Методом крутильных колебаний тигля с металлом в обеспечивающей стабильное содержание азота в металле по ходу э римента атмосфере (80 % азота и 20 % гелия) исследованы физико-химические характеристики расплава легированной азотом стали марки 04Х20Н6Г11М2АФБ (марочное содержание азота 0,47 – 0,49 %). Используя чувствительность метода к агрегатному состоянию исследуемого вещества, при скорости нагрева 0,0033 – 0,0050 К/с экспериментально определены температуры ликвидуса стали марки 04Х20Н6Г11М2АФБ (1660 – 1666 К) и низкоазотистой стали ([N] = 0,063 %) с идентичным содержанием других элементов (1685 – 1690 К). Это позволило рекомендовать для расчетной оценки влияния азота на температуру ликвидуса сложно- и высоколегированных сталей значение коэффициента –60 К/% [N]. Вязкость расплава стали марки 04Х20Н6Г11М2АФБ ((11,5 ± 0,7)·10^–7 м²/с) относительно высокая по сравнению с традиционными аустенитными сталями ((8,2 ± 0,2)·10^–7 м²/с) при относительно небольшом парциальном влиянии азота. Методами высокотемпературной вискозиметрии установлена значительная неравновесность структурного состояния расплава стали марки 04Х20Н6Г11М2АФБ. Сравнительный анализ политерм и изотерм кинематической вязкости расплава стали 04Х20Н6Г11М2АФБ и ее низкоазотистого ([N] = 0,063 %) аналога позволил сделать вывод о том, что определяющую роль в уровне неравновесности расплава и низкой скорости ее релаксации играет присутствие азота при концентрациях, близких к насыщению. Это нашло подтверждение в результате специально поставленных экспериментов по насыщению азотом низкоазотистой стали, в ходе которых зафиксировано резкое возрастание неравновесности структурного состояния расплава с достижением концентрации азота в металле предельных значений (0,45 – 0,50 %). Отмечена принципиальная возможность повышения и стабилизации эксплуатационных свойств коррозионностойких сталей, легированных азотом, за счет снижения неравновесности структурного состояния расплава путем исключения превышения предельных для рассматриваемого химического состава значений концентраций азота.

Представлена возможность использования барий-стронциевого модификатора в качестве газозащитной и рафинирующей д бавки для сварочных флюсов, изготовленных на основе шлакового щебня от производства ферросиликомарганца. В качестве материалов для исследования был использован барий-стронциевый модификатор БСК-2 по ТУ 1717-001-75073896 – 2005 производства ООО «НПК Металлтехнопром». В качестве основы сварочного флюса использовали шлак силикомарганца производства ЗападноСибирского электрометаллургического завода. Исследование работы новых сварочных флюсов и флюс-добавок проводили с использованием оборудования НПЦ «Сварочные процессы и технологии» и ЦКП «Материаловедение». Применение барий-стронциевой флюс-добавки проводили по двум вариантам. В первом варианте флюс-добавку изготавливали путем измельчения барий-стронция до пылевидной фракции менее 0,2 мм с дальнейшим смешением с жидким натриевым стеклом, сушкой в печи, дроблением и выделением фракции 0,45 – 3,00 мм. Во втором варианте флюс-добавку использовали в виде пыли фракции менее 0,2 мм. Добавки примешивали при соотношении 2 – 10 % от массы шлака производства силикомарганца. Наплавку образцов осуществляли сварочной проволокой марки Св-08ГА на подложку из стали марки 09Г2С толщиной 20 мм. Изучено качество наплавленного металла, исследованы химические составы (наплавленных слоев, шлаковых корок, используемого флюса) рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре XRF-1800 и атомно-эмиссионным методом на спектрометре ДФС-71. Изучена степень загрязненности неметаллическими включениями (силикатами недеформирующимися, оксидами точечными, сульфидами) с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX-51 в диапазоне увеличений от 100 до 1000. Проведенные лабораторные исследования по наплавке стальных образцов показали, что за счет введения флюс-добавки, изготовленной из барий-стронциевого модификатора, происходит рафинирование металла, снижается концентрация серы и фосфора. Показано, что использование смеси барий-стронциевого модификатора с жидким стеклом в качестве добавки предпочтительнее по отношению к применению добавки в виде пыли. Выявлено, что наилучшими образцами с точки зрения степени загрязненности наплавленного металла неметаллическими включениями являются образцы, изготовленные с использованием не более 8 % барий-стронциевой флюс-добавки.

Металлургические шлаки накапливаются в больших количествах. Для дальнейшей утилизации они должны обладать н мыми техническими свойствами. Как один из основных факторов выступает химический и минеральный составы шлаков, оказывающие влияние на их конечные свойства. Элементный состав отвального доменного шлака ПАО «Запорожсталь», определенный методом электронно-зондового микроанализа, позволяет охарактеризовать фракции шлака с точки зрения токсичности. Элементы калий, натрий, сера, хлор, медь и титан, которые не входят в состав минералов, зарегистрированы сканирующим электронным микроскопом. Это позволяет предположить, что они сорбируются поверхностью минеральных частиц. Максимальное содержание калия, натрия и титана характерно для фракции 2,5 – 5,0 мм. Шлак содержит незначительное (менее 1 %) количество железа, титана и меди, которые относятся к третьему классу опасности вещества; это не препятствует дальнейшему использованию шлака. Определен третий класс опасности отвального доменного шлака. Гамма-спектрометрическим методом определены удельные активности и эффективные удельные активности гранулометрических фракций шлака. Обнаружены природные радионуклиды ⁴⁰K, ²²⁶Ra и ²³²Th. Доказано, что шлак и его отдельные фракции относятся к первому классу радиационной опасности и могут быть использованы в строительстве без ограничений. Отвальный доменный шлак ПАО «Запорожсталь» характеризуется высокой гидравлической активностью с увеличением поглощения оксида кальция СаО во времени. Отвальный доменный шлак может быть рекомендован для производства вяжущих (портландцемента и шлакопортландцемента) по совокупности химических параметров: по отношению к умеренно опасным отходам производства, первому классу радиационной опасности и проявлению высокой гидравлической активности.

Разработана математическая модель и предложен механизм формирования наноразмерных структурно-фазовых состояний на примере рельсовой стали при длительной эксплуатации. Считается, что при интенсивных пластических деформациях материал ведет себя подобно вязкой несжимаемой жидкости. Для учета скольжения колеса относительно рельса предлагается модель в виде двухслойной жидкости, верхний слой которой скользит с определенной скоростью относительно первой. В этом случае развивается неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. Для каждого слоя записаны уравнения Навье-Стокса, кинематические и динамические граничные условия. Решение полученной системы в виде нормальных мод возмущений проведено исходя из предположения о вязко-потенциальном течении материала. В этом приближении считается, что эффекты вязкости имеют место только на границе раздела слоев. Выведено дисперсионное уравнение. Это уравнение проанализировано с помощью графического представления функций, входящих в аналитическое решение. Установлен диапазон характеристик материала и параметров внешнего воздействия (скорость движения слоя), при которых наблюдаются два максимума в зависимости скорости роста возмущений от волнового числа. Первый максимум (гидродинамический) обусловлен движением слоев относительно друг друга, второй связан с эффектами вязкости жидкости. Получены приближенные формулы зависимости скорости роста возмущений от волнового числа. Найдены условия для реализации только одного максимума. Вязкостно обусловленный максимум при скоростях скольжения порядка 1 м/с может находиться в наноразмерном диапазоне длин волн. Полагая, что белый слой в рельсах при длительной эксплуатации формируется главным образом из-за действия интенсивных пластических деформаций, считаем, что полученные результаты детализируют механизм формирования белых слоев в рельсах при длительной эксплуатации.

Исследовано влияние плазменной наплавки и последующего высокотемпературного отпуска на морфологию поверхности и э ментный состав наплавленных покрытий из хромовольфрамовой стали высокой твердости типа стали Р18, дополнительно легированной алюминием и азотом (0,86 % С; 4,84 % Cr; 17,0 % W; 5,40 % Mo; 0,50 % V; 0,65 % Al; 0,06 % N). В качестве основного металла использовали сталь 30ХГСА с высокими механическими свойствами. Особенностью проведенной наплавки явилось применение низкотемпературного предварительного и сопутствующего подогрева, а также термического цикла наплавки. Цикл наплавки состоял из трех основных стадий: первая стадия наплавки обеспечивала ограниченное время нагрева и повышенную скорость охлаждения в области высоких температур, предотвращала рост зерна и распад аустенита с образованием равновесных низкопрочных структур; вторая стадия – нахождение наплавленного металла в аустенитном состоянии; третья стадия – получение наплавленного металла с низкой склонностью к образованию трещин. Методом растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа исследованы морфология поверхности и элементный состав покрытий в двух состояниях: непосредственно после наплавки; в состоянии после наплавки и высокотемпературного отпуска. Установлено, что в первом случае основная часть поверхности материала представляет собой перлитные зерна. В стыках и по границам зерен располагается цементит сложного состава и соединения на основе железа, вольфрама и молибдена переменного состава (Fe₄W₂N, FeWN₂ и Fe₄W₂C). Присутствуют также твердые растворы на основе алюминия и, возможно, фаза AlN. Высокотемпературный отпуск приводит к увеличению твердости, изменению формы и размера зерен, количественному изменению элементного состава и равномерному распределению легирующих элементов по объему материала. Показано, что предложенный способ плазменной наплавки с высокотемпературным отпуском обеспечивает все основные требования к поверхности рабочих валков холодной прокатки, что подтверждают результаты испытаний партии наплавленных валков.

В конвертерном цехе АО «АрселорМиттал Темиртау» разработана и освоена технология прямого микролегирования к ционных сталей бором. Микролегирование проведено за счет восстановления бора из формируемых на установках ковш-печь шлаков системы CaO – SiO₂ – B₂O₃ – MgO – Al₂O₃. Применение разработанной технологии обеспечило в сталях 08кп, 3сп, 3пс и 09Г2С содержание бора 0,0016 – 0,0050 %, достаточно высокую степень десульфурации металла 36,8 – 51,7 %, сокращение расхода марганцевых ферросплавов на 0,3 – 0,6 кг/т стали, улучшение экологической обстановки за счет отказа от применения плавикового шпата. Для стали марки 09Г2С предел текучести σ_т и временного сопротивления σ_в экспериментального металла выше, чем у стали без бора в среднем на 27 и 24 МПа соответственно. Величина относительного удлинения δ металлопроката с бором увеличилась в среднем на 0,2 %. Балл зерна металлопроката толщиной 2,0 – 2,5 мм стали 08кп, содержащей 0,001 % бора, с пониженной до 0,18 % концентрацией марганца, достигает 10,0 против 9,0 на плавках текущего производства. Предел текучести σ_т и временное сопротивление σ_в экспериментального металла в среднем на 6,0 и 5,0 МПа выше, чем у сравнительного. Относительное удлинение δ экспериментального металла достигает 36,3 % (на плавках текущего производства 33,3 %). Экспериментальный металлопрокат стали марки 3пс с пониженной на 0,02 % концентрацией марганца, содержащий в среднем 0,001 % бора, характеризуется повышенными пределом текучести, временным сопротивлением (в среднем на 2,0 и 9,0 МПа соответственно) и относительным удлинением, достигающим в среднем 21,0 %, мелкозернистой структурой. Металлопрокат стали 3сп, микролегированной бором, толщиной 4,0 мм с пониженным до 0,43 % содержанием марганца, характеризуется улучшенными прочностными свойствами с сохранением пластических характеристик. Абсолютная величина предела текучести и временное сопротивление на разрыв стали на 4,0 и 2,0 МПа больше прочностных характеристик стали без бора.

Сплавы системы Ni – Co находят широкое применение в промышленности. Бор является одним из легирующих компонентов в этих сплавах. Для практики производства сплавов представляет значительный интерес изучение термодинамики растворов кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих бор. Проведен термодинамический анализ растворов кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих бор. Определены константа равновесия реакции взаимодействия бора с кислородом, растворенных в никелькобальтовых расплавах, коэффициенты активности при бесконечном разбавлении и параметры взаимодействия в расплавах различного состава при 1873 К. Рассчитаны значения параметров взаимодействия = –0,238 и = 0,674. При взаимодействии бора с кислородом в расплавах системы Ni – Co оксидная фаза помимо B₂O₃ содержит оксиды NiO и CoO. Рассчитаны значения мольных долей B₂O₃, NiO и CoO в оксидной фазе для различных концентраций бора в расплавах системы Ni – Co при 1873 К. В случае расплава никеля при содержаниях бора выше 0,01 % мольная доля оксида бора близка к единице. По мере увеличения в расплавах содержания кобальта до 20 % мольная доля оксида бора в оксидной фазе уменьшается, а затем практически не меняется. Рассчитаны зависимости растворимости кислорода в изученных расплавах от содержания кобальта и бора. Раскислительная способность бора незначительно уменьшается с увеличением содержания кобальта до 20 %, а далее возрастает по мере увеличения содержания кобальта в расплаве. Определены содержания бора в точках минимума на кривых растворимости кислорода и соответствующие им минимальные концентрации кислорода.

Изложены результаты расчета напряженного состояния металла в очаге деформации при внедрении разделяющих буртов калиброванного бойка в стальной непрерывнолитой сляб при получении сортовых заготовок на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Результаты расчета осевых, касательных и эквивалентных напряжений, возникающих в очаге деформации металла при получении трех сортовых заготовок, выполнены в четырех сечениях очага деформации. Показан вид сечения очага деформации и места расположения характерных точек. Напряженное состояние металла в очаге циклической деформации при формировании разделяющими буртами калиброванных бойков из непрерывнолитого сляба трех стальных сортовых заготовок на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации определено путем решения объемной задачи упругопластичности методом конечных элементов с использованием пакета ANSYS. Результаты расчета осевых, касательных и эквивалентных напряжений по Мизесу в очаге деформации при формировании разделяющими выступами калиброванных бойков из непрерывнолитого сляба трех стальных сортовых заготовок представлены в виде графиков и таблиц по рабочим поверхностям в четырех поперечных сечениях. Определены величины и закономерности распределения осевых, касательных и эквивалентных напряжений по длине и ширине очага деформации при получении трех сортовых заготовок на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Показан характер распределения осевых напряжений по характерным линиям, расположенным по длине очага деформации. Приведены значения наибольших сжимающих и растягивающих осевых напряжений, возникающих в очаге деформации при внедрении разделяющих буртов калиброванных бойков в стальной непрерывнолитой сляб, при получении трех сортовых заготовок на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.

Представлен наиболее распространенный способ формирования микрогеометрии поверхности валков дрессировочных станов, обеспечивающий требуемую шероховатость холоднокатаной полосы (дробеметная обработка). Исследования по насечке поверхности проведены на промышленной установке «Виллибратор», металлографические исследования выполнены на оптическом микроскопе MEIJI 2700 и растровом электронном микроскопе JSM-6490LV. Выявлено измельчение структуры поверхностного слоя при взаимодействии материала валка с дробью. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по оценке упрочняющего действия дробеметной обработки (ДМО) на формируемый шероховатый слой прокатного валка. Для теоретического анализа процесса ДМО использован один из методов теории пластичности (метод нижней оценки). Для упрощения математических выкладок микровпадина валка аппроксимирована сферической поверхностью. Получена количественная оценка степени деформации и глубины упрочненного слоя, которые определяются скоростью дроби и твердостью поверхности валка. Глубина упрочненного слоя определяется размерами используемой дроби и в меньшей степени скоростью соударения дроби о поверхность валка и твердостью текстурируемой поверхности. При анализе литературных источников установлено, что увеличение твердости на одну единицу влечет повышение стойкости в среднем на 3 %. Применение ДМО позволяет сократить время перевалки валков дрессировочных станов на 6,0 – 10,5 % в зависимости от используемых режимов насечки валков дробью. Повышение твердости поверхностного слоя является следствием измельчения его структуры в процессе взаимодействия с дробью. Выявлено, что увеличение твердости поверхностного слоя приводит к повышению его износостойкости и усталостной прочности. Установлено, что при скорости 60 м/с твердость повышается примерно на 3,5 единицы.

Представлена математическая модель процесса оптимизации выбора материала и морфологического строения оболочковой ф мы, обладающей наибольшей сопротивляемостью к трещинообразованию при заливке ее жидким металлом. Для решения поставленной задачи использована теория малых упругопластических деформаций и уравнения теплопроводности, а также апробированные численные методы. Построена целевая функция min – max от управляющих переменных, характеризующих свойства формовочного материала, из которого изготавливается оболочковая форма. Рассмотрен процесс нагрева осесимметричной оболочковой формы при заливке в нее жидкого металла. Стойкость оболочковой формы оценивается по возникающим в ней напряжениям. Составлен алгоритм решения задачи. С использованием численных схем и комплексов программ, разработанных в предыдущих исследованиях, построен алгоритм решения задачи оптимизации и найдены значения управляющих переменных. При этих значениях управляющих переменных оболочковая форма не разрушается даже при наличии жесткого процесса – заливки стали в холодную оболочковую форму. Проведен анализ влияния веса каждого из найденных параметров на значение построенной целевой функции. С помощью математического эксперимента проведено исследование морфологического строения оболочковой формы. Рассмотрена оболочковая форма из пяти слоев. Скорректированная система уравнений позволяет учитывать свойства слоев, выполненных из разных материалов. Выполнены расчеты для случая, когда слой оболочковой формы из материала, найденного оптимизацией, занимает различные положения в сечении формы; при этом остальные слои формы изготовлены из традиционной керамики. Найдено оптимальное местоположение этого слоя. Показано, что наличие нескольких слоев с найденными свойствами не влияет на повышение трещиностойкости оболочковой формы.

Разработана электромеханическая установка, которая содержит электромагнитный соленоид с поршнем, работающим в режиме возвратно-поступательного движения. Технологии с подобными режимами работы широко используются в различных отраслях промышленности (машиностроительной, металлургической, горнодобывающей, механотронике, робототехнике, в качестве прессов при ковке и штамповке, а также отбойных молотков в устройствах дробления угля, руды и породы). В качестве источника питания электромеханического устройства используется экономичный генератор мощных однополярных импульсов тока с уникальными системами, которые позволяют в широком диапазоне и с высоким быстродействием регулировать основные параметры: частоту воспроизведения импульсов, амплитуду. Принцип действия генератора основан на периодическом разряде предварительно заряженных конденсаторов на низкоомную активно-индуктивную нагрузку. Генератор содержит силовую часть, состоящую из блока разряда конденсаторов на нагрузку, систему управления генератором (СУГ), состоящую из блока заряда конденсаторов (реверсивный тиристорный преобразователь со встречнопараллельно включенными тиристорными мостами), узел перезаряда, систему автоматического регулирования САУ. По известным уравнениям рассчитаны параметры механической и электрической частей электромеханического устройства: начальная координата поршня; магнитодвижущая сила, возникающая из-за изменения индуктивности L(x); сила упругости пружины; сила сопротивления поршню, пропорциональная скорости его перемещения; силовое воздействие на поршень; амплитуда, длительность и частота воспроизведения импульсов тока. В среде Матлаб–Симулинк разработана имитационная модель установки. Построены графики переходных процессов при работе установки на холостом ходу и под нагрузкой. Проведен анализ режимов работы установки. Разработанная электромеханическая установка для воздействия на нагрузку с целью ее разрушения или деформации на базе генератора мощных импульсов тока с системой автоматического регулирования параметров позволяет с высоким быстродействием регулировать параметры процесса: усилие и пройденное поршнем расстояние.