ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка
Обсуждены современные представления о некоторых феноменах затвердевания слитка и способах улучшения его качества. Проведено сопоставление устоявшихся теоретических представлений о затвердевании слитка и указаны имеющиеся ограничения описания всех видов сегрегации, проявляющихся при затвердевании сли...
Saved in:
| Published in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96698 |
| 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: | ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка / Л.Б. Медовар, А.П. Стовпченко, А.Н. Головачев, Б.Б. Федоровский // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 3 (112). — С. 12-18. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860266162733973504 |
|---|---|
| author | Медовар, Л.Б. Стовпченко, А.П. Головачев, А.Н. Федоровский, Б.Б. |
| author_facet | Медовар, Л.Б. Стовпченко, А.П. Головачев, А.Н. Федоровский, Б.Б. |
| citation_txt | ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка / Л.Б. Медовар, А.П. Стовпченко, А.Н. Головачев, Б.Б. Федоровский // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 3 (112). — С. 12-18. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Обсуждены современные представления о некоторых феноменах затвердевания слитка и способах улучшения его качества. Проведено сопоставление устоявшихся теоретических представлений о затвердевании слитка и указаны имеющиеся ограничения описания всех видов сегрегации, проявляющихся при затвердевании слитков. Проанализированы различные технологические приемы воздействия на затвердевающий слиток путем изменения геометрии слитка и без него. Показано влияние изменения отношения высоты слитка к его диаметру на проявление тех или иных видов неоднородности. Рассмотрены возможности изменения перегрева затвердевающего металла над ликвидусом. Выполнено сравнение преимуществ новейших электрошлаковых технологий управления затвердеванием слитка в результате изменения его геометрии при укрупнении и без изменения геометрии в процессе электрошлакового переплава (ЭШП) по двухконтурной схеме. Рассмотрены перспективы применения ЭШП при производстве крупных кузнечных слитков особо высокого качества.
Discussed are the modern conceptions about some phenomena of ingot solidification and methods of its quality improvement. The comparison is made of steady theoretical conceptions about ingot solidification and existing limitations of description of all types segregation, proceeding in ingot solidification are indicated. Different technological procedures of effect on solidified ingot by change in ingot geometry and without it were analyzed. The effect of changes in ratio of ingot height to its diameter on appearance of either types of heterogeneity is shown. The feasibility of change in solidifying metal overheating above liquidus is shown. Comparison of advantages of the newest electroslag technologies of control of ingot solidification as a result of change of its geometry at enlargement and without change in geometry in the process of electroslag remelting using two-circuit scheme is made. Prospects of ESR application in production of large forge ingots of a super-high quality are considered.
|
| first_indexed | 2025-12-07T19:00:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.117.56
ЭШП И СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К УПРАВЛЕНИЮ
ЗАТВЕРДЕВАНИЕМ КРУПНОГО КУЗНЕЧНОГО СЛИТКА
Л.Б. Медовар1, А.П. Стовпченко1, А.Н. Головачев2, Б.Б. Федоровский3
1Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.
03680, г. Киев, ул. Боженко 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
2Национальная металлургическая академия Украины.
49600, г. Днепропетровск, пр. Гагарина. E-mail: golar@yandex.ru
3Элмет-Рол. 03150, г. Киев, а.я. 259. E-mail: elmetR@ukr.net
Обсуждены современные представления о некоторых феноменах затвердевания слитка и способах улучшения его
качества. Проведено сопоставление устоявшихся теоретических представлений о затвердевании слитка и указаны
имеющиеся ограничения описания всех видов сегрегации, проявляющихся при затвердевании слитков. Проанали-
зированы различные технологические приемы воздействия на затвердевающий слиток путем изменения геометрии
слитка и без него. Показано влияние изменения отношения высоты слитка к его диаметру на проявление тех или
иных видов неоднородности. Рассмотрены возможности изменения перегрева затвердевающего металла над ликви-
дусом. Выполнено сравнение преимуществ новейших электрошлаковых технологий управления затвердеванием
слитка в результате изменения его геометрии при укрупнении и без изменения геометрии в процессе электрошла-
кового переплава (ЭШП) по двухконтурной схеме. Рассмотрены перспективы применения ЭШП при производстве
крупных кузнечных слитков особо высокого качества. Библиогр. 16, ил. 5.
Ключ е вы е с л о в а : крупный кузнечный слиток; кристаллизация; затвердевание; ликвация; структура;
ЭШП; ЭШП ЖМ; слиток-матрешка
Получить абсолютно однородный слиток из стали
или сплава невозможно. Природа процесса крис-
таллизации многофазных сплавов такова, что с уве-
личением массы кристаллизующегося слитка разви-
тие ликвационных дефектов усиливается, а эффек-
тивность улучшения структуры при помощи дефор-
мационных и диффузионных типов обработки
уменьшается.
С каждым новым витком развития тяжелого и
энергетического машиностроения проблема получе-
ния качественного слитка обостряется, поскольку
потребители нуждаются во все более тяжелых по-
ковках из легированных сталей и сплавов. Сейчас
мы как раз находимся на очередном этапе увеличе-
ния массы слитка и повышения требований к его
качеству: уже освоено производство слитков массой
670 т, а следующим шагом станет освоение 700-тон-
ного слитка [1]. Однако только несколько больше
20...25 % исходного слитка используется в конечной
продукции. Поэтому актуальность разработки эф-
фективных технических и технологических реше-
ний для улучшения качества кузнечного слитка и
повышения выхода годного усиливается, что требу-
ет углубленного понимания механизма процессов,
происходящих при кристаллизации, в частности
возникновения структурной и химической неодно-
родности.
Теоретический анализ причин возникновения лик-
вационной неоднородности. Любая кристаллиза-
ция – неравновесный процесс, поскольку непре-
менным условием его протекания является непре-
рывный отвод тепла системы в окружающую среду.
Большинство исследователей придерживаются мне-
ния о несоблюдении условий равновесия при крис-
таллизации, а рост твердой фазы, особенно крис-
талла, из расплава начинается только при переох-
лаждении жидкости [2—7]. Преохлаждение связы-
вают чаще всего с энергетическими трудностями об-
разования зародышей. В то же время при рассмот-
рении процесса кристаллизации металлов и сплавов
обычно используют представления о локальном
равновесии на фронте кристаллизации.
Затвердевание сплавов (систем состоящих из
двух или более компонентов) сопровождается до-
полнительными эффектами, усложняющими уста-
новление равновесия. Так, помимо тепловых пото-
ков в системе, возникают сопряженные с ними по-
токи вещества, обусловленные диффузионными
процессами перераспределения компонентов. Усло-
вие минимума свободной энергии сплава и связан-
ное с ним условие равенства химических потенциа-
лов компонентов в твердой и жидкой фазах (для
получения сплава, близкого к равновесному) опре-
деляют непрерывное изменение составов сосущест-
вующих фаз сплава при понижении температуры.
© Л.Б. МЕДОВАР, А.П. СТОВПЧЕНКО, А.Н. ГОЛОВАЧЕВ, Б.Б. ФЕДОРОВСКИЙ, 2013
12
При каждой температуре интервала затвердевания
сплава кристаллизующаяся твердая и контактирую-
щая с ней жидкая фаза имеют различный состав,
что иллюстрируют диаграммы состояния металли-
ческих систем. Кроме того, кинетические условия
протекания процесса кристаллизации могут вызы-
вать неравновесные изменения температурного ин-
тервала затвердевания, отражаемые обычно линия-
ми неравновесного ликвидуса и солидуса (темпера-
тур начала и конца кристаллизации) сплава.
Предположение о том, что фактические и равно-
весные температуры на границе раздела твердой и
жидкой фаз при кристаллизации могут отличаться,
впервые сделано в работах [2, 3]. Существуют два
возможных варианта распределения второго ком-
понента между твердой и жидкой фазой: раствори-
мость в жидкой выше, чем в твердой (k = Ств/С0 <
< 1) или растворимость второго компонента в твер-
дом сплаве выше, чем в жидкости (k = Ств/С0 >
> 1). Однако в обоих случаях фактические и рав-
новесные температуры кристаллизации отличают-
ся, а температура ликвидус жидкой остаточной фа-
зы понижается независимо от характера изменения
концентрации второго компонента перед фронтом
кристаллизации
Эту особенность процесса кристаллизации спла-
вов в разных литературных источниках обозначают
термином переохлаждение, дополненным определе-
ниями диффузионное [2], конституционное/кон-
ституциональное [3—5, 7], концентрационное [8].
Обычно в качестве иллюстрации этого понятия при-
водят схемы как на рис. 1. Заштрихованная область
характеризует переохлаждение, связанное с пере-
распределением примеси [2—4].
В то же время возникает ряд вопросов, ответы на
которые данная диаграмма не дает. Как следует из
нее, переохлаждение на межфазной границе равно
нулю, что соответствует условиям равновесия и, сле-
довательно, отсутствию процесса кристаллизации.
Трудно объяснить физический смысл темпера-
турной линии AB (гипотетического начала кристал-
лизации), так как она не характеризует ни мгно-
венное распределение температур по сечению, ни
изменение температуры в точке расплава во време-
ни. Не вполне корректен ход кривой фактической
температуры в расплаве, поскольку в обычных ус-
ловиях такой крутой градиент обеспечить довольно
сложно. Все указанные недостатки схем связаны с
упрощениями описания процесса, принятыми авто-
рами для наглядности.
На наш взгляд, это приводит к неверным выво-
дам о возникновении концентрационного переох-
лаждения. Общепринятое определение понятия пе-
реохлаждение может быть сформулировано как по-
ложительная разность равновесной температуры
начала кристаллизации и достигнутой при данной
скорости охлаждения (до появления твердой фазы)
фактической температуры начала кристаллизации,
а также связанное с этим метастабильное состояние
жидкости [4, 5, 9].
Подробное рассмотрение позиций авторов в ра-
ботах [2—6] показывает, что явление, называемое
концентрационным переохлаждением, проявляется
в снижении фактической температуры начала за-
твердевания жидкости перед фронтом кристалли-
зации, по сравнению с равновесной температурой
ликвидус диаграммы состояния сплава из-за диф-
фузионного фазового перераспределения компо-
нентов. Так, в работе [10] указывается, что если
следить за какой-то определенной точкой жидкости
во времени, то соответствующая ей фигуративная
точка при приближении фронта кристаллизации бу-
дет пересекать линию ликвидус, т.е. фактически
концентрационное переохлаждение возникает вслед-
ствие обычного термического охлаждения элемента
объема. Жидкость переохлаждается из-за прибли-
жения холодного фронта кристаллизации [10].
Более правильно отражающим суть явления сле-
дует признать термин, предложенный в работе [8].
Поскольку происходит уменьшение разности дейст-
вительной температуры начала кристаллизации
(из-за сегрегации компонентов) и складывающейся
перед фронтом кристаллизации фактической (обус-
ловливаемой условиями теплоотвода) отмечается
концентрационная депрессия (снижение) переох-
лаждения.
Как показано на рис. 1, б, скрытая теплота крис-
таллизации требует дополнительного отбора тепла
Рис. 1. Схема возникновения концентрационного переохлаждения, приведенная в следующих работах: а – [2—4 ]; б – [8]; в –
[7]; C∞ – концентрация примеси в твердом состоянии и на бесконечном отдалении от фронта кристаллизации (аналог Сисх); Tн.з –
температура начала затвердевания; Tm – точка плавления
13
от границы и может уменьшать степень переохлаж-
дения расплава в приграничной зоне.
В одной из последних работ по теории затверде-
вания [7] описывается концентрационное переох-
лаждение (рис. 1, в). При фиксированной темпе-
ратуре поверхности Т0 на поверхности раздела кон-
центрация равна Сs, причем для твердой фазы она
составляет C∞, а для жидкой – СL, определяемой
как C∞/k, где k – коэффициент сегрегации. Пос-
кольку ширина межфазной поверхности стремится
к нулю, то точки D и E совпадают физически и
поэтому отмечается скачок концентрации через по-
верхность взаимодействия из-за оттеснения приме-
си, что ведет к понижению характеристической тем-
пературы кристаллизации жидкости нового состава
ниже температуры ликвидус (рис. 1, в) [7].
В работе [7] показано, что это снижение темпе-
ратуры кристаллизации является конституциональ-
ным переохлаждением, которое вместе с капилляр-
ным и кинетическим на поверхности раздела может
быть описано уравнением Гиббса—Томпсона.
С учетом кривизны линий ликвидус и солидус
линейная форма представления изменения концен-
трации может быть заменена функцией изменения
концентрации (линией ликвидус) более общего ви-
да. Переохлаждение за счет поверхностной энергии
в этом уравнении имеет тот же вид, что и для чистых
металлов.
Следует отметить, что эффекты межфазного пе-
рераспределения компонентов проявляются, с од-
ной стороны, именно благодаря неравновесному ха-
рактеру кристаллизации, а с другой, их уменьшение
и исключение возможно путем создания сверхне-
равновесных условий, когда фиксируется исход-
ный состав (а иногда и структура) жидкого распла-
ва – бездиффузионное затвердевание. Исключим
предельные скорости кристаллизации vкр → 0 (рав-
новесие) и vкр → ∞ (образование аморфных и нано-
структур). Наиболее распространенным в метал-
лургической практике является вариант, когда ско-
рость кристаллизации конечна, но существенно вы-
ше скорости диффузии как в твердой (зона I), так
и жидкой фазах. В этом случае вблизи границы
раздела фаз (зона II) будет скапливаться примесь,
что и происходит на практике.
Удаленные от фронта кристаллизации объемы
жидкости (зона III) имеют исходный состав и более
высокую температуру начала кристаллизации. Сле-
довательно, в этих слоях при достаточном теплоот-
воде могут создаваться условия для гомогенного
образования и роста отдельных кристаллов (рис. 2).
В то же время диффузия в жидкой фазе происходит
значительно быстрее, чем в твердой, и в реальных
слитках ликваты, вытесненные быстро продвигаю-
щимся дендритным фронтом, должны ассимилиро-
ваться объемом жидкого остатка. Следовательно,
температура начала кристаллизации центрального
объема слитка понизится и потребуется больший
отбор тепла.
Установлено, что подобное накопление примеси
вблизи межфазной границы с образованием рас-
плава, имеющего пониженную температуру начала
кристаллизации, меняет ее характер. Так, может
происходить временная остановка или задержка
продвижения плоского фронта кристаллизации,
связанная с необходимостью создания дополнитель-
ного термического переохлаждения расплава этого
состава, или изменение формы фронта кристалли-
зации на ячеистый и дендритный.
В рассматриваемом варианте это означает, что в
пределах диффузионного слоя, где переохлажде-
ние минимально (ввиду снижения переохлаждения
из-за сегрегации примесей) вероятность зарожде-
ния кристаллов мала, в то время как рост уже су-
ществующих кристаллов (особенно вершин дендри-
тов) может продолжаться.
Путем изменения условий тепло- и массообмена,
а также гидродинамики движения расплава за счет
применения внешних воздействий в значительной
мере можно управлять формированием структуры
реального стального слитка. Следует учитывать, что
плоский фронт кристаллизации в реальных условиях
реализуется редко. Кроме того, на поверхности фор-
мы всегда присутствуют шероховатости, которые ста-
новятся центрами кристаллизации, а затем преиму-
щественного роста кристалла. Вершина образовав-
шегося кристалла имеет наиболее благоприятные
условия роста, поскольку оттесняет примеси в объем
окружающей жидкости. Длительное существование
жидкости в междендритных пространствах (сущест-
вование твердо-жидкой зоны) является еще одним
подтверждением снижения переохлаждения расплава
при накоплении примеси.
Накопление примеси вблизи межфазной грани-
цы с образованием расплава с пониженной темпера-
турой начала кристаллизации, тормозящее ее, мо-
жет быть преодолено либо вследствие дополнитель-
ного термического переохлаждения расплава, либо
путем перемешивания с расплавом, содержащим
Рис. 2. Мгновенное распределение равновесных температур на-
чала затвердевания в кристаллизующемся объеме сплава (непре-
рывная линия – реальное распределение температуры расплава
по радиусу)
14
примеси. Последнее реализуется, например, в тех-
нологии электрошлакового переплава, преимущес-
тва которой при обеспечении качества крупного
слитка обсуждаются далее.
Возможности управления затвердеванием при
формировании крупного слитка. Основные усилия
технологов всегда были направлены на уменьшение
перегрева при разливке стали, а также объема жид-
кометаллической ванны и двухфазной зоны в за-
твердевающем слитке. Десятилетиями во всем мире
пытались усовершенствовать технологию отливки
крупных кузнечных слитков, используя продувку
металла в изложнице инертным газом, перемеши-
вание, захолаживание внутренними холодильника-
ми (как объемными, так и мелкодисперсными,
вплоть до порошков) и другие способы внешних
воздействий. Однако получаемые результаты были
нестабильными, особенно при отливке крупных
слитков.
В настоящее время в промышленности работают
три основные технологии получения крупных куз-
нечных слитков – отливка в изложницу, электро-
шлаковый переплав и электрошлаковая подпитка.
Отливка слитков в изложницу практически доведе-
на до совершенства, поэтому серьезных усовершен-
ствований технологии, видимо, не предвидится, как
и в ситуации со способами электрошлаковой под-
питки слитков, среди которых наилучшие результаты
показывает технология BEST фирмы «Bo
..
hler».
Так, подпитка кузнечных слитков BEST высо-
кохромистой стали массой 50...70 т на фирме «Bo
..
h-
ler» обеспечивает такое качество поковок роторов
паровых турбин на рабочие температуры до 650 °С,
которое другие производители достигают только
при ЭШП [11].
В технологии ЭШП в последнее время появи-
лось несколько усовершенствований, которые, по
нашему мнению, позволяют лучше управлять за-
твердеванием крупных кузнечных слитков. Следу-
ет отметить, что возможность управлять затверде-
ванием при ЭШП и достигать повышения качества
слитков возникла благодаря применению токопод-
водящего кристаллизатора, предложенного в ИЭС
им. Е.О. Патона в 1970-е гг. (рис. 3) [12, 13].
Рассмотрим воздействие некоторых факторов в
процессе кристаллизации, их влияние на структуру
крупного слитка и выход годного, качество круп-
ного слитка, а также возможность управления эти-
ми факторами при ЭШП и разливке стали в из-
ложницу.
Влияние геометрии слитка. Размеры слитка, отно-
шение его высоты к диаметру варьируют в опреде-
ленных пределах, поэтому их влияние на качество
слитка известно. Так, при отношении высоты слит-
ка Н к его диаметру D в пределах 1,5...2,5 можно
ожидать, что затвердевание в горизонтальном и
вертикальном направлениях достигнет верха слитка
и его оси одновременно. В случае уменьшения отно-
шения диаметра к высоте слитка до менее 1,5 пре-
обладает затвердевание в вертикальном направле-
нии, при этом уменьшаются усадочные дефекты, но
усиливается A-сегрегация. При увеличении этого
отношения до трех затвердевание в горизонтальном
направлении опережает таковое в вертикальном,
увеличивается рыхлость, уменьшается химическая
неоднородность и А-сегрегация.
У слитков ЭШП отношение Н/D может значи-
тельно превышать число три, что обеспечивает сок-
ращение доли головной и донной обрези. Напри-
мер, при массовом производстве высококачествен-
ных слитков ЭШП размерами 1000(4000...
...6000) мм неизбежная в обычном слитке осевая
рыхлость отсутствует за счет постоянного обновле-
ния ванны жидкого металла и подпитки затверде-
вающего слитка.
Идея изменения геометрии слитка для улучше-
ния условий его формирования путем разделения
целого слитка на малые объемы не нова. Попытки
реализовать ее при отливке слитка в изложницу
описаны в работе [14]. Получены отдельные поло-
жительные результаты, но в промышленности они
не нашли широкого применения, как и идея после-
довательной отливки слитка-матрешки (малый сли-
ток вставляется в большую изложницу и затем от-
ливается больший слиток и т.д.). Такого рода по-
пытки предпринимали и в специальной электроме-
таллургии.
В процессе MHKW [15] эту идею осуществляли
по-другому. Отливали большой кузнечный слиток,
трепанировали его и центральную часть (поражен-
ную сегрегацией) удаляли, оставшийся полый сли-
ток использовали как кристаллизатор, в нем про-
водили ЭШП, заплавляя центральный объем слит-
ка металлом переплавляемого расходуемого элек-
трода. В силу ряда причин, включая растягивающие
напряжения оболочки составного слитка-матрешки,
процесс MHKW также не прижился в промышлен-
ности. Исследования в этом направлении продол-
жаются и основываются на применении способа
электрошлаковой наплавки жидким металлом для
укрупнения слитка [16]. Схематически этот способ
получения крупного кузнечного слитка представлен
на рис. 4.
Наплавку на центральный слиток можно произ-
водить без снятия с печи или (для получения до-
полнительного улучшения свойств) с переворотом
вверх дном (паркетное расположение дендритов ос-
Рис. 3. Модель токоведущего кристаллизатора 3-D диаметром
3200 мм
15
новного и наплавленного слоя). Результаты мате-
матического моделирования этого процесса приве-
дены в работе [16]. Рассмотренный при моделиро-
вании вариант укрупнения слитка показал, что па-
раметры состояния металла в двухфазной зоне для
укрупняемого слитка намного лучше, чем в сплош-
ном слитке того же диаметра – размеры карбидов
и расстояния между осями дендритов второго по-
рядка в каждом слое (даже в центральной части)
существенно ниже.
Многолетняя промышленная эксплуатация
электрошлаковой наплавки при производстве вал-
ков прокатных станов на НКМЗ (Украина) подт-
верждает высокое качество зоны сплавления при
электрошлаковой наплавке даже в случае исполь-
зования разнородных сталей центрального слитка
и наплавленного слоя.
Поскольку из-за двухстадийности укрупнение
слитков способом наплавки априори дороже, чем
при обычном ЭШП, то и применять его целесооб-
разно для более дорогих сплавов. Полагаем, что
укрупнение найдет свое применение прежде всего
в производстве крупных кузнечных слитков из су-
персплавов, поскольку сегодня максимальный диа-
метр таких слитков ограничен 1000 мм из-за обра-
зования пятнистой ликвации. Получение качествен-
ного слитка из суперсплавов большего диаметра
особенно важно в связи с планами перехода на
рабочие температуры пара 700...750 °С в тепловой
энергетике.
Уменьшение объема ванны жидкого металла (без
изменения геометрии слитка). Следует отметить,
что при формировании крупного слитка длитель-
ность разливки значительно меньше продолжитель-
ности затвердевания, поэтому ванна жидкого ме-
талла не намного меньше объема формы. Затверде-
вание происходит в течение длительного времени,
а перемешивание ограничивается естественной кон-
векцией, из-за чего образование ликвационных и
усадочных дефектов неизбежно.
Ускорить кристаллизацию слитка можно, создав
условия для образования равноосных кристаллов.
Для этого нужно повысить температуру ликвидус
центрального объема слитка, уменьшив содержание
ликвирующих примесей и углерода. Такой подход
реализован в технологиях отливки крупных слит-
ков, предусматривающих снижение содержания уг-
лерода в каждом последующем разливаемом ковше.
Однако и в этом случае образующаяся ванна жид-
кого металла несмотря на более благоприятный с
точки зрения ускорения кристаллизации состав
имеет весьма большой размер и ее затвердевание
сопровождается всеми описанными проблемами.
Применение перемешивания двухфазной зоны,
с одной стороны, ускоряет затвердевание, с другой,
приводит к усилению зональной неоднородности, в
частности шнуровой и пятнистой ликвации. В этих
условиях увеличение диаметра и массы слитка ав-
томатически означает ухудшение его металлурги-
ческого качества.
Совершенно иначе происходит процесс форми-
рования слитка при ЭШП (в любом варианте его
реализации). Глубина жидкометаллической ванны
при традиционном ЭШП обычно не превышает ра-
диуса слитка, а при новых разновидностях процесса
с применением токоподводящего кристаллизатора
(ЭШП ДС и ЭШП ЖМ) может быть уменьшена
еще существеннее.
Первый способ, который мы хотели бы обсудить
в настоящей статье, – это ЭШП ДС (электрошла-
ковый переплав по двухконтурной схеме) [12]. В
ЭШП ДС особенно привлекательно применение
двух независимых цепей подачи тока к шлаковой
ванне, что позволяет варьировать соотношение
мощности на электроде и кристаллизаторе. Послед-
Рис. 4. Многостадийный ЭШП ЖМ (электрошлаковый процесс с жидким металлом) для укрупнения слитка: a – первый слиток,
выплавленный способом ЭШП ЖМ (может быть получен и традиционным ЭШП); б – слиток с кольцевым наружным слоем,
полученным способом ЭШП ЖМ; в – слиток с двумя кольцевыми наружными слоями, полученными аналогично; 1 – миксер-
дозатор; 2 – токоподводящий кристаллизатор; 3 – шлаковая ванна; 4 – металлическая ванна; 5 – слиток; 6 – слиток второй
стадии; 7 – слиток третьей стадии
16
нее, в свою очередь, дает возможность в широких
пределах изменять производительность переплава
(вплоть до остановки формирования слитка без за-
мораживания его верхней части). Это означает, что
при ЭШП ДС (как и при холодноподовых элект-
ронно-лучевом и плазменнодуговом переплавах)
мощность переплава и его производительность
практически независимы, поэтому можно сформи-
ровать качественный слиток с весьма небольшой
жидкометаллической ванной (рис. 5).
Кроме того, при использовании ЭШП ДС кар-
тина конвективных потоков в жидкометаллической
ванне существенно изменяется, что требует углуб-
ленных исследований. Предстоит выяснить, каковы
реальные возможности уменьшения скорости плав-
ления расходуемых электродов и пределы уменьше-
ния глубины жидкометаллической ванны, допусти-
мые с технической точки зрения и рациональные с
позиции эффективности.
Процесс ЭШП ДС позволяет существенно сни-
зить глубину металлической ванны, что обеспечи-
вает формирование слитка с малым развитием лик-
вационных процессов. Схема ЭШП ДС обеспечива-
ет превосходное управление процессом и стабиль-
ную работу печи на различных режимах.
Следует также ожидать, что процесс ЭШП ДС
будет эффективен для получения крупных слитков
сталей и сплавов, где наряду с качеством важны
выход годного и экономичность процесса.
Перегрев металла. В электрошлаковых процессах
объем металлической ванны при производстве
крупного слитка может быть значительно умень-
шен. Однако уменьшение производительности про-
цесса приводит к повышению расхода электроэнер-
гии, что снижает эффективность. Поэтому, помимо
уменьшения глубины ванны, следует снижать пере-
грев металла, создавая условия для ускорения крис-
таллизации. Высокий перегрев стали, помимо удли-
нения времени затвердевания, способствует общему
огрублению структуры слитка, усилению зональ-
ной ликвации, образованию горячих трещин. Кроме
того, при повышении перегрева увеличивается усад-
ка металла в жидком состоянии.
Фактически перегрев – это единственный тех-
нологический фактор, который невозможно изме-
нить ни при стандартной разливке стали в излож-
ницу, ни при классическом ЭШП. В первом случае
перегрев необходим для обеспечения разливаемости
большой массы металла, во втором, – из-за невоз-
можности вести переплав ниже некоторого мини-
мального тепловложения.
Значительное снижение перегрева обеспечивает
процесс электрошлакового переплава с жидким ме-
таллом (ЭШП ЖМ). В этом случае металл подается
из обогреваемого устройства, а путь его до кристал-
лизатора невелик. Производительность процесса
ЭШП ЖМ, в отличие от традиционного ЭШП, опре-
деляется не скоростью плавления электрода, а ско-
ростью затвердевания слитка. Кроме того, в элек-
трошлаковых технологиях с использованием жид-
кого металла можно применять шлаки с понижен-
ным (на 100...200 °С ниже температуры солидус
металла) температурным интервалом плавления.
Применение таких шлаков способствует умень-
шению удельного расхода электроэнергии и тепло-
вложения в ходе процесса, что является залогом
улучшения структуры формирующегося слитка за
счет ускорения затвердевания.
Следовательно, применение жидкого металла в
процессе ЭШП позволяет существенно расширить
возможности управления затвердеванием и, как
следствие, повысить металлургическое качество
производимых слитков.
Рис. 5. ЭШП ДС: а – схема (два независимых источника тока): 1 – расходуемый электрод; 2 – ванна жидкого металла; 3 –
слиток; 4 – шлаковая ванна; 5—7 – токоподводящий кристаллизатор; б – макроструктура слитка ЭШП ДС диаметром 350 мм
17
Вопросы о граничных пределах массы слитков,
изготовляемых тем или иным способом, а также об
экономической эффективности технологий для обо-
снования использования этого или того способа тре-
буют дополнительной проработки, тем не менее
применение ЭШП становится более эффективным
чем выше масса выплавляемого слитка.
Выводы
1. Для ускорения кристаллизации двух- (много-)
компонентного расплава перед фронтом кристалли-
зации необходимо дополнительное снижение тем-
пературы для преодоления конституционального
переохлаждения, возникающего из-за накопления
примесей. Это возможно при создании условий для
образования равноосных кристаллов, например по-
вышение температуры ликвидус стали центрально-
го объема слитка, в результате уменьшения содер-
жания примесей и углерода. При ЭШП преодоле-
ние накопления примесей в центральном объеме
(«конституциональное» переохлаждение) происхо-
дит автоматически при пополнении жидкометалли-
ческой ванны металлом постепенно плавящегося
электрода.
2. Новые технологии ЭШП (ЭШП ЖМ, ЭШП
ДС) дают возможность управлять глубиной жид-
кометаллической ванны. Это позволяет снизить сте-
пень развития ликвационных процессов при затвер-
девании и получить крупные слитки высокого каче-
ства из чувствительных к сегрегации сталей и спла-
вов. Вопрос о граничной массе слитков и экономи-
ческой эффективности технологий для детермини-
рованного выбора того или другого способа требует
дополнительного изучения.
1. Tanaka Y. Recent trends and developments in the heavy
open-die forging industry in Japan // Proc. IFM-2011 (Pit-
tsburgh, USA, 2011). – Pittsburgh, 2011. – P. 29—36.
2. Иванцов Г.П. Диффузионное переохлаждение при крис-
таллизации бинарного сплава: Докл. АН СССР. –
1951. – 81, № 2. – С. 179—182.
3. Tiller W.A., Rutter J.W. The effect of growth conditions
upon the solidification of a binary alloy// Canadian J. of
physics. – 1956. – № 34. – P. 96.
4. Голиков И.Н. Дендритная ликвация в стали. – М.: Ме-
таллургия, 1958.
5. Чалмерс Б. Теория затвердевания. – М.: Металлургия,
1968. – 288 с.
6. Flemmings M.C. Solidification Processing. – New York:
McGraw-Hill, 1974. – 300 р.
7. Stephen D.H. Theory of solidification. – Port Chester:
Cambridge University Press, 2001. – 400 р.
8. Оно А. Затвердевание металлов. – М.: Металлургия,
1980. – 152 с.
9. Переохлаждение // http://en.wikipedia.org/wiki/Un-
dercooling.
10. Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического
слитка. – М.: Металлургия, 1987. – 224 с.
11. The European COST536 project for the development of new
high temperature rotor materials / T.-U. Kern, B. Scarlin,
B. Donth et al. // Proc.of Intern. Forgemasters mee-
ting – IFM-2008 (Sant-Ander, Spain, September 2008). –
Sant-Ander, 2008. – P. 316—320.
12. ESR with two power sources and process control /
L.B. Medovar, V.L. Petrenko, A.K. Tsykoulenko et al. //
Proc. of Intern. Symp. On Liwuid Metal Processing and
Casting LMPC-2005 (Santa Fe, New Mexico, SA, 18—21
Sept. 2005). – Santa Fe, 2005. – P. 131—135.
13. Verification of the theoretical considerations regarding the
design challenges of large sized ESR Plants / H. Holzgru-
ber, A. Scheriau, M. Knabl et al. // Proc. of Intern. For-
gemasters meeting IFM-2011 (Pittsburgh, USA, 2011). –
Pittsburgh, 2011. – P. 189—194.
14. Патон Б.Е., Медовар Б.И. Многослойная сталь в свар-
ных конструкциях. – Киев: Наук. думка, 1984. – 284 с.
15. Mitchel A. The prospects for large forgings of segregation-
sensitive alloys // Advances in electrometallurgy. –
№ 2. – 2005. – P. 2—6.
16. New method of low segregation ESR forging ingots produc-
tion (computer simulation of the ESR ingot enlargement) /
V. Mahnenko, L. Medovar, V. Saenko, T. Korolyova //
Proc. of Intern. forgemasters meeting IFM-2008 (Sant-
Ander, Spain, Sept. 2008). – Sant-Ander, 2008. – 300 p.
Discussed are the modern conceptions about some phenomena of ingot solidification and methods of its quality impro-
vement. The comparison is made of steady theoretical conceptions about ingot solidification and existing limitations of
description of all types segregation, proceeding in ingot solidification are indicated. Different technological procedures
of effect on solidified ingot by change in ingot geometry and without it were analyzed. The effect of changes in ratio
of ingot height to its diameter on appearance of either types of heterogeneity is shown. The feasibility of change in
solidifying metal overheating above liquidus is shown. Comparison of advantages of the newest electroslag technologies
of control of ingot solidification as a result of change of its geometry at enlargement and without change in geometry
in the process of electroslag remelting using two-circuit scheme is made. Prospects of ESR application in production of
large forge ingots of a super-high quality are considered. Ref. 16, Figs. 5
K e y w o r d s : large forge ingot; crystallization; solidification; liquation; structure; ESR; ESR LM
Поступила 14.02.2013.
18
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96698 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T19:00:59Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Медовар, Л.Б. Стовпченко, А.П. Головачев, А.Н. Федоровский, Б.Б. 2016-03-19T16:07:11Z 2016-03-19T16:07:11Z 2013 ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка / Л.Б. Медовар, А.П. Стовпченко, А.Н. Головачев, Б.Б. Федоровский // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 3 (112). — С. 12-18. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96698 669.117.56 Обсуждены современные представления о некоторых феноменах затвердевания слитка и способах улучшения его качества. Проведено сопоставление устоявшихся теоретических представлений о затвердевании слитка и указаны имеющиеся ограничения описания всех видов сегрегации, проявляющихся при затвердевании слитков. Проанализированы различные технологические приемы воздействия на затвердевающий слиток путем изменения геометрии слитка и без него. Показано влияние изменения отношения высоты слитка к его диаметру на проявление тех или иных видов неоднородности. Рассмотрены возможности изменения перегрева затвердевающего металла над ликвидусом. Выполнено сравнение преимуществ новейших электрошлаковых технологий управления затвердеванием слитка в результате изменения его геометрии при укрупнении и без изменения геометрии в процессе электрошлакового переплава (ЭШП) по двухконтурной схеме. Рассмотрены перспективы применения ЭШП при производстве крупных кузнечных слитков особо высокого качества. Discussed are the modern conceptions about some phenomena of ingot solidification and methods of its quality improvement. The comparison is made of steady theoretical conceptions about ingot solidification and existing limitations of description of all types segregation, proceeding in ingot solidification are indicated. Different technological procedures of effect on solidified ingot by change in ingot geometry and without it were analyzed. The effect of changes in ratio of ingot height to its diameter on appearance of either types of heterogeneity is shown. The feasibility of change in solidifying metal overheating above liquidus is shown. Comparison of advantages of the newest electroslag technologies of control of ingot solidification as a result of change of its geometry at enlargement and without change in geometry in the process of electroslag remelting using two-circuit scheme is made. Prospects of ESR application in production of large forge ingots of a super-high quality are considered. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электрошлаковая технология ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка ESR and modern approaches to control of solidification of large forge ingot Article published earlier |
| spellingShingle | ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка Медовар, Л.Б. Стовпченко, А.П. Головачев, А.Н. Федоровский, Б.Б. Электрошлаковая технология |
| title | ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка |
| title_alt | ESR and modern approaches to control of solidification of large forge ingot |
| title_full | ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка |
| title_fullStr | ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка |
| title_full_unstemmed | ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка |
| title_short | ЭШП и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка |
| title_sort | эшп и современные подходы к управлению затвердеванием крупного кузнечного слитка |
| topic | Электрошлаковая технология |
| topic_facet | Электрошлаковая технология |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96698 |
| work_keys_str_mv | AT medovarlb éšpisovremennyepodhodykupravleniûzatverdevaniemkrupnogokuznečnogoslitka AT stovpčenkoap éšpisovremennyepodhodykupravleniûzatverdevaniemkrupnogokuznečnogoslitka AT golovačevan éšpisovremennyepodhodykupravleniûzatverdevaniemkrupnogokuznečnogoslitka AT fedorovskiibb éšpisovremennyepodhodykupravleniûzatverdevaniemkrupnogokuznečnogoslitka AT medovarlb esrandmodernapproachestocontrolofsolidificationoflargeforgeingot AT stovpčenkoap esrandmodernapproachestocontrolofsolidificationoflargeforgeingot AT golovačevan esrandmodernapproachestocontrolofsolidificationoflargeforgeingot AT fedorovskiibb esrandmodernapproachestocontrolofsolidificationoflargeforgeingot |