Preview

Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 65, № 5 (2022)
Скачать выпуск PDF

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

305-322 99
Аннотация

Рассмотрены свойства, области применения и методы получения карбидов титана и ванадия. Эти карбиды относятся к  бескислородным тугоплавким металлоподобным соединениям. Вследствие этого они характеризуются высокими значениями тепло- и  электропроводности. Твердость их сравнительно велика. Карбиды титана и ванадия проявляют значительную химическую стойкость в агрессивных средах. По этим причинам они нашли применение в современной технике. Эти карбиды используются в качестве наплавочных материалов при нанесении износостойких покрытий на стальные изделия. Возможно их использование в качестве катализаторов в органическом синтезе. Карбид титана применяется в безвольфрамовых твердых сплавах, карбидосталях. Вследствие высокой твердости он используется как абразив и компонент керамических режущих инструментов. Однако при выплавке ванадиевого чугуна образование карбида и карбонитрида титана нежелательно, поскольку они из-за тугоплавкости увеличивают вязкость расплава. Карбид ванадия служит ингибитором роста зерен карбида вольфрама в твердых сплавах. Свойства тугоплавких соединений зависят от содержания примесей и дисперсности (размеров частиц). Для решения конкретной задачи, связанной с применением тугоплавких соединений, важно правильно выбрать метод их получения и определить допустимое содержание примесей в исходных компонентах. Это обусловливает наличие разных методов синтеза карбидов. Основными методами их получения являются синтез из простых веществ (металлы и углерод), металлотермическое и карботермическое восстановление. Также для получения нанопорошков карбидов применяется плазмохимический синтез (осаждение из парогазовой фазы). Дана характеристика каждому из этих методов. Приведены сведения о возможном механизме процессов карботермического синтеза.

323-332 67
Аннотация

В настоящее время в машиностроении все большее применение находят дуплексные нержавеющие стали, в которых аустенит и феррит находятся в примерно равных долях. При получении литых изделий из этих сталей в отливках формируется химическая и  структурная неоднородность, для устранения которой проводят термическую обработку. На практике в рамках одного класса или даже одной марки стали химический состав и, как следствие, соотношение фаз могут варьироваться в широком диапазоне, не достигая своих оптимальных значений. В работе исследовано влияние химического состава и условий кристаллизации на структуру и свойства литых дуплексных нержавеющих сталей и разработаны термодинамические критерии для выбора литейных сплавов, учитывающие температуру начала полиморфного превращения δ-феррита в аустенит и среднюю равновесную скорость этого превращения. Установлено, что в  изученных сталях с 21 – 26 % хрома кристаллизация протекает с образованием дендритов δ-феррита, а аустенит образуется в твердом металле по местам бывших междендритных пространств. Показано, что при скоростях охлаждения, существующих при получении, например, корпусов центробежных насосов или других изделий близкого размера, превращение δ-феррита в аустенит практически подавляется при достижении температуры 1180 – 1200 °С. На основе этого можно разработать составы дуплексных нержавеющих сталей, позволяющие получить требуемое соотношение аустенита и феррита без дополнительной термической обработки. Изучена эволюция структуры при термической обработке при температурах 1050 – 1250 °С и показано, как выбирая оптимальную температуру отжига и  закалки в зависимости от реального химического состава стали, можно добиться приемлемого уровня потенциала питтингообразования с меньшим легированием. И наоборот, неоптимальная термообработка высоколегированного сплава приводит к катастрофическому снижению коррозионной стойкости. В рассмотренных сталях оптимальные свойства достигаются уже при 70 % δ-феррита.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ 

333-343 50
Аннотация

Методами корреляционного анализа проведено исследование теплового состояния жидкого металла на этапе непрерывной разливки стали в предположении, что измеримые объекты являются случайными величинами. Тепловое состояние металлического расплава характеризуется значениями температуры металла Tn на данной стадии и длительностью протекания стадий τn и описывается интегральным показателем – скоростью охлаждения Wn. Скорость охлаждения представляет собой отношение разности температур жидкого металла в начале и конце стадии к длительности данной стадии. Вычислены скорости охлаждения металла на различных стадиях этапа непрерывной разливки стали. Первая стадия включает период времени от завершения обработки металла на агрегате комплексной обработки стали до начала вакуумирования. Вторая стадия включает период от начала вакуумирования до его завершения. Третья стадия включает период от момента завершения вакуумирования до первого измерения температуры в промежуточном ковше. И далее идут периоды последовательных измерений температуры в промежуточном ковше. Установлено, что скорости охлаждения металла варьируются в  значительных пределах в зависимости от технологических стадий. Абсолютные значения скорости охлаждения отличаются более, чем на порядок. Минимальная скорость охлаждения металла зафиксирована в промежуточном ковше. Ее значение составляет 0,09  °С/мин. 
Максимальная скорость охлаждения металла выявлена при выпуске металла из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш, при этом скорость охлаждения составляет 1,43  °С/мин. Определены основные факторы, влияющие на скорость охлаждения металла. К этим факторам относятся начальная температура жидкого металла после завершения обработки на агрегате комплексной обработки стали, температура жидкого металла после завершения вакуумирования, наличие на поверхности жидкого металла оксидного раствора, образованного шлакообразующими смесями, наличие и эффективность теплоизолирующих смесей, а также теплоизолирующие характеристики огнеупорных футеровок. При вакуумировании скорость охлаждения металла существенным образом определяется конвективными потерями энергии и потерями энергии с на нагрев инертного газа. После стадии вакуумирования скорость охлаждения значительно снижается за счет применения теплоизолирующих смесей. Наибольшая скорость охлаждения металла установлена при его прохождении через сталевыпускной канал и трубу защиты металла при наполнении промежуточного ковша. Наименьшая скорость охлаждения металла характерна при его нахождении в промежуточном ковше, за счет наличия пористого торкрет-слоя, обладающего низкой теплопроводностью.

344-353 75
Аннотация

В статье рассматриваются особенности кинематики рабочего инструмента в виде кругового сектора при упрочнении маятниковым поверхностным пластическим деформированием (ППД), которое осуществляется за счет поочередных двух процессов  – качение и скольжение в зоне контакта деформирующего элемента с заготовкой. Представлено прогнозирование возможности его применения для отделочно-упрочняющей обработки цилиндрических деталей типа валов и осей, описаны кинематические параметры процесса маятникового ППД в прямоугольной системе координат. На основе анализа составляющих видов движения (вращательное, поступательное, колебательное) заготовки и инструмента определены функции длины траектории, величины результирующей скорости и ускорения, позволяющие управлять технологическими параметрами и режимами процесса маятникового ППД. Достоверность кинема­тичес­кого анализа подтверждена результатами моделирования компьютерной программой ANSYS 19.1. Результатами динамического моделирования установлено, что в одинаковых условиях упрочнения при неподвижном положении рабочего инструмента и его противоположном вращении с заготовкой интенсивность временных напряжений увеличивается соответственно на 10 и 17  % по сравнению со схемой качения. При маятниковом ППД интенсивность временных напряжений резко увеличивается и достигает максимального значения (485 МПа). Следует отметить, что распределение временных напряжений в случае маятникового ППД носит более равномерный характер по сравнению с остальными способами. Кроме того, показана закономерность распределения интенсивности временных напряжений по глубине цилиндра, где видно, что что при ППД скольжением глубина пластической деформации h имеет большее значение по сравнению с ППД качением (1,5 – 2,3 раза). В  одинаковых условиях упрочнения наибольшее значение глубины упрочненных зон получается при маятниковом ППД (h = 2,8 мм), которое приводит к  изменению физико-механических и эксплуатационных свойств более глубокого поверхностного слоя заготовки.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ 

354-364 59
Аннотация

С целью выполнения актуальной и экономически обоснованной задачи определения соответствия входных технологических параметров определенным критериям безопасности ведения конвертерной плавки на основе математического моделирования и объектно-ориентированного программирования разработана компьютерная информационно-моделирующая система прогнозирования (ИМСП) теплового режима ствола верхней фурмы (СВФ) кислородного конвертера. Программа создана в виде Windows-ориентированного приложения путем уточнения ранее разработанной математической модели температурного режима ствола верхней конвертерной фурмы с использованием объектно-ориентированного языка программирования C# в IDE Microsoft Visual Studio 2019. Математическая модель предусматривает решение дифференциального уравнения теплопроводности в цилиндрических координатах (двумерная постановка) с  заданием начальных (распределение температур в расчетной области) и граничных условий II и III рода (соответственно на наружной и внутренней поверхности СВФ). Конечно-разностную аппроксимацию уравнения теплопроводности и граничных условий получали интегро-интерполяционным методом (методом баланса). Для расчета температурного поля использовался численный метод прогонки (модифицированный метод Гаусса) и безусловно устойчивая неявная схема. Теплофизические величины получали аппроксимацией соответствующих табличных значений. Приложение не выдвигает особых требований к компьютерной инфраструктуре, функционирует локально (без необходимости доступа к Internet), не требует специальных навыков для работы с ним, имея интуитивный пользовательский интерфейс: рабочее поле программы состоит из трех окон (разделов), в которых отображаются результаты расчета теплового режима СВФ. Разработанная ИМСП позволяет оценивать конструктивные и технологические параметры работы верхнего дутьевого устройства в  качестве критерия его безопасной эксплуатации. Ее применение в режиме «советчика» создает условия для оптимального проектирования верхних кислородных фурм с рациональной системой водяного охлаждения. Целью является обеспечение надлежащего теплового режима СВФ на протяжении всего времени эксплуатации, а также безаварийной работы продувочного устройства, что особенно актуально для условий конвертерных цехов Украины, оборудованных устаревшими конструкциями верхних фурм с низкой стойкостью.

В ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИ 

365-373 54
Аннотация

Техническую и технологическую базу безотходных технологий в основном представляют системы защиты окружающей среды (СЗОС), которые позволяют организовать рециклинг отходов в техносферу, а не загрязнять ими окружающую среду. В статье дан краткий обзор работ, посвященных методам и технологиям утилизации отходов черной металлургии. Показано, что простые схемы, в которых не организованы взаимосвязи между устройствами защиты окружающей среды от твердых, жидких и газообразных отходов, не могут обеспечить необходимую степень безотходности производства. Высокую степень безотходности в общем случае могут создать только комплексные многостадийные, многоуровневые системы переработки сырья и утилизации отходов, включающие устройства и технологии обработки потоков отходов в различных фазовых состояниях. Проектирование таких систем должно начинаться со стадии описания выходных потоков веществ и энергии из технологических установок и формирования вариантов структур, принципов действия (технологий) и оборудования (устройств) элементов системы, из которых будет выбираться оптимальный вариант. Цель оптимизации системы защиты – минимизация массы отходов, направляемых в окружающую среду, обеспечивая экологическую и производственную безопасность с учетом технико-экономических ограничений на возможность реализации выбранной структуры СЗОС. Предложена процедура формирования структуры системы, включающей производство, устройства защиты окружающей среды, природную (окружающую) среду. Взаимосвязи между элементами системы представлены потоками энергии и масс веществ. Приведен пример организации структуры системы, включающей взаимосвязанные подсистемы обработки (очистки, обезвреживания и др.) газов, сточных вод и твердых отходов. Отмечено, что на выходе устройств СЗОС в общем случае могут сформироваться выходные потоки веществ, которые в зависимости от их свойств (опасности, полезности и фазового состояния) могут быть направлены в окружающую среду, в устройства защиты следующего уровня (ступени), а также в производство для замещения сырья или получения продукции. Рассмотрен пример организации структуры комплексной многоступенчатой и многоуровневой системы защиты окружающей среды от выбросов, включающей подсистемы отработки вторичных отходов в газообразном, жидком и твердом состояниях. Предложенная процедура формирования структур систем защиты окружающей среды может применяться для других отраслей производства.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0368-0797 (Print)
ISSN 2410-2091 (Online)