Экструзионная установка для получения слоистого композиционного профиля

Техническое решение относится к обработке металлов совмещенными методами непрерывного литья и прессования и может быть использовано для наложения оболочек на кабели и получения слоистых композиционных профилей, в том числе биметаллических профилей.
Известна экструзионная установка для получения композиционного профиля, содержащая дозатор плакирующего металла и охлаждаемый кристаллизатор с каналом подачи сердечника, при этом кристаллизатор объединен с камерой наложения оболочки на сердечник, который одновременно расположен в дозаторе с расплавленным металлом (сайт «Все о металлургии», статья «Технологические схемы получения композитов», http://metal-archive.ru/litye-materialy/95-technologicheskie-shemy-polucheniya-kompozitov.html).
Под плакирующим металлом понимают металл, накладываемый на сердечник в виде оболочки.
Данная установка конструктивно достаточно проста, однако недостатками полученных композиционных профилей являются неоднородность структуры металла оболочки с сохраненными усадочными раковинами и трещинами, неравномерность плакирующего слоя (оболочки) по длине и разнотолщинность ее по сечению профиля, что говорит о низком качестве получаемых профилей.
Кроме того, на данной установке невозможно получение композиционного профиля с сердечником, температура плавления которого меньше, чем у плакирующего металла, например, в случае использования алюминиевого сердечника и медной оболочки. Это связано с тем, что в ходе технологического процесса твердый сердечник длительное время находится в непосредственном контакте с расплавленным плакирующим металлом, что может привести к расплавлению сердечника.
Также известна экструзионная установка для получения композиционного профиля, описанная в патенте РФ №2064364 «Способ получения биметаллической полосы» с приоритетом от 15.02.1994 и выбранная в качестве прототипа.
Данная установка содержит дозатор плакирующего металла, подвижный охлаждаемый кристаллизатор с каналом подачи сердечника, сопряженный с подвижным устройством наложения оболочки, соосно с которым расположено калибрующее устройство, при этом устройство наложения оболочки выполнено в виде бойков, наклонные поверхности которых являются продолжением полости кристаллизатора, и боковых стенок, которые соединены с торцевой поверхностью кристаллизатора, а калибрующее устройство сформировано калибрующими участками рабочих бойков. Охлаждаемый кристаллизатор выполнен с возможностью возвратно-поступательного вертикального перемещения, а рабочие валки - с возможностью возвратно-поступательного горизонтального перемещения.
Недостатками данной установки являются:
- ограниченные функциональные возможности, связанные с невозможностью получения композиционного профиля с сердечником, температура плавления которого меньше, чем у плакирующего металла, например, в случае использования алюминиевого сердечника и медной оболочки. Это связано с тем, что в ходе технологического процесса твердый сердечник длительное время находится в непосредственном контакте с расплавленным плакирующим металлом, что может привести к расплавлению сердечника;
- невозможность получения качественного композиционного профиля с равномерным плакирующим слоем (оболочки) по длине и одинаковой ее толщиной по сечению профиля, так как композиционная заготовка формируется при неоднородном пульсирующем обжатии разъемным калибрующим устройством, выполненным с возможностью возвратно-поступательного горизонтального перемещения относительно движущейся заготовки;
- невозможность получения качественного композиционного профиля с однородной структурой металла оболочки, что является следствием неодновременной кристаллизации плакирующего металла - вначале кристаллизация происходит у стенок кристаллизатора с образованием зоны мелких кристаллов, а в центральной его части, через которую проходит сердечник биметаллической заготовки, скорость охлаждения металла ниже, что способствует образованию зоны столбчатых кристаллов, рост которых происходит в направлении отвода тепла от стенок к центру. Кроме того, в оболочке композиционной заготовки сохраняются внутренние литейные дефекты, усадочные раковины и трещины. Такая неоднородная дефектная структура оболочки может привести к разрыву оболочки в ходе последующей пластической деформации и при эксплуатации готовой продукции;
- громоздкость установки.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание компактной экструзионной установки с расширенными функциональными возможностями для получения качественного слоистого композиционного профиля с однородной бездефектной структурой оболочки, равномерным плакирующим слоем (оболочкой) по длине и равной толщиной по сечению профиля.
Решением данной задачи является экструзионная установка для получения слоистого композиционного профиля в виде сердечника с оболочкой, содержащая кристаллизатор с каналом подачи сердечника профиля, выполненный с возможностью наложения оболочки на упомянутый сердечник, новым в котором является то, что установка снабжена корпусом с входным и выходным отверстиями, дозатором, соединенным с входным отверстием корпуса, охлаждающим кристаллизатор устройством и калибрующим устройством, при этом кристаллизатор выполнен в виде расположенного горизонтально шнекового кристаллизатора с конечной конусообразной частью, расположенной с зазором относительно боковой стенки корпуса и обеспечивающей возможность наложения оболочки на сердечник, причем охлаждающее кристаллизатор устройство и канал подачи сердечника расположены во внутренней полости шнекового кристаллизатора, а калибрующее устройство расположено в выходном отверстии корпуса.
Угол раствора конусообразной части шнекового кристаллизатора составляет 120-140°, а ширина зазора между конусообразной частью шнекового кристаллизатора и боковой стенкой корпуса составляет 3-10 мм.
Использование охлаждаемого шнекового кристаллизатора, в котором шнек имеет винтообразные выступы, позволяет непрерывно перемещать расплавленный плакирующий металл при одновременной его кристаллизации за счет интенсивного отвода тепла в винтовом канале, что обеспечивает наложение оболочки при температуре пластичности плакирующего металла, что обеспечивает получение слоистых композиционных профилей даже при значительной разницы температур плавления у используемых компонентов, то есть функциональные возможности экструзионной установки расширяются и увеличивается линейка сортамента выпускаемой продукции.
Исследования показывают, что неоднородная дефектная структура металла оболочки влияет в дальнейшем на качество готовой продукции и может вызвать неожиданное разрушение в ходе последующей пластической деформации. Для получения однородной и плотной структуры, без пористости, рыхлости и других дефектов в заявляемой установке плакирующий металл в пластичном состоянии принудительно подается шнеком в зазор между неподвижной стенкой корпуса и подвижной оконечной конусообразной частью шнека. В зазоре закристаллизовавшийся плакирующий металл подвергается интенсивной пластической деформации трением с вращением без доступа кислорода, в результате чего происходит измельчение зерен металла и структурных составляющих, устраняются все литейные и усадочные дефекты и полностью отсутствуют оксиды плакирующего металла, наличие которых приводят к ухудшению физико-механических свойств, как оболочки, так и готового профиля в целом. Благодаря конусообразной форме оконечной части шнека, металл под действием напорного эффекта и сил вращения направляется к сердечнику, на который в зоне между вершиной конусообразной части и входом в калибрующее устройство плакирующий металл под давлением накладывается на сердечник, обеспечивая прочное соединение компонентов и стабильную концентричность оболочки. При этом минимальное время нахождения сердечника в контакте с нагретым плакирующим металлом исключает перегрев сердечника, что позволяет на заявляемой установке изготавливать и качественные композиционные профили из разнородных материалов и осуществлять наложение металлической оболочки на кабель.
Опытным путем установлено, что конусообразная часть с угол раствора 120-140 градусов и ширина зазора 3-10 мм между конусообразной частью шнека и боковой стенкой являются оптимальными для создания необходимых усилий для проработки структуры плакирующего металла, направленного течения металла в зазоре и качественного наложения металла на сердечник.
Компактное расположение узлов установки, а именно: сопряжение кристаллизатора с устройством наложения оболочки, расположение во внутренней полости шнекового кристаллизатора охлаждающего устройства и сквозного канала подачи сердечника, позволяет уменьшить габаритные размеры заявляемой установки.
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид заявляемого устройства, на фиг. 2 - разрез А-А.
Экструзионная установка содержит дозатор 1 плакирующего металла 2, соединенный с входным отверстием корпуса 3. В корпусе 3 расположены шнековый кристаллизатор 4, выполненный с возможностью вращения и оконечная конусообразная часть 5 которого является устройством наложения оболочки 6, установленное с зазором 7 относительно боковой стенкой корпуса 3; калибрующее устройство 8, расположенное в выходном отверстии корпуса 3 соосно с устройством наложения оболочки 6. Во внутренней полости кристаллизатора 4 расположены охлаждающее устройство 9 и сквозной канал 10 подачи сердечника 11. Угол α раствора конусообразной части 5 равен 120-140 градусов. Ширина зазора 7 между конусообразной частью 5 и боковой стенкой корпуса 3 равна 3-10 мм. На корпусе 3 со стороны калибрующего устройства 7 (фильеры) установлен нагревательный элемент 12. В качестве охлаждающей среды в устройстве 9 используются вода или масло.
В опытном образце заявляемой экструзионной установки для получения композиционного профиля из алюминиевого сердечника 10 диаметром 6,5 мм и медной оболочки 6 толщиной 0,4 мм, шнек кристаллизатора 4 выполнен диаметром 110 мм и длиной 80 мм, включая конусообразную часть 5, длина которой равна 40 мм; отношение объема одного витка винтового канала кристаллизатора 4 в зоне загрузки к объему одного витка в зоне выхода равно 1,1; угол α раствора конусообразной части 5 равен 140 градусов; ширина зазора 7 равна 4 мм; частота вращения кристаллизатора 4 равна 20 об\мин; скорость перемещения сердечника 11 равна 25 м\мин, диаметр отверстия калибрующего устройства 8 равен 6,6 мм. Габаритные размеры установки 500×600×1000 мм (без печи и отдающего и приемного устройств - на чертеже не показаны), производительность 2000 м\час биметаллического профиля.
Перед запуском установки в работу калибрующее устройство 8 прогревается с помощью электрического нагревателя 12, которое затем отключают. При эксплуатации установки сердечник 11 вставляют в канал 10 и приводят во вращение кристаллизатор 4, на винтовую поверхность которого из дозатора 1 поступает расплавленный металл 2 (медь), нагретый до 1080°C. За время движения винтовой поверхности кристаллизатора 4 расплавленный металл 2 охлаждается до температуры 630°C и попадает в зазор 7. В зазоре 7 между неподвижной стенкой корпуса 3 и вращающейся частью 5 металл 2 подвергается интенсивной пластической деформации трением с вращением, в результате чего происходит гомогенизация металла 2, измельчение зерен и структурных составляющих, устраняются все литейные и усадочные дефекты. Одновременно по поверхности конусообразной части 5 металл 2, под действием напорного эффекта и сил вращения, направляется к движущемуся сердечнику 11, на который в зоне между вершиной конусообразной части 5 и входом в калибрующее устройство 8 металл 2 под давлением накладывается на сердечник 11, обеспечивая прочное соединение компонентов и стабильную концентричность оболочки 6. При этом сердечник 11 в контакте с нагретым металлом 2 находится не более 0,1 сек, что исключает, перегрев сердечника 8 и не вносит изменений в его структуру. После наложения оболочки 6 заготовка попадает в калибрующее устройство 8 (фильеру), в котором происходит обжатие оболочки 6 и выравнивание ее поверхности.
Процесс наложения оболочки 6 на сердечник 11 происходит равномерно, без рывков, а в получаемом профиле оболочка с однородной бездефектной структурой имеет стабильные размеры по длине и по сечению.
Прямоточное прессование, реализованное в заявляемой установке, позволяет на 30-50% снизить усилия, затрачиваемые на деформацию плакирующего металла (меди) и на 25-35% уменьшить энергоемкость относительно альтернативного метода непрерывного прессования Конформ.