Устройство подачи продувочных газов и одновременной генерации ультразвуковых колебаний в жидкий металл

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к устройствам для ввода ультразвуковых колебаний в жидкий металл, а также может быть использовано в тех областях промышленности, где возникает необходимость в применении регулируемых интенсивных ультразвуковых колебаний. Устройство для подачи продувочных газов и одновременной генерации ультразвуковых колебаний в жидкий металл типа излучателя Гартмана содержит корпус и соединенную с ним трубку для подачи пульсирующего потока газа. В корпусе соосно и с возможностью перемещения друг относительно друга установлены сопло и резонатор. При этом резонатор выполнен из жаропрочной керамики с температурой плавления не менее 1500°С. Благодаря этому предлагаемое изобретение обеспечивает повышение долговечности резонатора (дна резонатора), стабилизирует работу и увеличивает рабочий ресурс устройства подачи продувочных газов и одновременной генерации ультразвуковых колебаний в жидкий металл в условиях интенсивного нагрева. 1 ил.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к устройствам для ввода ультразвуковых колебаний в жидкий металл, а также может быть использовано в тех областях промышленности, где возникает необходимость в применении регулируемых интенсивных ультразвуковых колебаний.

Известны различные аэродинамические преобразователи, применяемые для получения акустических колебаний в газообразных средах. К аппаратам этого типа относятся газоструйные излучатели (аэродинамические свистки), статические и динамические сирены. Основными элементами газоструйного излучателя является сопло, через которое пропускается струя газа, и резонирующая камера, возбуждаемая пульсациями давления, возникающими при срыве струи после достижения в ней скоростей с числами Маха, близкими к единице. Процесс, наблюдаемый при натекании истекающей из сопла стационарной струи на преграду, например трубку, открытый конец которой направлен навстречу струе, может быть как стационарным, так и пульсирующим. Впервые пульсирующий режим течения наблюдал Гартман (1919), и в настоящее время такие газоструйные генераторы Гартмана находят широкое применение в качестве мощных акустических излучателей. Генератор Гартмана представляет собой круглое, слабо сужающееся сопло, перед которым соосно с ним расположен резонатор, своим открытым концом направленный навстречу газовой струе. При этом корпус (держатель) обеспечивает соосность сопла и резонатора и позволяет перемещать их относительно друг друга.

Известен газоструйный излучатель типа Гартмана с перпендикулярным расположением оси сопло-резонатор по отношению к камере озвучивания (Розенберг Л.Д. Источники мощного ультразвука. М.: Наука. 1967. С.50), например, содержащий корпус и соединенную с ним трубку для подачи пульсирующего потока газа, установленные в корпусе соосно и с возможностью перемещения друг относительно друга сопло и резонатор. При этом материалом для изготовления излучателя служили металлы, например, алюминиевомагниевый сплав АМ-5, нержавеющая сталь 1Х18Н9Т, латунь ЛС-59 и др. Данное устройство является наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому изобретению.

Недостатком данного устройства является нагрев дна резонатора (резонансной трубки), обнаруженный в 1954 г. Шпрингером. Первоначально была зарегистрирована температура, равная 698 K. Впоследствии были проведены специальные исследования теплового эффекта и получены более высокие температуры - максимальная - около 1800 K (Купцов В.М., Остроухова С.И., Филиппов К.Н. Пульсации давления и нагрев газа при втекании сверхзвуковой струи в цилиндрическую полость // Изв. АН СССР, сер. МЖГ. 1977. 5. С.104-111). Высокие уровни температур достигаются за доли секунды, и эти уровни выше, если использовать одноатомные или с меньшей молярной массой газы, а трубки делать сужающиеся в направлении дна. Нагрев ускоряется и температура увеличивается, если колебания происходят не на основной, а на более высокочастотных модах (Ляхов В.Н., Подлубный В.В., Титаренко В.В. Воздействие ударных волн и струй на элементы конструкций: Математическое моделирование в нестационарной газодинамике. М.: Машиностроение, 1989. С.125-128).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является стабилизация работы и увеличение рабочего ресурса устройства подачи продувочных газов и одновременной генерации ультразвуковых колебаний в жидкий металл в условиях интенсивного нагрева.

Техническим результатом изобретения является повышение долговечности, термо- и износостойкости резонатора (дна резонатора) предлагаемого устройства.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для подачи продувочных газов и одновременной генерации ультразвуковых колебаний в жидкий металл типа излучателя Гартмана, содержащем корпус и соединенную с ним трубку для подачи пульсирующего потока газа, установленные в корпусе соосно и с возможностью перемещения друг относительно друга сопло и резонатор, согласно изобретению, резонатор выполнен из жаропрочной керамики с температурой плавления не менее 1500°C.

Резонатор обычно имеет цилиндрическую форму. Необходимо чтобы стенки резонатора были достаточно акустически жесткими и термостойкими. С целью повышения долговечности, термо- и износостойкости резонатора (дна резонатора) предлагаемого устройства целесообразно изготавливать резонатор из керамических материалов. Изготовление резонатора (резонансной камеры) из керамических материалов (термокерамики) дает новый эффект - повышает долговечность дна резонатора предлагаемого устройства при высоких температурах, так как керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлами. При изготовлении термокерамики используют соединения SiC, TiC, B₄O, TiB₂, ZrB₂, Si₃ N₄, BeS, CeS, BeO, ZrO₂, Al₂ O₃, MgO, MgO·Al₂O₃, MgO·Cr ₂O₃ TiO₂, ZnB₂, TiN, WC, BN. Керамические материалы обладают высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью, повышенной термо- и износостойкостью. При температурах выше 1000°C керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а сопротивление ползучести и жаропрочность ее выше. Поэтому, в качестве материала для изготовления резонатора может использоваться, например, керамика на основе Al₂ O₃, алюмомагниевой или алюмохромовой шпинели, диоксида циркония, нитрида кремния и др.

На фиг. показано устройство подачи продувочных газов и одновременной генерации ультразвуковых колебаний в жидкий металл.

Устройство подачи продувочных газов и одновременной генерации ультразвуковых колебаний в жидкий металл состоит из корпуса 1, сопло 2, резонатора 3, трубки для подачи пульсирующего потока в жидкий металл 4.

Устройство работает следующим образом.

При подаче сжатого газа в корпус 1 и далее в установленное в нем сопло 2, перед которым соосно с ним расположен резонатор 3, своим открытым концом (дном) направленный навстречу газовой струе. При сверхкритическом перепаде давлений между давлением в сопле 2 и в окружающей атмосфере струя вне сопла 2 становится сверхзвуковой. При торможении струи резонатором 3 перед ним возникает отсоединенный скачок уплотнения, а кинетическая энергия струи в резонаторе 3 переходит в потенциальную энергию сжатого газа. Если резонатор 3 находится в области, где давление в свободной струе повышается, то процесс опорожнения резонатора 3 становится периодическим. Взаимодействие струй основной и вытекающей из резонатора 3 приводит к тому, что участок струи между скачком уплотнения и дном резонатора 3 становится источником мощных акустических колебаний, которые через трубку для подачи пульсирующего потока в жидкий металл 4 вводят в жидкий металл. При этом применение резонатора 3 (дна резонатора 3) из керамических материалов (термокерамики) дает новый эффект - повышает долговечность резонатора 3 (дна резонатора 3) предлагаемого устройства при высоких температурах, так как керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлами.

Благодаря особенностям выполнения предлагаемое изобретение обеспечивает повышение долговечности, термо- и износостойкости резонатора (дна резонатора), стабилизирует работу и увеличивает рабочий ресурс устройства подачи продувочных газов и одновременной генерации ультразвуковых колебаний в жидкий металл в условиях интенсивного нагрева.

Устройство для подачи продувочных газов и одновременной генерации ультразвуковых колебаний в жидкий металл типа излучателя Гартмана, содержащее корпус и соединенную с ним трубку для подачи пульсирующего потока газа, установленные в корпусе соосно и с возможностью перемещения относительно друг друга сопло и резонатор, отличающееся тем, что резонатор выполнен из жаропрочной керамики с температурой плавления не менее 1500°C.