blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-5-623-630blackmet-2639Research ArticleПо материалам международной конференции «Научно-практическая школа для молодых металлургов» – 2023On the materials of the international conference “Scientific and Practical School for Young Metallurgists” – 2023Разработка технологии получения слитков при ЭШП на постоянном токе с вращением расходуемого электродаDevelopment of technology for ingots production using electroslag remelting at direct current with consumable electrode rotationАлексеевИ. А.AlekseevI. A.

Иван Андреевич Алексеев, аспирант кафедры «Пирометаллургические и литейные технологии»

Россия, 454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

Ivan A. Alekseev, Postgraduate of the Chair “Pyrometallurgical and Foundry Technologies”

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080, Russian Federation

inbox@ivanalekseev.ruЧумановИ. В.ChumanovI. V.

Илья Валерьевич Чуманов, д.т.н., профессор, заведующий кафед­рой «Техника и технологии производства материалов»

Россия, 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, Russian Federation

chumanoviv@susu.ruСергеевД. В.SergeevD. V.

Дмитрий Владимирович Сергеев, к.т.н., инженер кафедры «Техника и технологии производства материалов»

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

Dmitrii V. Sergeev, Cand. Sci. (Eng.), Engineer of the Chair “Technique and Technology of Materials Production”

16 Turgeneva Str., Zlatoust, Chelyabinsk Region 456217, Russian Federation

sergeevdv@susu.ruЮжно-Уральский государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian FederationЮжно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), филиал в г. ЗлатоустРоссияZlatoust Branch of the South Ural State UniversityRussian Federation202311112023665623630Copyright © Алексеев И.А., Чуманов И.В., Сергеев Д.В., 20232023Алексеев И.А., Чуманов И.В., Сергеев Д.В.Alekseev I.A., Chumanov I.V., 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/2639

В работе рассмотрен вопрос повышения производительности печей электрошлакового переплава. В качестве наиболее эффективного метода предложена технология ведения переплава на постоянном токе. Описание технологии затрагивает положительные и отрицательные эффекты, влияющие как на удельную производительность плавки, энергопотребление, так и на качество получаемых слитков в части их физико-механических свойств и химической чистоты. Способ ведения электрошлакового переплава с вращением расходуемого электрода предложен в качестве новой технологии, осуществлено краткое сравнение с используемой технологией наложения внешнего магнитного поля. Продемонстрированы схемы, которые наглядно показывают принцип управления формой фронта кристаллизации и локализацией теплового центра шлаковой ванны. Разработана стационарная численная модель для рабочей зоны действующей полупромышленной печи ЭШП А-550 на постоянном токе со сменой полярности. Создан математический аппарат, состоящий из электротермической, гидродинамической и конвективной частей. Геометрическая расчетная область спроектирована для шлаковой ванны, расположенной между расходуемым электродом и водоохлаждаемым кристаллизатором с диаметрами 60 и 90 мм соответственно. Высота подэлектродной зоны составляет 10 мм. Предельная величина тока 800 А, напряжение 46 В. Получены числовые поля распределения плотности тока и температуры в толще шлаковой ванны. Диапазон значений температуры располагается в пределах от 1400 до 2200 °С на периферийной и подэлектродной зонах шлаковой ванны соответственно. Приведена схема модернизации печи ЭШП за счет автоматизации механической части и перевода на постоянный ток.

The paper describes the problem of increasing the productivity of electroslag remelting (ESR) furnaces. The remelting technology on direct current is proposed as the most effective method. The description of the technology touches upon positive and negative effects affecting the specific productivity of smelting, energy consumption, and quality of the obtained ingots in terms of their physical and mechanical properties and chemical purity. The authors proposed the electroslag remelting method with rotation of the consumable electrode as a new technology, and realized a brief comparison with the external magnetic field application technology. The schemes that clearly demonstrate the principle of controlling the crystallization front shape and the thermal center localization in the slag bath are considered. A stationary numerical model for the slag bath of the operating semi-industrial furnace ESR A-550 on direct current with polarity reversing ability was developed. The mathematical apparatus consisting of electrothermal, hydrodynamic and convective parts was constructed. The authors designed the mesh domain for a slag bath located between the consumable electrode and the water-cooled crystallizer with diameters of 60 and 90 mm, respectively. The height of the sub-electrode zone is 10 mm. The current limit is 800 A and the voltage is 46 V. Numerical fields of current density and temperature distribution in the slag bath volume are obtained. The range of temperature values is located in the range from 1400 to 2200 °C at the peripheral and subelectrode zones of the slag bath, respectively. The scheme of the ESR furnace modernization is given in terms of mechanical part automation and transferring to direct current.

электрошлаковый переплавэлектротермиярасходуемый электродметод конечных объемоввычислительная гидродинамикакомпьютерное моделированиематематическое моделированиетехнологиявращающийся электродпостоянный токelectroslag refiningelectrothermyconsumable electrodefinite volume methodcomputational fluid dynamicscomputer simulationmathematical modelingtechnologyrotating electrodedirect currentРабота выполнена за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20049, https://rscf.ru/project/22-29-20049/.The work was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 22-29-20049, https://rscf.ru/project/22-29-20049/.ReferencesПавлов В.А. Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов. Екатеринбург: Издательство УрФУ; 2018:168.Pavlov V.A. Special Electrometallurgy of Steels and Alloys. Yekaterinburg: URFU; 2018:168. (In Russ.).Селиверстов Д.А., Пятыгин Д.А., Чуманов И.В. К воп­росу экономической целесообразности перевода печей ВДП в печи ЭШП на постоянном токе. Известия вузов. Черная металлургия. 2007;50(1):24–26.Seliverstov D.A., Pyatygin D.A., Chumanov I.V. To the issue of economic conversion feasibility of VAR furnaces to DC ESR furnaces. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2007;50(1): 24–26. (In Russ.).Пятыгин Д.А., Чуманов И.В. Влияние рода тока и ско­рости вращения расходуемого электрода на механические свойства электрошлакового металла. Вестник ЮУрГУ. Серия: металлургия. 2011;14(231):40–44.Pyatygin D.A., Chumanov I.V. Influence of current type and rotation speed of consumable electrode on mechanical pro­perties of electroslag metal. Vestnik YuUrGU. Seriya: metallurgiya. 2011;14(231):40–44. (In Russ.).Чуманов И.В., Пятыгин Д.А. Влияние пондеромоторных сил на расплав. В кн.: Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов. Труды IX Российского семинара 14–17 октября 2008 г., Курган. Курган: Издательство Курганского государственного университета; 2008:64–65.Chumanov I.V., Pyatygin D.A. Influence of ponderomotive forces on the melt. In: Computer Modeling of Physicochemical Properties of Glasses and Melts. Proceedings of IX Russ. Seminar, October 14–17, 2008, Kurgan. Kurgan: Kurgan State University; 2008:64–65. (In Russ.).Виноградов В.С. Оборудование и технология дуговой автоматической и механизированной сварки. Москва: Издательский центр «Академия»; 1997:319.Vinogradov V.S. Equipment and Technology of Automatic and Mechanized Arc Welding. Moscow: Academiya; 1997:319. (In Russ.).Клюев М.М., Волков С.Е. Электрошлаковый переплав. Москва: Металлургия; 1984:208.Klyuev M.M., Volkov S.E. Electroslag Remelting. Moscow: Metallurgiya; 1984:208. (In Russ.).Протоковилов И.В., Порохонько В.Б. Физическое моделирование процесса плавления расходуемого электрода при ЭШП в условиях внешнего электромагнитного воздействия. Современная электрометаллургия. 2015;(1):8–12.Protokovilov I.V., Porokhon’ko V.B. Physical modeling of consumable electrode melting at ESR under external electro­magnetic conditions. Sovremennaya electrometallurgiya. 2015;(1):8–12. (In Russ.).Чуманов И.В., Пятыгин Д.А., Рощин В.Е. Особенности электрошлакового процесса на постоянном токе с вращением электрода. В книге: Современные проблемы электрометаллургии стали. Материалы XI Международной конференции 25–27 сентября 2001 г., Челябинск. Челябинск: Издательство ЮУрГУ; 2001: 117–118.Chumanov I.V., Pyatygin D.A., Roschin V.E. Features of electroslag process on direct current with electrode rotation. In: Modern Problems of Steel Electrometallurgy. Materials of XI Int. Conf., September 25–27, 2001, Chelyabinsk. Chelyabinsk: SUSU; 2001:117–118. (In Russ.).Сергеев Д.В. Технология получения полой заготовки методом электрошлакового переплава по одноэлект­родной схеме: Диссертация … кандидата технических наук. Челябинск; 2022:126 с.Sergeyev D.V. Hollow billet production by electroslag remelting with single-electrode scheme: Cand. Tech. Sci. Diss. Chelyabinsk; 2022:126. (In Russ.).Dilawari A.H., Szekely J. Heat transfer and fluid flow phenomena in electroslag refining. Metallurgical Transactions B. 1978;9B(2):77–87. https://doi.org/10.1007/BF02822674Dilawari A.H., Szekely J. Heat transfer and fluid flow phenomena in electroslag refining. Metallurgical Transactions B. 1978;9B(2):77–87. https://doi.org/10.1007/BF02822674Choudhary M., Szekely J., Medovar B.I., Yemel’yanen­­ko Yu.G. The velocity field in the molten slag region of ESR systems: a comparison of measurements in a model system with theoretical predictions. Metallurgical Transactions B. 1978;13B(1):35–43. https://doi.org/10.1007/BF02666953Choudhary M., Szekely J., Medovar B.I., Yemel’yanen­­ko Yu.G. The velocity field in the molten slag region of ESR systems: a comparison of measurements in a model system with theoretical predictions. Metallurgical Transactions B. 1978;13B(1):35–43. https://doi.org/10.1007/BF02666953Kelkar K.M., Mok J., Patankar S.V., Mitchel A. Computational modeling of electroslag remelting processes. Journal de Physique IV. 2004;120:421–428.Kelkar K.M., Mok J., Patankar S.V., Mitchel A. Computational modeling of electroslag remelting processes. Journal de Physique IV. 2004;120:421–428.https://doi.org/10.1051/jp4:2004120048https://doi.org/10.1051/jp4:2004120048Kharicha A., Schutzenhofer W., Ludwig R., Tanzer R., Wu M. On the importance of electric currents flowing directly into the mould during an ESR process. Steel Research International. 2008;79(8):632–636. https://doi.org/10.1002/srin.200806176Kharicha A., Schutzenhofer W., Ludwig R., Tanzer R., Wu M. On the importance of electric currents flowing directly into the mould during an ESR process. Steel Research International. 2008;79(8):632–636. https://doi.org/10.1002/srin.200806176Kharicha A., Karimi-Sibaki E., Wu M., Ludwig A. Contribution of the mold current to the ingot surface quality in the electroslag remelting process. In: The Minerals, Metals and Materials Society. Proceedings of the 2013 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting, September, 2013 TMS; 2013:95–99. https://doi.org/10.1002/9781118830857.ch13Kharicha A., Karimi-Sibaki E., Wu M., Ludwig A. Contribution of the mold current to the ingot surface quality in the electroslag remelting process. In: The Minerals, Metals and Materials Society. Proceedings of the 2013 Int. Symp. on Liquid Metal Processing & Casting, September, 2013 TMS; 2013:95–99. https://doi.org/10.1002/9781118830857.ch13Kharicha A., Wu M., Ludwig A., Karimi-Sebaki E. Simulation of the electric signal during the formation and departure of droplets in the electroslag remelting process. Metallurgical and Materials Transactions B. 2016;47(2):1427–1434. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0550-4Kharicha A., Wu M., Ludwig A., Karimi-Sebaki E. Simulation of the electric signal during the formation and departure of droplets in the electroslag remelting process. Metallurgical and Materials Transactions B. 2016;47(2):1427–1434. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0550-4Wang F., Wang Q., Lou Y., Chen R., Song Z., Li B. Investigation of heat transfer and magnetohydrodynamic flow in electroslag remelting furnace using vibrating electrode. JOM. 2015;68(1):410–420. https://doi.org/10.1007/s11837-015-1684-1Wang F., Wang Q., Lou Y., Chen R., Song Z., Li B. Investigation of heat transfer and magnetohydrodynamic flow in electroslag remelting furnace using vibrating electrode. JOM. 2015;68(1):410–420. https://doi.org/10.1007/s11837-015-1684-1Wang Q., Gosselin L., Li B. Effect of rotating electrode of magnetohydrodynamic flow and heat transfer in electroslag remel­ting process. ISIJ International. 2014;54(12):2821–2830. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.2821Wang Q., Gosselin L., Li B. Effect of rotating electrode of magnetohydrodynamic flow and heat transfer in electroslag remel­ting process. ISIJ International. 2014;54(12):2821–2830. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.2821Karimi-Sibaki E., Kharicha A., Wu M. Toward modeling electrochemical reactions during electroslag remelting (ESR) process. Steel Research International. 2017;88(5):1700011. https://doi.org/10.1002/srin.201700011Karimi-Sibaki E., Kharicha A., Wu M. Toward modeling electrochemical reactions during electroslag remelting (ESR) process. Steel Research International. 2017;88(5):1700011. https://doi.org/10.1002/srin.201700011Karimi-Sibaki E., Kharicha A., Wu M., Ludwig A., Boha­cek J. A numerical investigation on the electrochemical behavior of CaO and Al2O3 in the ESR slags. Metallurgical and Materials Transactions B. 2020;51:871–879. https://doi.org/10.1007/s11663-020-01795-yKarimi-Sibaki E., Kharicha A., Wu M., Ludwig A., Boha­cek J. A numerical investigation on the electrochemical behavior of CaO and Al2O3 in the ESR slags. Metallurgical and Materials Transactions B. 2020;51:871–879. https://doi.org/10.1007/s11663-020-01795-yWang Q., Li G., He Z., Li B. A three-phase comprehensive mathematical model of desulfurization in electroslag remel­­ting process. Applied Thermal Engineering. 2017;114:874–886. 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;114: 874–886. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.12.035

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