Илья Валерьевич Чуманов, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Техника и технологии производства материалов»
Россия, 456209, Златоуст, ул. Тургенева, 16
Il’ya V. Chumanov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Chair of “ Machinery and Technology for Materials Production”
16 Turgeneva Str., Zlatoust, Chelyabinsk Region 456209, Russian Federation
Мария Андреевна Матвеева, к.т.н, доцент кафедры «Техника и технологии производства материалов»
Россия, 456209, Златоуст, ул. Тургенева, 16
Maria A. Matveeva, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Technique and Technology of Materials Production”
16 Turgeneva Str., Zlatoust, Chelyabinsk Region 456209, Russian Federation
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
В настоящей работе рассмотрено численное моделирование динамики фронта кристаллизации слитка при электрошлаковом переплаве, осуществляемое посредством целенаправленной корректировки траектории падения капель электродного металла в шлаковую ванну. Особое внимание уделено влиянию принудительного вращения расходуемого электрода на пространственное распределение температурных полей и морфологию границы затвердевания. Численные эксперименты проводились на промышленной установке с медным водоохлаждаемым кристаллизатором диаметром 90 мм и расходуемым электродом диаметром 40 мм. Разработка цифрового двойника на базе методов вычислительной гидродинамики и магнитогидродинамики позволила воспроизвести реальный процесс и установить закономерности тепломассопереноса. Анализ температурных градиентов точно локализовал зоны максимального тепловыделения. Визуализация числовых полей вблизи температуры солидуса подтвердила радиальное смещение траектории капель на периферию шлаковой ванны в диапазоне 25 – 35 мм. Математическая модель последовательно объединяет уравнения Максвелла, законы сохранения массы и импульса, а также кинетику тепловых процессов с учетом Джоулева нагрева. Проведенные расчеты при прямой полярности тока продемонстрировали, что центробежное смещение капельного переноса совместно с реверсией конвективных потоков формирует устойчивый горизонтальный фронт кристаллизации. Указанное изменение существенно минимизирует толщину переходных зон между слоями в многослойных слитках и повышает структурную однородность отливки. Установлен критический интервал угловых скоростей вращения электрода, превышение которого провоцирует дестабилизацию мениска, укрупнение капель и снижение качества продукции. Полученные теоретические результаты полностью согласуются с натурными экспериментами. Модель верифицирована путем сопоставления расчетных и опытных данных по положению межфазной границы. Научно обосновано внедрение управляемого вращения для оптимизации теплотехнических режимов, обеспечения стабильного качества металла и повышения общей энергоэффективности металлургического производства.
The present study addresses numerical modeling of the solidification front dynamics in an electroslag remelted (ESR) ingot, achieved through targeted adjustment of the trajectory of molten electrode metal drops falling into the slag bath. Particular emphasis is placed on analyzing the effect of forced rotation of the consumable electrode on the spatial distribution of temperature fields and morphology of the solidification boundary. Numerical experiments were conducted for an industrial-scale ESR unit equipped with a water-cooled copper crystallizer (90 mm in diameter) and a consumable electrode (40 mm in diameter). Development of a digital twin based on computational fluid dynamics and magnetohydrodistics principles enabled accurate reproduction of the actual production process and identification of heat and mass transfer patterns. Analysis of temperature gradients allowed precise localization of zones with maximum heat generation. Visualization of numerical fields near the steel solidus temperature confirmed the radial shift of the drop trajectory toward the periphery of the slag bath within the range of 25 – 35 mm. The mathematical model consistently integrates Maxwell’s equations for electromagnetic field calculation, conservation laws of mass and momentum, and thermal kinetics accounting for Joule heating. Numerical calculations under direct current polarity demonstrated that centrifugal displacement of drop transfer, combined with reversal of convective flows, promotes formation of a stable horizontal solidification front. This modification substantially enhances structural homogeneity of the ingot and minimizes the thickness of transition zones between layers in multilayer castings. A critical range of electrode rotation speeds was established; exceeding this threshold destabilizes the meniscus, enlarges drops, and deteriorates product quality. The obtained theoretical results fully correlate with full-scale experimental data. The model was verified by comparing calculated and experimental data on position of the interfacial boundary. The scientific substantiation of implementing controlled electrode rotation for optimizing thermal process parameters, ensuring stable metal quality, and improving overall energy efficiency of metallurgical production is provided.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.