Способ изготовления аморфных и нанокристаллических металлических лент скоростной закалкой и устройство для его осуществления

Способ изготовления аморфных и нанокристаллических металлических лент скоростной закалкой и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретения относятся к металлургии, а именно к области получения металлических лент из расплавов методом быстрого охлаждения.

Известна установка для получения металлических лент, описанная в книге «Метастабильные и неравновесные сплавы» под ред. Ю.В.Ефимова, М., Металлургия, 1988 г., с.107.

Установка содержит тигель-сопло в виде кварцевой трубки диаметром 15-25 мм, оканчивающейся в нижней части щелью. Снаружи трубка охвачена витками высокочастотного индуктора. Тигель-сопло установлено над диском-холодильником, имеющим возможность вращения. Полученный в тигель-сопле аморфный или нанокристаллический расплав при подаче в верхнюю часть тигель-сопла инертного газа под избыточным давлением разливают через щель сопла на поверхность вращающегося диска холодильника.

Недостатком известной установки является возможность создания аварийной ситуации в случае разрушения сопла, так как при этом весь расплав выливается на вращающийся диск. Кроме того, известная установка не обеспечивает стабильности процесса в начале разлива расплава, так как находящийся в зоне щели сопла расплав «подмораживается».

Известно устройство для получения аморфной металлической полосы по патенту RU 2070472, выбранное заявителем в качестве прототипа вариантов выполнения установки разливки аморфных и нанокристаллических сплавов и способа изготовления малых партий ленты скоростной закалкой расплава.

Известное устройство содержит тигель с индуктором, помещенные в герметичную стальную камеру с крышкой, причем в дне тигля отсутствует отверстие. Расплав под избыточным давлением подается в щелевое сопло, перекрываемое шибером, через металлопровод, выполненный в виде П-образной трубки, один конец которой опущен в тигель до дна, а другой конец соединен с соплом.

Известное устройство получения аморфной металлической полосы реализует способ изготовления аморфной полосы скоростной закалкой расплава, включающий плавку сплава в тигле с индуктором, подвод расплава к диску-холодильнику и разливку его под давлением на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника.

Сущность известного способа, выбранного в качестве прототипа, заключается в том, что расплав подается в сопло через трубку, один конец которой погружен в расплав до дна тигля, а другой конец трубки соединен с соплом, расположенным под тиглем. После расплавления загруженного в тигель металла в расплав погружают трубку-металлопровод так, чтобы короткое плечо трубки опустилось до дна тигля, а длинное плечо вошло в отверстие в днище камеры, после чего отверстие герметизируется огнеупорной прокладкой, прикрепляется рамка с соплом, соединяя сопло с металлопроводом, камера опускается к диску, устанавливая зазор между соплом и диском величиной 0,15-0,5 мм, и в камеру через трубку подается газ под давлением, достаточным, чтобы расплав прошел через металлопровод в щель сопла к вращающемуся диску. Получается металлическая полоса с аморфной структурой.

При аварийном разрушении сопла в камере вместо давления создается разрежение и расплав «всасывается» из металлопровода обратно в тигель, позволяя сменить сопло и вновь «выдавить» расплав на диск.

Конструкция прототипа позволяет устранить недостатки первого аналога, а именно вывести зону разлива расплава из зоны его плавки, что снижает возможность создания аварийной ситуации, и исключить возможность «подмораживания» расплава в зоне щели сопла.

Однако прототипу присущи следующие недостатки: усложнение конструкции установки за счет введения в нее П-образно изогнутого металлопровода и необходимость его периодической замены.

Кроме того, при аварийном разрушении сопла камера должна быть оборудована автоматическим устройством замены режима давления на разрежение.

Техническим результатом предложенных технических решений является устранение недостатков прототипа, а именно:

- упрощение конструкции;

- увеличение межремонтных сроков установки;

- исключение опасной аварийной ситуации и «подмораживания» расплава в зоне отверстия-сопла в период плавки.

Технический результат изобретений направлен на устранение указанных недостатков прототипа и достигается следующими решениями, объединенными общим изобретательским замыслом.

Технический результат достигается тем, что в установке разливки аморфных и нанокристаллических сплавов, содержащей систему тигель-сопло, индуктор, диск-холодильник, блок подачи инертного газа, согласно первому варианту установки система тигель-сопло содержит две соединенные плавными переходами кварцевые трубки, расположенные под углом друг к другу, в одной из которых, расположенной горизонтально и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику, выполнено отверстие-сопло для разливки металла на поверхность диска-холодильника, установка оборудована блоком создания разрежения в тигель-трубке, служащей для расплавления металла.

Кварцевые трубки могут быть расположены под прямым углом друг к другу.

Длина горизонтальной трубки, выполняющей функцию подвода металла к диску-холодильнику, может превышать ширину диска-холодильника в 1,8-2 раза.

Отверстие-сопло выполнено на периферии горизонтальной трубки и расположено над диском-холодильником и за пределами индуктора.

Диаметр тигель-трубки, выполняющей функцию тигля, превышает диаметр горизонтальной трубки, снабженной отверстием-соплом.

Отверстие-сопло для разлива расплава на диск-холодильник может быть выполнено в виде щели шириной 0,4-0,6 мм.

Технический результат достигается также тем, что в установке разливки аморфных и нанокристаллических сплавов, содержащей систему тигель-сопло, индуктор, диск-холодильник, блок подачи инертного газа, согласно второму варианту установки система тигель-сопло содержит изогнутую под углом кварцевую трубку, одно плечо которой расположено горизонтально, снабжено отверстием-соплом и выполняет функцию провода расплавленного металла к диску-холодильнику и разливки через отверстие-сопло металла на поверхность диска-холодильника, установка оборудована блоком создания разрежения в другом плече трубки, снабженном индуктором и выполняющем функцию тигля, служащего для расплавления металла.

Горизонтальное плечо кварцевой трубки может быть расположено под прямым углом к другому плечу трубки, снабженному индуктором и выполняющим функцию тигля, служащего для расплавления металла.

Длина горизонтального плеча трубки, выполняющего функцию подвода металла к диску-холодильнику, может превышать ширину диска-холодильника в 1,8-2 раза.

Отверстие-сопло выполнено на периферии горизонтального плеча трубки и расположено над диском-холодильником и за пределами индуктора.

Диаметр плеча трубки, выполняющего функцию тигля, превышает диаметр горизонтального плеча трубки, снабженного отверстием-соплом.

Отверстие-сопло для разлива расплава на диск-холодильник может быть выполнено в виде щели шириной 0,4-0,6 мм.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления малых партий ленты скоростной закалкой расплава, включающем плавку сплава в тигле с индуктором, подвод расплава к диску-холодильнику и разливку его под давлением на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника, согласно предлагаемому способу плавку ведут в плавильном пространстве тигель-трубки, снабженной индуктором и выполняющей функцию тигля, соединенной с расположенной горизонтально трубкой, имеющей отверстие-сопло и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику, во время расплавления металла над поверхностью расплава создают разрежение 0,2-0,6 атм и формируют в плавильном пространстве тигель-трубки столб расплава, затем в тигель-трубку подают инертный газ под давлением 0,1-0,3 ати и расплав перемещают из плавильного пространства тигель-трубки в разливочное пространство горизонтальной трубки и через отверстие-сопло выпускают на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника.

Высота в плавильном пространстве тигель-трубки висящего столба расплава может составлять не более 30-60 мм.

Плотность расплава в тигель-трубке может составлять не менее 7-7,5 г/см³.

Согласно первому варианту установки выполнение системы тигель-сопло в виде двух соединенных плавными переходами кварцевых трубок, расположенных под углом друг к другу, в одной из которых, расположенной горизонтально и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику, выполнено отверстие-сопло для разливки металла на поверхность диска-холодильника, обеспечивает упрощение конструкции установки, исключает «подмораживание» расплава в щели сопла в период плавки и разливки и аварийную ситуацию, т.к. весь расплав в процессе плавки и разливки находится вне зоны диска-холодильника. Кроме того, увеличиваются межремонтные сроки установки, так как отпадает необходимость периодической замены П-образного металлопровода и керамического щелевого сопла, что требуется по прототипу.

Расположение кварцевых трубок под прямым углом друг к другу является наиболее предпочтительным с точки зрения исключения аварийной ситуации, возможны варианты расположения трубок под тупым углом друг к другу.

Оборудование установки блоком создания разрежения в тигле над расплавом позволяет удерживать расплав во время его разогрева в трубке тигля, что исключает «подмораживание» расплава в щели сопла и повышает стабильность процесса разлива сплава.

Превышение диаметра кварцевой тигель-трубки над диаметром кварцевой трубки-сопла обеспечивает стабильность подачи расплава из тигля в сопло, что повышает качество получаемой металлической ленты.

Выполнение длины горизонтальной трубки-сопла превышающей в 1,8-2,0 раза ширину диска холодильника обеспечивает вынесение зоны разлива расплава из зоны его плавки, при этом плавильное пространство тигель-трубки будет находиться вне зоны диска-холодильника и снизит возможность создания аварийной ситуации в случае разрушения сопла.

Расположение отверстия-сопла на периферии горизонтальной трубки и над диском-холодильником, т.е. за пределами индуктора, исключает «подмораживание» расплава в щели сопла в начале периода разливки, обеспечивает стабильность литья на вращающийся диск-холодильник, а также исключает аварийную ситуацию в случае разрушения сопла.

Наиболее предпочтительной шириной отверстия-сопла, выполненного в виде щели, является ширина, равная 0,4-0,6 мм.

Согласно второму варианту установки выполнение системы тигель-сопло в виде изогнутой под прямым углом кварцевой трубки, одно плечо которой расположено горизонтально, снабжено отверстием-соплом и выполняет функцию провода расплавленного металла к диску-холодильнику и разливки металла через отверстие-сопло на поверхность диска-холодильника, позволяет упростить конструкцию установки, исключает «подмораживание» расплава в щели сопла в период плавки и разливки, снижает аварийность ситуации, так как весь расплав в процессе плавки и разливки находится вне зоны диска-холодильника.

Кроме того, второй вариант выполнения установки по сравнению с первым вариантом выполнения проще в изготовлении, прочнее и обеспечивает увеличение межремонтных сроков.

Оборудование установки блоком создания разрежения в тигле над поверхностью расплава, позволяющим удерживать расплав во время его разогрева в тигель-трубке, исключает «подмораживание» расплава в щели сопла и повышает стабильность процесса разлива сплава.

Расположение изогнутых плеч кварцевых трубок под углом друг к другу, преимущественно под прямым углом, является наиболее предпочтительным с точки зрения исключения аварийной ситуации, одновременно возможны варианты расположения плеч трубки под другим углом друг к другу.

Выполнение длины горизонтального плеча трубки превышающей ширину диска-холодильника в 1,8-2 раза обеспечивает вынесение зоны разлива расплава из зоны его плавки, что снижает возможность создания аварийной ситуации в случае разрушения сопла.

Выполнение отверстия-сопла на периферии горизонтального плеча трубки и расположение его над диском-холодильником исключает «подмораживание» расплава в щели сопла в начале периода разливки и обеспечивает стабильность литья на вращающийся диск-холодильник, а также исключает аварийную ситуацию в случае разрушения сопла.

Превышение диаметра плеча тигель-трубки над диаметром плеча трубки-сопла обеспечивает стабильность подачи расплава из тигля в сопло, что повышает качество получаемой металлической ленты.

Наиболее предпочтительными размерами отверстия-сопла, выполненного в виде щели, являются длина, равная ширине получаемой ленты, и ширина, равная 0,4-0,6 мм.

Создание разрежения 0,2-0,6 атм на время расплавления металла в плавильном пространстве тигель-трубки, снабженной индуктором и выполняющей функцию тигля, соединенной с горизонтальной трубкой, имеющей отверстие-сопло и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику, над поверхностью расплава позволяет сформировать в плавильном пространстве тигель-трубки столб расплава, не перемещаемого из него заданное время расплавления.

За время расплавления расплав «висит» в тигель-трубке до момента подачи в нее инертного газа под избыточным давлением 0,1-0,3 ати к атмосферному, не перемещаясь в разливочное пространство горизонтальной трубки. Подача в тигель-трубку инертного газа под давлением 0,1-0,3 ати обеспечивает перемещение расплава из плавильного пространства тигель-трубки в разливочное пространство горизонтальной трубки и выпуск его через отверстие-сопло на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника.

Как показали опытные испытания способа, наиболее оптимальной высотой столба расплава в плавильном пространстве тигель-трубки является высота в пределах 30-60 мм.

Плотность расплава железистых сплавов, например 5БДСР, в тигель-трубке составляет 7,3 г/см³, плотность расплава кобальтовых сплавов, например 84КХСР, в тигель-трубке составляет 7,5 г/см³.

Сущность предложенных изобретений поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена принципиальная схема установки (первый и второй варианты выполнения) в процессе плавки металла.

На фиг.2 показана схема установки (первый и второй варианты выполнения) в процессе литья ленты.

Установка получения ленты из аморфных и нанокристаллических сплавов по первому варианту выполнения содержит систему тигель-сопло 1, выполненную из двух соединенных плавным переходом кварцевых трубок 2 и 3, расположенных под прямым углом друг к другу. Вертикальная трубка 2 выполняет функцию тигля, а горизонтальная трубка 3 выполняет функцию сопла. Трубка 2 снаружи охвачена витками 4 высокочастотного индуктора 5. В трубке 3 выполнено щелевое отверстие-сопло 6 для разлива сплава, а круглое отверстие на конце трубки закрыто керамической пробкой 7. Система тигель-сопло 1 устанавливается таким образом, чтобы щелевое отверстие-сопло 6 горизонтальной трубки 3 было расположено над диском-холодильником 8. Установка снабжена блоком создания разрежения в трубке 2 и блоком подачи в нее инертного газа (на чертежах не показаны).

Установка получения ленты 10 из аморфных и нанокристаллических сплавов по второму варианту выполнения содержит систему тигель-сопло 1, выполненную из изогнутой под прямым углом кварцевой трубки 2, одно плечо 3 которой расположено горизонтально, снабжено щелевым отверстием-соплом 6 и выполняет функцию провода расплавленного металла к диску-холодильнику 8 и разливки через отверстие-сопло 6 расплавленного металла на поверхность диска-холодильника 8.

Установка оборудована блоком создания разрежения и блоком подачи в нее инертного газа (на чертежах не показаны) в плече 9 трубки 2. Плечо 9 трубки 2 снаружи охвачено витками 4 высокочастотного индуктора 5 и выполняет функцию тигля, служащего для расплавления металла.

Установка (первый и второй варианты выполнения) работает следующим образом.

В трубку 2 тигель-сопла 1 загружают шихту, включают в работу блок создания в трубке 2 разрежения. Затем подают ток на витки 4 индуктора 5. Образующийся в тигле 2 расплав за счет разрежения в верхней части тигля удерживается в нем. После полного расплавления шихты приводят во вращение диск-холодильник 8, в тигель 2 подают под избыточным давлением инертный газ, например аргон. Расплав по трубке 3 поступает к разливочной щели 6 и выливается на диск-холодильник 8, где мгновенно охлаждается, превращаясь в металлическую ленту 10.

Способ изготовления малых партий ленты скоростной закалкой расплава включает плавку сплава в тигле с индуктором, подвод расплава к диску-холодильнику и разливку его под давлением на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника. Плавку ведут в плавильном пространстве тигель-трубки, снабженной индуктором и выполняющей функцию тигля, соединенной с расположенной горизонтально трубкой, имеющей отверстие-сопло и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику.

Во время расплавления металла над поверхностью расплава создают разрежение 0,2-0,6 атм и формируют не перемещаемый из плавильного пространства тигель-трубки столб расплава. Затем в тигель-трубку подают инертный газ под давлением 0,1-0,3 ати, избыточным к атмосферному, расплав под действием избыточного давления перемещают из плавильного пространства тигель-трубки в разливочное пространство горизонтальной трубки, затем через отверстие-сопло его выпускают на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника.

Пример конкретного осуществления способа

Изготавливали единичные партии развесом до 250 г аморфной ленты марок 5БДСР и микрокристаллической ленты марок 84ЛХСР скоростной закалкой расплава. Расплав получали при разрежении 0,25 атм в плавильном пространстве тигель-трубки, снабженной индуктором и выполняющей функцию тигля, соединенной с расположенной горизонтально трубкой, имеющей отверстие-сопло и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику. Формировали столб расплава высотой 60 мм и плотностью 7,3 г/см³, не перемещаемый из плавильного пространства тигель-трубки.

В тигель-трубку подавали инертный газ под давлением 0,23 ати, избыточным к атмосферному, и перемещали расплав по горизонтальной трубке к щелевому отверстию-соплу шириной 0,45 мм. Через щелевое отверстие расплав разливали на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника.

Предложенные изобретения опробованы на опытной установке в лаборатории по разработке и контролю аморфных и микрокристаллических сплавов ОАО «Ашинский металлургический завод».

1. Установка для изготовления аморфных и нанокристаллических металлических лент скоростной закалкой, содержащая тигель, индуктор, сопло, диск-холодильник и блок подачи инертного газа, отличающаяся тем, что тигель выполнен в виде двух соединенных плавными переходами под углом друг к другу кварцевых трубок, одна из которых предназначена для плавления металла, а вторая расположена горизонтально и предназначена для подвода расплавленного металла к поверхности диска-холодильника, при этом во второй кварцевой трубке выполнено отверстие в виде сопла, а установка снабжена блоком создания разрежения в кварцевой трубке, предназначенной для расплавления металла.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что кварцевые трубки расположены под прямым углом друг к другу.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что длина горизонтально расположенной кварцевой трубки превышает ширину диска-холодильника в 1,8-2 раза.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что сопло расположено на периферии горизонтально расположенной кварцевой трубки, над диском-холодильником и за пределами индуктора.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр кварцевой трубки, предназначенной для расплавления металла, превышает диаметр горизонтально расположенной кварцевой трубки.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что сопло выполнено в виде щели шириной 0,4-0,6 мм.

7. Установка для изготовления аморфных и нанокристаллических металлических лент скоростной закалкой, содержащая тигель, индуктор, сопло, диск-холодильник и блок подачи инертного газа, отличающаяся тем, что тигель выполнен в виде изогнутой под углом кварцевой трубки, одно плечо которой охвачено индуктором и предназначено для плавления металла, а другое плечо расположено горизонтально и предназначено для подвода расплавленного металла к поверхности диска-холодильника, при этом в горизонтально расположенном плече кварцевой трубки выполнено отверстие в виде сопла, а установка снабжена блоком создания разрежения в плече кварцевой трубки, предназначенной для плавления металла.

8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что горизонтальное плечо кварцевой трубки расположено под прямым углом к плечу трубки, предназначенной для плавления металла.

9. Установка по п.7, отличающаяся тем, что длина горизонтально расположенного плеча кварцевой трубки превышает ширину диска-холодильника в 1,8-2 раза.

10. Установка по п.7, отличающаяся тем, что сопло расположено на периферии горизонтально расположенной кварцевой трубки, над диском-холодильником и за пределами индуктора.

11. Установка по п.7, отличающаяся тем, что диаметр плеча кварцевой трубки, предназначенной для расплавления металла, превышает диаметр горизонтально расположенного плеча кварцевой трубки.

12. Установка по п.7, отличающаяся тем, что сопло выполнено в виде щели шириной 0,4-0,6 мм.

13. Способ изготовления аморфных и нанокристаллических металлических лент скоростной закалкой, включающий плавление сплава, подвод расплава к вращающемуся диску-холодильнику и разливку расплава под давлением на поверхность диска-холодильника, отличающийся тем, что плавление сплава ведут в кварцевой трубке, снабженной индуктором и соединенной с горизонтально расположенной кварцевой трубкой, имеющей сопло, во время плавления металла над поверхностью расплава создают разрежение 0,2-0,6 атм и формируют в плавильном пространстве кварцевой трубки подвешенный столб расплава, затем в плавильное пространство подают инертный газ под давлением 0,1-0,3 ати, осуществляют подвод расплава к поверхности диска-холодильника и разливку его через сопло горизонтально расположенной кварцевой трубки.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что высота подвешенного столба расплава составляет не более 30-60 мм.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что плотность расплава в кварцевой трубке составляет не менее 7,0-7,5 г/см³.