Основной потребитель марганца – черная металлургия. Объем производства марганцевых ферросплавов в мире составляет ~1 % объема производства стали. После распада Советского Союза Россия оказалась без марганцеворудной базы. В настоящее время в России из импортной руды выплавляют только высокоуглеродистый ферромарганец и ферросиликомарганец в ограниченном объеме. Минерально-сырьевая база марганцевых руд России достаточно велика: балансовые запасы марганцевых руд составляют около 230 млн т (~2 % мировых), прогнозные ресурсы – более 1 млрд т. Качество марганцевых руд России ниже, чем марганцевых руд большинства основных стран-продуцентов. Среднее содержание марганца в российских рудах 9 – 23 %. Основу минерально-сырьевой базы марганцевых руд составляют карбонатные руды, доля которых составляет более 77 %. Добыча марганцевых руд в России ведется нерегулярно и не превышает 66 тыс. т/год. Потребность российских ферросплавных заводов, выплавляющих марганцевые ферросплавы, в марганцевых рудах и концентратах покрывается за счет импорта. Проблема ускорения создания отечественной марганцеворудной базы с позиции экономической безопасности представляется весьма важной. Необходимо решить целый ряд вопросов, связанных с обогащением бедных марганцевых руд, с разработкой эффективных технологий выплавки марганцевых ферросплавов из концентратов, получаемых после обогащения этих руд, а также с созданием более совершенных методов дефосфорации марганцевых концентратов. При производстве марганцевых ферросплавов от руды до готовых сплавов теряется порядка 50 % марганца, добытого из недр, образуется большое количество побочных продуктов (шламы обогащения, шлаки, отсевы мелких фракций рудного сырья и готовой продукции, шламы процесса выплавки и пыли), использование и переработка которых позволяют не только сократить потребление исходного минерального сырья, но и повысить эффективность основного производства, уменьшить загрязнение окружающей среды. Доизвлечение марганца из техногенных отходов, совершенствование технологических процессов выплавки марганцевых ферросплавов – путь к повышению сквозного извлечения марганца.

Выполнен обзор способов переработки дисперсных отходов ферросплавного производства. Рассмотрена проблема образования и накопления на ферросплавных заводах циклонной пыли (продукта улавливания от дробления и фракционирования – ПУД), образующейся при измельчении ферросплавов. Показаны недостатки известных методов по утилизации такой пыли. Исследована возможность получения товарных азотированных лигатур из ПУД и некондиционной мелочи ферросплавов с использованием технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). На базе предложенного металлургического СВС метода разработана технология и показана возможность крупнотоннажного производства азотированных сплавов ферросилиция, феррованадия, феррохрома и других композиционных материалов, востребованных на рынке. Синтезированные СВС материалы превосходят по качеству азотированные ферросплавы, получаемые обычным печным методом, в частности имеют меньшее содержание кислорода, водорода и других примесей. Они отличаются лучшими физико-механическими свойствами: плотностью, пористостью, прочностью и др. На основе метода металлургического СВС в Магнитогорске на производственной базе научно-технической производственной фирмы «Эталон» создано производство азотированных ферросплавов и композиционных лигатур с возможностью переработки до 5000 т в год циклонной пыли ферросилиция и других сплавов. Разработан новый подход к практической реализации СВС метода и показана возможность использования продуктов синтеза в металлургии. Основное применение получаемых продуктов – использование в качестве легирующих добавок при выплавке сталей и сплавов широкой номенклатуры: трансформаторной, рельсовой, нержавеющей, высокопрочной конструкционной и др. Другим востребованным потребителем композиционных металлургических СВС материалов является огнеупорное производство. Модифицирование традиционных огнеупоров, используемых при выплавке чугуна, стали и цветных металлов новыми композиционными СВС материалами на основе нитридов, боридов, карбидов и других тугоплавких соединений способно значительно повысить срок службы и сократить затраты на огнеупоры.

Развитие ферросплавного производства напрямую зависит от развития сталеплавильной области. Поэтому увеличение выплавки стали неизбежно влечет за собой увеличение объемов производства ферросплавов. За последние 10 лет мировой объем производства стали увеличился примерно на 30 %. В данной статье рассмотрено общее состояние ферросплавного сектора в странах СНГ и, в частности, в Российской Федерации. Перечислены основные потребители (среди российских металлургических предприятий) ферросплавной продукции на внутреннем рынке, а также частично рассмотрена структура производства и потребления в других странах-производителях (Китай, Индия, ЕС, США, Япония). Выявлено, что перепроизводство ферросплавов в странах СНГ составляет около 400 %. Также рассмотрены пути развития ферросплавной области, направленные на снижение вклада в производственную себестоимость рудного сырья, восстановителя и электроэнергии, которое достигается за счет использования более дешевой руды, применения новых типов процессов и агрегатов, разработки других альтернативных видов ферросплавов, заменяющих классические. Это, например, развитие плавки в печах постоянного тока, которая позволяет использовать мелкую неподготовленную хромовую руду в качестве сырья для производства феррохрома взамен дефицитной кусковой в комбинации с мелким дешевым восстановителем (антрацитом). Плавка в кислородном реакторе тоже является перспективной технологией, в основе которой лежит принцип дожигания газообразным кислородом выделяющегося в ходе процессов восстановления оксида углерода внутри самого агрегата. Также может получить распространение применение альтернативных видов ферросплавной продукции, таких как кальций углеродистый «КАУР», который заменит карбид кальция в сталеплавильном производстве.

Рассмотрены системы легирования Fe – Cr – N, Fe – Cr – Mn – N, Fe – Cr – Ni – Mn – N, Fe – Cr – Ni – N и уделено внимание к ям разработанных, либо уже применяющихся сталей. Рассмотрены механические, эксплуатационные и иные свойства ряда современных легированных азотом сталей с равновесной и сверхравновесной концентрацией азота. Приведены оптимальные интервалы легирования их азотом и оценен вклад азота в формирование структурно-фазового состояния и комплекса их свойств. Например, в системе Fe – Cr – N практический интерес представляют аустенитные стали Fe – (21 – 22)Cr – (1,1 – 1,3)N, закаленные на твердый раствор, технологически пластичные, с пределом текучести 800 МПа и высокой коррозионной стойкостью. Востребованы коррозионностойкие высокопрочные аустенитные стали системы Fe – Cr – Mn – N типа Fe – (18 – 21)Mn – (14 – 22)Cr – (0,4 – >0,6)N, в которых марганец и азот полностью или частично заменяют никель как элементы-аустенитообразователи. Приведены примеры сталей системы Fe – Cr – Mn – Ni – N с высоким уровнем служебных свойств. Поскольку при легировании сталей азотом необходима оценка максимально возможного уровня его содержания (растворимости) в металле, а также создание условий для введения азота в жидкий металл и его сохранения в твердом металле, в работе уделено внимание расчетам растворимости азота, учитывающим влияние на нее химического состава стали, температуры и давления, при которых происходит легирование, а также понятию композиционно устойчивого содержания азота и коэффициенту композиционной устойчивости. Рассмотрены основные способы производства азотированных сталей. Сопоставлено качество металла открытой выплавки и после рафинирующего электрошлакового переплава. Последний позволяет сохранить азот в процессе переплава азотированных сталей, обеспечить равномерное его распределение по высоте и сечению слитка, получить слитки с хорошей поверхностью и плотной структурой с радиально-осевой направленностью и без дефектов усадочного характера. Отмечены преимущества способа электрошлакового переплава под давлением – возможность получить высококачественный металл с содержанием азота выше равновесного (при стандартных условиях) и обеспечить практически идеальную экологию производства.

Современное развитие технологий и промышленности неразрывно связано с задачами улучшения качества и эксплуатационных характеристик оборудования. Аддитивное производство позволяет изготавливать оптимизированные конструкции или узлы оборудования при сохранении всех эксплуатационных характеристик. Использование аддитивных технологий при производстве деталей и узлов для авиакосмической техники требует тщательного изучения изменений эксплуатационных свойств материалов на каждом этапе производства, проведения сравнительной оценки результатов с параметрами изделий, полученных традиционными технологиями, а также прогнозирования характеристик конечного изделия. В работе проведено исследование изменения химического и фазового состава, микроструктуры и микротвердости образцов сплава ВТ6 на различных этапах производства: исходная заготовка после выплавки; порошок, полученный плазменным центробежным распылением заготовки и слиток после селективного электронно-лучевого сплавления порошка. Анализ элементного состава образцов проводили на рентгенофлуоресцентном спектрометре с волновой дисперсией Rigaku Primus ZSXII, рентгеноструктурные исследования – на дифрактометре Rigaku Mini Flex 600 (CuK_α -излучение, λ = 1,54178 Å), оснащенном линейным (1-D) полупроводниковым детектором D/teXUltra. Изучение микроструктуры порошковых (гранулированных) образцов проводили с использованием методов оптической и сканирующей электронной микроскопии, измерение микротвердости – с помощью микротвердомера LECO M-400-H по методу Виккерса. Показано, что микроструктура образцов после центробежного распыления представляла собой смесь двух твердых растворов на основе гексагональной модификации титана (ГПУ) с несколько отличающимися параметрами кристаллической решетки из-за различия в концентрациях легирующих элементов. Элементный состав сплава после селективного лазерного сплавления практически не отличался от сплава в исходном состоянии.

В электросталеплавильной пыли содержание цинка может достигать 43 %, содержание свинца 4 %, содержание таких э кантов, как диоксины и фураны (ДиФ), адсорбированных на частицах пыли, 500 нг/кг пыли. Обычно цинк и свинец восстанавливают из их оксидов углеродом (расход углерода составляет в среднем 500 кг/т пыли). Результаты термодинамических расчетов и экспериментальных исследований показали, что эти металлы могут быть извлечены из пыли без участия углерода или при его малом содержании (менее 3 %). Для извлечения свинца требуется температура порядка 1400 К, а для цинка – 2000 К. Температуры их извлечения зависят от состава пыли, в частности, от содержания углерода, хлора и соотношения О/С. Они могут зависеть также от фазового и дисперсного состава пыли. Проведен физико-химический анализ процессов пылеобразования в дуговых сталеплавильных печах (ДСП), изучены состав и свойства пыли, проведены экспериментальные исследования процесса селективного извлечения цинка и свинца в лабораторных условиях. Разработана технология переработки пыли и оценен возможный инновационный потенциал ожидаемых результатов. Предлагаемые подходы базируются на исследовании непрерывного двухстадийного процесса безуглеродного и селективного извлечения цинка и свинца из пыли ДСП разного состава. Одним из главных результатов работы, наряду с созданием технологии, обеспечивающей селективное извлечение цинка и свинца до 99 %, является разработка процесса обезвреживания пыли от ДиФ до экологически безопасного уровня.

В работе представлены результаты сравнительного исследования точности определения физического коэффициента трения при х лодной прокатке методами принудительного торможения полосы f_Q и крутящего момента f_М , предложенные И.М. Павловым и Д. Блэндом совместно с Г. Фордом. Сравниваемые методы имеют достаточное теоретическое обоснование, что способствовало их широкому применению. Они основаны на экспериментальном измерении силы торможения заднего конца полосы Q, равнодействующей нормальных сил при прокатке N и крутящего момента М. Показано, что из-за приближенного определения положения точки приложения равнодействующей силы прокатки на дуге контакта значения коэффициента трения по методу принудительного торможения полосы получаются всегда завышенными. Метод крутящего момента лишен этого недостатка. Выполнено сравнительное экспериментальное исследование физического коэффициента трения при холодной прокатке с применением технологической смазки в лабораторных условиях. Установлено, что при прочих равных условиях значения коэффициента трения по методу принудительного торможения полосы являются в 1,25 – 1,40 раза более высокими, чем по методу крутящего момента, подтвердив тем самым справедливость теоретических выводов. Показано, что метод крутящего момента является более точным, чем метод принудительного торможения полосы и относится к числу наиболее надежных методов определения физического коэффициента трения при холодной прокатке.

В работе приведены исследования по влиянию внешнего воздействия при заливке высокопрочной легированной стали в т ные металлооболочковые формы с внешним охлаждением и в такие же формы с суспензионной заливкой – комплексное воздействие на затвердевающую отливку. Рассматриваются предпосылки для выбора данных технологий. В качестве контрольного металла исследовали отливку, полученную в объемной жидкостекольной форме. Исследовали макроструктуру, излом и механические свойства металла при нормальной (+20 °С) и повышенной (+350 °С) температурах. Наиболее плотная и однородная структура и излом получены у отливки при комплексном воздействии. Установлено, что главное преимущество предлагаемых технологий – повышение однородности механических свойств по сечению и высоте отливок, особенно пластических свойств и ударной вязкости. Анизотропия свойств по сечению и высоте опытных отливок значительно меньше, чем в контрольной отливке. В результате проведенных исследований установлено, что внешнее и комплексное воздействие на формирующуюся отливку позволяет повысить ее механические свойства при различных температурах испытания образцов. У отливки, полученной в металлооболочковой форме с принудительным охлаждением, не наблюдается заметной разницы в механических свойствах как по ее высоте, так и по сечению. При этом прочностные свойства в среднем на 100 МПа выше, чем у контрольной отливки, при сохранении высоких значений пластичности и ударной вязкости.

В условиях однозначного скольжения количественная взаимосвязь между силой трения Т и нормальной силой N при прокатке согласно закону Амонтона выражается формулой

                                                            f=Т/N                                                       (1)

Коэффициент пропорциональности f в этой формуле известен под названием физический коэффициент трения скольжения (в дальнейшем коэффициент трения). Под этим термином при прокатке подразумевают некое среднее значение данной физической величины для всего очага деформации.

Теоретическое определение коэффициента трения при прокатке в настоящее время невозможно, поэтому данные о нем получают только экспериментальным путем. В работе представлены результаты сравнительного исследования точности определения физического коэффициента трения при холодной прокатке методами принудительного торможения полосы f_Q и крутящего момента f_М, предложенные И.М. Павловым и Д. Блэндом совместно с Г. Фордом. Сравниваемые методы имеют достаточное теоретическое обоснование, что способствовало их широкому применению. Они основаны на экспериментальном измерении силы торможения заднего конца полосы Q, равнодействующей нормальных сил при прокатке N и крутящего момента М при отсутствии опережения и использовании следующих формул для вычисления коэффициента трения:

                                                                                            (2)

                                                                                                          (3)

где Q, N, M – сила торможения полосы, равнодействующая нормальных сил при прокатке, «чистый» крутящий момент на бочке одного валка при симметричном процессе прокатки, когда опережение равно нулю; a, R – угол контакта полосы с валком и радиус валка.

Однако, при проведении экспериментов измеряют не силу N, а вертикальную составляющую силы прокатки Р_в. Кроме того, при прокатке с задним натяжением точка приложения равнодействующей смещается ближе к сечению выхода из валков, и её положение определяется углом φ << a/2. Поэтому на практике должны пользоваться несколько иной записью этих формул:

                                                                                                 (4)

                                                                                                       (5)

Из-за отсутствия решения для определения угла φ во всех исследованиях ранее пользовались и продолжают пользоваться приближенной формулой (2), что приводит к искусственному завышению значений коэффициента трения f_Q.

В настоящей работе предложено корректное теоретическое решение для определения угла φ при прокатке с задним натяжением. Установлено, что при подстановке точного значения угла φ в формулу (4) она приводится к виду (5). Таким образом, формулы (4), (5) становятся идентичными, а методы определения физического коэффициента трения по принудительному торможению полосы и крутящему моменту равноценными. Это логично, поскольку при определении коэффициентов трения f_Q и f_М используются значения практически одних и тех же силовых параметров прокатки в условиях однозначного скольжения. Приведены результаты экспериментального исследования физического коэффициента трения при холодной прокатке с применением эффективных технологических смазок по сравниваемым методам. Подтверждено, что значения коэффициента трения по формулам (4) и (5) являются одинаковыми. Значения коэффициента трения f_Q по формуле (2) во всем исследованном диапазоне условий холодной прокатки получаются всегда завышенными на 25-40 % и более. На основании результатов выполненного исследования для определения физического коэффициента трения при холодной прокатке рекомендуется метод крутящего момента, отличающийся более высокой точностью и надежностью получаемых данных.

Предложена простая теория термодинамических свойств жидких растворов азота в сплавах системы Fe – Mn. Эта теория полнос аналогична теории для жидких растворов азота в сплавах системы Fe – Cr, предложенной авторами ранее (2019 г.). Теория основана на решеточной модели растворов Fe – Mn. Предполагается модельная решетка типа ГЦК. В узлах этой решетки располагаются атомы железа и марганца. Атомы азота располагаются в октаэдрических междоузлиях. Атом азота взаимодействует лишь с атомами металлов, находящимися в соседних с этим атомом узлах решетки. Это взаимодействие парное. Предполагается, что энергия этого взаимодействия не зависит ни от состава сплава, ни от температуры. Принимается, что жидкие растворы в системе Fe – Mn являются совершенными. В рамках предложенной теории получено соотношение, которое выражает значение константы закона Сивертса для растворимости азота в жидком марганце через значение аналогичной величины для растворимости азота в жидком железе и значение вагнеровского параметра взаимодействия N – Mn в растворах на основе железа. Значения констант закона Сивертса в этом соотношении взяты непосредственно из эксперимента по измерению растворимости азота в жидких железе и марганце. При этом записанное соотношение рассматривается как уравнение относительно вагнеровского параметра взаимодействия N – Mn. Решение этого уравнения дает значение вагнеровского параметра взаимодействия ℇ^Mn_N = –5,25 в жидкой стали при температуре 1873 К. Вагнеровский параметр взаимодействия связан с лангенберговским параметром взаимодействия e^Mn_N соотношением, выведенным Люписом и Эллиотом в 1965 г. В это соотношение входят атомные массы железа и марганца. Подставляя в рассматриваемое соотношение найденное значение вагнеровского параметра взаимодействия и решая полученное уравнение относительно лангенберговского параметра взаимодействия, находим e^Mn_N = –0,0230. Это значение отвечает экспериментальным данным Бира (1961 г.). Оно представляется одним из наиболее правдоподобных экспериментальных значений для жидкой стали при температуре 1873 К. Другим таким значением представляется e^Mn_N = –0,0209, полученное Шином с сотрудниками в 2011 г.

В статье представлен процесс создания компьютерной модели для прогнозирования распределения частиц в процессе ц бежного литья с помощью программного модуля ANSYS FLUENT 16.0. Для прогнозирования распределения частиц по объему в мире на сегодняшний момент существует несколько математических моделей. Большинство из них основаны на допущении об установившемся состоянии: модели, описывающие критерии отбрасывания частиц растущим фронтом кристаллизации и модели, рассчитывающие критические скорости поглощения частиц растущими дендритными кристаллами. Некоторые модели делают попытку описать динамическое состояние системы или определить критерий улавливания неметаллических включений фронтом затвердевания при центробежной разливке металла. Для разрабатываемой модели описан процесс ее создания, схема и геометрия. Препроцессором модели учтены такие явления, как двухфазное течение, уравнение энергии, ламинарное течение, введение дискретных фаз (упрочняющих частиц), плавление/ кристаллизация. Модель учитывает взаимодействие двух жидких фаз: воздуха и стального расплава, межфазное взаимодействие описывается уравнением поверхностного натяжения. В качестве основного металла авторами использована сталь 12Х18Н10Т, в качестве вводимых частиц – карбиды вольфрама, бора и оксид иттрия. При проведении моделирования учтены физико-химические параметры данных веществ. Представлен процесс моделирования распределения частиц при центробежном литье с помощью вычислительного кластера «Скиф-Урал», входящего в ТОП-500 самых мощных компьютеров мира. В результате проведенного моделирования, помимо графического отображения, получены массивы данных, описывающих координаты каждой частицы в каждый момент времени с шагом 0,00001 с, что позволяет прогнозировать точное местонахождение каждой частицы в каждый момент разливки. Результаты работ свидетельствуют о том, что технология центробежного литья с введением дисперсных частиц в процессе разливки позволяет получить дисперсно-упрочненные металлические материалы с прогнозированием распределения тугоплавких частиц.

На базе радиально-осевой прокатки кольцевых заготовок созданы ресурсосберегающие технологии обработки металлов д нием. Определение рациональных параметров этого процесса при освоении новых профилей является актуальной научно-технической задачей. Метод трехмерного конечно-элементного моделирования процесса является наиболее эффективным инструментом совершенствования технологических режимов процесса прокатки колец. Однако, как показала практика, метод конечно-элементного моделирования требует адаптации применительно к каждому процессу обработки металлов давлением. Этому вопросу и посвящена настоящая работа. Обоснована целесообразность использования для конечно-элементного моделирования процессов прокатки колец зависимости для расчета напряжения течения металла, разработанной на базе теории, учитывающей химический состав конструкционной углеродистой стали, ее температуру, скорость деформации, накопленную деформацию, а также процессы динамического преобразования структуры металла при горячей прокатке. Создана компьютерная программа автоматизированного определения параметров зависимости. Выполнен анализ точности полученной зависимости по отношению к экспериментальным данным. В ходе этих расчетов использовали метод автоматизированного определения напряжения течения металла путем сплайн-интерполяции экспериментальных данных, входящих в компьютерную базу цифровой информации для конкретной марки стали. Средняя относительная погрешность расчетных значений напряжения течения металла относительно экспериментальных составила 8 %. Предложен усовершенствованный метод выполнения расчетов параметров процесса прокатки кольцевых заготовок и выхода на требуемую скорость роста диаметра кольца. Метод реализуется в системе конечно-элементного моделирования, который аналогичен способу работы системы управления кольцепрокатным станом при решении этой же задачи (выхода на требуемую скорость роста диаметра кольца) при осуществлении соответствующей прокатки на практике. При вычислении величин обжатий использовали итерационный процесс и метод половинного деления. Средние отклонения расчетных величин параметров процесса прокатки кольцевых заготовок от экспериментальных не превысили 12,4 %, что дает возможность применения предложенного подхода для изучения закономерностей процесса прокатки колец и совершенствования технологии их прокатки.

В работе исследуется влияние способа воздействия на формирующуюся отливку из легированной стали. Приведены исследования по влиянию вешнего воздействия при заливке высокопрочной легированной стали в тонкостенные металлоболочковые формы с внешним охлаждением и в такие же формы с суспензионной заливкой – комплексное воздействие на затвердевающую отливку. Рассматриваются предпосылки для выбора данных технологий. В качестве контрольного металла исследовали отливку, полученную в объемной жидко стекольной форме.

Исследовали макроструктуру, излом и механические свойства металла при нормальной (+20⁰С) и повышенной (+350⁰С) температурах. Наиболее плотная и однородная структура и излом получены у отливки при комплексном воздействии.

Установлено, что главное преимущество предлагаемых технологий повышение однородности механических свойств по сечению и высоте отливок, особенно пластических свойств и ударной вязкости. Анизотропия свойств по сечению и высоте опытных отливок значительно меньше, чем в контрольной отливке.

В результате проведенных исследований установлено, что внешнее и комплексное воздействие на формирующуюся отливку позволяет воздействовать на макроструктура и механические свойства отливок при различных температурах испытания образцов