В серии статей, состоящей из двух сообщений, на основании литературных и собственных данных изучено влияние бора на характеристики процессов всех стадий металлургического передела: от агломерации, выплавки чугуна и ферросплавов, до производства стали, а также воздействие бора на свойства получаемого шлака и металла. Для интенсификации процесса упрочнения окатышей на стадии жидкофазного спекания и улучшения металлургических свойств достаточно наличия в них 0,20 ‒ 0,35 % оксида бора. По данным лабораторных исследований, наличие в окатышах оксида бора повышает их прочность на сжатие в 1,5 ‒ 1,7 раза, горячую прочность ‒ в 3 ‒ 4 раза. При изучении механизма и кинетики удаления серы показано, что присутствие борного ангидрида значительно ускоряет процессы десульфурации окатышей и смещает их интенсивное протекание в область более низких температур (1050 ‒ 1100 °С). Для повышения прочностных характеристик агломерата возможна добавка в шихту В₂О₃ . Исследования показали, что ввод 0,44 % В₂О₃ приводит к снижению содержания мелочи (0 ‒ 5 мм) в 1,5 раза по сравнению с базовым образцом и не влияет на истираемость агломерата. Использование борсодержащих окатышей в доменной плавке позволило без технологических осложнений увеличить основность конечного шлака с 1,10 до 1,16, в связи с чем коэффициент распределения серы возрос с 48 до 74. Благодаря этому произошло снижение содержания серы в чугуне на 0,005 %. На основании приведенных теоретических, лабораторно-экспериментальных и промышленных данных показана возможность за счет использования бора и его соединений в процессах подготовки и металлургической переработки рудных материалов повысить технико-экономические показатели производства и качество окатышей, агломератов и чугуна.

Актуальная задача повышения эксплуатационного ресурса штампованно-катаных железнодорожных колес является комплексной проблемой. Существенное влияние на напряженно-деформированное состояние колеса в целом и его диска в частности оказывают остаточные технологические напряжения, полностью устранить которые невозможно. На различных стадиях обработки черновых колес поле остаточных напряжений непрерывно меняется. Это затрудняет учет остаточных напряжений в прочностных расчетах колес. В сообщении 1 настоящей работы предложен метод учета остаточных технологических напряжений, сущность которого заключается в задании при моделировании величины натяга между ступицей и осью больше фактической. Такой подход позволил получить в колесе дополнительные напряжения, которые адекватно отражают влияние остаточных технологических напряжений. В данной части работы выполнена практическая реализация разработанного метода и оценка степени влияния остаточных технологических напряжений на напряженно-деформированное состояние диска колеса при действии эксплуатационных нагрузок. Применительно к конструкции колеса диаметром 957 мм с плоскоконическим диском (ГОСТ 10791 – 2011) выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния диска при действии механических видов нагрузки. Реализованное при расчетах увеличение натяга между ступицей и осью на 60 % позволило установить, что наличие в колесе остаточных технологических напряжений вызывает повышение на 5 – 38 % максимальных эквивалентных напряжений в наиболее нагруженных при эксплуатации зонах диска. Таким образом, предлагаемый метод учета остаточных технологических напряжений позволяет получить верхнюю оценку прочностных характеристик колес, а, следовательно, более адекватно прогнозировать срок их эксплуатации.

Известно, что на свойства рельсового металла отрицательно влияют недеформируемые неметаллические включения, содержащие оксиды алюминия. Поэтому в рельсовых марках стали содержание алюминия ограничено величиной 0,004 % (по массе). Алюминий может попадать в металл из шихтовых материалов и огнеупорной футеровки. В данной работе произведен анализ влияния химического состава огнеупорных материалов, применяемых при производстве рельсовой стали на одном из отечественных предприятий, на качество стали. Для определения основных типов неметаллических включений, образующихся в рельсовых сталях марки Э76Ф, был произведен фракционный газовый анализ проб, отобранных на технологических этапах производства. Установлено, что состав шлака после вакуумирования меняется незначительно, при этом большую часть неметаллических включений, находящихся в рельсовом металле, представляют алюминаты.

В представленной статье приведены результаты термодинамического моделирования процессов восстановления цинка и железа из расплавов B₂O₃ ‒ CaO ‒ Fe₂O₃ ‒ ZnО смесями СО ‒ СО₂ и Н₂ ‒ Н₂О, содержащими 0 ‒ 60 % СО₂ (Н₂О) в интервале температур 1273 ‒ 1673 К. В работе использована методика, описывающая восстановление металлов из оксидного расплава газом в барботажных процессах в условиях, обеспечивающих приближение к реальным системам. Ее оригинальность состоит в том, что равновесие определяют для каждой единичной порции газа, вводимой в рабочее тело, а содержание оксидов восстанавливаемых металлов в каждом расчетном цикле принимают из предшествующих данных. В ходе расчетов проведена оценка изменения содержания оксидов цинка (С_ZnO ) и железа (С_Fe2O3  , С_Fe3O4  и С_FeO ) в расплаве и степени их восстановления. Показано, что при восстановлении CО или Н₂ этот процесс протекает в три этапа. На первом этапе происходит восстановление Fe₂O₃  до Fe₃O₄  и FeO. Значения С_Fe2O3  уменьшаются почти до нуля, одновременно увеличиваются С_Fe3O4  и С_FeO . К концу этапа С_Fe3O4 достигает максимального значения. На втором этапе имеет место переход Fe₃O₄ → FeO, когда значения С_FeO  достигают максимума. На этих этапах возникает небольшое увеличение С_ZnO . На третьем этапе значения С_FeO и С_ZnO уменьшаются, происходит восстановление железа и цинка. Рост температуры резко снижает расход газа на восстановление цинка в 2 ‒ 3 раза, а замена СО на Н₂ уменьшает его менее, чем на 20 %. В присутствии окислителей (СО₂ или Н₂О) восстанавливается только цинк. Процесс завершается, когда конечное содержание оксида цинка в расплаве соответствует равновесному с исходным составом газа. Чем выше температура, тем меньше С_ZnO . Полученные данные полезны для создания технологий селективного восстановления металлов

Одно из применений строительных низкоуглеродистых сталей типа 22К – в качестве материала корпуса устройства локализации расплава (УЛР) для атомных электростанций с водо-водяными энергетическими реакторами. При развитии тяжелой запроектной аварии корпус УЛР будет находиться в условиях длительных высокотемпературных воздействий, что может существенно изменить структурное состояние и привести к деградации механических свойств материала корпуса. Данные о влиянии таких воздействий на механические свойства и сопротивление разрушению сварных швов (свойства которых обычно отличаются от свойств основного металла) из низкоуглеродистых сталей очень ограничены в литературных источниках, что затрудняет гарантирование прогноза надежности и безопасности УЛР. Целью настоящей работы являлось проведение сравнительных испытаний на ударный изгиб образцов основного металла и металла шва сварного соединения стали 22К до и после длительной высокотемпературной термической обработки, имитирующей термическое воздействие в условиях тяжелой аварии на материал корпуса АЭС. Сварные соединения листов из стали 22К между собой получали методом автоматической аргонодуговой сварки плавящимся электродом (применялась сварочная проволока СВ-08Г2С) в соответствии с ПНАЭ Г-7-009–89. По результатам испытаний строились сериальные кривые и проводился анализ изломов образцов. Изучено влияние структурных факторов на ударную вязкость KCV. Показано, что длительное высокотемпературное воздействие приводит к повышению температур начала и конца вязко-хрупкого перехода на 30 – 50 °С и расширению на 15 – 25 °С интервала температур вязко-хрупкого перехода как основного металла, так и металла шва сварного соединения.

Рассмотрено распределение температур в стали при ее непрерывной разливке. Замер температур осуществлялся последовательно в сталеразливочном (один замер) и промежуточном (два замера) ковшах с помощью платино-платинородиевой термопары с точностью

±4 °С. В работе проанализированы результаты 170 разливок двух марок стали: 5СП и 35ГС. Выполнена проверка вида распределения совокупности температур на основе трех критериев согласия: χ-квадрат Пирсона, Колмогорова-Смирнова λ и Шапиро-Уилка W. Показано, что значения температур в сталеразливочном ковше для различных видов стали укладываются в модель нормального распределения. Полученные результаты согласуются с физической картиной разливки стали. Металл в сталеразливочном ковше находится практически в стабильном состоянии и подвержен только естественному охлаждению через футеровку, крышку и корпус ковша. В варианте анализа выборки значений температуры в промежуточном ковше при первом и втором замерах гипотезу о нормальном распределении следует отвергнуть. Здесь температура стали зависит от ряда параметров, в том числе от скорости поступления и скорости разливки, времени подачи и состава шлакообразующих и теплоизолирующих смесей и др. Попытки установить зависимость между температурами стали в сталеразливочном и промежуточном ковшах не увенчались успехом. Рассматривая измерение температуры в промежуточном ковше как два последовательных массива данных, первый из которых является аргументом, а второй – функцией, установлена линейная зависимость между этими массивами. Эта зависимость между первым и вторым измерениями температуры в промежуточном ковше может быть использована для оценки конечной температуры стали при выпадении показаний термопары, в том числе в случае выхода из строя. Результаты выполненной работы могут быть использованы при разработке математической модели разливки стали.

Работа посвящена проблеме гибкого мелкосерийного производства оцинкованного проката различного сортамента на агрегате непрерывного горячего оцинкования при переменной производительности. Основное внимание уделено термической обработке стальной полосы, требования к которой ограничивают производительность. В условиях возмущений необходимо упреждающее управление термообработкой с применением моделей, либо снижение скорости движения полосы для гарантированного выполнения требований. В отличие от большинства работ, где сделан акцент на управлении нагревом и выдержкой, данная работа посвящена охлаждению полосы. На основе анализа производственных данных Магнитогорского металлургического комбината показано, что нарушение требований к охлаждению влечет появление дефектов цинкового покрытия. Приведена зависимость вероятности возникновения дефектов от температуры полосы. Сформулированы задачи упреждающего управления охлаждением с применением моделей в условиях отсутствия контроля температуры рабочего пространства в отделении охлаждения. Для каждой из задач определены структура модели и способ ее настройки по данным, накопленным за значительный период работы агрегата в условиях неконтролируемых систематических возмущений. Предложена структура системы управления охлаждением с применением в качестве регулируемой переменной оценки температуры рабочего пространства, определяемой по модели. Продемонстрировано, что отсутствие контроля температуры рабочего пространства в отделении охлаждения не является проблемой при управлении с варьированием производительности. Приведены результаты настройки моделей по данным агрегата непрерывного горячего оцинкования Магнитогорского металлургического комбината. Предложенные структуры моделей, а также способы их настройки могут быть применены и при разработке моделей нагрева металла в печах.

Представлено математическое и компьютерное моделирование поведения капель жидкого электродного металла при протекании процесса электрошлакового переплава (ЭШП) на постоянном источнике тока. Изучение воздействия электрического поля, создаваемого постоянным током, позволило показать отклонение траектории движения капли от оси электрода. Поток электронов и капли электродного металла подвергаются воздействию электромагнитных сил, что приводит к их смещению относительно оси переплавляемого электрода. Данное воздействие влечет за собой дестабилизацию ванны жидкого металла и кристаллическую неоднородность. В свою очередь, внешнее воздействие на протекание процесса ЭШП может дать возможность стабилизации ванны жидкого металла даже с использованием постоянного тока. В данном качестве могут выступать центробежные силы, которые возникают в случае применения технологии с вращением расходуемого электрода вокруг собственной оси. Для установления оптимальных показателей скорости вращения необходимо оценить величину воздействия магнитного поля, возникающего в процессе переплава на постоянном токе. Моделирование проводилось с использованием программного пакета Ansys Fluent 16.0 на примере переплава стали 12Х18Н10Т под флюсом АНФ-6. Алгоритм вычисления Ansys Fluent основан на методе конечных элементов. В данной работе математический аппарат изменению не подвергался и использовался в первоначальном виде. Применялся метод магнитной индукции. База сведений о протекающем процессе строилась по сетке конечных элементов с определенным, но достаточным уровнем адекватности и качества. Каждый элемент содержит сведения о модели в данной точке, заданные для данного процесса моделирования. Выявлено изменение траектории движения капли электродного металла электрическим полем с противоположного направления, по которому стекает капля. Средняя длина пути, преодолеваемого каплей жидкого металла от оси кристаллизатора до внутренней поверхности, составляет от 5 до 15 см. Смоделировано движение капли электродного металла без наложенного внешнего магнитного поля. Моделирование позволило определить (оценить) направление движения капель электродного металла и показатель необходимой внешней силы для стабилизации ванны жидкого металла при протекании процесса ЭШП на постоянном токе, равный 0,067 Н.

Еланский Геннадий Николаевич, 
07.04.1937 – 22.06.2021