Способ получения волокон из расплава

 

Использование: металлургия, получение металлических волокон из различных металлов и сплавов методом экстракции расплава. Сущность изобретения: дисковый кристаллизатор перемещают в плоскости зеркала расплава по криволинейной траектории или по синусоидальной траектории. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения металлических волокон из различных металлов и сплавов методом экстракции расплава.

Известен способ получения тонкой металлической ленты из расплава с помощью валков кристаллизаторов (см. например: Мирошниченко И. С. Закалка из жидкого состояниям М. "Металлургия"", 1982, с.9, рис.6), который при дозировании подачи расплава из печи может быть использован для получения металлических волокон. Известный способ включает плавление металла в печи и выдавливание порции расплава инертным газом в зазор между вращающимися навстречу друг другу валками-кристаллизаторами. Известное устройство позволяет получать калиброванное по толщине волокно. Однако ввиду недостаточной производительности способа, обусловленной цикличностью работы системы подачи расплава, данный способ не может быть использован для промышленного получения волокна. Кроме того, процесс охлаждения расплава в зоне кристаллизации протекает неустойчиво (см. например: Метастабильные и неравновесные сплавы /Под ред. Ефимова Ю. В. М, "Металлургия", 1988, 0.184-185 /1/), что снижает качество готового продукта.

Известен способ изготовления металлических волокон и ленты из расплава методом спиннингования (см. например: Быстрозакаленные металлы /Под ред. В. Контора. М. "Металлургия", 1983, с.37, рис.1 /2/). Известный способ включает плавку навески металла в тигле с отверстием в нижнем конце и выдавливание порции расплава сжатым газом на поверхность быстровращающегося диска-кристаллизатора. Известный способ за счет высоких скоростей охлаждения расплава позволяет получать металлическую ленту и волокна с микрокристаллической и аморфной структурой. К недостаткам известного способа следует отнести низкую производительность вследствие цикличности процесса, а также низкую долговечность тигля, обусловленную эрозией его сопла в процессе работы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ изготовления металлических волокон методом экстракции расплава (см. например: Аморфные сплавы. Манохин А.И. Митин Б.С. Васильев В. А. и др. М. "Металлургия", 1984, с. 41, рис.20, а прототип /З/), включающий извлечение (экстракцию) расплава из обогреваемой ванны, кромкой диска-кристаллизатора, быструю кристаллизацию расплава на кромке диска и удаление готового продукта с кромки диска под действием центробежных сил.

Известный способ отличается высокой производительностью, которая ограничивается лишь скоростью вращения кристаллизатора, а также простотой конструкции емкости для расплава. Кроме того, известный способ позволяет регулировать толщину и форму волокна как за счет изменения скорости вращения диска, так и за счет глубины погружения диска в расплав.

Одним из недостатков известного способа является недостаточно высокая скорость охлаждения расплава на рабочей поверхности дискового кристаллизатора. Это объясняется тем, что во время экстракции расплава при контакте водоохлаждаемого диска-кристаллизатора с расплавом металла в месте этого контакта в объеме расплава образуется зона с температурой несколько меньшей температуры остального объема ванны. Следствием этого является снижение скорости охлаждения расплава на рабочей поверхности диска-кристаллизатора, которая прямо пропорциональна разности температур расплава и поверхности дискового кристаллизатора (см. Метастабильные и неравновесные сплавы /Под ред. Ефимова Ю.В. М. "Металлургия", 1988, с.149, формула 3.89).

Увеличение скорости охлаждения расплава позволило бы повысить качество получаемого волокна за счет улучшения его потребительских свойств. Например, с увеличением скорости охлаждения возрастает прочность быстрозакаленных сплавов (см. Конструкционные и жаропрочные материалы для новой техники /Сборник работ под ред. Н.М.Жаворонкова. М. "Наука", 1978, с.314 рис.1, с. 317).

Другим недостатком известного способа получения волокон из расплава является неравномерность толщины получаемого волокна в продольном направлении. Толщина волокна непрерывно сокращается от одного его конца к другому. Этот недостаток обусловлен тем, что в момент погружения выступа рабочей поверхности диска-кристаллизатора, на котором формируется волокно, в расплав от удара выступа о поверхность расплава образуется волна. При вхождении выступа диска в тело волны глубина его погружения в расплав и, следовательно, толщина образуемого волокна увеличивается (см. например: Аморфные сплавы /Манохин А. И. и др. М. "Металлургия", 1984, с.46, формула 51). Затем волна гаснет и глубина погружения диска в расплав, а с ней и толщина волокна уменьшается и достигает минимальной толщины в момент выхода выступа дискового кристаллизатора из расплава.

Продольная разнотолщинность волокна снижает его потребительские свойства и ограничивает сферу применения.

Цель заявляемого способа состоит в повышении качества изготавливаемого волокна путем увеличения скорости охлаждения расплава на дисковом кристаллизаторе, а также за счет снижения разнотолщинности по длине волокна.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе экстракцию расплава осуществляют путем перемещения диска в плоскости зеркала расплава по криволинейной траектории.

Поставленная цель достигается также и тем, что в заявляемом способе в процессе экстракции дисковый кристаллизатор перемещают по синусоидальной траектории в вертикальной плоскости.

Сравнительный анализ известного уровня техники, описанный в источниках /1, 2, 3/, свидетельствует, что заявленный объект в значительной степени отличается от каждого из известных способов как в отдельности, так и от их комбинации. Следовательно, притязания заявителя для специалиста не следуют из уровня техники известных способов и поэтому могут быть охарактеризованы как имеющие изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 представлены схемы перемещений диска-кристаллизатора в плоскости расплава и в вертикальной плоскости соответственно с исходными и конечными (представлены пунктиром) положениями диска; на фиг. 3 схематическое изображение металлического волокна в изометрии с разнотолщинностью по длине l, ширине b и толщине s.

Для осуществления заявляемого способа под обогреваемой нагревателями ванной 1 с расплавом 2 размещают диск-кристаллизатор 3, который вращается вокруг своей горизонтальной оси 0-0 (фиг.1, 2). Диск 3 располагают таким образом, что его рабочая кромка 4 касается поверхности А-А расплава 2 (фиг.1, 2). При этом расплав начинает налипать на выступы 5,выполненные на рабочей кромке диска, охлаждается и удаляется (экстрагируется) из ванны в виде металлического волокна 6. Отделение волокон от кромки диска происходит под действием центробежных сил.

С началом процесса экстракции диску 3 придают одновременные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В горизонтальной плоскости (плоскости зеркала расплава А-А (фиг.2) диск 3 перемещают по криволинейной траектории ВСДЕ (фиг.1, стрелками указаны направления перемещения диска 3). В вертикальной плоскости диск 3 перемещают по синусоидальной траектории 7.

В процессе экстракции волокон расплав в ванне убывает и уровень его понижается. Для сохранения контакта рабочей кромки диска-кристаллизатора с поверхностью расплава производят перемещение диска навстречу ванне с расплавом, либо ванны навстречу диску. После того, как уровень расплава в ванне понижается до минимального значения F-F процесс экстракции прекращают, диск-кристаллизатор 3 выводят из ванны 1 и пополняют ванну 1 расплавом 2 до исходного уровня А-А (фиг.2). Затем процесс экстракции возобновляют. Минимальный уровень расплава F-F, при котором процесс экстракции прекращают определяется конструктивными параметрами ванны и диска-кристаллизатора.

Перемещение диска-кристаллизатора в плоскости зеркала расплава по криволинейной траектории позволяет в каждый последующий момент времени вести экстракцию расплава в новой точке его зеркала. Такой режим экстракции позволяет исключить образование зоны подстуживания под диском-кристаллизатором, которая образуется в результате интенсивного отвода тепла от расплава водоохлаждаемым диском-кристаллизатором. Поэтому температура расплава в месте его экстракции, а следовательно, и скорость его охлаждения повышаются.

Криволинейная траектория перемещения диска-кристаллизатора по отношению к прямолинейной позволяет увеличить интервал времени между проходами диска через одну и ту же точку зеркала расплава. Вследствие этого расплав в этой точке успевает полнее восстановить свою температуру, понизившуюся за время контакта его с диском-кристаллизатором, что усиливает эффект повышения скорости охлаждения.

Синусоидальная траектория 7 перемещения диска-кристаллизатора 3 в процессе экстракции расплава 2 позволяет циклически изменить глубину его погружения в расплав (фиг.2). В момент выхода выступа 5 рабочей кромки 4 диска 3 из расплава глубину его погружения в расплав увеличивают, увеличивая тем самым толщину волокна. При входе очередного выступа в расплав глубину погружения диска-кристаллизатора уменьшают, следовательно уменьшается и толщина волокна. Такой режим экстракции позволяет снизить продольную разнотолщинность волокна, которая наблюдается при работе известного устройства.

ПРИМЕР реализации способа Заявляемый способ использовался для получения волокна из сплава А1+20%Si. Толщина волокна s составляла 0,1 мм, длина 1 - 10. 12 мм, ширина Ь 0,5 мм. Температура расплава в ванне составляла 850^oС. Экстракцию расплава производили медным водоохлаждаемым диском-кристаллизатором диаметром 200 мм. На рабочей кромке диска, выполненной в виде гребня, было 26 выступов длиной 12 мм и шириной 0,5 мм. Скорость вращения диска составляла 30 с. Диску придавали возвратно-поступательные движения со скоростью 0,01 м/с в горизонтальной плоскости по криволинейной траектории, имеющей форму эллипса с соотношением длин осей 1:5.

Форма криволинейной замкнутой траектории движения диска-кристаллизатора в горизонтальной плоскости (круг, эллипс и т.д.) выбиралась из следующей технологической практики. Технологически наиболее оптимальной формой в плане ванны с расплавом является круг (для дисков диаметром до 150 мм) и прямоугольник (для дисков диаметром более 200 мм). В зависимости от формы ванны с расплавом в плане выбиралась и форма траектории диска-кристаллизатора. Например, для прямоугольной в плане ванны и диском с диаметром более 200 мм технологически целесообразна траектория движения диска в горизонтальной плоскости в виде эллипса. Для круглой в плане ванны с расплавом целесообразна траектория диска в виде окружности. Кроме того, такие формы траекторий достаточно легко воспроизводимы при помощи обычных приводов перемещений.

В вертикальной плоскости диску придавали синусоидальное перемещение с амплитудой 0,1 мм, которое являлось слагаемым двух перемещений: возвратно-поступательного горизонтального со скоростью 0,01 м/с и вертикального вибрационного с частотой 780 Гц.

Такое же по химическому составу и размерам волокно получали по известному способу. Механические свойства и геометрические параметры образцов полученных волокон приведены в таблице.

Как следует из экспериментальных данных, приведенных в таблице, заявляемый способ по сравнению с известным позволяет повысить скорость охлаждения материала волокна, о чем свидетельствует увеличение микротвердости по длине волокна со 156 кг/мм до 219 кг/мм и повышение среднего предела прочности с 162 до 219 МПа. Кроме того, улучшается такой качественный показатель волокна как разнотолщинность по длине.

Формула изобретения

1. Способ получения волокон из расплава, включающий экстракцию расплава дисковым кристаллизатором, отличаюшийся тем, что дисковый кристаллизатор перемещают в плоскости зеркала расплава по криволинейной траектории.

2. Способ по п. 1. отличающийся тем, что дисковый кристаллизатор перемещают по синусоидальной траектории в вертикальней плоскости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4