Волгоградский государственный технический университет, Волгоград, Россия

С. Б. Гаманюк, доцент кафедры технологии материалов (ТМ), канд. техн. наук, эл. почта: gamanuk@mail.ru
Д. В. Руцкий, доцент, заведующий кафедрой ТМ, канд. техн. наук, эл. почта: drutskii@vstu.ru
Н. А. Зюбан, профессор кафедры ТМ, докт. техн. наук, эл. почта: tecmat49@vstu.ru
М. В. Кириличев, заведующий лабораторией кафедры ТМ, эл. почта: tecmat@vstu.ru

Представлены результаты лабораторного исследования процесса затвердевания и развития структурных зон в слитках при доливке расплавом прибыльной части через 7, 19 и 40 мин после заливки тела слитка, при одинаковой температуре доливаемого расплава, равной 75 °C. Исследования выполнены методом физического (холодного) моделирования на плоской модели изложницы (изложница-кристаллизатор). В качестве аналога принята масштабная модель кузнечного слитка массой 19,6 т. Установка позволяет визуализировать процессы, происходящие при затвердевании и структурообразовании кузнечного слитка спокойной стали. В качестве моделирующего раствора использовали пятиводный раствор натрия серноватистокислого (Na₂S₂O₃·5H₂O). Разливку расплава в изложницу-кристаллизатор выполняли сверху. Данная работа выполнена в продолжение ранее опубликованных материалов по исследованию влияния технологии дифференцированной разливки на процесс затвердевания и структурообразования зон в кузнечных слитках. Показано, что увеличение длительности выдержки после наполнения тела слитка при доливке расплава в прибыль способствует подавлению объемного механизма затвердевания и способствует продолжению роста зоны столбчатых кристаллов, что приводит к большему развитию зоны столбчатых кристаллов, затвердевающих по последовательному механизму. Слитки, полученные с доливкой прибыли через 40 мин после наполнения тела, отличаются от сравнительного слитка большей структурной однородностью и менее развитой осевой зоной в теле слитка. При этом усадочная раковина полностью сконцентрирована в объеме прибыльной части. Увеличение длительности доливки прибыли расплавом приводит к 1,5-кратному увеличению общей длительности затвердевания модельных слитков. Чем больше интервал выдержки между доливкой прибыли слитка расплавом, тем более благоприятные условия создаются для развития зоны столбчатых кристаллов и, как следствие, получения более однородной структуры затвердевшего модельного слитка. Полученные результаты показывают, что продолжительность выдержки перед доливкой порций расплава оказывает существенное воздействие на механизм затвердевания и, как следствие, на развитие структурных зон затвердевающего слитка.

«Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-00973, https://rscf.ru/project/23-29-00973/»

1. Скобло С. Я., Казачков Е. А. Слитки для крупных поковок. — М. : Металлургия, 1973. — 247 с.
2. Смирнов А. Н., Макуров С. Л., Сафонов В. М., Цупрун А. Ю. Крупный слиток. — Донецк : Вебер, 2009. — 279 с.
3. Chen Zh., Senk D., Firsbach F. Experimental investigations on solidification of 500-kg steel ingots with laboratory trials // Metallurgical and Materials Transactions B. 2018. Vol. 49. P. 2514–2532. DOI: 10.1007/s11663-018-1325-5
4. Tashiro Koichi, Watanabe Shiro, Kitagawa Ikujiro, Tamura Itaru. Influence of mould design on the solidification and soundness of heavy forging ingots // Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan. 1983. Vol. 23, Iss. 4. P. 312–321. DOI: 10.2355/isijinternational1966.23.312
5. Ромашкин А. Н., Мальгинов А. Н., Толстых Д. С., Иванов И. А., Дуб В. С. Влияние геометрии слитка на объем осевой рыхлости в нем // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. Т. 7. № 1. С. 107–112. DOI: 10.20537/2076-7633-2015-7-1-107-112
6. Руцкий Д. В., Зюбан Н. А. Development of defect zones and cast metal structure in elongated two-piece Cr–Ni–Mo steel ingots // CIS Iron and Steel Review. 2015. Vol. 10. P. 14–18.
7. Руцкий Д. В., Зюбан Н. А., Гаманюк С. Б., Чубуков М. Ю. Исследование строения слитка с захоложенной головной частью и анализ качества металла получаемых из него полых поковок // Черные металлы. 2017. № 10. C. 41–47.
8. Jiaqi Wang, Paixian Fu, Hongwei Liu, Dianzhong Li, Yiyi Li. Shrinkage porosity criteria and optimized design of a 100-ton 30Cr2Ni4MoV forging ingot // Materials & Design. 2012. Vol. 35. P. 446–456. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.09.056
9. Zhang C.-J., Bao Y.-P., Wang M. Influence of casting parameters on shrinkage porosity of a 19 ton steel ingot // Metallurgia Italiana. 2016. Vol. 108, Iss. 1. P. 37–44.
10. Zhang Chaojie, BaoYanping, Wang Min, Guo Baoqi. Influence of casting parameters on the shrinkage porosity of a 40-ton steel ingot by numerical simulation // Proceedings of the 6th International Congress on the Science and Technology of Steelmaking. 2015. P. 543–546.
11. Yu Z., Zhang H., Wang X., Wu X. Study on heat transfer characteristics during solidification of 18-ton steel ingot with large ratio of height to diameter // Metallurgia Italiana. 2020. Vol. 112, Iss. 5. P. 37–47.
12. Zhang C., Loucif A., Jahazi M., Morin J.-B. FE modelling and prediction of macrosegregation patterns in large size steel ingots: Influence of filling rate // Metals. 2022. Vol. 12, Iss. 1. 29. DOI: 10.3390/met12010029
13. Zhang C., Loucif A., Jahazi M., Tremblay R., Lapierre L.-P. On the effect of filling rate on positive macrosegregation patterns in large size cast steel ingots // Applied Sciences (Switzerland). 2018. Vol. 8, Iss. 10. 1878. DOI: 10.3390/app8101878
14. Marx K., Rödi S., Schramhauser S., Seemann M. Optimization of the filling and solidification of large ingots // Metallurgia Italiana. 2014. Vol. 106, Iss. 11–12. P. 11–19.
15. Ludwig A., Stefan-Kharicha M., Kharicha A., Wu M. Massive formation of equiaxed crystals by avalanches of mushy zone segments // Metallurgical and materials transaction A. 2017. Vol. 48. P. 2927–2930.
16. Stefan-Kharicha M., Kharicha A., Mogeritsch J., Wu M., Ludwig A. Review of ammonium chloride-water solution properties // Journal of Сhemical and Engineering. 2018. Vol. 63. P. 3170–3183.
17. Гаманюк С. Б., Руцкий Д. В., Зюбан Н. А., Кириличев М. В. Моделирование процесса затвердевания кузнечного слитка при доливке прибыльной части расплавом // Черные металлы. 2023. № 10. С. 57–62.
18. Гаманюк С. Б., Руцкий Д. В., Зюбан Н. А., Кириличев М. В., Никитин М. С. Физическое моделирование влияния доливки расплава в прибыльную часть слитка на процесс затвердевания и структурообразование // Известия вузов. Черная Металлургия. 2023. № 66 (6). С. 750–759. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-6-750-759
19. Duan Z., Tu W., Shen B. et al. Experimental measurements for numerical simulation of macrosegregation in a 36-ton steel ingot // Metallurgical and Materials Transactions A. 2016. Vol. 47. P. 3597–3606. DOI: 10.1007/s11661-016-3531-6
20. Zhang C., Jahazi M., Tremblay R. Simulation and experimental validation of the effect of superheat on macrosegregation in large-size steel ingots // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020. Vol. 107. P. 167–175. DOI: 10.1007/s00170-020-05044-z
21. Ефимов В. А., Эльдарханов А. С. Современные технологии разливки и кристаллизации сплавов. — М. : Машиностроение, 1998. — 359 с.
22. Горунов А. И., Науменко В. В., Руцкий Д. В. Влияние доливки прибыльной части на процесс затвердевания и структурообразования слитка стали 38ХН3МФА // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2. 2008. № 10. C. 157–159.
23. Эльдарханов А. С., Ефимов В. А., Нурадинов А. С. Процессы формирования отливок и их моделирование. — М. : Машиностроение, 2001. — 208 с.