В статье рассматривается новый температурно-скоростной режим прокатки длинномерных рельсов. Рельсы длиной до 50 м прокатывали на линейных станах. Производство рельсов большей длины потребовало использования заготовок большей массы и оборудования новой конструкции. На современных рельсобалочных станах количество клетей увеличено, часть клетей объединена в непрерывную группу, универсальные клети стали применять не только в качестве калибрующих. Рельсы длиной 100 м прокатывают из заготовок большой массы на станах с непрерывной реверсивной группой универсальных клетей. Существенная длина заготовки приводит к образованию «температурного клина» – снижению температуры по длине рельсов во время прокатки в последней клети стана. Расчетом показано, что снижение температуры по длине рельсов может приводить к увеличению их высоты. Аналогичная проблема существует и при производстве тонкого листового проката на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки. Прокатка раската в чистовой группе клетей с ускорением позволяет сократить время остывания заднего участка раската и разогреть металл за счет более интенсивной деформации. Ускорение выбирается таким, чтобы на выходе из чистовой группы клетей температура полосы была одинаковой по всей длине. В настоящей работе предлагается прокатка рельсов с ускорением, которое должно обеспечивать одинаковую температуру шейки по длине рельсов в последней клети стана, что снизит разность высоты по длине проката. Одинаковая высота рельсов по длине уменьшит затраты на шлифовку и ускорит монтаж, тем самым повысит потребительский спрос и конкурентоспособность рельсов.

Сбалансированное развитие мирового сообщества в ближайшее десятилетие предполагает достижение целей устойчивого развития вследствие повышения эффективности использования ресурсов экономической, социальной и экологической сфер человеческой деятельности. В рамках глобализационных процессов, неизбежно затрагивающих национальную экономическую, социальную и экологическую повестки, все большую роль приобретают две последних составляющих. Основные мероприятия государственной национальной политики Российской Федерации направлены на решение социально-экономических задач, обеспечивающих реализацию права каждого человека на благоприятную окружающую среду. Своевременное решение вопросов социального и экологического благополучия как индикаторов качества жизни населения является приоритетной задачей органов государственной власти регионов совместно с высшим менеджментом градообразующих предприятий, несущих преобладающие социальную и экологическую нагрузки. Повышение эффективности использования ресурсов приобретает особую значимость в регионах с доминирующим размещением металлургического производства. Загрязнение атмосферного воздуха и воды, высокий уровень профессиональной заболеваемости и производственного травматизма, вызванного износом оборудования и нарушением техники безопасности на производственных объектах, преобладание смертности над рождаемостью, интенсивный миграционный отток населения, износ инженерной инфраструктуры при одновременно растущих объемах промышленного производства отражают несбалансированность положения металлургического региона, препятствуют устойчивости его развития. Проведенное научное исследование позволило разработать систему показателей оценки ресурсоэффективности металлургического производства, предусматривающую их группировку по компонентам развития. Это позволяет менеджменту оценить вклад каждой совокупности составляющих в результирующее значение, предложить мероприятия и ориентиры оптимизации коэффициентов, выявить факторы роста конкурентоспособности бизнеса, определить целевые направления инвестирования, а также продемонстрировать мировому сообществу трансформацию производственно-хозяйственной деятельности компаний в соответствии с глобальными трендами ресурсосбережения и устойчивости.

Показана актуальность разработки современных технологических решений по переработке используемых для производства комплексных ферросплавов ниобиевых рудных материалов отечественных месторождений. Необходимость разработки новых технологических процессов переработки вызвана тем, что при переходе на новые виды ниобиевых концентратов изменяются химический и фазовый составы исходных материалов, а, следовательно, это приводит к изменению состава и свойств продуктов плавки (как металлических, так и оксидных). При помощи электровибрационного вискозиметра изучены температурные зависимости вязкости и рассчитаны температуры кристаллизации оксидных расплавов системы Nb₂O₅ – SiO₂ – CaO – TiO₂ – Al₂O₃. Составы исследуемых образцов соответствуют бесфосфористым ниобиевым шлакам, получение которых возможно карботермическим методом из черновых концентратов. Образцы получены методом сплавления оксидных материалов в высокотемпературной лабораторной электропечи. На основе полученных данных построены графические зависимости вязкость – температура. Экспериментально установлено, что оксидные расплавы, содержащие 15 – 26 % Nb₂O₅, по характерной зависимости вязкость – температура являются более «длинными» (имеющими широкий диапазон кристаллизации) и неблагоприятными. Повышение концентрации пентаоксида ниобия до 40 % переводит шлаки в разряд «коротких» (с высокой скоростью кристаллизации). Показано, что повышение концентрации оксида ниобия Nb₂O₅ от 15 до 40 % приводит к снижению температуры кристаллизации расплавов на 200 °С и уменьшению вязкости расплавов с 1,32 до 0,24 Па·с при 1350 °С. Улучшение физико-химических характеристик оксидных расплавов при повышении концентрации пентаоксида ниобия может благоприятно отразиться на технико-экономических показателях производства ферросплавов.

Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований зависимости вязкости, коэффициентов распределения серы и бора между шлаком и металлом, степени износа периклазоуглеродистого огнеупора от основности и содержания оксида бора в шлаке. Показано, что формируемые шлаки в диапазоне основности 2,0 – 5,0 характеризуются достаточно высокой жидкоподвижностью. Эти шлаки имеют повышенный до 5 – 20 равновесный межфазный коэффициент распределения серы, который обеспечивает пониженное до 0,001 – 0,005 % равновесное содержание серы в металле. Результаты фундаментальных исследований физико-химических свойств рафинировочных шлаков системы СаО – SiO₂ – В₂O₃ – Al₂O₃ – MgO легли в основу разработки состава экологически чистых бесфтористых ковшевых шлаков и технологических приемов их формирования на установке ковш – печь. Рекомендованный состав экологически чистых ковшевых шлаков низкой вязкости, обеспечивающих глубокую десульфурацию металла, прямое микролегирование стали бором и низкое агрессивное воздействие на периклазоуглеродистые огнеупоры, предусматривает формирование шлаков основностью 3,0 – 4,0, содержащих 1 – 4 % B₂O₃, 15 % Al₂O₃ и 8 % MgO. Формирование экологически чистых ковшевых шлаков рекомендованного состава осуществлен на установке ковш – печь загрузкой в сталеразливочный ковш извести, борсодержащего материала – колеманита (Турция), содержащего 39 – 41 % В₂О₃, 26 – 28 % СаО, не более 5 % SiO₂ и 3 % MgO, и пирамидального алюминия для раскисления шлака и восстановления бора. Внедрение разработанной технологии формирования ковшевых шлаков рекомендованного состава обеспечило производство экономно легированных низкоуглеродистых конструкционных борсодержащих сталей с низким содержанием серы, в том числе для производства труб большого диаметра с высокими прочностными свойствами.

Представлена усовершенствованная сотрудниками УрФУ – ММК («Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» – ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат) балансовая модель доменного процесса. Модель в общем виде представляет собой систему детерминированных зависимостей, характеризующих тепловой, восстановительный, газодинамический, дутьевой и шлаковый режимы доменной плавки. В основу модели положен принцип натурно-математического моделирования. Предложены показатели, характеризующие свойства конечного шлака для реализации нормального шлакового режима доменной плавки (вязкость шлака в температурном интервале 1350 – 1550 °С, градиенты вязкости шлака). Градиент вязкости наряду с допустимыми при различных температурах шлака диапазонами вязкости шлака используются при моделировании шлакового режима в качестве ограничивающих факторов для диагностики шлакового режима. Выбор предельных значений каждого из диапазонов и градиента вязкости осуществляется методом экспертного оценивания. Представлена структура модели расчета параметров конечного шлака. С использованием математической модели доменного процесса выполнен анализ шлакового режима доменной плавки по фактическим показателям их работы. Установлено, что обессеривающая способность шлака используется недостаточно полно, в результате выплавляется чугун пониженного качества как по содержанию серы, так и по содержанию кремния. Изменение характеристик шлакового режима при прочих равных условиях положительно сказывается на газопроницаемости в зоне шлакообразования, повышается восстановительная способность газа и производительность доменной печи, снижается расход кокса. Представлены результаты проектных расчетов показателей работы печей ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» при изменении состава загружаемых материалов. Даны рекомендации по оптимальной основности шлака. Как показали расчеты, оптимальная основность конечного шлака, обеспечивающая максимальную его жидкоподвижность, для условий работы доменных печей комбината составляет 1,04 – 1,05 для соотношения CaO/SiO₂ и 1,30 – 1,32 для соотношения (CaO + MgO)/SiO₂.

Изучен состав неметаллических включений и микроструктура электродугового покрытия, полученного с использованием порошковой проволоки системы Fe – C – Si – Mn – Сr – Ni – Mo. Формирование электродугового покрытия осуществлялось с помощью аппарата для автоматической дуговой сварки ASAW-1250 с использованием исследуемой порошковой проволоки. С целью снижения загрязненности наплавленного металла оксидными неметаллическими включениями в состав порошковой проволоки вводили пыль газоочистки алюминиевого производства (вместо аморфного углерода). Состав электродугового покрытия определяли с помощью спектрометра XRF-1800. Микроструктуру электродуговых покрытий изучали методом оптической микроскопии. Изучение фазового и элементного составов проводили методами сканирующей электронной микроскопии на приборе MIRA 3 LMH. Неметаллические включения в электродуговом покрытии состоят из оксидов кремния, фтора, кальция, алюминия и магния. Более темная составляющая во включении в виде прямолинейных кристаллов направлена от поверхности в глубь включения. По фазовому составу включения и более темные составляющие близки, но несколько отличаются по содержанию химических элементов. Во включении наблюдается небольшая темная составляющая округлой формы (оксиды алюминия и магния). Следы серы выделяются по контуру глобулей. Металлографический анализ поверхности показал, что микроструктура наплавленного слоя представляет собой грубоигольчатый мартенсит. Структура равномерная, имеет дендритное (столбчатое) строение, характерное для литого металла. Результаты проведенных исследований позволяют выработать мероприятия по снижению содержания неметаллических включений (элементы фтора, натрия и алюминия), которые, в свою очередь, могут неблагоприятно влиять на физико-механические свойства наплавленного слоя, например, путем использования рафинирующих добавок для снижения загрязненности наплавленного слоя неметаллическими включениями.

В последнее десятилетие внимание ученых в области физического материаловедения привлечено к изучению высокоэнтропийных сплавов. По технологии проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM) получен высокоэнтропийный сплав (ВЭС) неэквиатомного состава. В двух состояниях (исходном/после изготовления и после электронно-пучковой обработки (ЭПО)) были проанализированы деформационные кривые, полученные на установке Instron 3369 при одноосном растяжении со скоростью 1,2 мм/мин при комнатной температуре. Электронно-пучковую обработку проводили с целью выявления ее влияния на структурно-фазовые состояния и механические свойства. Такая обработка приводит к снижению прочностных и пластических свойств ВЭС. С помощью сканирующего электронного микроскопа LEO EVO 50 выполнен анализ структуры поверхности разрушения и приповерхностной зоны. Выявлены зависимости предела прочности и относительного удлинения до разрушения от параметров ЭПО. Прочность и пластичность немонотонно снижаются с ростом плотности энергии пучка электронов в диапазоне 10 – 30 Дж/см² при постоянных значениях длительности, частоты и количества импульсов. Наряду с ямочным характером излома выявлено наличие микропор, микрорасслоений. Исследование поверхности разрушения ВЭС после ЭПО кроме областей с вязким механизмом разрушения выявило области с полосовой (пластинчатой) структурой. При плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см² площадь такой структуры составляет 25 %, она немонотонно растет до 65 % при плотности энергии пучка электронов 30 Дж/см². Диаметр ямок отрыва в полосах разрушения изменяется в пределах 0,1 – 0,2 мкм, что значительно меньше размера ямок отрыва остальной части образцов ВЭС. После ЭПО толщина расплавленного слоя изменяется в пределах 0,8 – 5,0 мкм и возрастает с ростом плотности энергии пучка электронов. Электронно-пучковая обработка приводит к образованию ячеек кристаллизации, размеры которых изменяются в пределах 310 – 800 нм при росте плотности энергии пучка электронов от 15 до 30 Дж/см². Высказано предположение, что образующиеся при ЭПО дефекты в поверхностных слоях могут быть одной из причин снижения прочности и пластичности ВЭС.

Для предприятий металлургической промышленности актуальной является задача повышения эксплуатационного ресурса волочильных станов. Причины существенного снижения ресурса и увеличения количества простоев оборудования связаны с  эксплуатационными проблемами. Простои из-за аварийных отказов оборудования составляют до 45  % времени работы стана в месяц. В работе рассмотрена схема привода волочильного стана и проведен анализ потерь времени на восстановление его работоспособного состояния. Показано, что замена цилиндрического редуктора с механизмом переключения скоростей и конической передачей на планетарный мотор-редуктор, оборудованный частотным преобразователем, позволяет увеличить производительность волочильного стана за счет уменьшения аварийных простоев оборудования.

Рассмотрена актуальная задача человеко-машинного управления сложными технологическими агрегатами и комплексами, которые характеризуются большим разнообразием состояний, многомерностью, изменчивостью, неопределенностью. К числу таких агрегатов в черной металлургии относятся коксовые батареи, доменные печи, сталеплавильные агрегаты (дуговые печи, кислородные конвертеры), литейно-прокатные комплексы, прокатные станы, основные цехи и производства. Показана недостаточная для XXI-го в. эффективность модельного подхода к созданию систем управления такими объектами. Рассмотрены альтернативные подходы, основанные на концепции лучших практик. В частности, к ним относятся натурно-модельный и натурный подходы к разработке систем поддержки и принятия управляющих решений. Представлены известные натурно-модельные процедуры применения лучших практик (методы типопредставительных ситуаций и образцовых технологических циклов). Для систем управления технологическими процессами предложен новый (прецедентный) метод автоматизированного выбора и реализации управляющих воздействий с участием операторов-технологов. Разработан модифицированный прецедентный цикл (CBR-цикл) выбора управлений и соответствующая функциональная схема системы программного управления технологическим агрегатом циклического действия. Усовершенствованный прецедентный CBR-цикл включает следующие дополнительные операции: коррекция управляющих решений для отобранных прецедентов; ретроспективная оптимизация реализованных управляющих решений; сохранение не только лучших и оптимизированных, но и ошибочных решений; актуализация базы прецедентов; формирование решений в уникальных или ранее не зафиксированных ситуациях. Сформирована структура информационной модели прецедента на примере программного управления плавкой стали в  условиях кислородно-конвертерного цеха, включающая данные о конкретной ситуации в системе управления, параметры выбранных управляющих воздействий и полученные результаты плавки стали. Разработан пример формирования программы управления процессом подготовки и выполнения предстоящей плавкой стали на основе данных предварительно выбранной плавки-прецедента в условиях современного кислородно-конвертерного цеха.