Для выплавки высококачественной стали необходимо поэтапное производство в металлургических агрегатах, способных к выпуску продукции с высокими эксплуатационными свойствами и низким содержанием вредных примесей. Одной из вредных примесей является водород и важно ограничить его содержание в металле. Для обеспечения заданного содержания водорода металл на участке внепечной обработки стали КЦ­2 ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» подвергают обработке вакуумом в установке циркуляционного вакуумирования. Несмотря на распространенность циркуляционных вакууматоров, теоретически механизм удаления водорода в этих металлургических агрегатах изучен недостаточно. Для повышения эффективности удаления водорода проведены теоретические расчеты по удалению его из металла. Существует несколько механизмов удаления водорода: непосредственный переход водорода из металла в окружающее пространство; образование пузырей газа в металле и их непосредственное всплытие; зарождение пузырей водорода на границе огнеупорной кладки с металлом; удаление водорода при продувке металла нейтральным газом (аргоном). Показано, что основными путями удаления водорода в установке циркуляционного вакууумирования являются непосредственный переход водорода из металла в окружающее пространство и продувка расплава транспортирующим газом. В конвертерном цехе № 2 ПАО «НЛМК» на установке циркуляционного вакуумирования реализуются оба пути. Вакуумные насосы обеспечивают давление в вакуум­камере менее 101,3 Па (0,001 атм.). Это способствует интенсивному удалению водорода с поверхности металла. Для обеспечения циркуляции металла во впускной патрубок установки RH подается транспортирующий газ аргон, который также принимает участие в удалении растворенных газов путем перехода водорода в пузырьки нейтрального газа. Дополнительно проведенные расчеты показали, что основной путь дегазации в условиях КЦ­2 ПАО «НЛМК» – это удаление водорода в пузырьки транспортирующего газа.

На основании исследований процессов формирования напряженно­деформированного металла при прокатке железнодорожных рельсов в черновых клетях универсального рельсобалочного стана, проведенных с использованием программного комплекса DEFORM­3D, определены особенности распределения критерия Кокрофта­Лэтэма по сечению раската для калибров различной формы. Установлен крайне неравномерный характер распределения критерия Кокрофта­Лэтэма по сечению раската. По полученным данным в осевой зоне значения указанного критерия минимальны, а в приповерхностных слоях наибольшее значение критерия Кокрофта­Лэтэма и, соответственно, наибольшая вероятность образования дефектов имеют место вблизи вертикальной оси калибров. В калибрах сложной формы («трапеция», «лежачая трапеция», рельсовые калибры) выявлено наличие локальных зон с максимальным значением критерия КокрофтаЛэтэма, расположенных в местах формирования подошвы рельсового профиля, а для прокатки в калибре типа «трапеция» характерно наличие такой области также в приповерхностной зоне вблизи вертикальной оси калибра. В рамках определения закономерностей формирования схемы напряженно­деформированного состояния металла на начальной стадии прокатки рельсов установлена прямая взаимосвязь между неравномерностью распределения температуры по сечению раската и значениями (максимальными и средними по сечению) критерия Кокрофта­Лэтэма. При этом показано, что неравномерность распределения температуры по сечению раската имеет тенденцию к снижению при увеличении коэффициентов вытяжек по проходам и повышении частоты кантовок независимо от формы используемых калибров. Для калибров сложной формы установлено, что в дополнение к перечисленным параметрам значимое влияние на снижение температурной неоднородности также оказывает повышение подобия формы подката и используемого калибра. На основании результатов проведенных теоретических исследований разработан новый режим прокатки железнодорожных рельсов, опытно­промышленное опробование которого в условиях универсального рельсобалочного стана АО «ЕВРАЗ ЗСМК» показало снижение отбраковки рельсов на 0,78 % по сравнению с ранее использовавшимся режимом прокатки.

Принятие ООН целей в области устойчивого развития до 2030 г. послужило импульсом для разработки и введения в действие в Российской Федерации нормативных правовых актов, направленных на охрану окружающей среды, включая соответствующие финансовые механизмы. Задача снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха выделена в программных документах ООН в качестве одной из приоритетных. К наиболее проблемным в плане загрязнения атмосферного воздуха в России относятся 12 городов, в семи из которых функционируют предприятия черной металлургии. Проблемы экологического развития крупных промышленных центров сохраняются, несмотря на реализацию с 2012 г. государственной программы Российской Федерации «Охрана окружающей среды», а с 2019 г. – национального проекта «Экология», введение в действие системы квотирования выбросов загрязняющих веществ, определение перечня компенсационных мероприятий и создание федеральной государственной информационной системы мониторинга качества атмосферного воздуха. В таких городах, как Красноярск и Новокузнецк средняя фактическая годовая концентрация некоторых загрязняющих веществ, которые относятся к высокотоксичным и канцерогенным веществам I и II классов опасности, превышает предельно допустимую концентрацию в 5 – 6 раз. Проанализировано содержание докладов профильных органов государственной власти регионального уровня о состоянии и охране окружающей среды. Сделан вывод об отсутствии единства методических подходов к представлению в докладах аналитической информации о состоянии и качестве атмосферного воздуха, а также несвоевременности публикации самих докладов. Выявлен факт инерционности институциональной среды в плане включения в принимаемые нормативные правовые акты неактуальных норм, и как следствие – возникновение расходных обязательств бюджетов, реальная потребность в которых отсутствует. Установлен факт несоставления крупными предприятиями черной металлургии (ПАО «Челябинский металлургический комбинат» (Мечел) и ООО «Красноярский металлургический завод»), функционирующими в городах с очень высоким и высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха, корпоративной нефинансовой отчетности в формате GRI.

В настоящее время на технических устройствах опасных производственных объектов первичную оценку качества сварки выполняют испытанием оборудования повышенными нагрузками (повышенным давлением). Требования к испытаниям регламентированы нормативными документами Ростехнадзора. В последнее время, наряду с традиционными испытаниями, применяют «стресс­тест», сущность которого заключается в нагружении участка трубопровода до предела текучести с последующей проверкой на герметичность. Но в научных публикациях практически отсутствует информация о физических процессах, протекающих в основном металле и в металле сварных соединений при выполнении таких испытаний. Также не оценено влияние предварительной нагрузки (деформации) на параметры субструктуры и поля внутренних напряжений в сварных соединениях аустенитных сталей. Как следствие, не оценено влияние предварительной нагрузки (деформации) на дальнейшую безаварийную эксплуатацию испытанного оборудования. В работе проведен анализ изменения структурного состояния и значений амплитуд внутренних напряжений в образцах из стали 12Х18Н10Т под действием нагрузок. Обосновывается применение сварки модулированным током с автоматическим регулированием процесса тепловложения в сварочную ванну. Аргументируются предельно допустимые значения пластической деформации при испытаниях технических устройств повышенным давлением для данного типа стали. Показано, что для снижения риска повреждений сварных соединений аустенитных сталей (12Х18Н10Т) технических устройств опасных производственных объектов, выполненных импульсной сваркой с мелкокапельным переносом, для исключения образования в них микродефектов испытания повышенным давлением (стресс­тест) можно проводить при нагрузках, создающих в металле деформации, не превышающие 5 %; для соединений, заваренных ручной дуговой сваркой, деформации должны быть менее 5 %. Сварные соединения, выполненные импульсной сваркой с крупнокапельным переносом (с дефектами и без), не рекомендуется испытывать повышенным давлением.

Оценка возможности прямого микролегирования стали церием выполнена с помощью термодинамического моделирования восстановления церия из шлаков системы СаО–SiO2–Ce2O3, содержащих 15 % Аl2O3 и 8 % МgO, дополнительными присадками восстановителей (алюминия или ферросиликоалюминия), при температурах 1550 и 1650 °С с использованием программного комплекса HSC 6.1 Chemistry (Outokumpu). Показано, что в зависимости от дополнительных присадок алюминия или ферросиликоалюминия, температуры металла, основности шлака и содержания оксида церия в металл переходит от 0,228 до 40,5 ppm церия. При дополнительной присадке алюминия из шлака (Y1), содержащего 1,0 % оксида церия, в металл при 1550 °С переходит 0,228 ppm церия. Повышение температуры системы до 1650 °С сопровождается незначительным увеличением концентрации церия, достигающей не более 0,323 ppm. При присадке в металл ферросиликоалюминия содержание церия в металле выше и составляет 0,402 и 0,566 ppm при 1550 и 1650 °С соответственно. При увеличении до 7,0 % концентрации оксида церия в шлаке (Y2) наблюдается более существенный прирост содержания церия в металле, достигающий в диапазоне температур 1550 – 1650 °С, 1,65 – 2,31 ppm с присадками алюминия и 2,90 – 4,05 ppm с присадками ферросиликоалюминия. Наиболее ощутимое повышение содержания церия в металле наблюдается с ростом основности шлака. При формировании шлаков в области основности 2 – 3, содержащих 1 – 7 % Ce2О3, равновесная концентрация церия в металле изменяется от 0,5 до 4 ppm с присадками алюминия и 1 – 7 ppm с присадками ферросиликоалюминия при 1550 °С. Смещение шлаков в область повышенной до 3 – 5 основности сопровождается при содержании 3 – 7 % Ce2О3 повышением равновесной концентрации церия в металле до 4 – 12 ppm с присадками алюминия и 7 – 20 ppm с присадками ферросиликоалюминия и, как следствие, повышением эффективности протекания процесса восстановления церия.

Приводится обзор и критический анализ процесса цифровизации ведущих российских предприятий черной металлургии в соответствии с концепцией развития «Индустрия 4.0». Она предусматривает создание цифровых двойников пирометаллургических технологий, широкое применение машинного зрения и искусственного интеллекта. Представлены примеры отечественных промышленных систем, использующих в производственном цикле технологии машинного (технического) зрения, цифровых помощников (двойников) металлургических агрегатов и их комплексов. Применительно к доменному производству рассмотрены системы технического зрения, используемые для контроля процессов в верхней и нижней зонах доменной печи. Перспективным направлением является интеграция систем технического зрения и поддержки принятия решений, включающих алгоритмы и программные модули реализации детерминированных математических моделей отдельных явлений доменной плавки. В их в основу положены фундаментальные физические представления о процессах доменной плавки. Одним из основных направлений цифровой трансформации пирометаллургических технологий является создание интеллектуальных систем управления технологическим процессом агрегатов и их комплексов в металлургии в режиме реального времени. При постановке и решении задач требуются не только изучение характеристик, описывающих влияние изменения условий плавки на технико­экономические показатели работы отдельных печей, но и детальный анализ для математического описания внешних и внутренних ограничений. Представлены примеры подсистем контроля тепловых потерь доменной печи, прогнозирования параметров фурменных очагов и управления распределением дутьевых параметров по окружности доменной печи, автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха. Создание таких систем проведено на основе современных принципов и технологий разработки соответствующего математического, алгоритмического и программного обеспечений.

Выполнен краткий обзор публикаций последних лет отечественных и зарубежных исследователей по изучению возможностей улучшения механических свойств пятикомпонентного высокоэнтропийного сплава (ВЭС) Cantor различного фазового состава в широком диапазоне температур. Этот один из первых, созданных эквимолярных ВЭС с ГЦК структурой несмотря на высокую ударную вязкость и повышенное сопротивление ползучести нуждается в улучшении механических свойств ввиду возможных областей использования. Отмечено, что создание бимодального распределения зерен по размерам путем интенсивной пластической деформации кручением при высоком давлении 7,8 ГПа литого сплава и последующего кратковременного отжига при 873 и 973 К способно значительно изменить прочностные и пластические свойства. Для полученного методом магнетронного распыления ВЭС и последующего отжига при 573 К достигался наноразмерный масштаб зерен, окруженных аморфной оболочкой. В таком двухфазном сплаве нанотвердость составляла 9,44 ГПа, а модуль упругости 183 ГПа. Используя эффект пластичности, индуцированной фазовым превращением в сплаве (CrMnFeCoNi)50Fe50, полученном методом лазерной аддитивной технологии, достигался предел прочности 415 – 470 МПа при высоком уровне пластичности до 77 %. Это обеспечивалось бездиффузионным ГЦК → ОЦК превращением. Показано, что различие в виде механизмов пластической деформации литого сплава при 77 и 293 К (дислокационное скольжение и двойникование) определяет комбинацию повышенных свойств прочность – пластичность. Предварительно продеформированные при 77 К образцы для формирования нанодвойников при последующем нагружении при 293 К проявляют повышенную прочность и пластичность по сравнению с недеформированными. Для ВЭС, полученного по лазерной аддитивной технологии, также справедлив этот путь повышения свойств. Отмечен путь улучшения механических свойств за счет электронно­пучковой обработки. Обращено внимание на необходимость учета роли энтропии, искажений кристаллической решетки, ближнего порядка, слабой диффузии и «коктейль» эффекта в анализе механических свойств.

Методология нормативных моделей, алгоритмы их построения, а также процедуры применения в задачах управления и оптимизации производственных объектов должны в полной мере отвечать современным требованиям (многовариантность, ситуационность, комплексность, оптимальность, динамичность, гибкость). Рассмотрены аспекты построения и применения нормативных моделей функционирования подразделений металлургического предприятия.