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 10 с.
(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 близким 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).
Известное устройство позволяет использовать сменные модели изложниц с различной конусностью внутренней полости изложницы, с различным отношением высоты к среднему диаметру, с различным объемом и конусностью прибыльной части, а также позволяет моделировать процесс кристаллизации при заливке расплава снизу с помощью сифона и получать научных данных в виде фотоснимков и термограмм тепловых полей.
Однако известное устройство не позволяет получать данные о поведении конвективных потоков в изложнице, возникающих в расплаве при его заливке и кристаллизации. 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, размещенную напротив одной из прозрачных граней модели изложницы, при этом устройство дополнительно снабжено источником света и двумя фокусирующими линзами, прочем первая фокусирующая линза размещена между моделью изложницы и регистрирующей аппаратурой, а вторая фокусирующая линза размещена между моделью изложницы и источником света, установленным напротив другой прозрачной грани модели изложницы.
Технический результат также достигается тем, что регистрирующая аппаратура представляет собой фото- или видеокамеру, модель изложницы снабжена двумя каналами водоохлаждения, размещенными по периметру внутренней полости, а в качестве расплава используют прозрачный расплав серноватистокислого натрия.
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 размещено на площадке (1) и включает плоскую модель изложницы (2), первую фокусирующую линзу (3), вторую фокусирующую линзу (4), стойку (5), на которой расположен источник света (6) - светодиодный фонарь, и стойку (7), на которой расположена регистрирующая аппаратура (8) - фото- или видеокамера.
При этом первая фокусирующая линза (3) размещена между моделью изложницы и регистрирующей аппаратурой (8), установленной на стойке (7) напротив одной из прозрачных граней модели изложницы (2) а вторая фокусирующая линза (4) размещена между моделью изложницы (2) и источником света (6), установленным на стойке (5) напротив другой прозрачной грани модели изложницы (2).
Устройство по полезной модели также включает емкость с расплавом (9) для сифонной заливки, соединенную трубкой с отверстием (13) в нижней части модели изложницы (2).Устройство также позволяет проводить процесс кристаллизации расплава при заливке расплава сверху с использованием емкости (10).
Плоская модель изложницы (2) выполнена в виде прямоугольного параллелограмма с внутренней полостью и снабжена двумя прозрачными боковыми гранями (11), двумя каналами водоохлаждения (12), размещенными по периметру внутренней полости, а также отверстием (13) в нижней части, соединенным трубкой с емкостью (9) 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 (14), размещенных в верхней части внутренней полости модели изложницы.
Модель изложницы снабжена металлическим каркасом (15), штуцерами для подвода (16) и отвода (17) воды, отверстием (13) для обеспечения возможности донной заливки. Через штуцера для подвода (16) воды и шлангов (18) 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 (19), расположенные по периметру металлического каркаса (15), позволяют прижимать прозрачные боковые грани (11) из органического стекла с обеих сторон устройства, герметичность обеспечивается использованием резиновых прокладок (20).
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 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:
,
т.сл
где Н - 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
H/D=2×Н/(D+D),
т.сл
где Н - высота тела слитка, см;
верх
низ
D, D - диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, см.
Модель изложницы с выбранными размерами устанавливают на площадку (1), к модели изложницы (2) 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 (14). В зависимости от способа заливки устанавливают либо емкость для заливки сверху (10) соосно с моделью изложницы, либо емкость для сифонной заливки (11) расплава в модель изложницы. Напротив одной из прозрачных граней модели изложницы устанавливают первую фокусирующую линзу (3), с противоположной стороны модели изложницы, напротив другой ее прозрачной грани - вторую фокусирующую линзу (4). Напротив первой линзы (3), выравнивая по ее центру, устанавливают светодиодный фонарь (6) на расстоянии, равном фокусному расстоянию первой линзы (3). Указанное расстояние обеспечивает создание параллельного пучка лучей в области между первой (3) и второй (4) линзами. Для выравнивания светодиодного фонаря по центру первой линзы используют стойку (5). Далее включают светодиодный фонарь и проводят проверку параллельности пучка света. После проверки параллельности пучка напротив второй фокусирующей линзы (4), выравнивая по ее центру, устанавливают регистрирующую аппаратуру (8) - фото- или видеокамеру. Для выравнивания регистрирующей аппаратуры по центру второй линзы используют стойку (7). Расстояние между линзой (4) и фото- или видеокамерой (8) должно быть равно фокусному расстоянию второй линзы (4). Это необходимо для того, чтобы собрать лучи, прошедшие через модель изложницы (2) в объектив фото- или видеокамеры. При этом целесообразно сместить объектив фото- или видеокамеры от центра второй линзы (4) перпендикулярно главной оптической оси упомянутой линзы на расстояние, не превышающее оного диаметра объектива фото- или видеокамеры (при этом часть световых лучей, прошедших через модель изложницы с расплавом, должна обязательно попадать в объектив фото- или видеокамеры). Это позволит усилить четкость изображения за счет блокировки некоторой части светового пучка, не попавшего в объектив фото- или видеокамеры в результате ее смещения относительно центра второй линзы (4).
2
2
3
2
Далее осуществляется процесс заливки моделирующего вещества, например, прозрачного расплава серноватистокислого натрия (кристаллический гипосульфит) - NaSО×5HО, в модель изложницы. Разливку расплава гипосульфита проводят снизу. Изображение расплава и присутствующих в нем конвективных потоков 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, 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.