Освещены результаты разработки и совершенствования установок и методик высокотемпературного моделирования гидрогазодинамических и тепломассообменных закономерностей верхней и комбинированной продувки конвертерной ванны. Показана роль кафедры металлургии черных металлов ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» в развитии теоретических аспектов продувки металлического расплава в конвертере газовыми струями. Благодаря использованию конвертеров со смотровыми окнами, применению специальных приемов визуализации реакционной зоны и фотокиносъемки удалось пронаблюдать и зафиксировать макрокартину физических явлений на поверхности продуваемой конвертерной ванны. Разработанная методика использования прозрачной стенки конвертера позволила получить достоверную информацию о состоянии и перемещении границы раздела шлак – металл при различных способах продувки и механизме образования выбросов. Разработанные и обоснованные основные положения методики высокотемпературного моделирования различных вариантов продувки конвертерной ванны с предложением чисел динамического подобия позволяют с большой достоверностью переносить полученные данные с модели на промышленный образец. Предложены практические варианты подхода к изучению гидрогазодинамических и тепломассообменных процессов, протекающих в основных реакционных зонах рабочего пространства конвертера при верхней и комбинированной продувке.

В пределах Алтае-Саянской металлогенической провинции выявлены проявления марганцевых руд, которые можно отнести к полиметаллическим рудам, но из-за высокого содержания фосфора и железа они не могут быть использованы для выплавки стандартных сплавов без предварительного обогащения. Термодинамические расчеты и экспериментальные исследования по обогащению полиметаллического марганецсодержащего сырья позволили определить основные технологические параметры извлечения компонентов и разработать технологическую схему обогащения. По предложенной технологической схеме возможно получение высококачественных концентратов марганца, никеля, железа, кобальта. Применение оптимальных технологических параметров обогащения позволяет из полиметаллического марганецсодержащего сырья извлекать до 95 – 97 % Mn, 98 – 99 % Ni, 96 – 98 % Fe, 60 % Co. Показано, что марганцевый концентрат целесообразно использовать для выплавки марганца металлического и сталей с низким содержанием фосфора, что позволит снизить зависимость от импорта марганецсодержащих материалов. Разработана технология легирования стали с использованием полученного концентрата никеля, при этом замена никеля металлического его концентратом значительно сократит расходы на легирование. Разработана технология получения металлизованного железа методом твердофазного восстановления из железного концентрата, что позволит снизить содержание вредных примесей в стали.

Определены равновесные составы высококремнистых металлических расплавов, сосуществующих с шлаками системы CaO – Al2O3 – SiO2 . Зависимости активностей а кремния в железокремниевых расплавах представлены в виде линий изоактивностей на диаграмме состояния Fe – Si. Рассчитаны равновесные с металлическим расплавом зависимости lg PO2 = f (xSi , T) для температур 1823, 1873, 1973 К и влияние aSiO2 = f (xSi, T) на равновесный состав газовой фазы PO2 = f (xSi , T, aSiO2 ). Проанализированы и скорректированы данные по активностям диоксида кремния в шлаках системы CaO – Al2O3 – SiO2 . Показано, что каждому сплаву заданного состава при фиксированной температуре соответствует только одно значение aSiO2 , представленное на концентрационной диаграмме линией изоактивности. Установлено, что в присутствии углерода все высококремнистые сплавы могут быть получены при температурах T ≥ 1973 К при значениях aSiO2 > 0,8; при 1873 К и aSiO2 > 0,9 могут быть получены лишь сплавы с содержанием кремния менее 25 %, а при снижении aSiO2 до 0,4 – менее 20 %. При более низких температурах (≤ 1823 К) можно под кислым шлаком (aSiO2 > 0,5) получить лишь низкокремнистые сплавы (< 15 % Si).

На основании результатов моделирования процессов прокатки в сортовых калибрах простой формы определены и экспериментально подтверждены закономерности течения поверхностных слоев заготовок и их влияние на формирование напряженно-деформированного состояния металла в процессе прокатки. С учетом сформулированных рекомендаций разработана и прошла опытно-промышленное опробование новая калибровка валков черновой группы клетей непрерывного мелкосортного стана 250-2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», использование которой позволило увеличить выход годного при производстве проката из качественных конструкционных сталей на 3 %. Проведена оценка повышения эффективности производства за счет увеличения производительности при внедрении процесса прокатки-разделения в условиях действующего непрерывного мелкосортного стана 250-1 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». Предложена методика для определения кратности разделения в зависимости от необходимого приращения производительности, приведены рекомендации по расчету скоростного режима в черновых и чистовых клетях непрерывных станов, фактические данные по изменению суммарных коэффициентов вытяжки и скоростных условий по группам клетей при получении арматурных профилей № 10, № 12 и № 14.

Несмотря на большое разнообразие типов рельсов, применяемых в промышленности, методы их калибровки практически одинаковы. Однако калибровка желобчатых рельсов, применяемых в основном для трамвайных путей, в отличие от обычных рельсов имеет свои особенности в формировании желоба. Приведены результаты компьютерного моделирования и промышленных экспериментов, в результате которых исследовано распределение осевой пористости и произведена оценка деформированного состояния металла при прокатке в черновых и чистовых калибрах с целью разработки и внедрения новой технологии прокатки трамвайных желобчатых рельсов. По результатам компьютерного моделирования были проведены промышленные исследования распределения осевой пористости при прокатке в черновых ящичных калибрах клети BD-1 и разрезных рельсовых калибрах в клети BD-2. Изучения макроструктуры проводили на темплетах непрерывнолитой заготовки после второго, седьмого и девятого пропусков в клетях BD-1, BD-2. Результаты промышленного эксперимента и компьютерного моделирования показали хорошую их сходимость.

Исследованы условия электроосаждения, структура и физико-механические свойства (микротвердость, сцепление с основой, внутренние напряжения, износостойкость, токи коррозии) металломатричных композиционных покрытий на основе никеля с нанопорошком
(НП) (размерный диапазон 0,02 – 0,08 мкм) карбида титана и его микропорошком (МП) (1 – 5 мкм). Установлено, что при электроосаждении никеля из электролита – суспензии металлический никель сначала осаждается на наночастицах, взвешенных в электролите, после чего наночастицы прочно прикрепляются к подложке, легко и равномерно врастают в осадок. В отличие от микропорошка, нанопорошок карбида является не только наполнителем, а выступает в качестве сильного структурообразователя в процессе электрокристаллизации никеля и обеспечивает ее массовый многозародышевый характер, что приводит к образованию покрытий с малыми размерами структурных фрагментов, характерного матового цвета, практически беспористых с повышенными физико-механическими свойствами. Покрытия содержат 97,39 % Ni; 1,79 % O; 0,65 % Ti; 0,17 % C. Отжиг покрытий в вакууме способствует повышению их сцепления с основой в 1,3 раза, микротвердости – в 1,2 раза, износостойкости – в 1,3 раза. Покрытие Ni – НП TiC рекомендовано для антикоррозионной защиты и упрочнения деталей, работающих на износ при средних окружных скоростях и невысоких удельных нагрузках.

Получены новые знания о влиянии циркония в составе ионно-плазменного покрытия (Ti, Zr)N, наносимого на сплав ВК10КС. Ионно-плазменное покрытие (Ti, Zr)N наносили на установке «Квант-6», используя раздельные катоды из титана и циркония из расчета 50 % Ti + 50 % Zr с применением азота в качестве реакционного газа. В этом случае два катода из титанового сплава расположены в камере установки друг против друга, а катод из циркониевого сплава – между ними. Установлено, что введение циркония в состав покрытия (Ti, Zr)N приводит к увеличению (на 23 %) нанотвердости до 38 500 МПа, модуля Юнга – на 67 %, который свидетельствует об увеличении энергии связей между атомами и прочности материала покрытия, а также к повышению износостойкости и снижению коэффициента трения покрытия до 0,07, удовлетворительной адгезионной прочности покрытия, т.е. в целом улучшает эксплуатационные характеристики всего твердого сплава.

Электронно-пучковая обработка (с параметрами: плотность энергии пучка электронов 10 – 40 Дж/см2, длительность импульса 50 – 150 мкс, число импульсов 3 – 5, частота следования 0,3 с–1 ) сталей различных структурных классов (08Х18Н10Т, 20Х23Н18, 20Х13, Э76Ф) и силумина приводит к увеличению числа циклов до разрушения примерно в 3,5 раза. Методами растровой и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии проведены исследования структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры этих материалов. Увеличение усталостной долговечности стали обусловлено преобразованием структуры поверхностного слоя материала, происходящим при облучении образцов высокоинтенсивным импульсным электронным пучком. Высказано предположение, что физический смысл влияния многоуровневого структурно-фазового состояния на механические свойства поверхностного слоя материала состоит в перераспределении упругой энергии как за счет взаимодействия упругих полей структурных элементов различного масштабного уровня, так и за счет снижения масштабного уровня локализации пластической деформации.

Органические отходы составляют основную долю всех опасных отходов. Особую опасность для окружающей среды представляют органические отходы, содержащие хлор. В мире основным методом уничтожения опасных органических отходов является высокотемпературное сжигание в специальных инсинераторах и во вращающихся цементных печах. Однако при сжигании существует опасность вторичного образования таких супертоксикантов, как диоксины и фураны. Выполненный сравнительный анализ условий образования диоксинов при сжигании отходов в инсинераторах, цементных печах и высокотемпературных металлургических агрегатах (кислородный конвертер) показал преимущества последних благодаря высоким температурам, интенсивному тепло- и массообмену, активной окислительной атмосфере, наличию высокоактивного основного шлака, быстрому охлаждению и дожиганию отходящих газов. Проведенные исследования содержания 17 изомеров диоксинов и фуранов в пыли отходящих конвертерных газов на сравнительных и опытных плавках с использованием отходов бумаги и пластмасс в условиях ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» показали, что их суммарная концентрация значительно ниже европейских стандартов для отходящих газов стационарных источников. При этом не установлено существенных различий в концентрациях и в изомерном профиле диоксинов и фуранов на сравнительной и опытной плавках.

Накопленные в отвалах и шламонакопителях предприятий металлургического комплекса отходы, включая отходы подготовки сырья (добычи, обогащения агломерирования и др.), металлургического передела и смежных производств, могут служить сырьем для предприятий различных отраслей и, прежде всего, черной металлургии. Тенденция снижения запасов железной руды делает особенно актуальной переработку техногенных отходов с целью получения техногенного железорудного сырья. Более 50 лет складируются отходы (порода углеобогащения, зола от сжигания углей на ТЭЦ и ПВС, шламы систем газоочистки металлургических агрегатов и др.) от различных производств в шламонакопителе Западно-Сибирского металлургического комбината. В связи с окончанием срока эксплуатации шламонакопителя необходима разработка технологии переработки накопленных техногенных отходов. С целью оценки перспектив получения железоконцентратов из основных видов размещенных в шламонакопителе отходов проведен комплекс исследований минерального состава и кристаллохимической структуры железосодержащих минералов с использованием методов мессбауэровской спектроскопии,
рентгенофазового и химического анализов, оптической микроскопии. Выявлены существенные различия в формах нахождения железа в отходах, имеющих различное происхождение, что обуславливает специфику технологий их переработки.

Рассмотрена задача построения тактовых моделей функционирования сложных производственных систем и их применения в реинжиниринге объектов черной металлургии. Разработана классификация моделей тактов по их назначению, масштабу объекта исследования, степени непрерывности материального потока, количеству одновременно обрабатываемых полупродуктов, количеству производственных операций, важности оборудования, статистическим характеристикам такта, степени механизации и автоматизации оборудования, по входу и выходу материального потока. Показана ведущая роль показателя «производительность» и его связи с другими технико-экономическими показателями производственной системы. Приведена факторная модель производительности системы и выделен основополагающий фактор – такт системы. Предложена базовая формула для оценивания производительности на основе такта. Показана методика выявления «узких мест» производственной системы на базе тактового подхода и оценки эффективности мероприятий реинжиниринга. Приведен пример применения тактовых моделей для анализа «узких мест» в прокатном производстве. Отмечена возможность применения тактовых моделей для планирования, прогнозирования и оперативного управления производством.

Статья посвящена анализу текущего состояния и перспективам развития систем управления со структурным разнообразием. Построение таких систем основано на совместном синтезе объекта управления и управляющей подсистемы. При этом объект управления представляет собой объект с целенаправленно изменяющейся структурой. Показана необходимость разработки новых подходов, методов и алгоритмов управления объектами со структурным разнообразием. Представлена обобщенная схема системы управления с целенаправленно изменяемой структурой и определены три типа реализации этой схемы. Сформулированы две задачи, возникающие при создании малоразмерных аналогов объектов управления, которые в дальнейшем могут быть использованы как физические модели в системах управления. Воервых, обеспечение подобия системы управления физической моделью и натурной (промышленной) системы управления. Во-вторых, развитие структуры управления с физической моделью, предложенной академиком А.А. Красовским. Рассмотрена схема управления подобием систем управления и предложен вариант системы управления с физической моделью. Приведена общая структура идентификатора в виде замкнутой динамической системы.

В статье рассматривается вопрос управления объектами с положительной обратной связью или с рециклом. Введение положительных обратных связей в объекты управления различной природы придает им качественно новые свойства и существенно изменяет динамику поведения, что требует особого подхода в вопросах регулирования. Приведена классификация объектов с рециклом с выделением четырех типов: рецикл «по концентрации», «по массе», «по массе и по концентрации», а также объекты с «координатными и параметрическими воздействиями рецикла». Описана структура модели объекта с рециклом для первых трех классов в общем виде. Приведена система регулирования для объектов с рециклом «по массе» и система координатно-параметрического управления для объекта с рециклом. Представлены результаты аналитического и численного исследований, результаты анализа эффективности систем регулирования, а также графики переходных процессов «по возмущению» и «по заданию».

Предложена методика расчета усилия резания на ножницах предварительно изогнутой полосы. Определено, что при резке предварительно изогнутой полосы максимальное усилие резания меньше, чем при резке прямой полосы.