Способ центробежного литья и машина для его осуществления

 

(19) RU (И) (51) 5 822913 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Кемитет Российской Федерации па патентам и теварнъпк знакам (21) 5005696/02 (22) 27.0891 (46) 15.1193 Бюп. Мв 41-42 (76) Баранов Сергей Леонидович; Жура Василий

Ивановн» Долматов Владимир Георгиевич; Белимена Георгий Сергеевн» Черепанов Юрий Виссарионович (64) СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПИТЬЯ И МАШИНА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (67) Изобретение относится к получению и центробежному литью с применением экзотермических реакций тугоппавких неорганических материалов. например карбидов, боридов, снлицидов металлов .lY - М групп Периодической системы и сплавов на нх основе. Сущность: в способе центробежного твттья. включающем приготовление экэотермической смеси порошков, размещение ее в реакционной полости. инициирование реакции и разделение по. фазам жидких продуктов при центробежном ускорении, после заполнения литейных форм тяжелой фазой легкая фаза сливается наружу. а в машине для осуществления данного способа, содержащей станину с установленным на ней приводом вращения, реактор с электродами, сообщающийся с периферийной литейной формой, реакторы с литейными формами размещены в седле, установленном с возмождностью качания в амортизаторах расположенных между ступицей вала и седлом при его радиальном вращении. в литейных формах имеются сливные отверстия, а реакторы с литейными формами размещены в кожухе с разгрузочными приспособлениями, причем полости реакторов отделены от литейных форм ппавкими затворами в литниковых отверстиях 2 с и1 зл. ф-пы.1 ил.

2002858

Изобретения относятся к получению и центробежному литью с применением экэотермических реакций тугоплавких неорганических материалов, например карбидов, боридов, силицидов металлов IV — Vl групп

Периодической системы и сплавов на их основе.

Известен способ литья преимущественно в поле центробежных сил; вклЮчающий формирование покрытой слоем рафинирую- 10 щего флюса литейной полости, заливку жидкого металла в эту полость, кристаллизацию отливки и удаление отработанного рафинирующего слоя со стороны свободной поверхности отливки до момента его полного >5 затвердевания, предварительно повышая жидкотекучесть рафинирующего слоя путем ввода флюсов на свободную поверхность.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками предлагаемого 20 объекта. являются: заливка жидкого металла в литейную полость, кристаллизация отливки и удаление отработанного рафинирующего (неметаллическаго) слоя со стороны свободной поверхности отливки до момента его полного затвердевания.

Причинами, препятствующими центробежному литью по вышеописанному способу тугоплавких неорганических материалов. получаемых при металлотермическом вос- З0 становлении, реакциях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (CBC) являются следующие: образующая легкая фаза — шлак обычно имеет температуру затвердевания выше или незначительно ниже, чем тяжелая металлообразная фаза: образующийся объем шлака вдвое больший, чем объем металлообраэной фазы.

Наиболее близким к изобретению по со- 40 вокупности признаков и достигаемому результату является способ получения тугоплавких неорганических материалов, заключающийся в смешивании оксидов металлов IV-VI групп с восстановителем, не- 45 металлом, металлом-связкой и легирующими добавками, инициировании реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и проведение ее при центробежном ускорении. 50

Признаками прототипа. совпадающими с существенными признаками предлагаемого объекта, являются: приготовление экзотермической смеси порошков, размещение ее в реакционной полости, инициирование 55 реакции и разделение по фазам жидких продуктов при центробежном ускорении, Причинами, препятствующими применение этого способа для получения больших масс таких мат риалов. являются следующие: значительное увеличение времени ос тывания до кристаллизации; перегрев и оплавление футеровки реакционной полости, что препятствует многократному использованию футеровки из керамики: увеличение термомеханических нагрузок на корпус реакционной полости, что приводит к преждевременному-выходу его из строя, Известна машина центробежного литья, содержащая изложницу с ведомым шкивом и размещенный между ними фрикционный элемент из упругого материала. ведомый шкив соединен клиноременной передачей с ведущим шкивом, размещенным на валу двигателя.

Признаками аналога, совпадающими с существвнными признаками предлагаемого обьекта, являются: размещение между подвижными частями фрикционного элемента из упругого материала.

Причинами, препятствующими применению этой машины для центробежного литья тугоплавких неорганических материалов большой массы являются следующие: при использовании зубчатой вь|соконагруженной передачи крутящего момента установка упругого материала аналогичным образом является сложной; при возникновении дебаланса относительно оси вращения из-за неравномерности течения экзотермической реакции и скорости расплавления продуктов эта машина не защищена от значительных динамических нагрузок.

Наиболее близкой к изобретению по совокупности признаков и достигаемому результату является центробежная машина для отливки многослойных труб, содержащая станину, кокиль, привод вращения и электроды, установленные с возможностью перемещения по заданной траектории.

Признаками прототипа, соответствующими существенным признакам предлагаемого обьекта, являются: наличие станины с приводом вращения кокиля — реакционной полости, соединяющей в себе функции реактора и литейной Формы, и электродов в кокиле.

Причиной, препятствующей применению этой машины для центробежного литья больших масс тугоплавких неорганических материалов, как и в предыдущем аналоге, является недостаточная защита от динамических нагрузок, возникающих при разбалансировке в ходе экзотермической реакции.

Из известных источников и, в частности, из вышеизложенного следует, что является актуальная задача разработки способа получения больших масс тугоплавких неоргани2002858 ческих материалов при центробежном ускорении и создание машины для реализации этого способа.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении предлагаемых изобретений. является уменьшение времени кристаллизации получаемого продукта. термомеханических нагрузок на реакторы и их футеровку, а также динамических нагрузок на элементы конструкции машины.

Технический результат достигается.тем, что в способе центробежного литья, включающем приготовление экэотермической смеси порошков, размещение ее в реакционной полости, инициирование реакции и разделение по фазам жидких продуктов при центробежном ускорении. после заполнения литейных форм тяжелой фазой легкая сливается наружу. а в машине для осуществления данного способа, содержащей станину с установленным на ней приводом вращения, реактор с электродами, сообщающийся с периферийной литейной формой, реакторы с литейными формами размещены в седле, установленном с возможностью качания в амортизаторах, расположенных между ступицей вала и седлом при его радиальном вращения, а в литейных формах имеются сливные отверстия, и реакторы с литейными формами размещены в кожухе с разгрузочными приспособлениями. причем полости реакторов отделены от литейных форм плавкими затворами в литниковых отверстиях.

Предлагаемая совокупность признаков заявляемого объекта позволяет по сравнению с прототипами достигнуть вышеуказанный технический результат. Это обусловлено следующим.

Разделение жидких продуктов по фазам в известных реакторах, выполняющих также и функции литейной формы не является полным, поскольку на поверхности футеровки, соприкасающейся с тяжелой фазой (металлобраэной). часто имеют место пленки и включения легкой фазы (содержащей шлак и флюсы). Это не позволяет прямо в реакторах получать однородные отливки тяжелой фазы. Для получения качественных отливок жидкие. продукты после некоторого времени выстаивания и разделения по фазам в реакторе, выливаются через литниковые отверстия в литейные формы.

Длительность этого выстаивания расплава в реакторе задается толщиной плавкого затвора в литейном отверстии, Переливание из реактора в литейные формы способствует дополнительной очистке расплавов от включений другой фазы и растворенного газа. Литниковые отверстия имеют диаметр, обеспечивающий равномерное поднятие уровня жидкой тяжелой фазы в литейной форме. Когда расчетная высота столба тяже5 лой фазы заполнит литейную форму, остальной расплав, состоящий из шлака, переливается через сливные отверстия наружу. Здесь он поп дает йа поверхность кожуха. диспергируется от удара. охлажда10 ется и тормозится при контакте с его поверхностью и удаляется через разгрузочные приспособления.

Протекание экзотермической реакции часто приводит к значительной разбаланси15 ровке из-за неравномерности скорости ее протекания. Упругое крепление седла на ступице вала, т.е, возможность качания при его радиальном вращении, позволяет неУ значительно смещать "мгновенную" ось - вращения под действием разбалансировки в сторону массы, обладающей большим центробежным ускорением. Это приводит к уменьшению разбалансировки и динамических нагрузок на детали машины. Описан25 ный эффект является аналогом известного в технике высоких скоростей вращения эффекта "гибкого вала".

На чертеже изображена машина для центробежного литья по данному способу, 30 Машина для центробежного литья содержит станину 1 с установленным на ней приводом вращения 2. Реакторы 3 с электродами 4 и периферийные литейные формы

5 размещены в седле 6. установленном на

35 ступице вала 7 в амортизаторах 8. Полости реакторов 3 отделены от литейных форм 5 плавкими затворами 9 в литниковых отверстиях 10. В литейных формах 5 имеются сливные отверстия 11, а реакторы 3 с литей40 ными формами 5 размещены в кожухе 12 с разгрузочными приспособлениями-окнами

13, Машина для центробежного литья работает следующим образом.

45 Сухая экзотермическая смесь порошков размещается в реакторах 3 и закрывается крышками 14. Затем реакторы 3 с литейными формами 5 устанавливают и закрепляют на седле 6. Машина разгоняется Ао необхо50 димых оборотов и электродами 4 инициируется экзоте рмическая реакция.

Образовавшийся расплав продуктов прижимается к периферийным торцам реакторов

3, отстаивается, разделяясь на тяжелую 15

55 и легкую 16 фазы. После времени, необходимого для разделения фаз, тяжелая фаза 15 расплавляет плавкие затворы 9 и через литниковые отверстия 10 поступает в литейные формы 5. заполняя их до необходимого уровня. Оставшаяся в реакторах 3 легкаа

2002858 фаза 16, поступая в литейные формы 5 через литниковые отверстия 10, переливается через сливные отверстия 11 на поверхность кожуха 12. Остывшая и гранулировавшаяся легкая фаза 16 удаляется через разгрузочные окна 13. Закристаллиэовавшаяся тяжелая фаза 15. имеющая заданную форму, определяемую литейной формой 5 с разъемной футеровкой, извлекается из нее и отправляется на последующую обработку.

После охлаждения очищают футеровки реакторов 3 и литейных форм 5. подготавливают и устанавливают гглавкие затворы 9 в литниковых отверстиях 10. Реакторы вновь готовы к заполнению порошковой смесью.

Примером, иллюстрирующим данный способ и работу машины для его осуществления, может служить центробежное литье боридов никеля.

Смесь порошков — шихту массой 24 кг, (мас. ): NiO 31 (ГОСТ 17607-72), В2Оз 34 (ГОСТ 6-12-94-78), А1 35 (ПА-3. ГОСТ 6058-73) разделяют поровну и засыпают в установленные вертикально на подставке два реактора. Предварительно в литниковые отверстия диаметром 3 мм, выполненные в графитовой вставке, устанавливают конический никелевый плавкий затвор массой 20 r и засыпают флюсом иэ СаР2 массой 500 г, накрывая асбестовым картоном толщиной

1-1,5 мм. Реакторы, изготовленные иэ нержавеющей стали, футерованные графитом, защищают краской из СаО. Литейные формы. изготовленные также из нержавеющей стали, футеруют от дна до уровня. сливных отверстий разъемным чугунным кокилем, а в промежутке между литниковыми и сливными отверстиями — аналогично реактору.

Воспламенение шихты осуществляют одновременно в обоих реакторах подачей напряжения на вибрирующие при помощи электромагнита электроды после достижения центробежного ускорения 1209. Протекание экзотермичес кой реакции наблюдается по выходу из реакторов горячих газов, удаляемых вытяжной системой.

Через 20-30 с после инициирования реакции из сливных отверстий начинает изливаться жидкий шлак. После прекращении сливания шлака вращение машины продолжается в течение 5 мин. Затем машину останавливают и обе реактора снимают для охлаждения s душирующих устройствах в

50 течение 10 мин, Затем литейные формы и чугунные кокили разбирают. извлекают два литых изделия из боридов никеля массой около 3 кг каждое и отправляют на термообработку. Гранулированный шлак, состоящий .из А120з с примесями ВгОз массой около 18 кг, удаляют из сборников и внутренней поверхности кожуха. Использование этого шлака может быть разнообразным. например после измельчения до необходимой фракции его применяют в качестве абразива или порошка для напыления.

Пока реакторы охлаждаются в душирующем. устройстве. второй комплект реакторов и литейных форм, подготовленный и заполненный заранее шихтой, устанавливается на машину, Таким образом, вышеописанный цикл получения боридов никеля длится около 15. мин.

Иэ вышеизложенного следует, что по сравнению с прототипами предлагаемые изобретения позволяют значительно увеличить массу получаемых при центробежном ускорении тугоплавких неорганических материалов, . Прй этом возникающие в ходе процесса динамические нагрузки на элементы конструкции машины, термомеханические нагрузки на реактор и литейные формы значительно уменьшены. а долговечность футеровки реактора увеличена. Раздельное затвердевание шлаковой и металлообоазной фаз уменьшает время цикла получения материалов и, следовательно, повышает производительность. Гра- нулирование шлака облегчает его дальнейшее использование, в частности потому, что его измельчение значительно проще. чем обычного литого.

Получение тугоплавких неорганических материалов предлагаемым способом на машине для его осуществления становится производительнее, чем наиболее распространенный в этой области техники способ получения материалов в реакторе под большим давлением газа. Себестоимость материалов, получаемых при использовании вышеописанных способа и машины, ниже, чем при использовании других способов. (56) Авторское свидетельство СССР

N. 617485, кл. С 22 С 29/00, 1978.

Авторское свидетельство СССР

N 186647,,кл. В 22 D 13/00, 1964.!! е °

° ° ° °

° ° °

° ° 1 ° Ф

° Ф

° °

° °

° ° °

° °

° °

° ° °

° !

° 1l °

В ° ° ° °

° В

° ° °

° ° ° °

° ° I Ф б ° °

° Ф

° °

1 °

° 11

° ° 1

° 1 °

1 ° ° °

11 °

° °

В В °

° 11

Ф °

° ° !

° ° В

11 ° Ф

° ° ° ° 1

° Ф

° °

° °

° 1 °

° -" В

1 рею ) Фагьаьчаад

1 ° ° ° Ф

° 1

° I

1 . ° °

° 1 ф °

Ф ° ° I

° °

° 1

° ° 1 ° °

° В

° °

° ° ° - ФВ °В ° I

Вб I i

t ° ° °

В ° ° ° Ф

° ° I

Ф 1. °

1l ° °

° В

° ° Ф ° ббВ В