Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана
Рассмотрено влияние условий (объем жидкой ванны, ее форма, интенсивность перемешивания расплавленного металла), при которых происходит затвердевание слитка в кристаллизаторе, на распределение кислорода в нем после переплава однородного по составу исходного материала. Проведено сравнение ожидаемого р...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96036 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана / А.И. Амелин, В.И. Костенко, М.П. Кругленко, П.А. Пап // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 4 (97). — С. 29-32. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859482730135289856 |
|---|---|
| author | Амелин, А.И. Костенко, В.И. Кругленко, М.П. Пап, П.А. |
| author_facet | Амелин, А.И. Костенко, В.И. Кругленко, М.П. Пап, П.А. |
| citation_txt | Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана / А.И. Амелин, В.И. Костенко, М.П. Кругленко, П.А. Пап // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 4 (97). — С. 29-32. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Рассмотрено влияние условий (объем жидкой ванны, ее форма, интенсивность перемешивания расплавленного металла), при которых происходит затвердевание слитка в кристаллизаторе, на распределение кислорода в нем после переплава однородного по составу исходного материала. Проведено сравнение ожидаемого распределения кислорода с измеренным на слитках чистого титана, выплавленных на предприятии «Стратегия БМ» способом электронно-лучевого переплава (ЭЛП). Проведено сравнение макросегрегации кислорода при ЭЛП с макросегрегацией кислорода при вакуумно-дуговом переплаве (ВДП). Показано, что однородность распределения кислорода при ЭЛП достигается при ВДП только двукратным переплавом.
The effect of conditions( volume of molten pool, its shape, intensity of molten metal stirring), at which the ingot solidifying occurs in the mould, on oxygen distribution in it after remelting of initial material, homogeneous in composition, is considered. The comparison of expected oxygen distribution with measured one is made on ingots of pure titanium, melted at the enterprise "Strategy BM" using the method of electron beam remelting (EBR). Comparison is made of macrosegregation of oxygen in EBR with macrosegregation of oxygen in vacuum-arc remelting (VAR). It is shown that the homogeneity of oxygen distribution in EBR and in VAR is attained only by double remelting.
|
| first_indexed | 2025-11-24T15:13:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.826
МАКРОСЕГРЕГАЦИЯ КИСЛОРОДА
ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СЛИТКОВ ТИТАНА
А. И. Амелин, В. И. Костенко, М. П. Кругленко, П. А. Пап
Рассмотрено влияние условий (объем жидкой ванны, ее форма, интенсивность перемешивания расплавленного
металла), при которых происходит затвердевание слитка в кристаллизаторе, на распределение кислорода в нем
после переплава однородного по составу исходного материала. Проведено сравнение ожидаемого распределения
кислорода с измеренным на слитках чистого титана, выплавленных на предприятии «Стратегия БМ» способом
электронно-лучевого переплава (ЭЛП). Проведено сравнение макросегрегации кислорода при ЭЛП с макросегре-
гацией кислорода при вакуумно-дуговом переплаве (ВДП). Показано, что однородность распределения кислорода
при ЭЛП достигается при ВДП только двукратным переплавом.
The effect of conditions( volume of molten pool, its shape, intensity of molten metal stirring), at which the ingot
solidifying occurs in the mould, on oxygen distribution in it after remelting of initial material, homogeneous in composition,
is considered. The comparison of expected oxygen distribution with measured one is made on ingots of pure titanium,
melted at the enterprise "Strategy BM" using the method of electron beam remelting (EBR). Comparison is made of
macrosegregation of oxygen in EBR with macrosegregation of oxygen in vacuum-arc remelting (VAR). It is shown
that the homogeneity of oxygen distribution in EBR and in VAR is attained only by double remelting.
Ключ е вы е с л о в а : макросегрегация; затвердевание
слитков титана; вакуумно-дуговой переплав; электронно-лу-
чевой переплав
Введение. Растущие требования к качеству слитков
титана обусловливают повышение требований к их
химической однородности. Согласно стандартам ряда
предприятий для некоторых марок коммерчески чис-
того титана распределение кислорода в слитке не
должно отклоняться более, чем на 0,01…0,02 мас. %
от заданного значения (например по стандарту
корпорации «ВСМПО-АВИСМА» для Gr1-1, Gr1-2,
Gr1-4 л, Gr1-5 тр). Обеспечение необходимой хи-
мической однородности в исходном переплавляе-
мом материале недостаточно для получения необ-
ходимой однородности в выплавляемом слитке.
Процессы, происходящие при затвердевании, име-
ют важное значение в конечном распределении
кислорода в слитке, независимо от способа получе-
ния – либо вакуумно-дуговой переплав (ВДП),
либо электронно-лучевой (ЭЛП). В данной работе
показаны отличия макросегрегации кислорода в
слитках при разных способах переплава.
Общие закономерности затвердевания металли-
ческих расплавов. В реальных процессах затверде-
вания состав твердой фазы отличается от такового
жидкой. Причем концентрации примесей в твердой
Cтв и жидкой Cж фазах связаны коэффициентом
распределения (ликвации) примеси k0 следующим
образом [1]:
k0 =
Cтв
Cж
.
Численное значение коэффициента ликвации
можно определить из фазовой диаграммы состоя-
ния. При этом в зависимости от вида фазовой ди-
аграммы в некотором диапазоне значение k0 можно
считать постоянным. Из фазовой диаграммы состо-
яния титан—кислород ( рис. 1 ) для диапазона кон-
центраций кислорода от 0 до 1,78 мас. % численное
значение коэффициента ликвации можно принять
равным 1,5. Следует отметить, что для многоком-
понентных сплавов фазовая диаграмма меняется и
значение k0 для кислорода будет другим. Так, для
сплава Ti—10—2—3, содержащего 10 % Al, 2 % V, 3 %
Sn, измеренное значение k0 равняется 1,33 [2].
Рассмотрим два различных варианта распреде-
ления кислорода в слитке в зависимости от условий
затвердевания.
В первом случае предположим следующее:
1) перемешивание в жидкости осуществляется
только за счет диффузии;
2) диффузией в твердой фазе можно пренебречь;
3) наличие плоского фронта кристаллизации;
4) на фронте кристаллизации поддерживается
равновесие, т. е. состав образующейся твердой фазы
равен произведению коэффициента распределения и
концентрации жидкости на фронте кристаллизации.
Таким образом, при затвердевании сплава c кон-
центрацией кислорода в жидкой фазе C0 первона-
© А. И. АМЕЛИН, В. И. КОСТЕНКО, М. П. КРУГЛЕНКО, П. А. ПАП, 2009
29
чально образующаяся твердая фаза имеет концент-
рацию кислорода, равную k0C0. Это приводит к
обеднению кислородом прилегающего слоя жидко-
го металла. Следующий образовавшийся слой твер-
дой фазы будет также иметь более низкую концен-
трацию кислорода, поскольку он образовался из
жидкости с более низким содержанием кислорода.
Концентрация кислорода в жидкой и твердой
фазах будет уменьшаться до тех пор, пока не уста-
новится определенное, характерное для данной ско-
рости затвердевания, распределение кислорода пе-
ред фронтом кристаллизации. Концентрация кис-
лорода у фронта кристаллизации достигает пре-
дельного значения C0/k0 (образующаяся при этом
твердая фаза имеет состав C0) и экспоненциально
увеличивается по мере удаления от фронта крис-
таллизации до C0 (рис. 2).
Распределение примеси в жидкости при данных
условиях кристаллизации описывается следующим
образом [1] :
Cж = C0
⎛
⎜
⎝
1 +
1 — k0
k0
e—
vx
D
⎞
⎟
⎠
,
где Cж – концентрация примеси жидкости в точке
x; C0 – исходная концентрация примеси в расплаве;
v – скорость перемещения фронта кристалли-
зации; D – коэффициент диффузии примеси в
жидкости; x – расстояние от выбранной точки в
жидкости до фронта кристаллизации.
По мере продвижения фронта кристаллизации
существующее распределение примеси как бы пере-
мещается в глубь жидкости состава C0, и при этом
образуется твердая фаза состава C0. По окончанию
кристаллизации концентрация кислорода в твердой
фазе станет уменьшаться и завершится за-твердева-
нием такого же состава, как и в жидкости C0/k0, пос-
кольку кислород уже не может перераспределиться.
Во втором случае требования пунктов 2—4 оста-
ются прежними, но вместо пункта 1 предполагается,
что в жидкости осуществляется полное перемеши-
вание. Как и раньше, образовавшаяся в начале про-
цесса твердая фаза имеет состав k0C0, и прилегаю-
щий слой жидкого металла обедняется кислородом.
Поскольку происходит равномерное распределе-
ние концентрации кислорода по всему объему жид-
кой ванны, то в целом уменьшение концентрации в
жидкости незначительно, как и концентрации кис-
лорода во вновь образующейся твердой фазе. По
мере протекания процесса кристаллизации концен-
трация кислорода постепенно уменьшается в твер-
дой фазе и в жидкости. При неизменном соотно-
шении объема жидкой ванны и площади фронта
кристаллизации концентрация кислорода будет
уменьшаться линейно. В начале плавки объем жид-
кой ванны увеличивается и поэтому изменения кон-
центрации небольшие. В конце слитка объем жид-
кой ванны становится малым, и содержание кисло-
рода в твердой фазе быстро уменьшается.
Макроликвация кислорода при ЭЛП. Характерной
особенностью процесса ЭЛП является относительно
небольшой объем ванны жидкого металла в крис-
таллизаторе. Так, для промышленных слитков не-
легированного титана диаметром 630 мм, выплав-
ленных способом ЭЛП со средней скоростью плавки
7,5 кг/мин, измеренная глубина жидкой ванны сос-
тавляет около 250 мм. Исследования проводили при
выплавке слитков на предприятии «Стратегия БМ».
Важно, что при ЭЛП разделены процессы пе-
реплава и кристаллизации. Так, металл плавится
над промежуточной емкостью, куда он стекает и где
осуществляется его перемешивание.
В кристаллизатор расплавленный металл можно
подавать по-разному: большими порциями с силь-
ным возмущением жидкого металла в кристаллиза-
торе или же малыми порциями (практически непре-
рывно), незначительно возмущая поверхностный слой.
Рис. 1. Фазовая диаграмма Ti—O
30
На предприятии «Стратегия БМ» в технологии
переплава используют второй вариант. Поэтому пе-
ремешивание на дне жидкой ванны в кристаллиза-
торе происходит только за счет диффузии, а процесс
затвердевания слитков подобен первому случаю. В
начале плавки достаточно быстро устанавливается
распределение кислорода перед фронтом кристал-
лизации, показанное на рис. 2, и поддерживается в
процессе формирования всего слитка, кроме завер-
шающей стадии. Поэтому макроликвация кислоро-
да при ЭЛП должна проявляться только в переход-
ных зонах в начале и конце слитков.
Для переходной зоны в начале слитка с измене-
ниями концентрации кислорода от k0C0 до C0 и в
конце слитка с изменениями от C0 до C0/k0, где
C0 – исходная концентрация кислорода в шихте.
Исключая эти зоны распределение кислорода вдоль и
поперек слитка должно быть однородным и равным C0.
Измерения концентрации кислорода на поверх-
ности выплавленных слитков показывают, что эти
переходные зоны достаточно узкие (75…100 мм).
На расстоянии 50 мм от края в головной части слит-
ка и края затравки в донной части средние значения
концентрации кислорода не отличаются более, чем
на 10 % от зашихтованных. Так, среднее значение
кислорода в донной части составляет 0,13 против
зашихтованных 0,121 %, в головной части – 0,12
против 0,128 % в шихте. В средней части слитков сред-
ние значения совпадают и равны 0,123 % (рис. 3).
Измерения концентрации кислорода на попереч-
ных тимплетах дает однородное распределение кон-
центрации кислорода по диаметру слитка между пе-
реходными зонами. На рис. 4 представлено распре-
деление кислорода по диаметру на расстоянии 100 мм
от края затравки в донной части слитка.
Рис. 4. Распределение кислорода в поперечном сечении слитка
по радиусу R
Рис. 3. Концентрация кислорода в выплавленных слитках отно-
сительно концентрации в шихте: а – 50 мм от края головной
части слитков; б – средняя часть слитков; в – 50 мм от края
затравки в донной части слитков; – данные в слитках; прямая
линия – среднее в слитках; штриховая – среднее в шихте
Рис. 2. Распределение кислорода перед фронтом кристаллизации
Рис. 5. Форма жидкой ванны
31
Макроликвация кислорода при ВДП. Для процесса
ВДП характерен большой обьем жидкой ванны и
интенсивное перемешивание жидкого металла в
кристаллизаторе. Поэтому процесс затвердевания
слитка происходит подобно второму случаю, но с
некоторыми отличиями. На рис. 5 показаны форма
и размер жидкой ванны для слитка диаметром
880 мм при средней скорости плавки 19,5 кг/мин [3].
При длине выплавляемого слитка 25 м глубина
жидкой ванны составляет около 1,6 м. Поэтому
фронт кристаллизации направлен, скорее, от боко-
вой поверхности к центральной области, чем от дон-
ной к головной части слитка. В начале формирова-
ния слитка объем жидкой ванны значительно уве-
личивается, поэтому концентрация кислорода по бо-
ковой поверхности вдоль слитка будет практически
одинаковой (начало затвердевания).
Центральная область вдоль слитка будет иметь
наибольшую неоднородность, поскольку она содер-
жит как наибольшую концентрацию кислорода в
донной части (начало затвердевания), так и наи-
меньшую в головной части слитка (завершение зат-
вердевания слитка). Следует также учесть несоб-
людение пункта 3. В силу того, что фронт кристал-
лизации является не плоским, имеется зона, где пе-
ремешивание не осуществляется, внутри этой зоны
существует градиент концентрации (рис. 6).
Поэтому образование твердой фазы происходит
из жидкой, в которой значение концентрации кис-
лорода меньше. Это можно учесть, введя kэф<k0. В
остальном распределение кислорода будет таким
же, как описано во втором случае.
На рис. 7 представлены измеренные и расчетные
распределения кислорода с разной интенсивностью
перемешивания [3].
Как видно из рисунка, в обоих случаях зафик-
сирована неоднородность поперек слитка по всей
длине. Наибольшая неоднородность обнаружена в
центральной области вдоль слитка при более интенсив-
ном перемешивании, когда включено магнитное поле.
Таким образом, если макроликвация кислорода
проявляется при ВДП вдоль всего слитка, то при
ЭЛП она зафиксирована только в узких переход-
ных зонах в начале и конце плавки. Поэтому спо-
собом ЭЛП можно получать слитки титана с очень
высокой степенью однородности после однократно-
го переплава. При ВДП такого однородного расп-
ределения можно достичь только путем двойного
переплава.
1. Вайнгард У. Введение в физику кристаллизации метал-
лов. – М.: Мир, 1967. – 270 с.
2. Mitchell A., Kawakami A. Segregation and Solidification in
Titanium Alloys // Ti-2007 Science and Technology. –
(Kyoto, 3—7 June, 2007). – Kyoto, 2007. – P. 173—176.
3. Suzuki K., Fukada N., Kanou O. Optimization of VAR
Process by Applying Computational Simulation // Ibid. –
2007. – P. 159—162.
«КВ-Титан», Москва
«СТРАТЕГИЯ БМ», Киев
Поступила 01.07.2009
Рис. 7. Распределение кислорода в слитке: а – без перемешивания; б – с перемешиванием; в – график экспериментальных и
расчетных данных в центре и на поверхности слитка (штриховая – центр, расчет; – центр, эксперимент; прямая – поверхность,
расчет; – поверхность, эксперимент); L – длина слитка
Рис. 6. Междендритная ликвация кислорода: 1 – дендрит; 2 –
перемешивание; 3 – кислород
32
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96036 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T15:13:11Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Амелин, А.И. Костенко, В.И. Кругленко, М.П. Пап, П.А. 2016-03-10T13:14:50Z 2016-03-10T13:14:50Z 2009 Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана / А.И. Амелин, В.И. Костенко, М.П. Кругленко, П.А. Пап // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 4 (97). — С. 29-32. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96036 669.187.826 Рассмотрено влияние условий (объем жидкой ванны, ее форма, интенсивность перемешивания расплавленного металла), при которых происходит затвердевание слитка в кристаллизаторе, на распределение кислорода в нем после переплава однородного по составу исходного материала. Проведено сравнение ожидаемого распределения кислорода с измеренным на слитках чистого титана, выплавленных на предприятии «Стратегия БМ» способом электронно-лучевого переплава (ЭЛП). Проведено сравнение макросегрегации кислорода при ЭЛП с макросегрегацией кислорода при вакуумно-дуговом переплаве (ВДП). Показано, что однородность распределения кислорода при ЭЛП достигается при ВДП только двукратным переплавом. The effect of conditions( volume of molten pool, its shape, intensity of molten metal stirring), at which the ingot solidifying occurs in the mould, on oxygen distribution in it after remelting of initial material, homogeneous in composition, is considered. The comparison of expected oxygen distribution with measured one is made on ingots of pure titanium, melted at the enterprise "Strategy BM" using the method of electron beam remelting (EBR). Comparison is made of macrosegregation of oxygen in EBR with macrosegregation of oxygen in vacuum-arc remelting (VAR). It is shown that the homogeneity of oxygen distribution in EBR and in VAR is attained only by double remelting. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана Macrosegregation of oxygen in crystallization of titanium ingots Article published earlier |
| spellingShingle | Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана Амелин, А.И. Костенко, В.И. Кругленко, М.П. Пап, П.А. Электронно-лучевые процессы |
| title | Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана |
| title_alt | Macrosegregation of oxygen in crystallization of titanium ingots |
| title_full | Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана |
| title_fullStr | Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана |
| title_full_unstemmed | Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана |
| title_short | Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана |
| title_sort | макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана |
| topic | Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet | Электронно-лучевые процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96036 |
| work_keys_str_mv | AT amelinai makrosegregaciâkislorodaprikristallizaciislitkovtitana AT kostenkovi makrosegregaciâkislorodaprikristallizaciislitkovtitana AT kruglenkomp makrosegregaciâkislorodaprikristallizaciislitkovtitana AT pappa makrosegregaciâkislorodaprikristallizaciislitkovtitana AT amelinai macrosegregationofoxygenincrystallizationoftitaniumingots AT kostenkovi macrosegregationofoxygenincrystallizationoftitaniumingots AT kruglenkomp macrosegregationofoxygenincrystallizationoftitaniumingots AT pappa macrosegregationofoxygenincrystallizationoftitaniumingots |