Представлены наиболее масштабные виды отходов алюминиевого производства (отработанные катодные блоки электролизеров, пыль газоочистки, шламы газоочистки, хвосты флотации угольной пены). Обозначены объемы их накопления и акцентировано внимание на необходимости их утилизации для улучшения экологической обстановки прилегающих к предприятиям территорий. Определены специфические характеристики образовавшихся отходов, указывающие на возможность их вторичного использования и перевода из разряда отходов в побочные продукты. Рассмотрены возможности переработки, проведен обзор существующих по данному направлению технических решений, а также объяснены причины, препятствующие их реализации. Определены наиболее перспективные способы переработки отходов, реализацию которых можно произвести в существующих экономических условиях. Отработанные катодные блоки могут быть использованы на предприятиях черной металлургии (в доменных печах и конвертерах) в качестве замены дорогостоящего кокса и плавикового шпата, а мелкодисперсные отходы – на предприятиях цементной промышленности. Обозначены направления, которые в будущем позволят существенно увеличить объемы переработки, повысить востребованность указанных отходов алюминиевой промышленности в технологических переделах черной металлургии. Несмотря на то, что особое внимание уделено перспективам сотрудничества алюминиевых заводов с предприятиями черной металлургии, показаны примеры уже внедренных решений по совершенствованию сырьевой базы в других смежных отраслях промышленности.

Приведены результаты исследования истории появления азотированных ферросплавов и развития технологий азотсодержащих сталей и лигатур. Важнейшими достоинствами азота как легирующего элемента являются его доступность и практически неограниченные запасы в природе. Технология добычи азота не причиняет окружающей среде никакого вреда и не сопровождается образованием отходов. Новые технологии азотированных ферросплавов и новые составы азотсодержащих лигатур возникали как ответ на создание новых марок сталей, легированных азотом. При этом наибольший вклад в развитие технологии азотированных сталей и ферросплавов внесли исследователи Европы, США и Советского Союза. Азотированный феррохром появился из необходимости легирования нержавеющих сталей различного класса. Азотированный феррованадий был создан для микролегирования высокопрочных низколегированных сталей. Для легирования азотом трансформаторной стали был разработан легирующий материал на основе нитрида кремния. Азотсодержащие композиции на основе марганца являются универсальными легирующими материалами широкого спектра применения. Технологии азотированных ферросплавов развивались в направлении создания составов с максимальным содержанием азота при минимальном расходе материальных ресурсов. Сейчас успешно развиваются технологии непосредственного введения газообразного азота в жидкий металл при внепечной обработке, легирование при помощи его твердых носителей остается универсальным способом выплавки азотсодержащих сталей. Азот в природе встречается исключительно в газообразном виде, поэтому для введения в сталь возникает необходимость его фиксирования в составе какого-либо твердого вещества. При этом такой азотсодержащий материал должен быть совместим со стальным расплавом и технологичным при применении. Эту задачу полностью решает технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), позволяющая получать композиционные ферросплавы на основе нитридов со свойствами, недостижимыми для печного процесса.

Современные тенденции в автомобилестроении направлены на снижение массы автомобиля и повышение его безопасности. Высокая пластичность IF-BH стали в сочетании с повышенной прочностью позволяет использовать прокат меньшей толщины в конструкции кузова автомобиля. Достижение высоких пластических свойств в IF-BH стали обеспечивается низким содержанием азота и углерода (C < 40 ppm, N < 40 ppm) и контролируемым содержанием углерода в твердом растворе. Возникновение большинства дефектов поверхности листа связано с неметаллическими включениями. Присутствие неметаллических включений в готовой продукции нарушает ее однородность, ухудшает поверхностные свойства стали, усталостную прочность и пластические характеристики металла. В результате выполнения работы методами микрорентгеноспектрального и фракционного газового анализа на растровом электронном микроскопе проанализированы образцы металла трех плавок IF-BH стали, отобранные по всей технологической цепочке производства в СП КС ПАО «Северсталь». Количественно определены основные типы оксидных неметаллических включений, находящихся в стали, а также общее содержание кислорода и азота в металле. Показано, что основными типами оксидных неметаллических включений в исследованных пробах металла являются алюминаты, силикаты и шпинель. Установлены два места с возможным вторичным окислением после ввода алюминия. Между пробами наблюдали заметный прирост азота, что свидетельствовало о вторичном окислении металла. При этом возрастало содержание включений алюминатов в металле и снижалось количество включений алюмомагниевой шпинели. Разработана математическая модель и программное обеспечение, описывающее процесс образования и удаления оксидных неметаллических включений. Адекватность программы подтверждена хорошей сходимостью между расчетными и экспериментальными данными по общему содержанию [O] в различных типах оксидов для первой пробы на установке ковш-печь и в слябе.

Основным видом продукции ферросплавных заводов являются стандартные ферросплавы, которые часто не обладают всеми необходимыми служебными характеристики и малопригодны для обработки металла в ковше, а развивающаяся прогрессивная технология сталеплавильного производства вынуждена приспосабливаться к существующему сортаменту ферросплавов, стандарты на которые не обновлялись 50 и более лет. Кроме того, за последние годы поменялись источники и рынки ферросплавного сырья, снизились его качество и содержание ведущих элементов, что затрудняет или исключает возможность получения ферросплавов по существующим стандартам. В связи с этим требуется выпуск более эффективных ферросплавов нового поколения, пригодных для прогрессивных процессов развивающихся областей черной и цветной металлургии и выплавляемых из нетрадиционных видов отечественного рудного сырья. К ним, в первую очередь, относятся так называемые комплексные или многокомпонентные ферросплавы, содержащие, кроме железа, два и более функциональных элемента. Комплексные ферросплавы следует создавать в наиболее благоприятных сочетаниях компонентов, способствующих необходимому эффективному воздействию на железоуглеродистый расплав при высокой степени усвоения в нем полезных элементов. Для этого разработан комплексный подход к изучению физико-химических характеристик сплавов, ответственных за усвоение элементов в жидком металле и его качество. Создание научных основ формирования новых композиций многокомпонентных ферросплавов, обладающих высокими потребительскими свойствами, и исследование физико-химических процессов получения этих сплавов из нетрадиционного рудного сырья способствуют решению задач по разработке составов эффективных ферросплавов нового поколения и расширению рудной базы ферросплавного производства. При использовании разработанного метода конструирования состава комплексных ферросплавов с применением нетрадиционного сырья были разработаны технологии плавки, получены и применены в лабораторных и промышленных масштабах различные сплавы систем: Fe – Si – Cr; Fe – Si – B; Fe – Si – Ba – Ca; Fe – Si – Al – Nb; Fe – Si – Ca – Mg; Fe – Si – V – Ca – Mn; Fe – Si – Al.

Статья содержит информационный материал о существе открытий, сделанных Д.К. Черновым в области науки о металлах, теории и практики термической обработки, новых видов испытаний и исследований во взаимосвязи с развитием этих областей знания в настоящее время. Значимость новых научных открытий, а Д.К. Чернов был реальным первооткрывателем чрезвычайно важных явлений в области фазовых и структурных превращений, строении отливок, изучении прочности стальных изделий, несомненно, ставит имя Д.К. Чернова на первое место в мировом ряду ученых – металлургов, металловедов. Сделанные им открытия в последующем позволили развить науку о металлах и ее разделы – металлургию, деформируемость стали, теорию фазовых и структурных превращений, испытания и исследование металлов, теорию и технологию термической обработки.

Холоднотянутая калиброванная сталь является эффективной заготовкой для изготовления маложестких цилиндрических деталей типа валов и осей. Высокая точность диаметрального размера по длине заготовки, малая шероховатость поверхности, повышенная твердость и прочность поверхностного слоя по сравнению с горячекатаным прокатом позволяют изготавливать разнообразные детали с высоким коэффициентом использования металла и при высокой производительности механической обработки. Основной недостаток калиброванного металла заключается в остаточных напряжениях, которые возникают при обработке давлением. Для их снижения или изменения характера распределения по сечению предлагается использовать малые пластические деформации в поверхностном слое проката. Известные в практике способы поверхностного пластического деформирования (ППД) обычно приводят к искривлению маложестких заготовок. Для интенсификации напряженно-деформированного состояния в очаге деформации предлагается способ орбитального поверхностного деформирования. Схема орбитального деформирования представляет собой стержневой индентор (инструмент), один конец которого снабжен шаровым наконечником, находящийся в контакте с обрабатываемой поверхностью. Второй конец стержневого индентора вращается относительно вертикальной оси, образуя в пространстве коническую поверхность с некоторым углом при вершине. Вдоль оси стержня действует деформирующая сила. На основе конечно-элементного моделирования рассмотрено влияние основных параметров орбитального поверхностного деформирования на напряженное состояние в очаге деформации и остаточные напряжения в готовых изделиях. По сравнению с традиционным процессом ППД интенсивность напряжений при орбитальном поверхностном деформировании возрастет на 10 – 15 %. Остаточные напряжения сжатия, которые формируются в поверхностных слоях, достигают 70 – 85 % предела прочности материала. Установлен относительный радиус орбитального вращения и радиус рабочего инструмента, при которых обеспечивается формирование максимальных временных и остаточных напряжений. При увеличении частоты орбитального вращения рабочего инструмента временные и остаточные напряжения сжатия возрастают. Во второй части статьи предполагается представить информацию о более эффективном способе поверхностного деформирования и изменении начальных остаточных напряжений, которые формируются при калибровке цилиндрических прутков.

Основной завершающей стадией производства горячекатаного проката является правка на роликовых правильных машинах (РПМ) в условиях циклической знакопеременной деформации. Из-за высвобождения остаточных напряжений, неравномерно распределенных по объему металла, при резке листа с применением высокотехнологичных методов он может искривляться. Подавляющее большинство моделей расчета процесса правки в условиях циклической знакопеременной деформации не обеспечивает адекватной оценки и прогнозирования остаточных напряжений в тонком стальном листе. В работе обоснована актуальность дальнейшего развития описания напряженного состояния полосы при правке на основе применения вычислительной среды конечно-элементного анализа SIMULIA Abaqus. Описана реализация модели процесса правки горячекатаной полосы на РПМ. Установлена адекватность получаемых в результате моделирования значений усилий правки стальных полос экспериментальным данным. Экспериментально подтверждена сходимость результатов моделирования с данными измерений неплоскостности полосок, получаемых после раскроя листов плазмой. Определено, что после правки на верхней поверхности листа остаются растягивающие продольные остаточные напряжения, на нижней – сжимающие, в середине по толщине они равны нулю, а в остальных частях сечения значения напряжений противоположны по знаку. Установлено, что одинаковые параметры процесса правки полос разных категорий прочности приводят к различным отклонениям напряжений по толщине. Рост предела текучести полосы приводит к увеличению отклонений напряжений по толщине полосы. Метод моделирования процесса правки предлагается использовать для исследования напряженно-деформированного состояния горячекатаного проката и проектирования усовершенствованных режимов правки полос с обеспечением минимальных отклонений листов после их высокотехнологичной обработки.

Для верхних дутьевых фурм 250-т кислородных конвертеров ПАО «Днепровский металлургический комбинат» предложен ряд сварных конструкций пятисопловых фурменных головок с повышенной стойкостью. Проведенный комплекс промышленных исследований их работы позволил установить, что наибольшей стойкостью обладают устройства, в которых предусмотрено охлаждение зон засоплового пространства наконечника. Достаточно действенными также оказались меры по повышению значений средних скоростей охладителя в сварных конструкциях фурменных головок и увеличению их жесткости. Перенос сварочных швов из меди, удерживающих сопловые вкладыши в медном наконечнике, с его наружной поверхности на внутреннюю оказался неэффективным с точки зрения повышения стойкости фурменной головки. Средняя стойкость головок увеличилась всего на семь плавок – с 78 до 85. Это позволяет утверждать о необходимости полного устранения в головке сварочных швов из меди (как наружных, подвергающихся высокотемпературному и механическому воздействию, так и внутренних), удерживающих сопловые вкладыши в отверстиях сварных наконечника и коллектора фурменной головки. Таким образом, все проведенные мероприятия (перенос сварочных швов с наружной поверхности наконечника на его внутреннюю поверхность, улучшение охлаждения наконечника и его засопловых зон, в которые попадают также участки медных сварочных швов вокруг сопел, а также повышение жесткости сварной конструкции дутьевой головки) привели хоть и к положительным, но сравнительно невысоким результатам. Полученные данные свидетельствуют о том, что сварочные швы, выполненные из меди вокруг сопловых вкладышей, которые удерживаются за счет этого в наконечнике (также и в коллекторе) головки, являются тем лимитирующим звеном, которое не дает значительно поднять стойкость сварных фурменных головок, от использования которых необходимо срочно отказаться.

Значения показателей качества литейного кокса определяют путем испытаний на коксохимических предприятиях. Потребители литейного кокса – предприятия литейного производства, как правило, находятся в отдалении от коксохимических предприятий. Транспортируют литейный кокс насыпью в открытых железнодорожных вагонах. В этой связи задачей данной работы является установление влияния транспортирования на качество литейного кокса. Для оценки влияния расстояния транспортирования был введен показатель разрушения Pт (%). Результаты экспериментальных исследований показали, что степень разрушения литейного кокса не одинакова на различных интервалах транспортирования. При транспортировании на расстояния до 300 км разрушению подвергается кокс с минимальным значением показателя прочности М40 . При увеличении расстояния транспортирования с 900 км до 2500 км показатель разрушения литейного кокса увеличивается на 2,08 – 3,02 % в зависимости от партии. Для всех партий наблюдалось образование класса крупности менее 40 мм в зависимости от значения показателя прочности М40 от 0,25 до 1,41 %. Для литейного кокса, характеризующегося большими значениями показателя прочности, при транспортировании сохраняется класс крупности 80 мм и более. При увеличении влажности окружающего воздуха в процессе транспортирования на 40 %, содержание влаги в образцах кокса крупности 40 – 60 мм увеличивается более, чем в 24 раза, класса крупности 60 – 80 мм – более, чем в 17 раз, класса крупности 80 мм и более – более, чем в 10 раз. При снижении влажности воздуха на 34 % количество влаги в грамме кокса класса крупности 40 – 60 мм уменьшается в 2 раза, в коксе класса крупности 60 – 80 мм – в 1,26 раза, в коксе класса крупности 80 мм и более – в 1,45 раза. По сравнению с коксом классов крупности 60 – 80 мм и 80 мм и более, влажность кокса класса крупности 40 – 60 мм растет с большей скоростью при увеличении влажности окружающего воздуха.

Одним из путей повышения экономической эффективности работы литейного предприятия является снижение себестоимости изделия за счет уменьшения брака, весомая доля которого образуется ввиду возникновения горячих и холодных трещин в процессе затвердевания и охлаждения в системе «отливка – форма». Образование трещин происходит из-за силового взаимодействия отливки с формой. В настоящее время используется ряд подходов к определению величины напряженного состояния в материале отливки и, соответственно, определению величины силового взаимодействия. В работе рассматривается разработанная оценка напряженно-деформированного состояния системы «отливка – форма», которое определяется по сопротивлению деформации формовочной смеси. Изменение сопротивления деформации формовочной смеси носит сложный характер ввиду многофакторности процесса взаимосвязи возникающих напряжений с тепловым и компонентным составом слоя песчано-глинистой формы. В работе исследовалось влияние геометрических параметров и теплофизических свойств отливки на сопротивление деформации формовочной смеси. Разработана математическая модель, учитывающая теплопередачу между отливкой и формой, нарастание сухого слоя формы и миграцию влаги в слое песчано-глинистой смеси. На основе математического моделирования проведен количественный анализ влияния теплофизических свойств отливки: теплопроводности, объемной теплоемкости, теплоты кристаллизации, а также геометрических параметров в виде толщины стенки отливки на податливость сырой песчано-глинистой формовочной формы влажностью 5 %, выраженной через среднее сопротивление деформации под элементом затруднения длиной 100 мм. Установлено, что исследование изменения вышеперечисленных факторов в сторону увеличения в фиксированный момент времени повышает среднее значение сопротивления деформации. Показана количественная взаимосвязь выделившегося тепла с ростом сухого слоя формовочной смеси. Отмечено, что динамика изменения средней температуры не всегда совпадает с ростом сопротивления деформации формовочной смеси.

Химический процесс, сопровождающийся восстановлением железа из гематита, моделировался посредством компьютерного программного комплекса Терра (продукт МГТУ им. Н.Э. Баумана). В роли восстановителей принимали углерод, водород и метан. Варьируя расход восстановителей и температуру процесса, определяли равновесные концентрации компонентов системы. Изменение этих концентраций на границах отдельных температурных областей расценивалось как результат прохождения в них соответствующих химических реакций. В то же время было отмечено, что реакции нонвариантного типа начинаются и заканчиваются при одних и тех же фиксированных температурах. Расчеты показали, что преобразование Fe2O3 → Fe3O4 во всех случаях было термодинамически возможно при температурах, превышающих 65 °С. Следовательно, при рабочих температурах печи оно будет реализовано без осложнений. Вторая стадия восстановления также проходила по единой схеме Fe3O4 → Fe, минуя участие в ней оксида FeO. Температура начала восстановления железа компонентами С, Н2 и СН4 составила соответственно 680, 350 и 520 °С. При этом имело место только прямое восстановление железа указанными компонентами. Попытка зафиксировать факт косвенного восстановления, используя в качестве восстановителя оксид углерода, оказалась безуспешной даже при его большом расходе. Оксид углерода разлагался при низких температурах по реакции Белла-Будуара. Поэтому железо восстанавливалось посредством «сажистого» углерода, т. е. также прямым методом. В завершающей стадии углеродотермического процесса в зависимости от состава системы может произойти образование карбида железа при 720 °С с возможным последующим преобразованием его обратно в железо, а также вторичное окисление железа с образованием вюстита. Активное участие в этих реакциях принимает диоксид углерода. На основании результатов расчетов химических процессов при высоких температурах была дана численная оценка восстановительной (или окислительной) эффективности всех элементов и компонентов системы Fe – О – С – Н. Это позволило с высокой степенью достоверности прогнозировать фазовый состав продуктов реакций при максимальной температуре процесса (1500 °С).

Проведен анализ процесса прошивки и раскатки труб на ТПА 70-270 АО «Выксунский металлургический завод» с точки зрения энергосиловых параметров (ЭСП), времени прошивки и геометрических размеров труб. Выполнено сопоставление полученных результатов с результатами компьютерного моделирования в программном комплексе QFORM 3D. Для моделирования спроектированы очаги деформации для прошивки гильзы размерами 203×16,5 мм за один проход на оправке диам. 162 мм и за две операции прошивки и раскатки на оправках диам. 76 и 162 мм соответственно. Из полученных данных по энергосиловым параметрам установлено, что с точки зрения энергозатрат прошивка в один проход на оправке диам. 162 мм представляется более целесообразной. Однако при прошивке за одну операцию резко снижается износостойкость оправок, так как увеличивается время контакта между инструментом и горячим металлом. Это приводит к снижению качества внутренней поверхности гильз и труб, более частой замене инструмента и повышению простоев оборудования. При моделировании выбранный параметр фактора трения оказывает значительное влияние на значение энергосиловых параметров (крутящего момента и потребляемой мощности) и времени прошивки. Получены зависимости изменения энергосиловых параметров и времени прошивки от фактора трения при прошивке в двухвалковом стане с направляющими линейками. С возрастанием фактора трения снижается время прошивки и увеличиваются момент и мощность прокатки. Результаты моделирования коррелируются с экспериментальными результатами опытных прокаток. При правильно выбранном значении фактора трения ЭСП, время прокатки и геометрия гильзы могут быть с достаточной точностью спрогнозированы при помощи компьютерного моделирования.

Рассмотрены вопросы организации мониторинга тепловых режимов выплавки и разливки сплавов для литейных предприятий. Отмечено, что наименее надежным является способ, когда проведение замеров и фиксирование температуры возлагается на рабочего. С другой стороны, полностью автоматический подход не всегда доступен для небольших литейных предприятий. В связи с этим, показана целесообразность применения автоматизированного подхода, при котором проведение замеров возлагается на рабочего, а фиксирование значений производится автоматически. Такой способ предполагает реализацию алгоритма автоматической классификации температурных замеров на основе сквозного массива данных, полученных в производственном потоке. Решение поставленной задачи разделено на три этапа. На первом этапе производится подготовка исходных данных к процессу классификации. На втором этапе решается задача классификации замеров с использованием принципов искусственных нейронных сетей. Анализ результатов работы искусственной нейронной сети показал ее высокую эффективность и степень соответствия результатов анализа с фактической ситуацией на рабочей площадке. Так же отмечается, что применение принципов искусственных нейронных сетей позволяет сделать процесс классификации гибким, благодаря возможности легко дополнить процесс новыми параметрами и нейронами. Заключительным этапом является анализ полученных результатов. Корректно проведенная классификация данных предоставляет возможность не только проводить оценку соблюдения технологической дисциплины на участке, но и улучшить процесс выявления причин образования брака литья. Применение предложенного подхода позволяет снизить влияние человеческого фактора в процессе анализа тепловых режимов плавки и разливки сплавов при минимальных затратах на обеспечение мониторинга плавки.