В работе представлен обобщенный опыт по разработке и внедрению на ПАО «Северсталь» технологических мероприятий по продлению кампании доменной печи № 5. Авторы провели анализ, выявили и описали проблемные зоны, обобщили принципы обеспечения сохранности футеровки шахты, заплечиков и металлоприемника доменной печи. Также представлены результаты исследования рабочего пространства доменной печи № 5 в 2006 г. Выявленные технологические факторы обеспечивают увеличение длительности кампании агрегата. Приведены технологические мероприятия по промывкам горна доменной печи, снижению химической эрозии углеродистых блоков горна и лещади, формированию защитного гарнисажа в шахте доменной печи, особым приемам загрузки твердых заменителей кокса и организации эффективной структуры столба шихты в доменной печи. Для оперативного управления технологией доменной плавки необходимо использовать цифровые модели, объединенные в экспертную систему доменной печи. Авторы провели сравнение результатов текущей кампании доменной печи с предыдущими и доказали, что системное применение всех элементов разработанной технологии позволяет достигать высоких экономических показателей при превышении нормативной продолжительности кампании в 1,75 раза. Опыт развития технологии позволил увеличить длительность кампании печи до 17,46 лет, достигнуть снижения удельного расхода кокса на 15,9 %, увеличить удельный расход природного газа на выплавку чугуна на 46,4 % и сократить удельный расход углерода на выплавку чугуна на 6,3 %.

При разработке передовых технологий энергосбережения металлургической промышленности ключевое значение имеет комплексный подход к управлению энергетическими потоками. В данной работе проведен глубокий анализ металлургических отрас­лей Китая и России с акцентом на эволюцию и текущие недостатки методов экономии энергии в металлургических процессах. Авторы подробно проанализировали различные технологические процессы, включая агломерацию, коксование, производство окатышей, чугуна в доменных печах, стали в кислородных конвертерах и электродуговых печах, а также прокатку стали. При этом выявляется значительный потенциал для повышения эффективности использования энергии и сокращения вредных выбросов. Основным результатом исследования является разработка структурных моделей технологических процессов на основе концепции энергосбережения «соответствия температур, каскадного использования и глобальной связи», охватывающих ключевые этапы производства стали. Эти модели подробно описывают роль и взаимосвязь каждого процесса в рамках полного металлургического цикла и объединяются в комплексную структурную модель технологического процесса производства стали. Модель включает в себя не только конкретные операции и характеристики каждого этапа, но и объясняет, как эти процессы взаимодействуют и зависят друг от друга, формируя целостную и взаимосвязанную систему металлургического производства. Эта модель включает в себя комплексные связи по температуре, давлению и отрасли производства, обеспечивая теоретическую основу для развития математических моделей энергосбережения и разработки соответствующих компьютерных приложений. Структурная модель технологического процесса производства стали имеет важное значение для понимания и оптимизации всего процесса металлургического производства, способствует повышению его энергетической и экологической эффективности.

Созданные одними из первых и исследованные более 20 лет назад высокоэнтропийные пятикомпонентные сплавы CoCrFeNiMn (сплав Cantor) и CoCrFeNiAl по-прежнему привлекают внимание исследователей в области физического материаловедения из-за возможности их применения в различных отраслях промышленности благодаря удачному сочетанию прочностных и пластических свойств. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по управлению свойствами этих сплавов. В настоящей работе выполнен обзор публикаций отечественных и зарубежных авторов по двум направлениям улучшения свойств этих сплавов: легированием, выделениями и термообработкой и использованием фазовых диаграмм CALPHAD. По первому направлению проанализирована роль легирования бором, алюминием, ванадием, кремнием, ниобием; γ- и γ′-нановыделениями, различными режимами термической и деформационной обработки. Сделан вывод о необходимости проведения экспериментов по легированию ВЭС Zr и Nb, хорошо зарекомендовавших себя в упрочнении сталей. Создание и модифицирование свойств пятикомпонентных ВЭС возможно при использовании компьютерных программ CALPHAD, разработанных для расчета диаграмм состояния. Проанализированные в статье результаты публикаций по термодинамическому описанию пятикомпонентных сплавов подтверждены сравнением фазовых диаграмм с имеющимися экспериментальными данными. В одной из анализируемых работ по фазообразованию пятикомпонентных состоящих из Co, Cr, Fe, Ni, Al, Mn, Cu ВЭС рассмотрено 2436 композиций, позволивших определить 1761 вариант надежного прогнозирования образования ОЦК/В2 и ГЦК фаз, минуя аморфные фазы и интерметаллиды, тем самым конструируя определенный уровень механических свойств. Показано, что на основе расчета фазовых диаграмм CALPHAD возможен дизайн нового поколения ВЭС.

Технологичность материала напрямую связана с возможностью его производства, эксплуатации и ремонтопригодности. Одним из важнейших показателей технологичности металла является свариваемость. Аустенитные стали с высоким содержанием азота проявили себя как высокопрочные, коррозионно- и хладостойкие материалы, однако вопрос их свариваемости до сих пор раскрыт не до конца. Отсутствие на рынке сварочных присадочных материалов, специально разработанных для сварки высокоазотистых сталей, первостепенная преграда перед решением обозначенной проблемы. В связи с этим целью данной работы является разработка и получение лабораторного образца высокоазотистой сварочной проволоки. На основе проведенных расчетов растворимости азота и фазового состава металла шва выбран химический состав Cr – Mn – Ni – Mo – V, N стали для этой проволоки. Получен бездефектный слиток с 0,57 % N и методами горячей пластической деформации и волочения изготовлена проволока с содержанием 0,57 мас. % N. Опробование этой проволоки для получения сварного соединения аустенитной литейной стали, близкой к ней по химическому составу, с проведением процесса сварки по разработанным технологическим рекомендациям, позволило получить бездефектное сварное соединение без потери азота в металле шва. При микротвердости основного металла 252 HV₅₀, благодаря легированию стали сварочной проволоки азотом и ванадием металл сварного шва и линии сплавления имел высокую микротвердость (278 и 273 HV₅₀ соответственно), заметно превышающую микротвердость Cr – Ni литого аустенита. Металл сварного соединения характеризовался высокой прочностью (0,9 от прочности основного металла) и высокой ударной вязкостью. Излому ударных образцов присуще характерное для вязких материалов ямочное строение. По результатам исследования новая сварочная проволока показала себя как перспективный материал для сварки аустенитных высокоазотистых сталей.

В настоящее время все более перспективным является применение аддитивных технологий в промышленности. Интенсификация развития 3D-технологий приводит к необходимости более тщательного изучения структуры и свойств металлов, получаемых данным методом. В работе рассматривается влияние термообработки (ТО) на структуру наплавляемого методом электродуговой наплавки (WAAM) металла. Изучено влияние закалки при различных температурах и отжига на структуру аустенитной стали 07Х25Н13. Установлено, что при наплавке металла происходит кристаллизация по типу ФА с образованием грубой дендритной структуры со скелетной и вермикулярной морфологией и состоящей из δ- и σ-фаз. Закалка при температуре 1070 ℃ практически не изменяет структуру металла. При повышенных температурах (1100 ℃) закалка приводит к частичному растворению и сфероидизации выделившихся при наплавке дендритов, однако кардинальных структурных изменений не происходит. Наиболее полное растворение дендритной составляющей происходит во время закалки при температуре 1150 ℃. Структура после данной ТО преимущественно аустенитная, остатки дендритной составляющей представлены мелкими сферическими включениями. Структура стали после отжига (1150 ℃) практически не отличается от получаемой после закалки при той же температуре. Значительного увеличения размера зерен, характерного для аустенитных сталей, в данном случае не наблюдается. Исходя из структуры, получаемой после ТО, наиболее перспективными для будущих физико-механических свойств вариантами обработки являются закалка и отжиг при температуре 1150 ℃.

Проведено молекулярно-динамическое изучение механизмов миграции наклонных симметричных границ ∑5(210)[001] и ∑5(310)[001] в бикристаллических образцах Fe – 10Ni – 20Cr при радиационном облучении. Плотность радиационных дефектов растет достаточно быстро вплоть до дозы ~0,02 сна и затем выходит на насыщение. Это обусловлено уравновешиванием скоростей генерации и аннигиляции радиационных дефектов. Показано, что на ранней стадии облучения границы зерен начинали стохастически отклоняться от исходных положений вследствие взаимодействия с каскадами атомных смещений и поглощения дефектов структуры. В процессе облучения область границ зерен утолщалась и становилась шероховатой. С ростом дозы облучения увеличивались размеры кластеров точечных дефектов (тетраэдов дефектов упаковки и дислокационных петель). Взаимодействие с крупными кластерами точечных дефектов привело к образованию изгибов на изначально плоских поверхностях границ зерен. При малых расстояниях между границами высокая движущая сила между изогнутыми поверхностями существенно увеличивала скорости сближения границ зерен. Показано, что средние скорости миграции границ зерен до их непосредственного взаимодействия друг с другом составляли примерно 0,8 м/с. В результате сближения границы зерен аннигилировали, потенциальная энергия образца скачкообразно уменьшилась, и зерна объединились. Для аннигиляции границ зерен ∑5(310)[001] потребовалась в два раза большая доза облучения по сравнению с границей зерен ∑5(210)[001]. Непосредственное взаимодействие границ зерен друг с другом скачкообразно увеличивает скорости их миграции из-за возникновения движущей силы со стороны изогнутых участков поверхностей границ зерен. Изучено влияние дозы радиационного облучения на особенности деформационного поведения образцов при одноосных растяжениях. Показано, что с ростом дозы облучения предел упругости быстро понижается и выходит на насыщение при дозе облучения ~0,01 сна.

Диффузионные процессы играют ключевую роль в формировании структур новых материалов и технологических процессов упрочняющих термических обработок, так как именно благодаря диффузии происходит перераспределение вещества в твердых телах. Актуальной задачей является разработка технологичных и эффективных методов упрочнения материалов в целях повышения их эксплуатационных свойств. Возрастает потребность в усовершенствовании методов химико-термической обработки, что напрямую влияет на износостойкость рабочих поверхностей, а, следовательно, и на ресурс изделия. Приповерхностные объемы испытывают повышенные нагрузки, поэтому важной задачей является формирование высокопрочных слоев. Известно достаточно много методов поверхностного упрочнения, среди которых широкое применение получили цементация, азотирование, нитроцементация и др. Наиболее перспективным является азотирование, поскольку при этом происходит повышение твердости, прочности, предела усталости, жаростойкости. Однако при должных достоинствах азотирование имеет ряд недостатков, среди которых длительность выдержки и малая толщина диффузионных слоев. Поэтому разработка методик, позволяющих интенсифицировать рассматриваемый процесс, также является актуальной задачей. Традиционно, решение связано с интенсификацией технологического процесса путем повышения температуры азотирования, активации сред азотирования или непосредственно поверхности деталей. Все эти решения направлены на ускорение процессов диффузии как по объему зерна, так и по межзеренным границам, скорость по которым многократно превосходит скорость объемной диффузии. Учитывая это, эффективным может оказаться использование нового типа конструкционных металлических материалов с многослойным строением из сотен слоев с толщинами микронного и субмикронного диапазона, разделенными между собой большими угловыми границами. В работе приведены результаты металлографического исследования, показывающие влияние чередования слоев сталей в многослойных металлических материалах на глубину диффузии при проведении химико-термической обработки азотированием. Предложена модель ускоренного проникновения диффундирующего элемента по границам слоев.

При комнатной температуре деформация большинства ОЦК-металлов, которые содержат небольшое количество элементов внедрения, сопровождается образованием полосы Людерса и ее монотонным распространением на площадке текучести при растяжении. В рамках автоволновой концепции фронт полосы Людерса является автоволной переключения, которая реализует переход из мета­стабильного упруго деформируемого в стабильное пластически деформируемое состояние. Однако в температурном интервале синеломкости мягких сталей 423 – 510 К, когда имеет место взаимодействие атомов растворенного вещества с подвижными дислокациями, распространение полосы Людерса сопровождается прерывистым течением. В настоящей работе рассмотрены закономерности распрост­ранения фронтов Чернова-Людерса в АРМКО-железе в интервале температур от 296 до 503 К и скоростей деформирования от 6,67·10^–6 до 3,7·10^–2 с^–1. Установлено, что в этих условиях может реализовываться как монотонная, так и дискретная кинетика движения фронтов. Независимо от характера движения, деформация Людерса и ширина фронта в течение всего процесса остаются неизменными. Локальная скорость деформации на фронте зависит от величины действующего напряжения, причем при монотонной кинетике она возрастает с напряжением по степенному закону, а при дискретной – по линейному закону. Данное различие обусловлено разными автоволновыми модами, которые при этом формируются. Монотонной кинетике соответствует автоволна переключения локализованной пластичности, а дискретной – автоволна возбуждения.

В работе представлены результаты исследований влияния длительности воздействия водорода при атмосферном давлении и комнатной температуре на образцы двух авиационных сплавов. Один сплав (сплав 1) получен методом горячего изостатического прессования и используется для изготовления дисков ротора газовых турбин. Другой сплав (сплав 2) получен методом направленной кристаллизации и используется для изготовления лопаток газовых турбин. Установлено, что в ходе воздействия водорода на образцы сплавов в течение 1000 ч микротвердость образцов увеличивается, но при этом относительное увеличение микротвердости невелико, составляя 2,5 % для образца сплава 1 и 2 % для образца из сплава 2. Корреляционный анализ параметров дифрактограмм показал наличие положительных и отрицательных корреляционных статистически значимых связей между параметрами пиков дифрактограмм, длительностью воздействия водорода и микротвердостью образцов. У сплава 1 в процессе наводороживания наблюдается снижение ширины и увеличение высоты пиков дифрактограммы, что может быть связано со снижением количества дислокаций в зернах или их локальным накоп­лением на границах зерен материала. Напротив, у сплава 2 происходит расширение пиков, что может свидетельствовать об увеличении количества дислокаций в структуре зерен материала. Расчеты показали, что в процессе наводороживания размер кристаллита и плотность дислокаций у сплава 1 снижаются, но с задержкой по времени от начала процесса, а у сплава 2 монотонно увеличиваются, что соответствует тенденциям изменения микротвердости образцов в процессе наводороживания.

Коррозионностойкие стали и сплавы обладают рядом уникальных свойств, позволяющих использовать их в различных отраслях промышленности. Однако, несмотря на свое название, они в той или иной мере подвержены различным видам коррозионных и корро­зионно-механических повреждений. В данной работе рассматриваются случаи коррозионного разрушения изделий из коррозионностойких сталей и сплавов в нефтегазовой отрасли. Установлено, что причинами разрушения могут стать как некорректная эксплуатация и некачественный материал изделий, так и некорректный подбор материала под условия эксплуатации. Для каждой группы причин отказа рассмот­рены примеры из открытых источников и из практики коллектива авторов работы. Обоснована важность проведения предварительных лабораторных исследований коррозионностойких материалов и их испытаний с воспроизведением факторов среды для обоснованного выбора под конкретные условия эксплуатации. Показано, что на практике обоснованному выбору коррозионностойких материалов не всегда уделяется должное внимание, поэтому кажущиеся на первый взгляд экономически выгодными решения могут оказаться некорректными. Основной фокус сделан на практической стороне вопроса для того, чтобы в будущем избежать подобных проблем. Актуальность работы подтверждается остро стоящей в последнее время проблемой замещения зарубежных марок сталей.

В работе приведены результаты термодинамического моделирования процесса восстановления хрома и бора из шлаков восстановительного периода аргонокислородного рафинирования комплексным восстановителем, содержащим кремний и алюминий. При помощи симплекс решетчатого метода построена матрица планирования эксперимента, содержащая 16 составов оксидной системы СаО – SiO₂ – (3 – 6 %) В₂О₃ – 12 % Cr₂O₃ – 3 % Al₂O₃ – 8 % MgO переменной основности 1,0 – 2,5. Результаты термодинами­чес­кого моделирования представлены графически в виде диаграмм зависимости равновесного распределения хрома и бора от состава шлака при температурах 1600 и 1700 °С. Построенные диаграммы позволили количественно оценить влияние температуры, основности и содержания B₂O₃ на равновесное межфазное распределение хрома и бора. Установлено, что повышение основности шлака с 1,0 до 2,5 улучшает процесс восстановления хрома, но ухудшает восстановление бора. При увеличении содержания B₂O₃ в шлаке происходит незначительное ухудшение процесса восстановления хрома, при этом увеличивается содержание бора в металле. При одновременном повышении основности до 2,5 и снижении содержания оксида бора в шлаке с 5 до 3 % коэффициент межфазного распределения хрома снижается до 1,5·10^–3. Изменение температуры процесса с 1600 до 1700 °С не оказывает существенного влияния на процесс восстановления хрома, однако ухудшает условия восстановления бора. На основе анализа фаз формируемого шлака и термодинамики реакций их образования установлено, что восстановление хрома протекает в основном за счет алюминия с частичным развитием силикотермических реакций. Остаточное содержание кремния восстанавливает бор, чем объясняется его низкая концентрация в металле. Результаты проведенных высокотемпературных экспериментов показали высокую согласованность с результатом термодинамического моделирования.

В работе изучены процессы азотирования ферросиликохрома в режиме горения в условиях естественной фильтрации азота и представлены результаты исследования влияния основных параметров синтеза (давление газообразного азота, диаметр образцов и размер исходных частиц) на максимальную температуру и процесс горения исходной порошковой шихты. Горение ферросиликохрома протекает устойчиво в стационарном режиме с образованием макрооднородной азотированной композиции, которая по результатам рентгенофазового анализа содержит в своём составе две нитридные фазы – нитрид хрома и нитрид кремния. Взаимодействие исходного порошка с газообразным азотом в режиме фильтрационного горения протекает по следующей вероятной химической реакции: 3CrSi₂ + 3Si + 3FeSi₂ + 11,5N₂ = 3CrN + 5Si₃N₄ + 3Fe. Увеличение диаметра исходных образцов незначительно влияет на количество поглощеного азота и приводит к замедлению продвижения фронта волны горения. При повышении давления газообразного реагента наблюдается увеличение количества поглощенного азота и скорости горения. Более тонкое измельчение исходного порошка позволяет увеличить коли­чество поглощенного азота и скорость горения. Определено, что при уплотнении исходного образца реализовать реакцию горения невозможно. Максимальная температура горения в зависимости от условий азотирования изменяется в пределах от 2400 до 2650 °С и повышается при увеличении давления газообразного азота, диаметра исходных образцов и дисперсности порошка ферросиликохрома. Реализовать азотирование ферросиликохрома в режиме горения возможно при давлении газообразного азота не менее 3 МПа, диаметре исходных образцов не менее 3,5 см и размере исходных частиц не более 100 мкм. Оптимальными параметрами азотирования ферросиликохрома является давление газообразного азота 5 МПа, диаметр образцов 5 см, размер исходных частиц менее 100 мкм и насыпная плотность порошка 2,23 г/см³.

В современном промышленном и гражданском строительстве в больших объемах используется различный металлопрокат, наибольшую долю в котором занимают арматурные профили, производимые на мелкосортных станах. Постоянно растущая потребность в арматурном прокате требует повышения объемов производства. Наиболее перспективна в этом плане технология прокатки – разделения, которая при относительно небольших материальных затратах позволяет на действующих прокатных станах существенно повысить объем производства арматурных профилей при снижении энергозатрат. Однако, несмотря на очевидные преимущества технологии прокатки – разделения с использованием неприводных делительных устройств, большие затруднения вызывает правильное определение рациональных режимов ведения процесса с учетом особенностей производства и компоновки оборудования, что связано с недостаточной теоретической изученностью. Одной из основных проблем является определение допустимого расстояния в системе прокатная клеть – неприводное делительное устройство. Проведенные исследования позволили предложить зависимость для определения максимально допустимого расстояния в системе прокатная клеть – неприводное делительное устройство из соображений продольной устойчивости полосы с учетом размера и формы поперечного сечения разделяемого сочлененного профиля, характера защемления, напряжения подпора. Экспериментально установлено, что при определении допустимого расстояния между прокатной клетью и неприводным делительным устройством коэффициент приведения длины целесообразно принимать равным 0,7.

Нагрев слябов перед горячей прокаткой необходим для придания металлу требуемых пластических свойств. Наиболее эффективны для этого печи с шагающими балками, обеспечивающие подачу теплоты со всех сторон сляба. Однако области нижних поверхнос­тей слябов, контактирующие с водоохлаждаемыми балками, экранированы от излучения нижних зон обогрева печи и отдают теплоту балкам. Ранее авторами была разработана и программно реализована математическая модель нагрева сляба в печи с шагающими балками, основанная на численном решении методом конечных разностей трехмерной задачи теплопроводности с кусочно-определенными граничными условиями на нижней поверхности сляба. В этой модели для открытых областей нижней поверхности сляба задавались граничные условия, аналогичные условиям на верхней поверхности, а для областей контакта с балками – эффективные граничные условия, учитывающие продолжительность этого контакта. В данной работе модель нагрева сляба модифицирована, она позволяет учитывать кривизну балок и пересчитывать конфигурацию областей с различными граничными условиями на нижней поверхности сляба для каждого положения его вдоль печи. Вариантными расчетами при различных значениях интенсивности теплоотвода от нижних поверхностей сляба к балкам получено, что искривление одиночной балки может существенно изменить характеристику соответствующего «холодного» пятна, но оно практически не влияет на общую характеристику неравномерности нагрева сляба. Однако если искривлению подвергнуть все неподвижные балки, то существенно сокращается итоговый перепад по слябу вследствие увеличения его минимальной температуры. Установлено, что влияние кривизны балок на температурное поле в конце нагрева тем больше, чем интенсивнее теплоотвод к балкам.