Использование физического моделирования для оценки влияния способа и скорости разливки на формирование осевой зоны крупного слитка

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.

1. Скобло С.Я., Казачков Е.А. Слитки для крупных поковок. Моск­ва: Металлургия, 1973. 247 с.

2. Смирнов А.Н., Макуров С.Л., Сафонов В.М., Цупрун А.Ю. Крупный слиток. Донецкий национальный технический университет. Донецк: Вебер, 2009. 279 с.

3. Жульев С.И., Зюбан Н.А. Производство и проблемы качества кузнечного слитка. Волгоград: РПК «Политехник», 2003. 168 с.

4. 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.2015.07.150

5. Зюбан 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.

6. Tashiro 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/isijinternational1966.23.312

7. Гаманюк С.Б. Исследование крупного кузнечного стального слитка измененной геометрии с целью повышения качества металла поковок: Диссертация … кандидата технических наук. Волгоград, 2012. 162 с.

8. 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/10.20537/2076-7633-2015-7-1-107-112

9. Wang 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.2011.09.056

10. 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. P. 37–44.

11. 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.

12. 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.

13. 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/met12010029

14. Zhang 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/app8101878

15. 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. P. 11–19.

16. Ромашкин А.Н., Мальгинов А.Н., Дуб В.С., Колпишон Э.Ю. Особенности технологии сифонной отливки слитков // Электрометаллургия. 2013. № 1. С. 18–23.

17. 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_374

18. Chen 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_146

19. 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. P. 87–91.

20. 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.2021.4091

21. Ромашкин 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.

22. Kang 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_11

23. Дуб 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.

24. Ludwig 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-y

25. Stefan-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.7b01062

26. Эльдарханов А.С., Ефимов В.А., Нурадинов А.С. Процессы формирования отливок и их моделирование. Москва: Машиностроение, 2001. 208 с.

27. Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Момот С.В., Амитан В.Н. Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях. Донецк: Издательство «ВИК», 2002. 169 с.

28. Лейбензон В.А., Недопекин Ф.В., Кондратенко В.М. Затвердевание металлических композиций: производство и моделирование. Донецк: ООО «Юго-восток, Лтд», 2005. 231 с.

29. 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.