blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-6-428-435blackmet-1904Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESФизическое моделирование процессов фильтрации жаропрочных никелевых сплавов в процессе разливки в вакуумно-индукционной установкеPhysical modeling of filtration processes of heat-resistant nickel alloys during casting in a vacuum induction installationГущинВ. Н.GushchinV. N.

д.т.н., профессор кафедры «Металлургические технологии и оборудование»

603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Metallurgical Technology and Equipment”

Nizhny Novgorod

guschinvn@rambler.ruКоровинВ. А.KorovinV. A.

д.т.н., профессор кафедры «Металлургические технологии и оборудование»

603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Metallurgical Technology and Equipment”

Nizhny Novgorod

БеляевС. В.BelyaevS. V.

к.т.н., доцент кафедры «Металлургические технологии и оборудование»

603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Metallurgical Technology and Equipment”

Nizhny Novgorod

ДемченкоА. И.DemchenkoA. I.

аспирант кафедры «Металлургические технологии и оборудование»

603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Postgraduate of the Chair “Metallurgical T logy and Equipment”

Nizhny Novgorod

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University named after R.E. AlekseevRussian Federation202001072020636428435Copyright © Гущин В.Н., Коровин В.А., Беляев С.В., Демченко А.И., 20202020Гущин В.Н., Коровин В.А., Беляев С.В., Демченко А.И.Gushchin V.N., Korovin V.A., Belyaev S.V., Demchenko A.I.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/1904

В статье рассмотрены вопросы, связанные с эффективностью процессов фильтрации металлических расплавов в зависимости от размеров неметаллических включений, параметров пенокерамических фильтров и вариантов их расположения. Исследования влияния основных конструктивных элементов на процессы фильтрации никелевых расплавов в процессе разливки в вакуумно-индукционной установке проводились на низкотемпературных физических моделях. Моделирование процессов фильтрации расплавов основано на гидродинамическом подобии процессов движения потоков расплава и неметаллических включений в разливочных емкостях. Разработана методика моделирования, определены масштабы и изготовлена модельная установка. Рассмотрено влияние схемы расположения фильтрационных и разделительных перегородок на динамику потоков металла, неметаллических включений и эффективность фильтрации. Эффективность процесса фильтрации никелевых расплавов рассмотрена в зависимости как от технических параметров самого фильтра (эффективной поверхности фильтрации, толщины фильтра, размеров каналов, количества каналов на единицу площади), а так и от типа и размеров неметаллических включений, особенностей конструкции разливочного устройства и схемы расположения фильтра. Установлено, что на общую эффективность фильтрации оказывает влияние скорость и равномерность распределения потоков расплава перед фильтром. Для обеспечения равномерного распределения скоростей потоков расплава перед фильтром устанавливается разделительная перегородка с перепускными отверстиями, расположение которых и их число также являлось предметом исследования. В результате проведенных исследований установлены зависимости между эффективностью фильтрации, размерами и видом неметаллических включений при использовании вертикальных и горизонтальных пенокерамических фильтров в процессе разливки никелевых расплавов в промежуточные разливочные емкости вакуумно-индукционной установки. Определено, что при вертикальном расположении фильтра эффективность его работы выше, чем при горизонтальном. Дополнительным средством повышения эффективности работы фильтрационной системы является использование разделительной перегородки. Определено оптимальное количество отверстий и расположение перегородки в разливочной емкости, обеспечивающие равномерное распределение потоков расплава по высоте перед фильтром и увеличение времени его работы.

The article considers issues related to the efficiency of metal melts’ filtration depending on the size of non-metallic inclusions, parameters of ceramic foam filters and their location options. Studies of influence of the main structural elements on the filtration processes of nickel melts during casting in a vacuum induction installation were carried out on low-temperature physical models. Modeling of melt filtration processes is based on the hydrodynamic similarity of the processes of motion of melt flows and nonmetallic inclusions in casting tanks. A modeling technique has been developed, the scale has been determined and a model installation has been made. Influence of the arrangement of filtration and dividing walls on the dynamics of metal flows, non-metallic inclusions and filtration efficiency is considered. The efficiency of nickel melts filtration is described depending on the technical parameters both on the filter itself (effective filtration surface, filter thickness, channel dimensions, number of channels per unit area), as well as on the type and size of non-metallic inclusions, design features of the casting device and filter layouts. It was found that the overall filtration efficiency is influenced by the rate and uniformity of the melt flows’ distribution in front of the filter. To ensure uniform distribution of the melt flow rates, a dividing wall with bypass holes is installed in front of the filter, the location of which and their number was also the subject of research. As a result of the studies, the relationships were established between the filtration efficiency, the size and type of non-metallic inclusions when using vertical and horizontal foam ceramic filters during the casting of nickel melts in an intermediate casting tank of a vacuum induction installation. It was found that with a vertical arrangement of the filter, its efficiency is higher than with a horizontal one. An additional means of increasing efficiency of the filtration system is the use of a dividing wall. The optimal number of holes and the location of the baffle in the casting tank were determined, ensuring a uniform distribution of melt flows along the height in front of the filter and an increase in its operation time.

фильтрыфизическое моделированиегидродинамика потоков расплаванеметаллические включенияэффективность фильтрацииfiltersphysical modelingfluid flow dynamics of a meltnon-metallic inclusionsfiltration efficiencyReferencesКаблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5. С. 36 – 52.Kablov E.N., Petrushin N.V., Svetlov I.L., Demonis I.M. Casting heat-resistant nickel alloys of new generation. Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2012, no. 5, рp. 36–52. (In Russ.).Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Литейные жаропрочные никелевые сплавы для перспективных авиационных ГТД // Технология легких сплавов. 2007. № 2. С. 6 – 16.Kablov E.N., Petrushin N.V., Svetlov I.L., Demonis I.M. Casting heat-resistant nickel alloys for promising aircraft GTE. Tekhnologiya legkikh splavov. 2007, no. 2, pp. 6–16. (In Russ.).Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качанов Е.Б. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. – М.: Машиностроение, 1997. – 336 с.Shalin R.E., Svetlov, I.L., Kachanov, E.B. Monokristally nikelevykh zharoprochnykh splavov [Monocrystals of heat-resistant nickel alloys]. Moscow: Mashinostroenie, 1997, 336 p. (In Russ.).Сидоров В.В., Каблов Д.Е., Ригин В.Е. Металлургия литейных жаропрочных сплавов: технология и оборудование. – М.: ВИАМ, 2016. – 368 с.Sidorov V.V., Kablov D.E., Rigin V.E. Metallurgiya liteinykh zharoprochnykh splavov: tekhnologiya i oborudovanie [Metallurgy of casting heat-resistant alloys: Technology and equipment]. Moscow: VIAM, 2016, 368 p. (In Russ.).Hawranek R., Lelito J., Suchy J.S., Zak P. The simulation of a liquid cast iron flow through the gating system with filter // Archives of Metallurgy and Materials. 2009. Vol. 54. No. 2. P. 351 – 358.Hawranek R., Lelito J, Suchy J.S., Zak P. The simulation of a liquid cast iron flow through the gating system with filter. Archives of Metallurgy and Materials. 2009, vol. 54, no. 2, pp. 351–358.Uemura K., Takahashi M., Koyama S., Nitta M. Filtration mechanism of non-metallic inclusions in steel by ceramic loop filter // ISIJ International. 1992. Vol. 32. No. 1. P. 150 – 156.Uemura K, Takahashi M., Koyama S., Nitta M. Filtration mechanism of non-metallic inclusions in steel by ceramic loop filter. ISIJ International. 1992, vol. 32, no. 1, pp. 150–156.Inoue R., Ueda S., Ariyama T., Suito H. Extraction of nonmetallic inclusion particles containing MgO from steel // ISIJ International. 2011. Vol. 51. No. 12. P. 2050 – 2055.Inoue R., Ueda S., Ariyama T., Suito H. Extraction of nonmetallic inclusion particles containing MgO from steel. ISIJ International. 2011, vol. 51, no. 12, pp. 2050–2055.Демченко А.И., Шевяков В.Ф., Коровин В.А. и др. Повышение качества никелевого сплава фильтрацией через пенокерамический фильтр // Литейщик России. 2019. № 6. С. 29 – 34.Demchenko A.I., Shevyakov V.F., Korovin V.A., Belyaev S.V., Gushchin V.N. Improving the quality of nickel alloy by filtration through a ceramic foam filter. Liteishchik Rossii. 2019, no. 6, рр. 29–34. (In Russ.).Воеводина М.А. Оценка эффективности фильтрационного рафинирования металлических расплавов // Вестник КрасГАУ. 2011. № 11. С. 163 – 166.Voevodina M.A. Evaluation of the efficiency of filtration refining of metal melts. Vestnik KrasGAU. 2011, no. 11, pp. 163–166. (In Russ.).Щукина И.Н., Воеводина М.А., Крушенко Г.Г. Очистка металлических расплавов фильтрованием в литейной форме // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Серия: Моделирование физико-механических и тепловых процессов. 2011. № 3. С. 86 – 87.Shchukina I.N., Voevodina M.A., Krushenko G.G. Purification of metal melts by filtration in a mold. Aktual’nye problemy aviatsii i kosmonavtiki. Seriya: Modelirovanie fiziko-mekhanicheskikh i teplovykh protsessov. 2011, no. 3, pp. 86–87. (In Russ.).Тэн Э.Б. Фильтрационное рафинирование жидких металлов // Цветные металлы. 2003. № 3. С. 64 – 69.Ten E.B. Filtration refining of liquid metals. Tsvetnye metally. 2003, no. 3, pp. 64–69. (In Russ.).Rogler J. Heaslip L., Mehrvar M. Physical modeling of inclusion removal in a tundish by gas bubbling // Canadian Metallurgical Quarterly. 2005. Vol. 44. No. 3. P. 357 – 369.Rogler J. Heaslip L., Mehrvar M. Physical modeling of inclusion removal in a tundish by gas bubbling. Canadian Metallurgical Quarterly. 2005, vol. 44, no. 3, pp. 357–369.Adaba O., O’Malley R., Xu M. etc. Three-dimensional study of inclusion morphology and size distribution in Mn-Si killed steel // AISTech, Philadelphia, USA, 2018.Adaba O., O’Malley R., Xu M., Bartlett L., Lekakh S. Three-dimensional study of inclusion morphology and size distribution in Mn-Si killed steel. AISTech, Philadelphia, USA, 2018.Janiszewski K. Influence of slenderness ratios of a multi-hole ceramic filters at the effectiveness of process of filtration of non-metallic inclusions from liquid steel // Archives of Metallurgy and Materials. 2012. Vol. 57. No. 1. P. 135 – 143.Janiszewski K. Influence of slenderness ratios of a multi-hole ceramic filters at the effectiveness of process of filtration of non-metallic inclusions from liquid steel. Archives of Metallurgy and Materials. 2012, vol. 57, no. 1, p. 135–143.Chakraborty S., O’Malley R., Bartlett L., Huddleston L. Effect of physical state of non-metallic inclusions on the accumulation withinmagnesia-stabilized zirconia foam filters // AISTech 2019 – Proc. of the Iron & Steel Technology Conf., 6 – 9 May 2019, Pittsburgh, Pa., USA. P. 1030 – 1040.Chakraborty S., O’Malley R., Bartlett L., Huddleston L. Effect of physical state of non-metallic inclusions on the accumulation within magnesia-stabilized zirconia foam filters. AISTech 2019 – Proc. of the Iron & Steel Technology Conference, 6 – 9 May 2019, Pittsburgh, Pa., USA, рр. 1030–1040.Raiber K., Hammerschmid P., Janke D. Experimental studies on AlO inclusions removal from steel melts using ceramic filters // ISIJ International.1995. Vol. 35. No. 4. P. 380 – 388.Raiber K., Hammerschmid P., Janke D. Experimental studies on AlO inclusions removal from steel melts using ceramic filters. ISIJ International. 1995, vol. 35, no. 4, pp. 380–388.Janiszewski K., Kudlinski Z. The influence of non-metallic inclusions physical state on effectiveness of the steel filtration process // Steel Research International. 2006. Vol. 77. No. 3. P. 169 – 176.Janiszewski K., Kudlinski Z. The Influence of non-metallic inclusions physical state on effectiveness of the steel filtration process. Steel Research International. 2006, vol. 77, no. 3, pp. 169–176.Chakraborty S., O’Malley R., Bartlett L., Xu M. Efficiency of solid inclusion removal from the steel melt by ceramic foam filter: Design and experimental validation // AFS Metalcasting Congress, Fort Worth, USA, 2018.Chakraborty S., O’Malley R., Bartlett L., Xu M. Efficiency of solid inclusion removal from the steel melt by ceramic foam filter: Design and experimental validation. AFS Metalcasting Congress, Fort Worth, USA, 2018.Гущин В.Н., Ульянов В.А. Особенности физического и математического моделирования многофазных потоков // Изв. вуз. Черная металлургия. 2007. № 7. С. 45 – 47.Gushchin V.N., Ul’anov V.A. Features of physical and mathematical modeling of multiphase flows. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2007, no. 7, pp. 45–47. (In Russ.).Гущин В.Н., Ульянов В.А., Васильев В.А. Математическое и физическое моделирование теплофизических процессов в металлургии. – Н. Новгород: НГТУ, 2014. – 157 c.Gushchin V.N., Ul’anov V.A., Vasil’ev V.A. Matematicheskoe i fizicheskoe modelirovanie teplofizicheskikh protsessov v metallurgii [Mathematical and physical modeling of thermophysical processes in metallurgy]. N.Novgorod: NSTU, 2014, 157 р. (In Russ.).

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