Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке

Abstract

Показано, что использование разнородных конструкций, элементов машин и механизмов в различных отраслях (энергетическом комплексе, трубопроводном транспорте, авиакосмической промышленности) позволяет получать уникальный комплекс эксплуатационных свойств, сложно достижимых при использовании однородных материалов. В этом случае возникают естественные трудности в получении разнородных деталей и заготовок с гарантированным качеством металла. Для изготовления разнородных элементов существуют различные технологические приемы, одним из которых является электрошлаковая плавка в токоведущем кристаллизаторе с жидким присадочным металлом, применяемая, в частности, для производства разнородных по высоте стальных слитков большого диаметра, используемых для валов роторов турбин. Одной из задач оптимизации технологических параметров такого процесса является минимизация склонности металла разнородного слитка к появлению холодных трещин. Для численного анализа кинетики тепловых, физико-химических и механических процессов разработали комплекс математических моделей и программных средств, посредством которых обнаружены некоторые особенности формирования переходной зоны разнородного слитка. Предложен подход относительно выбора оптимального химического состава присадочного металла и продемонстрирована возможность минимизации таким образом склонности металла слитка к образованию холодных трещин в переходной зоне. Также показано существенное влияние материала с химическим составом, отличным от оптимального, на склонность металла слитка к растрескиванию, предложены способы эффективной оптимизации процесса электрошлаковой плавки разнородных по высоте слитков для снижения риска появления такого рода дефектов.

It is shown that the application of dissimilar structures, elements of machines and mechanisms in various branches (power complex, pipeline transport, aerospace industry) allows producing the unique complex of service properties, which is difficult to provide when using the similar materials. In this case the natural difficulties are encountered in producing the dissimilar parts and billets with a guaranteed quality of metal. To manufacture the dissimilar elements, there are different technological procedures, one of which is the electroslag melting in a current-carrying mould with a molten filler metal, in particular for producing of large-diameter steel ingots, dissimilar in height, used for turbine rotor shafts. One of the problems of optimizing the technological parameters of this process is the minimizing the tendency of dissimilar ingot metal to the initiation of cold cracks. A complex of mathematical models and programming means for the numerical analysis of kinetics of thermal, physical-chemical and mechanical processes was developed, owing to which some peculiarities of formation of transition zone of the dissimilar ingot were revealed. An approach was suggested for selection of optimum chemical composition of filler metal and, thus, the feasibility of minimizing the ingot metal susceptibility to the formation of cold cracks in transition zone was demonstrated. The significant influence of material with chemical composition, different from optimum one, on the susceptibility of ingot metal cracking was also shown and methods of effective optimizing the process of electroslag melting of ingots, dissimilar in height, were offered for reducing the risk of initiation of these types of defects.