Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины

Наиболее эффективным методом исследования динамики затвердевания различного рода слитков является физическое моделирование. Создана физическая модель, имитирующая поперечное сечение непрерывнолитой заготовки. Представлены результаты физического моделирования процесса затвердевания непрерывнолитой за...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Металл и литье Украины
Date:	2019
Main Authors:	Смирнов, А.Н., Ухин, В.Е., Верзилов, А.П.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2019
Subjects:	Процессы непрерывной разливки стали
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166686
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:	Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины / А.Н. Смирнов, В.Е. Ухин, А.П. Верзилов // Металл и литье Украины. — 2019. — № 5-6 (312-313). — С. 21-27. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-166686
record_format	dspace
spelling	Смирнов, А.Н. Ухин, В.Е. Верзилов, А.П. 2020-02-29T09:26:25Z 2020-02-29T09:26:25Z 2019 Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины / А.Н. Смирнов, В.Е. Ухин, А.П. Верзилов // Металл и литье Украины. — 2019. — № 5-6 (312-313). — С. 21-27. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 2077-1304 DOI: https://doi.org/10.15407/steelcast2019.05.021 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166686 669.18 Наиболее эффективным методом исследования динамики затвердевания различного рода слитков является физическое моделирование. Создана физическая модель, имитирующая поперечное сечение непрерывнолитой заготовки. Представлены результаты физического моделирования процесса затвердевания непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины. Отображены особенности формирования кристаллической структуры непрерывнолитой сортовой заготовки в процессе принудительного перемешивания ее жидкой сердцевины магнитным полем на разных этапах затвердевания. Найбільш ефективним методом дослідження динаміки твердіння різного роду злитків є фізичне моделювання. Створено фізичну модель, що імітує поперечний переріз безперервнолитої заготовки. Представлено результати фізичного моделювання процесу твердіння безперервнолитої заготовки під час примусового перемішування її рідкої серцевини. Відображено особливості формування кристалічної структури безперервнолитої сортової заготовки в процесі примусового перемішування її рідкої серцевини магнітним полем на різних етапах твердіння. The most effective method for studying the dynamics of solidification of various kinds of ingots is physical modeling. A physical model that simulates a cross section of a continuously cast billet was created. The results of physical modeling of the continuously cast billet solidification process with the forced stirring of its liquid core are presented. The features of the continuously cast billet crystal structure formation during the forced stirring of its liquid core with a magnetic field at different stages of solidification are shown. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Металл и литье Украины Процессы непрерывной разливки стали Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины Дослідження особливостей формування кристалічної структури безперервнолитої заготовки під час примусового перемішування її рідкої серцевини Investigation of billet crystal structure formation features during forced stirring of its liquid core Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины
spellingShingle	Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины Смирнов, А.Н. Ухин, В.Е. Верзилов, А.П. Процессы непрерывной разливки стали
title_short	Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины
title_full	Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины
title_fullStr	Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины
title_full_unstemmed	Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины
title_sort	исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины
author	Смирнов, А.Н. Ухин, В.Е. Верзилов, А.П.
author_facet	Смирнов, А.Н. Ухин, В.Е. Верзилов, А.П.
topic	Процессы непрерывной разливки стали
topic_facet	Процессы непрерывной разливки стали
publishDate	2019
language	Russian
container_title	Металл и литье Украины
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
format	Article
title_alt	Дослідження особливостей формування кристалічної структури безперервнолитої заготовки під час примусового перемішування її рідкої серцевини Investigation of billet crystal structure formation features during forced stirring of its liquid core
description	Наиболее эффективным методом исследования динамики затвердевания различного рода слитков является физическое моделирование. Создана физическая модель, имитирующая поперечное сечение непрерывнолитой заготовки. Представлены результаты физического моделирования процесса затвердевания непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины. Отображены особенности формирования кристаллической структуры непрерывнолитой сортовой заготовки в процессе принудительного перемешивания ее жидкой сердцевины магнитным полем на разных этапах затвердевания. Найбільш ефективним методом дослідження динаміки твердіння різного роду злитків є фізичне моделювання. Створено фізичну модель, що імітує поперечний переріз безперервнолитої заготовки. Представлено результати фізичного моделювання процесу твердіння безперервнолитої заготовки під час примусового перемішування її рідкої серцевини. Відображено особливості формування кристалічної структури безперервнолитої сортової заготовки в процесі примусового перемішування її рідкої серцевини магнітним полем на різних етапах твердіння. The most effective method for studying the dynamics of solidification of various kinds of ingots is physical modeling. A physical model that simulates a cross section of a continuously cast billet was created. The results of physical modeling of the continuously cast billet solidification process with the forced stirring of its liquid core are presented. The features of the continuously cast billet crystal structure formation during the forced stirring of its liquid core with a magnetic field at different stages of solidification are shown.
issn	2077-1304
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166686
citation_txt	Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины / А.Н. Смирнов, В.Е. Ухин, А.П. Верзилов // Металл и литье Украины. — 2019. — № 5-6 (312-313). — С. 21-27. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT smirnovan issledovanieosobennosteiformirovaniâkristalličeskoistrukturynepreryvnolitoizagotovkipriprinuditelʹnomperemešivaniieežidkoiserdceviny AT uhinve issledovanieosobennosteiformirovaniâkristalličeskoistrukturynepreryvnolitoizagotovkipriprinuditelʹnomperemešivaniieežidkoiserdceviny AT verzilovap issledovanieosobennosteiformirovaniâkristalličeskoistrukturynepreryvnolitoizagotovkipriprinuditelʹnomperemešivaniieežidkoiserdceviny AT smirnovan doslídžennâosoblivosteiformuvannâkristalíčnoístrukturibezperervnolitoízagotovkipídčasprimusovogoperemíšuvannâíírídkoísercevini AT uhinve doslídžennâosoblivosteiformuvannâkristalíčnoístrukturibezperervnolitoízagotovkipídčasprimusovogoperemíšuvannâíírídkoísercevini AT verzilovap doslídžennâosoblivosteiformuvannâkristalíčnoístrukturibezperervnolitoízagotovkipídčasprimusovogoperemíšuvannâíírídkoísercevini AT smirnovan investigationofbilletcrystalstructureformationfeaturesduringforcedstirringofitsliquidcore AT uhinve investigationofbilletcrystalstructureformationfeaturesduringforcedstirringofitsliquidcore AT verzilovap investigationofbilletcrystalstructureformationfeaturesduringforcedstirringofitsliquidcore
first_indexed	2025-11-25T22:47:36Z
last_indexed	2025-11-25T22:47:36Z
_version_	1850573816356405248
fulltext	21ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313) зы непрерывнолитой заготовки посредством наложе- ния различного рода электромагнитных полей [2–6]. Несмотря на технические трудности, существен- ные положительные результаты по применению электромагнитных воздействий в части торможения потоков стали и стабилизации уровня расплава в кри- сталлизаторах были достигнуты еще в 80-е годы про- шлого века. Такой научно-технологический прорыв стал возможен благодаря развитию представлений о механизме кристаллизации непрерывнолитых за- готовок в условиях воздействия на фронт кристалли- зации принудительных потоков [7], а также благодаря разработке нового поколения электротехнического В процессе разливки стали на МНЛЗ на формиру- ющуюся заготовку оказываются различного рода воздействия, которые включают конвективное движение потоков металла и вдуваемого газа в кристаллизаторе, вибрационные и электромагнит- ные воздействия, упруго-пластические деформации и пр. [1]. Для подавления и предотвращения дефектов кри- сталлизационного, усадочного и ликвационного ха- рактера все большее распространение получают спе- циальные технические приемы, которые позволяют управлять качеством металла за счет регламентиро- ванного принудительного перемешивания жидкой фа- УДК 669.18 А.Н. Смирнов1, д-р техн. наук, проф., вед. науч. сотр, e-mail: stalevoz@i.ua, https://orcid.org/0000-0001-5247-3908 В.Е. Ухин2, канд. техн. наук, инженер по патентной и изобретательской работе, e-mail: ukhinvladimir@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-3560-4130, http://www.researcherid.com/rid/P-9805-2015 А.П. Верзилов1, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., e-mail: verzilovalex@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-0463-5006 1Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, Украина, 2ОАО «Шеффилд рефракторис Украина», Днепр, Украина Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины Наиболее эффективным методом исследования динамики затвердевания различного рода слитков является физическое моделирование. Создана физическая модель, имитирующая поперечное сечение непрерывнолитой заготовки. Представлены результаты физического моделирования процесса затвердевания непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины. Отображены особенности формирования кристаллической структуры непрерывнолитой сортовой заготовки в процессе принудительного перемешивания ее жидкой сердцевины магнитным полем на разных этапах затвердевания. В результате проведенных экспериментов установлено, что в процессе принудительного перемешивания жидкой сердцевины при взаимодействии потока расплава с фронтом затвердевания скорость роста ветвей дендрита первого порядка снижается на 50–90 %, а скорость роста ветвей второго порядка увеличивается по сравнению со спокойным состоянием ванны на 20–90 %. При этом наибольшие значения увеличения скорости роста наблюдаются у дендритов, вторичные ветви которых растут в направлении, противоположном движению потока жидкости. Преимущественное развитие ветвей второго порядка дендритов кристаллов в этом случае позволяет заполнить объемы жидкости в межкристаллическом пространстве и увеличить плотность твердой оболочки. Показано, что вершины столбчатых кристаллов, выступающих за фронт затвердевания, отламываются, осколки дендритов попадают в жидкую ванну, а сами кристаллы деформируются при столкновении с движущимися равноосными кристаллами. При этом линия фронта затвердевания выравнивается, а формирующаяся кристаллическая структура уплотняется. Наличие частиц твердой фазы перед фронтом затвердевания в зоне роста столбчатых кристаллов, в свою очередь, при определенных условиях способствует ускорению перехода от зоны столбчатых к зоне равноосных кристаллов. Ключевые слова: машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), затвердевание, непрерывнолитая заготовка, кристаллическая структура, непрерывная разливка, электромагнитное перемешивание. ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ 22 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ определены авторами в лабораторных условиях, приведены в табл. 1 [12]. Для исследования особенностей формирования кристаллической структуры была создана физиче- ская модель, имитирующая поперечное сечение не- прерывнолитой сортовой заготовки. Принципиальная схема лабораторной установки приведена на рис. 1. Расплав камфена затвердевал в модели кристал- лизатора, которая изготовлена из алюминиевого сплава, что обеспечивает высокую интенсивность отвода тепла. Внутри модели кристаллизатора вмон- тированы медные трубки диаметром 5 мм, через которые с определенным расходом пропускается охлаждающая вода. К нижней части модели прикле- ено прозрачное стекло, которое позволяет визуали- зировать процессы затвердевания при пропускании света через жидкую ванну. Соответственно, при та- кой схеме интенсивность теплоотвода через водо- охлаждаемые стенки модели на несколько порядков выше, чем через мениск моделирующего вещества и прозрачное стекло. Физическая модель выполнена в масштабе 1:1 по отношению к моделируемому объекту – непре- рывнолитой сортовой заготовке сечением 100×100 мм. Температура заливки камфена составляла 38 ± 0,5 °С. Среднее значение температуры воды для охлаждения стенок модели составляло 18–20 °С. С целью предотвращения влияния теплоотвода через стекло и мениск расплавленного камфена на про- цесс затвердевания высота модельного слоя жидко- сти была принята равной 20 мм. Компенсация различий в теплофизических пара- метрах стали и камфена осуществлялась путем ре- гулирования интенсивности режимов отвода тепла таким образом, чтобы выполнялось условие тожде- ственности произведения критерия Био (Bі) и крите- рия фазового перехода (N) (Bі∙N = іdem). Временной масштаб моделирования µτ определяли исходя из идентичности критерия Фурье (Fo = іdem) в соответ- ствии с формулой: где am и ast – коэффициенты температуропроводности моделирующего вещества и стали соответственно. При этом наличие развитой двухфазной зоны учи- тывалось посредством эффективных значений коэф- фициентов температуропроводности, которые опре- делялись при помощи следующего уравнения: оборудования на соответствующей элементной базе, новых составов огнеупорных материалов, имеющих высокую термическую, химическую и механическую стойкость. На сегодня разработан целый ряд электромаг- нитных устройств, применяемых в различных зонах МНЛЗ для влияния на затвердевающую заготовку. Мировыми лидерами в этом направлении являются компании АВВ и JFE Steel [8]. Электромагнитное перемешивание (ЭМП) жид- котвердой фазы непрерывнолитой заготовки являет- ся результатом сложного взаимодействия электро- динамических, магнитогидродинамических и метал- лургических факторов. Создаваемое системой ЭМП магнитное поле, проникая сквозь затвердевшую оболочку слитка, инициирует в жидкой стали вихре- вые токи, под действием которых металл начинает вращаться. ЭМП улучшает качество подповерхност- ной и осевой зоны непрерывнолитых заготовок, так как оно воздействует на формирование кристалли- ческой структуры, перемещение неметаллических включений, химическую ликвацию и распределение газов [1]. Цель настоящей статьи заключается в изуче- нии особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой сортовой заготовки в процессе принудительного перемешивания ее жид- кой сердцевины магнитным полем на разных этапах затвердевания. Наиболее эффективным методом исследования динамики затвердевания различного рода слитков является физическое моделирование, поскольку в этом случае удается контролировать отвод тепла от исследуемого объекта в совокупности с визуализа- цией основных процессов, сопровождающих нара- щивание твердой фазы [1, 9–11]. При этом особое значение приобретает выбор моделирующего веще- ства, которое должно не только обладать оптической прозрачностью, но также иметь определенную сово- купность теплофизических характеристик, позволя- ющих обеспечить соответствующую систему крите- риев подобия. Дополнительным условием, которое представляется, по мнению авторов статьи, крайне важным, является затвердевание вещества по ден- дритному механизму. Как показывает анализ, в наибольшей степени вышеперечисленным требованиям удовлетворя- ет химическое соединение камфен (2,2-диметил- 3-метилен-бициклогептан), которое затвердевает с образованием дендритной структуры. При этом в жидком состоянии камфен сохраняет оптическую прозрачность вплоть до полного затвердевания. Те- плофизические свойства камфена, которые были Таблица 1 Некоторые физические и теплофизические свойства камфена Темпера- тура соли- дус, °С Темпера- тура ликви- дус, °С Теплота кри- сталлизации, кДж/кг Теплоемкость, кДж/(кг·К) Температуропро- водность, м2/с Поверхностное натяжение, Н/м Кинематическая вязкость, м2/с жидкий твердый 33 35 40,2 2,4 2,1 1,3·10-8 0,021 7,2·10-6 m L st a aτµ = ⋅ µ2, (1) (2) 23ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ Общая схема лабораторной установки для моде- лирования процесса затвердевания заготовки в кристалли- заторе: 1 – фиксирующая рама; 2 – осветительные лампы; 3 – фиксаторы для поддержания кристаллизатора; 4 – кри- сталлизатор; 5 – отверстия для пропускания охлаждающей воды; 6 – твердый слой камфена, намерзший в ходе за- твердевания; 7 – жидкий объем моделирующего вещества; 8 – прозрачное органическое стекло с низкой теплопрово- дностью; 9 – видеокамера; 10 – лабораторная двухлопаст- ная пропеллерная мешалка Схема «классического» механизма роста дендрит- ных кристаллов Рис. 1. Рис. 2. где λ – коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м·К); ρ – плотность вещества, кг/м3; С – средняя массовая теплоемкость вещества, кДж/(кг·К); L – те- плота кристаллизации вещества, кДж/кг; ∆Ткр – интер- вал температур затвердевания, °С. Принудительное перемешивание расплава мо- дельного вещества по часовой стрелке в горизон- тальной плоскости осуществлялось с помощью ла- бораторной двухлопастной пропеллерной мешалки, установленной в центре физической модели, со ско- ростью 60 оборотов в минуту. Процесс формирования твердой корочки веще- ства в лабораторной модели фиксировался при по- мощи цифровой видеокамеры в режиме макросъем- ки, что позволило визуализировать образование кри- сталлов и особенности формирования дендритной структуры. В ходе физического моделирования при отсут- ствии перемешивания жидкой фазы установлено, что механизм затвердевания модельного вещества при исследовании особенностей формирования кри- сталлической структуры непрерывнолитой заготовки имеет существенные отличия от «классического» механизма кристаллизации, при котором кристаллы растут параллельно друг другу (рис. 2). Основной особенностью формирования кристал- лической структуры является то, что направление роста столбчатых кристаллов в большинстве случа- ев является хаотичным относительно поверхности теплоотвода, а скорости роста отдельных дендритов отличаются на 25–35 %. При этом развитие близле- жащих кристаллов прекращается из-за столкновения с вторичными ветвями более интенсивно развиваю- щихся дендритов. Следствием этого процесса явля- ется отставание в затвердевании части жидкой фазы в междендритном пространстве толщиной равной 20–40 % от толщины твердой фазы слитка (рис. 3, а) [13]. Также физическое моделирование показало, что некоторые рядом расположенные столбчатые кри- сталлы растут под небольшим углом в разные сто- роны друг от друга. Это приводит к локальному про- никновению жидкой фазы вглубь плотной твердой оболочки на 40–60 %, что способствует локальному ухудшению прочности корочки в этой области, и что может стать причиной зарождения и образования трещин при появлении в этой зоне механических или температурных напряжений (рис. 3, б) [13]. Для изучения влияния электромагнитного пере- мешивания на формирование корочки заготовки в кристаллизаторе МНЛЗ вращение жидкой фазы модельного вещества в горизонтальной плоскости осуществлялось при условиях формирования разви- той дендритной структуры и отсутствия равноосных кристаллов в расплаве. В результате проведенных экспериментов установлено, что в процессе прину- дительного перемешивания жидкой сердцевины при взаимодействии потока расплава с фронтом затвер- девания, скорость роста ветвей дендрита первого порядка снижается на 50–90 %, а скорость роста вет- вей второго порядка увеличивается по сравнению со спокойным состоянием ванны на 20–90 % (рис. 4, а). При этом наибольшие значения увеличения скоро- сти роста наблюдаются у дендритов, вторичные вет- ви которых растут в направлении, противоположном движению потока жидкости. Преимущественное раз- витие ветвей второго порядка дендритов кристаллов в этом случае позволяет заполнить объемы жидко- сти в межкристаллическом пространстве и увеличить плотность твердой оболочки. Исследование особенностей формирования кри- сталлической структуры заготовки в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) при принудительном перемешива- нии жидкой сердцевины производилось при условии наличия развитой дендритной структуры и присут- 24 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ Схемы дендритных структур непрерывнолитой заготовки Кинограмма процесса отделения верхней части дендрита при ее столкновении с движущимся в расплаве равно- осным кристаллом: 1 – фронт затвердевания; 2 – столбчатый кристалл; 3 – равноосный кристалл Кинограмма процесса деформации дендрита при его столкновении с движущимся в расплаве равноосным кри- сталлом: 1 – фронт затвердевания; 2 – столбчатый кристалл; 3 – равноосный кристалл Рис. 3. Рис. 4. Рис. 5. ствия свободно перемещающихся равноосных кри- сталлов в расплаве. Физическое моделирование по- казало, что двигающиеся вместе с потоком металла равноосные кристаллы могут сталкиваться с высту- пающими над фронтом затвердевания вершинами столбчатых кристаллов и отламывать их (рис. 4, б, в, г). При этом отломанные части дендритов попадают в расплав и могут служить центрами кристаллизации. Также установлено, что при столкновении с массив- ным равноосным кристаллом столбчатый кристалл может деформироваться, при наличии достаточного количества пространства в формирующейся оболоч- ке, и вытеснить собой жидкую фазу (рис. 5). В результате выполненных исследований уста- новлено, что в процессе принудительного перемеши- вания жидкой сердцевины непрерывнолитой заготов- ки при взаимодействии потока расплава с фронтом затвердевания, снижается интенсивность роста пер- а а а б б в в г г б 25ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ 1. Смирнов А.Н., Куберский С.В., Подкорытов А.Л. и др. Непрерывная разливка сортовой заготовки Алчевск: ДонГТУ, 2012. 449 с. 2. Ефимов В.А. Современные технологии разливки и кристаллизации сплавов. М.: Машиностроение, 1998. 360 с. 3. Айзатулов Р.С., Кузьменко А.Г., Грачев В.Г. и др. Электромагнитное перемешивание жидкой стали в металлургии. М.: Металлургия, 1996. 184 с. 4. Самойлович Ю.А. Кристаллизация слитка в электромагнитном поле. М.: Металлургия, 1986. 168 с. 5. Бират Ж.-П., Шоне Ж. Электромагнитное перемешивание при непрерывной разливке заготовок, блюмов и слябов. До- стижения в области непрерывной разливки стали. Тр. Международного конгресса. М.: Металлургия, 1987. С. 98–116. 6. Гарнье М. Возможности и перспективы электромагнитной обработки материалов. Магнитная гидродинамика. 1996. Т. 32. № 2. С. 131–140. 7. Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Дубоделов В.И. и др. Открытие № 299 «Закономерность гомогенизации металличе- ского расплава и эжектирование неметаллических включений при наложении вертикальных потоков в расплаве» // Рег. № АНО/40-09 от 12.12.2005 г. на основании Решения № 181 от 09.12.2005 г. Международной Ассоциации Авторов Научных Открытий. 8. Эйдем М., Хаклю Х., Коллберг С. Применение устройств электромагнитного перемешивания (EMS) и установок элек- тромагнитного торможения (EMBR) при производстве стали. Труды международной конференции «Черная металлур- гия России и стран СНГ в 21 веке». Том 1. М.: Металлургия. 1994. С. 231–238. 9. Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Момот С.В., Амитан В.Н. Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях. Донецк: Изд-во «ВИК», 2002. 169 с. 10. Эльдарханов А.С., Ефимов В.А., Нурадинов А.С. Процессы формирования отливок и их моделирование. М.: Машино- строение, 2001. 208 с. 11. Смирнов А.Н., Куберский С.В., Головчанский А.В., Максаев Е.Н., Ухин В.Е. Исследование особенностей формирова- ния следов качания на поверхности непрерывнолитой заготовки. Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 4. С. 226–231. 12. Смирнов А.Н., Ухин В.Е., Жибоедов Е.Ю. Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой со- ртовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ. Процессы литья. 2009. № 1. С. 33–42. 13. Ухин В.Е. Исследование процесса формирования кристаллической структуры непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокопроизводительной МНЛЗ. Наукові праці ДонНТУ. Серія «Металургія». 2012. Випуск 14–15. С. 58–67. 1. Smirnov, A.N., Kubersky, S.V., Podkorytov, A.L. et al. (2012). Continuous casting of billets. Alchevsk: DonSTU, 449 p. [in Russian]. 2. Efimov, V.A. (1998). Modern technologies of casting and crystallization of alloys. Moscow: Mashinostroenie, 360 p. [in Russian]. 3. Aizatulov, R.S., Kuzmenko, A.G., Grachev, V.G. et al. (1996). Electromagnetic stirring of liquid steel in metallurgy. M.: Metallurgiya, 184 p. [in Russian]. 4. Samoilovich, Yu.A. (1986). Crystallization of an ingot in an electromagnetic field. Moscow: Metallurgiya. 168 p. [in Russian]. 5. Birat, J.-P., Chaunay, J. (1987). Electromagnetic stirring during continuous casting of billets, blooms and slabs. Achievements in the field of continuous casting of steel. Tr. International Congress. Moscow: Metallurgiya, pp. 98–116 [in Russian]. 6. Garnier, M. (1996). Opportunities and prospects of electromagnetic processing of materials. Magnetic hydrodynamics, Vol. 32, no. 2, pp. 131–140 [in Russian]. 7. Smirnov, A.N., Pilyushenko, V.L., Dubodelov V.I. et al. (2005). Opening No. 299 “The regularity of homogenization of a metal melt and ejection of non-metallic inclusions when superimposing vertical flows in the melt”. Reg. No. ANO/40–09 dated December 12, 2005 on the basis of Decision No. 181 dated December 9, 2005 of the International Association of Authors of Scientific Discoveries [in Russian]. ЛИТЕРАТУРА REFERENCES вичных ветвей дендритов, а скорость роста ветвей второго порядка, направленных против движения жидкости, увеличивается в 1,2–1,9 раза, что повыша- ет плотность и прочность корочки слитка. Показано, что вершины столбчатых кристаллов, выступающих за фронт затвердевания, отламываются, осколки дендритов попадают в жидкую ванну, а сами кристал- лы деформируются, при столкновении с движущими- ся равноосными кристаллами. При этом линия фрон- та затвердевания выравнивается, а формирующаяся кристаллическая структура уплотняется. Наличие частиц твердой фазы перед фронтом затвердевания в зоне роста столбчатых кристаллов, в свою очередь, при определенных условиях способствует ускорению перехода от зоны столбчатых к зоне равноосных кри- сталлов. Поступила 25.06.2018 26 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ 8. Eidem, M., Hackle, H., Kollberg, S. (1994). The use of electromagnetic stirring devices (EMS) and electromagnetic braking systems (EMBR) in steel production. Proceedings of the international conference “Iron and Steel of Russia and the CIS in 21 century”. Moscow: Metallurgiya, Vol. 1, pp. 231–238 [in Russian]. 9. Smirnov, A.N., Pilyushenko, V.L., Momot, S.V., Amitan, V.N. (2002). Solidification of a metal melt under external influences. Donetsk: VIK Publishing House, 169 p. [in Russian]. 10. Eldarkhanov, A.S., Efimov, V.A., Nuradinov, A.S. (2001). The processes of formation of castings and their modeling. Moscow: Mashinostroenie, 208 p. [in Russian]. 11. Smirnov, A.N., Kubersky, S.V., Golovchansky, A.V., Maksaev, E.N., Ukhin, V.E. (2016). Study of the features of the formation of swing marks on the surface of a continuously cast billet. Proceedings of universities. Ferrous metallurgy, Vol. 59, no. 4, pp. 226–231 [in Russian]. 12. Smirnov, A.N., Ukhin, V.E., Zhiboedov, E.Yu. (2009). Physical modeling of the conditions for the formation of continuously cast billets in a mold of high-speed continuous casting machine. Casting processes, no. 1, pp. 33–42 [in Russian]. 13. Ukhin, V.E. (2012). Investigation of the process of formation of the crystal structure of continuously cast billet in the mold of high-performance continuous casting machine. Scientific works of DonNTU. Seriya “Metallurgy”, Vol. 14–15, pp. 58–67 [in Russian]. Received 25.06.2019 Анотація О.М. Смірнов1, д-р техн. наук, проф., пров. наук. співр., e-mail: stalevoz@i.ua, https://orcid.org/0000-0001-5247-3908 В.Є. Ухін2, канд. техн. наук, інженер з патентної та винахідницької роботи, e-mail: ukhinvladimir@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-3560-4130, http://www.researcherid.com/rid/P-9805-2015 О.П. Верзілов1, канд. техн. наук, ст. наук. співр., e-mail: verzilovalex@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-0463-5006 1Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, Україна 2ВАТ «Шеффілд рефракторіс Україна», Дніпро, Україна Дослідження особливостей формування кристалічної структури безперервнолитої заготовки під час примусового перемішування її рідкої серцевини Найбільш ефективним методом дослідження динаміки твердіння різного роду злитків є фізичне моделювання. Створено фізичну модель, що імітує поперечний переріз безперервнолитої заготовки. Представлено результати фізичного моделювання процесу твердіння безперервнолитої заготовки під час примусового перемішування її рідкої серцевини. Відображено особливості формування кристалічної структури безперервнолитої сортової заготовки в процесі примусового перемішування її рідкої серцевини магнітним полем на різних етапах твердіння. В результаті проведених експериментальних досліджень було встановлено, що в процесі примусового перемішування рідкої серцевини при взаємодії потоку розплаву з фронтом твердіння швидкість росту гілок дендритів першого порядку знижується на 50–90 %, а швидкість росту гілок другого порядку збільшується в порівнянні зі спокійним станом ванни на 20–90 %. При цьому найбільші значення збільшення швидкості росту спостерігаються у дендритів, вторинні гілки яких ростуть в напрямку, протилежному руху потоку рідини. Переважний розвиток гілок другого порядку дендритів кристалів в цьому випадку дозволяє заповнити обсяги рідини в міжкристалічному просторі і збільшити щільність твердої оболонки. Показано, що вершини стовпчастих кристалів, які виступають за фронт твердіння, відламуються, осколки дендритів потрапляють в рідку ванну, а самі кристали деформуються, при зіткненні з рівновісними кристалами, що рухаються. При цьому лінія фронту твердіння вирівнюється, а кристалічна структура, що формується, ущільняється. Наявність частинок твердої фази перед фронтом твердіння в зоні росту стовпчастих кристалів, в свою чергу, за певних умов сприяє прискоренню переходу від зони стовпчастих до зони рівновісних кристалів. Ключові слова Машина безперервного лиття заготовок (МБЛЗ), твердіння, безперервнолита заготовка, кристалічна структура, безперервне розливання, електромагнітне перемішування. 27ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 5-6 (312-313) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ Summary The most effective method for studying the dynamics of solidification of various kinds of ingots is physical modeling. A physical model that simulates a cross section of a continuously cast billet was created. The results of physical modeling of the continuously cast billet solidification process with the forced stirring of its liquid core are presented. The features of the continuously cast billet crystal structure formation during the forced stirring of its liquid core with a magnetic field at different stages of solidification are shown. As a result of the experiments it was established, that during the forced stirring of the liquid core, when the melt flow interacts with the solidification front, the growth rate of the first order dendrite branches decreases by 50–90 %, and the growth rate of the second order branches increases compared to the calm state of the bath by 20–90 %. In this case, the highest values of increase in growth rate are observed in dendrites, the secondary branches of which grow in the direction opposite to the movement of fluid flow. The predominant development of second order branches of dendritic crystals in this case makes it possible to fill the volumes of liquid in the intercrystalline space and increase the density of the solid shell. It is shown, that the vertices of the columnar crystals protruding beyond the solidification front break off, dendrite fragments fall into a liquid bath, and the crystals themselves are deformed when colliding with moving equiaxial crystals. In this case, the front line of solidification is aligned, and the emerging crystal structure is compacted. The presence of particles of the solid phase before the solidification front in the columnar crystals growth zone, in turn, under certain conditions helps to accelerate the transition from the columnar crystals zone to the zone of equiaxial crystals. Continuous casting machine (CCM), hardening, continuous cast billet, crystal structure, con- tinuous casting, electromagnetic stirring.Keywords A.N. Smirnov1, Dr. Sci. (Engin.), Professor, Leading Researcher, e-mail: stalevoz@i.ua, https://orcid.org/0000-0001-5247-3908 V.E. Ukhin2, PhD (Engin.), engineer for patent and inventive work, e-mail: ukhinvladimir@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-3560-4130, http://www.researcherid.com/rid/P-9805-2015 A.P. Verzilov1, PhD (Engin.), Senior Research Scientist, e-mail: verzilovalex@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-0463-5006 1Physico-technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine 2Sheffield Refractoris Ukraine OJSC, Dnipro, Ukraine Investigation of billet crystal structure formation features during forced stirring of its liquid core

Исследование особенностей формирования кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки при принудительном перемешивании ее жидкой сердцевины

Institution

Similar Items