В работе представлены результаты разработки и исследования новой ресурсосберегающей технологии переработки бедных оксидных и карбонатных марганцевых руд в агрегате струйно-эмульсионного типа СЭР. Рассмотрены основные принципы создания струйного агрегата и технология переработки пылевидных марганцевых руд. Для предварительного восстановления марганца из высших оксидов или разложения карбонатов, а также удаления влаги из руды предлагается использовать восстановительный газ, который является продуктом реализации технологии восстановления марганца в агрегате СЭР. Таким образом предлагается замкнуть процесс, то есть создать согласованный поток вещества и энергии, проходящий через основной агрегат СЭР, и подготовительный агрегат кипящего слоя. Основная задача расчета предлагаемой технологии заключается в определении расхода сырой руды в агрегате кипящего слоя, чтобы получить заданный выход полупродукта и одновременно обеспечить возможность полного перевода высших оксидов или карбонатов сырой руды в низшие оксиды восстановительным газом, получаемым в основном агрегате. Для решения этой проблемы поставлена и реализована задача оптимизации. Первый этап – подбор состава и расхода восстановительного газа и определение расхода исходной марганцевой руды, обеспечивающего выход заданного количества полупродукта. Второй этап – решение задачи оптимизации по выходу и составу газа, который должен обеспечивать процесс восстановления во втором агрегате. В работе представлены результаты расчета технологии переработки в агрегате СЭР для оксидной руды Селезеньского и карбонатной руды Усинского месторождений. Проведен сравнительный анализ двух вариантов переработки марганцевых руд по предлагаемой технологии и по технологии без предварительного восстановления и обжига. Предложенная технология переработки марганцевых руд в агрегате СЭР с замкнутым циклом позволяет значительно снизить удельные расходы материалов, повысить производительность, значительно уменьшить энергоемкость процесса по сравнению с технологией переработки бедных марганцевых руд без предварительного восстановления или обжига.

В работе рассматриваются особенности структурных преобразований при отжиге высокоэнтропийного сплава Al_0,3CoCrFeNi. Полученные методом аргонодуговой плавки слитки были подвергнуты холодной прокатке со степенью обжатия 50 %. Заготовки отжигались в печи в течение 4 часов при температурах 200, 400, 600, 800 и 1000 °C. Полученные по описанной методике образцы исследовали с использованием методов дифракции синхротронного рентгеновского излучения в режиме на просвет и дифракции обратно рассеянных электронов. Результаты свидетельствуют о том, что вплоть до температуры 600 °C структура сплавов представлена одной фазой с гранецентрированной кубической решеткой. При отжиге сплавов при температурах 800 и 1000 °C фазовый состав характеризуется наличием двух фаз: разупорядоченной фазы с гранецентрированной кубической решеткой и упорядоченной фазой с примитивной кубической решеткой. При температурах выше 800 °C отжиг сплавов сопровождается развитием рекристаллизационных процессов. Было выявлено, что после отжига при 800 °C относительная доля микрообъемов, характеризующихся межугловой разориентировкой более 10°, составила 20 %, а после отжига при 1000 °C – 65 %. Микротвердость исследуемых образцов повышается при росте температуры до 600 °C и снижается при дальнейшем росте температуры. Анализ ширины дифракционных максимумов с использованием методов профильного анализа дифрактограмм свидетельствует о росте искажений кристаллической решетки разупорядоченной фазы. Подобное поведение может быть связано с выделением наноразмерных включений в матрице основной фазы.

Для разработки новых ферросплавов рационального состава необходимы данные об их физико-химических характеристиках. Одной из основных характеристик сплава, от которой зависит усвоение и распределение основных элементов ферросплавов в железоуглеродистом расплаве, является продолжительность его плавления. С применением математической модели расчета времени плавления, разработанной сотрудниками УрФУ и ИМЕТ УрО РАН, изучена продолжительность плавления комплексных никельсодержащих ферросплавов в жидкой стали. Программа позволяет рассчитывать температуру куска ферросплава, толщину намораживаемой стальной корки, размер куска сплава и длительность периодов плавления в зависимости от физико-химических и теплофизических характеристик ферросплавов. Механизм плавления ферросплавов определяет время их плавления в жидкой стали. В работе выполнено математическое моделирование плавления комплексных никелевых ферросплавов, содержащих 10 % Ni; 0,5 – 55,0 % Сr; 0,2 % С; 0,2 % Si в железоуглеродистом расплаве. Установлено, что все рассматриваемые сплавы относятся к группе легкоплавких ферросплавов и процесс их плавления протекает в три периода. С увеличением исходного размера куска ферросплава от 3 до 100 мм время плавления увеличивается в 250 – 300 раз. Показано, что увеличение содержания хрома в составе комплексного сплава до 37 % приводит к снижению времени плавления, а при дальнейшем его увеличении до 55 % происходит увеличение времени плавления. Снижение температуры ванны жидкой стали с 1700 до 1520 °С сопровождается увеличением продолжительности плавления комплексных ферросплавов в 7 – 8 раз. В целом, рассмотренные комплексные никелевые ферросплавы характеризуются значительно более быстрым протеканием процесса плавления в жидкой стали по сравнению со стандартными феррохромом и ферроникелем.

В настоящей работе исследованы процессы обезуглероживания периклазоуглеродистых и алюмопериклазоуглеродистых ковшевых огнеупоров. Процессы обезуглероживания протекают уже на стадии сушки и разогрева футеровки после ремонта, при ее тепловой обработке на газовых или электрических стендах. Эти процессы наносят непоправимый ущерб огнеупорам еще до ввода ковша в непосредственную эксплуатацию (до контакта с расплавленной сталью). Одним из направлений повышения стойкости углеродсодержащих огнеупоров против окисления является применение антиоксидантов (Al, SiC, Si и др.), которые вводят в состав сырьевой смеси на стадии изготовления. Их действие основано на приоритетном окислении по сравнению с углеродом. Антиоксиданты действуют в определенном температурном интервале, что открывает широкие возможности по разработке энерго- и ресурсосберегающих температурных режимов тепловой обработки футеровки. Проведен термогравиметрический анализ периклазоуглеродистых и алюмопериклазоуглеродистых безобжиговых смолосвязанных огнеупоров марок AMC 78-8/7HG, RI-MC175LC (фирма RI); MayCarb 284-AX (фирма MAYERTON), используемых при выполнении рабочих слоев футеровок сталеразливочных ковшей. Термогравиметрический анализ образцов огнеупоров осуществили на дериватографе LABSYS evo TG DTA DSC 1600 при нагреве до температуры 1100 °С со скоростью 15 °С/ мин. Рентгенофазовый анализ выполняли на рентгеновском дифрактометре XRD-6000. Результаты термогравиметрического анализа представлены в виде дериватограмм. Установлено, что максимальная скорость окисления углерода во всех случаях достигается при температуре 700 – 750 °С. Следовательно, в целях реализации малообезуглероживающего первого разогрева ковша после ремонта для огнеупоров исследуемых марок рекомендуются температурные режимы, включающие низкотемпературные (до 500 °С) выдержки футеровки.

Выполнен краткий анализ работ по изменению механических свойств высокоэнтропийного сплава (ВЭС) Cantor CoCrFeMnNi различными способами. Рассмотрено влияние легирования алюминием, ванадием, марганцем, титаном, кремнием, углеродом, медью на упрочнение ВЭС, полученного методами вакуумно-дуговой плавки, лазерной плавки, дуговой плавки и капельного литья, механического легирования с последующим плазменным спеканием, газового распыления с последующим ударно-волновым и статическим уплотнением. Показано, что добавки 2,5 % TiC и 5 % WC значительно улучшают предел прочности, но снижают относительное удлинение до разрушения. Влияние размера зерна в диапазоне 4,4 – 155 мкм заключается в увеличении предела прочности с уменьшением размера зерна. Понижение температуры увеличивает пределы прочности и текучести для зерен всех размеров. Интенсивная пластическая деформация, формирующая наноразмерные (~50 нм) зерна, значительно увеличивает предел прочности до 1950 МПа и твердость до 520 HV. Последующие изохронные и изотермические отжиги позволяют варьировать прочность и пластичность ВЭС. Формирование наноструктурно-фазовых состояний при ударном компостировании, механическом легировании и последующем искровом плазменном спекании значительно повышает предел прочности при комнатной температуре, сохраняя отличную пластичность (относительное удлинение примерно 28 %). В качестве одного из методов модифицирования механических свойств ВЭС авторами предложена электронно-пучковая обработка (ЭПО). Выполнен анализ деформационных кривых ВЭС, полученного по технологии проволочно-дугового аддитивного производства, после ЭПО с плотностью энергии пучка электронов 10 – 30 Дж/см², высказаны и обоснованы предположения о причинах снижения прочностных и пластических характеристик. Проведен сравнительный анализ механических свойств ВЭС Cantor, полученных различными методами, и отмечены причины расхождения значений прочностных и пластических параметров.

В работе изучены упругопластические свойства формирующихся трибологических слоев композитов WC – (Fe – Mn – C) с матрицами, состоящими из γ-железа (в составе 4 % Mn (WC – 80Г4)), и из γ- + α′-железа (в составе 20 % Mn (WC – 80Г20)), после трения по диску из быстрорежущей стали при контактном давлении 5 МПа и скоростях скольжения в диапазоне от 10 до 37 м/с. Установлено, что основным фактором, который определяет морфологию изношенной поверхности, является скорость скольжения. При скоростях скольжения 10 и 20 м/с формируются мелкодисперсные механически перемешанные трибослои толщиной 3 – 4 мкм. С увеличением скорости скольжения до 30 – 37 м/с толщина трибослоев достигает 10 – 15 мкм, а структура состоит из окисленных фрагментов композитов WC – (Fe – Mn – C) и сложного оксида FeWO₄ и не имеет резкой границы как трибослои, формирующиеся при меньших скоростях скольжения. Наибольшие значения нанотвердости (~33 ГПа) и эффективного модуля Юнга (~523 ГПа) были достигнуты в трибослое WC – 80Г4 после трения при скорости скольжения 10 м/с, когда наноиндентор внедряется в агломераты фрагментированных зерен WC. Это контрастирует со свойствами трибослоев, формирующихся при скоростях скольжения выше 20 м/с. Результаты наноиндентирования показали очевидный эффект трибохимически-индуцированного размягчения в формирующемся трибослое после высокоскоростного скольжения при скорости 37 м/с. Такой слой имеет композитную микроструктуру, которая состоит из фрагментированных компонентов, сцементированных in-situ трибохимически образованным FeWO₄, и, помимо антифрикционных свойств обладает повышенным сопротивлением разрушению при индентировании.

В отвалах медеплавильных предприятий Российской Федерации накоплено свыше 110 млн т шлака и их количество продолжает увеличиваться. Экологические налоги и затраты на содержание отвалов требуют значительных расходов, что делает необходимым возможно более полную утилизацию этих отходов производства. В то же время в этих шлаках содержатся ценные элементы, в частности, железо, медь, цинк, селен, мышьяк и некоторые другие, извлечение которых может сделать утилизацию шлаков рентабельной. В работе приведены результаты термодинамического расчета поведения элементов медеплавильного шлака в смеси с углеродом при нагреве. Моделирование выполнено с использованием программного комплекса ТЕРРА. Проанализировано влияние температуры процесса в интервале 600  –  1750  °С на восстановление железа, цинка и кремния при количестве в системе углерода, соответствующем стехиометрии реакций восстановления железа и превышающем стехиометрическое. Установлено, что при нагреве выше 650  °С в системе появляется металлическое железо, а  его полное восстановление завершается при 1250 °С. Появление металлического цинка наблюдается в двух температурных интервалах: в первом наблюдается появление цинка с одновременным понижением концентрации оксида цинка, во втором – повышение концентрации металлического цинка при одновременном понижении концентрации сульфида цинка. При температуре выше 1650  °С в системе появляется кремний. В лабораторных условиях опробованы процессы твердофазного восстановления железа с улавливанием оксида цинка и разделением продуктов восстановления. Установлено, что в результате пирометаллургического разделения плавлением продуктов восстановления могут быть получены сплавы железа с углеродом (сталь и чугун) и сплавы с повышенным содержанием кремния. Полученные результаты могут быть использованы при разработке теоретических и технологических основ переработки медеплавильных шлаков, которые существующими технологиями не перерабатываются.

Развитие подвижного железнодорожного состава, увеличение скорости перевозки, грузонапряженности магистралей и их протяженности требует постоянного совершенствования технологии производства железнодорожных рельсов. Современные рельсобалочные станы имеют в своем составе непрерывно-реверсивную группу клетей, в которую входят универсальные клети. Прокатка рельсовых профилей в универсальных калибрах кардинально отличается от прокатки в двухвалковых калибрах. В настоящее время она недостаточно хорошо изучена как в теоретическом, так и практическом плане. Определены условия осуществления процесса прокатки в универсальных калибрах с парой неприводных валков, учитывающие величины активных (резервных) сил трения, действующих со стороны приводных валков, и реактивных сил со стороны неприводных валков и валковой арматуры. Методом энергетического баланса решена задача по определению усилия подпора, необходимого для деформирования в неприводных валках. При решении уравнения равновесия сил в очаге деформации, образованном приводными валками, определен резерв сил трения, который во многом определяет возможность процесса прокатки. Получены теоретические зависимости для оценки силового баланса при прокатке в универсальных калибрах современных рельсобалочных станов с учетом резерва сил трения, обеспеченного приводными валками, и подпора, необходимого для деформирования в неприводных валках. Информация о силовых условиях в универсальном калибре необходима для анализа процесса прокатки в универсальном калибре при различных режимах деформирования и уточнения коэффициентов вытяжки по элементам получаемого профиля. Предложены зависимости позволяющие оценить расход резерва сил трения на работу валковой арматуры, которая обслуживает универсальный калибр. Уточнена известная формула А.И. Целикова, А.И. Гришкова по определению уширения применительно к прокатке в универсальных калибрах с двумя неприводными валками. Отмечено влияние подпора со стороны неприводных валков на изменение размеров подошвы и головки рельсовых профилей.

Проведенными исследованиями установлены закономерности влияния параметров прокатки сортовых заготовок и мелющих шаров при их производстве из отбраковки рельсовой стали марки К76Ф на вероятность образования дефектов в процессе деформации. Моделирование процесса прокатки сортовых заготовок из отбраковки непрерывно литых слитков рельсовой стали указанной марки в программном комплексе DEFORM-2D позволило установить значимое влияние на вероятность образования дефектов, характеризуемое максимальным по сечению раскатов значением критерия Кокрофта-Лэтэма, следующих параметров: частные коэффициенты вытяжки по проходам, частота кантовок раската, температура прокатки. Увеличение коэффициентов вытяжки (обжатий) по проходам за счет интенсификации режима прокатки и повышение частоты кантовок позволяет уменьшить вероятность образования дефектов в процессе прокатки за счет снижения температурной неоднородности по сечению раскатов. Установленное влияние повышения температуры на снижение вероятности образования дефектов обусловлено повышением пластичности рассматриваемой рельсовой стали. На основании полученных данных сформулированы общие рекомендации по направлениям совершенствования режимов прокатки сортовых заготовок из отбраковки рельсовых сталей и ограничения их применения на практике. На основании результатов моделирования прокатки мелющих шаров из отбраковки рельсовой стали на стане поперечно-винтовой прокатки установлено значимое влияние повышения температуры деформации на снижение трещинообразования в осевой зоне шаров, обусловленное увеличением пластичности стали. С использованием результатов, полученных при моделировании, разработан новый режим прокатки мелющих шаров из отбраковки рельсовой стали марки К76Ф, обеспечивающий повышение ударной стойкости мелющих шаров при сохранении высокой поверхностной твердости. Эффективность нового режима прокатки мелющих шаров из отбраковки рельсовой стали подтверждается результатами его опытно-промышленного опробования в условиях шаропрокатного стана ОАО «Гурьевский металлургический завод».