blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-2-91-96blackmet-1579Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESВЛИЯНИЕ ВРАЩЕНИЯ РАСХОДУЕМОГО ЭЛЕКТРОДА ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ НА АНИЗОТРОПИЮ СВОЙСТВ ПОЛУЧАЕМОГО СЛИТКАINFLUENCE OF CONSUMABLE ELECTRODE ROTATION ON ANISOTROPY OF PROPERTIES OF THE BILLET OBTAINED BY ELECTROSLAG REMELTINGЧуманов И.ВИ. В.ChumanovI. V.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Техника и технологиипроизводства материалов»

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Technics and Technologies of Materials Production"

chumanoviv@susu.ruМатвееваМ. А.MatveevaM. A.

инженер кафедры «Техника и технологии производства материалов»

Engineer of the Chair "Technics and Technologies of Materials Production"

matveevama@susu.ruСергеевД. В.SergeevD. V.

заведующий лабораториями кафедры «Техника и технологии производства материалов»

Head of the Laboratory of the Chair "Technics and Technologies of Materials Production"

sergeevdv@susu.ruЮжно-Уральский государственный университет, филиал в г. ЗлатоустРоссияZlatoust branch of the South Ural State University, Zlatoust, Chelyabinsk RegionRussian Federation2019290320196229196Copyright © Чуманов И.В И.В., Матвеева М.А., Сергеев Д.В., 20192019Чуманов И.В И.В., Матвеева М.А., Сергеев Д.В.Chumanov I.V., Matveeva M.A., Sergeev D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1579

Представлено теоретическое обоснование влияния технологии электрошлакового переплава с вращением расходуемого электрода на физико-механические свойства формируемой отливки (заготовки). Технология электрошлакового переплава с вращением расходуемого электрода вокруг собственной оси ведет к образованию восходящего потока тепла в шлаковой ванне, делая гидродинамическую обстановку в кристаллизаторе более рациональной с точки зрения использовании образующегося тепла. При вращении расходуемого электрода на пленку жидкого металла, образующуюся на торце электрода, действуют центробежные силы, которые беспечивают радиальное течение капель расплавленного металла. Последующий отрыв происходит с внешнего периметра электрода. Таким образом, капли электродного металла попадают в металлическую ванну ближе к стенке кристаллизатора, выравнивая температурный фронт ванны. Уменьшение температурного градиента ванны по сечению приводит к более плоскому фронту кристаллизации. Исследуемая технология электрошлакового переплава с  вращением расходуемого электрода должна оказывать влияние на физико-механические свойства получаемого слитка (заготовки). С целью установления влияния вращения расходуемого электрода при электрошлаковом переплаве на свойства получаемого металла были проведены экспериментальные переплавы. Представлены данные об экспериментальных электрошлаковых переплавах электродов марки стали 20Х13 по различным технологиям на установке А-550. В ходе эксперимента устанавливалось влияние технологии вращения расходуемого электрода на условия процесса переплава, кристаллизации слитка, изменение механических и физических свойств. Проанализировано влияние способа переплава на свойства получаемого слитка. В качестве основного инструмента исследования использована обработка полученных данных о  микротвердости, плотности, размере дендритной ячейки экспериментальных образцов. Анализ результатов исследований слитков в поперечном направлении показал повышение равномерности микротвердости при реализации технологии электрошлакового переплава с  вращением расходуемого электрода по ходу плавки. Также показано, что применение технологии вращения уменьшает размер дендритной ячейки отливки и повышает плотность формируемой заготовки в сравнении с классической технологией без вращения электрода.

The article presents theoretical substantiation of the influence of electroslag remelting technology with rotation of consumable electrode on physicomechanical properties of the formed casting (billet). The technology of electroslag remelting with rotation of consumable electrode around its own axis leads to formation of upward flow of heat in the slag bath, making hydrodynamic environment in mold more rational from the point of using generated heat. During rotation of consumable electrode, centrifugal forces act on liquid metal film formed at the end of the electrode, providing radial flow of molten metal droplets. Subsequent separation occurs from the outer perimeter of electrode. Thus, drops of electrode metal fall into the metal bath closer to the wall of the mold, aligning temperature front of the bath. Decrease in temperature gradient of bath over the cross section leads to a flatter crystallization front. Studied technology of electroslag remelting with rotation of consumable electrode should have an impact on physical and mechanical properties of resulting casting (billet). In order to establish effect of rotation of consumable electrode during electroslag remelting on properties of metal obtained, experimental remelting was carried out. The article presents data on experimental electroslag remelting of electrodes of 20Kh13 grade steel using various technologies at A-550 unit. In course of experiment, influence of rotation technology of consumable electrode on conditions of remelting process, billet crystallization, changes in mechanical and physical properties was established. The influence of remelting method on complex properties of resulting billet was analyzed. As the main research tool, processing of the obtained data on microhardness, density, dendritic cell size of experimental samples was used. Analysis of the research results of billets in transverse direction showed an increase in microhardness uniformity in implementation of electroslag remelting technology with rotation of consumable electrode along the course of smelting. It is also shown that use of the rotation technology reduces size of dendritic cell of billet and increases density of the ingot formed in comparison with traditional technology without rotating electrode.

электрошлаковый переплаввращение электродамикротвердостьдендритная ячейкаанизотропия свойствelectroslag remeltingelectrode rotationmicrohardnessdendrite cellanisotropy of propertiesРабота проведена в рамках выполнения гранта Президента РФ по договору № 14.Y30.18.2874-МКReferencesМедовар Б.И., Цыкуленко А.К., Богаченко А.Г. и др. Электрошлаковая технология за рубежом. – Киев: Наукова думка, 1982. – 320 с.Medovar B.I., Tsykulenko K.A., BogachenkoA.G., Litvinchuk V.M. Elektroshlakovaya tekhnologiya za rubezhom [Electroslag technology abroad]. Kiev: Naukova Dumka, 1982, 320 p. (In Russ.).Клюев М.М., Волков С.Е. Электрошлаковый переплав. – М.: Металлургия, 1984. – 208 с.Klyuev M.M., Volkov S.E. Elektroshlakovyi pereplav [Electroslag remelting]. Мoscow: Metallurgiya, 1984, 208 p. (In Russ.).Jardy J., Ablitzer D. and Wadier J.F. Magnetohydrodynamic and Thermal Behavior of Electroslag Remelting Slags // Metall. Trans. 1991. B, 22B. P. 111 – 120.Jardy J., Ablitzer D., Wadier J.F. Magnetohydrodynamic and thermal behavior of electroslag remelting slags. Metall. Trans. B. 1991, vol. 22B, pp. 111–120.Paton B.E., Medovar L.B. Improving the electroslag remelting of steel and alloys// Steel in Translation. 2008. Vol. 38. P. 1028 – 1032.Paton B.E., Medovar L.B. Improving the electroslag remelting of steel and alloys. Steel in Translation. 2008, vol. 38, pp. 1028–1032.Chumanov V.I., Chumanov I.V. Technology for electroslag remelting with rotation of the consumable electrode // Metallurgist. 2001. Vol. 45. No. 3-4. P. 125 – 128.Chumanov V.I., Chumanov I.V. Technology for electroslag remelting with rotation of the consumable electrode. Metallurgist. 2001, vol. 45, no. 3-4, pp. 125–128.Paar A., Schneider R., Zeller P., Reiter G., Paul S., Siller I., Würzinger P. Influence of the polarity on the cleanliness level and the inclusion types in the ESR process // Proc. Int. Symp. Liquid Metal Processing & Casting, 22–25.09.2013, Austin, USA. – Hoboken: Wiley, 2013. P. 29 – 36.Paar A., Schneider R., Zeller P., Reiter G., Paul S., Siller I., Würzinger P. Influence of the polarity on the cleanliness level and the inclusion types in the ESR process. In: Proc. Int. Symp. Liquid Metal Processing & Casting, 22–25.09.2013, Austin, USA. Hoboken: Wiley, 2013, pp. 29–36.Wang Q., Li G., He Z., Li B. A three-phase comprehensive mathematical model of desulfurization in electroslag remelting process // Appl. Therm. Eng. 2017. Vol. 114. P. 874 – 886.Wang Q., Li G., He Z., Li B. A three-phase comprehensive mathematical model of desulfurization in electroslag remelting process. Appl. Therm. Eng. 2017, vol. 114, pp. 874–886.Wang Q., Liu Y., Li G., Gao Y., He Z., Li B. Predicting transfer behavior of oxygen and sulfur in electroslag remelting process // Appl. Therm. Eng. 2018. Vol. 129. P. 378 – 388.Wang Q., Liu Y., Li G., Gao Y., He Z., Li B. Predicting transfer behavior of oxygen and sulfur in electroslag remelting process. Appl. Therm. Eng. 2018, vol. 129, pp. 378–388.Kawakami M., Takenaka T., Ishikawa M. Electrode reactions in DC electroslag remelting of steel rod // Ironmak. Steelmak. 2002. Vol. 29. No. 4. P. 287 – 292.Kawakami M., Takenaka T., Ishikawa M. Electrode reactions in DC electroslag remelting of steel rod. Ironmak. Steelmak. 2002, vol. 29, no. 4, pp. 287–292.Paar A., Schneider R., Zeller P., Reiter G., Paul S., Würzinger P. Effect of electrical parameters on type and content of non-metallic inclusions after electro-slag-remelting // Steel Research Int. 2014. Vol. 85. No. 4. P. 570 – 578.Paar A., Schneider R., Zeller P., Reiter G., Paul S., Würzinger P. Effect of electrical parameters on type and content of non-metallic inclusions after electro-slag-remelting. Steel Research Int. 2014, vol. 85, no. 4, pp. 570–578.Chang L.Z., Shi X.F., Yang H.S., Li Z.B. Effect of low-frequency AC power supply during electroslag remelting on qualities of alloy steel // J. Iron Steel Res. Int. 2009. Vol. 16. No. 4. P. 7 – 11.Chang L.Z., Shi X.F., Yang H.S., Li Z.B. Effect of low-frequency AC power supply during electroslag remelting on qualities of alloy steel. J. Iron Steel Res. Int. 2009, vol. 16, no. 4, pp. 7–11.Ayman F., Azza A., Hoda E.F., Mamdouh E. Behaviour of precipitates and inclusions during ESR of nitrogen alloyed and conventional AISI M41 high speed steels // Steel Grips. 2006. Vol. 4. No. 4. P. 298 – 304.Ayman F., Azza A., Hoda E.F., Mamdouh E. Behaviour of precipitates and inclusions during ESR of nitrogen alloyed and conventional AISI M41 high speed steels. Steel Grips. 2006, vol. 4, no. 4, pp. 298–304.Дакуорт У.Э., Хойл Дж. Электрошлаковый переплав: научное издание / Пер. с англ. А.Б. Парцевского. – М.: Металлургия, 1973. – 192 с.Duckworth W.E., Hoyle G. Electro-slag refining. London: Chapman & Hall, 1969, 178 p. (Russ.ed.: Duckworth W.E., Hoyle G. Elektroshlakovyi pereplav. Мoscow: Metallurgiya, 1973. 192 p.).Karimi-Sibaki E., Kharicha A., Wu M., Ludwig A., Holzgruber H., Ofner B., Ramprecht M. A numerical study on the influence of the frequency of the applied AC current on the electroslag remelting process // Proc. Int. Symp. Liquid Metal Processing & Casting, 22–25.9.2013, Austin, USA. – Hoboken: Wiley, 2013. P. 13 – 19.Karimi-Sibaki E., Kharicha A., Wu M., Ludwig A., Holzgruber H., Ofner B., Ramprecht M. A numerical study on the influence of the frequency of the applied AC current on the electroslag remelting process. In: Proc. Int. Symp. Liquid Metal Processing & Casting, 22–25.9.2013, Austin, USA. Hoboken: Wiley, 2013, pp. 13–19.Chumanov I.V., Chumanov V.I. Control of the carbide structure of tool steel during electroslag remelting: Part I // Russian metallurgy (Metally). 2011. No. 6. P. 515 – 521.Chumanov I.V., Chumanov V.I. Control of the carbide structure of tool steel during electroslag remelting: Part I. Russian metallurgy (Metally). 2011, no. 6, pp. 515–521.Чуманов В.И., Белозёров Б.П., Чуманов И.В. Математическая модель переплава вращающегося электрода // Изв. вуз. Черная металлургия. 1991. № 12. С. 74, 75.Chumanov V.I., Belozerov B.P., Chumanov I.V. Mathematic model of rotating electrode remelting. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1991, no. 12, pp. 74, 75. (In Russ.).Chumanov I.V., Chumanov V.I. Increasing the efficiency of the electroslag process and improving the metal quality by rotating consumable electrode: Part I // Russian metallurgy (Metally). 2010. No.6. P. 499 – 504.Chumanov I.V., Chumanov V.I. Increasing the efficiency of the electroslag process and improving the metal quality by rotating consumable electrode: Part I. Russian metallurgy (Metally). 2010, no. 6, pp. 499–504.Чуманов И.В., Пятыгин Д.А. Особенности электрошлакового переплава на постоянном токе с вращением расходуемого электрода // Изв. вуз. Черная металлургия. 2006. № 3. С. 22 – 25.Chumanov I.V., Pyatygin D.A. Features of electroslag remelting with direct current and rotation of consumable electrode. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2006, no. 3, pp. 22–25. (In Russ.).Лейбензон С.А. Электрошлаковый переплав и качество металла. – М.: Металлургия, 1965. – 64 с.Leibenzon S.A. Elektroshlakovyi pereplav i kachestvo metalla [Electroslag remelting and metal quality]. Мoscow: Metallurgiya, 1965. 64 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.