В статье рассмотрены вопросы, связанные с ускоренным переходом «Кузнецкого металлургического комбината» (КМК) к производству броневой стали в условиях Великой Отечественной войны. Определены предпосылки и условия перехода от выпуска исключительно мирной продукции к массовому производству броневого метала. Описаны этапы освоения новых технологий произ­водства, вклада отдельных подразделений и ученых-производственников, ученых Сибирского металлургического института (СМИ) в производство металла Победы. Появление кузнецкой брони рассматривается через призму вклада всей страны, народа в общее дело борьбы с фашизмом.

Эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов определяется в основном сопротивлением возникновению дефектов контактной усталости и износостойкостью, и зависит, помимо характеристик воздействия колес подвижного состава, от химического состава, структуры и механических свойств рельсовой стали. В настоящее время пути повышения эксплуатационных свойств традиционных перлитных рельсов за счет увеличения дисперсности микроструктуры практически исчерпаны. Одним из решений для повышения срока службы рельсов может стать переход на производство их из сталей бейнитного класса, отличающихся более высокими механическими свойствами, стойкостью к образованию поверхностных контактно-усталостных дефектов и повышенной хладостойкостью. Проведенные в начале 2000-х годов за рубежом эксплуатационные испытания показали, что рельсы из бейнитной стали действительно обладают повышенной по сравнению с рельсами из стали перлитного класса сопротивляемостью к зарождению контактно-усталостных дефектов, однако подвержены более интенсивному износу. Был сделан вывод, что стойкость бейнитных рельсов к повреждениям головки поверхностными контактно-усталостными дефектами является следствием удаления поврежденного слоя поверхности катания в результате износа. В 2004 – 2006 гг. на АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» проведены исследования и выпуск опытной партии бейнитных рельсов, которые показали перспективность применения такой стали и возможность обеспечения одновременно повышенной износостойкости и низкотемпературной надежности. Однако в тот период комбинат не располагал в полной мере возможностями обеспечения высокого металлургического качества стали: выявленные недостатки связаны с недостаточной чистотой металла по неметаллическим включениям. В рамках возобновления работ по освоению рельсов бейнитного класса проведена выплавка, прокатка рельсов типа Р65 и охлаждение на спокойном воздухе двух опытных среднеуглеродистых сталей Б1 и Б2, отличаю­щихся схемами легирования. Представленные результаты механических испытаний показали положительное влияние повышенного легирования хромом и никелем на механические свойства и структуру.

Для многих стран проблема утилизации отходов производства и быта стоит особенно остро, поскольку ежегодное накопление всех видов отходов достаточно велико (около 7 млрд т), а их повторное использование не превышает 30 %. При этом отходы производства отрицательно влияют на живые организмы и окружающую среду, поэтому необходимо расширение их переработки. В данной работе рассмотрены проблемы утилизации, переработки (рециклинга) промышленных и бытовых отходов и перспективы их применения в различных отраслях. Рассмотрено влияние различных рецептур исходных компонентов (микросилики, доменного шлака, гашеной извести) и их фракций на физико-механические свойства полученных новых композиционных материалов. Проведены исследования полученных материалов с целью определения значений предела прочности на сжатие и процент водопоглощения. Так, все образцы имеют низкий процент водопоглощения (0 – 13,12 %), кроме образца 7 (41,34 %), состоящего из двух частей микросилики, одной части шлака и одной части извести. Выявлено, что в образцах, в состав которых входит микросилика, наблюдаются высокие значения предела прочности на сжатие. Образцы 3 и 4, состоящие из микросилики и шлака, обладают самым низким пределом прочности – 14,74 и 17,18 кгс/см² соответственно. Однако образец 8, в состав которого одновременно входят две части микросилики, шлак и известь, характеризуется самым высоким значением предела прочности на сжатие – 51,16 кгс/см². Таким образом, микросилика оказывает большее влияние на увеличение прочностных свойств. При этом применение отходов производства при создании новых вторичных материалов приводит к снижению себестоимости продукции, расширению сырьевой базы страны, а также снижению экологической нагрузки региона.

С помощью молекулярно-динамического моделирования проведено исследование влияния угла разориентации и энергии границ зерен наклона с осями разориентации \(\left\langle {100} \right\rangle\), \(\left\langle {110} \right\rangle\) и \(\left\langle {111} \right\rangle\) на температуру плавления и характер начальной инициации плавления на границе зерен в аустените. Показано, что при постепенном нагревании плавление начинается от границ зерен, там, где имеются нарушения кристаллической структуры и, соответственно, атомы находятся в менее глубоких потенциальных ямах. В случае больше­угловых границ плавление начинается одновременно вдоль всей границы, в случае малоугловых ‒ в ядрах зернограничных дислокаций. Получены зависимости температуры плавления моделируемых расчетных ячеек от угла разориентации зерен и избыточной энергии. Для осей разориентации \(\left\langle {100} \right\rangle\), \(\left\langle {110} \right\rangle\) и \(\left\langle {111} \right\rangle\) результаты оказались аналогичными. В области малых углов разориентации (менее 15°) температура плавления с ростом угла падает почти линейно, затем, для большеугловых границ, снижение становится менее интенсивным. Эти зависимости коррелируют c энергией образования границ зерен или со связанной с ней величиной избыточной энергии расчетной ячейки. Главным количественным критерием, определяющим влияние дефектов на снижение температуры плавления, является избыточная энергия, то есть разность энергий рассматриваемой структуры и идеального кристалла, которую еще можно интерпретировать как энергию образования рассматриваемой структуры. Температура плавления линейно уменьшается с ростом избыточной энергии. Очевидно, что данный эффект, то есть влияние границ зерен на температуру плавления, становится существенным только для материалов с очень высоким содержанием границ зерен, например, для материалов с нанокристаллической структурой.

Проведены металлографические исследования, показывающие, что применение добавок оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ) при жидкостном безэлектролизном борировании приводит к увеличению глубины борированных слоев, причем данные добавки не взаимодействуют с материалом обрабатываемого изделия. Добавка оксидов лантана и иттрия увеличивает глубину борированного слоя на 30 – 40 %, добавка оксида скандия не влияет или приводит к снижению глубины борированного слоя. В данной работе проведен рентгенофазовый анализ сплавов для борирования с добавками оксидов РЗЭ. Показано, что при добавке оксида РЗЭ в расплаве образуется легкоплавкий борат РЗЭ (LaBO₃, YBO₃, ScBO₃), который способствует зернограничной диффузии, что приводит к значительной интенсификации процессов борирования. Получены оценочные значения коэффициентов объемной и зернограничной диффузии. Добавка оксида иттрия увеличивает коэффициент объемной диффузии в стали ВКС-5 на 280 %. В стали Х12МФ добавка оксида лантана привела к увеличению коэффициента объемной диффузии на 83 %. На стали 40Х во всех исследуемых случаях увеличение коэффициента объемной диффузии не зафиксировано. Коэффициент зернограничной диффузии увеличился в сталях ВКС-5 и Х12МФ на 1000 % при добавке оксида лантана. Добавка оксида иттрия привела к увеличению коэффициенту зернограничной диффузии на 1000 % в стали ВКС-5, на 135 % в стали Х12МФ и на 87 % в стали 40Х. Добавка оксида скандия позволила увеличить коэффициент зернограничной диффузии на 160 % в стали ВКС-5. Значения коэффициентов диффузии по границам зерен, полученные путем модельных расчетов, хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Предложена простая теория термодинамических свойств жидких растворов азота в бинарных сплавах систем Fe – Ni и Fe – Cr, которая аналогична теории, предложенной авторами ранее (2019 – 2021). Данная теория основана на решеточной модели растворов Fe – Ni и Fe – Cr. Предполагается модельная решетка типа ГЦК, в узлах которой располагаются атомы железа, никеля и хрома. Атомы азота располагаются в октаэдрических междоузлиях. Атом азота взаимодействует лишь с атомами металлов, находящимися в соседних с этим атомом узлах решетки, и это взаимодействие парное. Предполагается, что энергия этого взаимодействия не зависит ни от состава сплава, ни от температуры, и жидкие растворы систем Fe – Ni и Fe – Cr являются совершенными. Для бесконечно разбавленного по азоту раствора этого элемента в сплаве Fe – j (j = Ni, Cr) рассматривается рациональный коэффициент активности азота \(\gamma _{\rm{N}}^0\). Далее анализируется разложение функции ln\(\gamma _{\rm{N}}^0\) при постоянной температуре в ряд по степеням аргумента c_j, где c_j – концентрация компонента j, выраженная в мольных долях. Коэффициент J_n в члене n-й степени этого разложения называется термодинамическим параметром взаимодействия n-го порядка азота с элементом j в жидкой стали. При этом J₁ = \(\varepsilon _{\rm{N}}^j\) называется вагнеровским параметром взаимодействия, а J₂ = \(\rho _{\rm{N}}^j\) – параметром взаимодействия второго порядка. В рамках представленной теории найдена простая связь между параметрами взаимодействия \(\varepsilon _{\rm{N}}^j\) и \(\rho _{\rm{N}}^j\). Формула имеет вид \(\rho _{\rm{N}}^j = \frac{1}{{12}}{\left( {\varepsilon _{\rm{N}}^j} \right)^2}\), для ее проверки были использованы экспериментальные данные по растворимости азота в жидких сплавах систем Fe – Ni и Fe – Cr при температуре 1873 К, полученные в работе Затир-Колорц и Файхтингера (1991 г.). Из этих данных следует: \(\varepsilon _{\rm{N}}^{{\rm{Ni}}}\) = 2,6; \(\varepsilon _{\rm{N}}^{{\rm{Cr}}}\) = –10,2; \(\rho _{\rm{N}}^{{\rm{Ni}}}\) = 0,8; \(\rho _{\rm{N}}^{{\rm{Cr}}}\) = 6,3. Теоретические значения, рассчитанные по приведенной формуле, получились следующими: \(\rho _{\rm{N}}^{{\rm{Ni}}}\) = 0,56; \(\rho _{\rm{N}}^{{\rm{Cr}}}\) = 8,67. Имея ввиду значительную экспериментальную неопределенность для параметров взаимодействия \(\rho _{\rm{N}}^{{\rm{Ni}}}\) и \(\rho _{\rm{N}}^{{\rm{Cr}}}\), согласие теоретических результатов с экспериментальными следует признать удовлетворительным.

В статье представлены результаты исследования процессов восстановления железорудных титаномагнетитовых окатышей синтез-газом с помощью термодинамического моделирования с использованием программного комплекса «Терра». Его применение позволило смоделировать и спрогнозировать химические и фазовые превращения в железорудных титаномагнетитовых окатышах при восстановлении с использованием водородсодержащего синтез-газа, учитывая влияние температуры, концентрации водорода и других параметров. Расчеты проводились с различным содержанием газовой смеси для оценки эффективности модели. Содержание газовой смеси CO – N₂ – H₂ – СН₄ для расчетов изменялось с увеличением CO и H₂, уменьшением N₂ и постоянным СН₄. Термодинамическое моделирование показало, что при достижении баланса основных фаз в высокотемпературных системах при восстановлении различными газовыми смесями концентрация распределения кремния, алюминия, титана, магния и кальция остается постоянной. Значительные изменения наблюдаются в концентрации содержания железа, ванадия и марганца, что связано с особенностями процесса восстановления и составом используемых газов. Получены зависимости равновесного состава системы от температуры при различных содержаниях элементов. Построенная термодинамическая модель описывает процесс восстановления и может быть использована для оптимизации данного процесса в различных условиях производства.

Методом термодинамического моделирования определены значения температуры начала восстановления железа, ванадия, кремния и титана ильменитового концентрата углеродом или водородом при разном количестве восстановителя в системе. Количество избыточного углерода по отношению к стехиометрии реакции восстановления железа не влияет на температуру начала восстановления элементов, но определяет степень их восстановления и количество образующихся карбидов. Количество водорода в системе существенно влияет на температуру начала восстановления: с увеличением количества водорода температура начала восстановления каждого из элементов снижается, но в разной степени. Более широкий температурный интервал начала восстановления элементов водородом и количественно неодинаковое влияние температуры создают больше возможностей для управления твердофазным селективным восстановлением элементов водородом в сравнении с углеродом. В отличие от карботермического процесса твердофазное восстановление титана водородом ничтожно мало при относительно низких температурах, при которых титан восстанавливается углеродом и образует карбиды. Малая растворимость водорода в твердом железе исключает его влияние на поведение элементов на стадии разделительной плавки продуктов твердофазного восстановления. Это позволяет проводить восстановление в потоке водорода путем изменения температуры и количества водорода в восстановительной газовой смеси, управлять процессами селективного твердофазного восстановления элементов. Использование водорода на стадии твердофазного восстановления позволяет селективно восстанавливать железо с сохранением оксидов титана в оксидной фазе в виде TiO₂, а после разделения продуктов восстановления плавлением получать востребованные продукты (безуглеродистое железо и концентрат оксида титана TiO₂).

В статье приведены результаты анализа механизма образования сталеплавильных шлаков. Показано, что в настоящее время в сталеплавильной отрасли используются два способа рафинирования стали – окислительный и восстановительный. Способ окислительного рафинирования реализуется в конвертерах и дуговых сталеплавильных печах (ДСП) и в первую очередь направлен на извлечение из выплавляемой стали фосфора, а восстановительное рафинирование происходит в агрегате ковш–печь (АКП) и направлено на удаление из стали серы. Особенности этих процессов сказываются на формировании фазового состава сталеплавильных шлаков. В условиях окислительного рафинирования в шлаках ДСП формируются вюстит FeO, магнетит Fe3O₄, ларнит β-2СaO·SiО₂ и мервинит 3СаO·MgO·2SiO₂, а в условиях восстановительного рафинирования в шлаках АКП формируются майенит 12СаO·7Al₂O₃, периклаз MgO, низкотемпературная модификация двухкальциевого силиката – шеннонит γ-2СaO·SiО₂, СаS и FeO. Из минералов в составе шлаков ДСП и АКП гидравлической активностью обладают майенит 12СаO·7Al₂O₃ и ларнит β-2СaO·SiО₂. На основе теоретического анализа способов формирования сульфатированных гидравлически активных фаз показана возможность придания сталеплавильным шлакам путем помола свойств минеральных вяжущих веществ без их дополнительной термической обработки.

На примере формализованного описания работы конвертерного производства АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирс­кий металлургический комбинат» в составе двух конвертерных цехов с двумя и тремя агрегатами показано, что вопросы планирования объемов производства и ремонтов металлургических агрегатов, построения сквозных графиков работы агрегатов являются сложными и многофакторными задачами, которые характеризуются дискретностью и нелинейностью описывающих их функционалов. Формализация задач оптимизации производственных процессов с заданными ограничениями и критериями показала, что особенности исследуемого процесса функционирования конвертерного производства делают практически невозможными построение и использование аналитических решений. Выбранный авторами подход к решению (с учетом указанных обстоятельств) базируется на использовании цифровой дискретно-событийной имитационной модели. Такая имитационная модель представляет собой цифровую копию исследуе­мого процесса функционирования конвертерного производства, отражает его структуру, производительность, техническое состояние и такие параметры, как длительность кампании конвертеров, длительность ремонтных периодов и др. Модель использует различные механизмы управления для решения задач распределения входного потока чугуна между конвертерными цехами, формирования календарных графиков работы отдельных конвертеров и их ремонтов; накапливает информацию в ходе производственного процесса для целей оптимизации и прогнозирования результатов процесса функционирования; позволяет собирать данные о процессе функционирования конвертерного производства и использовать инструменты предиктивной аналитики для планирования ремонтов; предоставляет данные, которые невозможно получить непосредственно на физическом объекте и которые могут быть использованы для оптимизации пара­метров системы; формирует наборы данных для визуализации отдельных результатов процесса функционирования.