Приводится детальный анализ результатов исследований по использованию различных видов титанового сырья из месторождений России: коренные (титаномагнетитовые, ильменит-титаномагнетитовые), метаморфизованные (погребенные лейкоксеновые и ильменит-лейкоксеновые песчаники) и комплексные циркон-рутил-ильменитовые россыпи. Все месторождения титана в России отличаются низким качеством руды, не отвечающим по технологическим свойствам требованиям производства пигментного TiO₂ и металлического титана. В коренных месторождениях основными составляющими являются титаномагнетиты, содержащие от 3 до 17 % TiO₂ . Ильменит находится в подчиненном положении. Лейкоксеновые песчаники Ярегского месторождения отличаются высоким содержанием титана (около 10 % TiO₂ ), но при их обогащении известными методами получаются низкокачественные высококремнистые лейкоксеновые концентраты, содержащие 40 - 50 % TiO₂ , с существенными потерями титана. Пижемские ильменит-лейкоксеновые песчаники содержат 3 - 10 % TiO2 . Основными титансодержащими фазами являются псевдорутил Fe₂O₃·3TiO₂ и лейкоксен. Цементирующей связкой зерен в песчаниках является сидерит с магнитными свойствами, что сильно снижает степень раскрытия минералов при дроблении и ухудшает условия обогащения руды в целом. Ильменитоносные россыпи состоят из мелкозернистого вкрапленного ильменита и труднообогатимы. Комплексные циркон-рутил-ильменитовые россыпи заражены хромом и другими нежелательными примесями, что не позволяет существующими методами обогащения получить кондиционный ильменитовый концентрат. Обсуждаются основные проблемы использования трудно-обогатимых титановых руд всех вышеуказанных типов месторождений и научно-обоснованные пути их решения, которые направлены на получение качественного сырья для производства металлического титана и пигментного TiO₂ с одновременным извлечением других ценных составляющих. Особое внимание уделено исследованиям по использованию массового комплексного сырья - титаномагнетитов, которые выделены в три поэтапных направления, продолжающихся в течение примерно 200 лет - с начала XIX века по настоящее время.

Для оценки размера капель, образованных на отдельных пузырях газа-восстановителя в ходе барботажа оксидного расплава, использована модель формирования металлической фазы, включающая следующие стадии: образование пузырей при вдувании газа в расплав; восстановление металла на поверхности пузырей и концентрация его в виде капель в кормовой части. Представлены уравнения, позволяющие оценить предельные размеры пузыря газа и(R^кр_п) капли(r^кр_к)_, движущихся в оксидном расплаве без дробления. Используя определенные методом лежащей капли плотность (р, кг/м³) и поверхностное натяжение (σ, мДж/м²) расплавов B₂O₃ - CaO и B₂O₃ - CaO - CuO в интервале температур 1373 - 1673 К, описываемые уравнениями σ₁= 87,0 + 0,242T, р1 = 3,26103 - 0,91T, σ₂ = 10,8 + 0,178T, р2 = 3,19103 - 0,70T соответственно, рассчитаны критические размеры газового пузыря (R^кр_п), движущегося в оксидном расплаве без дробления. В расплаве B₂O₃ - CaO - CuO в зависимости от температуры критический радиус пузыря меняется от 0,047 до 0,053 м, а для системы B₂O₃ - CaO эти значения составляют 0,06 - 0,081 м. Используя методику, позволяющую с помощью расчетов термодинамического равновесия описать особенности барботажа оксидного расплава различными восстановительными газами, определено изменение содержания оксидов меди в расплаве B₂O₃ - CaO - CuO в зависимости от количества введенного СО при различных температурах. На основании полученных данных рассчитано количество меди, образующееся при взаимодействии Cu₂O в расплаве с единичным пузырем СО в зависимости от содержания оксида меди и количества СО в пузыре. Корреляционные зависимости размера капель от содержания Cu₂O в расплаве (C_Сu2O , %), температуры (T, К) и количества СО в пузыре (n_СО , моль) получены методами статистической обработки данных.

В работе исследовались ключевые технологические параметры стабильного получения стального листа марок IF с ВН-эффектом. Описаны особенности сверхнизкоуглеродистых IF сталей и IF сталей с BH-эффектом, схема процесса упрочнения IF-BH стали при горячей сушке кузова автомобиля после покраски. Приведены данные по химическому составу IFи IF-BH сталей, производимых на зарубежных и отечественных предприятиях. Разобраны причины проявления такого дефекта стального листа, как полосы скольжения, возникающие при появлении площадки текучести на диаграмме растяжения стальных образцов. Приведено и разобрано требование по «сроку годности», предъявляемое к маркам стали IF-BH. Показана формула расчета содержания углерода эффективного в стали на основе содержания общего углерода, ниобия, титана и азота. Приведен диапазон углерода эффективного в стали для достижения оптимальной величины BH-эффекта на основе ранее опубликованных работ. Для условий отечественного предприятия проанализированы результаты промышленных плавок и даны рекомендации по таким критериям, как диапазон оптимального содержания углерода, рекомендуемые максимальные концентрации углерода и азота в стали, величина BH-эффекта, гарантирующие высокий выход годного при производстве стального листа IF-BH. Проведены расчеты различных вариантов микролегирования IF-BH стали титаном и ниобием. Сформулированы критерии, позволяющие стабильно получать заданную величину BH эффекта в холоднокатаных сверхнизкоуглеродистых сталях. Предложена двухэтапная схема микролегирования титаном и ниобием. Показано влияние размера зерен в листовой стали на наличие и величину BH-эффекта и наличие/отсутствие площадки текучести на диаграмме растяжения в листовом металле в исходном состоянии.

Основной проблемой ферросплавного производства России является обеспеченность рудным сырьем. Только немногие виды сплавов выпускаются на отечественных заводах из собственного сырья (ферросилиций, ванадиевые сплавы). Основное количество ферросплавов либо завозится из-за рубежа, либо выплавляется из импортного сырья. В России сложилась применительно к ферросплавному производству сложная ситуация: сырьевая импортная зависимость производства при наличии собственной крупной, хотя и не вполне качественной, в соответствии с мировыми стандартами, минерально-сырьевой базы. Одной из главных причин такого положения (помимо организационных и финансовых) является устоявшийся консервативный подход к технологии выплавки ферросплавов с применением однотипного рудного сырья и получением стандартной гостированной продукции. Отечественное ферросплавное сырье, как правило, отличается невысоким качеством. В нем низкое содержание ведущих элементов (марганцевые, хромовые руды), высокое содержание фосфора (марганцевые, ниобиевые руды), серы (марганцевые руды). Это требует проведения комплекса физико-химических исследований и создания ряда новых альтернативных технологий. Показано, что из нетрадиционного отечественного рудного сырья на основе глубоких физико-химических и технологических изысканий реально создавать новые процессы и комбинации разных видов ферросплавов, не уступающих по своим технико-экономическим показателям продукции, полученной из импортных материалов. Для успешного решения проблемы обеспечения ферросплавной отрасли промышленности отечественным рудным сырьем необходимо объединить изыскания ученых, геологов, обогатителей и металлургов.

В настоящее время все более широкое распространение для рафинирования чугуна и стали получает технология резонансно-пульсирующего рафинирования металла. В работе освещены этапы разработки резонансно-пульсирующего рафинирования для повышения качества изделий, представлены результаты физического и математического моделирования рафинирования металла азотом и аргоном. Установлено, что физическое моделирование дает хорошую качественную картину процессов продувки металла в ковше фурмами различной конструкции. Математическое моделирование позволяет количественно рассчитать оптимальные параметры продувки аргоном и азотом в ковшах различной емкости в зависимости от их размеров, диаметра фурмы и пульсатора. Проведена оценка влияния данного типа продувки металла на газосодержание, микроструктуру чугуна, его механические свойства, а также эксплуатационные свойства полученных изделий. Установлено, что прочностные свойства чугуна возросли с 91 - 105 до 130 - 170 МПа, твердость увеличилась с 137 - 150 до 163 - 182 НВ, плотность - с 6890 - 6900 до 7000 - 7200 Кг/м³. Кроме того, необходимо отметить, что применение представленной в работе технологии позволяет значительно снизить вредное влияние фосфора. Эксплуатационная стойкость изделий из доменного чугуна достигла лучших отечественных и зарубежных показателей. Данная технология эффективно показала себя и при непрерывной разливке стали на сортовой МНЛЗ. Разработанные технологии позволили при внедрении достичь наилучших показателей в отрасли с минимальными затратами. Необходимо отметить простоту внедрения данной технологии на существующих агрегатах внепечной обработки стали и на машинах непрерывной разливки стали. Разработанные технологии можно широко использовать в литейных, электросталеплавильных и кислородно-конвертерных цехах.

Разведанные запасы титаномагнетитовых руд Суроямского месторождения в Челябинской области составляют 11 млрд т. Для их добычи и переработки актуально строительство нового металлургического предприятия. Наиболее перспективной схемой получения металла на планируемом производстве является традиционная, состоящая из следующих этапов: добычи руды, ее обогащения, производства из концентратов агломерата и окатышей, выплавки чугуна в доменных печах и получения стали в кислородном конверторе. Для установления основных технологических параметров нового производства в лабораторных условиях Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова изучены процессы выплавки чугуна из агломерата, полученного из титаномагнетитовых руд Суроямского месторождения и его последующей деванадации с получением ванадиевого шлака, пригодного для производства феррованадия. Отработана технология выплавки чугуна из агломерата, полученного из концентрата Суроямского месторождения, и последующей его деванадации с получением двух продуктов - передельного чугуна и ванадиевого шлака. Установлено, что при выплавке чугуна целесообразно получение ванадия в нем не менее 0,22 %. Найдены зависимости основного показателя эффективности деванадации - содержания оксида ванадия в шлаке от концентрации ванадия в чугуне и количества шлака. Подтверждена принципиальная возможность проведения деванадации экспериментального Суроямского чугуна с получением ванадиевого шлака, содержащего до 12 % V₂O₅ с применением в качестве окислителя воздушного дутья.

Жаропрочные сплавы на базе никеля нашли широкое применение в отечественном авиастроении, ракетостроении и приборостроении. Повышение основных механических и эксплуатационных характеристик металла достигается, в основном, за счет легирования основы различными элементами, такими как рений, рутений, гафний и др. Однако повышения эксплуатационных свойств можно также добиться за счет азотирования металла, в результате которого образуются твердые растворы внедрения (мелкодисперсные нитриды), повышающие прочность сплава. Работа посвящена изучению процесса азотирования сложнолегированных сплавов на никелевой основе. Рассматриваются различные варианты взаимодействия азота с расплавом в условиях проведения открытой плавки и при обработке низкотемпературной азотсодержащей плазмой. Применение плазменно-дугового переплава позволяет получать в плазменном факеле различные формы газа в виде атомов, ионов и молекул. Первые две формы намного активнее молекулярного азота, что приводит к получению в сплаве сверхравновесных концентраций. Проведен термодинамический анализ растворимости азота в расплаве на базе никеля при проведении открытой плавки и в условиях плазменно-дугового переплава. Рассчитана растворимость азота в модельном сплаве ЭП741НП в зависимости от парциального давления азота над поверхностью расплава и в плазмообразующем газе. Показано, что обработка расплава азотосодержащей плазмой позволяет получить в сплаве более высокое содержание азота. Проведена оценка температуры металла в зоне контакта с плазменной дугой с использованием методики, согласно которой испарение компонентов расплава с площади пятна дуги происходит при достижении точки кипения металла.

Сплавы, содержащие добавки редкоземельных металлов (РЗМ), находят все большее применение при производстве сталей и сплавов. При модифицировании и микролегировании стали РЗМ измельчается структура первичного металла, улучшаются его механические свойства, значительно снижается концентрация кислорода, растворенного в жидком железе. Образовавшиеся неметаллические включения не превышают размеров в несколько микрон и имеют преимущественно глобулярную форму. В связи с достаточно высокой стоимостью РЗМ целесообразно проводить расчет их расхода на той или иной стадии технологического процесса для определения оптимального количества, необходимого для раскисления или модифицирования. В ходе настоящей работы было проведено термодинамическое моделирование фазовых равновесий, реализующихся в жидком металле системы Fe - La - Ce -Al - O. Приводится база термодинамических данных изучаемой системы: температурные зависимости констант равновесия реакций, протекающих между компонентами; значения параметров взаимодействия первого порядка (по Вагнеру) для элементов в жидком железе; значения энергетических параметров теории субрегулярных (для оксидного расплава) и регулярных (для твердого раствора) ионных растворов. На основании координат рассчитанного изотермического (1600 °С) изосоставного (0,01 % Al) сечения поверхности растворимости компонентов в металле системы Fe - La - Ce -Al - O построены диаграммы расхода лантана и церия для различных исходных концентраций кислорода (металл предварительно раскислен алюминием). Показано, что расход дорогостоящих редкоземельных элементов, применяемых при микролегировании и модифицировании металла, существенно зависит от состава исходного металла.

В последние годы уникальные физико-механические свойства высокоэнотропийных сплавов (ВЭС) являются предметом повышенного внимания исследователей. Изучение термодинамических характеристик таких материалов может представлять интерес для формулировки принципов формирования структур с необходимыми функциональными характеристиками. Поскольку процессы структуро- и фазообразования, а также диффузионная подвижность атомов, механизм формирования механических свойств и термическая стабильность существенно отличаются от аналогичных процессов в традиционных сплавах, ВЭС выделены в особую группу материалов. Особенно интересны высокоэнтропийные сплавы на основе переходных тугоплавких металлов, таких как Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta и W. Легкие металлы, такие как Ti, V и Cr, выбираются для уменьшения плотности, а тугоплавкие, такие как Nb, Ta и W, отвечают, прежде всего, за прочностные характеристики всего материала. В работе представлен краткий обзор результатов исследования высокоэнтропийных сплавов в новой лаборатории ИМЕТ УрО РАН в 2019 г. Изучены две группы сплавов: ВЭС типа AlNbTiVZr, содержащие легкоплавкий алюминий, и ВЭС типа (Ti,V)ZrNbHf(Ta,W), содержащие исключительно тугоплавкие переходные металлы. При вариации соотношения компонентов в первой группе ВЭС установлены пределы существования неупорядоченных областей твердого раствора и интерметаллических соединений, характерных для данной системы. Для второй группы ВЭС сделан прогноз фазового состава, свойств и структуры на основе квантово-химических расчетов с привлечением первопринципной молекулярной динамики. Прогноз показал возможность или маловероятность формирования неупорядоченного твердого раствора в вышеупомянутых системах в присутствии или отсутствии конкретных химических элементов.

В настоящее время в нефтехимической промышленности широко используются дуплексные коррозионностойкие стали (DuplexStainlessSteel, DSS), в которых аустенит и феррит находятся в равных долях, что обеспечивает благоприятное сочетание механических свойств наряду с высокой коррозионной стойкостью этих сталей. Разработка новых составов DSS - это поиск компромисса. Повышение содержания хрома в стали обеспечивает ее более высокую коррозионную стойкость, однако для сохранения фазового баланса увеличивают концентрацию никеля, который вызывает образование нежелательной a-фазы. Чтобы исключить появление данной фазы, никель заменяют азотом, который провоцирует образование неблагоприятных нитридов хрома. В настоящей работе рассмотрены термодинамические критерии для обоснованного выбора состава перспективных дуплексных коррозионностойких сталей: при температуре начала горячей пластической деформации аустенит и феррит должны быть в равных долях; температура начала образования a-фазы должна быть ниже температуры конца горячей пластической деформации; температура начала образования нитридов хрома должна быть минимальной. Изучено поведение этих критериев под влиянием основных и дополнительных легирующих элементов сталей, а результаты этих исследований обобщены в виде уравнений множественной регрессии. Показано использование найденных уравнений для решения задач оптимизации химического состава известных коммерческих марок, а также для разработки новых сталей с заданными свойствами. Методами горячего физического эксперимента показано, что термодинамическое моделирование хорошо описывает содержание феррита, найденное экспериментально в опытных сталях разного состава при разных температурах закалки.

Обсуждается возможность структурных переходов в металлических сложнолегированных расплавах на основе анализа температурных зависимостей их вязкости, электросопротивления и поверхностного натяжения. Механизм структурных переходов в жидких сложнолегированных металлических расплавах заключается в разрушении микронеоднородности не только структуры, но и химического состава. Аномалии температурных и концентрационных зависимостей структурно чувствительных свойств металлических расплавов -вязкости, плотности, электросопротивления и поверхностного натяжения вызваны изменением структуры расплава. Ветвление температурных зависимостей структурно чувствительных свойств сложнолегированных расплавов объясняется необратимым нарушением микронеоднородного состояния, унаследованного в процессе плавления от исходного многофазного химически неоднородного слитка. Микронеоднородности, которые возникают вследствие преобладающего взаимодействия односортных или разносортных атомов, соответствуют нарушению ближнего порядка в расположении атомов (SRO) и диапазону 2 - 5 А. Микронеоднородное состояние металлических расплавов, которое обусловлено сегрегацией атомов флуктуационной природы без четких межфазных границ (кластерами), связано с нарушением среднего порядка (MRO) и диапазоном 5 - 20 А. Микрогетерогенное состояние расплава, которое характеризуется наличием дисперсных частиц, обогащенных одним из компонентов, которые взвешены в окружающей среде иного состава с четкой межфазной поверхностью, соответствует нарушению дальнего порядка (LRO) и диапазону более 20 А. Структурные переходы в металлических расплавах также могут пониматься как фазовые переходы «жидкость - жидкость» в плане конкуренции между двумя однородными жидкими фазами, отличающимися величиной энтальпии, которая меняется с ростом температуры. Фазовые переходы «жидкость - жидкость» наблюдаются в зависимости от температурной предыстории расплава. Ветвление температурных зависимостей вязкости, плотности и поверхностного натяжения, измеренных при нагреве и последующем охлаждении расплава, также является результатом и свидетельством фазового перехода «жидкость - жидкость». Предложен алгоритм априорного анализа температурных зависимостей вязкости, электросопротивления и поверхностного натяжения сложнолегированных расплавов на основе связи с их структурой.

Обоснована необходимость разработки новой теории восстановления металлов из руд. Показано, что все существующие варианты теории основаны на атомно-молекулярных представлениях начала ХХ в. о восстановлении как о процессе обмена между восстановителем и молекулами оксидов атомами кислорода, не учитывают изменений в кристаллическом строении оксидов и состоянии газовой среды при изменении температуры и давления. Обращено внимание на отсутствие в оксидах молекул, а в металлах атомов. Выявлено несоответствие ряда выводов теории практике работы восстановительных агрегатов. Основываясь на положениях об окислительно-восстановительных реакциях как процессах обмена реагентов валентными электронами и исходя из дефектной ионной структуры реальных кристаллов, а также учитывая изменения в состоянии газовой среды при нагреве и повышении давления и используя некоторые положения квантовой механики о распределении электронов в твердых телах, авторы развивают электронную версию теории восстановления. Она основывается на общности анионной подрешетки всех кристаллов оксидной фазы и коллективной электронной системы всех валентных электронов катионов металла в оксиде. Показано, что в восстановительных агрегатах вследствие термической ионизации газов и термоэлектронной эмиссии с поверхности нагретых тел газовая среда представляет собой плазму. Наличие в плазме заряженных частиц обеспечивает их взаимодействие на значительном расстоянии и протекание химических процессов в кинетическом режиме. Газообразные продукты восстановления удаляются из зоны реакции с отходящими газами, а освобождающиеся в плазме электроны поглощаются поверхностью оксида и существуют в нем вместе с возникающими при удалении кислорода анионными вакансиями. В богатых рудах вакансии сливаются и исчезают на поверхности оксида, а свободные электроны вакансий объединяют ближайшие катионы металлической связью с образованием оболочки металла, который в дальнейшем превращается в карбиды. Образование карбидных оболочек отравляет поверхность оксида и останавливает восстановление. После повышения температуры и оплавления оболочек процесс восстановления возобновляется. Поэтому при углеродотермическом восстановлении получают чугун и высокоуглеродистые ферросплавы. В бедных и комплексных рудах вакансии рассеиваются в объеме оксида по общей анионной подрешетке, образуя в ней раствор вакансий и свободных электронов. Вакансии сливаются и исчезают в местах повышенной концентрации катионов, уровень Ферми атомов которых меньше химического потенциала свободных электронов. В образующейся анионной пустоте свободные электроны перестраивают катионы металла с низкой энергией Ферми и связывают их металлической связью, минуя стадию образования атомов. Рост кристаллов в анионной пустоте происходит без сопротивления со стороны материнской оксидной фазы.