Устройство для ультразвуковой обработкирасплавленного металла

 

Сеюз Севетсиих

Социалистических ттеспубиик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ТВЛЬСТВУ п«850301 (á1 ) Дополнительное к авт. сеид«ву (22) Заявлено 170879 (21) 281б440/22-02

f51)M. Кл.э с присоединением заявки Мо

В 22 0 27/02

Государственный комитет

СССР по делан изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 300781. 6 еллетеиь Ик 28 (53) УДК 621. 746. 58 (088.8) Дате опубликования описания 306781 (т

П.П.Прохоренко, Н.В.Дежкунов, H.Â.Деленков кий,. и Г.Е.Коновалов а I ! ! (72} Авторы изобретения (71) Заявитель.

Физико-технический институт AH Белорусской ССР (54) -УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ

РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

Изобретение относится к ультразвуковой технологии н может быть использовано при обработке в ультразвуковом поле жидких металлов и сплавов ..

Известны охлаждаемые и неохлаждаемые устройства ввода ультразвуковых колебаний в расплавы металлов,содержащие магнитострнкцнонный преобразователь и волновод-концентратор f1), Неохлаждаемое устройство-излучатель имеет простую конструкцию, обеспечивает Требуемую интенсивность ультразвука при озвучивании расплава металлов. Однако вследствие нагрева рабочих поверхностей неохлаждаемого излучателя при вводе ультразвуковых колебаний в расплавы про» исходит изменение резонансной частоты колебательной системы,. растут по- 20 терн акустической энергии в материале излучателя, увеличивается эрозия рабочих поверхностей, что .в целом резко уменьшает эффективность озвучивания расплава.

Наиболее близким к предложенному является устройство для ввода ультразвуковых колебаний в кристаллизующиеся расплавы металлов, содержащее магнитострикционный преобразователь и 30 излучатель, выполненный в виде полуволнового водоохлаждаемого поддона в форме цилиндрического стакана, соединенного непосредственно с магнитострикционным преобразователем 2 1.

Основной недостаток данного устройства — нестабильность его работы при озвучивании расплавов вследствие невозможности обеспечения постоянства толщины корочки эакрнсталлнэовавшегося металла на поверхносит излучателя, предохраняххяей его от разрушения. между толщиной корочки и степенью охлаждения в устройстве не существует обратной связи. Поэтому любое изменение услоййй процесса приводит к отклонению толщины корочки от оптимальной. Излишнее охлаждение волновода вызывает рост корочки вплоть до кристаллизации всего слитка, а недостаточное охлаждение ведет к исчезновению корочки и активному износу -колеблкяхейся поверхности излучателя и загрязнению обрабатываемого расплава материалом излучателя.

Кроме того, изменение толщины корочки фактически меняет геометрические размеры .колебательной системы и тем самым выводит ее из резонанса, что является причиной нестабнльной рабо-

850301 ты устройства при обработке жидких расплавов.

Цель изобретения — повышение стабильности работы устройства и повышение срока службы волновода.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве с магнитострикционным преобразователем, охлаждаемым жидкостью в полости излуча.ющей системы, выполненной замкнутой, размещена капиллярная структура, закрепленная в узле колебаний волновода, а ближайшая к преобразователю внутренняя торцовая поверхность полости находится в пучности колебаний волновода и удалена от торцов капилляров на

0,03-0,5 мм. 35

На чертеже изображено предложенное устройство.

В водоохлаждаемом корпусе преобразователя 1 размещен магнитострикционный пакет 2 с обмоткой 3 питания, Щ который припаян к ультразвуковому волноводу, состоящему из двух полуволновых элементов 4 и 5. В замкнутой цилиндрической полости волновода с помощью кольца 6 закреплена капиллярная структура (пакет капиллярных тру° бок) 7 и находится жидкость 8, предназначенная для переноса тепла. Ближайшая к преобразователю торцовая поверхность полости расположена в пучности колебаний и удалена от торца капилярной структуры на 0,03-0,5 мм.

Капиллярная структура 7 набрана нз отдельных капилляров и выполнена в виде трубки, стенками которой является слой капилляров.

Устройство работает следующим образом.

Рабочий конец волновода вводится в расплав металла и на преобразователь подается напряжение ультразвуко- 40 вой частоты.Под действием ультразвуко. вых колебаний в данной конструкции возникает ультразвуковой капиллярный эффект.B результате жидкость (теплоноситель) прокачивается под действием ультразвука через капиллярные каналы от торца полости волновода, расположечной в пучности волновода, к его рабочему концу.

Так как в момент введения в расплав температура рабочей части волновода ниже температуры кристаллизации металла на поверхности волновода,йроисходит кристаллизация, т.е. образуется корочка металла. Одновременное: тепло из расплава передается в тело И волновода, и последний разогревается.

При разогреве рабочего торца волновода до температуры кипения теплоносителя последний начинает интенсивно испаряться, поглощая тепло и 40 .охлаждая волновод. Давление паров в этой части полости резко возрастает, и пары теплоносителя под действием перепада давления в зонах испарения и конденсации перемещаются в во- 65 доохлаждаемую часть волновода. Здесь пар конденсируется и отдает охлаждающей воде энергию, аккумулированную при испарении. Таким образом, быстро и эффективно осуществляется теплоотвод от рабочей части волиовода и его температура поддерживается близкой к температуре кипения теплоносителя.

Если температура рабочей части ,волновода по каким-либо причинам становится ниже температуры кипения теплоносителя, теплоотвод ухудшается и рабочий конец волновода разогревается вследствие подвода тепла из расплава до температуры кипения теплоносителя.

Таким образом, предложенное устройство работает фактически с обратной температурной связью, а постоянство температуры торца волновода, на- ходящегося в расплаве, обеспечивает постоянство толщины корочки, причем сама толщина может регулироваться выбором соответствующего теплоносителя.

В результате повышается стабильность работы устройства (его КПД) и обеспечивается надежная защита иэлуча. теля от разрушения в ультразвуковом поле.

При малых зазорах Ь между излучающей поверхностью и капилляром давление у торца в капилляра быстро растет с уменьшением Ь . Однако несмотря на увеличение давления, вызывающего течение жидкости по капиллярным каналам под действием ультразвука при зазорах Ь 0,03 мм, скорость прокачивания жидкости через капилляр начинает уменьшаться вследствие того, что в этом случае зазор представляет собой большое гидродинамическое сопротивление и подвод жидкости к каналу капилляра затрудняется. Таким образом, уменьшать зазор менее 0,03 мм нецелесообразно. С увеличением зазора эффект быстро уменьшается и при зазорахл 0,5 мм давление, возникающее в ультразвуковом поле и вызывающее увеличение скорости протекания жидкости в капилляре, составляет всего

20-30% от давления, возникающего при. зазоре, равным 0,05 мм. В связи с этим увеличивать зазор более 0,5 мм нецелесообразно.

Сравнительную .проверку работы предлагаемого устройства и известного (2 1 проводят следующим образом.

Из титанового сплава BT.-9 изготовлены два полых цилиндрических волновода, длина которых равняется длине ультразвуковой волны. В одном из волноводов в узле колебаний выполнены два отверстия со штуцерами для водяного охлаждения. В полости этого волновода размещена медная трубка, присоединенная ко входному отверстию полости. Вода по трубке подается к рабочей части волновода. Волновод навинчивается на преобразователь ИМС850301

10 а l5

20. проверка показывает, что предложенФормула изобретения

15-Н18 с помощью переходной шпильки.

Температура охлаждающей воды (водопроводной) составляет 12ОC. Торец волновода опускают в ванну с расплавом свинца при 340 С. Мощность нагре вателя ванны — 5 кВт. На торцовой поверхности излучателя начинает накристаллиэовываться материал расплава, толщину образовавшейся при этом корочки измеряют с помощью стального щупа.

Через 30 мнн после введения торца волновода в расплав при постоянном расходе воды, охлаждающей волновод, 4,5 л/мин, толщина твердой корочки н торце волновода составляет 17 мм. 3а тем преобразователь подключают к генератору УЭГ-2,5, в цепь анодного питания которого включают автотранс-. форматор для регулировки амплитуды колебаний преобразователя в широких пределах. Через 10 мин после включения ультразвуковых колебаний при амплитуде колебаний торца волновода

B мкм толщина корочки составляет

5 мм. Увеличение расхода воды до

6 л/мин доводит толщину корочки до р

9 мм, а с уменьшением расхода до

4 л/мин корочка пропадает. При расходе воды 7,5 л/мин с изменением амплитуды колебаний от 5 до 12 мкм толщина корочки изменяется от 10 до

0 мм.

Отсутствие корочки приводит к интенсивному разрушению излучателя и загрязнению обрабатываемого металла материалом волновода. Наличие корочки толщиной более 3 мм вызывает рассогласование излучателя и ужудшение условий передачи звуковой энергии в расплав металла, в результате интенсивность звука в рабочей емкости падает на 70-90%.

Предложенное устройство выполняют следующим образом. В цилиндрический полый волновод вставляют пакет сталь. ных капиллярных трубок, приваренных к стальному кольцу, которое, в свою .очередь, приварено к цилиндрическому волноводу таким образом,что торец пакета капилляров находится после навинчивания цилиндрического волновода на преобразователь ПМС-15-А18 на расстоянии 0,2 мм от торцовой поверхности шпильки, на которую навинчивается концентратор.

В полость полновода вводят глице рин и завинчивают волновод на преобразователь. Принудительно охлаждают преобразователь ПИС-15-А18 проточной водой согласно паспортным данным преобразователя (4,5 л/мин) и вводят торец волновода в расплав. Через

30 мин толщина измеренной корочки сос. тавляет б мм. Через 10 мин после включения ультразвуковьФ колебаний с амплитудой .8 мкм толщина корочки уменьшается до 3 мм. При изменении амплитуды колебаний от 5 до 12 мкм толщина корочки изменяется от 2 до

1 мме

При изменении расхода воды, охлаждающей магнитостриктор, от 4 до б л/мин в пределах точности измерений толщина корочки не изменяется (точность измерений + 0,2 мм).

Выполненная экспериментальная,ное устройство улучшает стабилизацию толщины корочки по сравнению с известным эа счет стабилизации температуры рабочей поверхности излучателя;

В результате стабилизируется работа излучателя, повышается эффективность обработки, предотвращается разрушение излучателя.

Устройство для ультразвуковой обработки расплавленного металла, содержащее магнитострикционный преобразователь и волновод с полостью для охлаждающей жидкости, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения стабильности работы устройства и повышения срока службы волновода, полость волновода -выполнена замкнутой и в ней зафиксирован пакет капиллярных трубок, торцы которых размещены на расстоянии 0,03-0,5 мм от торцовой поверхности полости со стороны магнитострикционного преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Источники мощного ультразвука.

Под ред. Розенберга Л.Д. "Наука", 1967, с. 231-234.

2. Авторское свидетельство СССР ,Р 569651, кл. С 22 F 3/02,,1976 °

850301

8ода

8ода

Составитель T. Королева

Редактор Н.Бушаева Техред T.Èà î÷êà Корректор Н. Бабинец

Ю

Заказ 6194/14 Тираж В69 Подписное

ВНИИПИ Росударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

° ВЮ

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4