Изучена возможность применения порошковой проволоки для износостойкой наплавки, содержащей отходы (пыли газоочисток) производств силикомарганца и алюминия. Наплавку осуществляли с помощью сварочного трактора под флюсом, изготовленным из шлака силикомарганца производства Западно­Сибирского электрометаллургического завода. Скорость износа на образцах определяли на машине 2070 СМТ­1. Метод определения скорости износа основан на изменении массы образца при испытании диск – колодка. Химический состав наплавленного металла определяли рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре XRF­1800 и атомно­эмиссион­ ным методом на спектрометре ДФС­71. Твердость наплавленных слоев измеряли с помощью твердомера МЕТ­ДУ. Оценку количества неметаллических включений проводили по ГОСТ 1778 – 70 с помощью оптического микроскопа ОLYMPUS GX­51. В работе показана возможность применения для износостойкой наплавки порошковой проволоки, содержащей техногенные отходы производства силикомарганца и алюминия. Определен коэффициент усвоения марганца при различных соотношениях компонентов. Коэффициент усвоения марганца связан с восстановлением оксида марганца из марганецсодержащего флюса (за счет содержащегося в порошковой проволоке углерода). При значительном избытке углерода в порошковой проволоке из марганецсодержащего флюса усвоение марганца превышает 100 %. Процесс усвоения марганца определяется коэффициентом заполнения порошковой проволоки, количеством углеродсодержащего материала, находящегося в составе шихты, и содержанием углерода в самом электродуговом покрытии. В наплавленном металле присутствуют силикаты недеформирующиеся и оксиды точечные. Загрязненность оксидными неметаллическими включениями наплавленного металла небольшая. Присутствие данных неметаллических включений не оказывает существенного влияния на эксплуатационные характеристики наплавленного слоя.

Представлены результаты проведенного с использованием концентрированных потоков энергии поверхностного упрочнения карбидовольфрамовых твердых сплавов. На твердый сплав ВК10КС способом электроискровой обработки наносится сплав ВК6­ОМ толщиной 20 мкм. При этом получается поверхностный упрочненный слой, состоящий из W₂C. Твердость получаемого слоя составляет 22 000 МПа, коэффициент трения 0,23 (по сравнению с коэффициентом трения исходного твердого сплава 0,41), сохраняется прочная, но недостаточно износостойкая основа. В работе способом однокомпонентного электровзрывного легирования титаном был получен поверхностный слой на твердом сплаве ВК10КС толщиной 40 мкм, фазовый состав TiC, W₂C. Нанотвердость данного слоя 25 000 МПа, коэффициент трения 0,14. На твердом сплаве ВК10КС способом многокомпонентного электровзрывного легирования титаном совмест­ но с бором получен поверхностный слой толщиной 3 – 4 мкм фазовым составом TiB₂ , TiC, W₂C. Нанотвердость упрочненного слоя 27 500 МПа, коэффициент трения 0,10. Применяя методику раздельных катодов, на поверхность твердого сплава ВК10КС было нанесено ионно­плазменное TiN + ZrN покрытие (50 % Ti + 50 % Zr) толщиной 20 мкм. В качестве реакционного газа использовался азот. Нано­твердость упрочненного таким способом поверхностного слоя составляет 38 500 МПа, коэффициент трения 0,07. Ионно­плазменное TiN + ZrN покрытие обладает хорошей адгезией с основой. Использование предлагаемых способов поверхностного упрочнения твердого сплава ВК10КС дает возможность выбора одного из методов упрочнения исходя из условий эксплуатации твердосплавного инструмента, продлить его эксплуатационный срок; сэкономить дефицитные материалы (вольфрам и кобальт).

Методами растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа исследованы структура, фазовый и химический составы теплостойкого сплава, сформированного плазмой в среде азота с последующим высокотемпературным отпуском. Установлено, что в наплавленном сплаве основными фазами являются твердый раствор α­железа и карбонитриды на основе железа, вольфрама, хрома, молибдена, алюминия (Fe6W6NС и AlN). Высокотемпературная обработка (четырехкратный высокотемпературный отпуск при температуре нагрева 580 °С и времени выдержки 1 ч) наплавленного покрытия приводит к росту параметра кристаллической решетки (с 2,866 до 2,89 Å) и размеров областей когерентного рассеяния (с 25 до 100 нм), уменьшению внутренних упругих напряжений (с 1000 до 600 МПа). На поверхности наплавки наблюдается явно выраженная ориентированная дендритная структура. После наплавки и высокотемпературного отпуска ориентированная дендритная структура практически не просматривается. Распределение микротвердости по глубине наплавленного слоя в состоянии после наплавки характеризуется значительным разбросом значений при ее высоком среднем значении на поверхности 4,142 ГПа (дисперсия 1,0956) и средней части наплавки 5,153 ГПа (дисперсия 1,5697). Разброс значений микротвердости связан со сложным тепловым воздействием многослойной плазменной наплавки по винтовой линии и перемешиванием материала подложки с наплавляемым покрытием. Высокотемпературный отпуск приводит к выравниванию значений микротвердости и повышению ее среднего значения до 5,7 – 6,5 ГПа. Уточнена природа упрочнения наплавленного теплостойкого металла высокой твердости, дополнительно легированного азотом и алюминием. Основное упрочнение наплавленного металла происходит при высокотемпературном отпуске за счет увеличения количества карбидных и карбонитридных фаз и образования мелкодисперсного нитрида алюминия.

Выполнен сравнительный количественный анализ физических механизмов упрочнения поверхностных слоев рельсов после экстремально длительной эксплуатации. В основе метода находятся ранее установленные закономерности формирования структурно­ фазовых состояний и механических свойств дифференцированно закаленных длинномерных рельсов производства АО «ЕВРАЗ ЗСМК» на глубине до 10 мм в головке рельсов по центральной оси и выкружке после пропущенного тоннажа 1411 млн т. В расчетах были учтены объемные доли и характеристики того или иного типа субструктуры. Увеличение микротвердости и твердости поверхностных слоев рельсов, подвергнутых сверхдлительной эксплуатации на экспериментальном кольце РЖД, носит многофакторный характер и определяется суперпозицией ряда физических механизмов. Оценены вклады, обусловленные трением решетки матрицы, внутрифазными границами, дислокационной субструктурой, присутствием карбидных частиц, внутренними полями напряжений, твердорастворным упрочнением, перлитной составляющей структуры стали. Независимо от направления анализа (вдоль центральной оси головки или вдоль оси симмет­ рии выкружки) прочность металла рельсов зависит от расстояния до поверхности: увеличивается по мере приближения к поверхности головки. Установлены наиболее значимые физические механизмы, которые обеспечивают высокие прочностные свойства металла головки рельсов, подвергнутых экстремально длительной эксплуатации. В подповерхностном слое (расположенном на глубине 2 – 10 мм) головки рельсов наиболее значимым физическим механизмом является дислокационный, обусловленный взаимодействием движущихся дислокаций с неподвижными дислокациями (дислокациями «леса»), а в поверхностном слое головки рельсов – субструктурный, обусловленный взаимодействием дислокаций с малоугловыми границами фрагментов и субзерен нанометрового диапазона. Проведено сравнение с количественными значениями механизмов упрочнения рельсов после пропущенного тоннажа 691,8 млн т. Показано, что увеличение пропущенного тоннажа в интервале 691,8 – 1411 млн т приводит к существенному (в 1,5 – 2,0 раза) повышению прочности.

С целью выявления узких мест в работе основного технологического оборудования и накопления данных для разработки организационных и технических мероприятий по снижению внеплановых простоев оборудования на АО «Выксунский металлургический завод» ведется их учет. Все простои фиксируются производственным персоналом в системе автоматизированного анализа работы цеха. Специалис­ тами по надежности в цехах классифицированы все агрегаты по категориям критичности, представленные в виде матрицы, включающей в себя две группы показателей. Первая группа ‒ тяжесть последствий: безопасность персонала, безопасность оборудования и окружающей среды, производственные потери, затраты на устранение неполадок. Вторая ‒ вероятность возникновения: высокая, средняя, низкая и очень низкая. При определении оценки критичности единицы оборудования рассматриваются самый критичный случай поломки и самый худший вариант. Классификация оборудования по категориям критичности используется для его ранжирования с точки зрения надежности. Рассмот­ рены критерии работоспособности деталей машин, а также основные существующие на сегодняшний день программные комплексы для проведения прочностного анализа. Выбраны два, которые будут использоваться в качестве инструментов прочностного анализа. Проведен анализ внеплановых простоев оборудования по причине разрушения деталей на примере колесопрокатного цеха АО «Выксунский металлургический завод», выгруженных из системы автоматического анализа работы цеха. Предложены направления применения выбранных инструментов прочностного анализа, а также проведен прочностной анализ деталей оборудования с целью повышения их конструкционной надежности. Выполнена оценка потенциального экономического эффекта от внедрения инструментов прочностного анализа, который показал целесообразность применения данного инновационного подхода, приводящего к сокращению простоев.

Одной из основных отраслей металлургической промышленности является обработка металлов давлением. Целью такой обработки является формирование изделий из металлических заготовок простых форм. Важная роль при этом принадлежит технологии листовой прокатки. Решение вопросов, связанных с выбором оптимальных режимов листовой прокатки, является актуальным для специалистов в рассматриваемой области. Процесс прокатки металлоизделий специфичный, так как контактные напряжения могут превышать сопротивление деформации прокатываемого металла в несколько раз. Задачи прогнозирования качества изделий с учетом предупреждения дефектов сплошности листового металла, а также исследования надежности технологических операций процесса прокатки связаны с решением производственных и научных проблем в рассматриваемой области. Отечественными и зарубежными исследователями отмечено значительное влияние внешнего трения в очаге деформирования на технологические параметры процесса прокатки и качество получаемой металлопродукции. Известно, что без внешнего трения между металлом и валком прокатка невозможна. Снижение трения обеспечивает возможность повышения экономических показателей процесса листовой прокатки, а сама технология прокатного производства обладает значительными возможностями для дальнейшего усовершенствования. Моделировать условия трения в зоне деформации позволяет технология листовой прокатки в условиях гидродинамического режима трения. Учет гидродинамического эффекта смазки позволяет оценивать влияние технологических факторов на условия контактного трения при обработке металлов давлением и управлять процессом прокатки. Исследованы закономерности течения жидкой ньютоновской смазки с учетом особенностей геометрии зоны деформации при листовой прокатке. Определена нагнетающая способность смазочного клина, которая позволяет объяснить закономерности влияния смазки на условия трения. В качестве примера представлены результаты расчета давления смазки в зависимости от скорости прокатки. Приведены скорости прокатки, обеспечивающие жидкостный режим трения. Полученные соотношения позволяют оценить влияние контактного трения на технологические параметры процесса листовой прокатки и могут быть использованы в технологических расчетах данного процесса.

В металлургической промышленности примерно 40 % энергии, затрачиваемой на подготовку руды для дальнейшего передела, приходится на процессы дробления, которые осуществляются на дробильных машинах. Известный энергоэффективный способ дробления в одновалковой дробильной машине с гладкими валками обладает существенным недостатком (малой производительностью), обусловленным ограниченной степенью дробления. С целью увеличения производительности одновалковые дробильные машины оснащаются упорами на валке, которые обеспечивают принудительную подачу разрушаемого материала в зону дробления. На валке следует устанавливать максимально возможное количество упоров, при этом должно выполняться условие гарантированной подачи куска дробимого материала в зону разрушения. Разработанная математическая модель позволяет рассчитать максимально возможное количество упоров, обеспечивающее гарантированный захват исходного куска в зону разрушения.

Выполнено теоретическое обоснование повышения эффективности дожигания конвертерных газов в агрегате при двухъярусной подаче разноимпульсных кислородных струй и сгорании СО до СО₂ в канальном потоке газов, выходящих из реакционной зоны. Проведен термодинамический анализ процесса дожигания отходящих газов в полости конвертера при использовании для продувки двухъярусных кислородных фурм. Показано, что при вдувании кислородных газовых струй через сопла верхнего яруса с расходом 10 – 40 % от общего минутного расхода не обеспечивается достаточно полное дожигание оксида углерода СО. Лимитирующими факторами являются неравномерное количество и неорганизованный выход образующегося в реакционных зонах СО в различные периоды операции, низкая эффективность перемешивания отходящего потока с высокоскоростными газовыми струями и чрезмерно избыточное количество кислорода, подаваемого для дожигания, недостаточное смешение компонентов газовой фазы и низкая скорость реакции. Показано, что при обеспечении условий для дожигания СО до соотношения концентрации в газовой фазе image температура отходящего газа в полости конвертера может возрастать с 1800 до 2000 К, далее тепловой эффект от экзотермической реакции уменьшается. Количество кислорода, вдуваемого для дожигания СО, должно соответствовать остаточному содержанию углерода в металле при выполнении условия м³/мин ≈ 100 [С_ост ] %. Избыток кислорода в газовой фазе и присутствие значительного количества нейтрального газа в значительной степени уменьшают коэффициент использования выделяющегося тепла в агрегате.

Известно, что максимальные тепловые потери в воздушной водоохлаждаемой фурме доменной печи приходятся на дутьевой канал. Эффективным способом их снижения является установка теплоизолирующей керамической вставки. Теплоизолирующие вставки, установленные во внутренний стакан воздушных фурм для доменной печи № 5 ПАО «Северсталь», снижают тепловые потери через фурму на 30 %, а вставки, изолирующие большую часть внутренней поверхности рыльной части, дополнительно снижают тепловые потери через фурму на 26,2 %. С помощью программного комплекса ANSYS исследовано влияние конструкционных параметров на тепловые процессы в воздушной фурме доменной печи с теплоизолирующей вставкой. Для большей реалистичности моделирования в данной работе в качестве области моделирования рассматривалась вся воздушная фурма, включая контур водяного охлаждения. Выступ вставки в дутьевой канал на 2 мм улучшает перемешивание природного газа и дутья, способствует горению газа в дутьевом канале, что приводит к повышению тепловых потерь через дутьевой канал и снижению стойкости вставки. Для повышения стойкости вставки и снижения теп­ловых потерь через дутьевой канал обосновано применение удлиненной вставки переменной толщины, изменяющейся с 13 до 8 мм по направлению дутья, не выступающей в дутьевой канал и имеющей угол между нормалью к стенке внутреннего стакана и осью отверстия для подачи природного газа около 30°. Показано, что для получения максимального теплосодержания дутья, на которое влияет горение природного газа и тепловые потери с охлаждающей водой в дутьевом канале, предпочтителен вариант с удлиненной вставкой переменной толщины, изменяющейся с 10 до 8 мм по направлению дутья, и осью отверстия для подачи природного газа, перпендикулярной стенке внутреннего стакана.