Охлаждение в объеме масла тел сложной формы с разномассивными элементами является пожароопасным, дорогостоящим и неуправляемым процессом с точки зрения отвода тепла от разномассивных элементов. Одним из таких изделий несимметричной конфигурации, для которых применяется такой вид термической обработки, является рельсовая накладка. В ОАО «ВНИИМТ» впервые предложена экологичная технология, а также разработано устройство водяного регулируемого охлаждения рельсовых накладок. Благодаря использованию воды в качестве охлаждающего агента полностью исключается образование вредных выбросов в атмосферу, отсутствует необходимость в постоянных затратах на покупку масла, его замену и утилизацию. Стендовые эксперименты на опытно-промышленном агрегате определили условия получения уровня механических свойств накладок, удовлетворяющие требованиям нормативной документации. Прямолинейность готового изделия обеспечивается раздельной подаче воды на каждый коллектор каждой секции устройства. Представленные результаты стендовых экспериментов послужили основой выбора режимов работы промышленного устройства при освоении рассматриваемой технологии в условиях производства, которая может с успехом заменить традиционную – закалку в объеме масла.

Изменение избыточной энергии Гиббса бинарного раствора субрегулярного типа может быть с невысокой погрешностью аппроксимировано уравнением где xi – мольные доли компонентов в растворе; Q0 ‒ энергия смешения; m и n – численные константы. Фиксированные параметры Q0 , m и n определяются методом наименьших квадратов по экспериментальным данным величин ΔG E и активностей компонентов бинарного раствора. Полученные расчетные выражения позволяют работать с субрегулярными растворами так же, как с регулярными, и получать более простые выражения активностей компонентов многокомпонентных растворов.

Проведено термодинамическое моделирование высокотемпературных взаимодействий микрокремнезема и буроугольного полукокса. Расчет равновесных составов систем Si – O – C и Si – O – C – H проводился «константным» методом с использованием программы компьютерного моделирования высокотемпературных химических взаимодействий PLASMA. Установлено, что в обеих системах процесс карбидообразования является доминирующим. При стехиометрическом составе шихты максимальное содержание в продуктах восстановления карбида кремния достигается при температуре 1700 К, а при 10 %-м недостатке углерода – при 1900 К. Введение в систему водорода фактически не влияет на процесс карбидообразования, что обусловлено низким (менее 0,001 моль) содержанием углеводородов и углеводородных радикалов в газовой фазе при температурах карбидообразования. В системе Si – O – C равновесная степень превращения кремния в карбид не превышает 0,97, что соответствует содержанию монооксида кремния в газовой фазе 0,02 моль, вследствие чего из шихты стехиометрического состава (SiO2 + 3C) получить однофазный, не содержащий свободный углерод, карбид кремния невозможно. Этого можно избежать при использовании шихты с некоторым (примерно 10 %) недостатком углерода-восстановителя.

Представлены результаты расчетов технологических параметров процесса металлизации формованных рудно-угольных материалов в кольцевой печи с вращающимся подом, отапливаемой генераторным газом. Усовершенствована система утилизации тепла отходящих из кольцевой печи дымовых газов путем введения дополнительных контуров после паровой турбины, позволяющих вырабатывать тепловую и электрическую энергию. Изменена схема подвода теплоносителя к рекуператорам для подогрева воздуха и генераторного газа и к решетке для подогрева окатышей или брикетов с целью обеспечения их более высоких температур. Рассчитан ориентировочный экономический эффект от технических преобразований энерготехнологической установки металлизации рудно-угольных материалов.

Поставлена и решена задача моделирования зоны пластического течения в начальной стадии горячей протяжки цилиндрической заготовки в кузнечном прессе с комбинированными бойками. Получено поле интенсивности напряжений для тензора суммарных упругих напряжений (нагрузки и термических). По напряжениям нагрузки решена задача плоской деформации для заготовки круглого сечения, к которому приложены три сосредоточенных погонных усилия. Зона пластического течения определяется значением предела текучести материала как ограничением интенсивности упругих напряжений. Показано, что растягивающие окружные термические напряжения вовлекают в зону пластического течения приповерхностный слой заготовки, что облегчает процесс ковки. Рассмотрен численный пример формирования напряжений нагрузки и термических напряжений при протяжке после биллетировки 7-т слитка из стали марки 40ХН с радиусом среднего сечения R = 0,35 м; его нижняя (880 °С) граница допустимых ковочных температур достигается через 20 мин после выноса из печи с температурой 1180 °С. Представлены графики распределения компонент тензоров напряжений нагрузки и термических напряжений, а также соответствующих интенсивностей напряжений по сечению заготовки.

Рассмотрены технологические варианты конвертерной плавки при использовании двухъярусных фурм различной конструкции. Освещены особенности формирования металлошлаковых настылей на стволе двухъярусных кислородных фурм при верхней продувке ванны 160-т конвертеров в зависимости от хода продувки с различным уровнем образования вспененной шлакометаллической эмульсии в рабочем пространстве агрегата. Предложена сопряженная трехмерная математическая модель гидродинамических и массопереносных процессов в шлаковой и металлической фазах конвертера, которая может быть использована для изучения закономерностей циркуляционных процессов в полости конвертера при разных положениях двухъярусной фурмы, количестве сопел в нижнем и верхнем ярусах, углах наклона сопел, расходах кислорода через сопла и прочих технологических параметрах. Выполнено численное моделирование продувки металла в 160-т конвертере с использованием двухъярусной фурмы с 5-ю соплами Лаваля в нижнем наконечнике и 8-ю соплами в верхнем ряду. Полученные данные позволяют составить представление о характере движения металлической и газошлаковой фаз в конвертере.

Проведены экспериментальные исследования влияния введения углеродфторсодержащей добавки, содержащей 14,01 ‒ 22,72 % Al; 13 ‒ 22,04 % F; 13,16 ‒ 21,34 % C; 8,27 ‒ 13,4 % Na; 0,09 – 0,14 % К; 0,66 ‒ 1,09 % Ca; 26,11 ‒ 42,35 % SiO2 ; 1,15 ‒ 1,86 % FeO; 0,07 ‒ 0,12 % MnO; 0,001 ‒ 0,1 % MgO; 1,47 ‒ 2,38 % S; 0,03 ‒ 0,05 % P, в окислительные флюсы АН-348, АН-60, АН-67 при сварке стали 09Г2С и в алюминатно-основной флюс OK Flux 10.71 при сварке стали 10ХСНД. В ходе проведения экспериментов показано, что с точки зрения исключения образования в металле сварного шва неметаллических включений оптимальным является использование углерода в качестве раскислителя, так как образующиеся с его участием газообразные соединения СО и СО2 легко удаляются и не загрязняют металл шва неметаллическими включениями. Показано, что углеродфторсодержащая добавка в составе флюсов положительно влияет на качество сварного шва. Установлено, что при введении исследуемой добавки в количестве 4 ‒ 6 % в вышеназванные флюсы снижается общее содержа ние кислорода в металле шва. При использовании предлагаемой добавки увеличиваются комплекс требуемых механических свойств и ударная вязкость при отрицательных температурах за счет уменьшения загрязненности металла сварного шва оксидными неметаллическими включениями, при этом концентрация углерода в сварных швах остается на уровне концентрации основного металла.

Методами современного физического материаловедения выявлены закономерности преобразования структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры поверхностного слоя (глубиной до 10 мм) рельсов в процессе длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 1000 млн. т брутто). Построены профили микротвердости, выявлен факт снижения прочностных характеристик поверхностности катания рельса после эксплуатации на железной дороге. Эксплуатация рельсов приводит к формированию многослойной структуры. Показано, что поверхностный слой толщиной примерно 20 мкм имеет многофазную субмикро- и нанокристаллическую структуру, содержит микропоры и микротрещины. Структура слоя, расположенного на расстоянии 2 мм от поверхности катания, по морфологическому признаку подобна структуре стали до эксплуатации и представлена зернами перлита преимущественно пластинчатой морфологии, зернами феррито-карбидной смеси и зернами структурно свободного феррита. Отмечена повышенная плотность изгибных экстинкционных контуров на глубине 2 мм от поверхности катания. Показано, что максимальная амплитуда полей напряжений формируется на межфазной границе глобулярная частица – матрица.

Методами дифракции обратнорассеянных электронов проведено изучение закономерностей изменения микроструктуры приповерхностных слоев никелида титана после воздействий на них среднеэнергетическими потоками ионов кремния. После обработки поверхности образцов никелида титана TiNi среднеэнергетическими пучками ионов кремния наблюдается изменение и фрагментация зеренной структуры приповерхностного слоя исследуемого материала. Установлено, что характерными особенностями слоя с фрагментированной структурой являются: присутствие в нем мартенситной фазы В19′; высокая концентрация межфазных и внутрифазовых границ раздела; линейные размеры фрагментов превышают 1 мкм; измельчение структуры слоя под облученной поверхностью неоднородно и зависит от кристаллографической ориентации исходного зерна (в одном зерне внутренняя структура фрагментируется почти на 1/3 от его объема, а в соседнем зерне не наблюдается каких-либо заметных структурных изменений). Фрагментацию наиболее интенсивно испытывали те зерна, кристаллографическая ориентация которых относительно направления воздействия оказалась близка к направлению <111>. Проведен анализ угловых разориентаций фрагментов относительно исходной кристаллографической ориентации B2 структуры.

Предложена комплексная технология поверхностного упрочнения титановых сплавов, основанная на сочетании поверхностного легирования бором и углеродом, электромеханической обработки (ЭМО) и безабразивной финишной ультразвуковой обработки (БУФО). Представлены результаты исследования микротвердости и особенностей структурно-фазового состояния поверхностного слоя титанового псевдо-α-сплава типа 5В после различных комбинаций обработок (ЭМО, БУФО, поверхностное легирование). Показано, что для различных схем упрочнения достигается повышение микротвердости поверхности обработанного материала до 30 – 40 %. При этом наибольший эффект наблюдается при использовании в ходе обработок ЭМО + БУФО в качестве обмазки мелкодисперсного порошка литейного графита в комбинации с органическим связующим. Увеличение микротвердости обеспечивается упрочнением за счет интенсивной пластической
деформации металла, измельчением зерна (с 50 до 1 мкм) при фазовых превращениях, а также формированием мелкодисперсных упрочняю щих боридов и карбидов титана (содержание которых в поверхностном слое достигает 1,88 и 0,46 % соответственно).

Рассмотрена проблема моделирования дискретно-непрерывного динамического процесса при отсутствии данных о текущих управляющих воздействиях, поставлена задача идентификации. Предложена непараметрическая модель динамического объекта и проанализированы результаты вычислительного эксперимента моделирования при неполной информации об управляющих воздействиях. Для учета в модели неконтролируемых входных воздействий предложена двухконтурная система управления динамическим объектом. Внутренний контур управления включает управляющее устройство, которое реализует типовой закон регулирования. Внешний контур включает непараметрический регулятор, несущий в себе черты обучаемости и дуализма. Описан непараметрический алгоритм дуального управления и проанализирован его двойственный характер. Приведен сравнительный анализ численного исследования алгоритма управления динамическим объектом, реализованного в двухконтурной системе и в системе управления с типовым ПИ-регулятором.

Представлены формулы, упрощающие аналитический расчет процессов осесимметричной пластической деформации по линиям тока. Описана геометрическая особенность результатов оптимизационного решения задачи о выдавливании цилиндрической заготовки в конической матрице.

Получение многослойной заготовки возможно с помощью применения электрошлаковой технологии, которая весьма вариативна и позволяет различными способами воздействовать на структуру получаемой отливки. По предлагаемой технологии формирование слоев нового состава осуществляли подачей, с заданной периодичностью, в жидкометаллическую ванну углеродосодержащего материала конкретной массы. Проведен ряд механических испытаний, в частности, – определение микротвердости полученного материала. Измерение микротвердости при металлографических исследованиях позволяет получить результаты, едостижимые при макроскопических механических испытаниях. Например, выявить картину изменения значения твердости в многослойной металлической композиции. Микротвердость материала с большим количеством присадки выше, чем с меньшей массой присадки-науглероживателя; на поперечных образцах микротвердость выше, чем на продольных; образцы, подвергнутые более глубокой степени деформации и термической обработке по режимам отжиг и отжиг + закалка, показывают микротвердость почти в 2 раза выше. Глубокая степень деформации приводит к размытию в структуре материала слоев и обозначает максимальную степень деформации материала, при котором сохраняется многослойная структура.