На рис.1. представлено распределение температуры в нижней части холодильника (наиболее длительный период времени, подвергающейся воздействию расплава). При соприкосновении расплава с холодильником последний принимает температуру 9980С. Тепловой поток максимальный (рис. 2). Охлаждая близлежащий расплав, стержень начинает покрываться твердой корочкой, рост которой в начальный момент времени очень интенсивен (рис.2). Так, через 0,5с после соприкосновения холодильника с расплавом толщина твердой корочки равна 0,9мм, а через 5 сек - 2,9мм. Затем корочка начинает плавиться и через 26 сек полностью расплавляется. За это время холодильник прогревается до 13300С (рис.1), поток тепла снизился на порядок (рис.2), и намораживания на холодильнике не наблюдается. Через 78 секунд после соприкосновения расплава с холодильником, последний расплавляется. Таким образом, если разливка сверху 11 тонного слитка длится 2 мин, то 10 - миллиметровый холодильник
Рис. 1 Распределение температур в стержне (сплошная линия указывает границу стержня) и близлежащем расплаве. Цифры у кривых – время.
из низкоуглеродистой стали растворяется на 60% и остается небольшой кусочек в верхней части расплава. Поэтому применение 10- миллиметрового холодильника для слитка такой массы неэффективно. В дальнейшем исследования будут проводиться для холодильников с большей массой (dхол =20 - 100мм).
Проанализируем распределение температур в 20-миллиметровом холодильнике. На рис.3 представлено распределение температур в холодильнике и близлежащем расплаве. Как видно холодильник такого размера прогревается менее интенсивно, чем 10 - миллиметровый, а процесс наращивания и растворения твердой корочки осуществляется за больший период времени. Так максимальную толщину 5,4мм твердая корочка достигает на 21 с (рис.3). На 105 секунде твердая корочка растворяется, что же касается холодильника, то температура его поверхности в нижней части изложницы остается ниже температуры плавления. Однако вокруг холодильника остается развитая двухфазная зона протяженностью 2 - 3мм.
Рис. 2. 1- Кинетика роста и плавления металла на холодильнике (H);
2 – плотность теплового потока на границе холодильник– расплав (Q)
Поэтому дальнейший анализ температур для холодильника размером 20 мм и более целесообразно проводить на стадии формирования слитка.
Как и у слитка, затвердевающего в естественных условиях, в слитке с внутренним холодильником наблюдается несколько этапов развития конвекции. Однако, если в обычном слитке первый этап характеризуется снятием перегрева и остаточным влиянием струи, то в слитке с холодильником влияние последнего фактора незначительно. На рис.4 показано, что остаточное воздействие струи сократилось в 2,5 раза (для слитка с 20- миллиметровым холодильником). Это объясняется тем, что холодильник, армируя расплав, тормозит конвективные потоки, приводя к их значительному снижению. Таким образом, основным источником перемешивания на первом этапе является естественная конвекция. Следует отметить, что время существования первого этапа для слитка с холодильником резко сокращается. Так, если для естественно затвердевающего 11-тонного слитка время снятия перегрева составляет 22 минуты, то для слитка с 20- миллиметровый холодильником - 14мин (рис.5). Характерные для этапа снятия перегрева осцилляции кинетической энергии, природа которых объяснена в работе, для слитка с холодильником практически не наблюдаются.
Рис. 3.a- распределение температур в 20 мм холодильнике в период наполнения изложницы ( цифры у кривых время); б - динамика роста и плавления твердой корочки в расплаве образовавшейся на холодильнике
Рис. 4. Изменение плотности кинетической энергии в обычном слитке (кривая 1), в слитке с 20 - мм холодильником (2) и 60 - мм холодильником (кривая 3)
Если в обычном слитке ускорение и торможение перемешивания расплава характеризуется сменой вихревой структуры (появлением и исчезновением вихря противоположного направления), то в слитке с холодильником в расплаве наблюдаются две гидродинамические зоны. Зона положительных вихрей, локализующаяся вблизи холодильника и имеющая нисходящие потоки у холодильника и восходящие потоки в центре области , между холодильником и стенкой изложницы (по площади этот вихрь занимает 25 - 30% области). Зона отрицательных вихрей с нисходящими потоками у стенки изложницы, занимает всю оставшуюся часть расплава (рис.6). Из рис.7 видно, что противоположно направленные вихри тормозят друг друга и снижают интенсивность перемешивания расплава.
Рис. 5. Распределение плотности кинетической энергии в расплаве: 1 – в обычном слитке , 2 – с 20 - мм холодильником, 3 – с 100 - мм холодильником.
Сравнения полей скорости показали, что у положительного вихря значение вертикальной компоненты скорости на 30% ниже, чем у основного вихря, что объясняется более низким градиентом температур вблизи холодильника (рис.6). Прослеживая динамику развития вихревой структуры в расплаве с 20- миллиметровым холодильником видно, что по мере растворения холодильника положительный вихрь вырождается.
Математическое моделирование гидродинамических и теплообменных процессов в стальных слитках