ON THE CONTROL OF THE CRYSTALLIZATION PROCESS DURING TOP POURING OF STEEL INTO AN INGOT MOLD
DOI:
https://doi.org/10.32339/0135-5910-2026-4-15-23Keywords:
steel pouring, crystallization, liquation, rotating mold, heat extraction control, physical modelingAbstract
The relevance of this study stems from a fundamental contradiction between the mass character of metallurgical production and the growing demands of heavy machinery engineering for unique monolithic ingots weighing 50–300 tonnes, intended for critical components in power generation and shipbuilding equipment. During the crystallization of large melt volumes, liquation inhomogeneities, shrinkage porosity, and a coarse-grained dendritic structure inevitably form due to slow cooling rates and significant temperature gradients between the ingot surface and its central axis, thereby degrading the operational properties of finished products. Existing methods for mitigating crystallization defects–such as directional solidification and electroslag remelting–suffer from systemic drawbacks, including 15–25% metal yield loss and relatively low productivity. This work aims to investigate the possibility of controlling the crystallization process in top pouring of steel by introducing melt along the inner wall of a mold rotating uniformly about a vertical axis. The article presents results of preliminary cold physical modeling using glycerin as a model fluid and mathematical modeling based on a self-similar solution of the Stefan problem with a moving phase boundary. Experimental data confirm a 6.9% increase in heat extraction intensity at a rotation speed of 30 rpm compared to static pouring, indicating more uniform heat flux distribution and an enlarged effective contact area between the melt and mold wall. The mathematical modeling demonstrates the feasibility of forming a layered microstructure with impurity concentration oscillation amplitudes up to 15%, provided that each added layer solidifies within a time not exceeding 20% of the total pouring period. The findings confirm that the proposed method reduces liquation defects without significantly complicating the technological process, increasing metal cropping, and reducing pouring productivity. The study opens prospects for enhancing the quality of large-scale ingots for critical applications with moderate capital expenditures for equipment modernization.
References
Стрижкова Л. А., Селиванова М. В. Применение метода межотраслевого баланса в практике стратегиче-ского планирования // Государственное управление Российской Федерации: вызовы и перспективы: материалы 15-й Международной конференции. 2018. С. 55–61. EDN: YXLLEN.
Соколов А. В., Бажанов В. А. Оценка возможных параметров взаимодействия машиностроения и метал-лургии в России в перспективе до 2035 года // Мир экономики и управления. 2024. Т. 24, № 4. С. 121–140. EDN: QSJHRS.
Казачков Е. А., Макуров В. С. Улучшение тепловой работы прибыли крупных стальных слитков // Вісник Приазовського державного технічного університету. 2007. Вип. 12. С. 165–175.
Томас К. И. История сварочной техники и технологий: учебное пособие. — Томск: Изд-во Томского поли-технического ун-та, 2014. — 213 с.
Чуманов В. И., Пятыгин Д. А., Чуманов И. В. Повышение эффективности разливки сложно- и высоколеги-рованных сплавов в изложницу сверху // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия». 2010. № 34. С. 8–12. EDN: NAXJZJ.
Руцкий Д. В., Зюбан Н. А., Гаманюк С. Б. и др. Физическое моделирование процесса затвердевания круп-ных слитков различной геометрии // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2019. Т. 230, № 7. С. 58–63. EDN: KPAJLC.
Зюбан Н. А., Гаманюк С. Б., Руцкий Д. В. и др. Исследование особенностей расположения оксидных, сульфидных и оксисульфидных включений в крупных слитках среднеуглеродистых конструкционных сталей и оценка их влияния на пластические свойства металла // Известия Волгоградского государственного техниче-ского университета. 2016. Т. 194, № 15. С. 128–133. EDN: XIMMZJ.
Дуб В. С., Косырев К. Л., Дуб А. В. и др. Состояние, перспективы и значение производства крупных слит-ков в России // Тяжелое машиностроение. 2017. № 1–2. С. 25–31. EDN: YTFLOL.
Шурыгин Д. А. Влияние технологии электрошлакового переплава на качество и свойства изделий из 9–12 %-ных хромистых сталей для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара: дис. ... канд. техн. наук. — М., 2016. — 153 с. EDN: IAYEGB.
Положенцев К. А. Построение модели процесса управления напряжением вакуумной дуговой печи // Со-временные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство: материалы 11-й Всероссий-ской научно-практической конференции с международным участием. 2014. С. 307–312. EDN: TSADMR.
Кондрашов Е. Н., Русаков К. А., Щетников Н. В., Ледер М. О. Ликвационные дефекты в титановых спла-вах ВДП. I. Общие дефекты // Электрометаллургия. 2022. № 1. С. 13–20. EDN: FHIVAK.
Гаманюк С. Б., Руцкий Д. В., Зюбан Н. А., Кириличев М. В. Исследование влияния доливки расплава в прибыльную часть на поведение конвективных потоков при затвердевании модельных слитков // Металлург. 2025. № 5. С. 35–40. EDN: MXSAMF.
Гаманюк С. Б., Руцкий Д. В., Зюбан Н. А., Кириличев М. В. Моделирование процесса затвердевания куз-нечного слитка при доливке прибыльной части расплавом // Черные металлы. 2023. № 10. С. 57–62. EDN: KCKNMC.
Чуманов И. В., Рощин В. Е. Особенности моделирования электрошлакового переплава на прозрачных моделях // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1998. № 8. С. 30–35.
ГОСТ 6824–96. Глицерин дистиллированный. Общие технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1996. — 10 с.
Макаров К. А. О физическом смысле числа Рейнольдса и других критериев гидродинамического подобия // Инженерный журнал: наука и инновации. 2014. Т. 25, № 1. С. 12. EDN: SAEPQV.
Чуманов И. В., Сергеев Д. В., Вяткин Г. П., Федоров А. А. К вопросу о затвердевании слитка, разлитого по стенке вращающейся изложницы // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2024. Т. 80, № 5. С. 31–36.
Кузнецова Е. К., Жаворонок С. И. Задача типа Стефана в композиционных материалах с произвольным числом подвижных границ фазовых превращений // Ученые записки Казанского университета. Серия «Физико-математические науки». 2023. Т. 165, № 3. С. 236–245. EDN: HJXHDS.
Коновалов Д. Э. Вклад Дж. фон Неймана в создание первых вычислительных машин // Вестник науки. 2023. Т. 2, № 6 (63). С. 679–681. EDN: GQSLJH.
Занько Д. В., Левчук С. В., Сахаревич А. Н. Особенности оборудования для центробежного литья и тех-нология получения отливок // Литье и металлургия. 2012. Т. 66, № 3. С. 251–254. EDN: SJCCPN.
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2026 ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ. Бюллетень научно-технической и экономической информации

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.