УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ РАСПЛАВА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ
METHOD OF SIMULATING MELT HYDRODYNAMICS IN CASTING MOULD

Изобретение относится к моделированию гидродинамики расплава в кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали.
Известна модельная установка непрерывной разливки стали [1. Стулов В.В., Гонтарев Ю.К., Яковенко А.Г. и др. Исследование гидродинамики непересекающихся плоских струй в емкости кристаллизатора // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1989. №11. С.50-52], содержащая баллон с воздухом, прозрачную модель кристаллизатора с двумя насадками, отражатель потока воды в виде сотовых ячеек, имитатор корочки заготовки, патрубки с коллектором для отвода воды, регулировочные краны расхода воды, скоростную видеокамеру.
Недостатком известной модельной установки является необходимость дополнительного введения в поток воды окрашивающей жидкости и невозможность получения реальной картины взаимодействия потока жидкости со стенкой.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в возможности получения цветного изображения взаимодействия потоков воды со стенкой модели.
Заявляемое устройство характеризуется следующими существенными признаками.
Ограничительные признаки: модель кристаллизатора с широкими и узкими стенками, выполненными из стекла; отражатель потока воды в виде сотовых ячеек; устройство для подвода воды в модель кристаллизатора; патрубок с коллектором для отвода воды; краны; видеокамера.
Отличительные признаки: устройство дополнительно снабжено разливочной емкостью со стопором, электрическим приводом стопора и датчиком расхода воды, соединенной с устройством для подвода воды в модель кристаллизатора, регулятором расхода воды из модели кристаллизатора, счетчиком расхода воды, электронагревательным устройством воды в разливочной емкости, термопарами, оптическим датчиком уровня воды в модели кристаллизатора, компьютером, при этом длина широких стенок модели кристаллизатора составляет 0,4-0,6 м, стенки модели кристаллизатора выполнены попарно сужающимися к донной части, а внутренние поверхности стенок модели кристаллизатора зачернены и покрыты слоем жидкокристаллического холистерилэруката толщиной 0,02-0,04 мм, при этом видеокамера подключена к компьютеру.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. Наличие отражателя потока воды в виде сотовых ячеек позволяет равномерно удалять из модели кристаллизатора воду, что вносит минимальные погрешности в картину течения воды, при условии непрерывного движения отливки с жидким металлом из натурного кристаллизатора.
В модели кристаллизатора уменьшение длины широких граней 1 < 0,4 м приводит к нерациональному уменьшению геометрического масштаба модели и увеличению скорости воды в модели для обеспечения равенства на модели и натуре критерия Рейнольдса. Кроме этого, затрудняется наблюдение за процессом с использованием видеокамеры.
В модели кристаллизатора увеличение длины широких граней 1 > 0,6 м приводит к нерациональному увеличению размеров модели, а соответственно к увеличению расхода воды в модель и на выходе из нее.
Выполнение стеклянных стенок модели зачерненными позволяет отчетливо видеть на них изображение тепловых полей жидких кристаллов, нанесенных на стенки модели.
Покрытие стеклянных стенок модели слоем жидких кристаллов толщиной δ < 0,02 мм затрудняет равномерное нанесение на стенки слоя жидких кристаллов. Кроме этого толщина пленки становится меньше предельно разрешающей способности жидких кристаллов.
Покрытие стеклянных стенок модели слоем жидких кристаллов толщиной δ > 0,04 мм приводит к нерациональному расходу жидких кристаллов и увеличивает время прогрева слоя, что замедляет скорость передачи изображения тепловых полей жидких кристаллов.
Выполнение пары широких и узких стенок модели кристаллизатора сужающимися к донной части позволяет имитировать толщину корочки заготовки, образующейся в натурной конструкции кристаллизатора, что уменьшает погрешность изображения тепловых полей на модели.
Выполнение разливочной емкости со стопором с электрическим приводом позволяет автоматизировать процесс подачи воды из емкости в модель кристаллизатора.
Наличие устройства для подвода воды в кристаллизатор, закрепленного в разливочной емкости, позволяет организовать струи воды в модели кристаллизатора и добиться заданных значений критерия Рейнольдса.
Наличие оптического датчика уровня воды в модели позволяет получать сигналы об уровне и автоматизировать процесс.
Наличие электрического регулятора расхода воды из модели кристаллизатора позволяет добиться постоянства расхода воды из модели кристаллизатора и разливочной емкости, а также организовать автоматический процесс в начале заполнения модели кристаллизатора водой.
Наличие электрического счетчика расхода воды позволяет контролировать расход и определять скорость потоков воды в модели кристаллизатора.
Наличие электронагревательного устройства в разливочной емкости обеспечивает возможность нагрева заливаемой в нее воды до заданной температуры.
Наличие термопары в разливочной емкости и снаружи модели кристаллизатора обеспечивает возможность получения сигнала о температуре воды в емкости и температуре среды снаружи модели кристаллизатора.
Наличие микрокомпьютера с подключенной к нему видеокамерой позволяет обрабатывать и хранить поступающую информацию.
На фиг.1 приведен внешний вид заявляемой модели устройства, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.
Устройство состоит из разливочной емкости 1 со стопором 2 с электрическим приводом 3, устройства 4 с отверстиями 5 для подвода воды в модель кристаллизатора с парой широких 6 и парой узких стеклянных стенок 7, сужающихся к донной части модели; трубы 8 с краном 9, отражателя 10 потока воды в виде сотовых ячеек 11, коллектора 12 с патрубком 13, электрического регулятора 14 расхода воды, электрического счетчика 15 расхода воды, оптического датчика 16 уровня воды в кристаллизаторе, видеокамеры 17, подключенной к компьютеру 18. На внутренней поверхности зачерненных стенок 6 и 7 нанесен слой 19 жидкокристаллического вещества холистерилэрукат. Датчик 20 уровня воды в разливочной емкости 1 совместно с регулятором 14, счетчиком 15, датчиком 14, электронагревательным устройством 21, термопарами 22 и 23 подключены в систему автоматического управления процессом.
Устройство для моделирования гидродинамики расплава в кристаллизаторе работает следующим образом.
Через трубу 8 при открытом кране 9 осуществляется подача воды в разливочную емкость 1, закрытую стопором 2, с одновременно включенным электронагревательным устройством 21. При достижении уровня воды, контролируемого датчиком 20, и заданной температуры, контролируемой термопарой 22, системой автоматического управления процессом подается команда на включение электрического привода 3 стопора 2 с подачей воды из емкости 1 через устройство 4 с отверстиями 5 в модель кристаллизатора при закрытом электрическом регуляторе 14 расхода воды. При достижении уровня воды в модели кристаллизатора, соответствующем погружению в воду отверстий 5 устройства 4, контролируемом оптическим датчиком 16 уровня воды, системой автоматического управления процессом подается команда на открытие электрического регулятора 14 расхода воды, который фиксируется с помощью сигналов, поступающих от электрического счетчика 15 расхода воды. После этого вода через сотовые ячейки 11 в отражателе 10 потока воды поступает в коллектор 12 с патрубком 13, а система автоматического управления процессом обеспечивает поддержание заданного уровня воды в модели кристаллизатора, заданной температуры воды в разливочной емкости 1 и температуры среды снаружи модели кристаллизатора по сигналам, поступающим от термопар 22 и 23. Вода, поступающая в модель кристаллизатора, приводит к нагреву слой 19 жидких кристаллов толщиной 0,03 мм на широких 6 и узких 7 стеклянных стенках и получению видимого цветного изображения, фиксируемого видеокамерой 17 и передаваемого на экран компьютера 18.