Модель кристаллизатора
CRYSTALLISER MODEL

Изобретение относится к моделированию охлаждения кристаллизаторов машин непрерывной разливки металлов, содержащих тепловые трубы.
Известна модель кристаллизатора [1. Патент №2457063 RU. Модель кристаллизатора / В.В. Стулов. Опубл. 27.07. 2012 г. Бюл. №21], содержащая тепловые трубы, соединенные с нагревательным блоком, выполненным в виде трубы, в который помещен теплоноситель и нагревательный элемент, и с коллектором, закрытые кожухом, подключенные к системе автоматического управления термопары, термопары в нагревательном блоке и коллекторе, и датчик скорости охлаждающей среды, при этом наружный диаметр труб, диаметр оребрения, длина труб, диаметр нагревательного блока и его длина связаны соотношениями.
Недостатком модели кристаллизатора [1] является возможность моделирования на ней только тепловых процессов и отсутствие возможности моделирования формирования заготовки из легкоплавких сплавов с исследованием качества ее поверхности.
Известен кристаллизатор для получения непрерывных цилиндрических заготовок [2. Патент №2651083 RU. Кристаллизатор для получения непрерывных цилиндрических заготовок / В.В. Стулов. Опубл. 18.04.2018 г. Бюл. №11], содержащий корпус с расположенной в нем тепловой трубой, образованной трубами, коаксиально установленными одна в другой с образованием между ними замкнутого пространства для теплоносителя, конденсатор, связанный паропроводами и конденсатопроводами с тепловой трубой с образованием замкнутого испарительно-конденсационного контура, кожух, выполненный с возможностью подачи в него охлаждающей воды для охлаждения конденсатора, электрические нагревательные элементы, расположенные в нижней части замкнутого пространства между трубами и термопары, подключенные к системе автоматического управления охлаждением кристаллизатора, в замкнутом пространстве между коаксиально установленными одна в другой трубами равномерно по периметру выполнены продольные ребра, а внутренняя поверхность трубы меньшего диаметра между ребрами покрыта пористым покрытием.
Недостатки кристаллизатора [2] заключаются в возможности его использования для разливки высокотемпературных сплавов, а также в сравнительно высокой трудоемкости и стоимости его изготовления. Кроме этого, отсутствие сведений о теплоносителе, находящемся в замкнутом пространстве, не позволяет моделировать в кристаллизаторе формирование заготовки из легкоплавких сплавов.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой модели кристаллизатора, заключается в следующем.
1. Уменьшении трудоемкости и стоимости изготовления модели кристаллизатора.
2. Уменьшении времени и средств на исследование формирования заготовки из легкоплавких сплавов.
3. Возможности моделирования формирования заготовки в кристаллизаторе, содержащем корпус с расположенной в нем тепловой трубой.
Заявляемая модель кристаллизатора характеризуется следующими существенными признаками.
Ограничительные признаки: корпус с расположенной в нем тепловой трубой, образованной трубами, коаксиально установленными одна в другой с образованием между ними замкнутого пространства для теплоносителя; конденсатор, связанный паропроводами и конденсатопроводами с тепловой трубой с образованием замкнутого испарительно-конденсационного контура; электрические нагревательные элементы; термопары, подключенные к системе автоматического управления охлаждением модели кристаллизатора.
к
т
1
2
т
1
2
1
Отличительные признаки: снаружи конденсатора располагается змеевик из медной трубки, в которую подается охлаждающая вода; модель кристаллизатора выполнена в масштабе М=0,2-0,28 по отношению к размерам промышленного кристаллизатора; теплоноситель, находящийся в замкнутом пространстве тепловой трубы имеет температуру кипения t=40-60°С; электрический нагревательный элемент располагается снаружи корпуса тепловой трубы; диаметр медной трубки "d" высота конденсатора "h", внутренний "d" и наружный "d" диаметры корпуса тепловой трубы, высота корпуса "Н" связаны соотношениями d/h=0,2-0,3; d/d=0,55-0,65; d/H=0,3-0,4.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемой модели кристаллизатора и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Расположение снаружи конденсатора змеевика из медной трубки исключает необходимость наличия кожуха для подвода охлаждающей воды с целью охлаждения конденсатора. Уменьшается трудоемкость изготовления модели кристаллизатора.
Изготовление модели кристаллизатора в уменьшенном масштабе по отношению к размерам промышленного кристаллизатора уменьшает трудоемкость и стоимость ее изготовления.
Изготовление модели кристаллизатора в масштабе М < 0,2 по отношению к размерам промышленного кристаллизатора затрудняет ее изготовление и моделирование на модели формирования заготовки из легкоплавкого сплава.
Изготовление модели кристаллизатора в масштабе М > 0,28 по отношению к размерам промышленного кристаллизатора приводит к нецелесообразному увеличению трудоемкости и стоимости изготовления модели. Кроме этого, увеличивается стоимость выполнения подготовительных работ, включая затраты на приобретение легкоплавкого сплава, его расплавление.
к
Наличие теплоносителя, находящегося в замкнутом пространстве тепловой трубы, с температурой кипения t=40-60°С уменьшает затраты времени на прогрев модели кристаллизатора перед разливкой в нее расплава и улучшает условия для равномерного формирования заготовки из легкоплавкого сплава.
к
Наличие теплоносителя, находящегося в замкнутом пространстве тепловой трубы, с температурой кипения t < 40°С затрудняет заправку им модели кристаллизатора при комнатной температуре, а также создает повышенные требования к его хранению.
к
Наличие теплоносителя, находящегося в замкнутом пространстве тепловой трубы, с температурой кипения t > 60°С приводит к нецелесообразному увеличению времени на прогрев модели кристаллизатора и ухудшает условия формирования заготовки, в частности, за счет уменьшения давления паров теплоносителя, находящегося в замкнутом пространстве, при уменьшении температуры охлаждаемой заготовки.
Расположение электрического нагревательного элемента снаружи корпуса тепловой трубы при уменьшении размеров модели кристаллизатора (в 3,5-5 раз) по отношению к размерам промышленного кристаллизатора уменьшает требования к его расположению снаружи корпуса и уменьшаются затраты времени на замену электрического нагревательного элемента в случае его перегорания.
т
т
Уменьшение соотношения d/h < 0,2 (где d - диаметр медной трубки, h - высота конденсатора) приводит к нецелесообразному уменьшению диаметра медной трубки или к увеличению высоты конденсатора.
т
Увеличение соотношения d/h > 0,3 приводит к нецелесообразному уменьшению числа витков змеевика из медной трубки, находящихся снаружи конденсатора. В результате существенно ухудшается охлаждение конденсатора и металла заготовки, что отражается на ухудшении качества ее поверхности.
1
2
1
2
1
2
Уменьшение соотношения d/d < 0,55 (где d и d - диаметры, соответственно, внутренний и наружный корпуса тепловой трубы) проводит к нецелесообразному уменьшению внутреннего диаметра d корпуса тепловой трубы или к нецелесообразному увеличению наружного диаметра d корпуса тепловой трубы.
1
2
Увеличение соотношения d/d > 0,65 приводит к недопустимому уменьшению количества теплоносителя, находящегося в замкнутом пространстве, что ухудшает работу модели кристаллизатора и уменьшает количество тепла, отводимого от металла заготовки.
1
Уменьшение соотношения d/Н < 0,3 (где Н - высота корпуса тепловой трубы) приводит к нецелесообразному увеличению высоты корпуса тепловой трубы и затрудняет условия равномерного подвода расплава в модель кристаллизатора.
1
Увеличение соотношения d/Н > 0,4 приводит к недопустимому уменьшению высоты корпуса тепловой трубы, ухудшающее работу модели кристаллизатора и качество поверхности получаемой заготовки из легкоплавкого сплава.
На чертеже приведен внешний вид заявляемой модели кристаллизатора.
Заявляемая модель кристаллизатора на чертеже состоит из корпуса тепловой трубы, образованной коаксиально установленными одна в другой трубами 1 и 2, замкнутого пространства 3 для теплоносителя, конденсатора 4 со змеевиком из медной трубки 5, паропроводов 6 и конденсатопроводов 7, электрического нагревательного элемента 8, патрубков 9 и 10 для подвода и отвода охлаждающей воды, термопар 11-13, подключенных к системе автоматического управления охлаждением модели кристаллизатора.
Предварительно замкнутое пространство 3 заполняется определенным количеством теплоносителя, устанавливается затравка, предотвращающая выливание расплава из модели кристаллизатора. Включается электрический нагревательный элемент 8, что приводит к разогреву корпуса тепловой трубы и теплоносителя, находящегося в замкнутом пространстве 3. Теплоноситель по мере нагрева испаряется и закипает, пары которого по паропроводам 6 поступают в конденсатор 4 и конденсируются. Температура пара и корпуса тепловой трубы фиксируется по показаниям термопары 13. После достижения заданной температуры пара, который разогревает модель кристаллизатора, последняя готова к разливке расплава.
Далее одновременно выключается нагревательный элемент 8, включается подача охлаждающей воды через патрубок 9 в медную трубку 5 змеевика и производится заливка расплава в модель кристаллизатора. Тепловой поток от расплава через стенку трубы 1 и передается теплоносителю, который поддерживается в разогретом и кипящем состоянии. Пары теплоносителя, поступившие по паропроводам 6 и сконденсировавшиеся в конденсаторе 4, по конденсатопроводам 7 поступают в нижнюю часть корпуса тепловой трубы и заполняют замкнутое пространство 3. Холодная вода, поступающая по медной трубке 5 змеевика за счет контакта с поверхностью конденсатора 4, нагревается и выходит через патрубок 10. При известных температурах воды, фиксируемых по показаниям термопар 11 и 12, а также известном расходе охлаждающей воды определяется тепловой поток, отводимый от заливаемого расплава. Заготовка, затвердевшая в модели кристаллизатора, извлекается для исследования качества поверхности.
1
т
Для модели кристаллизатора наиболее целесообразный диаметр d=40-50 мм, а оптимальный диаметр медной трубки d=4-6 мм.