Устройство для получения литых композиционных сплавов

Полезная модель относится к области цветной металлургии и литейного производства, в частности, к устройствам для получения литых композиционных сплавов методом механического замешивания дисперсных армирующих частиц в металлический расплав, и может применяться в металлургических и литейных цехах.
Из уровня техники известны различные конструкции устройств для получения литых композиционных сплавов методом механического замешивания. К их числу относится устройство для замешивания твердых армирующих частиц в металлический расплав, описанное в патенте US 3951651 A. Устройство включает тигель с расплавом, установленный в электропечи и приводимый во вращение со скоростью от 5 до 10 об/мин от электродвигателя через ременную передачу, и вращающиеся лопасти на двух импеллерах для перемешивания расплава, установленные со смещением относительно оси вращения тигля и приводимые во вращение со скоростью от 300 до 500 об/мин. Недостатками данного устройства являются излишняя сложность и громоздкость конструкции, в том числе приводящая к повышенному износу элементов и узлов и высокой сложности их замены. Кроме того, вращение тигля с одновременным перемешиванием импеллерами приводит к сильному разбрызгиванию расплава, что существенно снижает выход годного материала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является принимаемое за прототип устройство для получения литых композиционных материалов на основе алюминия, описанное в патенте RU 2186867 С1. Устройство состоит из нагревательной печи, в которую помещают тигель для расплавленного металла (сплава). По центру тигля на вертикальном валу размещено устройство в виде дискового импеллера, имеющего возможность перемещения в вертикальной плоскости. Вал вращается от привода. Порошкообразные частицы-наполнители, добавляемые в расплав-матрицу, помещают в бункер. Под бункером размещаются дозатор частиц и питающая трубка, по которой порошок подается на поверхность диска-импеллера. За счет центробежной силы частицы порошка вводятся в расплав, образуя суспензию.
Недостатками устройства-прототипа являются повышенное газонасыщение и окисление расплавов в процессе активного механического перемешивания, неконтролируемое замешивание оксидных плен с поверхности расплава, необходимость строгой регламентации конструктивных и технологических параметров процесса, недостаточная равномерность распределения вводимых дисперсных частиц в объеме расплава и низкая степень их усвоения, невозможность применения устройства для получения композиционных сплавов на основе химически активных металлов (например, магния), а также сложность, громоздкость и сравнительно высокая стоимость конструкции.
Техническим результатом предлагаемого устройства является устранение обозначенных недостатков устройства-прототипа: упрощение конструкции, повышение производительности технологического процесса, снижение общих затрат на приготовление композиционного сплава, равномерное перемешивание расплава, повышение степени усвоения частиц, расширение спектра используемых матричных металлов, получение заданного компонентного состава композиционного сплава и повышение его качества.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство (Фиг. 1) включает четырехлопастной импеллер (1), закрепленный на вертикальном валу, приводимом во вращение от электродвигателя (2) через ременную передачу (3). Импеллер предусматривает внутренние полости и выпускные отверстия, предназначенные для подачи армирующих частиц в потоке несущего инертного газа с целью обеспечения равномерности их распределения в объеме расплава. Импеллер изготавливается из титанового сплава и покрывается нитридным слоем для повышения стойкости лопастей при повышенных температурах в контакте с активным металлическим расплавом. Скорость вращения импеллера варьируется от 50 до 500 об/мин и регулируется с помощью частотного преобразователя. Подъем и опускание импеллера осуществляются электроприводом. Устройство рассчитано на получение литых композиционных сплавов на основе цветных металлов с температурой плавления до 700°С (алюминий, магний, цинк и легкоплавкие сплавы) при фракционном составе вводимых армирующих частиц в диапазоне от 1 до 100 мкм.
Для подачи порошкообразных армирующих частиц в полости импеллера устройство предусматривает бункер (4) с краном (5) для дозирования подачи порошка с варьируемой скоростью, соединенный с импеллером через торцевое уплотнение (6). Трубка (7) предназначена для подачи инертного газа под регулируемым давлением, формирующего вместе с порошком, поступающим из бункера, газопорошковую смесь, которая и подается через полости импеллера в расплав.
Основное отличие заявляемого устройства от прототипа состоит в том, что геометрия замешивающего узла реализуется в форме четырехлопастного импеллера с внутренними полостями для подачи армирующих частиц, что позволяет повысить степень равномерности распределения и усвоения частиц в объеме расплава за счет того, что вращение импеллера создает интенсивные турбулентные потоки в расплаве, в которые под давлением вдувается газопорошковая смесь. Предлагаемая конструкция устройства позволяет повысить производительность технологического процесса получения литых композиционных сплавов за счет увеличения скорости ввода и количества вводимых частиц. Заявленные отличительные признаки обеспечивают технологические и эксплуатационные преимущества предлагаемого устройства перед прототипом.
Сущность предлагаемого устройства для получения литых композиционных сплавов поясняется чертежом (Фиг. 1), на котором представлено устройство с позициями: 1 - четырехлопастной импеллер, 2 - электродвигатель, 3 - ременная передача, 4 - бункер для порошка; 5 - кран; 6 - торцевое уплотнение между импеллером и трубопроводом бункера; 7 - трубка для подачи инертного газа в полости импеллера.
Общий вид четырехлопастного импеллера приведен на Фиг. 2.
Работа предлагаемого устройства реализуется следующим образом. В стандартной электрической печи сопротивления осуществляется расплавление и перегрев матричного металлического расплава в защитной атмосфере (например, аргона) до заданной температуры. Импеллер предлагаемого устройства приводится во вращение с заданной скоростью и погружается в расплав на глубину, составляющую 1/4 от высоты тигля. Одновременно открывается кран и включается подача инертного газа в полости вращающегося импеллера. В процессе перемешивания порошкообразные армирующие частицы, поступающие через полости импеллера в потоке несущего инертного газа, под давлением вдуваются в расплав и равномерно распределяются по всему его объему. По завершении перемешивания выключают подачу газопорошковой смеси, поднимают импеллер и осуществляют разливку готового композиционного сплава.
Заявляемая полезная модель промышленно применима, поскольку может быть изготовлена с использованием известных средств производства, материалов и технологий, доступных при текущем уровне развития машиностроения.