Устройство для акустической обработки кристаллизующихся расплавов

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИi ЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРИСТАЛЛИЗУШ ИХСЯ РАСПЛАВОВ, содержащее акустический преобразователь с корпусом охлаждения и соединенный с преобразователем полый волновод с размещенным в его . полости пакетом капиллярных трубок, отлич ающ.ееся тем, что, с целью повышения эффективности обработки расплава, торцы пакета капиллярных трубок присоединены к торцовым поверхностям полости волно ,вода с акустическим контактом. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„.Я0„„104

2 А

3(5I) С 22 F 3 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3489366/22-02 (22) 14.09.82 (46) 07.10.83. Бюл. Р 37 (72) Г. Д. Лубяницкий (71) Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт токов высокой частоты им. В. П. Вологдина (53) 669.065. 51:621.746.58(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 569651, кл. С 22 F 3/02, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 850301, кл, В 22 D 27/02, 1979. (54 ) (5 7 ) 1 . УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИ. ЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРИСТАЛЛИЗУЮЩИХСЯ PACIUIABOB содержащее акустический преобразователь с корпусом охлаждения и соединенный с преобразователем полый волновод с размещенным в его полости пакетом капиллярных трубок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности обработки расплава, торцы пакета капиллярных трубок присоединены к торцовым поверхностям полости волно,вода с акустическим контактом.

1046327

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что акустический контакт выполнен с торцовой по верхностью полости волновода, примыкающей к преобразователю.

3. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что акустический контакт выполнен с торцовой поверхностью полости волновода, примыкающей к его рабочему излучающему торцу.

Изобретение относится к металлургии, а конкретно к процессам акустической обработки расплавов, например, при ультразвуковой обработке жидких металлов, а также в других процессах ультразвуковой технологии, в которых необходимо отводить значительное количество тепла.от передающего акустическую энергию волновода,. контактирующего с обрабатываемым объектом или со средством для его обработки.

Известно устройство для ввода акустических колебаний в кристаллиэующиеся расплавы металлов, содержащее акустический преобразователь и 15 излучатель, выполненный в виде полуволнового водоохлаждаемого поддона в форме цилиндрического стакана, соединенного непосредственно с преобразователем (1 1. 20

Недостаток устройства — нестабильность его работы при озвучивании рас-. плавов вследствие невозможности обеспечения постоянства толщины корочки закристаллизовавшегося металла на 25 поверхности излучателя, предохраняющей его от разрушения. Между толщиной корочки и степенью охлаждения в устройстве не существует обратной связи. Поэтому любое изменение усло- 30 вий 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 колеблющейся поверхности излучателя и загрязнению обрабатываемого расплава материалом излучателя. Кроме того, изменение толщины корочки фактически

40 меняет геометрические размеры колебательной системы и тем самым выводит ее из реэднанса, что является причиной нестабильной работы устройства при обработке жидких расплавов. 45

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достига4. Устройство по пп. 2 и 3, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что торцовые поверхности полости волновода, примыкающие к пакету капиллярных тру. бок, выполнены с пористой или капиллярной структурой.

5. Устройство по пп. 1, 2 и 4, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в торцовой части капиллярных трубок выполнены выборки.

3 емому эффекту является устройство для обработки кристаллиэующихся расплавов, содержащее акустический преобразователь с корпусом охлаждения, источник питания и полый волновод, в котором размещен пакет капиллярных трубок, закрепленный в узле колебаний волновода, а ближайшая к преобразователю внутренняя торцовая поверхность полости волновода находится в пучности его колебаний и удалена от торцов капилляров на 0,030,5 мм, причем в полость волновода введен теплоноситель(2), Основной недостаток устройства заключается в том, что при больших тепловых нагрузках рабочий торец волновода не успевает охлаждаться, поскольку количество прокачиваемого по капиллярам теплоносителя недостаточно для его охлаждения. Это обусловливает снижение эффективности обработки, так как при больших тепловых нагрузках возможен перегрев волновода> что в свою очередь вызывает изменейие резонансной частоты колебательной системы, рост потерь акустической энергии в материале волновода, ухудшение условий кристаллизации, увеличение эрозии рабочих поверхностей, которое может привести к недопустимому загрязнению обрабатываемого объекта материалом волновода.

Кроме того, снижается надежность систем в целом и ограничивается допустимая удельная акустическая мощность, передаваемая в обрабатываемый объект.

Это сужает технологические возможности устройства, Кроме того, сужение технологических воэможностей связано с необходимостью вертикального расположения волновода, так- как в противном случае не все капиллярные трубки будут контактировать -с теплоносителем и эффективность охлаждения вол-новода, а вместе с ней и эффективность обработки снизятся.

104б327

Целью изобретения является повышение эффективности обработки расплава.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для акустической обработки кристаллизующихся расплавов, содержащем акустический преобразователь с корпусом охлаждения и соединенный с преобразователем полый волновод с размещенным в его полости пакетом капиллярных трубок, 10 торцы пакета капиллярных трубок присоединены к торцовым поверхностям полости волновода с акустическим контактом.

Такое выполнение устройства позволяет ускорить течение теплоносителя по капиллярным трубкам вследствие возбуждения акустических колебаний непосредственно в теле капилляров и позволяет улучшить условия охлаждения волновода, что повышает эффективность обработки расплавов ультразвуковыми колебаниями °

Причем акустический контакт выполнен с торцовой поверхностью полости волновода, примыкающей к преобразователю.

Выполнение акустического контакта со стороны акустического преобразователя улучшает условия охлаждения волновода, особенно при больших тепловых йагруэках,чтоповышает эффективность обработки расплавов.

При этом акустический контакт выполнен с торцовой поверхностью полости волновода, примыкающей к его рабо-35 чему излучающему торцу.

Такое выполнение устройства позволяет осуществить равномерное охлаждение рабочего торца волновода, в том числе и самого волновода, что повы- 40 шает эффективность обработки расплавов °

В устройстве торцовые поверхности полости волновода, примыкающие к па- кету капиллярных трубок, выполнены 45 с пористой или капиллярной структурой.

Такое выполнение устройства позволяет еще более повысить эффективность обработки, поскольку, не препятствуя возбуждению акустических колебаний непосредственно в капиллярных, позволяет более равномерно распределить между ними общий поток теплоносителя.

Особенно ярко это проявляется при неточной установке волновода по-отношению к вертикальной плоскости (когда продольная ось волновода не совпадает с вертикальной плоскостью) или при необхбдимости установки волновода в плоскости, отличной от вер- 60 тикальной. Это в свою очередь приводит к более равномерному охлаждению излучающей поверхности волновода и, соответственно, более эффективной обработке. Кроме того, расширяются 65 технологические возможности устрой-. ства, так как снимаются ограничения, по строго вертикальному расположению волновода.

Кроме того., в торцовой части капиллярных трубок выполнены выборки °

Такое выполнение устройства снижает гидродинамическое сопротивление зазора между капиллярными трубками и контактирующими с ними торцовыми поверхностями полости волновода, в особенности при небольших амплитудах колебаний преобразователя, которые могут в ряде случаев быть необ" ходимыми по условиям техпроцесса, и при отсутствии нанесенной на поверхность полости волновода, ближайшей к акустическому преобразователю, капиллярной структуры. При этом ускоряется течение жидкости по капиллярам, что улучшает условия охлаждения волновода при высоких тепловых нагрузках, а следовательно, и повышает эффективность обработки.

На фиг. 1 показано устройртво при выполнении акустического контакта капиллярных трубок с торцовой поверхностью полости волновода, примыкающей к преобразователю; на фиг. 2 фиксатор и капиллярн. е трубки с выборками различных видов, на фиг.3 устройство при выполнении акустического контакта с торцовой поверхностью полости волновода, примыкающей к его рабочему излучающему торцу.

В водоохлаждаемом корпусе 1 (фиг.1) размещен акустический преобразователь

2 с обмоткой 3 питания, подключенной к источнику питания акустического преобразователя УЗГ (не показан)..

Преобразователь 2 припаян к акустическому волноводу, состоящему из двух полых элементов 4 и 5. В замкнутой полости б волновода установлен пакет 7 капиллярных трубок 8, выполненных иэ звукопроводного материала и присоединенных с акустическим контактом к торцовой поверхности 9 по лости волновода, ближайшей к акустическому преобразователю 2 и расположенной вблиЗи пучности колебаний.

Трубки 8 могут Иметь выборки 10 в торцах, а на поверхность 9 полости волновода может быть нанесена калиллярная или пористая структура 11.

Нанесение на поверхности 9 структуры

11 осуществляется либо путем обработки, например механической, самих этих поверхностей (нарезание канавок, резьбы), либо путем установки на ней таких материалов, как фитильная ткань мелкоячеистая сетка, и т.д. При этом установленный в полости б пакет 7 капиллярных трубок 8 при соединении элементов 4 и 5 волновода, контактируя с поверхностью 12 полости волновода, прижимает капиллярно-пористую

1046327 структуру 11 к поверхности 9. Предварительно в полость б вводится теплоноситель 13 или им пропитывается капиллярно-пористая структура 11.

В качестве теплоносителя могут быть использованы различные угленодородй, фреон вода и др. Для лучшей фиксации пакета 7 капиллярных трубок н полости может быть использован фиксатор 14, выполненный таким образом, чтобы не препятствовать прохождению паров теплоносителя к поверхности 9.

Например, он может быть выполнен в виде кольца с радиально расходящими- ся упорами. Однако предложенное устройство позволяет обойтись и без 15 фиксатора 14, поскольку фиксация пакета 7 может быть обеспечена упругостью трубок 8, контактирующих с поверхностями 9 и 12. Акустический контакт трубок 8 с поверхностью 9 непосредственно или через посредство пористо-капиллярной структуры 11 может осуществляться и с помощью упругого Фланца 15, жестко связанного с пакетом 7 ° капиллярных трубок 8 25 и размещенного между элементами 4 и 5 волновода. В этом случае отдельные трубки 8 пакета 7 должны быть жестко связаны друг с другом.

Устройство работает следующим образом.

Рабочий торец волновода вводят . в расплав металла или присоединяют к емкости для акустической обработки расплава. На преобразователь подают напряжение звуковой (уль траэнуковой) частоты и под действием акустических колебаний возникает звукокапиллярный эффект. В результате теплоноситель прокачивается через капиллярные каналы от торцовой поверх- 40 ности 9 полости волновода, расположенной в его пучности, к тыльной поверхности 12 его рабочего торца.

При обработке кристаллиэующихся расплавов на понерхности волновода происходит кристаллизация, т.е. образуется корочка металла. Одновременно тепло из расплава передается в тело волновода и последний разогревается.

При разогреве рабочего торца нолновода до температуры кипения теплоносителя последний начинает интенсивно испаряться, поглощая тепло и охлаждая волновод. Давление паров н этой части полости резко возрастает, и пары теплоносителя под действием перепада давления в зонах испарения

12 и конденсации 9, 11 перемещаются в водоохлаждаемую часть волновода.

Здесь пар конденсируется и отдает охлаждающей воде энергию, аккумулированную при испарении. Таким образом, быстро и эффективно осуществляется теплоотвод от рабочей части волнонода и его температура поддержива- Я ется 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 иэ расплава до температуры кипения теплоносителя.

Таким образом, осуществляется обратная температурная связь, а постоянство температуры торца волновода, находящегося в расплаве, обеспечивает постоянство толщины корочки, причем сама толщина может регулироваться выбором соответствующего теплоносителя, количества и диаметра капиллярных трубок 8 °

В результате повышается стабильность работы устройства, снижаются акустические потери, повышается эффективность обработки и обеспечивается надежная защита излучателя от разрушения в акустическом поле.

При обработке других объектов также обеспечивается эффективный от вод тепла, выделяющегося на рабочем торце волновода во время работы устройства.

Поскольку капиллярные трубки 8 находятся н акустическом контакте с поверхностью 9 полости волновода, в них резко ускоряется течение теплоносителя 13 несмотря на то, что зазор между торцами трубок и поверхностью 9 уменьшается. Это происходит вследствие вибрации трубок 8 пакета

7 и связанного с ней периодического увеличения упомянутого зазора.

При этом улучшается охлаждение торца волнонода в особенности при больших тепловых нагрузках, что повышает эффективность обработки.

Наличие на поверхности 9 капиллярной или пористой структуры 11 еще более улучшает охлаждение волнонода, поскольку при этом теплоноситель равномернее распределяется между отдельными капиллярными трубками

8 (н особенности при установке нолнонода н плоскости, отличной от вертикальной), что также повышает эффективность обработки.

Наличие выборок 10 на торцах капиллярных трубок 8 улучшает условия подачи теплоносителя 13 к поверхности испарения 12, в особенности при небольших амплитудах колебаний преобразователя, благодаря снижению гидродинамического сопротивления в зазоре между капиллярными трубками 8 и поверхностями 9 и 12 полости волновода без снижения давления у торца капиллярных трубок, находящихся в акустическом контакте с поверхностью 9. Это также способствует улучшению охлаждения волнонода, а

1046327 следовательно, и повышению эффективности акустической обработки.

В варианте выполнения устройства согласно фкг. 3, (обозначения позиций 1-7 те же, что и на фиг. 1) торцы капиллярных трубок примыкают к

8 и ористой или капиллярной структуре нанесенной на торцовую поверхность 9 полости волновода, примыкающей к

его рабочему излучающему торцу 10.

Установленный в полости б пакет 7 !О капиллярных трубок фиксируется в ней посредством фланца 11, размещенного между элементами 4 и 5 волновода и жестко связанного с пакетом 7. Пред» варителвно в полость б вводят тепло- 15 носитель 12, контактирующий с поверхностью 13 полости б волновода, примыкающей к акустическому преобразователю 2. наличие на поверхности 9 капилляриой или пористой структуры 8 спо-. собствует более равномерному распределению теплоносктеля 12 на охлаждаемой поверхности. При этом улучшается охлаждение торца волновода, сизоненко при больших тепловых нагрузках, что повьнаает эффективность обработки расплава акустическими колебаниями.

Устройство по сравнению с известным обеспечивает получение следующих преимуществ: при обработке расплавовстабилкэация температуры рабочей поверхности излучателя, в особенности при высоких тепловых нагрузках, в результате чего стабилизируется работа излучателя, повышается эффективйость ,обработки, предотвращается разрушение излучателя повышение количества акустической энергии, излучаемой в обрабатываемый расплав вследствие уменьшения ее доли, излучаемой в тенлоноситель, поскольку сопротивление нагрузки тонкого слоя теплоносителя значительно ниже, чем в случае охлаждения большим объемом теплоносктеля, а также вследствие лучшего охлаждения волновода к уменьшения в материале волновода потерь акустической энергии, расширение технологических воэможностей устройства вследствке снятия ограничений по вертикальному расположению волновода, при обработке кристаллизующихся расплавов при рафинирующих переплавах улучшаются условия кристаллизации металла, так как повышается плотность акустической энергии в кристаллизирующемся расплаве и одновременно повыаается скорость отвода тепла от обработанного материала, что позволяет повысить массовую скорость плавки. Кроме того, снижается энергоемкость процесса вследствие снижения мощности акустических излучателей и источников их питания (за счет снижения акустических потерь). Повышение эффективности процесса проявляется в снижении степени ликвации и величины зерна, устранении столбчатбй и формировании равноосной структуры в слитке, что повышает качество литого металла, следовательно, и эф-, фективность процесса. Кроме того, воэ. растает высота слитка с однородной структурой, что повышает сквозной выход годного для труднодеформируеваах сплавов не менее, чем на 10%..

1046327

Составитель С. Дзигоев

Редактор А. Шандор Техред M,Òåïåð Корректор A. Повх

Заказ 7668/26 Тираж 627 Подписное .ВНИИПИ ГосУдарственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, Ул. Проектная, 4