Способ ввода ультразвуковых колебаний в расплавы и устройство для его осуществления

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистических

Республик («)956611 (ф „,в./к --.=. с, . се

":к (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 020281 (21) 3242678/22-02 с присоединением заявки ¹(23) Приоритет

Опубликовано 0709,82, Бюллетень ¹ 33

Дата опубликования описания 070982 ($1) M Nn з

С 22 F 3/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК669.065..51:621.74 (088.8) 1

П.П.Прохоренко, Н.й.деленконскнй, А.(.онйннно ниа:й;В.отрйчена

i .й 5т П .!; c .!", .,«; . ч й(Институт прикладной физики АН Бел усср Ь "Р "..,(72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ВВОДА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЯ В РАСПЛАВЫ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

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

Известен способ ввода .ультразвуковых колебаний в расплавы металлов. По данному способу излучатель ультразвука изготавливают из материала расплава. После погружения излучателя в расплав и возбуждения ультра звуковых колебаний он .интенсивно изнашивается. При износе 2-4 мм его медленно поднимают из расплава. В результате материал расплава намораживается на излучатель и размеры его восстанавливаются до первоначальных. После этого его снова опускают в расплав, т.е. излучателю сообщают возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости относительно поверхности расплава f13 .

При ультразвуковой обработке расплавов по известному способу существенно снижается производительность эа счет периодического извлечения излучателя из расплава.

Кроме того, контроль износа излучателя, особенно при обработке распла-. вов с высокой температурой плавл»ния, затруднителен и характеризуется значительными ошибками. Это приводит либо к преждевременному подъему излучателя, что уменьшает производительность, либо к износу его, превышающему 2-4 мм, что приводит к рассогласованию колебательнщЪ системы, резкому уменьшению амплитуды колебаний и как следствие, эффективности озвучивания и производительности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, реализуемый в устройстве для ввода ультразвуковых колебаний в расплавы металлов. Ввод ультразвука в . расплавы осуществляют с использованием полуволнового водоохлаждаемого поддона в форме цилиндрического стакана, соединенного с магнитострикционным преобразователем.

Охлаждение осуществляют водой, температура которой значительно меньше температуры кипения(2).

Эффективность охлаждения поддона, который является излучателем ультразвука, проточной холодной .водой невысока, так как тепло при этом уходит т лько на нагревание

956611 воды, и эффективность охлаждения характеризуется коэффициентом ее теплоемкости. Это требует значительных расходов воды. При введении ультразвука н расплавы с высокой температурой плавления иэ-за высокого температурного градиента . образуется паровая "рубашка" в рабочей полости волновода, которая препятствует теплопереносу и охлаждению излучателя. Кроме того, по 10 данному способу невозможно обеспечить постоянство толщины корочки закристаллизовавшегося металла на поверхности излучателя, предохраняющей его от разрушения. Излишнее 5 охлаждение волновода вызывает рост корочки вплоть до кристаллизации всего слитка, а недостаточное охлаждение ведет к исчезновению корочки и активному износу колеблющейся поверхности излучателя, загрязнению обрабатываемого расплава материалом излучателя, рассогласонанию колебательной системы и уменьшению эффективности и производительности ультразвуковой обработки.

Устройство для ввода ультразвуковых колебаний в расплавы металлов включает магнитострикционный преобразователь и полный волновод, выполненный в виде полуволнового водоохлаждаемого поддона н форме цилиндрического стакана. Отсутствие элементов, регулирующих подачу воды для охлаждения в зависимости от харак- З5 теристик процесса, не может обеспечить оптимальную толщину защитной корочки эакристаллизовавшегося металла на поверхности излучателя. Это приводит при переохлаждении к кристал40 лизации всего слитка, а при недостаточном,охлаждении — к износу излучателя и рассогласонанию колебательной системы, что существенно снижает производительность ультразвуковой 45 обработки расплавов.

Целью изобретения является повышение производительности ультразвуковой обработки расплавов.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу ввода ультразвуковых колебаний в расплав металлов с использованием полого водоохлаждаемого волновода, для охлаждения используют воду при температуре ки,пения и подают ее в рабочую полость волнонода в количестве,пропорциональном увеличению резонансной частоты колебаний преобразователя.

При охлаждении ультразвукового,60 волновода водой при температуре кипения. теплота затрачивается на парообразонание. Процесс теплопередачи характеризуется удельной теплотой парообразования, которая для воды состав- $5 ляет 22,6 10зДж/кг. Количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг ноды от 18 С до 100ОС, составляет

3,42 10 Дж. Таким образом, эффективность охлаждения водой при температуре кипения, когда теплота затрачивается только на парообразование, выше почти в 7 раз по сравнению с охлаждением водой при 18 С. При охлаждении волновода водой при температуре кипения отсутствует образование паровой "рубашки", препятствующей теплопередаче, так как процесс кипения охватывает весь обьем воды, поступившей в полость для охлаждения. При этом существует линейная связь между количеством подаваемой

s полость воды и количеством отводимого тепла, что отсутствует при

Р охлаждении волнонода холодной водой, которая сначала нагревается, а затем начинает кипеть. Таким образом, охлаждение ультразвукового волновода водой при температуре кипения позволяет в зависимости от количества подаваемой в полость воды стабилизировать практически любую температуру рабочего торца волновода, погруженного в расплав. Это имеет решающее значение для стабилизации защитной корочки закристаллизовавшегося металла, особенно при ультразвуковой обработке расплавов с высокой температурой плавления.

При введении рабочего торца нолновода н расплав и возбуждении ультразвуковых колебаний начинается его интенсивное эрозионное изнашивание, что приводит к увеличению резонансной частоты, которая, являясь основным критерием эффективности работы колебательной снстемы, выбрана в качестве сигнала, .регулирующего подачу воды в полость волновода, а следовательно, теплоотвода и толщины защитной корочки.

Устройство реализующее способ, включает магнитострикцибнный преобразователь и волновод с полостью для охлаждения жидкости. В цепь питания магнитострикционного преобразователя параллельно включен частотомер, к которому последовательно подсоединены задающий электронный блок, усилитель, регулятОр мощности и электродвигатель постоянного тока, приводящий н действие насос для подачи охлаждающей жидкости н полость волновода.

Для точного измерения резонансной частоты колебательной системы в цепь питания магнитострикционного преобразователя параллельно включен частотомер. Система из задающего электронного блока, усилителя, регулятора мощности и электродвигателя постоянного тока, приводящего в д й956611

Эксперименты показывают, что при излучении ультразвука в расплав алюминия без охлаждения акустический излучатель-насадка подвергается эрозионному износу со скоростью примерно 10-15 мм/ч, что приводит к выходу ее иэ строя. При подаче в аолость волновода водопроводной воды с температурой 18-22ОС вследствие переохлаждения вокруг излучателя-насадки формируется слой закристаллизовавшегося металла толщиной 25-35 ММ, причем уменьшением потока воды его величину не удается уменьшить. Это приводит к рассогласованию колебательной системы, существенным потерям акустической энергии, что выра-. жается в отсутствии кавитации в оставшемся объеме расплава. Это значительно снижает производительность ультразвуковой обработки. При использовании предлагаемого устройства толщина защитной корочки металла может ствие насос для подачи воды в полость волновода, обеспечивает точное и надежное преобразование управляющего сигнала от частотомера в переменный напор воды, подаваемой в полость волновода. 5

На чертеже показана схема устройства.

Устройство включает магнитострикционный преобразователь 1 и волновод

2 с полостью для охлаждаемой жидкос- 10 ти,которая закрыта съемным излучателем-насадкой 3,. Ультразвуковые колебания генерируются в генераторе 4, образованном обратной акустической связью. Преобразователь 1 параллель- 15 но соединен с частотомером 5, а к нему последовательно подсоединены задатчик 6, усилитель 7, регулятор 8 мощности и электродвигатель 9 постоянного тока, приводящий в действие насос 10 подачи воды из резервуара 11 с подогревателем. Регулировоч,ный золотник 12 обеспечивает регулировку потока воды в зависимости от требуемой температуры и акустического 25 режима.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно осуществляют настройку резонансного режима работы акустической системы путем нагрева рабочего торца волновода 2 (иэлучателянасадки 3) в печи до температуры, соответствующей температуре расплавленного металла, в который необходимо вводить ультразвук. При возбуждении ультразвуковых колебаний регистрируется резонансная частота, которая фиксируется на задающем электронном блоке 6. Затем в резервуаре с подогревателем нагревают до кипения 4Q воду, и волновод 2 погружают в тигель с расплавом. При возбуждении ультразвуковых колебаний начинается эрозионное изнашивание излучателя-насадки 3, что приводит к увеличению Резонансной 45 частоты колебательной системы, которая поддерживается обратной акустической связью. Резонансная частота измеряется частотомером 5. В задающем электронном блоке- 6 происходит ее 5О сравнение с заданной частотой, преобразование и выдача сигнала рассогласования на усилитель 7 и регулятор мощности 8, нагрузкой которого является двигатель постоянного тока 9, приводящий в действие насос 10. Таким образом, увеличение резонансной частоты колебательной системы приводит к пропорциональному увеличению напора, создаваемого насосом 10, а следовательно, и объема подаваемой для охлаждения воды, теплоотвода и толщины накристаллизовавшейся защитной корочки металла. Это в свою очередь, приводит к уменьшению резонансной частоты системы до заданного 65 значения. Таким обраэом.в устройстве реализуется обратная связь, обеспечивающая требуемую толщину защитной корочки при любой температуре обрабатываемого расплава.

Проверку работоспособности предлагаемого устройства и прототипа, который одновременно является и базовым, проводят на примере ввода ультразвуковых колебаний в расплав алюминия. Для возбуждения ультразвуковых колебаний используют генератор

УЗГ-2-10, магнитострикционный преобразователь ПМС-15А-18 с обратной акустической связью. Полуволиовой волновод диаметром 40 мм изготавливают из титанового сплава ВТ-9, который обладает малыми акустическими потерями. На рабочий конец волновода наворачивается излучатель-насадка иэ сплава ВТ-9. в виде крышки. Входной и выходной штуцеры подачи воды располагаются в узле колебаний волновода. Для реализации устройства собирается схема иэ час-. тотомера Ф 5004, задающего электронного блока, усилителя, регулятора мс.,— ности электродвигателя постоянного тока типа ПЛ-062У4 и насоса. Вода нагревается в цилиндрической емкости объемом 3 дм . Объем тигля с расплавом 0,5 дмЗ. Толщина слоя накристаллизовавшегося металла контролируется стальным щупом с точностью 1 1 мм.

Интенсивность акустической энергии, вводимой в расплав, контролируется по возникновению кавитации с помощью титанового щупа, пьезодатчика и светолучевого осциллографа. Температура расплава (700ОС вЂ” 730ОС) .контролируется с помощью термопары и потенциометра. Амплитуда колебаний излучателя в ненагретом состоянии 15-18 мкм, частота колебаний 17,8 кГц.

956611

Формула изобретения

ВНИИПИ Заказ 6525/8 Тираж 660 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул. Проектная, 4 быть стабилизирована в пределах 5-7 мм.

)To обеспечивает формирование кавитационной области в тигле с расплавом, что можно следить по размытию сигнала на экране осциллографа.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для ввода ультразвуковых колебаний в расплавы металлов обеспечивают повышение производительности в 3-4 раза за счет меньших потерь акустической энергии в переходном слое закристаллизовавшегося металла и, соответственно, большой в 3-4 раза коэффициент полезного действия. С помощью данного устройства можно эффективно вводить. ультразвук в расплавы с.любой температурой плавления.

1. Способ ввода ультразвуковых колебаний в расплавы с использованием полого водоохлаждающего волновода, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, в полость волновода подают воду при температуре кипения в количестве, пропорциональном увеличению резо. нансной частоты колебаний преобразователя. 2. устройство для осуществления способа ввода ультразвуковых колебаний в расплавы содержащее магнитострикционный преобразователь, генератор и волновод с полостью, а также измеритель-насадку с охлаждающей

1О системой, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно дополнительно содержит последовательно соединенные частотомер, задатчик, усилитель, регулятор мощности, электродвигатель, насос, 5 подогреватель, причем всасывающий патрубок насоса соединен с резервуаром, а выходной патрубок через регулировочный золотник соединен с ох- лаждающей системой излучателя насади() ки, Источники информации„ принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское .свидетельство СССР

9 61477, кл. 31 С 15/04, 1956.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 569651, кл. С 22 Г 3/02, 1976.