УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА В ИЗЛОЖНИЦЕ

Полезная модель относится к металлургии, в частности к устройствам моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице для исследования процессов затвердевания металлов в слиток.
-3
Известно устройство для исследования процесса кристаллизации расплава металла, включающее емкость для заливки жидкого металла, образец твердого материала и механизм его погружения в жидкий металл, причем устройство снабжено двумя барабанами с частично намотанной на них общей лентой и диском, огибаемым упомянутой лентой, при этом, по крайней мере, один из указанных барабанов соединен с приводом. Известное устройство обеспечивает изучение начальных стадий кристаллизации расплава при малых интервалах времени, составляющих 10с.
(SU 839665, B22D 11/00, опубликовано 23.06.1981).
Однако с использованием известного устройства невозможно изучать процессы кристаллизации расплава в изложнице определенной формы, в которой происходит его затвердевание в слиток.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице, содержащее модель изложницы с прибыльной надставкой и регистрирующую аппаратуру, причем устройство дополнительно снабжено изолирующим кожухом и емкостью с расплавом для сифонной заливки, при этом модель изложницы выполнена в виде прямоугольного параллелограмма с внутренней полостью и снабжена двумя прозрачными боковыми гранями, двумя каналами водоохлаждения, размещенными по периметру внутренней полости, а также отверстием в нижней части, соединенным трубкой с емкостью с расплавом, а в качестве регистрирующей аппаратуры использован тепловизор, размещенный напротив одной из прозрачных граней модели.
(RU 139179, B22D 7/00, опубликовано 10.04.2014).
Однако известное устройство не позволяет получать данные о поведении конвективных потоков, возникающих в расплаве при его заливке и кристаллизации в изложнице. Причиной описанного недостатка является отсутствие необходимой для визуализации конвективных потоков аппаратуры.
Задачей полезной модели и ее техническим результатом является создание устройства для моделирования процесса кристаллизации в слиток расплава в изложнице с возможностью наблюдения за поведением конвективных потоков (их распределением, размерами и скоростями), возникающих в расплаве при его заливке в изложницу, при различных параметрах кристаллизующегося слитка и соотношениях его элементов.
Технический результат достигается тем, что устройство для моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице содержит модель изложницы с прибыльной надставкой, выполненной в виде прямоугольного параллелограмма с внутренней полостью и снабженной двумя прозрачными боковыми гранями, а также отверстием в нижней части, соединенным трубкой с емкостью с расплавом, и регистрирующую аппаратуру, причем устройство дополнительно снабжено источником света, размещенным напротив одной из прозрачных граней модели изложницы, и экраном, размещенным напротив другой прозрачной грани модели изложницы, при этом регистрирующая аппаратура расположена над моделью изложницы и направлена на изображение расплава на экране.
Технический результат также достигается тем, что регистрирующая аппаратура представляет собой фото- или видеокамеру; модель изложницы снабжена двумя каналами водоохлаждения, размещенными по периметру внутренней полости; в качестве расплава используют прозрачный расплав серноватистокислого натрия.
В качестве источника света оптимально использовать источник света, приближенный к точечному, что позволяет создать изображение конвективных потоков, возникающих в расплаве, залитом в модель изложницы, и присутствующих за счет неравномерного распределения температур в различных областях упомянутого расплава. Экран служит для проецирования на него изображения, полученного с помощью источника света. Происходящее на экране регистрируется с помощью фото- или видеокамеры.
Работа устройства для моделирования процесса кристаллизации в слиток расплава в изложнице по полезной модели можно проиллюстрировать примером с использованием фиг. 1-2.
Часть устройства по полезной модели размещена на площадке (1) и включает плоскую модель изложницы (2), стойку (3), на которой размещен источник света (4), и экран (5). Регистрирующая аппаратура в виде фото- или видеокамеры (6) расположена над моделью изложницы (2) и направлена на изображение расплава на экране (5). Вне площадки (1) размещены емкости (7, 8) для заливки расплава. При этом для сифонной заливки снизу емкость с расплавом (7) соединена трубкой с отверстием в нижней части модели изложницы. Емкость (8) обеспечивает заливку расплава сверху.
Плоская модель изложницы (2) выполнена в виде прямоугольного параллелограмма с внутренней полостью и снабжена двумя прозрачными боковыми гранями (9), двумя каналами водоохлаждения (10), размещенными по периметру внутренней полости, а также отверстием (11) в нижней части, соединенным трубкой с емкостью (7) с расплавом. Вертикальное сечение внутренней полости модели выполнено в виде уменьшенной копии вертикального сечения внутренней полости изложницы, а модель прибыльной надставки изложницы выполнена в виде вставок (12), размещенных в верхней части внутренней полости модели изложницы.
Модель изложницы снабжена металлическим каркасом (13), штуцерами для подвода (14) и отвода (15) воды, отверстием (11) для обеспечения возможности донной заливки. Через штуцера для подвода (14) воды и шлангов (16) направление подачи воды в одном канале водоохлаждения задают противоположно направлению подачи воды в другом канале, что обеспечивает равномерное охлаждение модели при кристаллизации расплава.
Стяжные болты (17), расположенные по периметру металлического каркаса (13), позволяют прижимать прозрачные боковые грани (9) из органического стекла с обеих сторон устройства, герметичность обеспечивается использованием резиновых прокладок (18).
Толщина плоской модели изложницы может варьироваться в пределах от 15 до 50 мм. Нижняя граница не допускает преобладание теплоотвода через фасадные стенки изложницы, что предотвращает намерзание расплава на них. Верхняя граница должна стремиться к нижнему пределу, но ограничивается толщиной двух каналов водоохлаждения и диаметром отверстия для донной заливки. Высота и ширина модели находятся в пределах от 200 до 400 мм и определяются наглядностью проходящих процессов и технологичностью изготовления модели.
Устройство по заявляемой полезной модели работает следующим образом.
Перед заливкой моделирующего вещества выбирается модель изложницы с заданными геометрическими параметрами: конусность изложницы (тела слитка) и прибыльной части, которые рассчитывают по формуле:
верх
низ
т.сл.
т.сл.
k=((D-D)/H)×100%, где H - высота тела слитка, см;
верх
низ
D, D - диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, см.
По формуле 2 рассчитывается отношение высоты к среднему диаметру тела слитка H/D:
т.сл.
верх
низ),
т.сл.
H/D=2×H/(D+D где H - высота тела слитка, см;
верх
низ
D, D - диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, см.
Выбранную модель изложницы устанавливают на площадку, к модели изложницы при помощи штуцеров подводят охлаждающую жидкость - воду, которая поступает через шланги в каналы водоохлаждения и далее через штуцера поступает в водослив. В верхней части внутренней полости модели изложницы устанавливают модель прибыльной надставки изложницы, выполненной в виде вставок (12). В зависимости от способа заливки устанавливают либо емкость для заливки сверху (8) соосно с моделью изложницы, либо емкость для сифонной заливки (7) расплава в модель изложницы. За одной из прозрачных граней модели изложницы на расстоянии около 250 мм от этой грани располагают экран. Напротив другой прозрачной грани модели изложницы, выравнивая по центру модели, на расстоянии около 1500 мм от упомянутой грани, устанавливают светодиодный источник света. Для выравнивания светодиодного источника света по центру модели изложницы используют стойку (3). После этого источник света включают. Указанные выше расстояния между прозрачной гранью модели изложницы и экраном, а также между другой прозрачной гранью модели изложницы и источником света, дают возможность получать на экране достаточно четкое изображение внутренней полости модели изложницы, а в последующем и конвективных потоков в прозрачном расплаве, залитом в эту полость, обеспечивая при этом малую величину отклонения размеров внутренней полости модели изложницы и конвективных потоков на изображении, проецируемом на экран, от реальных размеров внутренней полости модели изложницы и конвективных потоков соответственно. Фото- или видеокамера устанавливается над верхней гранью модели изложницы под углом к экрану таким образом, чтобы проецируемое на экран изображение всей фасадной поверхности модели изложницы попадало в поле зрения объектива фото- или видеокамеры. Расположение фото- или видеокамеры над верхней гранью модели изложницы необходимо для предотвращения накладывания проецируемых на экран изображений модели изложницы и фото- или видеокамеры друг на друга.
2
2
3
2
Далее осуществляется процесс заливки моделирующего вещества, например прозрачного расплава серноватистокислого натрия (кристаллический гипосульфит) - NaSO×5HO, в модель изложницы. Разливку расплава гипосульфита проводят сверху или снизу. Изображение на экране регистрируется фото- или видеокамерой на протяжении всего опыта (в случае использования фотокамеры синхронные снимки делают через равные, произвольно заданные исследователем промежутки времени в автоматическом режиме).
По полученным данным определяют распределение и толщину конвективных потоков в расплаве, вызванных наличием градиента температур в упомянутом расплаве, а также толщину твердой и твердожидкой фазы, кристаллизующейся на трех различных горизонтах моделируемого слитка (подприбыльное сечение, середина тела слитка, низ тела слитка) и по вертикальной оси. Замеряя расстояние, на которое переместилась определенная, произвольно выбранная исследователем область конвективного потока за определенный промежуток времени, зная соотношение между размерами элементов модели изложницы и их изображениями на экране, а также зная угол наклона фото- или видеокамеры, определяют скорость исследуемого потока (в случае фотоснимков разницу между положениями исследуемой области потока в различные моменты времени вычисляют по двум фотоснимкам, зная при этом время, в которое каждый из снимков был сделан). Таким же образом, замеряя изменения толщины конвективного потока за определенный промежуток времени, определяют динамику изменения толщины исследуемого потока. Аналогично, замеряя изменения протяженности твердой и твердожидкой фазы, закристаллизовавшейся на трех различных горизонтах моделируемого слитка и по вертикальной оси за определенный промежуток времени, определяют динамику нарастания твердой и твердожидкой фазы.
С помощью устройства по полезной модели могут быть получены следующие данные: скорость нарастания твердой и твердожидкой фазы, распределение конвективных потоков, их скорости и толщины.
Таким образом, устройство по полезной модели позволяет обеспечить достижение поставленного технического результата: создание устройства для моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице с возможностью наблюдения за поведением конвективных потоков (их распределением, размерами и скоростями), возникающих в расплаве при его разливке как сверху, так и снизу изложницы, в слиток с различными параметрами и соотношениями его элементов.