Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 63, № 2 (2020)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-2

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

93-101 59
Аннотация
Проблема образования локальных закаленных участков в металле сварного стыка в процессе сварки рельсов при изготовлении бесстыкового пути решается путем использования локальной термической обработки сварного стыка. В результате исключается образование закалочных структур, однако возможно появление новых зон термического влияния с пониженной твердостью. При эксплуатации такие рельсы характеризуются повышенным износом поверхности катания на данных участках и смятием головки на месте сварного стыка, что и является основной причиной изъятия рельсов из пути ранее гарантированного срока. Предложено использование новой технологии, основанной на знании зависимостей степени дисперсности структурных составляющих (в первую очередь перлита и карбидных частиц, образующихся в процессе получения сварных стыковых соединений рельсов) от состава стали и условий охлаждения. Скорость охлаждения оказывает определяющее влияние на степень дисперсности феррито-цементитной структуры, образующейся при распаде аустенита. При сварке рельсов в стыковом шве образование зернистого перлита возможно в участках с температурой, лежащей в интервале между точками Ac1 и Acm. Для определения этих критических температур проведены термодинамические расчеты с использованием программного обеспечения Thermo-Calc® (база данных TCFE) с учетом полученного спектрометрией химического состава образцов. Смоделированы диаграммы состояния железо – углерод для рельсовой стали 76ХСФ с минимальным и максимальным содержанием легирующих элементов по ГОСТ Р 51685 – 2013. Для получения минимального объема участков с пониженной твердостью возможно проведение сварки рельсов на жестких режимах электроконтактным способом пульсирующим методом оплавления, а для исключения образования дефектных участков с закалочной структурой возможно управление охлаждением сварного соединения с помощью контактного нагрева. Измерение распределения температур при сварке по заданным режимам и управляемого охлаждения подтверждает теоретические выводы.

ЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

102-107 62
Аннотация
Рассмотрены возможности повышения энергоэффективности работы паросиловых установок (ПСУ). Последние используют для генерации электроэнергии на основе теоретических положений технической термодинамики с использованием системного анализа. Реализуется системный подход для комплекса энергетических, экологических и экономических проблем, стоящих перед теплоэнергетикой. На основе мировых тенденций экологии и энергопотребления рассмотрена основная задача теплоэнергетики России по снижению удельного расхода условного топлива на единицу произведенной электроэнергии. Сформулирована математическая модель поставленной задачи. Основное внимание уделено поддержанию проектных параметров цикла ПСУ в конденсаторе. При невозможности обеспечить в нем требуемые температуру и давление за счет использования природного источника охлаждения воды предлагается применять тепловые насосы. В отличие от известных способов установки тепловых насосов для использования отходящей охлаждающей воды предлагается отбирать тепло на подводящей линии воды, доводя температуру до проектной. Тепло, полученное из воды, подаваемой на охлаждение конденсата, предлагается не отводить, а направлять в цикл ПСУ. Показано, что за счет этого тепла можно отказаться от устройства подогревателей низкого давления (ПНД), что намного упростит устройство ПСУ и позволит пар промежуточного отбора для ПНД использовать на выработку электроэнергии. Рассчитана возможность подогрева воды в тепловом насосе до температуры 140 °С, что соответствует уровню подогрева в ПНД. Указаны еще несколько способов использования законов термодинамики в работе паро силовой установки, которые до сих пор не используются: применение воздуха с отрицательной температурой для охлаждения циклонного конденсатора вместо использования традиционного трубчатого, использование фазового перехода (кипения) охлаждающей жидкости для конденсатора.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

108-115 56
Аннотация
Методами современного физического материаловедения выполнен анализ структурно-фазовых состояний и механических свойств поверхности катания на расстоянии от 0 до 22 мм по центральной оси и по выкружке дифференцировано закаленных 100-м рельсов категории ДТ 350 производства АО «ЕВРАЗ – Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» после длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 1411 млн. т брутто) на экспериментальном испытательном кольце. По химическому составу металл рельсов удовлетворяет требованиям ТУ 0921-276-01124323 – 2012 для стали марки Э76ХФ. Ударная вязкость и твердость на поверхности катания головки и по сечению соответствуют требованиям ТУ. Микроструктура металла рельсов представлена мелкодисперсным пластинчатым перлитом 1,5 балла с включениями избыточного феррита по границам зерен (1,5 балла шкалы № 7 ГОСТ 8233). Межпластинчатое расстояние в головке рельса изменяется в пределах 0,10 – 0,15 мкм. Длительная эксплуатация рельсов сопровождается формированием градиентной структуры, выражающейся в закономерном изменении твердости, микротвердости, ударной вязкости по сечению головки рельсов. Микротвердость на глубине 2 мм от поверхности катания составляет 1481 – 1486 МПа. На глубине до 10 мм микротвердость снижается до 1210 – 1385 МПа, что обусловлено увеличением межпластинчатого расстояния и снижением уровня деформационного упрочнения металла при длительной эксплуатации рельсов. Высказано предположение, что это может быть обусловлено увеличением межпластинчатого расстояния и снижением уровня деформационного упрочнения при длительной эксплуатации.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

116-121 63
Аннотация
Переработка титансодержащих руд с извлечением всех основных полезных элементов является актуальной задачей с точки зрения рационального использования полезных ископаемых. Показано, что ни одна из существующих схем переработки не позволяет извлекать из титансодержащих железных руд одновременно все основные полезные элементы – железо, титан и ванадий. Эту задачу можно решить с использованием селективного извлечения этих элементов на основе новых представлений об электронном механизме восстановления. Экспериментально исследовано распространение процесса твердофазного селективного восстановления железа в глубь слоя зерен ильменитового концентрата от поверхности его контакта с порошком углеродсодержащего материала. Представлены результаты определения количества выделившейся металлической фазы по мере отдаления от границы контакта концентрат – восстановитель. На основе представленных результатов о количестве выделившейся металлической фазы сделан вывод о диффузионных процессах в слое контактирующих только между собой зерен концентрата, лимитирующих процесс восстановления железа. Вблизи плоскости контакта твердого восстановителя со слоем зерен концентрата скорость процессов восстановления железа преобладает над скоростью выделения из ильменита фаз с повышенным содержанием железа. В глубине слоя ильменитового концентрата процессу восстановления железа предшествует выделение из зерен концентрата железосодержащей силикатной фазы, в которой железо восстанавливается раньше, чем в зернах ильменита. Выделение железосодержащей силикатной фазы способствует спеканию зерен ильменита. Сделано заключение, что в слое концентрата, контактирующем со слоем твердого восстановителя, при отсутствии контакта каждого зерна ильменита с твердым восстановителем точечный контакт зерен и наличие в слое пустот между зернами не препятствуют распространению процесса восстановления в слое контактирующих только между собой зерен.
122-128 46
Аннотация
Проведено термодинамическое моделирование процесса восстановления хрома из оксидной системы состава, % (по массе): 25,0 – 37,5 CaO, 25,0 – 12,5 SiO2 , 25 Cr2O3 , 5 FeO, 14 MgO, 3 MnO, 3 Al2O3 . В качестве восстановителя использовали кремний ферросилиция марок ФС20, ФС45, ФС65, количество которого составило 110 % 2 от стехиометрически необходимого для восстановления железа, марганца и хрома. Для моделирования использовали программный комплекс HSC Chemistry 6.12, разработанный Outokumpu (Финляндия). Расчеты выполнены с применением модуля «Equilibrium Compositions» в исходной среде азота при общем давлении 0,1 МПа в интервале температур 1500 – 1700 °С с шагом 50 °С. В базу данных программного комплекса введены термодинамические характеристики химического соединения CrO (II). Скорректированы существующие в базе данных термодинамические константы соединения CaCr2O4 . Результаты расчетов представлены в виде графических зависимостей изменения степени восстановления хрома η Cr от температуры t, основности шлака (СаО)/(SiO2) и концентрации кремния в ферросилиции [Si]ФС. Показано, что повышение температуры процесса от 1500 до 1700 °С при (СаО)/(SiO2) = 2 снижает ηCr при применении восстановителя ФС20, ФС45 и ФС65 на 1,87, 6,04 и 7,38 % соответственно. Установлено, что увеличение (СаО)/(SiO2) от 1 до 3 при t = 1600 °С приводит кФС повышению ηCr на 17,3, 14,2 и 12,5 % при использовании ФС20, ФС45 и ФС65 соответственно. Повышение концентрации кремния от 20 до 65 % в ферросилиции [Si]ФС способствует увеличению ηCr на 9,5, 5,9 и 4,2 % при основности шлака, равной 1, 2 и 3 соответственно и температуре 1600 °С. Определен химический состав металла. Результаты термодинамического моделирования могут быть использованы для расчета степени восстановления хрома из шлаков восстановительного периода процесса аргоно-кислородного рафинирования при получении нержавеющей стали.
129-134 53
Аннотация
Согласно равновесным диаграммам состояния при охлаждении расплава до температуры ниже температуры ликвидуса составы жидкой и твердой фаз однозначно определяются соответствующими кривыми на диаграмме. Чтобы наступило равновесие, необходимо, чтобы расплав выдерживался бесконечно долго при каждой температуре или коэффициенты теплопроводности жидкой и твердой фаз, а также коэффициенты диффузии их компонентов были бесконечно велики. Была предпринята попытка выяснить, как эти процессы происходят в реальности. Рассматривается рост отдельного кристалла при охлаждении двухкомпонентного расплава. Построена математическая модель, базирующаяся на следующих положениях: выделена область расплава с объемом, приходящимся на одно зерно, периферия которого охлаждается по определенному закону; в начальный момент времени в жидкости находится зародыш кристалла некоторого минимального размера; у поверхности кристалла составы жидкой и твердой фаз соответствуют диаграмме состояния для рассматриваемой температуры на его поверхности; изменение температуры и состава в жидкой и твердой фазах происходят по законам теплопроводности и диффузии соответственно. По мере охлаждения расплава и роста кристалла жидкая фаза обогащается одним компонентом и обедняется другим, твердая фаза – наоборот. Коэффициенты диффузии компонентов в твердой фазе малы, поэтому не происходит полного выравнивания состава по его сечению. Предлагаемая в настоящей работе модель позволяет исследовать это явление, рассчитать для каждого режима охлаждения состав кристалла по мере удаления от его центра. Расчеты показали, что выравнивание температуры происходит практически мгновенно, выравнивание состава жидкой фазы значительно медленнее. Выравнивания состава твердой фазы в обозримое время практически не происходит. Результаты работы помогут улучшить технологию получения сплавов с оптимальной структурой.
135-139 68
Аннотация
Рассмотрена проблема изменения размеров частицы новой фазы в процессе ее роста в двухкомпонентном сплаве. Частица формируется из продуктов химических реакций, проходящих на границе раздела фаз. Обобщенная математическая модель роста частицы включает уравнения диффузии для каждого из компонентов фазы и массопереноса в граничном слое, а также уравнение, характеризующее изменение размеров растущей частицы. Предложен подход, позволяющий осуществить редукцию обобщенной модели к системе дифференциальных уравнений, описывающих состояние растущей частицы. Полученная система уравнений послужила основой для разработки численного метода определения изменения радиуса сферической частицы в зависимости от времени. Вычислительная схема метода включает конечно-разностные аналоги уравнений с дополнительно введенными регуляризирующими функционалами. Привлечение регуляризирующего подхода обеспечивает устойчивость вычислительной схемы метода относительно накапливаемых вычислительных погрешностей. Такой подход к разработке метода определения изменений радиуса частицы впервые позволил преодолеть ограничения по продолжительности наблюдения за изменением радиуса частицы. С целью проверки надежности, эффективности предложенного метода определения изменений радиуса частицы и получения экспериментальных оценок отклонений найденных радиусов от действительных значений проведены вычислительные эксперименты. В ходе экспериментов определены изменения радиуса частицы в различные моменты времени с помощью предложенного численного метода. Проведен сравнительный анализ найденных радиусов с тестовыми значениями и получены экспериментальные оценки отклонений вычисленных радиусов от тестовых функций. Результаты экспериментов и сравнительного анализа подтверждают надежность и достаточный уровень точности разработанного численного метода.

НАУКА ПРОИЗВОДСТВУ

140-145 52
Аннотация
Приведены исходные данные для расчета напряженно-деформированного состояния трехслойной биметаллической полосы. Представлены закономерности распределения осевых и касательных напряжений в очаге циклической деформации. Описаны основные нагрузки, действующие на бойки сборного кристаллизатора установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации при получении стальных трехслойных биметаллических полос. Изложена методика определения суммарных напряжений в бойках установки от усилий обжатия и температурной нагрузки. Описаны температурные граничные условия для определения температурных полей в бойках установки при получении стальных биметаллических полос. Описана процедура определения температурных полей и термоупругих напряжений в бойках установки с использованием пакета ANSYS. Результаты расчета температурных полей и термоупругих напряжений выполнены в пяти сечениях бойка и приведены для характерных линий. Показан характер распределения температуры по толщине бойка при охлаждении его водой на холостом ходу и контакте с биметаллическим слитком при его обжатии. Для рассчитанных полей температур определены осевые и эквивалентные напряжения, возникающие в бойках без каналов при обжатии заготовки и охлаждении их водой во время холостого хода. Представлены величины и закономерности распределения осевых и эквивалентных напряжений по толщине приконтактного слоя, а также по высоте и толщине бойков при обжатии биметаллического слитка и на холостом ходу. Приведены величины и закономерности распределения суммарных осевых напряжений по толщине приконтактного слоя, высоте и толщине бойков от усилий обжатия и температурной нагрузки при получении стальных биметаллических полос на установке непрерывного литья и деформации.
146-154 128
Аннотация
Работа посвящена разработке экономичного метода получения дорогостоящих и востребованных на рынке нанопорошков α-Fe2O3 и γ-Fe2O3 из отхода металлургического производства – замасленной прокатной окалины, образующейся при механической очистке горячекатаной стальной полосы в окалиноломателях. Экспериментально определены наиболее значимые параметры химико-металлургического процесса получения и основные свойства получаемых материалов. Исследования свойств исходных материалов и нанодисперсных продуктов проводили методами рентгеновской дифрактометрии, энергодисперсионной спектроскопии, сканирующей и просвечивающей микроскопии, а также мессбауэровской спектрометрии. Температурные и полевые зависимости намагниченности порошков построены по данным измерений на вибрационном магнитометре. Показано, что прокатная окалина состоит из трех основных фаз: вюстита, магнетита и гематита в соотношении 6:8:7 (по массе) соответственно. Исходную окалину активировали в магнитной мельнице в токе водорода и растворяли в смеси соляной и азотной кислот. Полученные растворы использовали для получения нанокристаллического гематита α-Fe2O3 химико-металлургическим методом, основными этапами которого являлись осаждение гидроксида щелочью при постоянном значении pH, отмывка, сушка и дегидратация. Маггемит γ-Fe2O3 получали из гематита в две стадии: на первой стадии проводили восстановление водородом, а на второй – образовавшийся магнетит окисляли на воздухе. Частицы синтезированных нанодисперсных порошков оксидов находятся в агрегированном состоянии. Частицы α-Fe2O3 имеют сферическую, а γ-Fe2O3 – палочкообразную форму. По данным мессбауэровской спектроскопии в решетках обоих оксидов содержатся магний, алюминий, кремний, хром и марганец, перешедшие из исходной окалины. Эти элементы определяют магнитные свойства нанопорошков α-Fe2O3 и γ-Fe2O3. Комплекс свойств нанодисперсных порошков гематита и маггемита, полученных из отходов металлургического производства (прокатной окалины), позволяет рекомендовать их для применения в качестве катализаторов, в системах очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов, для изготовления маркеров анализа крови.

ИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХ

155-162 54
Аннотация
Методами оптической интерферометрии и металлографического анализа исследована структура разделочных швов, полученных после резки стали марки 09Г2С плазмотронами типа ПМВР-5, имеющими ряд конструктивных особенностей в системе газодинамической стабилизации плазменной дуги. Показано, что применение новых плазмотронов позволяет получить более высокое качество реза на сталях 09Г2С средних толщин с высокой производительностью и меньшими энергетическими затратами. Металлографический анализ показал, что качественный состав структуры поверхности реза практически одинаков, поэтому приоритетным критерием для сравнительного анализа качества становятся характеристики микрогеометрии поверхности. Следует отметить, что оценка по этому параметру показывает высокое качество разделки практически по всей длине реза, так как влияние технологических особенностей вреза плазменной дуги в металл сказывается на расстоянии менее 0,3 мм от кромки листа. Применение дополнительных способов газодинамической стабилизации (симметрия подачи с двойной системой завихрения плазмообразующего газа) в плазматроне ПМВР-5.2 позволяет добиться дополнительных преимуществ по критерию качества поверхности по сравнению с плазмотроном ПМВР-5.1. Отмечен ряд особенностей, влияющих на качество реза при разделке металлов разных толщин под сварку в зависимости от угла наклона плазмотрона при резке. Оценки твердости поверхностного слоя свидетельствуют о минимальных отклонениях от требований СТО Газпром 2-2.2-136-2007 (Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов) по твердости зоны термического влияния не более 300 HV. Это позволяет использовать в дальнейшем полученные исследованными плазматронами разделочные швы под сварку без удаления зон термического влияния. Применение новых плазмотронов позволяет осуществлять прецизионную чистовую плазменную резку металлов, в том числе и в технологиях производства сварных соединений.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

163-165 56
Аннотация
Одним из интересных технических решений считается разработка технологии выплавки ферросплавов на постоянном токе. В ферросплавных печах постоянного тока исключается такой параметр, как коэффициент мощности в электропечном контуре после преобразователя тока. Многие исследователи предполагали, что выплавка ферросплавов в печах, работающих на постоянном токе, позволит интенсифицировать процесс плавления шихты, улучшить извлечение ведущего элемента ферросплава и снизить удельный расход электроэнергии. Проведен краткий анализ сравнения выплавки углеродистого феррохрома в печах переменного и постоянного тока на основе комплексного параметра – энерготехнологического критерия работы ферросплавной электропечи. Показано, что при сопоставимой активной мощности в ванне энерготехнологический критерий печи переменного тока выше (0,2185 – 0,2381) по сравнению с энерготехнологическим критерием печей постоянного тока (0,1109 – 0,1320) при освоенном уровне технологии выплавки углеродистого феррохрома. Соответственно, в печах переменного тока удельный расход электроэнергии на выплавку углеродистого феррохрома на 20 – 28 % ниже, чем в печах постоянного тока.
166-168 52
Аннотация
Описана причина возникновения дополнительных динамических сил в процессе работы рычажного механизма привода качания щеки. Зазоры в шарнирах механизма привода снижают надежность работы щековых дробилок. Механизмы для выборки зазоров оснащены упругими пневматическими элементами. Эти пневматические элементы в течение всего цикла работы кривошипно-коромыслового механизма постоянно воздействуют на подвижный корпус с закрепленным на нем антифрикционный вкладышем. Механизмы для выборки зазоров обеспечивают выбор зазора в сочленениях кинематических пар, предотвращают появление дополнительных динамических нагрузок, снижают уровень вибрации механической системы. Экспериментально доказано, что при использовании таких механизмов повышается надежность работы щековых дробилок.


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


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