Физическое моделирование траектории движения капель электродного металла при получении полой заготовки методом электрошлакового переплава
Автор: Чуманов И.В., Сергеев Д.В.
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Рубрика: Металлургия чёрных, цветных и редких металлов
Статья в выпуске: 1 т.26, 2026 года.
Бесплатный доступ
В статье исследуется метод электрошлакового переплава (ЭШП) по одноэлектродной схеме с прошивающим дорном для производства полых заготовок. Основная проблема данной технологии – зарастание головки дорна каплями электродного металла, нарушающее формирование отверстия заданной геометрии. Для её решения предложено вращение расходуемого электрода вокруг собственной оси, обеспечивающее перераспределение потока жидкого металла за счёт центробежных сил. Экспериментальная часть выполнена методом физического моделирования с использованием сплава Вуда (имитация металла) и глицерина (шлаковая ванна), что обеспечило соответствие критериев подобия реальному процессу. Установлено, что при скорости вращения 290–340 об/мин центробежные силы переводят течение металла в радиальное направление, трансформируя оплавляемую поверхность электрода из конической в плоскую. Это исключает контакт капель с дорном, направляя металл в зону между дорном и кристаллизатором. Одновременно наблюдается инверсия шлаковых потоков (с нисходящих на восходящие) и смещение электронного потока подэлектродной зоны, снижающее тепловую нагрузку на дорн. Эксперимент подтвердил аналитическую зависимость для расчёта оптимальной скорости вращения, учитывающую геометрию системы. Показано, что вращение уменьшает массу капель более чем в два раза при умеренных скоростях, однако чрезмерное увеличение оборотов (500 об/мин) ведёт к формированию вогнутой поверхности электрода и росту объёма капель. Результаты доказывают возможность управления тепловым центром шлаковой ванны, что делает одноэлектродную схему ЭШП конкурентоспособной с многоэлектродными аналогами. Технология позволяет снизить затраты на производство электродов, сохраняя качество заготовок, и открывает перспективы для промышленного внедрения.
Электрошлаковый переплав, физическое моделирование, вращение, эксперимент, расходуемый электрод, критерии подобия, капли
Короткий адрес: https://sciup.org/147253304
IDR: 147253304 | УДК: 669.187.56 | DOI: 10.14529/met260102
Physical modeling of the trajectory of electrode metal droplets during hollow ingot production by electroslag remelting
The paper investigates the electroslag remelting (ESR) process using a single-electrode configuration with a piercing mandrel for the production of hollow ingots. The primary challenge of this technology is the adhesion of molten electrode metal droplets onto the mandrel tip, which disrupts the formation of a hole with the desired geometry. To address this issue, rotation of the consumable electrode about its own axis is proposed, enabling redistribution of the liquid metal flow through centrifugal forces. The experimental study was conducted using physical modeling, employing Wood’s alloy (to simulate metal) and glycerin (to simulate the slag bath), thereby ensuring similarity criteria compliance with the actual industrial process. It was found that at rotation speeds of 290–340 rpm, centrifugal forces redirect the metal flow radially, transforming the electrode’s melting surface from conical to flat. This prevents droplet contact with the mandrel, channeling the metal into the annular gap between the mandrel and the mold. Concurrently, an inversion of slag flow patterns (from downward to upward) and a shift in the current path within the pool beneath the electrode were observed, resulting in reduced thermal loading on the mandrel. The experiments validated the analytical relationship for calculating the optimal rotation speed, which accounts for the system’s geometric parameters. The study demonstrated that electrode rotation reduces droplet mass by more than half at moderate speeds. However, excessive rotation rates (e.g., 500 rpm) lead to the formation of a concave electrode surface and an increase in droplet volume. These findings confirm the feasibility of controlling the thermal center of the slag pool, thereby enhancing the competitiveness of the singleelectrode ESR configuration compared to multi-electrode alternatives. The proposed technology reduces electrode manufacturing costs while maintaining ingot quality and offers promising prospects for industrial implementation.
