При естественном охлаждении слитка видно, что распределение твердой корочки (ξ = 0,9) по высоте слитка (рис.9), особенно в начале процесса затвердевания, носит немонотонный характер. Эта не монотонность объясняется развитой вихревой структурой течения вдоль твердой корочки. Снижение интенсивности перемешивания при наличии холодильника приводит к более равномерному распределению твердой корочки, что улучшает термическую обстановку в прикорковом слое.
Исследуем поведение расплава с квадратным холодильником. К началу этапа затвердевания в центре слитка находится конусообразный стержень, имеющий размеры грани в нижней части слитка 54 мм, а в верхней - 40 мм. Через 12,3 мин. стержень, находясь в конвектирующем расплаве, полностью расплавляется. В расплаве наблюдаются все эффекты, описанные для 20 - миллиметрового холодильника.
Рис. 9. Распределение твердой корочки по высоте слитка: в первые 5 мин.: 1 – в обычном слитке ,2 – в слитке с 40 мм холодильнике
Рис. 10. Кинетика роста и плавления твердой корочки на 40 мм холодильнике (кривая 1) и 60 мм холодильнике (2) для 11 тонного слитка
Для 60 - миллиметрового холодильника наблюдается следующая картина. На этапе затвердевания непрогретый полностью холодильник продолжает отбирать тепло у расплава и наращивать на себе твердую корочку. Этот этап длится 3,5 мин., а затем начинается плавление твердой корочки на холодильнике, однако, полностью она не успевает расплавиться. С окончанием этапа снятия перегрева (здесь на протяжении всего этапа сохраняется двухвихревая структура течения) наблюдается новый рост твердой корочки с фиксацией холодильника в расплав.
Сравнение результатов численного расчета с расчетами, проведенными работе [1]:
, (4)
определяющей толщину металла на холодильнике к моменту затвердевания (индексы хол, изл, ж соответственно относятся к холодильнику, изложнице и расплаву), показали удовлетворительное совпадение результатов (таблица. 1).
Таблица 1.
Толщина металла на холодильнике, сформировавшаяся к моменту затвердевания
Толшина холодильника, мм. |
3 |
5 |
7 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
40 |
Толщина металла расчет (4), мм |
1,75 |
3,0 |
4,1 |
6 |
8,7 |
12 |
14,8 |
17,5 |
43,5 |
Толщина металла численный расчет мм. |
1,8 |
3,01 |
4,2 |
6,2 |
9,0 |
12,3 |
14,8 |
17,8 |
43,9 |
Математическое моделирование гидродинамических и теплообменных процессов в стальных слитках