Способ получения металлических и керамических волокон

 

Изобретение относится к области получения металлических и керамических волокон из расплава вращающимся кристаллизатором, который вводится в соприкосновение с висящей каплей расплава. Перед подачей и плавлением исходного материала над зоной контакта капли расплава с поверхностью вращающегося кристаллизатора создают область изменения скоростей и направления газовых потоков путем установки трубчатого элемента, после чего в зону повышенной температуры подают исходный материал для получения волокон. При этом исходный материал вращают вокруг оси подачи постоянно или на угол 45-180^o в одну и в противоположную сторону периодически. В результате увеличивается производительность пpоцесса за счет возможности увеличения скорости получения волокон и стабильности процесса достигается получение волокон малых сечений. Способ позволяет получать волокна окисляемых на воздухе материалов за счет создания локальной восстановительной области. 1 с.п. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности касается области получения волокон на металлических сплавов и чистых металлов, кроме того, может использоваться для получения волокон из керамики и стекла.

Известен способ для получения керамических и металлических волокон, где образец распыляемого материала подается сверху к поверхности вращающегося кристаллизатора. С помощью источника нагрева создается подвешенная капля расплава исходного материала, из которой кристаллизатором вытягиваются волокна.

Данный способ в качестве недостатков имеет ограниченность скоростей вращения кристаллизатора, т.к. из-за увлекаемого пограничного слоя окружающей атмосферы нарушается стабильность капли расплава. При этом создаются касательные усилия относительно поверхности кристаллизатора, действующие на каплю расплава, которые в определенный момент могут превысить работу когезии и оторвать каплю от твердого образца. В дополнение к этому, использование одной рабочей кромки значительно снижает производительность процесса, т.к. увеличение количества рабочих кромок приводит к абсолютному увеличению увлекаемого кристаллизатором газового слоя, что приводит к нестабильности капли расплава. К недостаткам данного метода можно также отнести и то, что этот способ пригоден для получения в основном чистых материалов при узком интервале температур получения волокон, т.к. увеличение интенсивности источника нагрева приводит к ослаблению связи капли с твердым образцом исходного материала в результате значительного роста размера капли расплава и нарушения, следовательно, ее стабильности.

Целью изобретения является увеличение производительности способа получения волокон из металлов и керамики вращающимся кристаллизатором из подвешенной капли расплава, а также получение волокон малого сечения с достаточно высокой однородностью без использования защитной среды большого объема.

Указанная цель достигается тем, что предварительно перед процессом получения волокон создают область изменения скоростей и направления газовых потоков путем установки трубчатого элемента над зоной контакта капли расплава с кромкой кристаллизатора, после чего вводят исходный материал. При этом через трубчатый элемент может подаваться защитный газ в локальной области. Пруток исходного материала может вращаться вокруг оси его подачи к кристаллизатору, причем вращение может осуществляться равномерно вокруг оси и периодически на угол 45-180^o в одном и в обратном направлении.

В процессе контакта расплава с поверхностью вращающегося кристаллизатора величина протяженности контакта из-за каплевидной формы расплава мала. Толщина намораживаемого материала на поверхности вращающегося кристаллизатора зависит в основном от протяженности контакта и скорости вращения кристаллизатора, а также от температуры перегрева расплава. Таким образом, для получения керамических и металлических волокон сечением менее 50 мкм требуются более высокие скорости вращения кристаллизатора при сохранении стабильности капли расплава и достижение более высоких температур расплава. Используемый трубчатый элемент, который устанавливается над зоной контакта перед процессом получения волокон, является как бы воздушным тормозом для отсекания пограничного слоя газа, увлекаемого поверхностью кристаллизатора, особенно при увеличении скорости его вращения. Трубчатый элемент также является аккумулятором тепловой энергии, подаваемой от источника нагрева, т.е. позволяет создавать локальную зону повышенной температуры, т.е. микропечь. Изменение направления и скорости газовых потоков происходит из-за создания разности давлений в нижней и верхней частях трубчатого элемента (фиг. 1). Так наиболее простым источником нагрева материала для данного способа является газопламенная горелка или пропан-кислородная, или кислородно-ацетиленовая, или водородно-кислородная, при этом сама горелка является дополнительным источником газовых потоков, которые могут нарушить стабильность капли расплава. Тяга, создаваемая трубчатым элементом, позволяет получить в области контакта капли с поверхностью кристаллизатора область повышенного давления, в которой основной вектор скоростей газа направлен вдоль оси подачи исходного материала, что устраняет образование касательных усилий на каплю расплава, стремящихся сбросить ее с твердого образца. Это позволяет увеличить скорости вращения кристаллизатора для получения более тонких волокон при сохранении стабильности капли, даже при увеличении ее размеров. Создание локальной зоны повышенной температуры позволяет получить каплю расплава больших размеров, которая даже при потере стабильности ограничивается передней кромкой трубчатого элемента, и это позволяет использовать несколько рабочих кромок на вращающемся кристаллизаторе. Производительность процесса при этом возрастает кратно числу используемых рабочих кромок на поверхности кристаллизатора.

Вращение образца необходимо для более равномерного прогрева материала при использовании одностороннего источника нагрева, например газопламенную горелку. Если в качестве исходного материала используются бухты проволоки, то постоянное вращение исходного материала вокруг своей оси затруднительно конструкционно, в этом случае рекомендуется периодическое вращение в одну и другую сторону на угол 45-180 ^o. При углах поворота менее 45 ^o равномерность прогрева уменьшается и на исходном материале образуются холодные зоны, которые мешают подаче исходного материала к поверхности кристаллизатора. При углах поворота более 180 ^o происходит деформация прутка исходного материала и дальнейший поворот нецелесообразен.

Предложенный способ реализуется с помощью устройства, содержащего вращающийся кристаллизатор, источник нагрева и трубчатый элемент с вырезом для осуществления нагрева прутка исходного материала. При этом нижняя кромка (фиг. 1) трубчатого элемента находится от поверхности кристаллизатора на расстоянии более толщины получаемой продукции и менее половины высоты диаметра капли расплава. В качестве источника нагрева может использоваться газовое пламя, индуктор или электрическая дуга. Кристаллизатор на рабочей поверхности может иметь, по крайней мере, один рабочий V-образный выступ.

При уменьшении расстояния от нижнего края трубчатого элемента до поверхности кристаллизатора менее, чем толщина продукции, происходит торможение волокон, и они забивают трубчатый элемент. При высоте более половины диаметра капли устройство работает, но при потере каплей стабильности и перемещении по направлению вращения кристаллизатора, трубчатый элемент передней стенкой уже не может удержать расплав в зоне трубчатого элемента, капля отрывается и сбрасывается с кристаллизатора.

Точка пересечения оси прутка исходного материала с поверхностью кристаллизатора может находиться в секторе +30^o от вертикальной оси. При большем отклонении точки касания происходит сильная деформация капли и нарушение стабильности процесса.

Исходный материал может представлять собой пруток или стержень из металла или керамики, для металлических систем можно использовать бухты проволоки диаметром несколько миллиметров, при этом исходный материал с помощью приспособления перемещается к поверхности кристаллизатора и одновременно вращается вокруг оси. Источник нагрева может быть любой, который обеспечивает температуру, при которой происходит получение волокон и при которой достигается максимальная производительность процесса.

К преимуществам данного устройства следует отнести и то, что увлекаемые в трубчатый элемент газы от газопламенной гоpелки в случае использования восстановительного пламени также защищают подаваемый материал.

Пример 1.

Данный способ использовали для процесса получения никелевых волокон из прутка исходного материала, который находился в виде бухты и имел диаметр в поперечном сечении 5 мм. Капля расплава создавалась с помощью кислородо-водородного пламени с добавками углеводородов для создания защитной атмосферы. Температура расплава составляла 1600^oС. Скорость вращения кристаллизатора изменяли от 3 до 25 м/с. При этом в каждом случае получали стабильно волокна никеля сечением от 120 до 25 мкм. При использовании способа по прототипу максимальная скорость вращения кристаллизатора составляла 6,7 м/с, при увеличении ее наблюдалось нестабильное поведение капли расплава и последняя сбрасывалась с твердой части прутка никеля. При реализации способа пруток вращался во время подачи вокруг своей оси на угол 60^o в одну и в другую сторону с помощью реверсивной винтовой подачи.

Пример 2.

Данный способ использовали для получения волокон медного сплава с содержанием цинка 25% по массе. Высота нижней части трубчатого элемента находилась на расстоянии 0,15 от диаметра капли расплава. В качестве источника нагрева использовали пропан-кислородную горелку. Режимы получения соответствовали примеру 1. Пруток 1 медного сплава (фиг. 1) располагали над верхней точкой кристаллизатора 3. Перед плавлением материала над точкой касания помещали трубчатый элемент из оксидной керамики 4 с вырезом со стороны подачи пламени горелки 5. При достижении температуры процесса 1050^oC пруток подавали к вращающемуся кристаллизатору 3 до образования капли расплава 2. Кристаллизатор имел на рабочей поверхности кольцевые V-образные кромки, при этом процесс получения волокон протекал на 5 рабочих кромках кристаллизатора одновременно. При достижении размера капли критической величины, когда она теряет стабильность, последняя перемещалась к переднему краю трубчатого элемента по направлению перемещения рабочей поверхности и тормозилась нижней частью трубчатого элемента. При этом капля изменяла свою геометрию и процесс протекал на большем числе кромок кристаллизатора до восстановления первоначального стабильного размера капли. Таким образом получены волокна латуни толщиной 25-28 мкм.

Формула изобретения

1. Способ получения металлических и керамических волокон, включающий нагрев прутка исходного материала до образования подвешенной капли расплава, введение ее в контакт с поверхностью вращающегося кристаллизатора и извлечение готовой продукции, отличающийся тем, что перед образованием подвешенной капли расплава над зоной ее контакта с поверхностью кристаллизатора устанавливают трубчатый элемент, через который осуществляют подачу защитного или восстановительного газа с изменением скорости и направления газовых потоков.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пруток исходного материала равномерно вращают вокруг оси подачи.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пруток исходного материала периодически вращают вокруг оси подачи на 45 180^o в противоположных направлениях.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют трубчатый элемент с вырезом со стороны источника нагрева.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трубчатый элемент устанавливают на расстоянии его нижней кромки от поверхности кристаллизатора, равном h < H ≅ 0,5D, где D диаметр капли расплава исходного материала, h толщина получаемых волокон.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют газопламенный, или индукционный, или электродуговой нагрев прутка исходного материала.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют кристаллизатор по крайней мере с одним V-образным выступом на рабочей поверхности.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что точку пересечения оси прутка исходного материала с поверхностью кристаллизатора располагают в пределах ±30^o от вертикальной оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1