Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка
Статья посвящена исследованию особенностей формирования 50-тонного листового слитка из стали типа 15Г2СФ, идущего на изготовление толстолистового проката. С использованием программного пакета «MagmaSoft » выполнено компьютерное моделирование разливки и затвердевания металла. Показано, что после окон...
Saved in:
| Published in: | Металл и литье Украины |
|---|---|
| Date: | 2019 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2019
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166685 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка / Ф.К. Биктагиров, В.А. Шаповалов, А.В. Гнатушенко, Р.Ю. Качан // Металл и литье Украины. — 2019. — № 5-6 (312-313). — С. 14-20. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-166685 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Биктагиров, Ф.К. Шаповалов, В.А. Гнатушенко, А.В. Качан, Р.Ю. 2020-02-29T09:23:19Z 2020-02-29T09:23:19Z 2019 Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка / Ф.К. Биктагиров, В.А. Шаповалов, А.В. Гнатушенко, Р.Ю. Качан // Металл и литье Украины. — 2019. — № 5-6 (312-313). — С. 14-20. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2077-1304 DOI: https://doi.org/10.15407/steelcast2019.05.014 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166685 621.746.6:531.42:62-4 Статья посвящена исследованию особенностей формирования 50-тонного листового слитка из стали типа 15Г2СФ, идущего на изготовление толстолистового проката. С использованием программного пакета «MagmaSoft » выполнено компьютерное моделирование разливки и затвердевания металла. Показано, что после окончания разливки сифонным способом металл в центральной осевой зоне слитка имеет более высокую температуру по сравнению с вышележащими горизонтами. Также более прогретой, до температуры 650–700 °С, является центральная по высоте зона изложницы. Статтю присвячено дослідженню особливостей формування 50-тонного листового злитка зі сталі типу 15Г2СФ, що йде на виготовлення товстолистового прокату. З використанням програмного пакету «MagmaSoft» виконано комп’ютерне моделювання розливки і затвердіння металу. Показано, що після закінчення розливки сифонним способом метал у центральній осьовій зоні злитка має більш високу температуру у порівнянні з розташованими вище горизонтами. Також більш прогрітою, до температури 650–700 °С, є центральна за висотою зона виливниці. This article is devoted to investigation of peculiarities of 50-ton sheet ingot formation from steel of the type 15Г2СФ, which is used to manufacture steel plates. With the use of the software package “MagmaSoft” computer simulation of casting and solidification of metal was performed. It is shown, that after completion of siphon casting, the metal in central axial zone of the ingot has a higher temperature than the overlying horizons. Central zone by height of the mold is also more heated to a temperature of 650–700 °C. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Металл и литье Украины Разливка стали в слитки Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка Комп’ютерне моделювання формування 50-тонного листового злитка Computer modelling of 50-ton sheet ingot forming process Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка |
| spellingShingle |
Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка Биктагиров, Ф.К. Шаповалов, В.А. Гнатушенко, А.В. Качан, Р.Ю. Разливка стали в слитки |
| title_short |
Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка |
| title_full |
Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка |
| title_fullStr |
Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка |
| title_full_unstemmed |
Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка |
| title_sort |
компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка |
| author |
Биктагиров, Ф.К. Шаповалов, В.А. Гнатушенко, А.В. Качан, Р.Ю. |
| author_facet |
Биктагиров, Ф.К. Шаповалов, В.А. Гнатушенко, А.В. Качан, Р.Ю. |
| topic |
Разливка стали в слитки |
| topic_facet |
Разливка стали в слитки |
| publishDate |
2019 |
| language |
Russian |
| container_title |
Металл и литье Украины |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Комп’ютерне моделювання формування 50-тонного листового злитка Computer modelling of 50-ton sheet ingot forming process |
| description |
Статья посвящена исследованию особенностей формирования 50-тонного листового слитка из стали типа 15Г2СФ, идущего на изготовление толстолистового проката. С использованием программного пакета «MagmaSoft » выполнено компьютерное моделирование разливки и затвердевания металла. Показано, что после окончания разливки сифонным способом металл в центральной осевой зоне слитка имеет более высокую температуру по сравнению с вышележащими горизонтами. Также более прогретой, до температуры 650–700 °С, является центральная по высоте зона изложницы.
Статтю присвячено дослідженню особливостей формування 50-тонного листового злитка зі сталі типу 15Г2СФ, що йде на виготовлення товстолистового прокату. З використанням програмного пакету «MagmaSoft» виконано комп’ютерне моделювання розливки і затвердіння металу. Показано, що після закінчення розливки сифонним способом метал у центральній осьовій зоні злитка має більш високу температуру у порівнянні з розташованими вище горизонтами. Також більш прогрітою, до температури 650–700 °С, є центральна за висотою зона виливниці.
This article is devoted to investigation of peculiarities of 50-ton sheet ingot formation from steel of the type 15Г2СФ, which is used to manufacture steel plates. With the use of the software package “MagmaSoft” computer simulation of casting and solidification of metal was performed. It is shown, that after completion of siphon casting, the metal in central axial zone of the ingot has a higher temperature than the overlying horizons. Central zone by height of the mold is also more heated to a temperature of 650–700 °C.
|
| issn |
2077-1304 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166685 |
| citation_txt |
Компьютерное моделирование формирования 50-тонного листового слитка / Ф.К. Биктагиров, В.А. Шаповалов, А.В. Гнатушенко, Р.Ю. Качан // Металл и литье Украины. — 2019. — № 5-6 (312-313). — С. 14-20. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT biktagirovfk kompʹûternoemodelirovanieformirovaniâ50tonnogolistovogoslitka AT šapovalovva kompʹûternoemodelirovanieformirovaniâ50tonnogolistovogoslitka AT gnatušenkoav kompʹûternoemodelirovanieformirovaniâ50tonnogolistovogoslitka AT kačanrû kompʹûternoemodelirovanieformirovaniâ50tonnogolistovogoslitka AT biktagirovfk kompûternemodelûvannâformuvannâ50tonnogolistovogozlitka AT šapovalovva kompûternemodelûvannâformuvannâ50tonnogolistovogozlitka AT gnatušenkoav kompûternemodelûvannâformuvannâ50tonnogolistovogozlitka AT kačanrû kompûternemodelûvannâformuvannâ50tonnogolistovogozlitka AT biktagirovfk computermodellingof50tonsheetingotformingprocess AT šapovalovva computermodellingof50tonsheetingotformingprocess AT gnatušenkoav computermodellingof50tonsheetingotformingprocess AT kačanrû computermodellingof50tonsheetingotformingprocess |
| first_indexed |
2025-11-25T20:46:06Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:46:06Z |
| _version_ |
1850531273384132608 |
| fulltext |
14 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313)
сокопрочной стали металл разливают в плоские слит-
ки массой до 50 тонн. При прокатке таких слитков на
плиты большой толщины (180 мм и более) в зоне,
соответствующей верхней части слитка, нередко при
ультразвуковом контроле выявляются дефекты.
Хорошо известно, что образование и развитие
дефектов в стальном слитке связано со сложными
гидродинамическими, теплофизическими и физико-
химическими процессами, происходящими при пере-
ходе металла из жидкого состояния в твердое. Ока-
зывают влияние на эти процессы много факторов, в
том числе такие, как способ разливки, геометриче-
ские параметры разливочной оснастки, марка стали,
температура разливки, способ утепления прибыли
и ряд других. Учитывая трудоемкость и сложность
исследования слитков, особенно крупных, путем их
производства и дальнейшего изучения внутреннего
Н
есмотря на все большее распространение непре-
рывной разливки стали на установках машин не-
прерывного литья заготовок (МНЛЗ), определен-
ная доля жидкого металла разливается в излож-
ницы с получением крупных слитков массой десятки
и сотни тонн. Они предназначены для производства
изделий, которые невозможно или нецелесообразно
получать непрерывной разливкой. В основном это
так называемые круглые кузнечные слитки, подвер-
гаемые ковке (прессованию) для придания им фор-
мы, близкой к геометрическим размерам конкретных
изделий, таких как прокатные валки, роторы, диски и
им подобные. Помимо кузнечных слитков разливкой
в изложницы получают и плоские слитки, предназна-
ченные для производства толстолистового проката.
Так для производства горячекатаного листа (плит)
толщиной от 80 до 250 мм из низколегированной вы-
УДК 621.746.6:531.42:62-412
Ф.К. Биктагиров, д-р техн. наук, ст. науч. сотр., вед. науч. сотр., e-mail: biktagirov@paton.kiev.ua
В.А. Шаповалов, чл.-корр. НАН Украины, проф., зав. отделом, e-mail: shapovalov@paton.kiev.ua
А.В. Гнатушенко, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., ст. науч. сотр., e-mail: sasha-1978@ukr.net
Р.Ю. Качан, вед. инженер, e-mail: kachan808@gmail.com
Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, Украина
Компьютерное моделирование формирования 50-тонного
листового слитка
Статья посвящена исследованию особенностей формирования 50-тонного листового слитка из стали типа
15Г2СФ, идущего на изготовление толстолистового проката. С использованием программного пакета «Mag-
maSoft» выполнено компьютерное моделирование разливки и затвердевания металла. Показано, что после
окончания разливки сифонным способом металл в центральной осевой зоне слитка имеет более высокую
температуру по сравнению с вышележащими горизонтами. Также более прогретой, до температуры 650–700 °С,
является центральная по высоте зона изложницы.
Согласно результатам моделирования, полное время затвердевания металла при получении данного слитка
составляет около 8 часов. По мере затвердевания металла увеличивается протяженность двухфазной зоны и,
начиная примерно с 2 часов после окончания разливки, темп нарастания объема жидко-твердой области резко
возрастает. Так, к 3 часам с начала периода затвердевания протяженность двухфазной зоны по оси слитка
составляет около 35 % от высоты тела слитка, а к 4,5–5 часам – уже почти 80 %. Моделирование показывает,
что постепенно происходит сужение металлической ванны на уровне верха изложницы, и к 3,5 часам после
окончания разливки двухфазная зона в верхней части слитка полностью перекрывает нижележащие области
жидкого состояния. Поэтому с этого времени затрудняется поступление жидкого металла из прибыли вглубь
слитка, что приводит к образованию на расстоянии 300–500 мм от его верха усадочных пустот и повышенной
пористости металла.
Выявленные особенности формирования 50-тонного листового слитка свидетельствуют о наличии в нем
дефектов усадочного происхождения, которые могут выявляться при ультразвуковом контроле толстолистового
проката. Поэтому необходимо повышать качество исходной литой заготовки, например, применяя технологию
электрошлакового обогрева и подпитки, которая позволяет повысить не только физическую, но и химическую
однородность подобных слитков.
Ключевые слова: плоский слиток, моделирование, «MagmaSoft», разливка, температура металла,
затвердевание, двухфазная зона, усадочные дефекты.
РАЗЛИВКА СТАЛИ В СЛИТКИ
15ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313)
РАЗЛИВКА СТАЛИ В СЛИТКИ
модели разливочной оснастки (рис. 2). Прибыльная
надставка по периметру утепляется теплоизолиру-
ющими вкладышами толщиной 60 мм, в процессе
заливки на зеркало металла подается утепляющая
смесь в количестве 120–140 кг.
Основные сведения, необходимые для выполне-
ния расчета гидродинамики разливки и кристаллиза-
ции металла, касающиеся теплофизических свойств
металла, в том числе их температурные изменения,
особенностей процессов теплопередачи как в метал-
лической ванне, так и на границе металл-изложница
и изложница-окружающая среда в различные перио-
ды формирования слитка, теплоизоляционные свой-
ства применяемых для утепления прибыли тепло-
изолирующих смесей и огнеупорных изделий и ряд
других были выбраны из базы данных упоминаемого
программного пакета «MagmaSoft».
Исследование формирования рассматриваемого
листового слитка включало в себя моделирование
разливки и моделирование затвердевания залитого в
изложницу металла. Согласно полученным результа-
там, время заполнения металлом изложницы и при-
быльной надставки составило около 25 минут, что со-
ответствовало времени заливки в реальных условиях.
Температурное поле тела слитка после окончания
разливки неоднородное. Хорошо видно, что наиболее
высокую температуру в пределах 1523–1529 °С имеет
металл в центральной (условно осевой) зоне шири-
ной 150–200 мм практически по всей высоте слитка,
а также в верхней части прибыльной надставки (рис.
3). Причем этот осевой «шлейф» наиболее перегре-
того металла имеет небольшое отклонение в сторону,
противоположную сифонной проводке.
Обращает на себя внимание то, что температура
металла в центральной зоне самой верхней части
тела слитка ниже по сравнению с нижележащими го-
ризонтами. А самую высокую температуру имеет уча-
строения, в настоящее время для прогнозирования
влияния тех или иных параметров на качество литых
изделий широко применяются методы моделирования.
Поэтому с целью выявления причин образования
дефектов в упоминаемых листовых слитках прово-
дилось моделирование затвердевания металла при
их отливке.
Первоначально выполнялось математическое
(компьютерное) моделирование с использованием
программного комплекса «MagmaSoft», широко ис-
пользуемого для моделирования процессов литья и
затвердевания металла [1]. Исследования проводи-
лись применительно к производству слитка массой
50 т из стали типа 15Г2СФ c содержанием основных
легирующих элементов, % мас.: C = 0,14–0,16; Mn =
= 1,2–1,4; Si = 0,3–0,5; V = 0,1–0,15; Nb = 0,03–0,05;
Ni = 0,1–0,2. Температура ликвидуса этой стали –
1510 °С, а солидуса – 1440 °С.
Размеры внутренней полости изложницы и при-
быльной надставки моделируемого слитка приведе-
ны на рис. 1.
Разливка металла с температурой 1535–1540 °С
при производстве данного слитка осуществляется в
чугунную изложницу, подогретую до 100 °С сифон-
ным способом через один установленный по центру
слитка стакан диаметром 60 мм при диаметре си-
фонной проводки 110 мм, как это показано на раз-
резе поперек середины широкой грани слитка 3Д
Геометрические размеры внутренней полости из-
ложницы и прибыльной надставки для отливки 50-тонного
листового слитка
Вид оснастки и схема разливки при получении ли-
стового слитка массой 50 т
Рис. 1.
Рис. 2.
16 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313)
РАЗЛИВКА СТАЛИ В СЛИТКИ
сток в донной части слитка, непосредственно примы-
кающий к месту поступления металла в изложницу.
Такая картина распределения температуры в объеме
залитого в изложницу металла является следствием
сочетания гидродинамических процессов, характер-
ных для сифонной разливки в целом, с особенностя-
ми металлических потоков, возникающих в рассма-
триваемых условиях получения конкретного слитка.
Программный пакет «MagmaSoft» рассчитывает
при заливке и прогрев оснастки, который оказывает
влияние в дальнейшем на условия теплоотвода от
затвердевающего металла и учитывается при оцен-
ке хода кристаллизации. Так согласно результатам
моделирования на время окончания заливки наибо-
лее прогретой, до температуры 650–700 °С, являет-
ся центральная по высоте зона изложницы. Донная
часть изложницы вследствие охлаждающего дей-
ствия поддона имеет температуру на 100–150 °С ни-
же. Также меньше по сравнению с изложницей про-
грев прибыльной надставки, которая изолирована от
горячего металла огнеупорным материалом.
Дальнейшее моделирование кристаллизации
металла осуществлялось с учетом теплового состо-
яния слитка и оснастки, которое было выявлено на
момент окончания разливки. Отмеченные факторы –
неравномерность температуры металла и темпера-
туры оснастки имеют очень важное значение с точ-
ки зрения формирования слитка, так как оказывают
влияние на условия теплоотвода от различных по
высоте его участков. Если бы моделировалось за-
твердевание металла после мгновенного заполнения
изложницы, имеющей одинаковую температуру по
высоте, жидким металлом определенной температу-
ры, одинаковой для всего объема слитка, результаты
такого моделирования не соответствовали бы тому,
что происходит в реальных условиях.
Математическое моделирование затвердевания с
помощью программного пакета «MagmaSoft» позво-
ляет отследить изменение большого числа показате-
лей, имеющих отношение к затвердеванию металла,
залитого в изложницу. Помимо сведений о темпера-
турном поле слитка и связанного с этим данных о
времени полного затвердевания, динамики продви-
жения фронта кристаллизации, изменении объема
(массы) жидкого и твердого металла, положения тех
или иных изотерм, моделирование показывает нали-
чие и места сосредоточения усадочных пустот и по-
вышенной рыхлости, оценивает плотность металла,
в том числе по критерию Ниямы [2]. А также рассчи-
тывает степень напряженно-деформационного со-
стояния как слитка, так и изложницы и даже степень
ликвации растворенных в железе элементов.
Наиболее информативными и показательными, с
точки зрения понимания условий формирования рас-
сматриваемого слитка, являются данные о положении
во времени изотерм ликвидуса и солидуса. То есть
сведения о продвижении фронта начала и окончания
кристаллизации металла. На рис. 4 в качестве приме-
ра показан вид затвердевающего слитка по двум осе-
вым сечениям вдоль широкой и узкой его граней с вы-
делением областей полностью затвердевшего метал-
ла, двухфазной области и оставшейся жидкой фазы.
Как следует из результатов моделирования, после
окончания периода заливки возле стенок изложницы
уже имеется корка затвердевшего металла с неболь-
шой следующей за ней зоной двухфазного состояния.
Только в донной части слитка в прилегающей к одной
из граней изложницы области имеется довольно раз-
витая двухфазная зона. Это результат ранее описан-
ной неравномерности температурного поля слитка
вследствие сифонной разливки. Количество жидкой
незатвердевшей фазы к этому времени составляет
около 90 % от всего объема залитого металла.
Первоначально по мере протекания процесса
кристаллизации количество затвердевшего металла
быстро увеличивается, а количество жидкого, есте-
ственно, уменьшается. Так спустя всего 40 минут
после окончания разливки количество жидкой фазы
составляет около 60 %. К этому времени еще сохра-
няется тепло перегрева металла, и область двухфаз-
ного состояния не получает значительного развития.
В дальнейшем темп нарастания твердой фазы
снижается, а объем области двухфазного состояния
наоборот увеличивается, и к 3 часам с начала пери-
ода затвердевания протяженность твердо-жидкой зо-
ны (d) по оси слитка составляет почти 35 % от высоты
тела слитка (рис. 5).
Обращает на себя внимание то, что к этому вре-
мени (рис. 4, в), четко видно наличие сужения метал-
лической ванны на уровне верха изложницы. Скорее
всего, это следствие сочетания нескольких факто-
ров. А именно, более низкой температуры металла и
изложницы в этой области к моменту окончания раз-
ливки по сравнению с нижележащими уровнями, а
также «угловой эффект» повышенного теплоотвода
с верхней плоскости изложницы и в местах перехода
от узкой ее грани к широкой.
Вышеописанная особенность формирования ис-
следуемого листового слитка приводит к тому, что
спустя около 3,5 часа с начала периода затвердева-
Температурное поле слитка после окончания раз-
ливки
Рис. 3.
17ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313)
РАЗЛИВКА СТАЛИ В СЛИТКИ
ния, двухфазная зона в верхней части слитка полно-
стью перекрывает остающуюся ниже еще незатвер-
девшую жидкую часть слитка. Хорошо это видно на
приведенной на рис. 4 (г) картине положения обла-
стей твердой, жидко-твердой и жидкой фаз после 3 ч
50 мин после окончания разливки. Поэтому с этого
времени затрудняется поступление жидкого металла
из прибыли в тело слитка и подпитка претерпеваю-
щего усадку незакристаллизовавшегося металла. В
итоге после полного затвердевания всего металла,
которое согласно моделированию наступает спустя
примерно 7 ч 50 мин после окончания разливки, в
осевой верхней зоне слитка образуется усадочная
полость, как это показано на рис. 6. Да и вся цен-
тральная зона слитка, ввиду формирования здесь
протяженной области двухфазного состояния почти
Вид формирующегося слитка спустя: 6 мин (а), 38 мин (б), 2 ч 49 мин (в) и 4 ч 50 мин (г) после окончания разливки:
1 – полностью затвердевший металл; 2 – двухфазная область; 3 – жидкий металл
Изменение объема жидкой фазы (V) и протяженности двухфазной зоны по оси слитка (d)
Рис. 4.
Рис. 5.
а
в
б
г
V,
V
18 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313)
РАЗЛИВКА СТАЛИ В СЛИТКИ
на всю его высоту, имеет повышенную пористость.
Таким образом, результаты математического мо-
делирования формирования 50-тонного листового
слитка свидетельствуют, что при его производстве
он в центральной области имеет дефекты усадоч-
ного происхождения, которые получают наибольшее
развитие в подприбыльной его части на расстоянии
300–500 мм от верха тела слитка. Поэтому после
прокатки таких слитков на плиты большой толщины
они и выявляются при ультразвуковом контроле.
Учитывая проблемы с производством толстых
плит из подобных 50-тонных слитков, ведется поиск
способов повышения их качества. Одним из таких пу-
тей является использование технологии электрошла-
кового переплава (ЭШП) [3]. Однако себестоимость
слитков ЭШП более чем в два раза выше, по срав-
нению с традиционным методом литья в изложницы.
Как следует из вышеприведенных результатов моде-
лирования, для исключения усадочных дефектов необ-
ходимо предотвратить образование «моста» из затвер-
девающего металла на уровне верхнего среза изложни-
цы на ранних стадиях формирования рассматриваемого
слитка. Для этого требуется достаточно длительное вре-
мя обеспечивать температуру металла в проблемной
зоне выше температуры нижележащих слоев. Традици-
онными методами – увеличением степени теплоизоля-
ции прибыли и ее объема достичь таких условий, скорее
всего, будет сложно или даже невозможно.
В работе [4] на примере математического модели-
рования формирования крупного кузнечного слитка с
оценкой плотности металла по критерию Ниямы бы-
ло показано, что только при дополнительном подо-
греве металла в прибыли возможно полностью пода-
вить развитие дефектов усадочного происхождения.
Из известных методов подвода дополнительного теп-
ла к прибыли стальных слитков в промышленности
нашли применение разработки, основанные на элек-
трошлаковых технологиях. Это способы электрошла-
кового обогрева и электрошлаковой подпитки ЭШО,
ЭШО(п), БЭСТ И ТРЕСТ – процессы [5–7]. В том чис-
ле применительно к производству крупных листовых
слитков [8]. Необходимо отметить, что отсутствие
твердой корки на зеркале металла при электрошла-
ковом обогреве прибыли дает возможность помимо
собственно подвода тепла к слитку еще и активно
вмешиваться в процессы его затвердевания исполь-
зуя, например, перемешивание жидкой сердцевины
слитка тем или иным методом с целью не только
борьбы с усадочными дефектами, но и для подавле-
ния развития ликвационных процессов.
Выводы
Результаты компьютерного моделирования от-
ливки 50-тонного листового слитка с использованием
программного пакета «MagmaSoft» позволяют на-
глядно представить процессы теплообмена, которые
происходят при разливке и затвердевании металла
и определяют его физическую и химическую неодно-
родность. Для разработки реалистичных технологий
улучшения качества слитка необходимо исследовать
влияние на процессы теплообмена методов допол-
нительного воздействия на условия формирования
слитка (подвод дополнительного тепла, подпитка,
внешнее воздействие и др.). Ввиду того, что возмож-
ности моделирования с использованием программ-
ного пакета «MagmaSoft» в этом плане ограничены,
могут быть использованы методы физического моде-
лирования с анализом имеющихся и вновь получен-
ных результатов, а также данных изучения качества
реальных слитков, полученных с воздействием раз-
личных факторов на процесс затвердевания.
Вид и расположение общей пористости в листовом слитке массой 50 тРис. 6.
19ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313)
РАЗЛИВКА СТАЛИ В СЛИТКИ
1. Тарасевич Н.И., Корниец И.В., Тарасевич И.Н., Дудченко А.В. Сравнительный анализ систем компьютерного модели-
рования металлургических и литейных процессов. Металл и литье Украины. 2010. № 5. С. 20–25.
2. Коротченко А.Ю. Критерии образования усадочной пористости в отливках. Литейщик России. 2010. № 4. С. 43–47.
3. Чжоу-хуа Цзян, Сю Чень, Синь Ген, Цян Ю. Металлургические характеристики крупных слябов, полученных электро-
шлаковым переплавом. Современная электрометаллургия. 2018. № 2. С. 19–27.
4. Ефимов М.В., Биктагиров Ф.К., Тарасевич Н.И. и др. Влияние технологических параметров на плотность металла при
получении крупных слитков. Металл и литье Украины. 2017. № 8–10. С. 25–30.
5. Биктагиров Ф.К., Шаповалов В.А., Ефимов М.В. и др. Повышение качества крупных слитков. Современная электро-
металлургия. 2011. № 1. С. 7–11.
6. Махнер П. Опыт производства крупных кузнечных слитков с помощью БЭСТ-процесса и состояние технологии элек-
трошлаковой подпитки. Электрошлаковый переплав, вып. 6. Киев: Наукова думка, 1983. С. 306–316.
7. Базеви С., Скепи М., Репетто Е. Способ ТРЭСТ для производства валов роторов высокого давления из хромомолиб-
денованадиевой стали. Электрошлаковый переплав, вып. 6. Киев: Наукова думка, 1983. С. 317–321.
8. Плекингер Е., Штраубе, Махнер П., Вайс Ф. Использование БЭСТ-процесса для производства листовых слитков.
Электрошлаковый переплав, вып. 5. Киев: Наукова думка, 1979. С. 267–269.
1. Tarasevich, N.I., Korniets, I.V., Tarasevich, I.N., Dudchenko, A.V. (2010). Comparative analysis of computer modeling systems
for metallurgical and foundry processes. Metall i lit’e Ukrainy, no. 5, pp. 20–25 [in Russian].
2. Korotchenko, A.Yu. (2010). Criteria for the formation of shrinkage porosity in castings. Liteishchik Rossii, no. 4, pp. 43–47 [in
Russian].
3. Zhou-hua Jiang, Xu Chen, Xin Geng, Qiang Yu. (2018). Metallurgical characteristics of large slabs, produced by electroslag
remelting. Sovremennaya elektrometallurgiya, no. 2, pp. 19–27 [in Russian].
4. Efimov, M.V., Biktagirov, F.K., Tarasevich, N.I. et al. (2017). Influence of technological parameters on metal density at large
ingots manufacturing. Metall i lit’e Ukrainy, no. 8–10, pp. 25–30 [in Russian].
5. Biktagirov, F.K., Shapovalov, V.A., Efimov, M.V. et al. (2011). Improving the quality of large ingots. Sovremennaya
elektrometallurgiya, no. 1, pp. 7–11 [in Russian].
6. Mahner, P. (1983). Experience in the production of large forging ingots using the BEST process and the state of the technology
of electroslag feed. Electroslag remelting, lss. 6. Kyiv: Naukova dumka, pp. 306–316 [in Russian].
7. Bazevi, S., Skeli, M., Repetto, E. (1983). Method TREST for the production of high-pressure rotor shafts from chrome-
molybdenum-vanadium steel. Electroslag remelting, lss. 6. Kyiv: Naukova dumka, pp. 317–321 [in Russian].
8. Plekinger, E., Shtraube, Mahner, P., Wais, F. (1979). Using the BEST process for the production of sheet ingots. Electroslag
remelting, lss. 5. Kyiv: Naukova dumka, pp. 267–269 [in Russian].
ЛИТЕРАТУРА
REFERENCES
Поступила 03.07.2019
Received 03.07.2019
Анотація
Ф.К. Біктагіров, д-р техн. наук, ст. наук. співр., пров. наук. співр., e-mail:
biktagirov@paton.kiev.ua; В.О. Шаповалов, чл.-кор. НАН України, проф.,
зав. відділу, e-mail: shapovalov@paton.kiev.ua; О.В. Гнатушенко, канд.
техн. наук, ст. наук. співр., ст. наук. співр., e-mail: sasha-1978@ukr.net;
Р.Ю. Качан, пров. інженер, e-mail: kachan808@gmail.com
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ,
Україна
Комп’ютерне моделювання формування 50-тонного листового злитка
Статтю присвячено дослідженню особливостей формування 50-тонного листового злитка зі сталі типу 15Г2СФ, що йде
на виготовлення товстолистового прокату. З використанням програмного пакету «MagmaSoft» виконано комп’ютерне
моделювання розливки і затвердіння металу. Показано, що після закінчення розливки сифонним способом метал
у центральній осьовій зоні злитка має більш високу температуру у порівнянні з розташованими вище горизонтами.
20 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313)
РАЗЛИВКА СТАЛИ В СЛИТКИ
Summary
This article is devoted to investigation of peculiarities of 50-ton sheet ingot formation from steel of the type 15Г2СФ, which
is used to manufacture steel plates. With the use of the software package “MagmaSoft” computer simulation of casting and
solidification of metal was performed. It is shown, that after completion of siphon casting, the metal in central axial zone of
the ingot has a higher temperature than the overlying horizons. Central zone by height of the mold is also more heated to a
temperature of 650–700 °C.
According to the simulation results, the total solidification time of the metal upon making this ingot is about 8 hours. As the
metal solidifies, the length of the two-phase zone increases and, starting from about 2 hours after the end of casting, the
rate of the liquid-solid state volume growth increases sharply. By 3 o’clock from the beginning of the solidification period,
the length of the two-phase zone along the ingot axis is about 35 % of the ingot body height, and by 4.5–5 hours it is already
almost 80 %. Modeling shows that a narrowing of the metal bath at the top of the mold gradually occurs and by 3.5 hours after
the end of the casting, the two-phase zone in the upper part of the ingot completely covers the underlying areas of the liquid
state. Therefore, from this time on, it is difficult for liquid metal to flow deep down in the ingot, which leads to the formation of
shrinkage voids and increased metal porosity at the distance of 300–500 mm from the ingot top.
The revealed features of 50-ton sheet ingot formation indicate the presence of shrinkage origin defects in it, which can be
detected with ultrasonic thick plates testing. Therefore, it is necessary to improve the initial cast billet quality, for example,
using the electroslag heating and feed technology, that allows you to improve both physical and chemical homogeneity of
such ingots.
F.K. Biktagirov, Dr. Sci. (Engin.), Senior Research Scientist, Leading
Researcher, e-mail: biktagirov@paton.kiev.ua; V.A. Shapovalov,
Corresponding Member of the National Academy of Sciences of Ukraine,
Professor, Department Head, e-mail: shapovalov@paton.kiev.ua;
A.V. Gnatushenko, PhD (Engin.), Senior Research Scientist, Senior
Researcher, e-mail: sasha-1978@ukr.net; R.Yu. Kachan, Leading engineer,
e-mail: kachan808@gmail.com
E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine
Computer modelling of 50-ton sheet ingot forming process
Ключові слова
Плоский злиток, моделювання, «MagmaSoft», розливка, температура металу, затвердіння,
двофазна зона, усадкові дефекти.
Flat ingot, modelling, «MagmaSoft», casting, metal temperature, solidification, two-phase zone,
shrinkage defects.Keywords
Також більш прогрітою, до температури 650–700 °С, є центральна за висотою зона виливниці.
Згідно з результатами моделювання, повний час затвердіння металу при отриманні даного злитка складає близько
8 годин. У міру затвердіння металу збільшується протяжність двофазної зони і, починаючи приблизно з 2 годин після
закінчення розливки, темп нарощування об’єму рідко-твердої області різко зростає. Так, через 3 години з початку
періоду затвердіння протяжність двофазної зони за віссю злитка складає близько 35 % від висоти тіла злитка, а
через 4,5–5 годин – вже майже 80 %. Моделювання показує, що поступово відбувається звуження металевої ванни
на верхньому рівні виливниці, та через 3,5 години після закінчення розливки двофазна зона у верхній частині злитка
повністю перекриває розташовані нижче області рідкого стану. Тому з цього часу ускладнюється надходження рідкого
металу із надливу вглиб злитка, що призводить до утворення на відстані 300–500 мм від його верху усадкових порожнин
і підвищеної пористості металу.
Виявлені особливості формування 50-тонного листового злитка свідчать про наявність у ньому дефектів усадкового
походження, які можуть бути виявлені при ультразвуковому контролі товстолистового прокату. Тому необхідно
підвищувати якість вихідної литої заготовки, наприклад, використовуючи технологію електрошлакового обігріву та
підживлення, яка дозволяє підвищити не тільки фізичну, а й хімічну однорідність подібних злитків.
|