УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ВОЛОКНА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области металлургии, а точнее к устройствам для производства металлического волокна (металлической фибры) посредством диспергации расплавленного металла.
Известно устройство для изготовления металлического волокна [1], состоящее из питателя металлического расплава, корпуса, выполненного с возможностью регулирования температуры его поверхности, двух дисковых кристаллизаторов, установленных соосно с возможностью независимого вращения рабочих поверхностей относительно друг друга, и средства формирования избыточного давления инертного и/или восстановительного газов над поверхностью металлического расплава.
Недостатком данного известного устройства является невозможность формирования на поверхности изготавливаемого металлического волокна воспроизводимого макрорельефа, что не позволяет использовать изготовленное металлическое волокно для армирования железобетонных конструкций, подверженных переменным динамическим нагрузкам.
Наиболее близким к заявляемому устройству аналогом по технической сущности и достигаемому результату является известное из уровня техники устройство для производства металлического волокна [2], состоящее из корпуса, снабженного термостойким экраном, двух профилированных дисков, установленных между собой коаксиально с возможностью независимого вращения, блока создания избыточного давления паро-газовой среды, и объемного электродугового диспергатора. Это известное техническое решение принимается в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является невозможность формирования на поверхности изготавливаемого металлического волокна воспроизводимого макрорельефа, что не позволяет использовать изготовленное металлическое волокно для армирования конструкций, подверженных переменным динамическим нагрузкам.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является расширение номенклатуры изготавливаемой металлической фибры, пригодной для использования в качестве армирующего средства конструкций, подверженных переменным динамическим нагрузкам.
Техническим результатом, ожидаемым от применения заявляемого технического решения, является повышение степени рельефности поверхности изготавливаемой металлической фибры.
Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для производства металлического волокна, содержащем корпус, снабженный средством стабилизации температуры, помещенные под корпусом первый и второй диски, установленные между собой коаксиально и снабженные независимыми системами вращения, а также средство формирования паро-газовой среды в объеме корпуса и диспергатор, диспергатор выполнен в виде, по меньшей мере, одного шарика, позиционированным между внутренней поверхностью корпуса и верхним торцом первого диска с возможностью вращения, при этом часть торцевой поверхности корпуса по существу размещена над вторым диском с образованием калиброванного профилированного зазора, причем поверхности корпуса и второго диска в зоне калиброванного профилированного зазора снабжены накаточным рельефом.
Заявленный технический результат достигается также тем, что в устройстве для производства металлического волокна, содержащем корпус, снабженный средством стабилизации температуры, помещенные под корпусом первый и второй диски, установленные между собой коаксиально и снабженные независимыми системами вращения, а также средство формирования паро-газовой среды в объеме корпуса и диспергатор, диспергатор выполнен в виде, по меньшей мере, одного ролика, позиционированным между внутренней поверхностью корпуса и верхним торцом первого диска с возможностью вращения, при этом часть торцевой поверхности корпуса по существу размещена над вторым диском с образованием калиброванного профилированного зазора, причем поверхности корпуса и второго диска в зоне калиброванного профилированного зазора снабжены накаточным рельефом.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется рисунками. На Фиг.1 схематично изображено заявляемое устройство с диспергатором в виде шарика, а на Фиг.2 - оно же с диспергатором в виде ролика.
Перечень позиций:
1. Корпус.
2. Средство стабилизации температуры.
3. Первый диск.
4. Второй диск.
5. Средство формирования паро-газовой среды.
6. Механический диспергатор.
7. Диспергированный расплав металла.
Устройство для производства металлического волокна состоит из корпуса 1 (Фиг.1 или Фиг.2), который может быть изготовлен из жаропрочной стали, например 20Х23Н18 (стандарт SEW 470). Корпус 1 (Фиг.1 или Фиг.2) изготовлен колоколообразным и ориентирован так, что отверстие (выполненное для подачи расплава металла) в нем размещено вертикально по оси симметрии колокообразной структуры. При этом корпус 1 (Фиг.1 или Фиг.2) содержит средство стабилизации температуры 2 (Фиг.1 или Фиг.2), представляющее собой сообщающиеся между собой каналы в теле корпуса 1 (Фиг.1 или Фиг.2), по которым принудительно прокачивают охлаждающие жидкости (например, СОЖ), пар (например, водяной) или газ (например, азот).
1
2
Под корпусом 1 (Фиг.1 или Фиг.2) коаксиально установлены первый 3 (Фиг.1 или Фиг.2) и второй 4 (Фиг.1 или Фиг.2) диски, выполненные, например, из жаропрочной стали марки ХН45МВТЮБР. Оба из указанных дисков 3 и 4 (Фиг.1 или Фиг.2) снабжены независимыми системами вращения, например, на основе электроприводов W и W, которые скреплены с дисками также коаксиально смонтированными между собой двумя валами. Предусмотрено жидкостное охлаждение дисков 3 и 4 (Фиг.1 или Фиг.2) посредством прокачки охлаждающей жидкости (например, СОЖ) по внутренним каналам (не показаны). Устройство содержит также средство формирования избыточного давления (в интервале 0,2-0,6 атм.) паро-газовой смеси (далее ПГС) 5 (Фиг.1 или Фиг.2) в объеме корпуса 1 (Фиг.1 или Фиг.2). Средство формирования паро-газовой среды 5 (Фиг.1 или Фиг.2) представляет собой, по меньшей мере, один входной патрубок по которому через зазор между коаксиально установленными валами обоих дисков 3 и 4 (Фиг.1 или Фиг.2) в рабочий объем, образованный колоколообразным корпусом 1 (Фиг.1 или Фиг.2) и примыкающими к нему торцами дисков 3 (Фиг.1 или Фиг.2) и 4 (Фиг.1 или Фиг.2), под избыточным давление подают либо чистый инертный газ (аргон, гелий и т.п.), либо инертный газ с парами металлоорганики (например, металлоорганики содержащей никель, цинк, алюминий и т.п.). Между верхним торцом
первого диска 3 (Фиг.1 или Фиг.2) и внутренней торцевой поверхностью корпуса 1 (Фиг.1 или Фиг.2) позиционирован, по меньшей мере, один шариковый 6 (Фиг.1) или роликовый 6 (Фиг.2) механический диспергатор. Механический диспергатор в форме шарика 6 (Фиг.1) и механический диспергатор в форме ролика 6 (Фиг.2) для удержания при вращении по принципу подшипника помещены в радиально (относительно оси вращения дисков 3 и 4 (Фиг.1 или Фиг.2)) выполненные канавки, позиционированные симметрично как у кромки торцевой поверхности первого диска 3 (Фиг.1 или Фиг.2), так и в плане ответной проекции на внутренней торцевой поверхности корпуса 1 (Фиг.1 или Фиг.2). В качестве материала диспергатора 6 (Фиг.1 или Фиг.2) может быть использован тугоплавкий металл (молибден, вольфрам и т.п.) или высокотемпературная керамика. При применении механического диспергатора 6 (Фиг.2) в форме ролика его ось вращения позиционируют радиально оси вращения первого диска 3 (Фиг.2), фактически вдоль траектории полета диспергированного расплава металла (Фиг.1 и Фиг.2). Выбором величины диаметра механического диспергатора 6 (Фиг.1 или Фиг.2) калибруют зазор между торцевой поверхностью второго диска 4 (Фиг.1 или Фиг.2) и торцевой поверхностью корпуса 1 (Фиг.1 или Фиг.2), при этом указанный зазор у кромок как второго диска 4 (Фиг.1 или Фиг.2), так и корпуса (Фиг.1 или Фиг.2) профилирован накаточным рельефом (не показан). Поверхность накаточного рельефа может быть плакирована износостойким слоем, например, слоем нитридом титана толщиной 150 мкм, или карбидизирована на глубину 40 мкм для увеличения ресурса работы установки. Накаточный рельеф формирует на поверхности каждой из отвержденных (но еще не остывших) капель, образующихся из диспергированного расплава метала 7 (Фиг.1 или Фиг.2), макрорельеф за счет высокоскоростного механического воздействия на поверхность упомянутых капель.
ПРИМЕР 1.
1
Использование предложенного устройство производится следующим образом. В радиальную канавку второго диска 4 (Фиг.1) устанавливают один механический диспергатор 6 (Фиг.1) из вольфрама в форме шарика диаметром 7 мм. Активизируют средство стабилизации температуры 2 (Фиг.1) корпуса 1 (Фиг.1) путем принудительной прокачки СОЖ (смазочно-охлаждающей жидкости) по каналам в теле корпуса 1 (Фиг.1) с расходом 2,5 л/с. Затем включают электропитание привода вращения первого диска W и задают направление его вращения по часовой стрелке с частотой 2000 об/мин. Запускают вращение
2
второго диска 4 (Фиг.1) и устанавливают скорость вращения его привода W равной 1000 об/мин. против часовой стрелки.
1
2
Используя средство формирования паро-газовой среды 5 (Фиг.1) в 4-х миллиметровый зазор между валами приводов вращения W и W первого 3 (Фиг.1) и второго 4 (Фиг.2) дисков по патрубку под избыточным давлением 0,2 атм. подают аргон с расходом 0,5 л/с. Запускают в работу блоки обеспечения охлаждения первого 3 (Фиг.1) и второго 4 (Фиг.1) дисков. В вертикально выполненное в корпусе 1 (Фиг.1) отверстие для подачи металлического расплава производят подачу расплава конструкционной стали (Ст.45) из внешнего питателя, в качестве которого используется металлургический ковш. Достигнув под действием гравитационных сил (т.е. самотеком) горизонтальной вращающейся поверхности первого диска 1 (Фиг.1) расплав стали Ст.45 вступает с ней в контакт, начинает сам вращение и под действием центробежной силы, сообщающей расплаву движение к кромке первого диска 3 (Фиг.1), вступает во взаимодействие с механическим диспергатором 6 (Фиг.1). Вольфрамовый шарик механического диспергатора 6 (Фиг.1) обкатывает кромку первого диска 3 (Фиг.1) и разрушает сплошность покрывающего ее поверхность слоя расплава стали Ст.45. Образующиеся в результате этого механического дробления капли металлического расплава (с приведенным диаметром примерно 3,8-4,2 мм) под действием сил инерции пролетают в атмосфере аргона до кромки второго диска 4 (Фиг.1), попутно охлаждаясь до температуры примерно 900°С. Приобретя в результате такого понижения температуры отвержденное состояние, сформированные каплеобразные дискретные кусочки Ст.45 достигают накаточной зоны, образованной накаточным рельефом на торцевой поверхности корпуса 1 (Фиг.1) и накаточным рельефом, сформированным на горизонтальной поверхности у кромки второго диска 4 (Фиг.1). В результате высокоскоростного (обусловленного вращением второго диска 4 (Фиг.1)) механического воздействия накаточным профилем на поверхность каплеобразных дискретных кусочков Ст.45 в 2-х мм калиброванном зазоре происходит их волокнизация (деформирования из каплевидной формы в нитевидную форму) с образованием на поверхности периодического накаточного рельефа, величина впадин которого составила от 0,4 до 0,45 мм, а величина вершин - от 1,3 до 1,5 мм. При этом усредненная (по 5000 замеров с использованием микроскопа марки «Биолам», увеличение 25 крат) длина сформированного металлического волокна (металлической фибры) составила 11,5 мм.
Покинувшее после накатки заявляемую установку металлическое волокно достигает сборника, где окончательно остывает до комнатной температуры и готово к последующей упаковке в тару.
ПРИМЕР 2.
1
2
Эксплуатация заявленного устройство осуществляется следующим образом. В радиальную канавку на горизонтальной поверхности второго диска 4 (Фиг.2) под углом 120° устанавливают три механических диспергатор 6 (Фиг.2) из молибдена в форме роликов диаметром 6 мм каждый. Активизируют средство стабилизации температуры 2 (Фиг.2) корпуса 1 (Фиг.2) путем принудительной прокачки газообразного азота по каналам в теле корпуса 1 (Фиг.2) с расходом 18 л/с. Затем включают электропитание привода вращения первого диска W и задают направление его вращения против часовой стрелки с частотой 600 об/мин. Запускают вращение второго диска 4 (Фиг.2) и устанавливают скорость вращения его привода W равной 300 об/мин. также против часовой стрелки.
1
2
Используя средство формирования паро-газовой среды 5 (Фиг.2) в 6-ти миллиметровый зазор между валами приводов вращения W и W первого 3 (Фиг.2) и второго 4 (Фиг.2) дисков по патрубку под избыточным давлением 0,6 атм. подают гелий с расходом 0,3 л/с. Запускают в работу блоки обеспечения охлаждения первого 3 (Фиг.2) и второго 4 (Фиг.2) дисков. В вертикально выполненное в корпусе 1 (Фиг.2) отверстие для подачи металлического расплава производят подачу расплава конструкционной стали (Ст.45) из внешнего питателя, в качестве которого используется индукционную плавильную печь. Достигнув под действием своей тяжести (т.е. самотеком) горизонтальной вращающейся поверхности первого диска 1 (Фиг.2) расплав стали Ст.45 вступает с ней в контакт, силами трения вовлекается во вращение и под действием центробежной силы, сообщающей расплаву движение к кромке первого диска 3 (Фиг.2), вступает во взаимодействие с механическими диспергаторами 6 (Фиг.2). Три молибденовых ролика механического диспергатора 6 (Фиг.2) обкатывает кромку первого диска 3 (Фиг.2) и дробят (т.е. разрушает сплошность) покрывающего ее поверхность слоя расплава стали Ст.45. Образующиеся в результате этого механического дробления капли металлического расплава (с приведенным диаметром примерно 3,8-4,2 мм) под действием сил инерции пролетают в атмосфере гелия до кромки второго диска 4 (Фиг.2), попутно охлаждаясь до температуры примерно 850°С. Приобретя в результате такого понижения температуры отвержденное состояние, сформированные каплевидные дискретные кусочки Ст.45 достигают накаточной зоны, образованной накаточным рельефом на торцевой поверхности корпуса 1 (Фиг.2) и накаточным рельефом, сформированным на горизонтальной поверхности у кромки второго диска 4 (Фиг.2). В результате высокоскоростного (обусловленного вращением второго диска 4 (Фиг.2)) механического
воздействия накаточным профилем на поверхность каплеобразных дискретных кусочков Ст.45 в 2-х мм калиброванном зазоре происходит их волокнизация (деформирования из округлой формы в нитевидную форму) с образованием на поверхности периодического накаточного рельефа, величина впадин которого составила от 0,42 до 0,46 мм, а величина вершин - от 1,4 до 1,5 мм. При этом усредненная (по 4800 замеров с использованием микроскопа марки «Биолам», увеличение 25 крат) длина сформированного металлического волокна (металлической фибры) составила 10,3 мм.
Покинувшее после накатки заявляемую установку металлическое волокно достигает сборника, где окончательно остывает до комнатной температуры и готово к последующей упаковке в тару.
В Таблице представлены экспериментальные результаты динамических испытаний свойств металлического волокна, использованного для армирования бетона (исследовалось по 100 брусков из бетона марки М300 210×70×35 мм, 12% весовых армирующее металлическое волокно) произведенного на устройстве-прототипе и на устройствах в соответствии с заявленными вариантами. Незакрепленный конец бруска циклически отклонялся в обе стороны с частотой 20 Гц на 20 мм до достижения его разрушения.
Таблица
№ п/п
Наименование установки
Механический диспергатор
Параметры металлического волокна, (Ст.45)
Количество циклов до разрушения бруска
Примеч.
Длина, мм
Приведенный диаметр, мм
Рельеф, мм
1
Установка-прототип
дисковый
11
1,0
от 0,8 до 1,2
1200
2
Заявляемая установка (первый вариант)
В виде одного шарика диаметром 7 мм.
11,5
0,975
от 0,4 до 1,5
4950
Заявленный технический результат достигнут
3
Заявляемая установка (второй вариант)
В виде трех роликов диаметром 6 мм каждый.
10,3
1,01
от 0,42 до 1,5
5100
Заявленный технический результат достигнут
Сопоставительный анализ заявляемого устройства и устройства-прототипа показал, что заявленное устройство отличается от прототипа рядом признаков, в том числе тем признаком, что его диспергатор выполнен в виде, по меньшей мере, одного шарика (или ролика), позиционированного между внутренней поверхностью корпуса и верхним торцом первого диска с возможностью вращения, а также тем, что часть торцевой поверхности корпуса по существу размещена над вторым диском с образованием калиброванного профилированного зазора, при этом поверхности корпуса и второго диска в зоне калиброванного профилированного зазора снабжены накаточным рельефом. Наличие этих отличительных признаков дает основание полагать, что предложение соответствует критерию полезной модели «новизна».
Использование для проектирования узлов заявленной установки известных из уровня техники принципов (например, теплотехнических), а также возможность применения в ней известных (или тривиально рассчитываемых обычными методами инженерного проектирования) механизмов, блоков и материалов позволяет утверждать о соответствии предложения критерию полезной модели «промышленная применимость».
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент на изобретение РФ №2243858, «Устройство для изготовления металлического волокна», кл. B 22 F 9/11 от 28.04.2003 г., опуб. 10.01.2005 г., Бюл. №1.
2. Патент на полезную модель РФ №41311 «Устройство для производства металлического волокна», кл. D 21 H 13/48 от 18.08.2004 г., опуб. 20.10.2004 г., Бюл. №29 (прототип)