толщины и пористости, а также многослойных холстов с различными толщинами слоев волокон.
Наиболее близкой по технической сущности предлагаемому техническому решению является установка для формирования холста из металлических волокон, содержащая вакуумную камеру, установленные в ней с возможностью вращения кристаллизатор и контейнер для сбора волокон, устройство подачи заготовки в направлении кристаллизатора, устройство нагрева, механизм наматывания волокна, установленный в контейнере и выполненный в виде барабана с рифленой поверхностью, имеющего возможность одновременного вращательного и возвратно-поступательного движения, при этом оси вращения механизма наматывания волокна и кристаллизатора расположены в параллельных плоскостях (см. патент РФ №71279, 2007 г.).
Недостатком известной конструкции является невозможность получения готового изделия за одну операцию, т.е. нельзя формировать поток горячего волокна в процессе формирования материала.
Техническим результатом, решаемым предлагаемой полезной моделью, является создание установки для формирования пористого материала из металлических волокон, лишенной вышеуказанного недостатка.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием установки для формирования пористого материала из металлических волокон, содержащей вакуумную камеру, установленные в ней с возможностью вращения кристаллизатор и контейнер для сбора волокон, устройство подачи заготовки в направлении кристаллизатора, устройство нагрева, механизм наматывания волокна, установленный в контейнере и выполненный в виде барабана с рифленой поверхностью, имеющего возможность одновременного вращательного и возвратно-поступательного движения, в которой, согласно полезной модели, угол наклона оси вращения механизма наматывания к горизонтали выбирают в пределах 5÷85 градусов, а минимальное расстояние между осями вращения механизма наматывания волокна и кристаллизатора в плоскости его вращения равно сумме их радиусов, а максимальное расстояние вычисляют по формуле:
где:
ρ - плотность материала волокна,
v - линейная скорость вращения механизма наматывания волокна,
d
R - радиус механизма наматывания волокна,
E - модуль упругости материала волокна,
D - эквивалентный диаметр волокна.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения идентичные заявленному, а, следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления полезной модели.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеприведенным описанием и чертежом, где показана схема установки для формирования пористого материала из металлических волокон
Установка для формирования пористого материала из металлических волокон содержит вакуумную камеру 1, в которой расположен кристаллизатор 2, выполненный в виде диска, установленного на шпинделе 3, связанным через привод 4 с двигателем 5.
Кристаллизатор 2 может иметь одну или несколько рабочих кромок. Он может быть выполнен как цельным, так и сборным.
В вакуумной камере 1 установлено устройство для подачи заготовки 6, которое может быть выполнено, например, в виде 2-х валков, и устройство нагрева 7.
В контейнере 8 установлен механизм наматывания волокна, выполненный в виде барабана 9 с рифленой поверхностью и связанный с приводом 10, обеспечивающим его вращательное и возвратно-поступательное движение одновременно.
В предлагаемой полезной модели оси вращения механизма наматывания волокна и кристаллизатора расположены в параллельных плоскостях
Установка снабжена системами вакуумирования 11 и охлаждения 12.
Минимальное расстояние между осями вращения механизма наматывания волокна и кристаллизатора равно сумме их радиусов, а максимальное расстояние выбирают по формуле
где:
ρ - плотность материала волокна,
v - линейная скорость вращения механизма наматывания волокна;
d
R - радиус механизма наматывания волокна.
Формула максимального расстояния была выведена следующим образом:
k
из формулы Эйлера для продольной устойчивости стержня следует, что величина критической силы (P), при которой происходит изгиб стержня
где: J - момент инерции сечения стержня. Для стержня круглого сечения
l -длина стержня, а в нашем случае длина волокна от места отрыва от капли до контакта с подложкой или максимальное расстояние от капли до приемника волокна.
d
Критическая сила ; где: ρ - плотность материала волокна, v - линейная скорость вращения механизма наматывания, R - радиус теплоприемника.
Отсюда:
Работа предлагаемой полезной модели основана на методе формирования пористого волокнистого материала (ПВМ) на перемещаемом относительно зоны падения волокна барабане (подложке) в процессе получения волокна методом экстракции висящей капли расплава кристаллизатором.
Плотность и пористость, получаемого холста, зависит от скорости экстракции волокна и длины пролета волокна до барабана. Текстура ПВМ зависит от направления и скорости перемещения барабана относительно зоны контакта волокна с барабаном и длины волокна.
Каждый слой формируют за один или нескольких проходов барабана через зону падения волокна.
Формирование связей между каплями в слое происходит за счет перекрытия последовательно укладываемых частиц (в случае формирования ПВМ из дискретных волокон), либо последовательного наложения волокна при перегибе вследствие его деформации.
Формирование связей в слое ПВМ и межслойное взаимодействие происходит в различных условиях, и определяют различной природой: в слое протекают термодинамические и диффузионные процессы, так как частица при ударе о поверхность ПВМ взаимодействует с частицами, температура которых сравнима с температурой самой частицы, межслойное взаимодействие определяется механическим взаимодействием частиц.
Соотношение связей в ПВМ определяют формой пятна контакта волокна с барабаном и скоростью перемещения барабана относительно пятна контакта и скоростью экстракции.
Пятно контакта волокна с барабаном представляет собой зону, вытянутую вдоль плоскости вращения барабана (размах) с шириной от 1 до 3 мм (ширину зоны определяют, главным образом, устойчивостью капли расплава). Размах пятна контакта зависит от скорости экстракции, длины пролета волокна до подложки и длины волокна. Задавая скорость перемещения барабана относительно пятна контакта можно регулировать ориентацию волокна в ПВМ, степень перекрытия слоев в нем и толщину холста.
Работу начинают с создания в вакуумной камере 1 вакуума с помощью системы вакуумирования 11, затем включают систему охлаждения 12, устройство нагрева 7 и двигатель 5, от которого через привод шпинделя 4 передают вращательное движение кристаллизатору 2.
Устройством нагрева 7 разогревают заготовку до температуры, при которой на ее торце образуется капля расплава. Нижняя часть капли контактирует с выступом кристаллизатора и переносится на него. При охлаждении на кристаллизаторе тонкий слой расплава материала заготовки затвердевает, сформированное волокно отделяется от диска и ударяется о внешнюю поверхность барабана 9.
Вследствие вращения и возвратно-поступательного движения барабана 9 относительно зоны падения волокна на его поверхности происходит послойное формирование пористого холста заданной толщиной.
Таким образом, удается уложить необходимое количество волокна для получения холста заданной толщиной.
Холст получают с однородным распределением волокна и обладает более высокими механическими параметрами
Был изготовлен опытный образец предлагаемого устройства, и результаты испытаний показали, что устройство обеспечивает изготовление пористого волоконного материала размерами 500×1500 мм, толщиной 3-30 мм и пористостью не менее 90%.