Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП

Рассмотрены способы воздействия на кристаллизацию металла слитков при электрошлаковом переплаве, основанные на введении в расплав модифицирующих добавок и инокуляторов, импульсном электропитании, создании колебаний расплава, вращении расходуемого электрода, дугошлаковом переплаве, продувке ванны газ...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Современная электрометаллургия
Date:	2014
Main Authors:	Протоковилов, И.В., Порохонько, В.Б.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Subjects:	Электрошлаковая технология
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96896
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:	Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП / И.В. Протоковилов, В.Б. Порохонько // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 3 (116). — С. 7-15. — Бібліогр.: 44 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859719207968571392
author	Протоковилов, И.В. Порохонько, В.Б.
author_facet	Протоковилов, И.В. Порохонько, В.Б.
citation_txt	Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП / И.В. Протоковилов, В.Б. Порохонько // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 3 (116). — С. 7-15. — Бібліогр.: 44 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Современная электрометаллургия
description	Рассмотрены способы воздействия на кристаллизацию металла слитков при электрошлаковом переплаве, основанные на введении в расплав модифицирующих добавок и инокуляторов, импульсном электропитании, создании колебаний расплава, вращении расходуемого электрода, дугошлаковом переплаве, продувке ванны газами, применении токоподводящего кристаллизатора, электромагнитном воздействии. Описаны механизмы, обеспечивающие гомогенизацию и измельчение структуры металла, проанализированы преимущества и недостатки различных способов воздействия на электрошлаковый процесс. Показано, что несмотря на большое количество исследований, свидетельствующих о положительном влиянии рассмотренных способов воздействия на структуру и свойства слитков ЭШП, их результаты не нашли широкого промышленного применения из-за присущих им недостатков. Отмечено, что эффективным инструментом управления кристаллизацией металла при ЭШП являются внешние магнитные поля, позволяющие осуществлять бесконтактное силовое воздействие на расплавы шлаковой и металлической ванн. Для повышения эффективности воздействия на структуру металла предлагается использование импульсных магнитных полей, в том числе созданных разрядами емкостных накопителей на магнитный контур, и комплексных способов управления кристаллизацией слитков ЭШП, основанных на тепловых и гидродинамических механизмах. The paper deals with methods of impact on ingot metal solidification in electroslag remelting based on addition of modifiers and inoculants to the melt, pulse power supply, inducing melt oscillations, consumable electrode rotation, arc-slag remelting, pool blowing with gases, application of current-conducting mould and electromagnetic impact. Mechanisms are described, which ensure homogenizing and refinement of metal structure, advantages and disadvantages of various methods of impact on electroslag process are analyzed. It is shown that despite the large number of investigations demonstrating positive influence of the considered methods of impact on ESR ingot structure and properties, their results did not become widely accepted by industry, because of their inherent disadvantages. It is noted that external magnetic fields are an effective tool of controlling metal solidification at ESR, which allow applying contactless force impact on slag and metal pool melts. To increase the effectiveness of impact on metal structure, it is proposed to apply pulsed magnetic fields, in particular those generated by discharges of capacitive storages to magnetic circuit, and comprehensive methods to control solidification of ESR ingots, based on thermal and hydrodynamic mechanisms.
first_indexed	2025-12-01T09:18:31Z
format	Article
fulltext	УДК 669.187.56.001.3 СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ МЕТАЛЛА СЛИТКОВ ПРИ ЭШП И. В. Протоковилов, В. Б. Порохонько Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины. 03680, г. Киев, ул. Боженко 11. E-mail: office@paton.kiev.ua Рассмотрены способы воздействия на кристаллизацию металла слитков при электрошлаковом переплаве, основанные на введении в расплав модифицирующих добавок и инокуляторов, импульсном электропитании, создании колебаний расплава, вращении расходуемого электрода, дугошлаковом переплаве, продувке ванны газами, применении токо- подводящего кристаллизатора, электромагнитном воздействии. Описаны механизмы, обеспечивающие гомо- генизацию и измельчение структуры металла, проанализированы преимущества и недостатки различных способов воздействия на электрошлаковый процесс. Показано, что несмотря на большое количество исследований, свиде- тельствующих о положительном влиянии рассмотренных способов воздействия на структуру и свойства слитков ЭШП, их результаты не нашли широкого промышленного применения из-за присущих им недостатков. Отмечено, что эффективным инструментом управления кристаллизацией металла при ЭШП являются внешние магнитные поля, позволяющие осуществлять бесконтактное силовое воздействие на расплавы шлаковой и металлической ванн. Для повышения эффективности воздействия на структуру металла предлагается использование импульсных магнитных полей, в том числе созданных разрядами емкостных накопителей на магнитный контур, и комплексных способов управления кристаллизацией слитков ЭШП, основанных на тепловых и гидродинамических механизмах. Библиогр. 44, ил. 10. Ключ е вы е с л о в а : электрошлаковый переплав; внешнее физическое воздействие; слиток; металлическая ванна; кристаллизация; структура Электрошлаковый переплав (ЭШП) имеет ряд тех- нологических и металлургических преимуществ, обусловливающих эффективность его использова- ния для получения слитков и слябов широкого клас- са металлов и сплавов [1—4]. Однако слитки ЭШП имеют крупнокристаллическую структуру со столб- чатыми кристаллитами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Такое строение слитка способствует образованию в металле различных неоднородностей и ликвационных дефектов, наличие которых уве- личивается с повышением степени легирования ме- талла и сечения выплавляемого слитка. Кроме того, крупнозернистый металл плохо поддается дефор- мационной обработке. Для достижения высоких показателей механических свойств и облегчения процесса деформации литого металла следует полу- чать слитки с равноосной мелкозернистой струк- турой. Поэтому разработка способов управления процессом первичной кристаллизации слитков яв- ляется важной и актуальной задачей дальнейшего совершенствования электрошлаковых технологий. Существуют различные способы и технологичес- кие приемы управления кристаллизацией металла при ЭШП, основанные на использовании металлур- гических механизмов и внешних физических воз- действий (рис. 1). Это введение в ванну частиц- модификаторов [1, 2, 5—8], микро- и макрохоло- дильников (инокуляторов), армирующих добавок [1, 2, 9, 10], создание в ванне упругих колебаний и различных механических вибраций [1, 2, 11—15], вращение расходуемого электрода [16, 17], продув- ка металлургической ванны газами (барботирова- ние) [18—21], импульсное электропитание [22—25], электромагнитное воздействие [26—33] и др. Широ- кие возможности управления кристаллизацией от- крывает использование различных схем переплава с применением токоподводящего кристаллизатора [34—40], а также дугошлаковый переплав [41—44]. Одним из наиболее простых способов измельче- ния кристаллической структуры литого металла яв- ляется введение в него нерастворимых частиц-мо- дификаторов, стимулирующих образование цент- ров кристаллизации. Наиболее применимы для этих целей редкоземельные металлы, бор, кальций, маг- ний, барий, титан, соединения типа нитридов, окси- дов, боридов, карбидов и пр. © И. В. ПРОТОКОВИЛОВ, В. Б. ПОРОХОНЬКО, 2014 7 Способы модифицирования металла при ЭШП подробно описаны в работах [1, 2, 5—7]. Их особен- ностью является то, что модифицирующие вещества вводятся в жидкий металл преимущественно через расплавленный шлак (рис. 2, а), плотность кото- рого совпадает с плотностью большинства модифи- каторов, что в свою очередь затрудняет их введение в металлическую ванну. Кроме того, продолжитель- ное взаимодействие мелкодисперсных модификато- ров со шлаковым расплавом может приводить к их дезактивации. Указанные недостатки не всегда поз- воляют обеспечить воспроизводимость положитель- ных конечных результатов, т. е. улучшение служеб- ных характеристик металла. Для преодоления данных затруднений модифи- каторы вводят в порошкообразном состоянии через полый электрод (рис. 2, б) или в виде порошковой проволоки, подаваемой в плавильную зону. Также модификаторы можно вводить в расплав путем их восстановления из материалов, являющихся компо- нентами флюса [8]. Недостатком последнего спосо- ба является возможность истощения флюса по мере наплавления металла. В целом эффективное использование модифици- рования металла при ЭШП осложняется тем, что мелкодисперсные частицы трудно ввести в металл так, чтобы они равномерно распределились по все- му сечению слитка. При увеличении размера частиц их введение в жидкометаллическую ванну при ЭШП существенно облегчается. Поэтому предпочтительным является применение дисперсных инокуляторов-холодиль- ников, размер которых варьируется в широком диа- пазоне – от 1 до 60 мм [1]. При этом их количество может достигать 40 % и более массы расплавляемого электродного металла. Достоинство инокуляторов-холодильников за- ключается в том, что они могут быть введены не- посредственно в область фронта кристаллизации, что коренным образом изменяет структуру и качес- тво металла. Попадая в металлическую ванну, ино- куляторы-холодильники играют роль подложек, на которых происходит кристаллизация окружающего расплава. В зависимости от размеров и массы ино- куляторов они по-разному взаимодействуют с ме- таллическим расплавом, растворяясь в нем полно- стью или частично. В последнем случае можно по- лучить структуру, армированную инокулирующи- ми добавками. Возможны разные варианты введения холодиль- ников в металлургическую ванну (рис. 2). Одни реализуются при использовании холодильников ма- лого размера, другие – сверхкрупных холодиль- ников [1, 2, 9, 10]. Анализируя данные исследования, можно сде- лать вывод, что использование инокуляторов при ЭШП способствует измельчению макроструктуры металла и подавлению макросегрегационных де- фектов, повышению ударной вязкости и изотроп- ности механических свойств металла. В то же время следует тщательно следить за равномерностью рас- пределения частиц инокуляторов в объеме металла, их окисленностью, влажностью и пр. В противном случае может повышаться содержание неметалли- ческих включений в металле и снижаться показа- тели его механических свойств. Использование модификаторов и инокуляторов может приводить к изменению химического состава выплавляемого металла, что недопустимо для ши- рокого класса специальных сталей и сплавов, в том числе сложнолегированных титановых, химичес- кий состав которых строго регламентирован. Поэтому при электрошлаковых технологиях применяются способы внешнего физического воз- Рис. 1. Способы воздействия на кристаллизацию металла слитков при ЭШП Рис. 2. Схемы введения в жидкометаллическую ванну модифика- торов и инокуляторов-холодильников при ЭШП с подачей час- тиц на поверхность шлаковой ванны (а) и через полый электрод (б): 1 – металлическая ванна; 2 – шлаковая ванна; 3 – мо- дифицирующие добавки (инокуляторы); 4 – полый электрод 8 действия на кристаллизацию металла, которые не изменяют его химический состав и не вносят посто- ронние примеси. Одним из таких способов является механическая вибрация кристаллизующегося металла. Вибрация и вызванные ею упругие колебания разрушают об- разующиеся в переохлажденной жидкости кристал- лы, увеличивая тем самым количество центров кристаллизации. Положительная роль вибраций и виброимпульсных воздействий на качество металла отмечена в работах [1, 2, 11—15]. Показано, что металл, закристаллизовавшийся под воздействием упругих колебаний, отличается более равноосным зерном, равномерным распределением упрочняю- щих фаз и существенным уменьшением размера микрозерна. При ЭШП используются как низкочастотные (0,5...100,0 Гц), так и ультразвуковые колеба- ния – 20 кГц и выше [1]. Степень диспергирования литой структуры повышается с увеличением часто- ты колебаний, при этом разрушение транскристал- литности происходит при 40...50 Гц и выше [1]. Некоторые способы введения в ванну механи- ческих колебаний приведены на рис. 3. Для их со- здания применяют электрогидроимпульсные, элек- трогидравлические, электромагнитные, пневмати- ческие, магнитострикционные, механические и дру- гие преобразователи [15]. Наиболее распространен- ным является способ введения колебаний через под- дон (рис. 3, а). Его особенность заключается в том, что осесимметричные упругие колебания передают- ся через поддон и слиток непосредственно на фронт кристаллизации металла, увеличивая эффектив- ность его обработки. Однако следует учитывать, что с увеличением в процессе переплава высоты слитка изменяется резонансная частота колебательной сис- темы, а сами колебания затухают [13]. При введении колебаний в ванну через расходу- емый электрод (рис. 3, б, в), помимо воздействия на кристаллизацию, появляется возможность влиять на процессы каплеобразования электродно- го металла. Так, в работе [12] показано, что возбуж- дение ультразвуковых колебаний в электроде спо- собствует увеличению среднего времени образо- вания капли и ее размера. При этом развитие кави- тационных процессов способствует улучшению ус- ловий взаимодействия капли с расплавленным шла- ком и обеспечивает повышение степени рафиниро- вания металла. Установлен факт повышения скоро- сти плавления электрода при наложении изгибных на 20...30 % (рис. 3, в) и продольных на 5...10 % (рис. 3, б) ультразвуковых колебаний. Отмечено, что при одинаковом качественном воздействии эф- фективность изгибных колебаний выше, чем про- дольных. Следует подчеркнуть, что применение ультраз- вуковых колебаний при ЭШП может иметь и нега- тивные последствия, заключающиеся в ухудшении формирования поверхности слитков, снижении эф- фективности очищения металла от неметаллических включений и образовании полосчатости структуры по высоте слитка [1, 11]. При ЭШП значительная часть тепла, поступаю- щего в металлическую ванну, передается с каплями электродного металла. Поэтому место расположе- ния источника каплеобразования существенно влияет на форму металлической ванны и качество металла слитка. Смещение зоны тепловыделения от центра к пе- риферии ванны может быть достигнуто в процессе вращения расходуемого электрода (рис. 4) [16, 17]. Суть способа заключается в придании электроду однонаправленного или реверсивного вращения во- круг своей оси (рис. 4, а, б) или оси ванны при ассиметричном расположении электрода (рис. 4, в). Скорость вращения электрода зависит от его диа- метра. Для электродов диаметром 40...250 мм она обычно составляет 30...90 об/мин [16—17]. Вращение электрода приводит к появлению цен- тробежной силы, в результате воздействия которой Рис. 3. Схемы введения механических колебаний при ЭШП через поддон (а), расходуемый электрод (б, в), кристаллизатор (г): 1 – генератор упругих колебаний; 2 – поддон; 3 – слиток; 4 – кристаллизатор; 5 – расходуемый электрод 9 достигают периферийного отрыва капель металла от оплавляемого торца электрода и рассредоточения места их падения в металлическую ванну. Указан- ные эффекты позитивно влияют на форму и глубину металлической ванны и, как следствие, на направ- ление роста кристаллов. Фронт кристаллизации становится более плоским, что обеспечивает рост кристаллов в осевом направлении. При этом умень- шается расстояние между осями кристаллов I и II порядка [17]. При ЭШП с вращением электрода рафинирую- щая способность процесса увеличивается, посколь- ку пленка на торце электрода более равномерна, толщина ее меньше, а капли проходят более длин- ный путь в шлаке. В работе [16] показано, что при правильно вы- бранной скорости вращения расходуемого электро- да можно достичь повышения производительности процесса ЭШП на 40 % и снизить расход электро- энергии на 30 %. При переплаве стали различных марок необхо- дим выбор индивидуальной скорости вращения, а в случае скорости вращения выше оптимальной мо- жет резко возрастать содержание неметаллических включений мелкого размера [16]. Уменьшение глубины металлической ванны и улучшение условий кристаллизации слитка обес- печивает разработанный в ИЭС им. Е. О. Патона способ дугошлакового переплава (ДШП) [41—44]. При ДШП расходуемый электрод оплавляется элек- трической дугой, горящей между его торцом и по- верхностью шлаковой ванны. Для реализации ДШП необходимо обеспечить в зоне горения дуги контро- лируемую газовую атмосферу, что достигается с помо- щью применения флюсового затвора (рис. 5, а) или переплава в камерной печи (рис. 5, б). Слой шлака, покрывающий жидкий металл, вы- зывает рассредоточение тепла от дуги по сечению металлической ванны, тем самым снижая ее глубину и делая фронт кристаллизации более плоским, чем при классическом ЭШП. Этому также способствует рассредоточенный перенос капель в ванну, отрыв которых происходит по всему торцу электрода. Бо- лее равномерному распределению тепла по сечению ванны благоприятствует использование полого электрода, через полость которого осуществляется продувка газом (рис. 5, б). По сравнению с ЭШП способ ДШП позволяет в 1,5 раза сократить расход электроэнергии и почти в 2 раза уменьшить расход флюса [42]. Принудительное механическое перемешивание расплава и воздействие на кристаллизацию металла может быть достигнуто в результате барботирова- ния шлаковой и металлических ванн путем их про- дувки струями газов [4, 15, 18—21]. Для выполнения этой операции используют различные технологи- ческие схемы переплава с подачей газа через труб- чатые элементы, размещенные вдоль боковой по- верхности электрода (рис. 6, а), в полость электро- да (рис. 6, б), в зазор между стенкой кристаллиза- тора и слитком (рис. 6, в), в отверстия в стенке кристаллизатора (рис. 6, г), в полость дорна при выплавке полых слитков (рис. 6, д) и др. Приме- Рис. 5. Схемы ДШП с применением флюсового затвора (а) и в камерной печи с подачей газа в полость электрода (б) [42]: 1 – слиток; 2 – металлическая ванна; 3 – шлаковая ванна; 4 – электрическая дуга; 5 – расходуемый электрод; 6 – флюсовый затвор Рис. 4. Схемы ЭШП с вращением (а—в) и возвратно-поступательным перемещением (г) расходуемого электрода: 1 – металлическая ванна; 2 – шлаковая ванна; 3 – расходуемый электрод; 4 – капля электродного металла 10 няют преимущественно инертные газы, азот (есть сведения об использовании смеси азота и кислорода [21]). При выплавке высокореакционных метал- лов, таких как титан и его сплавы, допустимо ис- пользование только инертных газов (аргон, гелий). Продувка газом способствует интенсивному пе- ремешиванию расплава ванны, ускорению диффу- зионных процессов, удалению неметаллических и газовых включений, что приводит к благоприятно- му изменению структуры слитка и его физических свойств [15, 20]. При выплавке полых слитков подача газа через дорн навстречу расходуемому электроду обеспечи- вает его принудительное оплавление в центральной части и смещение очагов каплеобразования к пери- ферии электрода, что улучшает технологичность процесса и качество слитка (рис. 6, д) [19]. Другим способом управления процессом первич- ной кристаллизации при ЭШП является принуди- тельное периодическое изменение теплового и меха- нического состояния металлической ванны с помо- щью импульсного питания электрошлакового про- цесса электрической энергией (модуляции мощно- сти) (рис. 7) [22—25]. Благодаря тому, что шлако- вая и металлическая ванны характеризуются значи- тельной тепловой инерционностью, можно в широ- ких пределах изменять режимы импульсного элек- тропитания при сохранении устойчивости электро- шлакового процесса и высокого качества формиро- вания слитка. Импульсное электропитание оказывает комп- лексное воздействие на электрошлаковый процесс, периодически изменяя тепловое и гидродинамичес- кое состояние ванны. Изменение за счет пауз элек- тропитания температурного градиента в двухфаз- ной зоне способствует более интенсивному зарож- дению кристаллов на фронте кристаллизации. При этом снижение тепловой мощности, выделяемой в шлаковой ванне, приводит к эквивалентному умень- шению объема металлической ванны. Кроме изме- нения температурного режима, периодическое изме- нение тока плавки вызывает механические колеба- ния ванны. Все это приводит к измельчению литой структуры выплавляемого металла, подавлению ликвационных процессов и повышению изотроп- ности его механических свойств. В работе [24] показано, что импульсная модуля- ция мощности позволяет управлять каплеобразова- нием электродного металла и тем самым повышать производительность электрошлакового процесса и его тепловой КПД. Проведенные исследования свидетельствуют об эффективности технологии импульсного питания при ЭШП для получения шарикоподшипниковых, быстрорежущих, инструментальных и других ста- лей [22, 23], а также титана [25]. Следует отметить, что сегодня с появлением мощных силовых полупроводниковых приборов и современных микропроцессорных систем возмож- ности импульсного регулирования мощности при ЭШП существенно расширились, что способствует повышению перспективности использования данно- го способа воздействия в электрошлаковых техно- логиях. Большие возможности управления глубиной и формой металлической ванны, а следовательно, и структурой выплавляемого слитка, открывает ис- пользование различных схем ЭШП в токоподводя- щем кристаллизаторе (рис. 8) [34—40]. В данном случае кристаллизатор является не только устрой- ством, формирующим выплавляемый слиток, но и неплавящимся электродом, поддерживающим элек- трошлаковый процесс. Плавку можно осуществ- лять, используя расходуемый электрод с питанием по двухконтурной схеме (ЭШП ДС) (рис. 7, а), а также жидкий или некомпактный присадочные ма- териалы (ЭШП ЖМ) (рис. 7, б, в). Рис. 6. Различные схемы (а—д) введения газовых смесей в шлаковую и металлическую ванны при ЭШП [4, 19] Рис. 7. Осциллограммы тока плавки I при различных вариантах (а—в) импульсного электропитания [22, 24] 11 Периферийный характер тепловыделения при плавке в токоподводящем кристаллизаторе и отсут- ствие жесткой зависимости между температурным режимом и производительностью процесса позво- ляют получать практически любую линейную ско- рость плавки и форму металлической ванны. Если при канонической схеме ЭШП глубина металличес- кой ванны обычно равна радиусу слитка, то при ЭШП в токоподводящем кристаллизаторе металли- ческая ванна может быть существенно меньше и иметь практически плоскую форму [34]. Это дает возможность бороться с сегрегационными явления- ми, уменьшая скорость переплава без ухудшения качества поверхности слитка. Следует отметить, что использование токопод- водящего кристаллизатора позволяет организовать принудительное вращение расплава шлаковой ван- ны, благодаря чему обеспечивается выравнивание температуры по периметру токоподводящей секции и равномерное температурное поле ванны жидкого металла [37, 40]. Схемы ЭШП с использованием токоподводяще- го кристаллизатора представляются наиболее пер- спективными для получения слитков из сложноле- гированных сталей и сплавов, композиционных слитков и крупных кузнечных слитков [35—39]. Эффективным инструментом управления тепло- массопереносом и кристаллизацией металла при ЭШП являются внешние магнитные поля [26]. Пре- имущество их использования заключается в воз- можности бесконтактного силового воздействии на расплавы шлаковой и металлической ванн. Следует отметить, что электрошлаковый процесс является благоприятным с точки зрения электромагнитного управления. Этому способствует наличие широкого диапазона устойчивых режимов его протекания, а также высоких рабочих токов, проходящих через расплавы шлака и металла, что позволяет их ис- пользовать для электромагнитного управления. Физический механизм электромагнитного воз- действия на процесс ЭШП основан на взаимодей- ствии внешнего магнитного поля с электрическим током плавки, вследствие которого в ванне форми- руются объемные электромагнитные силы, создаю- щие силовое воздействие на расплавы металла и шла- ка, изменяя тем самым гидродинамическую обстанов- ку в ванне и условия кристаллизации металла. Основными задачами электромагнитного воз- действия при ЭШП являются повышение химичес- кой однородности выплавляемого металла и улуч- шение кристаллической структуры слитка. Кроме того, магнитные поля позволяют воздействовать на особенности плавления расходуемого электрода, характер образования и отрыва капель электродно- го металла, траектории их движения в шлаковой ванне и тем самым добиваться нужных технологи- ческих и металлургических эффектов [26, 31]. Для воздействия на электрошлаковый процесс используют продольное (рис. 9, а), поперечное (рис. 9, б) и радиальное (рис. 9, в) магнитные поля. В зависимости от их частотных характеристик в металлургической ванне можно создать электрових- ревые течения или вибрацию расплава. Рис. 8. Схемы электрошлаковых процессов в токоподводящем кристаллизаторе [35]: а – ЭШП ДС; б – ЭШП ЖМ; в – электрошлаковое укрупнение слитков; 1 – слиток; 2 – токоподводящий кристаллизатор; 3 – металлическая ванна; 4 – шлаковая ванна; 5 – расходуемый электрод; 6 – миксер-дозатор Рис. 9. Схемы ЭШП в продольном (а), поперечном (б) и радиальном (в) магнитных полях: 1 – соленоид; 2 – электромагнит; 3 – силовые линии магнитного поля 12 Уже в первых работах по ЭШП с наложением магнитных полей на зону плавки отмечались разо- риентация и измельчение кристаллической структу- ры слитка, снижение расхода электроэнергии и вре- мени плавки [27, 28]. В последующих работах пока- зано, что стационарное вращение расплава вокруг оси ванны, вызванное наложением переменного продольного и радиального магнитных полей, мо- жет приводить и к негативным эффектам – спо- собствовать увеличению глубины металлической ванны и нежелательному изменению ее формы [29, 31]. С целью преодоления этого недостатка пред- ложено использование реверсивных переменных маг- нитных полей, обеспечивающих периодическое из- менение направления вращения расплава шлаковой ванны. Наиболее мелкая структура слитка получена при ЭШП с наложением радиального магнитного поля, реверсируемого с частотой 0,25 Гц [29]. Следует отметить, что введение в зону плавки переменного магнитного поля затруднительно вви- ду экранирующего действия медного кристаллиза- тора. Для устранения эффекта короткозамкнутого витка кристаллизатор необходимо выполнять раз- резным по вертикали с электрической изоляцией между секциями. В работе [31] показана эффективность примене- ния при ЭШП титана постоянных магнитных полей. В результате их взаимодействия с переменным то- ком плавки создается возвратно-поступательное движение (вибрация) расплава с частотой 50 Гц. Использование поперечного магнитного поля (рис. 9, б) приводит также к вибрации расходуемо- го электрода. Указанные эффекты способствуют уве- личению частоты отрыва капель электродного метал- ла с большим количеством очагов каплеобразования на торце электрода, выравниванию температурного поля в ванне, разрушению растущих в двухфазной области дендритов и, в конечном итоге, гомогениза- ции и измельчению структуры литого металла. Нарушение осевой симметрии процесса при плавке в поперечном магнитном поле и громозд- кость устройств для его создания усложняет прак- тическое применение поперечных полей при ЭШП. Более технологичным является использование про- дольного поля, образованного соленоидом, охваты- вающим кристаллизатор (рис. 9, а). В работах [31, 32] показано, что для эффек- тивного воздействия на макроструктуру металла слитков диаметром 60...160 мм уровень индукции магнитного поля в рабочей зоне должен составлять примерно 0,14...0,3 Тл и выше. Причем с увеличе- нием диаметра выплавляемого слитка значение ин- дукции в зоне плавки необходимо увеличивать. Это в свою очередь требует больших мощностей и мас- согабаритных параметров источников внешних маг- нитных полей, что снижает технологичность и эф- фективность их применения при выплавке слитков промышленных размеров. Перспективным является использование импуль- сных магнитных полей, позволяющих интенсифици- ровать магнитногидродинамическое воздействие на расплав ванны при снижении массогабаритных ха- рактеристик электромагнитного устройства [33]. Это достигается благодаря возможности формиро- вания мощных импульсов магнитного поля, создан- ных, например, разрядами конденсаторных бата- рей, а также в результате гидродинамических «уда- ров» на фронт кристаллизации в момент их дей- ствия. При этом обеспечивается интенсивное пере- мешивание жидкого металла и измельчение крис- таллической структуры слитка (рис. 10). Форми- рование однородной мелкозернистой литой струк- туры слитка обусловливает высокую технологич- ность металла на стадии деформации и последую- щих переделов, большие значения его механичес- ких характеристик и работоспособность. Заключение Существуют различные технологические приемы и способы воздействия на кристаллизацию металла слитков при ЭШП. В ряде случаев они являются эффективными и обеспечивают повышение одно- родности и измельчение структуры металла слит- ков. Однако несмотря на большое количество иссле- дований, указывающих на положительное влияние рассмотренных способов воздействия на структуру и свойства слитков ЭШП, они носят преимущест- венно опытный характер и не нашли широкого про- мышленного применения. При введении в расплав различных модифици- рующих добавок и иннокуляторов изменяется хими- ческий состав выплавляемого сплава, что в боль- шинстве случаев является недопустимым. При этом сохраняется химическая неоднородность слитка, присущая любой схеме переплава с дополнитель- Рис. 10. Макроструктуры титановых слитков, выплавленных без электромагнитного воздействия (а) и с ним (б) 13 ным легированием твердыми частицами. Недостат- ком внешних физических воздействий является от- сутствие четких зависимостей между параметрами воздействия и свойствами выплавляемого металла для каждого конкретного случая (типоразмера слитка и состава сплава). Отсутствуют надежные технологи- ческие и конструктивные решения по введению в рас- плав воздействий требуемой мощности при выплавке слитков промышленных размеров. Управление процессом первичной кристаллиза- ции слитков ЭШП, особенно сложнолегированных сплавов и слитков больших диаметров, остается од- ной из ключевых задач дальнейшего развития элек- трошлаковых технологий. Эффективным инструментом управления крис- таллизацией слитков ЭШП, по-нашему мнению, яв- ляется бесконтактное силовое воздействие на расп- лав ванны при помощи внешних магнитных полей. Однако воздействие на макроструктуру слитков требует больших мощностей и массогабаритных параметров источников внешних магнитных полей, что является серьезным препятствием на пути их практического использования. Повышение эффек- тивности электромагнитного воздействия может быть достигнуто путем использования импульсных магнитных полей, в том числе созданных разрядами конденсаторов на магнитный контур. Перспектив- ным является использование комплексных способов управления кристаллизацией слитков ЭШП, осно- ванных на тепловых и гидродинамических механиз- мах воздействия и схемах переплава в токоподво- дящем кристаллизаторе. 1. Металлургия электрошлакового процесса / Б. И. Медо- вар, А. К. Цыкуленко, В. Л. Шевцов и др. / Под. ред. Б. Е. Патона. – Киев: Наук. думка, 1986. – 248 с. 2. Качество электрошлакового металла / Б. И. Медовар, А. К. Цыкуленко, Д. М. Дяченко / Под ред. Б. Е. Пато- на, Б. И. Медовара. – Киев: Наук. думка, 1990. – 312 с. 3. Электрошлаковая технология за рубежом / Б. И. Медо- вар, А. К. Цыкуленко, А. Г. Богаченко, В. М. Литвин- чук. – Киев: Наук. думка, 1982. – 320 с. 4. Электрошлаковые печи / Под ред. Б. Е. Патона и Б. И. Медовара. – Киев: Наук. думка, 1976. – 414 с. 5. Еремин Е. Н. Закономерности комплексного модифициро- вания литого электрошлакового металла // Анализ и синтез механических систем. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 1998. – С. 131—134. 6. Еремин Е. Н. Применение модифицирования для повыше- ния свойств кольцевых заготовок из азотсодержащих нер- жавеющих сталей, полученных способом центробежного электрошлакового литья // Современ. электрометаллур- гия. – 2006. – № 3. – С. 3—7. 7. Билько В. Г., Емельяненко Ю. Г. Влияние модифицирую- щих добавок на трещиноустойчивость электрошлаковых слитков // Проблемы электрошлаковой технологии. – Киев: Наук. думка, 1978. – С. 134—138. 8. Применение окислов редкоземельных металлов в качестве компонентов флюса при электрошлаковом переплаве сред- нелегированной Cr—Ni—Mo стали / Б. И. Медовар, В. А. Тихонов, В. Я. Саенко, А. В. Бешенцев // Пробл. спец. электрометаллургии. – 1981. – Вып. 14. – С. 63—67. 9. Улучшение структуры и свойств литых инструментальных сталей при электрошлаковой выплавке с инокулято- рами / В. С. Попов, И. М. Билоник, С. П. Бережный и др. // Современ. электрометаллургия. – 2004. – № 2. – С. 8—9. 10. Управление кристализацией слитка путем ввода макрохо- лодильников при электрошлаковом переплаве / Б. Е. Па- тон, Б. И. Медовар, В. Я. Саенко, Ю. Г. Емельянен- ко // Литье с применением инокуляторов. – Киев: ИПЛ, 1981. – С. 13—19. 11. Воздействие ультразвуковыми колебаниями на кристал- лизацию при электрошлаковом переплаве / В. П. Кудель- кин, М. М. Клюев, С. И. Филиппов и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. – 1969. – № 11. – С. 64—70. 12. Воздействие ультразвуковых колебаний на капельный пе- ренос металла при электрошлаковом переплаве / В. П. Куделькин, М. М. Клюев, С. И. Филиппов и др. // Там же. – 1969. – № 3. – С. 54—59. 13. Абрамов О. В. Кристализация металлов в ультразвуковом поле. – М.: Металлургия, 1972. – 256 с. 14. Ефимов В. А., Эльдарханов A. C. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов. – М.: Металлургия, 1995. – 272 с. 15. Скворцов A. A., Акименко А. Д., Ульянов В. А. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и отливок. – М.: Металлургия, 1991. – 218 с. 16. Чуманов И. В. Повышение тепловой эффективности элек- трошлакового переплава и качества металла путем воздей- ствия на процессы плавления, транспортировки и крис- таллизации вращением расходуемого электрода: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. – Челябинск, 2002. – 40 с. 17. Пятыгин Д. А. Особенности плавления и кристаллизации металла при ЭШП на постоянном токе с вращением рас- ходуемого электрода: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Челябинск, 2006. – 21 с. 18. Pat. 3,776,294 US. Int. Cl. V 22 D 27/02, С 22 D 7/00. Method of electroslag remelting / B. E. Paton, B. I. Medo- var, I. V. Latash et al. – Publ. 04.12.1973. 19. Патон Б. Е., Медовар Б. И., Кумыш И. И. Принуди- тельное оплавление расходуемых электродов при элек- трошлаковом переплаве // Спец. электрометаллур- гия. – 1974. – № 25. – С. 3—7. 20. Pat. 4,185,683 US. Int. Cl. V 22 D 21/02, V 22 D 27/02. Electroslag remelting mould / B. I. Medovar, N. Z. Arta- monov, A. G. Bogachenko et al. – Publ. 29.01.1980. 21. Пат. 2483125 РФ, МПК С 22 В 9/18; F 27 D 27/100; B 22 D 23/10. Способ перемешивания шлаковой ванны при электрошлаковом переплаве расходуемого электрода / Л. Я. Левков, Ю. Н. Кригер, С. В. Орлов и др. – Опубл. 27.05.2013; Бюл. № 15. 22. Управление процессами кристаллизации слитка ЭШП / Б. Е. Патон, В. К. Лебедев, Б. И. Медовар и др. // Проблемы стального слитка: Труды пятой конф. по слит- ку. (Киев, сент. 1974 г.) – М.: Металлургия, 1974. – С. 707—714. 23. Абрамов А. В., Лоскутов В. И., Ковалев В. Г. Новая тех- нология электрошлаковой выплавки инструментальных заготовок // Пробл. спец. электрометаллургии. – 1993. – № 4. – С. 10—12. 24. Пат. № 2337979 РФ, МПК С 22 В 9/18. Способ управ- ления режимом работы установки электрошлакового пере- плава и устройство для его осуществления / А. В. Абра- мов, А. Н. Ильгачев, Д. Г. Михадаров. – Опубл. 10.11.2008; Бюл. № 1. 25. Электрошлаковая выплавка титановых слитков с импуль- сным электропитанием / И. В. Протоковилов, А. Т. На- зарчук, В. Б. Порохонько и др. // Современ. электроме- таллургия. – 2014. – № 2. – С. 10—14. 26. Компан Я. Ю., Щербинин Э. В. Электрошлаковая сварка и плавка с управляемыми МГД-процессами. – М.: Ма- шиностроение, 1989. – 272 с. 27. Дудко Д.А., Рублевский И.Н. Электромагнитное переме- шивание шлаковой и металлической ванн при электрошла- ковом процессе // Автомат. сварка. 1960. – № 9. – С. 12—16. 28. Трочун И. П., Черныш В. П. Магнитное управление кристаллизацией при ЭШП // Свароч. пр-во. – 1965. – № 11. – С. 3—5. 29. Разработка и исследование методов управления структу- рой кристаллизующегося слитка ЭШП путем наложения магнитного поля / Б. Е. Патон, Б. И. Медовар, В. И. Ус., С. В. Томиленко // Пробл. спец. электроме- таллургии. – 1989. – № 4. – С. 3—7. 30. Максимович Б. И. Влияние электромагнитного вращения шлаковой ванны на кристализацию металла при элек- трошлаковом переплаве высоколегированных сталей и сплавов // Электротермия. – 1992. – Вып. 5. – С. 10—15. 31. Протоковілов І. В. Магнітокерована електрошлакова плавка багатокомпонентних титанових сплавів: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.16.07 / НАН України; Інститут електрозварювання ім. Є. О.Патона. – Київ, 2006. – 20 с. 14 32. Компан Я. Ю., Назарчук А. Т., Протоковилов И. В. К вопросу интенсификации электромагнитного воздействия при магнитоуправляемой электрошлаковой плавке титано- вых сплавов // Современ. электрометаллургия. – 2007. – № 4. – С. 3—7. 33. Особенности создания импульсных магнитных полей для магнитоуправляемой электрошлаковой плавки / А. Т. Назарчук, И. В. Протоковилов, Ю. П. Ивочкин и др. // Там же. – 2013. – № 4. – С. 21—26. 34. Исследование влияния параметров двухконтурной схемы ЭШП на размеры и форму металлической ванны / Л. Б. Медовар, А. К. Цыкуленко, А. В. Чернец и др. // Пробл. спец. электрометаллургии. – 2000. – № 4. – С. 3—7. 35. Чернець О. В. Нові електрошлакові технології з роз’єд- нанням плавлення та твердіння металу: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. – Київ, 2001. – 35 с. 36. Цыкуленко А. К., Медовар Л. Б., Чернец А. В. Некото- рые новые области применения электрошлаковой техноло- гии // Пробл. спец. электрометаллургии. – 2002. – № 2. – С. 9—11. 37. Электрошлаковые технологии получения крупных куз- нечных слитков / Л. Б. Медовар, В. Я. Саенко, А. П. Стовпченко и др. // Современ. электрометаллур- гия. – 2010. – № 3. – С. 5—10. 38. ЭШП и современные подходы к управлению затвердева- нием крупного кузнечного слитка / Л. Б. Медовар, А. П. Стовпченко, А. Н. Головачев, Б. Б. Федоров- ский // Там же. – 2013. – № 3. – С. 12—18. 39. Кусков Ю. М. Электрошлаковый процесс без расходуемо- го электрода с использованием некомпактного присадоч- ного материала // Пробл. спец. электрометаллургии. – 1992. – № 2. – С. 28—32. 40. Томиленко С. В., Кусков Ю. М., Ус В. И. Устройство электромагнитного перемешивания для токоподводящих кристаллизаторов, обеспечивающее регулируемое враще- ние шлаковой ванны // Там же. – 1993. – № 3. – С. 16—18. 41. А. с. 520784 СССР, МПК 21 С 5/56. Способ переплава расходуемого электрода / Б. Е. Патон, Б. И. Медовар, В. И. Лакомский и др. – Опубл. 30.05.82. Бюл. №20. 42. Дугошлаковый переплав – современное состояние и перс- пективы развития / Б. Е. Патон, В. Я. Саенко, Ю. М. Помарин и др. // Пробл. спец. электрометаллур- гии. – 2002. – № 1. – С. 3—10. 43. Дугошлаковый переплав титана и титановых сплавов / Б. И. Медовар, В. В. Шепелев, В. Я. Саенко, Ю. М. По- марин // Там же. – 1992. – № 2. – С. 13—21. 44. Помарин Ю. М. Дугошлаковый переплав крупнотоннаж- ных слитков стали Х18АГ18 на промышленной печи ЭШП // Там же. – 1998. – № 1. – С. 11—15. The paper deals with methods of impact on ingot metal solidification in electroslag remelting based on addition of modifiers and inoculants to the melt, pulse power supply, inducing melt oscillations, consumable electrode rotation, arc-slag remelting, pool blowing with gases, application of current-conducting mould and electromagnetic impact. Mechanisms are described, which ensure homogenizing and refinement of metal structure, advantages and disadvantages of various methods of impact on electroslag process are analyzed. It is shown that despite the large number of investigations demonstrating positive influence of the considered methods of impact on ESR ingot structure and properties, their results did not become widely accepted by industry, because of their inherent disadvantages. It is noted that external magnetic fields are an effective tool of controlling metal solidification at ESR, which allow applying contactless force impact on slag and metal pool melts. To increase the effectiveness of impact on metal structure, it is proposed to apply pulsed magnetic fields, in particular those generated by discharges of capacitive storages to magnetic circuit, and comprehensive methods to control solidification of ESR ingots, based on thermal and hydrodynamic mechanisms. 44 Ref., 10 Figures. K e y w o r d s : electroslag remelting; external physical impact; ingot; metal pool; solidification; structure Поступила 05.03.2014 15
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96896
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0233-7681
language	Russian
last_indexed	2025-12-01T09:18:31Z
publishDate	2014
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format	dspace
spelling	Протоковилов, И.В. Порохонько, В.Б. 2016-03-22T06:49:07Z 2016-03-22T06:49:07Z 2014 Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП / И.В. Протоковилов, В.Б. Порохонько // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 3 (116). — С. 7-15. — Бібліогр.: 44 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96896 669.187.56.001.3 Рассмотрены способы воздействия на кристаллизацию металла слитков при электрошлаковом переплаве, основанные на введении в расплав модифицирующих добавок и инокуляторов, импульсном электропитании, создании колебаний расплава, вращении расходуемого электрода, дугошлаковом переплаве, продувке ванны газами, применении токоподводящего кристаллизатора, электромагнитном воздействии. Описаны механизмы, обеспечивающие гомогенизацию и измельчение структуры металла, проанализированы преимущества и недостатки различных способов воздействия на электрошлаковый процесс. Показано, что несмотря на большое количество исследований, свидетельствующих о положительном влиянии рассмотренных способов воздействия на структуру и свойства слитков ЭШП, их результаты не нашли широкого промышленного применения из-за присущих им недостатков. Отмечено, что эффективным инструментом управления кристаллизацией металла при ЭШП являются внешние магнитные поля, позволяющие осуществлять бесконтактное силовое воздействие на расплавы шлаковой и металлической ванн. Для повышения эффективности воздействия на структуру металла предлагается использование импульсных магнитных полей, в том числе созданных разрядами емкостных накопителей на магнитный контур, и комплексных способов управления кристаллизацией слитков ЭШП, основанных на тепловых и гидродинамических механизмах. The paper deals with methods of impact on ingot metal solidification in electroslag remelting based on addition of modifiers and inoculants to the melt, pulse power supply, inducing melt oscillations, consumable electrode rotation, arc-slag remelting, pool blowing with gases, application of current-conducting mould and electromagnetic impact. Mechanisms are described, which ensure homogenizing and refinement of metal structure, advantages and disadvantages of various methods of impact on electroslag process are analyzed. It is shown that despite the large number of investigations demonstrating positive influence of the considered methods of impact on ESR ingot structure and properties, their results did not become widely accepted by industry, because of their inherent disadvantages. It is noted that external magnetic fields are an effective tool of controlling metal solidification at ESR, which allow applying contactless force impact on slag and metal pool melts. To increase the effectiveness of impact on metal structure, it is proposed to apply pulsed magnetic fields, in particular those generated by discharges of capacitive storages to magnetic circuit, and comprehensive methods to control solidification of ESR ingots, based on thermal and hydrodynamic mechanisms. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электрошлаковая технология Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП Methods to control metal solidification in ESR Article published earlier
spellingShingle	Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП Протоковилов, И.В. Порохонько, В.Б. Электрошлаковая технология
title	Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП
title_alt	Methods to control metal solidification in ESR
title_full	Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП
title_fullStr	Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП
title_full_unstemmed	Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП
title_short	Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП
title_sort	способы управления кристаллизацией металла при эшп
topic	Электрошлаковая технология
topic_facet	Электрошлаковая технология
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96896
work_keys_str_mv	AT protokoviloviv sposobyupravleniâkristallizacieimetallapriéšp AT porohonʹkovb sposobyupravleniâkristallizacieimetallapriéšp AT protokoviloviv methodstocontrolmetalsolidificationinesr AT porohonʹkovb methodstocontrolmetalsolidificationinesr

Способы управления кристаллизацией металла при ЭШП

Institution

Similar Items