Южно-Уральский государственный университет (НИУ), Челябинск, Россия

Г. П. Вяткин, советник ректора, профессор, докт. хим. наук

И. М. Ячиков, профессор кафедры информационно-измерительной техники, докт. техн. наук

Филиал Южно-Уральского государственного университета (НИУ) в Златоусте, Златоуст, Россия
М. А. Матвеева, старший преподаватель кафедры техники и технологий производства материалов, эл. почта: matveevama@susu.ru
И. В. Чуманов, заведующий кафедрой техники и технологий производства материалов, профессор, докт. техн. наук

Рассмотрены способы воздействия на процесс электрошлакового переплава (ЭШП) с целью уменьшения глубины жидкой металлической ванны при получении многослойных отливок. Предложен способ переплава с вращением расходуемого электрода, который позволяет изменять место доставки капель электродного металла в металлическую ванну, чем способствует уменьшению ее глубины. Предложена математическая модель, позволяющая оценить влияние изменения места доставки капель электродного металла в жидкую металлическую ванну на ее глубину. Достижение квазистационарного теплового режима металлической ванны достигается за счет использования перехода от начального к установившемуся тепловому состоянию путем решения нестационарной задачи теплопроводности с учетом фазового перехода со специфическими граничными условиями. Распределение температур в твердой, двухфазной и жидкой областях ванны описано общим уравнением теплопроводности. Для получения приближенного решения использовали метод конечных разностей. Результаты математического моделирования показали изменение положения линий ликвидус и солидус для сплавов заданного химического состава в зависимости от изменения места доставки капель электродного металла в процессе переплава с вращением расходуемого электрода. Изменение места доставки капель из подэлектродной зоны ближе к стенке кристаллизатора привело к уменьшению глубины металлической ванны благодаря перераспределению тепловых потоков в шлаковой и металлических ваннах. Математическая модель стала основой для создания компьютерной программы «Тепловое состояние кристаллизующейся заготовки в установке ЭШП».

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20049, https://rscf.ru/project/22-29-20049/.

1. Вачугов Г. А., Чуманов В. И., Хасин Г. А. Влияние вращения переплавляемого электрода на процесс электрошлакового переплава // Современная электрометаллургия. 1975. № 25. С. 31–36.
2. Вдовин К. Н., Горленко Д. А., Егорова Л. Г. и др. Электрошлаковый переплав на металлургическом предприятии : монография. — Изд-во Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 2018. — 141 с.

3. Xihai L., Junqing W., Weiguo J. et al. Simulation of electro-slag remelting process of 120 t large ingot for nuclear power station and its application // China Foundry. 2011. Vol. 8, Iss. 4. Р. 413–417.
4. Li B., Wang F., Tsukihashi F. Current, magnetic field and joule heating in electroslag remelting processes // ISIJ International. 2012. Vol. 52, Iss. 7. Р. 1289–1295.
5. Guo Y., Qi W., Xia Z. et al. Refinement of eutectic carbides in M2 high speed steel by adjusting magnetic flux density during magnetic controlled ESR process // Metallurgical and Materials Transacions B. 2022. Vol. 53, Iss. 3. Р. 3384–3395. DOI: 10.1007/s11663-022-02616-0
6. Бабенко Э. Г., Кузьмичев Э. Н., Колесников М. А. Исследование управляющего механического воздействия на повышение эффективности легирования металла при электрошлаковом переплаве // Вестник института тяги и подвижного состава. 2012. № 8. С. 225–232.
7. Shi X., Chang L., Wang J. Effect of mold rotation on the bifilar electroslag remelting process // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2015. Vol. 22, Iss. 10. P. 1033–1042
8. Shi X., Wang E., Wang Y. et al. Effect of different power supply modes on inclusion in 304L stainless steel electroslag inglot // Metals. 2023. Vol. 13, Iss. 3. 457. DOI: 10.3390/met13030457
9. А. c. 216.012.448c (СССР). Способ перемешивания шлаковой ванны при электрошлаковом переплаве расходуемого электрода / Э. Г. Бабенко, Е. Н. Кузьмичев, М. А. Колесников. — Специальная электрометаллургия. 1983. № 53. С. 19–20.
10. Компан Я. Ю., Назарчук А. Т., Протоковилов И. В. К вопросу интенсификации электромагнитного воздействия при магнитоуправляемой электрошлаковой плавке титановых сплавов // Современная электрометаллургия. 2007. № 4. С. 3–7.
11. Протоковилов И. В., Порохонько В. Б. Физическое моделирование капельного переноса электродного металла при ЭШП с наложением импульсных магнтных полей // Современная электрометаллургия. 2017. № 3. С. 9–13.
12. Медовар Л. Б., Цыкуленко А. К., Чернец А. В. и др. Исследование влияния параметров двухконтурной схемы ЭШП на размеры и форму металлической ванны // Проблемы специальной электрометаллургии. 2000. № 4. С. 3–7.
13. Медовар Л. Б., Саенко В. Я., Стовпченко А. П. и др. Электрошлаковые технологии получения крупных кузнечных слитков // Современная электрометаллургия. 2010. № 3. С. 5–10.
14. Shubert C., Eickhoff M., Herbert P. Numerical simulations of the molten metal droplet formation in the electroslag remelting process with a rotating electrode // Steel Research International. 2022. Vol. 93, Iss. 12. 2100765.
15. Пат. 2332471 РФ. Способ электрошлакового переплава / И. В. Чуманов, Д. А. Пятыгин, В. И. Чуманов ; заявл. 24.07.2006 ; опубл. 27.08.2008.
16. Селивёрстов Д. А, Пятыдин Д. А., Чуманов И. В. К вопросу экономической целесообразности перевода печей ВДП в печи ЭШП на постоянном токе // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. № 1. С. 24–26.
17. Чуманов И. В., Порсев М. А. О возможности получения многослойных слитков электрошлаковым переплавом // Электрометаллургия. 2010. № 4. С. 13–17.
18. Чуманов И. В., Матвеева М. А., Сергеев Д. В. Влияние вращения расходуемого электрода при электрошлаковом переплаве на анизотропию свойств получаемого слитка // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 2. С. 91–96.
19. Клюев М. М., Волков С. Е. Электрошлаковый переплав. — М. : Металлургия, 1974. — 496 с.
20. Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ 2021612155 РФ. Тепловое состояние кристаллизующейся заготовки ЭШП с вращающимся электродом / И. М. Ячиков, И. В. Чуманов, И. В. Портнова, М. А. Матвеева ; заявл. 08.02.2021 ; опубл. 12.02.2021.