Развитие металлургической отрасли в Санкт-Петербурге сыграло выдающуюся роль в истории мировой и отечественной науки и техники. Отцы-основатели отечественной металлургии Д.К. Чернов и его современники оказали столь сильное влияние на развитие науки о металлах, что металлургическая наука в России продолжала успешно развиваться в течение века и достигла в ХХ в. и начале ХХI в. впечатляющих результатов как в теоретической, так и в прикладной областях. Однако история металлургии в Санкт-Петербурге систематически не освещалась в научно-технической периодической печати последних лет. Публикуя данную статью в год 300-летнего юбилея Российской академии наук, мы освещаем актуаль­ные вопросы истории, преемственности традиций и перспектив развития металлургии в одном из ведущих регионов нашей страны.

Порошковая металлургия высокоэнтропийных сплавов привлекает значительное внимание благодаря своей высокой технологичности и низкой стоимости. В этом обзоре представлены новейшие исследования в области порошковой металлургии высокоэнтропийных сплавов, разработанных для применения при высоких температурах. Рассматриваются основные процессы получения порошков и компактов из них, химический и фазовый состав, плотность, механические свойства при повышенной температуре, термостабильность. Проведённый анализ показал, что для получения порошковых смесей применяются различные методы произ­водства и смешения порошковых компонентов, включая самораспространяющийся высокотемпературный синтез, магниотермию, гидрирование, механическое легирование, плазменную сфероидизацию, центробежное распыление прутка плазмой и традиционное смешение элементных порошков в высокоэнергетических смесителях. Наиболее распространенным способом консолидации является искровое плазменное спекание, позволяющее получать компакты с высокой скоростью и сохранением тонкой структуры. Также для производства длинномерных прутков и заготовок применяется экструзия порошковых смесей в оболочках. Ключевой особенностью химических составов заготовок, производимых методами порошковой металлургии, является возможность получения дисперсно-упрочненных оксидами порошковых компактов, что обеспечивает дополнительное упрочнение при повышенных температурах. Основными элементами, используемыми при создании высокоэнтропийных сплавов для применения в условиях повышенных температур, являются тугоплавкие металлы. Поэтому для снижения их плотности разрабатываются составы с алюминием, титаном, а также тугоплавкими оксидами. Кроме того, в этом обзоре обозначены нерешенные и критические вопросы разработки подходов к получению высокоэнтропийных сплавов методами порошковой металлургии для практического внедрения их в современную индустрию.

В работе представлен опыт изучения рабочего пространства доменной печи № 5 ПАО «Северсталь» по результатам кампании 2006 – 2024 гг. продолжительностью 17,46 лет, существенно превысившей нормативные сроки эксплуатации. Выполнена оценка результативности технологических мероприятий по продлению кампании доменной печи, применявшихся для защиты огнеупорной футеровки в критических зонах горна, нижней части шахты и верха заплечиков. Авторы провели анализ остаточной толщины огнеупорной футеровки шахты, горна и металлоприемника доменной печи, сформировали карты фактического разгара огнеупорной футеровки по различным сечениям. Измеренный максимальный износ огнеупорной футеровки шахты составил 344 мм или 37,4 % первоначальной величины, измеренный максимальный разгар углеродистых блоков в районе выгребных проемов – 313 мм или 23,4 % первоначального размера блока. В верхней части горна минимальная остаточная толщина огнеупоров с содержанием Al₂O₃ = 43 % составила 220 мм или 31,9 % исходной величины. Представлены способы безопасного дистанционного измерения фактического профиля шахты доменной печи с помощью лазерного 3D сканирования в процессе выгребки остатков шихтовых материалов. Время выполнения 3D сканирования в рабочем пространстве печи составило 50 мин. В работе проведен сравнительный анализ фактической остаточной толщины футеровки в районе углеродистых блоков горна и лещади и высокоглиноземистых огнеупоров фурменной зоны с результатами оценок с использованием технологии ультразвукового зондирования эхо-методом (AU-E), выполнявшихся в период работы доменной печи. Приведено описание технологии распространения волн напряжения с использованием анализа данных в временном и частотном домене для определения толщины футеровки или для обнаружения аномалий. Авторы провели сравнение результатов предыдущей и текущей кампаний доменной печи по объему произведенного чугуна, количеству вышедших из строя элементов системы охлаждения, износу огнеупоров по всему рабочему пространству доменной печи. Суммарное производство чугуна в кампании 2006 – 2024 гг., отнесенное к площади горна, составило 420,0 тыс. т/м² и превысило показатель предыдущей кампании в 1,90 раза.

Пыли и шламы доменного производства – техногенные материалы с высоким содержанием железа и углерода, в которых присутствует также цинк. Повышенное содержание цинка препятствует их рециклингу в аглодоменном переделе и приводит к накоп­лению этих материалов в отвалах. В настоящей работе исследованы различные варианты переработки образцов доменной пыли (ДП) и доменного шлама (ДШ) с извлечением ценных элементов на основе восстановительного обжига и магнитной сепарации. С помощью термодинамических расчетов и лабораторных экспериментов изучены три варианта реализации этого способа: магнитная сепарация без предварительного обжига, а также со стадиями обжига с восстановлением железа до магнетита при 800 °С и металлического железа при 1200 °С соответственно. Способы прямой магнитной сепарации без обжига и с предварительным обжигом при 800 °С позволяют получить из образцов ДП и ДШ магнитные концентраты с 49 – 63 % Fe, но содержание цинка в них остается повышенным. Лучшие результаты были получены с использованием восстановительного обжига при 1200 °C продолжительностью 120 мин, последующего размола образцов до –0,054 мм и магнитной сепарации при индукции магнитного поля 0,1 Тл. В результате из ДШ, содержащего 39,5 % Fe и 0,31 % Zn, получен металлизованный магнитный концентрат с содержанием 73,8 % Fe и 0,048 % Zn, а из ДП, содержащей 44,6 % Fe и 0,31 % Zn – металлизованный магнитный концентрат с содержанием 80 % Fe и 0,019 % Zn. Степень извлечения железа в концентрат для ДШ и ДП составила 92,8 и 89,7 % соответственно. Предложенный подход позволяет получать ценные материалы для черной и цветной металлургии из техногенного сырья, увеличить эффективность аглодоменного передела и избежать накопления отходов.

Объектом исследования являются гидроотвалы складирования отходов первичного и вторичного обогащений железной руды (хвостохранилища). В ходе исследования получены данные минералогического состава образцов почвообразующей породы техногенных ландшафтов. Рассматриваемый показатель является одним из основных факторов почвообразования при изучении литологии на более низком иерархическом уровне. Минералогический состав оказывает влияние на содержание и соотношение в почвах элементов питания и токсикантов, процессы ионного обмена, устойчивость почв к деградации и общее плодородие почв. Он является матрицей формирования почв и регулирует трансформацию, миграцию и аккумуляцию в почве веществ, энергии и информации внешней среды и антропогенного воздействия. Гидроналивной способ складирования отходов оказывает влияние на пространственное распределение материала в хвостохранилищах. Прежде всего выделяется контрастное сложение по гранулометрическому составу из-за осаждения частиц в водных условиях под действием гравитационного поля. Скорость осаждения зависит от массы, размера, формы и плотности вещества частиц, вязкости и плотности среды, а также от ускорения, силы тяжести и действующих на частицы центробежных сил. Несмотря на значительное количество исследований по влиянию минералогического состава на развитие почв, данная проблема изучена недостаточно. Это определяет отсутствие общепринятых показателей скорости развития почв, формирующихся на техногенном минеральном субстрате, и степени накопления в таких почвах биофильных элементов.

Коррозионностойкие стали востребованы в современном мире из-за их высоких эксплуатационных свойств и широкого спектра применения. К таким областям применения относятся кухонная утварь, мебель, медицинское оборудование, ядерные реакторы, косми­чес­кие аппараты и т. д. Кислород в стали, особенно в коррозионностойкой, является одним из самых вредных элементов. Оксидные включения нарушают гомогенность металла, отрицательно влияют на пластичность, вязкость разрушения, усталостную прочность и коррозионную стойкость стали. В коррозионностойких сталях неметаллические включения (НВ) приводят к образованию дефектов в холоднокатаном листе. Включения алюминатов также приводят к засорению сталеразливочного оборудования. В работе выполнен анализ технологии производства коррозионностойкой стали 08Х8Н10Т с целью определения причин образования НВ, влияющих на разливаемость стали и ее качество. В ходе исследований определено содержание общего кислорода и азота, а также кислорода, связанного в различные НВ на стадиях ковшевой обработки и непрерывной разливки стали. После введения в расплав титановой проволоки общее содержание азота снижается за счет образования и последующего удаления нитридов титана. При этом увеличивается содержание оксидов титана в расплаве. Показано, что причинами засорения сталеразливочных стаканов при непрерывной разливке являются комплексные НВ на основе оксидов титана, которые осаждались на внутренней поверхности разливочного стакана-дозатора. В работе даны рекомендации по корректировке технологии выплавки стали в ДСП и ковшевой обработки. По результатам электронно-микроскопического анализа установлено, что перемешивание рафинирующего жидкоподвижного шлака в агрегатах ковшевой обработки стали способствовало ассимиляции НВ шлаком и уменьшению их размеров в металле. После внедрения корректирующих рекомендаций засорения сталеразливочных стаканов при непрерывной разливке не наблюдалось.

Индентирование является привлекательным методом для изучения деформационного поведения аморфных сплавов по ряду причин: не будучи специфичными к размеру образца, эти испытания просты в выполнении и не приводят к макроразрушению; пластичес­кая деформация в материале ограничена локально, что облегчает изучение пластического течения в зонах окружающих и находящихся под индентором; прямое сравнение результатов индентирования с откликами, например, на изгиб или растяжение дополнительно делает метод индентирования эффективным «зондом» для понимания физики пластической деформации и разрушения аморфных сплавов. В настоящей работе представлены результаты исследований морфологии микроотпечатков после индентирования на эластичной подложке лент быстрозакаленных аморфных сплавов Co_70,5Fe_0,5Сr₄Si₇B₁₈, подвергнутых термической обработке в широком диапазоне температур. Структурно-фазовые превращения контролировались проведением рентгеноструктурного анализа и дифференциально-сканирующей калориметрией. Обнаружены характерные видоизменения картин их деформации и разрушения при переходе из аморфного в кристаллическое состояние. Установлены три температурных интервала с характерными зонами деформирования на поверхности исследуемых образцов. При T_комн < T_f  аморфный сплав демонстрируют уникальную пластичность, при максимальной нагрузке на индентор появляются только полосы сдвига вокруг отпечатка. Интервал T_f  ≤ T_an ≤ T_sb – переходный, так как при более низких температурах не образуются трещины, а при более высоких нет полос сдвига. Сплав находится в аморфном, но охрупченном состоянии, поэтому наблюдаются радиальные и кольцевые трещины, а также отколы. Интервал T_sb < T_an ≤ T_crys соответствует окончательной трансформации сплава в кристаллическое состояние, формируются симметричные картины разрушения, состоящие из квадратных сеток трещин. Таким образом, на основании составленного с учетом соответствующих температурных интервалов «атласа» зон локального нагружения (наличие/отсутствие полос сдвига, трещин, их взаимное расположение) при разных нагрузках возможно дать приближенную экспресс-оценку структурного состояния аморфных сплавов.

В работе авторы методами современного физического материаловедения исследовали структуру, дефектную субструктуру, фазовый состав, трибологические и механические свойства наплавки, подвергнутой высокотемпературному отпуску при 580 °C и последующей электронно-пучковой обработке. Наплавленные слои толщиной до 10 мм формируются плазменной наплавкой порошковой проволокой ПП-18Ю в среде азота. По фазовому составу наплавленные слои состоят из α-Fe и карбидов состава Мe₆С. После отпуска поликристаллическая структура наплавленного слоя содержит зерна размером 7,0 – 22,5 мкм с прослойками второй фазы по границам и в стыках зерен составов V₄C₃, Cr₇C₃, Fe₃С, Cr₂₃С₆, WC_1 – x . Электронно-пучковая обработка формирует тонкий поверхностный слой (30 – 50 мкм) с зернами ячеистой (зеренной) структуры высокоскоростной кристаллизации субмикронного (100 – 250 нм) размера. В объеме зерен и по границам выявлены частицы второй фазы наноразмерного диапазона глобулярной и ограненной форм.

На сегодняшний день перед исследователями и промышленностью стоит задача улучшения физико-механических свойств различных металлических изделий. Для упрочнения конструкций существуют различные технологии обработки поверхности материала путем высокотемпературного воздействия. Большой интерес при этом вызывает применение лазерных технологий. Высокоскоростной локальный лазерный нагрев поверхности материала с последующим быстрым охлаждением путем отвода тепла в глубь объема, а также отсутствие механического воздействия позволяют получить уникальные неравновесные структуры с широким набором свойств. Очевидно, что развитие этих технологий требует глубоких фундаментальных исследований. В настоящей работе методом молекулярной динамики выявлялись особенности структурных изменений поверхностных слоев кристалла железа при высокотемпературном воздейст­вии. Выбор такого метода обусловлен тем, что рассматриваемые явления затруднительно изучать путем реальных экспериментов и прямых наблюдений. Условия компьютерного эксперимента были заданы таким образом, чтобы после прохождения точки температуры плавления в моделируемой системе происходил фазовый переход, при котором осуществляется отрыв частиц от поверхности жидкой фазы. В результате проведенного исследования выполнена оценка пороговой температуры эжектирования частиц и проведено исследование механизмов образования кластеров частиц. При нагреве происходит увеличение количества кластеров, а при охлаждении – его уменьшение, но при этом размеры кластеров увеличиваются, что свидетельствует о реализации механизма конденсации продуктов абляции. Дополнительно проведено исследование влияния внешнего давления на моделируемую систему частиц. Показано, что при увеличении давления количество кластеров уменьшается.

Исследованы фазовый состав, параметры кристаллической решетки, механические свойства и коррозионная стойкость под напряжением высокоазотистых аустенитных и аустенито-ферритных Cr – Mn сталей после гомогенизирующей обработки, старения и холодной пластической деформации. Установлено, что легирование Cr – Mn сталей кремнием и ванадием может приводить к образованию разных количеств ферромагнитного ẟ-феррита и уже с малых его содержаний к существенному упрочнению, обусловленному зернограничным эффектом. Присутствие ẟ-феррита оказывает упрочняющий эффект как после гомогенизирующей обработки, так и при холодной пластической деформации. В легированных ванадием Cr – Mn сталях даже после аустенитизирующей обработки при 1250 °С сохраняется более мелкое зерно аустенита 8 – 9 номера, чем у сталей, легированных кремнием, имеющих после закалки от более низкой температуры (1150 – 1170 °С) большее по размеру зерно 6 – 7 балла. Образование даже небольших количеств ẟ-феррита приводит к снижению сопротивления коррозионному растрескиванию высокоазотистых хромомарганцевых сталей. При этом сопротивление коррозионному растрескиванию высокоазотистых сталей с ẟ-ферритом оказывается значительно ниже, чем у содержащих 0,4 % азота и более однофазных Cr – Mn аустенитных сталей. Старение вызывает существенное упрочнение высокоазотистых, легированных как кремнием, так и ванадием, Cr – Mn сталей с ẟ-ферритом и сопровождается потерей ферромагнетизма при значительном уменьшении ударной вязкости и пластичности. Исчезновение ферромагнетизма, по-видимому, обусловлено тем, что происходит распад ẟ-феррита на σ-фазу и парамагнитный азотсодержащий аустенит. Микроструктурные и рентгеноструктурные исследования свидетельствуют о том, что старение стали с ẟ-ферритом протекает по непрерывному механизму, сопровождающемуся монотонным снижением параметра решетки аустенита в связи с выделением из него нитридов. Старение двухфазных сталей, приводящее к исчезновению ẟ-феррита и ферромагнетизма, вызвало катастрофическое снижение стойкости против коррозионного растрескивания.

Приведены оригинальные экспериментальные данные о вязкости и удельном электросопротивлении жидких чугунов ИЧХ28Н2, ИЧ310Х24М2Ф4ТР. Результаты измерений рассмотрены в рамках представлений о микрогетерогенности металлических расплавов. Жидкий чугун в микрогетерогенном состоянии понимался как дисперсная система, состоящая из дисперсных частиц Fe – 30 % Cr, распределенных в дисперсионной среде Fe – 3 % C. Представления о коллоидной микронеоднородности (микрогетерогенности) расплавов Fe – C впервые сформулированы А.А. Вертманом и А.М. Самариным более 80 лет назад и нашли еще одно подтверждение в данной работе. Привнесение теоретических подходов реологии дисперсных систем в анализ температурных зависимостей вязкости микрогетерогенных расплавов позволило оценить параметры микрогетерогенности: объемную долю и их размер. Определение объемной доли дисперсных частиц проводилось по уравнению Тейлора для вязкости дисперсных систем и размера дисперсных частиц в рамках представлений теории абсолютных скоростей реакций. Анализ температурных зависимостей удельного электросопротивления микрогетерогенных расплавов в рамках теории явлений переноса (в данном случае проводимости) в неоднородных средах (микрогетерогенных расплавах) дал возможность оценки объемной доли дисперсных частиц. Объемную долю дисперсных частиц по данным об удельном электросопротивлении жидких чугунов определяли из уравнения Оделевского для проводимости неоднородных сред. Установлены размер кластера из соотношения величин удельного электросопротивления расплава при температуре ликвидус и температуре анализа с учетом известных данных для длины свободного пробега и коэффициент рассеяния электронов жидкого железа. Величина объемной доли дисперсных частиц в жидких чугунах составила 0,2 – 0,1 вблизи температуры ликвидус. С повышением температуры объемная доля дисперсных частиц уменьшается. Размер кластера в жидком чугуне составил около 3 нм вблизи температуры ликвидус, с повышением температуры размер кластера снижается до 1 – 2 нм. Полученные результаты имеют практическое значение: повышение эксплуатационных свойств отливок из чугунов возможно путем высокотемпературной обработки расплава (ВТОР) с целью изменения условий кристаллизации и получения модифицированной структуры. Исследования микрогетерогенного строения жидких чугунов и оценка параметров микрогетерогенности позволит обосновать и предложить оптимальный режим ВТОР с целью повышения эксплуатационных характеристик изделий из износостойких чугунов, легированных хромом.

Высокие требования, предъявляемые к качеству поверхности и сложности геометрии металлоизделий, конструкций и узлов деталей, получаемых из широкой линейки цветных и черных сплавов, определяют востребованность литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) как метода, обеспечивающего номенклатуру изделий ответственного назначения для нужд авиа-, судо-, и машиностроения. К ряду «узких» мест в реализации процессов ЛВМ можно отнести значительное число технологических операций, каждая из которых сопровождается явлениями теплофизической природы, требующих коррекции, что в конченом итоге определяет высокую стоимость литья. Сложность представляют такие явления, как усадка модельного материала, его температурное расширение на стадиях выплавления из керамической формы, определяющее проникновение модельной массы в поры керамики и способное повлиять на появление поверхностных дефектов, химический состав и структуру сплава будущей отливки. На устранение отмеченных недостатков направлен процесс формирования пористой поверхности выплавляемой модели без усадочных дефектов путем прессования порошков воскообразных модельных материалов, что обеспечивает требуемую геометрию прессовок и отсутствие деформационного воздействия на керамику модельного материала на стадии его выплавления. Широкому распространению метода препятствует недостаток сведений об особенностях управления напряжениями в теле прессовки, определяющими величину упругого отклика уплотняемого материала, который на порядок меньше, чем тепловая усадка. В работе представлены результаты экспериментального определения влияния скорости уплотнения порошковых модельных материалов на напряженно-деформированное состояние прессованных выплавляемых моделей, формируемых в закрытой матрице, а также на прочность таких прессовок.

Работа посвящена автоматической электродуговой сварке под слоем флюса с применением присадочного материала в виде алюмотермитной засыпки для соединения толстолистовых конструкций. Материал пластины принимается упругопластическим, деформации – малыми и состоящими из упругих и пластических. Обратимые (упругие) деформации связаны с напряжениями законом Дюамеля-Неймана, необратимые (пластические) зарождаются и растут благодаря пластическому течению в рамках ассоциированного закона пластического течения. За условие пластического течения принято модифицированное условие Мизеса, в котором учитывается вязкость. Источник тепла от автоматической электродуговой сварки моделируется двойным эллипсоидом, предложенным Джон А. Голдаком, а тепло от химической реакции в области фронта горения алюмотермита задается значением теплового потока. Упругие модули и предел текучести зависят от температуры. Рассматривались пластины с толщинами 12, 14, 16, 18 мм. Сравнивая интенсивность остаточных напряжений в верхнем и нижнем слоях пластин и по их толщинам, можно утверждать, что с повышением толщины возрастают области распространения высокой интенсивности остаточных напряжений и увеличиваются их значения. Эти области располагаются внутри материала в околошовной зоне на участке синеломкости. Анализируя распрямления полей температур для случая электродуговой сварки с присадочным материалом в виде алюмотермитной засыпки и без него, установлено, что в результате химической реакции температура в зоне шва повышается на 500 °С. Это дает возможность для применения данной технологии проведения сварочных работ при низких климатических температурах.

В металлургической промышленности примерно 40 % энергии, затрачиваемой на подготовку сырья для дальнейшего передела, приходится на процессы разрушения хрупких материалов. Измельчение осуществляется на дробильных машинах. Из проведенного анализа работы дробильных машин, отличающихся по способу создания в разрушаемом куске хрупкого материала напряжений, следует, что оптимальным, с точки зрения энергоэффективности, является способ дробления, при котором в перерабатываемом материале путем генерации возникают касательные напряжения (деформация сдвига). Авторы приводят описание конструкции дробильной машины, обеспечивающей в процессе дробления в куске возникновение только касательных напряжений, вызывающих сдвиговые деформации.

Взаимосвязь температурно-деформационно-силовых параметров в процессах горячей деформации имеет важное значение в практике обработки давлением. Из двух вариантов поиска и описания таких связей (основанных на физических закономер­ностях и математических приемах) в некоторых случаях оказывается более простым способ математического поиска искомой зависимости. Именно такой путь реализован в данной работе. Для этого из оцифрованных диаграмм деформации образцов жаропрочной 12 %-ной хромистой стали 1Cr12Ni3Mo2VNbN, продеформированных до истинной степени деформации ~1 при 1253 – 1453 К и скорости сжатия 0,01 – 10 с^–1 в истинных координатах (φ и S) создавали матрицу исходных данных, в которой для каждой точки экспериментальной диаграммы деформации указывались напряжение S, степень деформации φ, скорость деформации φ′ и температура Т. Проведен поиск математической модели в мультипликативной форме, что позволило логарифмированием привести ее к линейному виду, а для поиска коэффициентов при сомножителях (а после логарифмирования – при слагаемых) использовать стандартные операторы программы Mathcad, использующие алгоритмы расчетов на основе метода наименьших квадратов. Качество модели оценивали количественно через расчет Q – суммы квадратов разностей между расчетными и экспериментальными значениями напряжений с нормировкой ее на среднее значение напряжения S от всего массива. Для найденной наилучшей формы связи S = f(φ, φ′, T) вида \(\log (S) = A + B\log (\varphi ) + C{[\log (\varphi )]^2} + D{[\log (\varphi )]^3} + E\log (\varphi ') + F\log (\varphi )\log (\varphi ') + G\frac{\varphi }{{\varphi '}} + \frac{{H + K\varphi  + M\log (\varphi ) + N\log (\varphi ') + P\log (\varphi )\log (\varphi ')}}{T}\) значение Q составило 6 % от S_ср = 130 МПа. Установлено, что найденный вид математического описания горячей деформации применим к анализу процессов горячей деформации самых разнообразных металлических материалов, при этом точность прогнозных характеристик напряжения деформирования составляет 3 – 11 %.