УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ РАСПЛАВА

Полезная модель относится к области металлургии и может быть использована для получения модифицированных металлических отливок повышенного качества.
Известно устройство для получения чугуна с шаровидным графитом, содержащее приемник жидкого чугуна, желоба, бункеры-дозаторы для помещения в них модификаторов. Над одним желобом установлена фурма, а под другим - графитовый конфузорный смеситель с отверстием, который посредством консоли прикреплен к приваренному к желобу штырю. В верхней части консоли посредством стальной трубки смонтирована воронка для приема порошка модификатора, поступающего по трубке из бункера. Фурма выполнена из коллектора в виде трубки с соплами. Бункеры-дозаторы выполнены из корпуса, на дне которого установлена стальная трубка под углом 15-25°, в которой помещен аэратор, представляющий собой стальной стержень с винтовыми канавками. В верхней части корпуса приварена стальная трубка с фиксирующим винтом, посредством которого устройство подвешено к штырю с возможностью вращения.
На кожухе шахты вагранки приварены две пластинки с кольцами для закрепления стержня, сползание вниз которого ограничено кольцом со стопорным винтом. Аэратор приводится в действие двигателем.
В процессе работы устройства жидкий чугун плавят в вагранке с огнеупорной футеровкой и выпускают через летку в приемнике и желоб.
Посредством бункера-дозатора, установленного под желобом, при вращении аэратора порошок модификатора (карбида кальция крупностью менее 8 мм в количестве 1,5-3,0%) подают в стальную трубку, а оттуда на поток ваграночного чугуна в желобе. Стекающий по желобу расплав с помощью фурмы обрабатывают кислородом в количестве 4-8 л на 1 кг чугуна, в результате чего температура чугуна повышается до 1420-1470°С, а содержание серы снижается до 0,04-0,05%. В графитовом конфузорном смесителе осуществляют дополнительную обработку путем подачи порошка модификатора (десульфуризатора, состоящего из карбида кальция крупностью менее 8 мм и мелочи лигатуры железо-кремний-магний крупностью менее 1-2 мм) из бункера по трубке через воронку.
Проходя через отверстие, порошок десульфуризатора смешивается с потоком жидкого металла и взаимодействует с последним в ковше.
(см. патент РФ №2016080, кл. С21С 1/10, 1994 г.).
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что оно не применимо для модифицирования стальных и алюминиевых сплавов, так как, при продвижении металла по желобу и взаимодействии его с кислородом, будет происходить интенсивное пленообразование жидкого металла, которое приведет к большому количеству брака в конечной отливке. Кроме того, известное устройство не может быть эффективно использовано для введения в расплав ультрадисперсных и нанодисперсных порошков, так как, имея большую удельную поверхность и не смачиваясь металлом, они не будут диффундировать в глубину струи металла, оставаясь на поверхности расплава.
Известно устройство для введения модификаторов в расплав металла, содержащее оснащенный приводом вращения корпус конической формы или воронкообразного типа, установленный на валу, имеющем осевой сквозной канал. Данный канал магистралью связан с бункером для модификатора и с системой подачи газа.
Для обеспечения работы коническая (воронкообразная) часть корпуса помещается в расплав металла и приводится во вращение.
В процессе работы устройства загруженный в бункер модификатор за счет подачи газа (пневматически) подается через канал вала по трубе во внутреннюю полость вращающегося конуса, где он смешивается с расплавом. Под полостью в конусе образуется равномерная поверхность расплава, которая непрерывно обновляется из-за действия центробежных сил, которые вращающийся конус прикладывает к жидкости. Кроме того, газ, находящийся в полости конуса, подвергается вращению и когда модификатор в виде частиц поступает в полость, то часть частиц будет падать вниз и непосредственно смешиваться с расплавом, а другая часть, вследствие действия центробежной силы, будет отбрасываться наружу и вниз и подаваться вдоль стенки корпуса, а затем смешиваться с расплавом.
(см. патент РФ №2116823, кл. B01F 5/12, 1998 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что оно в процессе работы одновременно подвергается термическому и силовому воздействиям, то есть воздействию центробежных сил вращения и силовому давлению металла, что существенно снижает рабочий ресурс устройства. Кроме того, газ, посредством которого модификатор подается в коническую часть корпуса и в образованную центробежными силами воронку расплава металла, будет проникать вместе с модификатором только в поверхностный слой расплава и не будет распределен по всему объему расплава.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка конструкции устройства для модифицирования расплава, в том числе ультрадисперсными и наноразмерными модификаторами, обеспечивающего равномерное распределение модификатора в расплаве, что позволяет существенно повысить качество отливок.
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в устройстве для модифицирования расплава содержащем выполненный из жаропрочного материала корпус, соединенный со штоком, имеющим возможность соединения с приводом перемещения устройства в расплав и из него, новым является то, что в корпусе имеется емкость с каналами для загрузки модификатора и сообщения полости емкости с расплавом, причем устройство оснащено размещенной в корпусе индукционной катушкой, имеющей возможность соединения с источником питания и охватывающей емкость.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
на фиг.1 - устройство для модифицирования расплава, общий вид;
на фиг.2 - устройство, продольный осевой разрез.
Устройство для модифицирования расплава выполнено в виде корпуса 1, преимущественно цилиндрической формы, из жаропрочного материала (например, керамики). В корпусе размещена индукционная катушка 2. В корпусе также предусмотрена емкость 3, выполненная из жаропрочного материала. Емкость 3 имеет преимущественно цилиндрическую форму и оснащена двумя каналами 4 (верхний) и 5 (нижний), выполненными на ее образующей у верхнего и нижнего торца и имеющими выходы из корпуса 1. Емкость 3 установлена в корпусе 1 таким образом, что индукционная катушка 2 охватывает ее. Корпус 1 оснащен штоком 6, предназначенным для соединения с приводом перемещения устройства (не показан). Целесообразно, чтобы в штоке был выполнен осевой канал, через который прокладываются контакты индукционной катушки.
Устройство для модифицирования расплава работает следующим образом:
Для функционирования устройства индукционную катушку подключают к магнитно-импульсной установке или к другому генератору частотного тока.
В нижнее окно 5 емкости 3 засыпают навеску порошкового наномодификатора или смесь нанопорошков в заданной пропорции.
Устройство приводят в вертикальное положение, шток 6 соединяют с приводом перемещения устройства, включают привод и устройство погружают в расплав, находящийся в раздаточной печи или в ковше. При погружении устройства в расплав, жидкий металл затекает в нижний канал 5 и поднимается по емкости 3 снизу вверх. При этом нанопорошковый модификатор, имея большую поверхность и, не смачиваясь металлом, будет находиться на свободной поверхности поднимающегося внутри полости емкости зеркала металла.
По мере погружения устройства металл достигнет верхнего окна 4 и емкость 3 будет заполнена полностью, при этом весь порошок модификатора будет скоплен в верхней ее части.
Включают источник питания индуктора и подают на индуктор 2 импульсный ток высокого напряжения и направления, при котором вектор сил Лоренца, возникающих в металле, находящемся в емкости 3, будет направлен вверх. Формируемые в металле, находящемся в емкости 3 посредством электромагнитных сил ударные волны в направлении скопления частиц модификаторов, механоактивируют частицы и внедряют их в расплав. При обозначенном направлении силового воздействия, поток расплава из емкости 2 будет перемещаться через верхнее окно 4 корпуса, отдавая расплаву модифицированный металл. На место вытесняемого модифицированного металла, в емкость 3 уже через отверстие 5 поступает расплав, который модифицируется описанным выше образом. В ходе протекания процесса порошок модификатора из емкости 3 будет захватываться металлом и по окончании обработки, длительность которой определяется для конкретного случая, весь порошок выйдет из корпуса устройства и окажется в объеме металла.
После окончания обработки устройство поднимают из расплава и жидкий металл, оставшийся в емкости 3, вытекает из нее.
Использование устройства позволяет осуществлять модифицирование металла чистыми ультрадисперсными и нанопоршками без матрицы. Перемешивание модификаторов в расплаве происходит интенсивно за счет воздействия электромагнитных волн и на расплав вне корпуса устройства, что обеспечивает равномерное распределение модификатора в расплаве.
Кроме того, устройство объединяет в себе как активатор модифицирования, так и погружной индуктор объемного воздействия.
Пример работы устройства
Было изготовлено устройство с габаритными размерами D=80 мм, Н=150 мм.
Опробование устройства было произведено в лабораторных условиях.
2
3
В лабораторной тигельной печи сопротивления было расплавлено 5 кг сплава АК7. После доведения температуры расплава до 720°С (температура расплава замерялась инфракрасным пирометром), печь была переключена на режим выдержки. На нижнюю площадку описанного устройства через нижнее окошко была насыпана навеска в 6 г наноразмерного порошка AlO, после чего контакты устройства были подключены к магнитно-импульсной установке МИУ-5.
Крышка печи был снята и корпус модифицирующего устройства был погружен в расплав. Магнитно-импульсной установкой была произведена серия импульсов электрических импульсов с мощностью W=0,3 кДж, состоящая из пяти импульсов с интервалом 2 секунды. При этом наблюдались колебания зеркала металла в тигле. Далее устройство было извлечено из тигля, оставшийся в рабочей полости устройства расплав вытек через нижнее окно. Заливка образцов и металлографические исследования показали удовлетворительное распределение модификатора по объему залитого слитка-образца.