blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-11-814-823blackmet-2436Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSИспользование физического моделирования для оценки влияния способа и скорости разливки на формирование осевой зоны крупного слиткаApplication of physical simulation to evaluate the impact of teeming method and rate on axial zone formation of large ingotsГаманюкС. Б.GamanyukS. B.

Сергей Борисович Гаманюк, к.т.н., доцент кафедры «Технология материалов»

Россия, 400005, Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28

Sergei B. Gamanyuk, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Mate­rials Technology”

28 Lenina Ave., Volgograd 400005, Russian Federation

gamanuk@mail.ruРуцкийД. В.RutskiiD. V.

Дмитрий Владимирович Руцкий, к.т.н., доцент, и.о. заведующего кафедрой «Технология материалов»

Россия, 400005, Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28

Dmitrii V. Rutskii, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Acting Head of the Chair “Materials Technology”

28 Lenina Ave., Volgograd 400005, Russian Federation

drutskii@vstu.ruЗюбанН. А.ZyubanN. A.

Николай Александрович Зюбан, д.т.н., профессор кафедры «Технология материалов»

Россия, 400005, Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28

Nikolai A. Zyuban, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair “Materials Techno­logy”

28 Lenina Ave., Volgograd 400005, Russian Federation

tecmat@vstu.ruКириличевМ. В.KirilichevM. V.

Михаил Владимирович Кириличев, студент

Россия, 400005, Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28

Mikhail V. Kirilichev, Student

28 Lenina Ave., Volgograd 400005, Russian Federation

tecmat@vstu.ruНикитинМ. С.NikitinM. S.

Макс Станиславович Никитин, аспирант кафедры «Технология материалов»

Россия, 400005, Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28

Maks S. Nikitin, Postgraduate of the Chair “Materials Technology”

28 Lenina Ave., Volgograd 400005, Russian Federation

tecmat@vstu.ruГурулевД. Н.GurulevD. N.

Дмитрий Николаевич Гурулев, к.т.н., доцент кафедры «Технология материалов»

Россия, 400005, Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28

Dmitrii N. Gurulev, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Materials Technology”

28 Lenina Ave., Volgograd 400005, Russian Federation

tecmat@vstu.ruВолгоградский государственный технический университетРоссияVolgograd State Technical UniversityRussian Federation2022221120226511814823Copyright © Гаманюк С.Б., Руцкий Д.В., Зюбан Н.А., Кириличев М.В., Никитин М.С., Гурулев Д.Н., 20222022Гаманюк С.Б., Руцкий Д.В., Зюбан Н.А., Кириличев М.В., Никитин М.С., Гурулев Д.Н.Gamanyuk S.B., Rutskii D.V., Zyuban N.A., Kirilichev M.V., Nikitin M.S., Gurulev D.N.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/2436

Работа посвящена изучению влияния способа и скорости разливки расплава на процесс затвердевания и особенности формирования осевой зоны крупного слитка. Исследования проводились с использованием метода физического моделирования, для проведения которого разработана и изготовлена лабораторная установка (изложница-кристаллизатор), позволяющая визуально изучать процессы, происходящие при затвердевании и структурообразовании модельных слитков. В качестве моделирующего раствора использовали натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит) – Na2S2O3·5H2O. Соответствие процессов, происходящих на модели и в реальных условиях отливки промышленных слитков, оценивалось с помощью критериев подобия. Они были получены на основе теории размерностей, исходя из анализа физико-химических процессов, происходящих при разливке и кристаллизации слитка. Разливку расплава в изложницу-кристаллизатор выполняли двумя способами: сверху и сифоном. При моделировании слитков геометрические и технологические параметры отливки оставались неизменными, изменялась только скорость разливки расплава. Определялась протяженность и средняя ширина осевой зоны модельного слитка. С целью оценки изменения поля температур при разливке и кристаллизации слитка в течение всего времени затвердевания проводили термометрирование поверхности модели изложницы. Обработка тепловизионных изображений позволила получить изменение температуры поверхности модели изложницы по высоте слитков, отлитых с различными скоростями разливки расплава сверху. Анализ результатов исследований показал, что изменение скорости разливки расплава оказывает существенное влияние на протяженность осевой зоны. Установлено, что уменьшение скорости разливки расплава приводит к увеличению направленности кристаллизации и улучшению структуры осевой зоны слитка.

The article presents the results of evaluation of the impact of teeming method and rate on solidification and formation of the axial zone of large ingots. The research is based on a physical simulation. With this aim a laboratory-scale plant (a crystallization mould) was designed and built which enabled to visualize and monitor solidification and structural formation of the model ingots. Sodium thiosulphate (crystal hyposulphite) – Na2S2O3·5H2O was used as a modeling solution. Matching of the processes in the model and in real industrial conditions of ingot teeming was assessed with similarity criteria obtained on the basis of the dimension theory with consideration of the physical and chemical processes in the ingot during its teeming and crystallization. Two methods – downhill casting and uphill casting – were used to teem the melt into the mould. During teeming the geometry and technological parameters of the model ingots remained unchanged while the teeming rate was altered. Length and medium width of the model ingot axial zone were measured. The thermal profiling of the surface of the mould model was monitored over the entire period of solidification to evaluate the thermal field alteration while the ingot was teemed and crystallized. Thermal imaging processing made it possible to observe temperature changes of the surface of the model mould from top to bottom for downhill cast ingots teemed at different rates. The results obtained demonstrate that teeming rate has a noticeable impact on the axial zone length. It was established that a decreased rate leads to an increased directionality of crystallization and improvement of the ingot axial zone structure.

физическое моделированиеразливка сифономразливка сверхуизложница-кристаллизаторскорость разливки расплавапроцесс затвердеванияосевая зонакрупный кузнечный слитокphysical simulationuphill castingdownhill castingcrystallization mouldteeming ratesolidificationaxial zonelarge forging ingotReferencesСкобло С.Я., Казачков Е.А. Слитки для крупных поковок. Моск­ва: Металлургия, 1973. 247 с.Skoblo S.Ya., Kazachkov E.A. Ingots for Large Forgings. Moscow: Metallurgiya, 1973, 247 p. (In Russ.).Смирнов А.Н., Макуров С.Л., Сафонов В.М., Цупрун А.Ю. Крупный слиток. Донецкий национальный технический университет. Донецк: Вебер, 2009. 279 с.Smirnov A.N., Makurov S.L., Safonov V.M., Tsuprun A.Yu. Large Ingot. Donetsk: Veber, 2009, 279 p. (In Russ.).Жульев С.И., Зюбан Н.А. Производство и проблемы качества кузнечного слитка. Волгоград: РПК «Политехник», 2003. 168 с.Zhul’ev S.I., Zyuban N.A. Production of Forging Ingots and Problems with Their Quality. Volgograd: RPK “Politekhnik”, 2003, 168 p. (In Russ.).Qian S., Hu X., Cao Y., Kang X., Li D. Hot top design and its influence on feeder channel segregates in 100-ton steel ingots // Mate­rials & Design. 2015. Vol. 87. P. 205–214. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.07.150Qian S., Hu X., Cao Y., Kang X., Li D. Hot top design and its influence on feeder channel segregates in 100-ton steel ingots. Materials & Design. 2015, vol. 87, pp. 205–214. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.07.150Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., Стяжин А.Н., Сидоров А.А. Исследование дефектов литой структуры осевой зоны слитков стали 38ХН3МФА и их поведение во время осадки // Сталь. 2011. № 4. C. 24–27.Zyuban N.A., Rutskii D.V., Gamanyuk S.B., Styazhin A.N., Sidorov A.A. Cast-structure defects in the axial zone of 38XH3MΦA steel ingots and their behavior in upsetting. Steel in Translation. 2011, vol. 41, no. 4, pp. 318–322. https://doi.org/10.3103/S0967091211040255Tashiro K., Watanabe S., Kitagawa I., Tamura I. Influence of mould design on the solidification and soundness of heavy forging ingots // Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan. 1983. Vol. 23. No. 4. P. 312–321. https://doi.org/10.2355/isijinternational1966.23.312Tashiro K., Watanabe S., Kitagawa I., Tamura I. Influence of mould design on the solidification and soundness of heavy forging ingots. Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan. 1983, vol. 23, no. 4, pp. 312–321. https://doi.org/10.2355/isijinternational1966.23.312Гаманюк С.Б. Исследование крупного кузнечного стального слитка измененной геометрии с целью повышения качества металла поковок: Диссертация … кандидата технических наук. Волгоград, 2012. 162 с.Gamanyuk S.B. Investigation of a large forging steel ingot of modified geometry in order to improve the quality of metal forgings: Cand. Tech. Sci. Diss. Volgograd: 2012, 162 p. (In Russ.).Ромашкин А.Н., Мальгинов А.Н., Толстых Д.С., Иванов И.А., Дуб В.С. Влияние геометрии слитка на объем осевой рыхлости в нем // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. Т. 7. № 1. С. 107–112. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2015-7-1-107-112Romashkin A.N., Malginov A.N., Tolstyh D.S., Ivanov I.A., Doub V.S. The ingot geometry effect on the axial shrinkage. Computer Research and Modeling. 2015, Vol. 7, no. 1, pp. 107–112. (In Russ.). https://doi.org/10.20537/2076-7633-2015-7-1-107-112Wang J., Fu P., Liu H., Li D., Li Y. Shrinkage porosity criteria and optimized design of a 100-ton 30Cr2Ni4MoV forging ingot // Materials & Design. 2012. Vol. 35. P. 446–456. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.09.056Wang J., Fu P., Liu H., Li D., Li Y. Shrinkage porosity criteria and optimized design of a 100-ton 30Cr2Ni4MoV forging ingot. Mate­rials & Design. 2012, vol. 35, pp. 446–456. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.09.056Zhang C.-J., Bao Y.-P., Wang M. Influence of casting parameters on shrinkage porosity of a 19-ton steel ingot // Metallurgia Italiana. 2016. Vol. 108. No. 1. P. 37–44.Zhang C.-J., Bao Y.-P., Wang M. Influence of casting parameters on shrinkage porosity of a 19 ton steel ingot. Metallurgia Italiana. 2016, vol. 108, no. 1, pp. 37–44.Zhang C.-J., Bao Y.-P., Wang M., Guo B. Influence of casting parameters on the shrinkage porosity of a 40-ton steel ingot by numerical simulation // Proceedings of the 6th Int. Congress on the Science and Technology of Steelmaking. 2015. P. 543–546.Zhang C.-J., Bao Y.-P., Wang M., Guo B. Influence of casting parameters on the shrinkage porosity of a 40 ton steel ingot by numerical simulation. Proceedings of the 6th Int. Congress on the Science and Technology of Steelmaking, 2015, pp. 543–546.Yu Z., Zhang H., Wang X., Wu X. Study on heat transfer characteristics during solidification of 18-ton steel ingot with large ratio of height to diameter // Metallurgia Italiana. 2020. Vol. 112. No. 5. P. 37–47.Yu Z., Zhang H., Wang X., Wu X. Study on heat transfer characteristics during solidification of 18-ton steel ingot with large ratio of height to diameter. Metallurgia Italiana. 2020, vol. 112, no. 5, pp. 37–47.Zhang C., Loucif A., Jahazi M., Morin J.-B. FE modelling and prediction of macrosegregation patterns in large size steel ingots: Influence of filling rate // Metals. 2022. Vol. 12. No. 1. Article 29. https://doi.org/10.3390/met12010029Zhang C., Loucif A., Jahazi M., Morin J.-B. FE modelling and prediction of macrosegregation patterns in large size steel ingots: Influence of filling rate. Metals. 2022, vol. 12, no. 1, article 29. https://doi.org/10.3390/met12010029Zhang C., Loucif A., Jahazi M., Tremblay R., Lapierre L.-P. On the effect of filling rate on positive macrosegregation patterns in large size cast steel ingots // Applied Sciences (Switzerland). 2018. Vol. 8. No. 10. Article 1878. https://doi.org/10.3390/app8101878Zhang C., Loucif A., Jahazi M., Tremblay R., Lapierre L.-P. On the effect of filling rate on positive macrosegregation patterns in large size cast steel ingots. Applied Sciences (Switzerland). 2018, vol. 8, no. 10, article 1878. https://doi.org/10.3390/app8101878Marx K., Rödi S., Schramhauser S., Seemann M. Optimization of the filling and solidification of large ingots // Metallurgia Italiana. 2014. Vol. 106. No. 11–12. P. 11–19.Marx K., Rödi S., Schramhauser S., Seemann M. Optimization of the filling and solidification of large ingots. Metallurgia Italiana. 2014, vol. 106, no. 11–12, pp. 11–19.Ромашкин А.Н., Мальгинов А.Н., Дуб В.С., Колпишон Э.Ю. Особенности технологии сифонной отливки слитков // Электрометаллургия. 2013. № 1. С. 18–23.Romashkin A.N., Mal’ginov A.N., Dub V.S., Kolpishon E.Yu. Features of uphill casting of ingots. Elektrometallurgiya. 2013, vol. 1, pp. 18–23. (In Russ.).Duan Z., Shen H., Liu B. Numerical simulation of solidification and macrosegregation in water cooled heavy steel ingot // Proceedings of the 8th Pacific Rim Int. Congress on Advanced Materials and Processing (PRICM-8). 2016. P. 3025–3032. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48764-9_374Duan Z., Shen H., Liu B. Numerical simulation of solidification and macrosegregation in water cooled heavy steel ingot. Proceedings of the 8th Pacific Rim Int. Congress on Advanced Materials and Processing (PRICM-8). 2016, pp. 3025–3032. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48764-9_374Chen Z., Zhai Q., Zhang J. Validation and numerical simulation for shrinkage porosity of a X12 steel ingot // TMS 2015 144th Annual Meeting & Exhibition. 2015. P. 1209–1216. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48127-2_146Chen Z., Zhai Q., Zhang J. Validation and numerical simulation for shrinkage porosity of a X12 steel ingot. TMS 2015 144th Annual Meeting & Exhibition. 2015, pp. 1209–1216. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48127-2_146Lü N., Jin Y., Li S., Ai X., Yuan X. Numerical simulation on gradient cooling behavior of jumbo slab ingot // China Foundry. 2013. Vol. 10. No. 2. P. 87–91.Lü N., Jin Y., Li S., Ai X., Yuan X. Numerical simulation on gradient cooling behavior of jumbo slab ingot. China Foundry. 2013, vol. 10, no. 2, pp. 87–91.Kotásek O., Kurka V., Vindyš M., Jonšta P., Noga R., Dobiáš M. Comparison of casting and solidification of 12-ton steel ingot using two different numerical software // Proceedings 30th Anniversary Int. Conf. on Metallurgy and Materials. 2021. P. 147–152. https://doi.org/10.37904/metal.2021.4091Kotásek O., Kurka V., Vindyš M., Jonšta P., Noga R., Dobiáš M. Comparison of casting and solidification of 12 ton steel ingot using two different numerical software. Proceedings 30th Anniversary Int. Conf. on Metallurgy and Materials. 2021, pp. 147–152. https://doi.org/10.37904/metal.2021.4091Ромашкин А.Н., Дуб В.С., Иванов И.А., Марков С.И., Мальгинов А.Н., Толстых Д.С. Разработка сквозного технологического процесса производства заготовок для машиностроения на основе компьютерного моделирования // Металлург. 2014. № 9. С. 109–117.Romashkin A.N., Dub V.S., Ivanov I.A., Markov S.I., Mal’gi­nov A.N., Tolstykh D.S. Development of an integral production process for manufacturing machinery billets based on computer simulation. Metallurgist. 2015, vol. 58, no. 9–10, pp. 821–830. https://doi.org/10.1007/s11015-015-0002-zKang J., Zhang C., Dong C., Shen H., Liu B. Water analogy experiment on the multi-concentration pouring process of a 585-ton steel ingot // Frontiers in Materials Processing, Applications, Research and Technology. 2018. P. 107–121. https://doi.org/10.1007/978-981-10-4819-7_11Kang J., Zhang C., Dong C., Shen H., Liu B. Water analogy experiment on the multi-concentration pouring process of a 585 ton steel ingot. Frontiers in Materials Processing, Applications, Research and Technology. 2018, pp. 107–121. https://doi.org/10.1007/978-981-10-4819-7_11Дуб В.С., Ромашкин А.Н., Толстых Д.С., Мальгинов А.Н., Иванов И.А., Эхвая Г.А. Анализ кинетики затвердевания стальных кузнечных слитков различной конфигурации. Часть 1. Результаты холодного моделирования // Металлург. 2015. № 11. С. 41–56.Dub V.S., Romashkin A.N., Tolstykh D.S., Mal’ginov A.N., Ivanov I.A., Ekhvaya G.A. Analysis of the kinetics of the solidification of steel forging ingots of different configurations. Part I. Results from cold modeling. Metallurgist. 2016, vol. 59, no. 11–12, pp. 1040–1052. https://doi.org/10.1007/s11015-016-0213-yLudwig A., Stefan-Kharicha M., Kharicha A., Wu M. Massive formation of equiaxed crystals by avalanches of mushy zone segments // Metallurgical and Materials Transaction A. 2017. Vol. 48. P. 2927–2930. https://doi.org/10.1007/s11661-017-4008-yLudwig A., Stefan-Kharicha M., Kharicha A., Wu M. Massive formation of equiaxed crystals by avalanches of mushy zone segments. Metallurgical and Materials Transaction A. 2017, vol. 48, pp. 2927–2930. https://doi.org/10.1007/s11661-017-4008-yStefan-Kharicha M., Kharicha A., Mogeritsch J., Wu M., Ludwig A. Review of ammonium chloride-water solution properties // Journal of Chemical and Engineering. 2018. Vol. 63. P. 3170–3183. https://doi.org/10.1021/acs.jced.7b01062Stefan-Kharicha M., Kharicha A., Mogeritsch J., Wu M., Ludwig A. Review of ammonium chloride-water solution properties. Journal of Chemical and Engineering. 2018, vol. 63, pp. 3170–3183. https://doi.org/10.1021/acs.jced.7b01062Эльдарханов А.С., Ефимов В.А., Нурадинов А.С. Процессы формирования отливок и их моделирование. Москва: Машиностроение, 2001. 208 с.El’darkhanov A.S., Efimov V.A., Nuratdinov A.S. Casting Proces­ses and Their Modeling. Moscow: Mashinostroenie, 2001, 208 p. (In Russ.).Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Момот С.В., Амитан В.Н. Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях. Донецк: Издательство «ВИК», 2002. 169 с.Smirnov A.N., Pilyushenko V.L., Momot S.V., Amitan V.N. Solidification of Metal Melt under External Influences. Donetsk: VIK, 2002, 169 p. (In Russ.).Лейбензон В.А., Недопекин Ф.В., Кондратенко В.М. Затвердевание металлических композиций: производство и моделирование. Донецк: ООО «Юго-восток, Лтд», 2005. 231 с.Leibenzon V.A., Nedopekin F.V., Kondratenko V.M. Solidification of Metal Compositions: Production and Modeling. Donetsk: Yugo-vostok Ltd., 2005, 231 p. (In Russ.).Пат. 169365 RU. Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / С.Б. Гаманюк, Н.А. Зюбан, Д.В. Руцкий, С.В. Палаткин; заявлено 24.05.2016; опубликовано 15.03.2017. Бюллетень № 8.Gamanyuk S.B., Zyuban N.A., Rutskii D.V., Palatkin S.V. Device for studying the process of ingots crystallization in a mill. Patent RF no. 169365. MPK B22D 7/08. Bulleten’ izobretenii. 2017, no. 8. (In Russ.).

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