blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-7-530-535blackmet-2151Research ArticleВ ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИIN ORDER OF DISCUSSIONМоделирование поведения электромагнитных сил постоянного тока, действующих на каплю жидкого металла в процессе электрошлакового переплаваModeling the behavior of direct current electromagnetic forces acting on a drop of liquid metal during electroslag remeltingЧумановИ. В.ChumanovI. V.

Илья Валерьевич Чуманов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Техника и технологии производства материалов»

456217, Челябинская обл., Златоуст, ул. Тургенева, 16

Il’ya V. Chumanov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Chair ‘Technique and Technology of Materials Production”

16 Turgeneva Str., Zlatoust, Chelyabinsk Region 456217

chumanoviv@susu.ruАлексеевИ. А.AlekseevI. A.

Иван Андреевич Алексеев, магистр кафедры «Техника и технологии производства материалов»

456217, Челябинская обл., Златоуст, ул. Тургенева, 16

Ivan A. Alekseev, Master Student of the Chair “Technique and Technology of Materials Production”

16 Turgeneva Str., Zlatoust, Chelyabinsk Region 456217

79058311597@ya.ruСергеевД. B.SergeevD. V.

Дмитрий Владимирович Сергеев, заведующий лабораториями кафедры «Техника и технологии производства материалов»

456217, Челябинская обл., Златоуст, ул. Тургенева, 16

Dmitrii V. Sergeev, Head of the Laboratory of the Chair ‘Technique and Technology of Materials Production”

16 Turgeneva Str., Zlatoust, Chelyabinsk Region 456217

 

sergeevdv@susu.ruЮжно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), филиал в г. ЗлатоустРоссияZlatoust Branch of the South Ural State UniversityRussian Federation202128082021647530535Copyright © Чуманов И.В., Алексеев И.А., Сергеев Д.B., 20212021Чуманов И.В., Алексеев И.А., Сергеев Д.B.Chumanov I.V., Alekseev I.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/2151

Представлено математическое и компьютерное моделирование поведения капель жидкого электродного металла при протекании процесса электрошлакового переплава (ЭШП) на постоянном источнике тока. Изучение воздействия электрического поля, создаваемого постоянным током, позволило показать отклонение траектории движения капли от оси электрода. Поток электронов и капли электродного металла подвергаются воздействию электромагнитных сил, что приводит к их смещению относительно оси переплавляемого электрода. Данное воздействие влечет за собой дестабилизацию ванны жидкого металла и кристаллическую неоднородность. В свою очередь, внешнее воздействие на протекание процесса ЭШП может дать возможность стабилизации ванны жидкого металла даже с использованием постоянного тока. В данном качестве могут выступать центробежные силы, которые возникают в случае применения технологии с вращением расходуемого электрода вокруг собственной оси. Для установления оптимальных показателей скорости вращения необходимо оценить величину воздействия магнитного поля, возникающего в процессе переплава на постоянном токе. Моделирование проводилось с использованием программного пакета Ansys Fluent 16.0 на примере переплава стали 12Х18Н10Т под флюсом АНФ-6. Алгоритм вычисления Ansys Fluent основан на методе конечных элементов. В данной работе математический аппарат изменению не подвергался и использовался в первоначальном виде. Применялся метод магнитной индукции. База сведений о протекающем процессе строилась по сетке конечных элементов с определенным, но достаточным уровнем адекватности и качества. Каждый элемент содержит сведения о модели в данной точке, заданные для данного процесса моделирования. Выявлено изменение траектории движения капли электродного металла электрическим полем с противоположного направления, по которому стекает капля. Средняя длина пути, преодолеваемого каплей жидкого металла от оси кристаллизатора до внутренней поверхности, составляет от 5 до 15 см. Смоделировано движение капли электродного металла без наложенного внешнего магнитного поля. Моделирование позволило определить (оценить) направление движения капель электродного металла и показатель необходимой внешней силы для стабилизации ванны жидкого металла при протекании процесса ЭШП на постоянном токе, равный 0,067 Н.

The article presents mathematical and computer modeling of the behavior of liquid electrode metal drops during the process of electroslag remelting (ESP) at a constant current source. The study of the effect of electric field created by direct current allowed us to show the deviation of the drop trajectory from the electrode axis. The flow of electrons and drops of the electrode metal are exposed to electromagnetic forces, which leads to their displacement relative to the remelted electrode axis. This effect entails destabilization of the liquid metal bath and crystal heterogeneity. In turn, the use of external influence on the flow of ESR process can make it possible to stabilize the liquid metal bath even with the use of direct current. Centrifugal forces can act as such forces. They can arise when implementing the technology with the consumable electrode rotation around its own axis. To establish the optimal parameters of rotation speed, it is necessary to estimate the magnitude of impact of the magnetic field that occurs during direct current remelting process. The modeling was carried out using the Ansys Fluent 16.0 software package on the example of remelting 12Kh18N10T steel under the flux ANF-6. The algorithm for calculating of Ansys Fluent is based on the finite element method. In this paper, the mathematical apparatus was not changed and was used in its initial form. The method of magnetic induction was used. The database of information about the ongoing process was built on a grid of finite elements with certain, but sufficient level of adequacy and quality. Each element contains information about the model at a given point, specified for this modeling process. We have revealed the change in the trajectory of the electrode metal drop by electric field from the opposite direction along which the drop flows. The average length of the path traversed by liquid metal drop from the mold axis to the inner surface is from 5 to 15 cm. The motion of an electrode metal drop without an external magnetic field was simulated. This simulation made it possible to determine (estimate) the direction of movement of electrode metal drops and the indicator of necessary external force to stabilize the liquid metal bath during ESP process at direct current equal to 0.067 N.

моделированиеэлектрошлаковый переплавпостоянный токджоулево теплокристаллизацияэнергоэффективностьмагнитные силыmodelingelectroslag remeltingdirect currentJoule’s heatcrystallizationenergy efficiencymagnetic forcesИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-38-90081.The reported study was supported by the Russian Foundation for Basic Research, project No. 19-38-90081.ReferencesHernandez-Morales B., Mitchell A. Review of mathematical models of fluid flow, heat transfer, and mass transfer in electroslag remelting process // Ironmaking and Steelmaking. 1999. Vol. 26. No. 6. P. 423–438. https://doi.org/10.1179/030192399677275Hernandez-Morales B., Mitchell A. Review of mathematical models of fluid flow, heat transfer, and mass transfer in electroslag remelting process. Ironmaking and Steelmaking. 1999, vol. 26, no. 6, pp. 423–438. https://doi.org/10.1179/030192399677275Ludwig A., Kharicha A., Wu M. Modeling of multiscale and multiphase phenomena in materials processing // Metallurgical and Materials Transactions B. 2014. Vol. 45. No. 1. P. 36–43. https://doi.org/10.1007/s11663-013-9820-1Ludwig A., Kharicha A., Wu M. Modeling of multiscale and multiphase phenomena in materials processing. Metallurgical and Materials Transactions B. 2014, vol. 45, no. 1, pp. 36–43. https://doi.org/10.1007/s11663-013-9820-1Kawakami M., Takenaka T., Ishikawa M. Electrode reactions in DC electroslag remelting of steel rod // Ironmaking and Steelmaking. 2002. Vol. 29. No. 4. P. 287–292. https://doi.org/10.1179/030192302225005132Kawakami M., Takenaka T., Ishikawa M. Electrode reactions in DC electroslag remelting of steel rod. Ironmaking and Steelmaking. 2002, vol. 29, no. 4, pp. 287–292. https://doi.org/10.1179/030192302225005132Paar 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 // 2013 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Hoboken: Wiley, 2013. P. 29–36. https://doi.org/10.1002/9781118830857.ch4Paar 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: 2013 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Hoboken: Wiley, 2013, pp. 29–36. https://doi.org/10.1002/9781118830857.ch4Wang Q., Liu Y., He Z., Li G., Li B. Numerical analysis of effect of current on desulfurization in electroslag remelting process // ISIJ International. 2017. Vol. 57. No. 2. P. 329–336. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-566Wang Q., Liu Y., He Z., Li G., Li B. Numerical analysis of effect of current on desulfurization in electroslag remelting process. ISIJ International. 2017, vol. 57, no. 2, pp. 329–336. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-566Wang Q., Li G., He Z., Li B. A three-phase comprehensive mathematical model of desulfurization in electroslag remelting process // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 114. P. 874–886. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.12.035Wang Q., Li G., He Z., Li B. A three-phase comprehensive mathematical model of desulfurization in electroslag remelting process. Applied Thermal Engineering. 2017, vol. 114, pp. 874–886. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.12.035Wang Q., He Z., Li G., Li B., Zhu C., Chen P. Numerical investigation of desulfurization behavior in electroslag remelting process // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 104. P. 943–951. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.022Wang Q., He Z., Li G., Li B., Zhu C., Chen P. Numerical investigation of desulfurization behavior in electroslag remelting process. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017, vol. 104, pp. 943–951.https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.022Wang Q., Liu Y., Wang F., Li G., Li B., Qiao W. Numerical study on the effect of electrode polarity on desulfurization in direct current electroslag remelting process // Metallurgical and Materials Transactions B. 2017. Vol. 48. No. 5. P. 2649–2663. https://doi.org/10.1007/s11663-017-1040-7Wang Q., Liu Y., Wang F., Li G., Li B., Qiao W. Numerical study on the effect of electrode polarity on desulfurization in direct current electroslag remelting process. Metallurgical and Materials Transactions B. 2017, vol. 48, no. 5, pp. 2649–2663. https://doi.org/10.1007/s11663-017-1040-7Wang Q., Liu Y., Li G., Gao Y., He Z., Li B. Predicting transfer behavior of oxygen and sulfur in electroslag remelting process // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 129. P. 378–388. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.10.062Wang Q., Liu Y., Li G., Gao Y., He Z., Li B. Predicting transfer behavior of oxygen and sulfur in electroslag remelting process. Applied Thermal Engineering. 2018, vol. 129, pp. 378–388. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.10.062Kelkar K.M., Suhas V., Patankar S.V., Srivatsa S., Srivatsa S., Minisandram R.S., Evans D.G., de Barbadillo J.J. Computational modeling of electroslag remelting (ESR) process used for the production of high-performance alloys // 2013 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Hoboken: Wiley, 2013. P. 3–12. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48102-9_1Kelkar K.M., Suhas V., Patankar S.V., Srivatsa S., Minisandram R.S., Evans D.G., de Barbadillo J.J. Computational modeling of electroslag remelting (ESR) process used for the production of high-performance alloys. In: 2013 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Hoboken: Wiley, 2013, pp. 3-12. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48102-9_1Kharicha A., Ludwig A., Wu M. Droplet formation in small electrslag Remelting processes // 2011 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Krane M., Bellot J., Jardy A., Williamson R.L., Ballantyne S. eds. 2011. P. 113–119.Kharicha A., Ludwig A., Wu M. Droplet formation in small electroslag remelting processes. In: 2011 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Krane M., Bellot J., Jardy A., Williamson R.L., Ballantyne S. eds., 2011, pp. 113–119.Kelkar K.M., Patankar S.V., Mitchell A. Computational modeling of the electroslag remelting (ESR) process for the production of ingots of high-performance alloys // 2005 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Lee P.D., etc. eds. 2005. P. 137–144.Kelkar K.M., Patankar S.V., Mitchell A. Computational modeling of the electroslag remelting (ESR) process for the production of ingots of high-performance alloys. In: 2005 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Lee P.D., etc. eds. 2005, pp. 137–144.Patel A.D. Analytical model for electromagnetic fields in ESR and VAR processes // 2003 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Lee P., etc. eds. 2003. P. 205–214.Patel A.D. Analytical model for electromagnetic fields in ESR and VAR processes. In: 2003 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting. Lee P.D., etc. eds. 2003, pp. 205–214.Пятыгин Д.А., Чуманов И.В. Удаление неметаллических включений при ЭШП на постоянном токе // Известия вузов. Черная металлургия. 2006. № 7. С. 25–26.Pyatygin D.A., Chumanov I.V. Removal of non-metallic inclusions at ESP at direct current. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2006, no. 7, pp. 25–26. (In Russ.).Пятыгин Д.А., Чуманов И.В. К вопросу оценки электромагнитных сил, возникающих при ЭШП на постоянном токе // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. № 7. С. 19–22.Pyatygin D.A., Chumanov I.V. On the assessment of electromagnetic forces arising at ESP at constant current. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2007, no. 7, pp. 19–22. (In Russ.).Чуманов В.И., Чуманов И.В., Сергеев Ю.С. Стабилизация ванны жидкого металла при ЭШП на постоянном токе // Электрометаллургия. 2018. № 3. С. 18–22.Chumanov V.I., Chumanov I.V., Sergeev Yu.S. Stabilization of a liquid metal bath at ESP at constant current. Electrometallurgiya. 2018, no. 3, pp. 18–22. (In Russ.).Чуманов И.В., Пятыгин Д.А. Особенности электрошлакового переплава на постоянном токе с вращением расходуемого электрода // Известия вузов. Черная металлургия. 2006. № 3. С. 22–25.Chumanov I.V., Pyatygin D.A. Features of electroslag remelting at constant current with rotation of consumable electrode. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2006, no. 3, pp. 22–25. (In Russ.).Bale C.W., Chartrand P., Degterov S.A., Eriksson G., Hack K., Ben Mahfoud R., Melançon J., Pelton A.D., Petersen S. FactSage thermochemical software and databases // CALPHAD. 2014. Vol. 26. No. 2. P. 189–228. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00035-4Bale C.W., Chartrand P., Degterov S.A., Eriksson G., Hack K., Ben Mahfoud R., Melançon J., Pelton A.D., Petersen S. FactSage thermochemical software and databases. CALPHAD. 2014, vol. 26, no. 2, pp. 189-228. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00035-4Bale C.W., Bélisle E., Chartrand P., Decterov S.A., Eriksson G., Hack K., Jung I.-H., Kang Y.-B., Melançon J., Pelton A.D., Robelin C., Petersen S. FactSage thermochemical software and databases – recent developments // CALPHAD. 2009. Vol. 33. No. 2. P. 295–311. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2008.09.009Bale C.W., Bélisle E., Chartrand P., Decterov S.A., Eriksson G., Hack K., Jung I.-H., Kang Y.-B., Melançon J., Pelton A.D., Robelin C., Petersen S. FactSage thermochemical software and databases – recent developments. CALPHAD. 2009, vol. 33, no. 2, pp. 295–311. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2008.09.009Bale C.W., Belise E., Chartrand P., Decterov S.A., Eriksson G., Gheribi A.E., Hack K., Jung I.-H., Kang Y.-B., Melancon J., Pelton A.D., Petersen S. Reprint of: FactSage thermochemical software and databases, 2010–2016 // CALPHAD. 2016. Vol. 55. P. 1‒19. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2016.07.004Bale C.W., Belise E., Chartrand P., Decterov S.A., Eriksson G., Gheribi A.E., Hack K., Jung I.-H., Kang Y.-B., Melancon J., Pelton A.D., Petersen S. Reprint of: FactSage thermochemical software and databases, 2010–2016. CALPHAD. 2016, vol. 55, pp. 1–19. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2016.07.004

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