Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 62, № 6 (2019)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-6

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

423-430 36
Аннотация

Изучено влияние введения хрома в повышенной концентрации в качестве восстановителя при изготовлении порошковой проволоки системы Fe − C − Si − Мn − Сr − Ni − Mo. Наплавку металла проводили на пластины стали марки Ст3 под флюсом АН-26С с предварительным подогревом основного металла до 250 – 300 °С. Порошковую проволоку диам. 5 мм, изготовленную на лабораторной машине, наплавляли на сварочном тракторе ASAW-1250 при следующих режимах: сила тока 420 – 520 А, напряжение 28 – 32 В, скорость сварки 7,2 – 9,0 м/ч. После наплавки металл охлаждали при комнатной температуре. Для изготовления образцов в качестве наполнителя (шихты) использовали соответствующие порошкообразные материалы: порошок железа марки ПЖВ1 по ГОСТ 9849 – 86, порошок ферросилиция марки ФС 75 по ГОСТ1415 – 93, порошок высокоуглеродистого феррохрома марки ФХ900А по ГОСТ 4757 – 91, порошок углеродистого ферромарганца ФМн 78(А) по ГОСТ 4755 – 91, порошок никеля ПНК-1Л5 по ГОСТ 9722 – 97, порошок ферромолибдена марки ФМо60 по ГОСТ 4759 – 91, порошок феррованадия марки ФВ50У 0,6 по ГОСТ 27130 – 94, порошок кобальта ПК-1У по ГОСТ 9721 – 79, порошок вольфрамовый ПВН ТУ 48-19-72 – 92. Определено, что углерод, марганец, хром, молибден, никель и в незначительной мере ванадий в исследуемых пределах одновременно повышают твердость наплавленного слоя и уменьшают скорость износа образцов. Показано, что низкая вязкость матрицы не позволяет удерживать на поверхности карбиды вольфрама, в результате чего износ осуществляется не по схеме равномерного истирания поверхности, а по схеме выкрошивания высокопрочных частиц карбидов из матрицы. В результате в матрице образуются новые трещины, способствующие дополнительному износу самой матрицы. По результатам проведенного многофакторного корреляционного анализа были определены зависимости твердости и износостойкости наплавленного слоя от массовой доли элементов, входящих в состав порошковых проволок системы Fe − C − Si − Мn − Сr − Ni − Mo. Полученные зависимости могут быть использованы для прогнозирования твердости и износостойкости наплавленного слоя при изменении химического состава наплавленного металла. 

431-437 33
Аннотация

Высокую производительность прокатных и трубопрокатных станов, хорошее качество готовой металлопродукции возможно получить путем подогрева металлических заготовок с минимальным окислением и обезуглероживанием в нагревательных печах. Такие условия обеспечивают кольцевые печи, которые широко используют в прокатном производстве труб, железнодорожных колес и бандажей. Качественный нагрев позволяет получить структуру металлоизделий с заданными теплофизическими и рабочими свойствами, а также пластичность, необходимую для последующей механической обработки. В настоящей работе рассмотрены теплотехнические особенности работы кольцевой печи для нагрева трубных заготовок перед прокаткой на ПАО «Челябинский трубопрокатный завод» (ЧТПЗ). Проанализированы проблемы, возникающие при работе теплового агрегата: высокие удельный расход топлива на нагрев заготовок и температуры наружных поверхностей стен и свода; низкая скорость нагрева заготовки; большой объем подсосов воздуха в рабочее пространство печи; конструкция газогорелочных устройств не предусматривает возможности регулирования подачи газа в большом диапазоне нагрузок, вплоть до периодического полного отключения; тепловая энергия отходящих газов практически не используется. Проведен расчет нагрева металла и составлен тепловой баланс кольцевой печи. В ходе анализа результатов расчетных исследований выявлены факторы, снижающие энергоэффективность существующей конструкции печи. Предложены мероприятия по ее модернизации с целью уменьшения расхода топлива и увеличения производительности (применение волокнистых огнеупорных материалов, регенеративных горелочных устройств, не водоохлаждаемых перегородок и др.). Для оценки влияния предложенных мероприятий составлен тепловой баланс печи после проведения реконструкции печных систем и узлов, определены основные показатели тепловой работы печи. При реализации предложенных мероприятий ожидается существенный экономический эффект, улучшение качества нагрева металла при сокращении расхода топлива и увеличение производительности агрегата. В частности, после проведения реконструкции печи ожидается повышение суммарного (на 18,1 %) и теплового (на 31,0 %) КПД печи, а также снижение (на48,3 кгу.т/т) удельного расхода топлива. 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

438-450 41
Аннотация

На примере закаленных углеродистых сталей марок 45 и У8 рассмотрены особенности влияния комбинации различных технологий (с использованием электромеханической обработки, поверхностного пластического деформирования и безабразивной ультразвуковой финишной обработки и их комбинации) поверхностного упрочнения на изменения структурного состояния и микротвердости поверхности, циклической долговечности упрочненных образцов, а также механизмов усталостного разрушения. Исследования проведены с использованием методов оптической и растровой электронной микроскопии, микротвердости, усталостных испытаний. Показано, что для исследуемых сталей в закаленном состоянии высокоскоростное импульсное термодеформационное воздействие в ходе электромеханической обработки сопровождается повышением (более чем на 50 %) микротвердости поверхности и снижением (на 20 – 30 %) предела выносливости. Такое изменение свойств связано с образованием в поверхностном слое существенно неравновесных, неоднородных по химическому составу ультрадисперсных фаз, обладающих повышенной твердостью. При этом в приповерхностных объемах металла протекают процессы отпуска закаленной структуры с образованием зон разупрочнения и формированием растягивающих остаточных напряжений, что сопровождается снижением микротвердости в этих зонах и предела выносливости образцов. Подобные эффекты снижения некоторых эксплуатационных характеристик материалов в ходе поверхностного упрочнения различных материалов, равно как и способы повышения свойств таких изделий за счет дополнительных технологических операций, требуют более глубокого изучения. Комбинированное поверхностное упрочнение (на основе электромеханической обработки, поверхностного пластического деформирования и безабразивной ультразвуковой финишной обработки) углеродистых сталей позволяет за счет вариации интенсивности температурного и деформационного воздействий целенаправленно изменять структурно-фазовый состав и напряженно-деформированное состояние поверхностных и приповерхностных слоев металла. В результате этого появляется возможность в зависимости от предварительной термической обработки стали формировать сбалансированный комплекс прочностных и усталостных характеристик образцов. Операции поверхностного пластического деформирования и безабразивной ультразвуковой финишной обработки, проведенные после электромеханического упрочнения, за счет интенсивной пластической деформации обеспечивают выглаживание поверхности, залечивание приповерхностных дефектов и позволяют корректировать напряженно-деформированное состояние обрабатываемого металла. Это обеспечивает повышение микротвердости в зоне отпуска на 20 – 25 % и предела выносливости образцов на 25 – 30 %. 

446-451 36
Аннотация

Борирование является распространенным способом химико-термической обработки стальных изделий, увеличивает их твердость и износостойкость, но повышает хрупкость поверхности, имеет большую длительность и трудоемкость. Для улучшения свойств применяют комбинированное покрытие бором и ванадием, а для снижения продолжительности процесса диффузионного насыщения возможно использование микродугового поверхностного легирования. Это позволяет интенсифицировать диффузию легирующих элементов за счет формирования у поверхности стального изделия зоны газового разряда. Целью работы было исследование структуры, фазового состава, механических свойств и износостойкости стали после борованадирования. В процессе экспериментов использовали обмазку, содержащую порошки карбида бора B4C и феррованадия FeV80, которую наносили на поверхность стального образца. При борованадировании стали формируется поверхностный слой толщиной 150 – 190 мкм, имеющий основу микротвердостью 7,8 – 8,3 ГПа, в которой расположены светло-серые зернистые включения и участки эвтектики микротвердостью 13,5 – 14,0 ГПа. Далее расположен науглероженный слой эвтектоидной концентрации, переходящий в исходную феррито-перлитную структуру. Определено содержание легирующих элементов в характерных точках поверхностного слоя, которое подтвердило повышенное содержание углерода, ванадия и бора в основе слоя, участках эвтектики и карбидной фазе. Рентгеновским фазовым анализом установлено наличие в поверхностном слое стали боридов железа FeB и Fe2B, боридов ванадия VB2 и V2B3 и карбида ванадия VC0,88 . Механические свойства покрытий изучали методом микроиндентирования его поперечного сечения с регистрацией и анализом диаграммы деформации при нагружении и последующей разгрузке индентора. Твердость при индентировании в основе слоя увеличилась до 7,95 ГПа, в дисперсных включениях – до 13,90 ГПа. Модуль упругости при индентировании в основе и включениях составляет 238 и 340 ГПа соответственно. Ползучесть и доля пластической составляющей при микроиндентировании с ростом твердости закономерно снижаются. Мелкодисперсные включения боридов железа, боридов и карбидов ванадия значительно увеличивают износостойкость стали. Износостойкость при трении о закрепленные абразивные частицы возросла в четыре раза по сравнению с исходным состоянием. 

452-460 38
Аннотация
На основании проведенных экспериментальных исследований определены и научно обоснованы закономерности влияния температурно-скоростных условий прокатки на пластичность и сопротивление деформации по зонам непрерывнолитых заготовок легированных рельсовых сталей марок Э76ХФ, Э76ХСФ. Полученные результаты свидетельствуют о сложном характере зависимостей пластичности рельсовой стали Э76ХФ от температуры деформации. В частности, для приповерхностных слоев непрерывнолитых заготовок зафиксировано заметное снижение пластичности в температурном интервале 1025 – 1075 °С, которое отсутствует для слоев, расположенных в центральной зоне заготовок. Обобщение результатов исследований пластичности различных слоев непрерывнолитых заготовок рельсовой стали марки Э76ХФ показало, что абсолютные значения пластичности значительно снижаются по мере удаления от поверхности к центральной зоне. Этот факт объясняется более крупнозернистой структурой и повышенной концентрацией неметаллических включений в центральной зоне непрерывнолитых заготовок относительно приповерхностных слоев заготовок, что подтверждено результатами металлографических исследований. В частности, установлено, что средний диаметр зерен в поверхностном слое деформированных непрерывнолитых заготовок в 1,3 – 2,1 раза меньше по сравнению с центральной зоной заготовок. Подтверждено наличие в центральной зоне непрерывнолитых заготовок значительной концентрации недеформирующихся включений силикатного типа (Al2O3·SiO2 ; FeO·SiO2 ; MnO·SiO2 ), оказывающих наиболее отрицательное влияние на пластичность стали. При этом в приповерхностной зоне непрерывнолитых заготовок такие включения отсутствуют. На основании проведенных исследований установлено, что с увеличением температуры деформации рельсовой стали Э76ХСФ происходит уменьшение сопротивления пластической деформации по экспоненциальному закону. При этом абсолютные значения сопротивления деформации рассматриваемой стали снижаются по мере удаления от поверхности к центральной зоне непрерывнолитых заготовок, что связано с проиллюстрированным выше увеличением размера зерна и локализацией неметаллических включений. Выявленная тенденция по снижению сопротивления деформации от поверхностных слоев к центру непрерывнолитых заготовок сохраняется независимо от скорости деформации, при этом абсолютные значения сопротивления деформации значительно возрастают с ростом скорости деформирования от 1 до 10 с–1. Математическая обработка полученных экспериментальных данных позволила получить уравнения регрессии, позволяющие с достаточной степенью достоверности прогнозировать пластические и деформационные свойства легированных рельсовых сталей марок Э76ХФ и Э76ХСФ при заданных условиях прокатки и являющиеся комплексной теоретической базой для разработки и совершенствования новых режимов нагрева заготовок под прокатку и схем прокатки рельсов. Адекватность полученных экспериментальных зависимостей подтверждена результатами опытно-промышленного опробования нового режима производства железнодорожных рельсов на универсальном рельсобалочном стане АО «ЕВРАЗ ЗСМК». 
461-466 28
Аннотация

Разработка надежных и долговечных композиционных материалов, получаемых из различных по свойствам составляющих, является актуальной задачей. К числу таких материалов относятся и многослойные стали. Чередование большого количества разнородных слоев позволяет получать свойства, недостижимые для однородной стали. Использование диффузионной сварки позволяет создать ряд композиционных материалов на основе инструментальных порошковых сталей (Uddeholm Elmax), свойства которых позволяют использовать их при производстве режущего инструмента. Целью настоящей работы стало изучение влияния режимов термической обработки на структуру и эксплуатационные свойства разработанной многослойной композиции на основе стали марки Uddeholm Elmax и низкоуглеродистой нержавеющей ножевой стали марки AISI420MoV. В процессе исследования были изучены структуры исходных сталей и композиционного материала после отжига, а затем после закалки и отпуска. Металлографические исследования образцов проводили с помощью анализатора изображений Thixomet. Структура всех образцов была рассмотрена в продольном сечении. Оценивали общий вид поверхности образцов на наличие каких-либо дефектов и неметаллических включений. Для этого рассматривали панорамные снимки образцов. Также были выполнены измерения величины частиц карбидов и определена ширина слоев в многослойной композиции. Показано, что исследуемый материал имеет выраженную слоистую структуру с резким переходом от одного слоя к другому. Используемая при производстве композиционного материала технология обеспечивает отсутствие переходной зоны между слоями. Также не обнаружено типичных дефектов (расслоений, пор, оксидных включений) диффузионной сварки. Установлено, что при термической обработке размер включений карбидов в структуре композиционного материала уменьшается, а их число увеличивается. Слои, образованные сталями марок Uddeholm Elmax и AISI420MoV, отличаются числом таких включений. Происходящие при термической обработке структурные превращения приводят к увеличению поверхностной твердости (по Роквеллу) исследуемого материала. Также выполнено исследование коррозионной стойкости и микротвердости композиционного материала. Результаты работы позволили рекомендовать режим термической обработки изученной композиции. 

ИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХ

467-474 36
Аннотация
Рассмотрены результаты оценки рациональной частоты воздействия на образец при реализации метода определения усталостных характеристик материалов на основе синергетически организованной эмиссии волн напряжений. Суть этого процесса заключается в том, что при мелкоступенчатом нагружении испытываемого образца на каждой ступени нагружения формируется поток эмиссионного сигнала. Одновременно подготавливается очередная серия дислокаций, способных в следующий момент нагружения выйти на поверхность кристалла и излучить волну напряжений. Величина этого сигнала характеризует процессы, происходящие в материале при той или иной нагрузке, и позволяет зафиксировать силовые параметры, соответствующие такой величине, как предел выносливости. Цель настоящей работы сводится к определению частоты мелкоступенчатого нагружения, обеспечивающей максимальный волновой сигнал при реализации метода определения усталостных характеристик материалов на основе синергетически организованной эмиссии волн напряжений. Проведен анализ процесса движения элементов материала. Опираясь на ранее опубликованные материалы по использованию синергетически организованной акустической эмиссии, проанализирован процесс поведения структурных составляющих металла, выделен и описан процесс поведения его зерна под воздействием дислокационных движений. Сила каждого такого воздействия представлена δ-функцией. Поведение зерна металла описано дифференциальным уравнением второго порядка. Вероятность перемещения зерна от импульсного воздействия со стороны близлежащих кристаллов и от собственных импульсов описана плотностью вероятности движения этого зерна. Рассматривая совместно динамическое и вероятностное описание поведения зерна, было получено уравнение Колмогорова – Фокера – Планка. В силу того, что в настоящей работе интерес представлял прежде всего колебательный характер движения зерна металла, вышеотмеченное уравнение было преобразовано в волномеханическую функцию процесса поведения зерна. Решением волномеханической функции является волновое уравнение. В результате рассмотрения волнового уравнения выявлена собственная частота колебаний зерна материала. Эта частота попадает в диапазон частот, который может быть воспроизведен при ступенчатом нагружении испытываемого образца. Это позволяет применительно к поведению кристаллической структуры металла реализовать резонансный эффект. Таким образом, определена частота, на которой колебания структуры материала на уровне зерна будет резонировать с внешним воздействием на образец. Резонансное взаимодействие структуры материала и внешнего ступенчатого нагружения образца позволит обеспечить более мощный эмиссионный сигнал при одной и той же величине ступенек при мелкоступенчатом нагружении. 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

475-483 39
Аннотация

Сплавы системы Ni – Co широко используются в современной технике. Марганец является одним из легирующих компонентов в этих сплавах. Вредной примесью в сплавах системы Ni – Co является кислород, который находится в металле как в растворенном виде, так и в виде неметаллических включений. Присутствие кислорода в этих сплавах приводит к снижению их служебных характеристик. Для практики производства сплавов представляет значительный интерес изучение термодинамики растворов кислорода в расплавах этой системы, содержащих марганец. Проведен термодинамический анализ растворов кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих марганец. Определены константа равновесия реакции взаимодействии марганца с кислородом, растворенным в никель-кобальтовых расплавах, коэффициенты активности при бесконечном разбавлении и параметры взаимодействия в расплавах различного состава. При взаимодействии марганца с кислородом в расплавах системы Ni – Co оксидная фаза, помимо MnO, содержит NiO и CoO. Рассчитаны значения мольных долей MnO, NiO и CoO в оксидной фазе для различных содержаний марганца в расплавах системы Ni – Co при 1873 К. В случае расплава никеля уже при содержаниях марганца выше 0,1 % мольная доля оксида марганца близка к единице. По мере увеличения в расплаве содержания кобальта мольная доля оксида марганца в оксидной фазе снижается. В случае чистого кобальта она близка к единице при содержаниях марганца выше 0,7 %. Рассчитаны зависимости растворимости кислорода в изученных расплавах от содержания кобальта и марганца. В никель-кобальтовых расплавах марганец характеризуется высоким сродством к кислороду. Раскислительная способность марганца снижается по мере увеличения содержания кобальта в расплаве. В чистом кобальте она значительно ниже, чем в чистом никеле. Кривые растворимости кислорода в никель-кобальтовых расплавах, содержащих марганец, проходят через минимум, положение которого смещается в сторону более высоких содержаний марганца по мере увеличения содержания кобальта в расплаве. 

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

484-491 34
Аннотация

Рассмотрены задачи системного анализа и разработки моделей, необходимых для синтеза процедуры ситуационного (многовариантного) оценивания нормативной длительности изготовления партии продукции в рамках многоструктурного сталепроволочного комплекса (объекта исследования), включающего самостоятельно функционирующие подразделения с непрерывными, полунепрерывными и дискретными технологическими процессами (травление, волочение, отжиг, меднение), которые связаны единым материальным потоком. Комплекс отличается многообразием технологических маршрутов, позволяющих выпускать широкий спектр продукции (стальной проволоки), соответствующий разным стандартам, маркам стали, диаметрам, формам и массам готовых изделий; многовариантной специализацией волочильных станов; гибкими связями между подразделениями; параллельной, последовательной и комбинированной работой основного и вспомогательного оборудования; оснащением специализированными транспортными средствами (кранами, конвейерами, передаточными тележками, электрокарами). В ходе системного анализа объекта исследования решены следующие вопросы: определены и описаны множество технологических маршрутов в отделениях комплекса, оценены их характеристики; разработаны графические модели производственных процессов, отображающих последовательность и параллельность операций, декомпозицию их на элементы и микроэлементы для каждого отделения; выявлены определяющие факторы, характеризующие организацию производственных процессов для всех отделений; разработаны нормативные модели длительности операций на основе комплексирования разных методов исследования. Решение названной задачи основано на тактовом подходе и включает построение факторной модели штучного ситуационного такта работы волочильного стана s-го типа, подсистемы «травильная ванна – кран», термической печи, линии меднения. Дополнительно введено понятие штучного эквивалентного такта работы оборудования для приведения к сопоставимому виду с тактами станов грубого волочения. Для обеспечения согласованной работы отделения грубого волочения с другими отделениями определено соответствующее количество оборудования травильного, термического, тонкого волочения, меднения. Сформированы модели взаимосвязанных партионных тактов работы предшествующих и последующих отделений (по отношению к отделению грубого волочения). Степень согласованности работы определялась на основе сравнения партионных тактов работы оборудования и транспортных средств на входе и выходе каждого отделения. Для этого предварительно построены нормативные модели тактов работы транспортных средств. Результаты выполненной работы позволяют перейти к изложению собственно алгоритма оценивания длительности изготовления партий стальной проволоки, который представлен во втором сообщении. 

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

492-493 31
Аннотация
Терморентгенографическим методом определены критические точки аморфного сплава системы Fe – Si – Nb – Cu – Mo – B, полученного методом спиннингования. Установлен температурный интервал существования сплава в нанокристаллическом состоянии. 
494-496 35
Аннотация

В настоящее время технологии переработки окисленных никелевых руд характеризуются многостадийностью и использованием дорогостоящего сырья, что существенно влияет на себестоимость конечного продукта. Опыт российских предприятий, таких как «Южуралникель» и «Уфалейникель» подтверждает, что сегодняшние технологии не позволяют добиться экономической эффективности в сложившихся условиях. Основу технологии этих предприятий составляла шахтная плавка на штейн. Ввиду высокого расхода кокса (20 – 30 т на 1 т никеля) себестоимость получаемого таким способом никеля оказывалась настолько высока, что это сделало технологию экономически неэффективной в сегодняшних рыночных условиях. В настоящее время на мировом рынке ферроникеля складывается тенденция к снижению доли высокосортного никеля в структуре потребления никелевых сплавов за счет роста производства чернового ферроникеля и металлизированных материалов с пониженным содержанием никеля. Решением проблемы может стать разработка новой, более энергоэффективной технологии переработки окисленных никелевых руд. В НОЦ «Инновационные металлургические технологии» НИТУ «МИСиС» разработана инновационная технология переработки комплексных руд и техногенных отходов в печи барботажного типа ПМ (Процесс МИСиС). В настоящей работе приведено краткое описание технологии и результатов экспериментов двухстадийной технологии получения товарного ферроникеля из окисленных никелевых руд Южного Урала. 

ЮБИЛЕИ



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0368-0797 (Print)
ISSN 2410-2091 (Online)