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. Задачей полезной модели и ее техническим результатом является создание устройства для моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице с возможностью моделирования заливки расплава сифоном и возможностью получения научных данных в виде фотоснимков и термограмм тепловых полей при кристаллизации и структурообразовании слитка при различных параметрах и соотношениях размеров элементов изложницы. Технический результат достигается тем, что устройство моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице содержит 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. 3 рис.

Полезная модель относится к металлургии, в частности, к устройствам моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице для исследования процессов затвердевания металлов в слиток.

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 изучение начальных стадий кристаллизации расплава при малых интервалах времени, составляющих 10^-3 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 близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице при внешних динамических воздействиях на кристаллизующийся расплав. Известное устройство включает установленную на вибростенд модель изложницы, состоящую из водоохлаждаемой металлической оболочки с полостью, повторяющей форму части прибыльной надставки и изложницы, фасадные стенки которой выполнены прозрачными, а также регистрирующую кинофотоаппаратуру, размещенную напротив одной из прозрачных стенок модели изложницы, при этом прозрачные стенки, выполненные из стекла, обогревают лампами до температур ликвидуса расплава. Известное устройство позволяет имитировать различную теплоаккумулирующую способность изложницы и прибыльной надставки, а также получать изображение процесса кристаллизации расплава в изложнице.

(Ульянов В.А. Моделирование кристаллизации слитков в изложнице при внешних динамических воздействиях / В.А. Ульянов, В.Н. Гущин, М.А. Ларин, Е.В. Матвеева // Металлы. - 1991. - 2. - С.51-54.)

Однако предлагаемое устройство не позволяет моделировать кристаллизацию расплава при его заливке снизу с помощью сифона и не позволяет получать информацию о распределении тепловых полей при заливке и кристаллизации.

Задачей полезной модели и ее техническим результатом является создание устройства для моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице с возможностью моделирования заливки расплава сифоном и возможностью получения научных данных в виде фотоснимков и термограмм тепловых полей при кристаллизации и структурообразовании слитка при различных параметрах и соотношениях размеров элементов изложницы.

Технический результат достигается тем, что устройство моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице содержит 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.

Технический результат также достигается тем, что вертикальное сечение внутренней полости модели выполнено в виде уменьшенной копии вертикального сечения внутренней полости изложницы; модель прибыльной надставки изложницы выполнена в виде вставок, размещенных в верхней части внутренней полости модели изложницы; устройство дополнительно снабжено двумя лампами освещения расплава, размещенных на стенках кожуха; направление подачи воды в одном канале водоохлаждения противоположно направлению подачи воды в другом канале; прозрачные боковые грани модели изложницы выполнены из пластин органического стекла, герметично соединенными с другими гранями с помощью крепежа.

Устройство по полезной модели 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. Использование в устройстве сифонной подачи расплава в модель изложницы позволяет изучать процессы кристаллизации и структурообразования слитков, залитых снизу. Однако, устройство моделирования процесса кристаллизации расплава также позволяет проводить исследования при заливке расплава сверху. Применение тепловизора дает возможность получать картину распределения тепловых полей и определять положение теплового центра, не внося искажений в процесс, как, например, при использовании термопар.

На рисунке 1 изображен общий вид устройства по полезной модели, на рисунке 2 - модель изложницы, на рисунке 3 - сечение по А-А на рис.2.

Устройство представляет собой кожух (1), изолирующий модель изложницы от внешнего пространства. Внутри изолирующего кожуха размещены плоская модель изложницы (2) и две лампы освещения (3), закрепленные на стенках кожуха по обе стороны от модели изложницы. Напротив одной из прозрачных граней модели изложницы (2) размещена регистрирующая аппаратура - тепловизор (4). Вне изолирующего кожуха размещены емкость с расплавом для сифонной заливки (5) снизу. Со стороны расположения модели в кожухе выполнено технологическое отверстие снизу для обеспечения возможности донной заливки.

Плоская модель изложницы (2) выполнена в виде прямоугольного параллелограмма с внутренней полостью и снабжена двумя прозрачными боковыми гранями (9), двумя каналами водоохлаждения (8), размещенными по периметру внутренней полости, а также отверстием (12) в нижней части, соединенным трубкой с емкостью (6) 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 (16), размещенных в верхней части внутренней полости модели изложницы.

Модель изложницы снабжена металлическим каркасом (7), штуцерами для подвода (10) и отвода (11) воды, отверстием (12) для обеспечения возможности донной заливки. Через штуцера для подвода (10) и шлангов (13) 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 (14) расположенные по периметру металлического каркаса (7) позволяют прижимать прозрачные грани боковые грани (9) из органического стекла с обеих сторон устройства, герметичность обеспечивается использованием резиновых прокладок (15).

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 водоохлаждаемых полостей 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:

k=((D _верх-D_низ)/Н_т.сл.)×100%, где Н_т.сл - высота тела слитка, см;

D _верх, D_низ - диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, см.

По формуле 2 рассчитывается отношение высоты к среднему диаметру тела слитка H/D:

H/D=2×Н _т.сл./(D_вepx+D_низ), где Н_т.сл - высота тела слитка, см;

D_верх, D _низ - диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, см.

Выбранную модель изложницы устанавливают в защитный кожух, к ней при помощи штуцеров подводят охлаждающую жидкость - воду, которая поступает через шланги в водоохлаждаемые полости и далее через штуцера поступает в водослив. В верхней части внутренней полости устанавливают модель прибыльной надставки изложницы, выполненных в виде вставок (16). Устанавливают емкость для сифонной заливки (5) расплава в изложницу. Включают две лампы освещения, расположенные на стенках внутри кожуха с боковых сторон относительно модели изложницы. Напротив одной из прозрачных граней модели изложницы, выравнивая по центру модели, на расстоянии достаточном для попадания всей фасадной поверхности модели в поле зрения объектива, устанавливают регистрационное оборудований - тепловизор.

После этого осуществляют процесс заливки моделирующего вещества, например натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит) - Na₂S₂O ₃×5H₂O, в модель изложницы. Разливку расплава гипосульфита проводят снизу. По окончанию заливки через равные, произвольно заданные исследователем, промежутки времени в автоматическом режиме делают синхронные снимки фасадной поверхности модели изложницы в видимом и ИК диапазонах.

По полученным термограммам определяют распределение тепловых полей на фасадной поверхности модели изложницы. Эти данные предоставляют возможность определения распределения тепловых полей и положения теплового центра в расплаве. По фотоснимкам проводят замеры протяженности твердой и твердожидкой фазы закристаллизовавшейся на трех различных горизонтах моделируемого слитка (подприбыльное сечение, середина тела слитка, низ тела слитка) и по вертикальной оси, что позволяет, зная время съемки каждой отдельной фотографии относительно окончания заливки, определять динамику нарастания твердой и твердожидкой фазы.

С помощью устройства по полезной модели могут быть получены следующие данные: скорость нарастания твердой и твердожидкой фазы, распределение тепловых полей по сечению тела слитка и положение теплового центра.

Таким образом, устройство по полезной модели позволяет обеспечить достижение поставленного технического результата: создание устройства для моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице с возможностью моделирования заливки расплава сифоном и возможностью получения научных данных в виде фотоснимков и термограмм тепловых полей при кристаллизации и структурообразовании слитка при различных параметрах и соотношениях размеров элементов изложницы.

1. Устройство для моделирования процесса кристаллизации расплава в изложнице, содержащее модель изложницы с прибыльной надставкой и регистрирующую аппаратуру, отличающееся тем, что оно 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.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикальное сечение внутренней полости модели выполнено в виде уменьшенной копии вертикального сечения внутренней полости изложницы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модель прибыльной надставки изложницы выполнена в виде вставок, размещенных в верхней части внутренней полости модели изложницы.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено двумя лампами освещения расплава, размещенными на стенках кожуха.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направление подачи воды в одном канале водоохлаждения противоположно направлению подачи воды в другом канале.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прозрачные боковые грани модели изложницы выполнены из пластин органического стекла, герметично соединенных с другими гранями с помощью крепежа.