На практике для описания кислородно-конвертерного процесса широко используются так называемые статические модели, описывающие изменения выходных параметров на основе информации о входных параметрах для каждого отдельного цикла произ­водства (плавки). Дополнительно используемые модели заключительного периода позволяют обеспечить более точное попадание в заданные пределы по температуре и содержанию углерода в металле. При этом в качестве исходной используется информация о результатах промежуточного замера параметров металла фурмой-зондом, который проводится в период расхода 80 – 95 % общего кислорода на плавку. Для описания поведения объекта по ходу процесса от начала и до конца производственного цикла необходимо построение модели, основанной на закономерностях взаимодействия фаз в открытой системе (кислородном конвертере). В настоя­щей работе предпринята попытка построения такой модели с использованием концепции стационарного неравновесного состояния и результатов физического и математического моделирования системы при изменении величины площади контакта двух несмешивающихся жидкостей при воздействии на них струи газа. При формировании модели исходили из наличия в расплаве двух основных реакционных зон окисления компонентов, которые в соответствии с современными представлениями определяют механизм процессов и гидродинамику расплава при продувке конвертерной ванны. Для каждой выделенной зоны в значительной степени характеристики массопереноса в различные периоды операции в зависимости от текущих параметров взаимодействующих фаз определяют скорости химических реакций. Результаты проверки адекватности модели с использованием практических данных позволяют заключить, что модель может быть использована для исследования процесса продувки в кислородном конвертере.

С целью обоснования возможности производства мелющих шаров 5-ой группы твердости и стабилизации производства шаров 4-ой группы твердости в условиях действующего шаропрокатного стана проведена серия теоретических и экспериментальных исследований. На основании результатов компьютерного моделирования процесса производства мелющих шаров диаметром 60 мм определены закономерности формирования напряженного состояния металла в процессе поперечно-винтовой прокатки шаров из стандартной стали Ш2.3 и экспериментальной экономнолегированной стали Ш76ХФ. Снижение температуры выдачи заготовок из нагревательной печи в рамках допустимого интервала ее изменения согласно действующей технологии (880 – 1000 °С) приводит к значительному увеличению интенсивности напряжений по всей поверхности шаров при их прокатке, что повышает нагрузки на оборудование прокатной клети и увеличивает износ калибров валков. Дополнительно проведенное моделирование показывает, что после окончания прокатки имеет место значительная (до 80 °С) неравномерность температур по поверхности шаров, которая, однако, практически полностью устраняется после подстуживания шаров на конвейере перед закалкой. В случае прокатки шаров из заготовок с температурой их выдачи из нагревательной печи менее 980 °С температура поверхности шаров перед закалкой является пониженной относительно рекомендуемого интервала, обеспечивающего получение продукции с заданными свойствами, что подтверждено металлографическими и дюрометричес­кими исследованиями. На основании результатов проведенных исследований разработан новый режим производства мелющих шаров с повышенной до 980 – 1030 °С температурой выдачи заготовок из нагревательной печи. Опытно-промышленное опробование нового режима прокатки показало, что его применение гарантированно обеспечивает получение мелющих шаров 4-ой группы твердости по ГОСТ 7524 – 2015 при их производстве из стандартной стали Ш2.3 и получение шаров 5-ой группы твердости при использовании разработанной экономнолегированной стали марки Ш76ХФ. При этом шары из стали обеих рассматриваемых марок обладают повышенной ударной стойкостью.

В статье анализируется потребление энергии при волочении стальной проволоки для маршрутов с различной кратностью. Авторы сравнивают маршруты волочения проволоки различной кратности с одинаковым суммарным обжатием. В работе рассчитаны зависимости параметров процесса волочения от кратности маршрута и представлены методики расчета работы однородной и неоднородной деформации, работы сил трения при волочении проволоки в монолитных волоках. Получены зависимости однородной, неоднородной работы деформации, а также работы сил трения и полной работы от кратности маршрута волочения. Значительная доля затрат энергии при волочении проволоки приходится на совершение неоднородной деформации. Работа неоднородной деформации – это часть работы деформации, которая вызвана изменением направления течения металла на входе и выходе из волоки. Такие показатели деформации при волочении проволоки, как обжатие и вытяжка, неоднородную деформацию не учитывают. Работа неоднородной деформации зависит от формы очага деформации. Форма очага деформации характеризуется ∆-фактором, который равен отношению средней высоты к средней длине очага деформации. В работе установлено, что расчеты без учета неоднородной деформации приводят к занижен­ной оценке энергозатрат на волочение проволоки. В статье приведены критерии выбора кратности маршрута волочения с учетом затрат энергии на процесс деформации проволоки при волочении. Было определено, что увеличение числа проходов многократного волочения при неизменных начальном и конечном диаметрах проволоки приводит к росту затрат энергии на деформацию проволоки и трение на контактной поверхности проволока – волока. Доля неоднородной деформации в увеличении энергозатрат на волочение проволоки составила 68 %, доля сил трения – 32 %. На основе полученных результатов авторы дают рекомендации по выбору оптимального маршрута волочения.

Рассмотрены вопросы получения тонкостенных деталей с дугообразными элементами для небольших аппаратов и приборов в условиях мелкосерийного или единичного производства с использованием принципов прототипирования, которое в последнее время широко используется для тестирования и оценки идей на самой ранней стадии разработки, а в некоторых случаях и для проверки функционирования прототипа устройства. С учетом требований, предъявляемых к качеству деталей, выбрана технология ступенчатой (пошаговой) гибки, в которой используется множество последовательных V-образных изгибов для получения заданной кривизны заготовки. Основной принцип многоступенчатого процесса формовки заключается в замене дуги изгиба многоугольником, каждая сторона которого представляет собой прямолинейный участок листового материала заданной длины, при этом гибка листового металла осуществляется с помощью пуансона малого радиуса. Точность формирования дугового сегмента с помощью полилиний зависит от их количества – чем больше число ступеней изгиба, тем более плавным получается формируемый профиль, но при этом процесс гибки становится более трудоемким и технически сложным. Поэтому от правильного выбора количества ступеней зависят технико-экономические показатели процесса. При таком способе гибки трудно избежать призматической структуры на поверхности заготовки, при этом следы от ступенчатых изгибов будут более заметны на внутренней стороне изгибаемого листового материала по сравнению с внешней стороной. С применением технологии ступенчатой гибки изготовлены различные металлические детали прототипа универсального плазменного низкотемпературного стерилизатора серии Пластер Мед ТеКо, который позволяет быстро, безопасно и эффективно стерилизовать широкий спектр медицинского оборудования. В качестве примера рассмотрено использование технологии ступенчатой гибки листовой заготовки из нержавеющей стали для изготовления тонкостенного бампера двери стерилизатора.

Современная металлургическая промышленность, особенно в области черной металлургии, сталкивается с важными задачами повышения энергоэффективности, сокращения объемов отходов и минимизации негативного воздействия на окружающую среду. Одним из перспективных направлений является применение высококремнистых силуминовых сплавов, которые благодаря своей высокой прочности, износостойкости и термической стабильности находят все более широкое применение, включая возможность их многократной переработки. В настоящей работе авторы анализируют состав и физико-механические свойства этих сплавов, их роль в технологических процессах, таких как плавка, литье, термическая и механическая обработки. Особенно актуальными для черной металлургии, где объемы отходов традиционно высоки, являются рассмотренные инновационные подходы, которые направлены на снижение энергоемкости производственных операций, минимизацию количества отходов и создание замкнутых циклов производства. Приведенные примеры демонстрируют возможности применения высококремнистых силуминов в производстве литейных форм, износостойких покрытий и конструкционных материалов для тяжелой промышленности. Особое внимание уделено технологиям переработки и утилизации отходов на металлургических предприятиях, что способствует снижению себестоимости продукции и повышению конкурентоспособности. Таким образом, применение высококремнистых силуминовых сплавов демонстрирует потенциал для формирования экологически безопасных, энергоэффективных и экономически устойчивых процессов в черной металлургии.

В статье рассматривается новый метод оценки количества пыли, выделяемой из конвертерной ванны при продувке кисло­родом фосфористых чугунов. Этот метод позволяет определить, как технологические решения и режимы дутья влияют на экологичес­кие показатели процесса. В ходе исследования были выявлены причины повышенного выделения пыли и разработаны решения для улучшения экологических характеристик. Выбросы пыли и газов в конвертерном цехе делятся на две категории: организованные и неорганизованные. Организованные выбросы улавливаются при выходе из горловины конвертера, а неорганизованные происходят периодически во время заливки чугуна, загрузки лома, слива металла и шлака. Эти выбросы содержат пыль, тепло, угарный газ, оксиды азота и серы, а также фториды. Ресурсосберегающая технология с использованием неактивного шлака снижает выделение пыли и газов за счет использования активного вспененного шлака на начальной стадии продувки и уменьшения расхода извести. Соответствие объема газов пропускной способности тракта снижает вынос пыли на 30 – 40 % и неорганизованные выбросы на 83 %. Снижение выбросов угарного газа достигается за счет увеличения скорости нарастания концентрации СО до пределов воспламенения с последующим дожиганием на «свече» и организации плавки с укороченным первым периодом. Снижение содержания фосфора в чугуне до 0,3 мас. % уменьшает расход извести с 143 до 77 кг/т стали и продолжительность продувки и плавки на 10 – 16 %, сокращает производство извести и повышает производительность конвертеров. Комплексный подход к снижению выбросов пыли и газов включает оптимизацию процессов, внедрение новых материалов и технологий, мониторинг и анализ показателей. Это улучшает экологическую ситуацию и повышает эффективность производства.

В данной работе сухое скольжение образцов стали Ст3 по контртелу (сталь 45) осуществлялось по схеме сопряжения «pin-on-ring» (типа вал – колодка) при скоростях скольжения 0,75 – 8,0 м/с под контактным давлением 0,13 МПа. Необходимость проведения такого эксперимента обоснована отсутствием ориентировочных данных о триботехническом поведении стали в скользящем контакте по стали при отсутствии продуктов окисления в контактном пространстве. Температура держателя образца не превышает 35 °С при всех скоростях скольжения. Это позволяет сделать допущение об отсутствии продуктов окисления на поверхностях контакта. Образование слоя переноса визуально наблюдается при скольжении только с малыми скоростями: 0,75 – 1,3 м/с. Коэффициент трения снижается в течение времени образования слоя переноса и принимает конечное значение около 0,4. Поверхности скольжения образцов содержат признаки адгезионного взаимодействия при всех скоростях скольжения. Особенно отчетливо адгезия наблюдается на поверхности скольжения образца при скорости скольжения 2,5 м/с. Коэффициент трения при этой скорости скольжения имеет значительные колебания около значения 0,8 ± 0,1. Одновременно наблюдается высокая интенсивность изнашивания. Зависимость интенсивности изнашивания от скорости скольжения максимальна при скорости скольжения 2,5 м/с. Самая низкая интенсивность изнашивания наблю­дается при скорости скольжения 5,0 м/с и при коэффициенте трения около 0,7 ± 0,05. Низкая амплитуда колебаний коэффициента трения (0,7 ± 0,03) наблюдается при скольжении со скоростью 8,0 м/с. Рентгеновский фазовый анализ показал, что контактные слои образцов при всех скоростях скольжения имеют только фазу α-Fe с параметром решетки около 0,287 нм.

Создание соединений разнородных металлов является одним из приоритетных направлений в области получения спе­циальных конструкционных материалов с уникальным сочетанием свойств. В связи с развитием новых производственных процессов встает вопрос о влиянии структурно-фазовой неоднородности многослойных материалов на деформационное поведение. В частности, важной научной проблемой является локализация пластического течения. В настоящей работе для анализа характера локализованной пластической деформации в биметаллическом соединении аустенитная нержавеющая сталь – низкоуглеродистая сталь, изготовленном аддитивной лучевой технологией, использовался метод цифровой корреляции изображений (DIC). Во всех слоях биметал­ла пластическая деформация развивается локализованно в соответствии со стадийностью кривой нагружения. При деформировании биметаллического соединения подавляется появление стадии площадки текучести (n = 0) и, соответственно, деформации Людерса, несмотря на значительное содержание в биметалле слоя низкоуглеродистой стали. На параболическом участке с показателем упрочнения n = 0,5 компоненты локальных удлинений ε_xx формируют стационарное периодическое распределение зон локализованной деформации. С наступлением стадии с n ≤ 0,5 наблюдается высокоамплитудная зона деформации в переходном слое, которая совпадает с местом будущего разрушения образца. При этом рост амплитуды локализованной деформации в этой зоне начинается еще на параболичес­кой стадии диаграммы нагружения. Структурная неоднородность у границы раздела в биметаллическом соединении аустенитная нержа­веющая сталь – низкоуглеродистая сталь является источником зарождения разрушающей трещины в слое аустенитной стали. По-видимо­му, зарождение зоны разрушения в переходном слое связано с формированием хрупкого науглероженного слоя, происходящим из-за диффузии углерода через границу раздела низкоуглеродистая сталь – нержавеющая сталь.

Изучение литой структуры отливок позволяет оптимизировать технологические параметры процесса литья и повысить качест­во литых заготовок. Проведены электронно-микроскопические исследования неметаллических включений и рентгеноспектральный анализ их микрообъемов в металлических пластинах, вырезанных из дефектных участков массивной отливки. Исследованы «свежие» изломы ударных образцов с острым V-образным надрезом, разрушенных при –60 °С. Установлено, что на границах и в теле зерен отливки практически отсутствуют окисные пленки и неметаллические включения. Последние встречаются на внутренней поверхности микропор или вблизи них по краю, а на границах зерен или в их теле присутствуют карбонитриды алюминия. Определение химического состава неметаллических включений в микрообъемах порядка 1 мкм³ позволило установить их природу и возможные причины появления, а также сформулировать практические рекомендации по предотвращению визуально наблюдаемых дефектов в массивной отливке. Для повышения качества и уменьшения количества возникающих в отливке микропор необходимо использовать при выплавке стали более чистую шихту, не содержащую цинк, который имеет низкую температуру кипения. При заливке формы его пары вместе с другими газами поднимаются к прибыли, под которой в результате кристаллизации оседают в чистом виде или в виде соединений типа ZnO на стенках образующихся микропор, рыхлостей, раковин. Кроме того, требуется более тщательно удалять шлак, чтобы он не участвовал в образовании пор, и его частицы не осаждались в порах или вблизи них в виде магнезиальной шпинели, сульфидов кальция и марганца, оксидов железа, алюминия, кальция и др. Также требуется ограничить остаточное содержание алюминия в стали после ее раскисления до 0,03 %, как принято в металлургическом производстве, и минимизировать содержание смолы в материале формы.

В работе исследованы мартенситные превращения в различных областях поверхности излома образцов из крупнозернистой (КЗ) и ультрамелкозернистой (УМЗ) стали Fe – 0,02C – 18Cr – 8Ni после испытания на кручение. Авторы изучили тонкую структуру УМЗ стали на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100 и провели испытания на твердость с помощью твердомера TN 300. Статическое растяжение цилиндрических образцов диаметром 3 мм выполняли при температуре 20 °С на универсальной испытательной машине Н50КТ. Испытания на кручение цилиндрических образцов диаметром 10 мм и длиной 100 мм проводили при температуре 20 °С на установке МК-50. Равноканальное угловое прессование, формируя УМЗ структуру, повышает механические свойства стали при растяжении и кручении, а также способствует стабилизации аустенитной структуры стали Fe – 0,02C – 18Cr – 8Ni при кручении. На поверхности изломов образцов из КЗ стали формируется 100 % α-мартенсита. На поверхности изломов образцов из УМЗ стали максимальное количество α-мартенсита (30 %) образуется в периферийной области излома, а минимальное (15 %) – в его центральной части. Авторы провели сравнительный анализ распределения мартенситных фаз на поверхности изломов образцов после испытания на кручение с распределением мартенситных фаз в образцах той же стали после интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК), когда образуется как ε-, так и α-мартенсит. Отсутствие ε-мартенсита на поверхности изломов образцов из КЗ и УМЗ стали Fe – 0,02C – 18Cr – 8Ni при кручении авторы связывают с незначительным для данного вида нагружения давлением, меньшем, чем в процессе ИПДК.

Доля местного железорудного сырья металлургических предприятий Уральского региона составляет 50 – 60 %. Остальное завозится из Центральной России, Кольского полуострова и Казахстана. Вопрос замены привозного сырья на местное, более дешевое, является весьма актуальным. Добыча сидеритовой железной руды Бакальского месторождения (Южный Урал), запасы которой составляют около 1 млрд т, во много раз меньше, чем это позволяют горно-геологические условия, что связано с незначительным спросом на это сырье из-за низкого качества. Высокое содержание в руде оксида магния делает затруднительным или невозможным ведение доменной плавки с использованием более 20 % сидеритов в шихте. Основой любого доменного шлака является четырехкомпонентная система CaO – SiO₂ – Al₂O₃ – MgO состава, мас. %: 30 – 40 SiO₂, 31 – 49 CaO, 3 – 18 MgO, 7 – 20 Al₂O₃. Температура плавления таких шлаков составляет 1280 – 1320 ℃. При температуре 1450 °С их вязкость имеет значение ~0,5 Паꞏс. Увеличение содержания оксида магния (>20 %) приводит к резкому повышению температуры плавления шлаков, сокращает интервал кристаллизации и делает их нестабильными. В связи с этим материалы, изготовленные из сидеритовой руды с использованием различных технологий подготовки их к доменной плавке (сырая руда, обжиг-магнитное обогащение, агломерация), вводят в шихту только в качестве добавок. Их доля не превышает 20 %. С использованием современных методов статистической обработки экспериментальных данных изучено влияние борного ангидрида на вязкость высокомагнезиальных доменных шлаков, содержащих 15 – 36 % MgO. Показано, что добавление борного ангидрида в исходную шихту позволяет снизить температуру плавления шлака и увеличить интервал кристаллизации. Это дает возможность вести доменную плавку на шлаках, содержащих около 40 % MgO, что соответствует доле сидерита 40 – 50 % в исходной шихте.

В статье приводится подробный анализ отечественных и зарубежных работ по исследованию напряженно-деформированного состояния в оболочковой форме (ОФ) при получении металлических отливок. Экспериментальные и теоретические исследования являются важными для совершенствования технологии получения качественных литейных изделий. В настоящей работе сформулирована и решена задача по снижению уровня напряженно-деформированного состояния в литейной керамической оболочковой форме путем уменьшения образующихся растягивающих напряжений на ее наружной поверхности за счет выполнения температурных швов (выточек). В качестве определяющего трещиностойкость параметра принимается нормальное растягивающее напряжение σ₂₂, возникающее на наружной поверхности ОФ в начальный момент заливки металла и охлаждения в ней стальной отливки. Рассматриваемая задача является осесимметричной. Оболочковая форма имеет сферические и цилиндрические участки. Авторы сформулировали целевую функцию, привели численную схему и разработанный алгоритм решения задачи на основе уравнений линейной теории упругости, уравнений теплопроводности и апробированных численных методов. Результатом решения модельной задачи являются найденное оптимальное геометрическое местоположение температурных швов в форме кольцевых выточек и их количество. Поля напряжений приводятся в виде эпюр по сечениям рассматриваемой области при наличии и отсутствии температурных швов. Для убедительности предлагаемого способа (выполнения температурных швов) в тестовом примере рассматривается наиболее жесткий вариант, в котором не используются установленные ранее в предыдущих работах факторы, влияющие на уменьшение растягивающих напряжений на внешней поверхности ОФ. Полученные результаты характеризуют стойкость керамической литейной формы к образованию трещин и демонстрируют целесо­образность и эффективность предложенной технологии изготовления литейной керамической оболочковой формы.

Для листовой стали 13Г1С-У и крупногабаритных поковок из улучшаемой стали 38ХН3МФА-Ш, изготовленных по существующим технологиям, были проанализированы возможные последствия для оценки качества металлопродукции, связанные с изменением количества образцов, используемых при тестировании единицы продукции (партии, поковки). На основе расчета коэффициентов асимметрии и эксцесса авторы оценили изменение вида распределения значений ударной вязкости, сопутствующее вариации количества образцов. Выборка значений диапазона ударной вязкости, полученных в результате тестирования двух образцов (трех возможных парных комбинаций) на единицу продукции, сравнивалась с использованием критериев Стьюдента и Смирнова как между собой, так и с исходной выборкой (три образца для оценки одной партии листа). Полученные результаты также показали, что в условиях, когда статистическая природа распределений значений параметров качества металлопродукции отличается от нормального вида распределения, необходимо использование критериев непараметрической статистики. Были оценены риски возможной потери информации о качестве металлопродукции при уменьшении количества образцов, испытываемых в рамках отдельной партии. Для получения адекватных результатов статистического анализа необходимо выявить и устранить возможные побочные явления, искажающие результаты анализа: тренды, сезонные колебания, ошибки в записи данных. Для металлопродукции, отличающейся развитой неоднородностью структур, объективная информация о запасе вязкости сталей может быть получена на основе микромеханических испытаний образцов, габариты которых сопоставимы с масштабом структурной неоднородности. Полученные результаты могут быть полезны при статистическом анализе баз данных производственного контроля процесса и продукта в металлургии для подготовки обоснованных технологических рекомендаций (в рамках функционирования сквозной системы управления качеством), направленных на повышение однородности качества металлопродукции.

Контроль футеровки горна доменной печи является важным аспектом в обеспечении эффективной и безопасной работы доменного производства. Футеровка горна играет ключевую роль в защите стен доменной печи от воздействия высоких температур и химически агрессивного шлакового расплава. Раннее выявление зон повышенного износа позволяет планировать профилактические работы, минимизируя простои и потери производительности. Более того, это способствует эффективному расходованию ресурсов, так как позволяет оптимизировать замену поврежденных участков футеровки, избегая излишних затрат на превентивные меры. В работе приведено описание разработанной трехмерной нестационарной модели горна доменной печи, базирующейся на показаниях термопар. Модель позволяет оценить форму разгара горна и распределение температур в кладке горна в трехмерной и двумерной (графической) формах. Для оценки разгара футеровки горна использованы показания термопар, установленных в районе трех нижних поясов холодильников. Указанная математическая модель может быть внедрена в доменный процесс в любое время после капитального ремонта I разряда. В случае, если прошло достаточно много времени после задувки доменной печи и в футеровке горна возможно образование разгара или гарнисажа, необходимо также использовать результаты ультразвукового контроля нижней части доменной печи. Математическая модель состояния горна доменной печи позволяет принимать пользователю обоснованные решения по предотвращению аварийных ситуаций, связанных с прогаром футеровки, и является перспективным инструментом для повышения эффективности и безопасной эксплуатации доменных печей.