Волгоградский государственный технический университет, Волгоград, Россия

С. Б. Гаманюк, доцент кафедры «Технология материалов» (ТМ), канд. техн. наук, эл. почта: gamanuk@mail.ru
Д. В. Руцкий, заведующий кафедрой ТМ, канд. техн. наук, доцент, эл. почта: drutskii@vstu.ru
Н. А. Зюбан, профессор кафедры ТМ, докт. техн. наук, эл. почта: tecmat49@vstu.ru
М. В. Кириличев, заведующий лабораторией кафедры ТМ, эл. почта: tecmat@vstu.ru

Представлены результаты лабораторного исследования влияния доливки прибыльной части слитка расплавом через определенный интервал времени после заливки тела слитка на количественные и качественные характеристики конвективного движения, процесс затвердевания и структурообразования модельного слитка. Методом физического (холодного) моделирования с использованием разработанной и изготовленной лабораторной установки (изложница-кристаллизатор) визуально изучены процессы, происходящие при затвердевании и структурообразовании, на модели слитка массой 19,6 т. В качестве моделирующего раствора использован натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит). Соответствие процессов, происходящих на модели и в реальных условиях отливки промышленных слитков, оценено при помощи критериев подобия, полученных на основе теории размерностей исходя из данных анализа физико-химических процессов при разливке и кристаллизации слитка. Разливка расплава в изложницу-кристаллизатор выполнена сверху. В ходе исследований установлено, что модельные слитки, отлитые с доливкой прибыльной части расплавом через заданный интервал времени после заливки тела слитка, затвердевают в 1,4 раза быстрее, чем слиток, отлитый по классической технологии. Выявлено, что доливка прибыльной части расплавом способствовала увеличению в 1,3 раза объемной доли зоны столбчатых кристаллов, снижению в 1,3 раза объемной доли осевой зоны и в 2,2 раза объемной доли зоны различно ориентированных кристаллов в модельных слитках. Показано, что для слитка, отлитого с доливкой прибыли расплавом через 20 мин, протяженность осевой зоны слитка сокращается в 1,8 раза. Полученные результаты обусловливают возможность разработки технологии дифференцированной разливки слитков при наполнении их прибыли расплавом, что позволит регулировать процессы формирования структуры металла и сокращения протяженности осевой зоны. 

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-00973, https://rscf.ru/project/23-29-00973/.

1. Скобло С. Я., Казачков Е. А. Слитки для крупных поковок. — М. : Металлургия, 1973. — 247 с.
2. Смирнов А. Н., Макуров С. Л., Сафонов В. М., Цупрун А. Ю. Крупный слиток. — Донецк : Вебер, 2009. — 279 с.
3. Жульев С. И., Зюбан Н. А., Руцкий Д. В. Стальные слитки: проблемы качества и новые технологии : монография. — Волгоград : ВолгГТУ, 2016. — 176 с.
4. Chen Zh., Senk D., Firsbach F. Experimental investigations on solidification of 500-kg steel ingots with laboratory trials // Metallurgical and Materials Transactions B. 2018. Vol. 49B. P. 2514–2532. DOI: 10.1007/s11663-018-1325-5
5. Kang-Xin Chen, Hou-Fa Shen. Numerical simulation of macrosegregation caused by thermal–solutal convection and solidifcation shrinkage using ALE model // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2019. Vol. 32. P. 1396–1406. DOI: 10.1007/s40195-019-00897-0
6. Ghods M., Lauer M., Grugel R. N., Tewari S. N., Poirie D. R. Macrosegregation due to convection in Al–19Cu alloy directionally solidified through an abrupt expansion in cross-section: A comparison with Al–7Si // Journal of Materials Engineering and Performance. 2017. Vol. 26. P. 4876–4889. DOI: 10.1007/s11665-017-2925-y
7. Yoshio Ebisu. Numerical studies on the effects of axial magnetic fields and cooling intensities on the macrosegregation of directionally solidified Ni-based alloys: Elimination of thermal convection and stabilization of
interdendritic liquid flow // Metallurgical and Materials Transactions B. 2022. Vol. 53. P. 2779–2799.
8. Tashiro Koichi, Watanabe Shiro, Kitagawa Ikujiro, Tamura Itaru. 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, Iss. 4. P. 312–321. DOI: 10.2355/isijinternational1966.23.312
9. Гаманюк С. Б. Исследование крупного кузнечного стального слитка измененной геометрии с целью повышения качества металла поковок : дис. … канд. техн. наук. — Волгоград, 2012. — 162 с.
10. 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. DOI: 10.20537/2076-7633-2015-7-1-107-112

11. Jiaqi Wang, Paixian Fu, Hongwei Liu, Dianzhong Li, Yiyi Li. Shrinkage porosity criteria and optimized design of a 100-ton 30Cr2Ni4MoV forging ingot // Materials & Design. 2012. Vol. 35. P. 446–456. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.09.056
12. 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, Iss. 1. p. 37–44.
13. Zhang Chaojie, BaoYanping, Wang Min, Guo Baoqi. Influence of casting parameters on the shrinkage porosity of a 40-ton steel ingot by numerical simulation // Proceedings of the 6th International Congress on the Science and Technology of Steelmaking. 2015. P. 543–546.
14. 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, Iss. 5. P. 37–47.
15. 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, Iss. 1. 29. DOI: 10.3390/met12010029
16. 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, Iss. 10. 1878. DOI: 10.3390/app8101878
17. Marx K., Rödi S., Schramhauser S., Seemann M. Optimization of the filling and solidification of large ingots // Metallurgia Italiana. 2014. Vol. 106, Iss. 11-12. P. 11–19.
18. Система компьютерного моделирования литейных процессов LVMFlow/ NovaFlow&SolidCV. — URL: http://lvmflow.ru/ (дата обращения : 30.08.2023).
19. Система компьютерного моделирования литейных процессов PoligonSoft. — URL: https://poligonsoft.ru/ (дата обращения : 30.08.2023).
20. 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. 48A. P. 2927–2930.
21. 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.
22. Пат. 169365 РФ. Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / С. Б. Гаманюк, Н. А. Зюбан, Д. В. Руцкий, С. В. Палаткин ; заявл. 24.05.2016 ; опубл. 15.03.2017, Бюл. № 8.
23. Ефимов В. А., Эльдарханов А. С. Современные технологии разливки и кристаллизации сплавов. — М. : Машиностроение, 1998. — 359 с.
24. Горунов А. И., Науменко В. В., Руцкий Д. В. Влияние доливки прибыльной части на процесс затвердевания и структурообразования слитка стали 38ХН3МФА // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. 2008. № 10. C. 157–159.
25. Эльдарханов А. С., Ефимов В. А., Нурадинов А. С. Процессы формирования отливок и их моделирование. — М. : Машиностроение, 2001. — 208 с.