Возросший в последние годы интерес к безобжиговому окускованию в значительной мере обусловлен успешным опытом эксплуатации брикетных линий, основанных на жесткой вакуумной экструзии (ЖВЭ). Высокая производительность экструдеров ЖВЭ и удовлетворительные металлургические свойства получаемых таким способом брикетов экструзии (брэксов) позволяют рассматривать эту технологию безобжигового окускования в качестве перспективной. Экструдеры ЖВЭ позволяют эффективно брикетировать материалы со значениями влажности в диапазоне 12 – 16 % и давлением прессования 3,5 – 4,5 МПа, что приводит к возможности достижения высоких значений величин механической прочности сырых брикетов и исключает необходимость сушки брикетируемой шихты и тепло- вой обработки получаемых брикетов. Растущие масштабы практического использования экструдеров в черной металлургии обусловили необходимость разработки простых и эффективных методик определения их рабочих параметров. Брикетируемая масса представляет собой увлажненную пластическую массу, приводимую в движение лопастями вращающегося шнека и выдавливаемую далее через отверстия в фильере экструдера в виде продолговатых, повторяющих в сечении форму отверстия в фильере брикетов. В приложении к задачам оптимизации брикетной технологии, основанной на жесткой экструзии, приводится точное решение уравнений Навье–Стокса для вязкой несжимаемой среды, сдвигаемой между коаксиальными цилиндрами вдоль общей оси симметрии и закручиваемой вокруг нее соответственно продольным смещением и осевым вращением внутреннего цилиндра при условиях прилипания и заданном продольном падении давления. В частности установлено, что скорость транспортировки перемешиваемой массы не может превосходить скорости, доставляемой подаваемым давлением. При этом формула последней переносится на сжимаемую среду в виде специального интеграла вязкости для вязкопластической среды, где она служит обобщением известных точных решений. Решается задача поиска аналогичного решения для сжимаемой среды. Полученные аналитические зависимости могут использоваться для расчета параметров промышленных брикетных экструдеров, работающих как в режиме жесткой экструзии, так и в режиме полужесткой и мягкой экструзии, отличающихся величинами влажности брикетируемой массы и прикладываемого давления.

Одно из направлений совершенствования технологий обжига известняка в шахтных печах связано с улучшением условий горения природного газа при сжигании его непосредственно в слое материала. Для реализации такой технологии необходимо обеспечить развитие двух параллельных процессов: подготовительного, при котором происходит формирование исходной газо-воздушной смеси и подогрев ее до температуры воспламенения, и основного, в течение которого происходит слоевое горение газообразного топлива. При фурменной подаче воздушного дутья и соосной струйной подаче газообразного топлива под повышенным давлением при наличии на пути струй газопроницаемой насадки более мощный газовый поток (природный газ), вытекающий из сопла с высокой скоростью во внешнюю среду, создает условия для эжектирования воздушного потока. Внутри кольцевого пространства между потоками формируется зона горения, на внутренней и внешней стороне которой возникают циркуляционные вихри, направленные вдоль оси струи к соплу, улучшающие стабильность воспламенения газо-воздушной смеси. Значительная дальнобойность турбулентных струй при повышенных давлениях газовой среды, а также возможность достаточного (полного) их перемешивания в пограничном слое, открывает возможность формирования газовоздушной смеси заданного состава вдоль фронта факельного процесса движения газовых струй. Для воспламенения газового потока в слое необходимо обеспечить его предварительный подогрев как минимум до температуры 800 – 1050 °С с использованием источника тепла, располагаемого вблизи его вх да. Энергоэффективность этого направления подтверждена экспериментальными исследованиями на шахтной печи с диаметром рабочего пространства 3 м. По результатам экспериментального зондирования отапливаемой зоны шахтной печи для обжига известняка в режиме слоевого способа сжигания природного газа были установлены закономерности изменения температурного поля обжигаемого слоя с формированием максимума температур 1200 °С на расстоянии 200 мм от среза сопла. Глубина формирования зоны горения ограничивалась уровнем 110 мм с распространением области высоких температур на расстояние до 1000 мм. Установлена технологическая возможность формирования области высоких температур с уровнем 1100 – 1600 °С при протяженности высокотемпературной зоны вглубь в пределах до 2000 мм.

Помимо электромагнитного перемешивания, разливки стали с низким перегревом, интенсивного теплоотбора в верхней части зоны вторичного охлаждения, технология Mechanical Soft Reduction (MSR) оказалась очень эффективным технологическим приемом, обеспечивающим уменьшение ликвации и осевой пористости в непрерывнолитой заготовке. Реализация технологии MSR при производстве непрерывнолитых сортовых заготовок имеет ряд особенностей, которые обусловлены их квадратной формой. В этом случае особенно перспективным является использование блоков сегментной конструкции, которые получили название pinch-rollsegment. Наличие в линии МНЛЗ блока MSR такой конструкции позволяет реализовать двухстадийную схему деформации. В работе предложена новая двухстадийная схема технологии MSR, которая позволяет реализовать на первой стадии комбинированное деформационное воздействие на основе сжатия в вертикальной плоскости и сдвигового относительного смещения граней, а на второй стадии – деформационное воздействие на основе сжатия в вертикальной плоскости. Такой подход дает возможность дополнительно исправлять деформации поперечного сечения профиля, а именно дефект «ромбовидность». Представлены результаты сопоставительного исследования с использованием методов физического моделирования по оценке вклада в общую эффективность технологии MSR сортовых непрерывнолитых заготовок дополнительного сдвигового относительного смещения граней в горизонтальной плоскости. Использование плоской модели в совокупности с предложенной формой деформирующих валков и сочетания моделирующих материалов позволили достичь хорошего подобия по геометрическому критерию, а также по критерию эквивалентности отношения напряжений, возникающих на границе фронта кристаллизации. Полученные экспериментальные данные дали возможность развить представления о механизмах дополнительных положительных эффектов от приложения сдвигового воздействия. В частности, деформация металла поверхностных и прилегающих к ним слоев заготовки в валках со специальным вышеописанным профилированием будет способствовать повышению их качества за счет возникновения сдвиговых деформаций, интенсифицирующих процесс схлопывания подкорковых пузырей, «залечивания» микротрещин и т.д. В свою очередь, искусственное создание крутящего момента в сечении заготовки будет способствовать возникновению сдвиговых деформаций в закристаллизовавшихся «мостах» осевой жидко-твердой области слитка, тем самым интенсифицируя процесс их разрушения и повышая качество макроструктуры заготовки.

Знание характера и поведения сил, действующих на дугу, является важным при конструировании печей, управлении и автоматизации их работы. Эффект электромагнитного выдувания дуги оказывает отрицательное влияние на технико-экономические показатели печи, поскольку дуга выносится из углубления в металле и шлаке, при этом ее излучение на стены и свод увеличивается, а эффективная мощность, поглощаемая металлом, уменьшается. Для этой и ряда других задач необходимо знание динамического поведения дуги, которое во многом определяется мгновенными значениями и направлениями отдельных сил и результирующей силы. В работе рассматривается поведение электромагнитной силы, действующей на столб дуги, от токов, протекающих через жидкий металл, и токов, протекающих через другие параллельные дуги и графитированные электроды в трехфазной дуговой печи переменного тока. При этом полагалось, что дуги горят перпендикулярно поверхности металлической ванны (их оси совпадают с осями электродов) и действующее значение линейных токов в разных фазах одинаковое. Предложена математическая модель для расчета мгновенных значений и направлений основных электромагнитных сил, действующих на дуги в трехфазной дуговой печи, позволяющая выявить характер динамического поведения дуг. Создана компьютерная программа, дающая возможность визуализировать поведение годографа сил, действующих на дугу. Установлено, что результирующая сила является четной гармонической функцией с частотой в два раза выше промышленной частоты тока. Приведены годографы сил, действующих на дугу со стороны токов, протекающих через расплав, и результирующей силы, представляющие собой эллипсы, лежащие в горизонтальной плоскости. Установлено, что результирующая отклоняющая дугу сила является четной гармонической функцией с частотой в два раза выше промышленной частоты тока. Ее годограф представляет собой эллипс, лежащий в горизонтальной плоскости, большая полуось которого составляет угол 20 – 80° с линией, соединяющей центр распада электродов и ось электрода.

Проведены исследования сварочного флюса, содержащего шлак силикомарганца с флюс-добавкой на основе пыли газоочистки производства алюминия. Изучено влияние введения углеродфторсодержащей добавки на содержание общего кислорода и водорода в ме- талле сварного шва, а также на ударную вязкость при положительных и отрицательных температурах. Для изготовления сварочного флюса использовали в качестве основы шлак силикомарганца, в качестве флюса – добавки пыли электрофильтров производства алюминия: шлак силикомарганца производства Западно-Сибирского электрометаллургического завода и пыль электрофильтров производства алюминия (углеродфторсодержащую добавку) объединенной компании «РУСАЛ». Сварку образцов проводили с помощью сварочного трактора ASAW-1250. Химический состав исследуемых сварных образцов определяли по ГОСТ 10543-98 атомноэмиссионным методом на спектрометре ДФС-71 и рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре XRF-1800. Фракционный газовый анализ проводили с помощью анализатора LECO ТС-600. Исследования сварных образцов на ударную вязкость при положительных и отрицательных температурах проводили с помощью маятникового копра по ГОСТ 9454-78. Построены зависимости влияния количества введенной углеродфторсодержащей флюс-добавки на концентрацию кислорода и водорода в металле сварного шва. При использовании углеродфторсодержащей флюс-добавки в сварочный флюс на основе шлака силикомарганца снижается количество кислорода и водорода в металле сварного шва, при этом возрастает ударная вязкость при положительных и отрицательных температурах. Построены зависимости количества кислорода и водорода в металле сварного шва, а также ударной вязкости от количества введенной углеродфторсодержащей флюс-добавки.

В работе приведены оригинальные экспериментальные данные о поверхностном натяжении расплавов Fe100 – xMnx (х = 4 – 13 вес. %). Поверхностное натяжение и плотность расплава измеряли методом сидящей капли в режиме нагрева от температуры ликвидус до 1780 °С и последующего охлаждения образца в атмосфере высокочистого гелия. Построены температурные и концентрационные зависимости поверхностного натяжения и плотности расплавов Fe – Mn. Марганец является поверхностно-активным веществом в расплаве железа, величина коэффициента поверхностного натяжения расплавов Fe – Mn с увеличением содержания марганца уменьшается. Экспериментальные данные о коэффициенте поверхностного натяжения расплавов Fe – Mn согласуются с теоретическими зависимостями (уравнение Павлова-Попеля и уравнение Шишковского). В контексте изучения микрогетерогенности расплавов Fe – Mn выявлена связь между значениями их кинематической вязкости, коэффициента поверхностного натяжения и плотности. Зависимость текучести расплавов Fe – Mn от их плотности в режиме охлаждения носит линейный характер, что свидетельствует о выполнении закона Бачинского. Обнаружено расхождение значений отношения вязкости расплава к коэффициенту поверхностного натяжения, полученного по экспериментальным данным и рассчитанного по эмпирической формуле. По экспериментальным данным о вязкости и поверхностном натяжении расплавов Fe – Mn изучено изменение энтропии в объеме расплава и изменение поверхностной энтропии расплава соответственно. Эти показатели снижаются по абсолютной величине с увеличением содержания марганца в расплаве. По результатам работы сделан вывод об отсутствии разрушения микрогетерогенной структуры расплавов Fe100 – x Mnx (х = 4 – 13 вес. %) при нагреве до 1780 °С.

Теоретически и экспериментально изучено влияние содержания алюминия (5 – 10 %) и углерода (0,04 – 1,7 %) на фазовые прев- ращения, процессы структурообразования и механические свойства сталей системы Fe – 25Mn – 5Ni – Al – C. Оценены интервалы опти- мальных режимов кристаллизации и деформационно-термических воздействий для получения аустенитных сталей с высокой удельной прочностью. Проведены измерения твердости по сечению образцов и механические испытания в широком интервале температур холод- ной, теплой и горячей деформации, а также оценка фазового состава сталей (сплавов) на основе системы Fe – 25Mn – 5Ni – Al – C. В литом состоянии сплав с 5 % Al немагнитен, т. е. имеет аустенитную структуру, сплавы с 10 и 15 % Al – магнитные с двухфазной структурой (γ + α). Алюминий заметно повышает сопротивление деформации. При этом растут значения σ1 и σmax , т. е. растет и деформационное упрочнение и тормозятся процессы разупрочнения. С ростом скорости деформации влияние алюминия проявляется сильнее. Аустенитные высокомарганцевые сплавы с 5 % Al как с низким, так и с высоким содержанием углерода обладают достаточно большими значениями пластичности и прочности и отличаются высокой стабильностью аустенита. Легирование никелем повышает пластичность. Сплавы с со- держанием алюминия менее 10 % достаточно пластичны и в литом состоянии. Высокомарганцевые сплавы (с 25 % Mn) с содержанием алюминия до 5 – 7 % могут рассматриваться как высокопрочные хладо- и теплостойкие с термически и механически стабильным аустенитом вплоть до содержания углерода ~1,5 %.

Исследована количественная связь показателей отбела чугуна (протяженности отбеленного слоя H и объемной доли в нем ледебурита Qл ) с его углеродным эквивалентом СE . Эти данные позволяют с высокой вероятностью прогнозировать развитие процесса формирования отбеленного поверхностного слоя при изготовлении отливок различной толщины из чугуна разного химического состава. Объектом исследования являлись нелегированные чугуны индукционной плавки восьми вариантов химического состава с углеродным эквивалентом от 3,30 до 5,53 %. Из этих чугунов в песчаной форме с нижним холодильником изготовляли ступенчатые отливки с размерами ступенек 100×60 мм толщиной 5, 10, 20 и 40 мм. Протяженность (глубину) отбеленного слоя измеряли в изломах отливок и оценивали по толщине зоны чистого отбела. Объемную долю ледебурита определяли металлографическим методом с применением компьютерной программы «Nexsys-Imageexpertpro 3». Согласно экспериментальным данным, при толщине отливок 5 и 10 мм сквозной (на всю толщину) чистый отбел формируется при углеродном эквиваленте ≤ 4,08 % и ≤ 3,67 % соответственно. В отливках толщиной 20 и 40 мм зона чистого отбела отсутствует, при этом глубина отбеленного переходного слоя возрастает с уменьшением углеродного эквивалента, но снижается с увеличением толщины отливки X. Установлено, что зависимость H от СЕ имеет экспоненциальный характер и описывается уравнением типа H = A exp (–k СE ), где A и k – эмпирические коэффициенты. Объемная доля ледебурита у поверхности контакта отливки с холодильником во всех пробах составляет ~90 %, но по мере удаления от поверхности уменьшается с разной интенсивностью в зависимости от величины углеродного эквивалента и толщины отливки. Математической обработкой экспериментальных данных, полученных на расстоянии 5 мм от поверхности контакта отливки с холодильником, установлено, что количественная связь Qл в отбеленном слое отливки со значением CE описывается экспоненциальной зависимостью

Проведен сравнительный анализ диффузионных слоев сталей различного структурного класса, полученных комплексной технологией, включающей в себя лазерную перекристаллизацию порошкового материала и азотирование в тлеющем разряде. Исследованы параметры диффузионных слоев бейнитной 09ХН2МД и мартенситной 25Х13Н2 сталей, синтезированных методом прямого лазерного выращивания, а также аустенитной стали 03Х17Н14М3, полученной селективным лазерным плавлением. В процессе азотирования в тлеющем разряде при температуре 540 °С в течение 24 ч в сталях мартенситного и аустенитного классов сформировался диффузионный слой толщиной 140 – 160 мкм, причем в поверхностном слое толщиной примерно 100 мкм значение микротвердости максимально – 800 и 1050 HV0,1 соответственно и практически не изменяется. В бейнитной стали 09ХН2МД диффузионный слой составил 900 мкм, но его микротвердость монотонно убывает с поверхности материала. Методом рентгеновского фазового анализа выявлены упрочняющие фазы в азотированных слоях: в бейнитной стали это γ′-нитрид (Fe4N), в мартенситной и аустенитной сталях это γ′- и CrN нитриды, причем в аустеинтной стали на поверхности формируется сплошной нитридный слой. Исследовано влияние на параметры диффузионных слоев дополнительной термической обработки, проводимой после лазерной перекристаллизации порошкового материала. Установлено, что, не- смотря на уменьшение концентрации дефектов кристаллического строения в структуре после термической обработки, толщина азотированного слоя изменяется слабо. Исследовано влияние пористости объектов аустенитной стали на толщину азотированного слоя. Показано, что варьирование пористости в интервале от 0,5 до 2 % не приводит к изменению толщины диффузионного слоя.

Рассматривается задача создания имитационной модели логистической системы транспортировки жидкого чугуна на металлургическом предприятии. Во время исследования технологических данных процесса транспортировки жидкого чугуна было установлено, что количество локомотивов и миксеров, зависящее от длительности операций и, особенно, межоперационных простоев технологического процесса транспортирования чугуна, не всегда обеспечивает нормальный ритм основного производства. Это приводит к значительным производственным потерям. Следовательно, работа производственно-транспортного комплекса недостаточно эффективна. Разработана имитационная модель логистической системы транспортировки жидкого чугуна на металлургическом предприятии. Исследование и по- строение модели выполнено с использованием инструментального средства AnyLogic. В качестве исходных данных использованы реальные данные с производства, а именно расписание плавок доменных печей за трехнедельный период. Для доказательства адекватности модели полученные результаты сравнили с фактическим тактом движения миксеров, а также с теоретической потребностью конвертерного цеха. Данные о весе жидкого чугуна, доставленного в конвертерный цех, полученные в ходе моделирования, соотносятся с теоретическими. Эффективность работы имитационной модели достигается путем автоматического сбора в режиме реального времени всех статистических значений параметров объектов моделирования. Система за короткий промежуток времени (менее одной секунды) анализирует собранные данные и на их основе осуществляет принятие решений. В режиме работы имитационной модели «по умолчанию» управление движением миксеров осуществляется автоматически, без участия диспетчера, что повышает эффективность, а также скорость принятия решений. В имитационной модели предусмотрена симуляция сбоев в работе конвертерного цеха. Согласно результатам моделирования, можно сделать вывод о том, что система доставляет меньше жидкого чугуна в конвертерный цех, но сохраняет ритмичность. После возобновления работы всех конвертеров такт транспортировки выходит на необходимый уровень.

В работе отмечается возрастающая роль ферросплавной подотрасли в качественном развитии металлургии в целом. В условиях усиления рисков глобального экономического развития осложняется прогнозирование развития металлургии не только в средне- и долгосрочной перспективе, но и на краткосрочные периоды. Негативное влияние оказывает также высокая волатильность цен на основные ферросплавы. В связи с этим возрастает необходимость в развитии методического инструментария прогнозирования изменений рыночных цен на металлургическую продукцию с высокой степенью точности. Одним из важных направлений применения в металлургии прогнозного инструментария является построение моделей прогнозирования стоимости ферросплавной продукции, что определило основную цель исследования. На примере построения прогнозной модели изменения цены на ферросилиций обоснована актуальность нейросетевого подхода к прогнозированию стоимости ферросплавной продукции. В рамках задач отраслевого развития возможности нейронных сетей на сегодняшний день изучены достаточно слабо. В работе приведено формальное описание модели прогнозирования временных рядов на базе нейронных сетей. Отмечено, что при построении нейросетей любая задача временного ряда представляется в виде многомерной регрессии. С учетом этого выделены основные параметры обучения прогнозных сетей. В качестве входных переменных использована средняя цена на ферросилиций на российском рынке, а также цены субъектов РФ. При проведении исследования обучены сети, удовлетворяющие качественным критериям прогнозных моделей. Отбор моделей проведен с учетом результатов графического анализа и кросс-проверки. В результате проведенного исследования построена нейросетевая модель, которая может быть использована для прогнозирования изменения цены на ферросилиций на внутреннем рынке РФ на краткосрочную перспективу. Полученная модель отличается высокой точностью прогнозирования и может быть полезна при обосновании стратегических решений в деятельности отраслевых научно-исследовательских институтов и металлургических предприятий.

Основной компонент природного газа – метан СН4 , состоящий из двух активных восстановителей железа – углерода и водорода. Ранее компьютерным моделированием было установлено, что восстановление железа из магнетита углеродом начинается при 680 °С, а восстановление его водородом – при 350 °С. В данной работе показано, что начало восстановления железа метаном следует ожидать при температуре 530 °С. Однако для природного газа, полученного из газоконденсатных месторождений и содержащего до 10 % тяжелых углеводородов и примесей, указанная температура возрастает до 550 °С. При использовании природного газа совместно с кислородом в со- отношении СН4 : О2 = 2:1 температура начала восстановления также возрастает до 620 °С. Кроме того, предложена расчетная формула для системы Fe – O – C – H, позволяющая прогнозировать образование «чистой» фазы железа при 1500 °С на основании химического состава восстановительной газовой смеси.