Изучение влияния конфигурации изложницы на гидродинамику расплава с использованием прямого теневого метода

Разливка стали в слитки и последующее её затвердевание сопровождаются гидродинамическим и конвективным движением объёмов жидкого металла в изложнице, которое может впоследствии повлиять на качество затвердевшего металла. В этой связи представляет практический интерес изучение гидродинамики поведения расплавленной стали в изложнице с целью выявления общих закономерностей и разработки на основе этого технологических решений, позволяющих увеличить однородность и чистоту стали.

В настоящей работе проводилось визуальное наблюдения конвективного движения, возникающего в среде, моделирующей жидкую сталь (воде при температуре 80 ˚С), при её заливке в 3 плоские прозрачные модели изложницы с различным значением параметра H/D (H/D = 1; 1,5; 2) при неизменном значении конусности K (K = 2 %). Формулы для расчёта H/D и K представлены ниже:

H/D = 2·H / (D_верх + D_ниж);

K = [(D_верх – D_ниж) / H]·100%,

где H – высота тела модели слитка, мм; D_верх и D_ниж – ширина, соответственно, верхней и нижней частей тела модели слитка, мм.

Визуализация конвективного движения производилась с помощью установки, основанной на прямом теневом методе – оптическом методе, позволяющем визуализировать области прозрачной среды, отличающиеся от остальной части этой же среды значением показателя преломления (т.н. оптические неоднородности). Схема установки представлена на рисунке 1.

Роль оптической неоднородности играют конвективные потоки в моделирующей среде, залитой в модель изложницы. Изображение конвективных потоков проецируется на экран и регистрируется с помощью видеокамеры. По полученным видеозаписям в определённые моменты времени производился замер таких параметров нисходящих вдоль внутренних боковых стенок модели изложницы конвективных потоков, как их скорости, толщины, а также высоты возникновения турбулентной части этих потоков относительно нижней части тела модели слитка.

Измерения показали, что с уменьшением параметра H/D тела модели слитка также уменьшаются упомянутые выше параметры нисходящего конвективного движения. Таким образом, сделано предположение, что разливка стали в укороченные слитки может способствовать улучшению их качества за счёт меньшего влияния нисходящих конвективных потоков на всплывающие неметаллические включения.