Исследования и разработка технологий, направленных на снижение последствий глобального потепления, являются весьма актуальными. В работе представлены результаты анализа глобального потепления в атмосфере Земли в связи с естественным и усиленным парниковым эффектом и оценка возможного влияния металлургического производства на формирование усиленного парникового эффекта. Известно, что металлургия вносит около 8 % антропогенного СО₂, что значительно меньше, чем вносят энергетика (24 %), землепользование (18 %), транспорт (14 %) или сельское хозяйство (14 %). Около 80 % «металлургического» CО₂ поставляет доменный процесс, поэтому одна из основных задач металлургии по борьбе с глобальным потеплением заключается в замене технологии получения чугуна в доменных печах бездоменной технологией прямого восстановления железа (DRI) типа Midrex. Вместе с тем вывод из эксплуатации доменных печей потребует значительного времени и на этот переходной период предлагается полигибридная технология декарбонизации процессов восстановления оксидов железа в доменной печи. Эта технология заключается в инициировании реакции конверсии водяного газа (WGSR): {H₂O} + {CO} \( \mathbin{\lower.3ex\hbox{$\buildrel\textstyle\rightarrow\over{\smash{\leftarrow}\vphantom{_{\vbox to.5ex{\vss}}}}$}} \) {H₂} + {CO₂} + Q (−∆H) путем подачи в печь водяного пара {H₂O}. В результате термодинамического анализа процесса образования водорода {H₂} установлена температура (примерно 1093 К (820 °С)), при понижении которой в соответствии с принципом Ле-Шателье происходит увеличение константы равновесия реакции и количества выделившегося водорода. На основании этого по профилю температуры любой доменной печи может быть определен начальный уровень для размещения устройств подачи пара в рабочее пространство печи. Поскольку реакция WGSR является экзотермической, следует ожидать наряду с интенсифицированием процесса восстановления железа и экономии кокса. Предлагаемая технология не вступает в противоречие с другими процессами декарбонизации, дополняя и увеличивая результативность их действия. Рассмотренная схема использования пара для интенсификации процесса восстановления железа учитывает возможность разработки и применения элементов искусственного интеллекта с учетом особенностей автоматизации и управления этим восстановлением. Авторы заявляют о приоритете предлагаемой ими полигибридной технологии декарбонизации процессов восстановления оксидов железа с помощью водорода, образующегося в результате гетерогенно-каталитического процесса на основе реакции водяного газа.

В настоящей работе рассмотрено численное моделирование динамики фронта кристаллизации слитка при электрошлаковом переплаве, осуществляемое посредством целенаправленной корректировки траектории падения капель электродного металла в шлаковую ванну. Особое внимание уделено влиянию принудительного вращения расходуемого электрода на пространственное распределение температурных полей и морфологию границы затвердевания. Численные эксперименты проводились на промышленной установке с медным водоохлаждаемым кристаллизатором диаметром 90 мм и расходуемым электродом диаметром 40 мм. Разработка цифрового двойника на базе методов вычислительной гидродинамики и магнитогидродинамики позволила воспроизвести реальный процесс и установить закономерности тепломассопереноса. Анализ температурных градиентов точно локализовал зоны максимального тепловыделения. Визуализация числовых полей вблизи температуры солидуса подтвердила радиальное смещение траектории капель на периферию шлаковой ванны в диапазоне 25 – 35 мм. Математическая модель последовательно объединяет уравнения Максвелла, законы сохранения массы и импульса, а также кинетику тепловых процессов с учетом Джоулева нагрева. Проведенные расчеты при прямой полярности тока продемонстрировали, что центробежное смещение капельного переноса совместно с реверсией конвективных потоков формирует устойчивый горизонтальный фронт кристаллизации. Указанное изменение существенно минимизирует толщину переходных зон между слоями в многослойных слитках и повышает структурную однородность отливки. Установлен критический интервал угловых скоростей вращения электрода, превышение которого провоцирует дестабилизацию мениска, укрупнение капель и снижение качества продукции. Полученные теоретические результаты полностью согласуются с натурными экспериментами. Модель верифицирована путем сопоставления расчетных и опытных данных по положению межфазной границы. Научно обосновано внедрение управляемого вращения для оптимизации теплотехнических режимов, обеспечения стабильного качества металла и повышения общей энергоэффективности металлургического производства.

На территориях предприятий черной металлургии скопилось значительное количество отвалов железосодержащих сталеплавильных и доменных шламов с повышенным содержанием цинка. Вовлечь данные шламы в доменный передел для извлечения железа не представляется возможным, поскольку цинк приводит к образованию настылей в колошниковой зоне доменной печи, а для дуговой печи они не годятся, так как железо в них находится в окисленном виде. При этом цинкосодержащие шламы могут стать ценным вторичным продуктом. Извлечение цинка из этих шламов затруднено, поскольку он находится не только в оксидной, но и в значительной степени в сульфатной или сульфидной формах. В настоящей работе с использованием программного пакета FactSage оценены возможности извлечения цинка из шламов. Прямое карботермическое восстановление сульфида цинка требует температур выше 2000 °С, что технологически недостижимо в большинстве агрегатов. Авторы представляют обоснование и термодинамическую оценку альтернативному подходу, который защищен патентом: введение карбонатов кальция и магния (известняк, доломит) в шихту перед вельцеванием. При нагреве известняк разлагается с образованием CaO, который вступает в обменную реакцию с ZnS, превращая его в ZnO, после чего оксид цинка восстанавливается углеродом при 1100 °С. Расчеты свободной энергии Гиббса подтверждают возможность извлечения цинка по предложенному механизму в интервале 1000 – 1200 °С. На примере шламов доменного и мартеновского цехов АО «ЕВРАЗ НТМК» с исходным содержанием цинка ~5 мас. % (в виде Zn₃O(SO₄)₂) экспериментально доказана эффективность описанной технологии. После обжига брикетов при 1200 °С остаточное содержание цинка снизилось до долей процента, степень металлизации железа достигла 72 %, а цинк не фиксируется фазовым анализом. Получены два товарных продукта: цинковый возгон и безцинковый металлофлюс, пригодный для возврата в металлургический передел.

В 2023 г. во всем мире было произведено 16 174 тыс. т феррохрома, а в 2024 г. – 18 509 тыс. т. Авторы собрали данные о производстве хромовых ферросплавов в 15 странах. Описана структура 20 крупнейших компаний по производству феррохрома в Китае, Африке и Европе. В статье представлены данные по проектам запуска новых производств феррохрома в странах по всему миру. Проведен анализ производственных показателей (состав феррохрома, стоимость, потребление электроэнергии) получения высокоуглеродистого ферро­хрома в зависимости от содержания Cr₂O₃ и Cr₂O₃/FeO в сырье. Рассмотрены технологии производства феррохрома с учётом большой доли сырья мелкой фракции. Статья описывает меры по снижению потребления электроэнергии и кокса. Авторы изучили преимущества и недостатки печей переменного и постоянного тока, плазменных печей и микроволнового нагрева, а также используемые восстановители, при этом большое внимание сегодня уделяется использованию «биоугля». Представлена информация об исследованиях, связанных с сокращением выбросов CO₂ при производстве FeCr. Рассмотрены объемы производства и потребления ферросплавов в России с описанием структуры выпускаемых хромовых ферросплавов по типам (высоко-, средне- и низкоуглеродис­тый феррохром, металлический хром, азотированный хром и феррохром, хромовые лигатуры). В 2017 – 2022 гг. объём производства хромовых ферросплавов в России составлял в среднем 420 тыс. т в год (без учёта лигатур и хрома металлического). Представлены основные предприятия, специализирующиеся на производстве хромовых ферросплавов в России, с указанием их производительности. В России объём потребления феррохрома составляет всего 10 – 30 % от производимого, поэтому его внутренний рынок пребывает в состоянии перепроизводства и ориентирован на экспортные поставки. За последние годы объём производства феррохрома в России резко сократился. Авторы описывают причины резкого сокращения экспорта и производства феррохрома в России.

Комплекс исследований, проведенный с целью обоснования направлений совершенствования режимов продувки рельсовой стали инертным газом в ковше применительно к условиям обработки стали на действующем агрегате «ковш-печь» промышленного электросталеплавильного цеха, включает в себя математическое моделирование и статистический анализ. По результатам исследований установлено значимое влияние повышения интенсивности вдувания аргона через донные пористые пробки в широком диапазоне изменения данного параметра (от 2 до 85 м³/ч) на увеличение показателей, характеризующих эффективность перемешивания стали и эффективность рафинирования стали от неметаллических включений (мощность перемешивания и эффективный коэффициент диффузии). Авторы применительно к рельсам текущего производства рассматриваемого предприятия с использованием методик оптической и электронной микроскопии определили, что при низкой загрязненности основной массы рельсов неметаллическими включениями на отдельных плавках имеют место скопления включений, которые являются причинами формирования внутренних дефектов и отбраковки рельсов при ультразвуковом контроле их качества в потоке производства. На основании полученных результатов разработан новый режим продувки рельсовой стали с выделенным периодом интенсивной продувки длительностью порядка 20 % от общего времени продувки аргоном. Опытно-промышленное опробование разработанного режима продувки на сериях плавок рельсовой стали 76ХФ текущего производства (115 плавок) показало существенное (на 0,31 абс. % или 11 отн. %) снижение отбраковки рельсов по неметаллическим включениям относительно базы сравнения. Снижение загрязненности рельсов, произведенных из стали, обработанной с применением нового режима продувки аргоном в ковше, неметаллическими включениями подтверждено дополнительно проведенными металлографическими исследованиями.

В работе представлены результаты исследования влияния бора, марганца и серы в низкоуглеродистой трубной стали на состав и размер неметаллических включений, микроструктуру и механические свойства. Обобщение результатов исследования неметаллических включений в низкоуглеродистой трубной стали, микролегированной бором, позволило выделить в изученных образцах горячекатаного проката три основные группы неметаллических включений: оксидно-сульфидные и оксисульфидные (ОСВ), оксидные, сульфидные включения. В образце проката [B] = 0 % неметаллические включения размером не более 4 мкм представлены в виде единичных включений или сульфидных пленок, а также силикатных включений. Образцы проката с бором характеризуются преимущественно мелкими округлыми неметаллическими включениями: силикатные включения и комплексные включения, состоящие из оксидной фазы системы Al₂O₃ – MgO в оболочке сульфидов марганца и кальция. При введении бора в количестве 0,006 – 0,011 % происходит изменение структуры с ферритно-перлитной на ферритно-бейнитную, с уменьшением среднего размера ферритного зерна; при 0,011 % В с 8,7 до 6,8 мкм. Микролегирование низкоуглеродистой трубной стали бором в количестве 0,006 – 0,011 %, содержащей 1,4 – 1,6 % Mn и 0,003 – 0,011 % S, за счет преимущественного формирования мелкодисперсной ферритно-бейнитной структуры и неметаллических включений округлой формы размером не более 5,0 мкм, обеспечивает высокие прочностные свойства и, как следствие, получение горячекатаного металлопроката толщиной 10 мм категории прочности Х80 без термической обработки. Наилучшими механическими свойствами, высокой технологичностью и хорошей свариваемостью обладает экономно легированная марганцем трубная сталь, содержащая 0,006 % B, 1,4 % Mn и 0,003 % S, с углеродным эвивалентом С_экв = 0,30 % при норме не более 0,45 %, коэффициентом трещиностойкости Р_см = 0,17 % при норме не более 0,25 % и соотношением σ_т/σ_в = 0,85 при норме не более 0,90.

Долговечность машиностроительных деталей лимитируется допустимой степенью износа. При термической обработке деталей в магнитном поле отмечаются изменения в структуре и механических свойствах материалов, поэтому представляется актуальным оценить влияние данной технологии на сопротивление изнашиванию. Такую оценку можно провести с помощью лабораторных, стендовых и натурных испытаний. Целью настоящей работы являлась оценка изменения в показателях, характеризующих износ, при проведении операций термической обработки с наложением постоянного магнитного поля в сравнении со стандартными режимами обработки. Магнитные поля напряженностью порядка 1,5 МА/м получали в межполюсном зазоре электромагнита ФЛ-1. Исследуемые образцы изготавливались из стали У8 и ковкого ферритного чугуна КЧ 33-8, которые подвергались закалке от температуры нагрева в печи 1000 °С. Образцы испытывали при трении о закрепленные абразивные частицы под постоянной нагрузкой на машине трения Х4-Б по традиционной методике. Максимальный эффект в увеличении износостойкости наблюдается после закалки деталей в магнитном поле. Проведение низкого отпуска несколько снижает износостойкость, что вызвано повышением пластичности и изменениями в механизмах разрушения. После закалки в магнитном поле проведение отпуска также в магнитном поле позволяет сохранить износостойкость на более высоком уровне. После термообработки в магнитном поле имеет место уменьшение вырывов и выкрашиваний (хрупкого разрушения) по краям царапин от абразивных частиц. Статистический анализ профилограмм поверхностей трения свидетельствует о большей равномерности в расположении структурных барьеров для микроструктуры стали, обработанной с магнитным полем. Сравнительные стендовые и полевые испытания показали эффективность термической обработки в магнитном поле, которая обеспечивает прирост износостойкости деталей сельскохозяйственной техники до 1,4 раза.

Авторы изучили пластическую деформацию рельсовой стали в условиях растяжения и сжатия. В условиях деформации растяжения после достижения предела текучести 1037,9 МПа наблюдается параболическая стадия упрочнения, а далее – стадия предразрушения. В условиях деформации сжатия разрушения материала не происходит, наблюдается только линейная стадия упрочнения. Предел текучести на сжатие составил 1034,2 МПа. Полученные результаты изучены с привлечением автоволновой модели пластичности, в которой были введены три параметра порядка. Первый параметр порядка является амплитудой неустойчивой моды неупругой деформации. Вторым параметром порядка является амплитуда упругих деформаций, которая характеризует изменение объема материала при деформации. Третьим управляющим параметром порядка является амплитуда кривизны решетки. Первые два параметра порядка отвечают за формирование автоволны, а третий определяет ее тип и характер распространения. На основе анализа уравнений кинетики параметров порядка установлено, что наличие кривизны решетки приводит к замедлению образования как бегущих, так и статических полос локализации деформации на линейной и параболической стадии соответственно. Показано, что кривизна влияет на распространение бегущего автосолитона. Если при θ = 0 автосолитон не затухает, то при θ > 0 наблюдается затухание бегущего автосолитона. Сделано предположение, что отсутствие разрушения рельсовой стали при сжатии после окончания линейной стадии обусловлено формированием сначала нерегулярного волнового паттерна, а затем бегущего затухающего автосолитона.

Современная технология производства жидкой стали характерна тем, что обеспечивает максимальное содержание железа (более 99 %) и минимальное содержание примесей на завершающей стадии электроплавки, а также в процессе слива металла в ковш, во время которого также производятся раскисление и десульфурация. Многолетний опыт производства свидетельствует о том, что одними из важнейших резервов уменьшения структурной и химической неоднородности стали и повышения качества металлопродукции сталелитейного производства являются совершенствование технологии процесса выплавки и получение равновесного, максимально однородного расплава перед кристаллизацией. Кристаллизация металла происходит из неравновесного состояния, что усиливает химическую и физическую неоднородность твёрдого металла, снижает его служебные характеристики и приводит к значительным отклонениям его качества от плавки к плавке. Существуют разные способы перевода расплава в равновесие. Наиболее доступным способом получения равновесного расплава является высокотемпературное воздействие. Проведенная в условиях Выксунского завода ОМК экспериментальная работа показала, что подготовка расплава к кристаллизации путем проведения термовременной обработки (ТВО) оказывает влияние на процесс затвердевания и способствует улучшению микроструктуры и свойств твердого металла. Выдвинуто предположение о необходимости проведения высокотемпературного воздействия ТВО на расплав именно на стадии электроплавки в сталеплавильном агрегате.

С помощью молекулярно-динамического моделирования проведено исследование деформации сжатия наночастиц аустенита с нанокристаллической структурой при низких температурах. Авторы изучали влияние размера наночастицы (от 2 до 20 нм) и размера кристаллических зерен (от 2 до 8 нм) на ее прочность и на значение деформации сжатия, при которой достигается максимальное напряжение. Выделены особенности протекания пластической деформации в случае наночастиц с нанокристаллической структурой. Одноосное сжатие наночастицы осуществлялось в модели путем движения виртуальных плоскостей по две стороны от частицы с постоян­ной скоростью 10 м/с при начальной температуре 0 К. Прочность наночастиц уменьшается при уменьшении среднего размера зерна в них. По мере уменьшения размера самих нанокристаллических частиц, как и в случае монокристаллических, их прочность возрастает. В работе также выяснено, что с уменьшением размера частиц повышается значение деформации, при которой достигается максимальное напряжение при сжатии наночастиц. Уменьшение размера зерен приводит к уменьшению прочности, что связано с основным механизмом пластической деформации металлических частиц с нанокристаллической структурой ‒ зернограничным проскальзыванием. На первом этапе деформирования, как правило, происходит поворот всей структуры частицы до достижения максимального значения проекции вектора напряжения на преимущественную плоскость сдвига, которая в случае нанокристаллической структуры определялась взаимной ориентацией границ зерен. Вытянутые примерно вдоль одной плоскости границы зерен представляли в данном случае преимущественную плоскость сдвига.

Работа посвящена описанию процесса формирования структуры карбидостали (быстрорежущая сталь 10Р6М5 + 5 – 20 мас. % монокарбида вольфрама WC) в процессе кристаллизации и охлаждения после индукционной наплавки. Теоретически рассмотрена цепочка происходящих превращений в жидко-твердом и твердом состояниях. Экспериментально показано, что процесс кристаллизации начинается с перитектического превращения. При дальнейшем охлаждении в результате эвтектического превращения формируется ледебуритная эвтектика с карбидами типа Мe₆С, Мe₁₂С. Одновременно с выпадением вольфрамового ледебурита начинается кристаллизация карбидов VC, которые в чистой стали 10Р6М5 и в карбидостали с небольшим количеством WC выпадают преимущественно в виде отдельных изолированных карбидных выделений. Увеличение количества внесенного в состав шихты упрочнителя WC приводит к преиму­щественно эвтектической кристаллизации карбида VC. Морфология первичного вольфрамомолибденового ледебурита так же меняется от веерообразной в чистой стали 10Р6М5 через ряд модификаций к классической скелетной, свойственной высоковольфрамовой стали типа Р18, в карбидостали со значительным количеством внесенных карбидов WC. По мере охлаждения в наплавленном слое происходят тведофазные превращения, приводящие к выпадению карбидов типа WC, W₂C, цементита и др. В микроструктурах всех наплавок наблюдаются кристаллы мартенсита, вызванные закалкой наплавленных слоев при охлаждении их на воздухе. Показано, что при индукционной наплавке есть возможность скорректировать изложенные выше процессы путем подбора таких режимов, которые частично или полностью позволяют «наследовать» структуру исходной наплавляемой прессовки. В результате можно в большей или меньшей степени предупредить выпадение ледебурита и зафиксировать карбид-упрочнитель WC в виде групп угловатых карбидов вокруг «порошинок» оплавленной стали 10Р6М5. Таким образом, показана определяющая роль процессов, происходящих в верхнем температурном интервале кристаллизации (выпадение твердых растворов и выделение эвтектик) на структурообразование карбидостали.

Авторы рассматривают проблемы оптимизации технологических режимов металлургических процессов и основные этапы решения оптимизационной задачи, обоснование и принципы выбора критерия оптимизации, методы решения многокритериальных задач векторной оптимизации. Разработан метод моделирования и оптимизации металлургических процессов. При реализации метода осуществляется двухконтурная оптимизация путем решения многокритериальных оптимизационных задач двух видов: нахождение параметров системы при определении оптимальных условий протекания процессов в рамках первого контура и определение оптимальных режимов металлургических технологий в рамках второго контура. Расчет оптимальных технологических режимов металлургических процессов заключается в определении управляющих воздействий для получения продукта заданного состава и температуры при оптимизации технико-экономических показателей. Используемый для решения поставленной задачи аппарат математических моделей осуществляет взаимосвязь параметров потоков и процесса. Алгоритм расчета оптимальных режимов металлургических процессов включает следующие этапы: формирование исходных данных, расчет стадий и подпроцессов, расчет взаимосвязи параметров потоков и процессов, определение технико-экономических показателей и решение задачи оптимизации. Постановка оптимизационной задачи заключается в определении управляющих воздействий на процесс путем поиска экстремума требуемого критерия при ограничениях на параметры готового продукта и соблюдении условий материального и теплового балансов. Авторы решают задачу методом нелинейного программирования: обобщенного приведенного градиента. С использованием методики разработаны оптимальные режимы энерго- и ресурсосберегающих технологий для нового непрерывного металлургического процесса: получения металла из чугуна и прокатной окалины, прямого восстановления металла из пылевидных руд и железосодержащих техногенных материалов без агломерации, получения марганцевых сплавов из карбонатных и оксидных руд, переработки титано-магнетитовых концентратов, а также определены оптимальные параметры процессов восстановления никеля из никелевого концентрата и ванадия из конвертерного ванадиевого шлака, обеспечивающие максимальную степень извлечения металлов.

Использование универсальных существующих физико-математических моделей наиболее целесообразно в том случае, когда измерение какого-либо параметра с помощью датчика технически затруднено или невозможно. К таким параметрам относятся температурные напряжения рабочих валков. В данной работе представлена методика расчёта температурных напряжений, возникающих в рабочих валках толстолистовых реверсивных станов горячей прокатки, за счет совершенствования существующей математической модели для станов холодной прокатки, основанной на аналитическом решении уравнений упругости и теплопроводности, учитывая, что температурное поле валка осесимметрично. Особенностью такого аналитического решения является то, что заранее задать график изменения поверхностной температуры валков, охлаждаемых снаружи, не представляется возможным из-за того, что он является сложной функцией нестационарных технологических факторов прокатки. Поэтому заранее предполагают известным лишь вид графика функции, который задают в форме непрерывной ломаной линии, полученной по результатам замеров температуры поверхности рабочего валка. Исследование построено на основе указанной усовершенствованной численно-аналитической модели и уравнений расчёта температурных напряжений для определённого слоя рабочего валка действующего стана горячей прокатки в поперечном сечении с учётом его конструктивных особенностей и физико-механических параметров материала. Представлены результаты вычислительного эксперимента расчёта температурных напряжений по усовершенствованной методике, демонстрирующие её адаптацию для реверсивного толстолистового стана горячей прокатки. При реализации указанного эксперимента для оценки достоверности определения температурных напряжений в поперечном сечении валка показано отрицательное влияние существующего технологического режима охлаждения на стойкость поверхностного слоя рабочих валков.