К перспективному направлению получения простых профилей можно отнести бескалибровую прокатку. Благодаря ипользованию формоизменения в гладких валках, это направление существенно снижает расходы на производство готовой продукции и упрощает процесс прокатки. Однако, несмотря на все очевидные плюсы деформирования в гладких валках, имеются и недостатки, затрудняющие промышленную реализацию. К ним относятся необходимость кантовки после каждого пропуска и небольшой коэффициент вытяжки в гладких валках, вызывающий увеличение количества пропусков. Для решения проблем при промышленном внедрении бескалибровой прокатки на действующем производстве предлагается использовать неприводные вертикальные клети в непрерывных группах. Деформирование в неприводных вертикальных клетях обеспечивается более полным использованием резерва контактных сил трения приводных клетей, установленных перед ними. Определены условия, при которых возможно использование неприводных вертикальных клетей. После решения уравнения равновесия сил на контактной поверхности в очаге деформации приводной клети получена зависимость, по которой можно найти продольную силу. Решив уравнение баланса мощностей при формоизменении в неприводных валках, получена зависимость для определения продольной силы. Предложена зависимость, по которой можно определить максимально допустимое расстояние между приводной и неприводной клетями, обеспечивающее продольную устойчивость полосы. Применив зависимости для определения условий деформирования в приводных горизонтальных и неприводных вертикальных клетях с гладкими валками, были рассчитаны режимы обжатий при прокатке арматуры № 12 в условиях непрерывного мелкосортного стана 250 АО «ЕВРАЗ ЗСМК» с использованием в черновых клетях бескалибровой прокатки. Использование неприводных вертикальных клетей позволит освоить прокатку более крупной литой заготовки квадрат 125×125 мм. Оценена экономическая составляющая перехода на более крупную литую заготовку с освоением бескалибровой прокатки. Показаны преимущества предлагаемых решений в сравнении с классическим способом прокатки арматуры № 12.

Приведены результаты исследования причин пониженной прочности сварных соединений арматурного проката класса прочности А500С. Соединения были выполнены из арматурного проката диам. 12 мм, при этом одно из соединений выполнено из термомеханически упрочненного проката (образец 1), а другое из горячекатаного проката без последующей обработки (образец 2). Установлено, что структура сварного соединения 1 характеризуется наличием продуктов отпуска мартенсита – мартенситно-бейнитной структуры с твердостью порядка 327 – 339 HV. Наблюдаются характерные игольчатые и пакетные образования. Металл шва (ядра) имеет структуру, идентичную структуре зоны термического влияния на участке перегрева. Структура сварного соединения 2 представлена более выраженной зональностью. Прослеживается граница между металлом шва (ядром) и зоной термического влияния. В плоскости шлифа литое ядро наблюдается как тонкая светлая прослойка толщиной 30 – 40 мкм и твердостью около 180 – 190 HV, состоящая из феррита, не до конца подвергшегося послесварочной термической обработке. Также в металле шва повсеместно присутствуют шлаковые включения. В зоне термического влияния на участке перегрева наблюдаются бейнитные и видманштеттовые структуры. Твердость металла зоны термического влияния находится на уровне 250 – 265 HV. Наиболее вероятными причинами пониженной прочности сварных соединений являются повышенная хрупкость металла шва и зоны термического влияния вследствие высокой твердости (более 300 HV), а также наличие в металле шва (ядра) шлаковых включений. Последние выступают в качестве концентраторов напряжений и при внешних нагрузках являются источником разрушения.

Методом молекулярной динамики проведено исследование влияния примесных атомов углерода и кислорода на диффузию по границам зерен наклона с осями разориентации <100> и <111> в металлах с ГЦК решеткой. Рассматривали никель, серебро и алюминий. Взаимодействия атомов металла друг с другом описывались многочастичными потенциалами Клери-Розато, построенными в рамках модели сильной связи. Для описания взаимодействий атомов примесей легких элементов с атомами металла и атомов примесей друг с другом использовали парные потенциалы Морзе. Примеси в большинстве случаев приводят к увеличению коэффициента самодиффузии по границам зерен. Это обусловлено деформацией кристаллической решетки вблизи примесных атомов, из-за чего вдоль границ возникают дополнительные искажения и свободный объем. Более выражено это для примеси углерода. С ростом концентрации углерода в металле наблюдали сначала увеличение коэффициента зернограничной самодиффузии, затем снижение. Такое поведение объясняется образованием агрегатов атомов углерода на границе зерен, что приводит к частичному запиранию границы. Атомы кислорода оказывали меньшее влияние на диффузию по границам зерен. По-видимому, это объясняется отсутствием тенденции к образованию агрегатов и меньшей деформацией кристаллической решетки вокруг примеси. Наибольший эффект от примесей на самодиффузию по границам зерен среди рассмотренных металлов наблюдался для никеля. Никель обладает наименьшим параметром решетки, примесные атомы сильнее деформируют его решетку вокруг себя по сравнению с алюминием и серебром. В никеле создается сравнительно больше искажений решетки и дополнительного свободного объема вдоль границ зерен, которые приводят к росту диффузионной проницаемости. Коэффициенты диффузии вдоль большеугловых границ с углом разориентации 30° оказались примерно в два раза выше, чем вдоль малоугловых границ с углом разориентации 7°. При этом диффузия вдоль границ <100> протекала интенсивнее, чем вдоль границ <111>

На основании металлографических (с помощью микроскопа OLYMPUS GX-51») и спектральных (с использованием спектрометра «ARL iSpark», метод «Spark-DAT») исследований определены вид, относительная концентрация и размеры наиболее характерных неметаллических включений по элементам (головка, шейка) железнодорожных рельсов из электростали марок Э76ХФ и Э90ХАФ. Установлено, что наибольшую относительную концентрацию имеют сульфиды марганца (MnS) – 30,8 – 43,4 ppm. При этом 60 – 100 % включений указанного типа имеют малые (менее 4 мкм) размеры. Это не позволяет их обнаружить при стандартном металлографическом анализе со 100-кратным увеличением. Выявленная высокая относительная концентрация сульфидных включений напрямую коррелирует с установленной положительной ликвацией по сере в рассматриваемых элементах рельса, составляющей до 40 %. Несмотря на высокую концентрацию сульфидов марганца их влияние на качество рельсов можно признать не опасным, с учетом их высокой пластичности при горячей деформации и установленного преобладания включений данного типа малого (менее 4 мкм) размера. Среди включений силикатного типа значимую концентрацию имеют включения SiO₂ (3,4 – 14,9 ppm). Все выявленные включения этого типа имеют размер, не превышающий 4 мкм. Установлено, что концентрация сложных включений, имеющих в своем составе глинозем (Al₂O₃ – CaO – MgO, Al₂O₃– CaO – MgO – CaS, Al₂O₃– CaO, Al₂O₃– MgO), незначительна: суммарно не превышает 3,1 ppm и 1,6 ppm для отдельных видов. Концентрация корунда (Al₂O₃) также незначительна и не превышает 0,3 ppm. При этом преобладают глиноземистые включения малого (менее 4 мкм) размера. В связи с низкой (с учетом относительной концентрации и размеров включений) загрязненностью непластичными силикатными и глиноземистыми неметаллическими включениями их влияние на качество рельсов не является значимым. Это подтверждается отсутствием дефектов, выявленных при ультразвуковом контроле.

Разработана методика прогнозирования закономерностей роста кристаллов из метастабильных расплавов. Методами неравновесной термодинамики описан процесс роста кристалла из многокомпонентного расплава с учетом взаимного влияния тепловых и диффузионных процессов. Применение к построенной системе уравнений нового вариационного подхода позволило получить удобные для практических расчетов выражения скорости роста кристалла из многокомпонентного расплава. Полученная методика позволила провести анализ особенностей роста кристалла при высокой скорости движения фронта кристаллизации, которые приводят к эффекту «захвата примеси» – отклонению от равновесных условий у поверхности раздела фаз. Разработанная математическая модель дает возможность проводить расчеты скорости роста частиц новой фазы и оценивать влияние метастабильных эффектов на отклонение концентраций компонентов у поверхности растущего кристалла от равновесных значений. Таким образом, с использованием полученного метода может быть построена «метастабильная» фазовая диаграмма исследуемой системы. Развиваемый подход применен к расчету роста нанокристаллов α-Fe(Si) при отжиге аморфного сплава Fe_73,5 Cu₁ Nb₃ Si_13,5B₉ . Результаты расчета сопоставлены с результатами эксперимента по первичной кристаллизации сплава. Показано, что концентрация железа у поверхности растущего кристалла несущественно отклоняется от равновесных значений. C другой стороны, атомы кремния захватываются фронтом кристаллизации, концентрация кремния у поверхности растущего нанокристалла значительно отклоняется от равновесных значений. Расчет показал, что после первичной кристаллизации аморфной фазы, происходящей при температуре 400 – 450 °С, отклонение концентрации кремния от равновесного значения составит около 2 %, при этом равновесное значение концентрации составит около 13,3 %.

С целью ресурсосбережения хрома представляет большой практический интерес технология дуговой наплавки порошковой проволокой, в которой в качестве наполнителей используются оксид хрома Cr₂O₃ и восстановитель – углерод. Проведена термодинамическая оценка вероятности протекания 16 реакций между ними в стандартных условиях и для некоторых реакций в условиях, отличных от стандартных, по табличным термодинамическим данным реагентов в интервале температур 1500 – 3500 К. В качестве стандартных состояний для реагентов рассматривали: Cr(ref) (опорное состояние, температура плавления 2130 К, температура кипения 2952 К), Cr(ж), Cr(г), Cr₂O₃ (кр, ж), Cr₂O₃ (ж), С(ref), а в качестве возможных продуктов реакции и стандартных состояний для них CO(г), CO₂ (г), Cr ₂₃C₆ (кр), Cr₇C₃ (кр), Cr₃C₂ (кр). Вероятность протекания реакций оценивали по стандартной энергии Гиббса реакций и по энергии Гиббса реакций, рассчитываемой по уравнению изотермы Вант-Гоффа. Учитывалось растворение хрома в металле наплавочной ванны или вероятные парциальные давления CO и CO₂ в газовой фазе, вычисляемые из равновесия реакции газификации углерода. Присутствие в порошковой проволоке для наплавки наряду с оксидом хрома Cr₂O₃ углерода в качестве восстановителя обязательно приведет к протеканию восстановительных реакций с образованием карбидов хрома, а возможно, и самого хрома. Наиболее вероятно образование карбида состава Cr₇C₃ (кр). При большем времени нахождения оксида хрома и углерода при температуре выше 2500 К более термодинамически вероятным является процесс образования хрома как компонента наплавочной ванны, а не его карбидов. Оксид хрома имеет наивысшую реакционную способность в состоянии Cr₂O₃ (ж). Наиболее вероятным является прямое восстановление. В качестве продукта окисления углерода наиболее вероятно образование CO(г). Растворение хрома в металле увеличивает термодинамическую вероятность протекания реакций с его образованием и еще больше понижает вероятность протекания реакций, в которых хром – исходное вещество.

Для анализа термодинамических свойств расплава Са – Si – Fe использовали модель идеальных ассоциированных растворов. Химическое равновесие по закону действующих масс между ассоциатами и мономерами в принятом варианте модели осуществляли с учетом абсолютного числа их молей. Это позволяло учесть изменение мольного состава ассоциированного раствора в зависимости от концентрации компонентов в нем. Наиболее полно анализировали малоизученную бинарную подсистему Ca – Si. Используя последние сведения о температурной зависимости теплоемкостей для пяти типов интерметаллидов этой подсистемы, установили типы стабильных ассоциатов Са₂Si, СаSi в области с низким содержанием кремния в растворе и СаSi, СаSi₂ в области с высоким содержанием кремния в растворе. Термодинамические свойства соответствующих интерметаллидов в базах данных Терра, Астра и HSC заметно отличались от вычисленных свойств ассоциатов. Причина рассогласования опытных и справочных данных состоит, по-видимому, в неточной справочной информации, основанной на прежних заниженных значениях теплоемкостей интерметаллидов. Анализ энергии смешения компонентов сплава Са – Si показал, что в области с высоким содержанием кремния концентрационная и температурная зависимости избыточной свободной энергии хорошо подчиняются так называемой псевдосубрегулярной модели бинарных растворов. Для подсистемы Fe – Si были установлены лишь два типа стабильных ассоциатов: Fe₃Si и FeSi. Энергии образования этих ассоциатов и соответствующих интерметаллидов в целом согласуются. Подсистема Са – Fe ввиду весьма ограниченной взаимной растворимости компонентов выведена из рассмотрения. Таким образом, в тройной системе Са – Si – Fe в области с высокой концентрацией кремния из пяти возможных ассоциатов действительны лишь три (CaSi, CaSi₂ , FeSi). Расчет при этом условии термодинамических свойств расплавов силикокальция марок СК10 – СК30 показал, что активность кремния в них при температуре 1873 К находится в пределах 0,60 – 0,70, в то время как активности остальных компонентов не превышают 0,01.

В процессах обработки металлов давлением с использованием мощных импульсов тока возникает необходимость регулирования как частоты воспроизведения, так и амплитуды импульсов. Приведено описание генератора мощных импульсов тока с управляемым тиристорным преобразователем в качестве источника питания зарядного устройства для регулирования напряжения (амплитуды импульсов) заряда конденсаторов. Выявлены недостатки генераторов, связанные с броском тока в режимах заряда конденсаторов, что снижает качество питающей сети. Для уменьшения времени переходных процессов при снижении напряжения на конденсаторах рассмотрено применение в качестве источника питания реверсивного тиристорного преобразователя. Приведена структурная схема генератора, в состав которой входят реверсивный тиристорный преобразователь с раздельным управлением, силовой блок, устройство перезаряда конденсаторов, система автоматического регулирования параметров зарядного устройства, система управления процессом заряда конденсаторов. Представлен расчет параметров регуляторов системы автоматического регулирования. Для получения оптимальных переходных процессов используется типовая методика настройки регуляторов по модульному оптимуму. С целью снижения перерегулирования в момент появления возмущающих воздействий, которое может достигать 100 % и выше, в систему автоматического управления введено так называемое логическое устройство. Последнее блокирует управляющие импульсы на тиристорах преобразователя и одновременно снижает сигнал на выходе регулятора тока до нуля. Синтезирована симуляционная модель генератора мощных токовых импульсов в среде MatLab – Simulink. Выполнен анализ модели, приведены графики, поясняющие принцип работы устройства и переходные процессы при различных режимах работы. Использование генератора позволит регулировать амплитуду токовых импульсов с высоким быстродействием, получить достаточно качественные переходные процессы заряда (разряда) конденсаторов, что окажет благоприятное влияние на питающую сеть. Применение более качественных преобразователей позволит значительно увеличить частоту воспроизведения импульсов тока.

Для оценки эксплуатационной надежности работы технологических агрегатов машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) применен количественный показатель работоспособности. Этот показатель характеризует способность технического изделия выполнять работу с определенной вероятностью или вероятность того, что данный объем работы будет выполнен. Показатель интересен тем, что при переходе через оптимальное значение способность машины выполнить возложенный на нее объем работы начинает снижаться. Точка оптимума продолжительности работы машины ограничивает рациональный временной участок ее использования без ремонта с максимальной эффективностью. С использованием статистического материала, полученного в течение 15 лет эксплуатации машины непрерывного литья заготовок, оценена работоспособность входящих в МНЛЗ агрегатов как технологической линии. При этом все агрегаты разделены на три принципиально отличающиеся по условиям назначения группы: работающие с жидким, с затвердевающим и с затвердевшим металлом. Работоспособность агрегатов каждой группы оценена абсолютными и относительными величинами. При оценке работоспособности по абсолютным значениям наибольшей работоспособностью обладают агрегаты, работающие с жидким металлом. Рациональный срок службы от ремонта до ремонта составляет 270 ч с безотказностью 0,51. Наименьшая работоспособность (в пределах 150 ч) наблюдается у агрегатов, работающих с затвердевающим металлом, безотказность 0,6. Величина работоспособности в относительных единицах в среднем у агрегатов всех групп практически одна и та же, что позволяет использовать этот показатель на ранней стадии оценки работоспособности как МНЛЗ в целом, так и ее элементов.

Рассмотрена математическая модель фурменного очага доменной печи при инжекции пылеугольного топлива. При математическом моделировании фурменного очага выделено две подсистемы: 1) нагрев частиц угольной пыли и выделение летучих в фурменном очаге; 2) теплообмен и процесс горения в фурменном приборе. Исследовано двумерное поле скоростей газа в фурменном очаге. Процессы горения рассмотрены как совокупность параллельно развивающихся явлений горения кокса в слое, одиночных кусков кокса и частиц угольной пыли. Модель включает уравнения баланса общей массы газа, баланса массы компонентов газа, теплового баланса газа, движения частиц угольной пыли, теплового баланса частицы угольной пыли. В ней рассчитываются максимальная температура горения в фурменном очаге, расстояние от среза фурмы до фокуса горения, протяженность кислородной зоны горения, температура газа, содержание компонентов газовой фазы и степень выгорания углерода пылеугольного топлива на выходе из фурменного очага. Разработана информационно-моделирующая система. Последняя позволяет исследовать влияние характеристик комбинированного дутья, свойств кокса и угольной пыли, геометрических размеров фурм и других факторов на поля температур и концентраций компонентов газовой фазы в фурменном очаге. Рассматриваемая система позволяет подобрать рациональный режим инжекции пылеугольного топлива, который обеспечит полноту его сгорания в границах фурменных очагов. Основными функциями программного обеспечения является представление результатов расчета в виде таблиц и графиков, хранение вариантов исходных данных в базе данных, экспорт результатов расчета во внешний файл формата Microsoft Excel. Сделаны выводы о снижении температуры горения в фурменном очаге, приближении фокуса горения к фурме при вдувании пылеугольного топлива, о необходимости использования углей с определенными качественными характеристиками и месте ввода угольной пыли в поток дутья.