Высшее образование на Среднем Урале было учреждено по декрету В.И. Ленина 19 октября 1920 г. В структуре Уральского университета был предусмотрен Политехнический институт с химико-металлургическим факультетом. Организаторами учебного процесса на металлургическом отделении были видные русские ученые и руководители металлургических заводов Урала: В.Е. Грум-Гржимайло, И.А. Соколов, Б.П. Сергиевский, А.Ф. Головин, С.С. Штейнберг. Последовательно рассмотрена деятельность коллектива преподавателей в период индустриализации страны, во время Великой Отечественной войны, в послевоенное время и после создания Института материаловедения и металлургии в составе Уральского федерального университета имени первого Президента Б.Н. Ельцина.

Парниковый газ CO2 образуется во всех технологических процессах черной металлургии. Выделены три типа эмиссий диоксида углерода различных переделов черной металлургии: процесса, транзитная и сквозная. Сквозная эмиссия диоксида углерода того или иного передела является суммой интегральных эмиссий процесса и транзитной. Предложена классификация переделов черной металлургии по механизму образования эмиссии диоксида углерода. Выделено пять типов переделов, к которым можно отнести нагревательные печи, конвертеры, мартеновские печи, доменные печи, коксовые батареи. Приведены значения сквозных эмиссий диоксида углерода для шести сочетаний переделов, на выходе которых получается сталь.

Современный изменяющийся рынок сырьевых материалов диктует необходимость разработки новых технологий производства чугуна, металлизованного железа и стали, чтобы обеспечить дальнейшее устойчивое экономическое развитие металлургических предприятий. Одной из главных современных задач черной металлургии является сокращение потребления энергии и энергетических ресурсов и уменьшение выбросов парниковых газов в атмосферу, являющихся основным фактором изменения климата на Земле, что представляет сегодня новые риски для энергоемкой черной металлургии, потребляющей громадное количество углеродсодержащего топлива. Развитие и внедрение новых альтернативных технологий производства железа в какой-либо форме и стали может помочь металлургическим компаниям продолжить их устойчивую экономическую работу. Для того, чтобы контролировать изменения климата и риски, связанные с этим, Инженерно-консалтинговой компанией Хатч (Hatch) и Уральским федеральным университетом были разработаны новые технологии и методы моделирования для определения возможного сокращения энергопотребления и уменьшения выбросов диоксида углерода в атмосферу. Технология, позволяющая определять уменьшение выбросов диоксида углерода, была названа G-CAP™ (Процесс сокращения выбросов парниковых газов), а технология улучшения топливно-энергетических показателей − En-MAP™ (План управления энергопотреблением). Оценка работы многих металлургических предприятий показала наличие значительных ресурсов по сокращению выбросов парниковых газов и уменьшения потребления энергии. С другой стороны, предприятия с лучшими показателями работы вероятно уже исчерпали возможности внедрения мероприятий с малым экономическим риском даже в условиях значительной стоимости платы за выбросы диоксида углерода в атмосферу. В этих условиях совершенно необходимо оценить все риски, связанные с разработкой и внедрением новых металлургических технологий. В данной работе представлен сравнительный анализ энергетической эффективности и эффективности снижения выбросов парниковых газов в атмосферу для ряда металлургических процессов, внедряемых в промышленность в настоящее время или близких к внедрению. Разработанные технологии G-CAP™ и En-MAP™ были использованы для количественной и качественной оценки возможностей снизить энергетические затраты и выбросы парниковых газов.

Актуальность задачи интенсификации рафинировочных процессов при ковшевой обработке стали и повышения производительности современного сталеплавильного производства в целом выдвигают проблему аналитического описания массообменных процессов при рафинировании металла в условиях газового перемешивания, являющегося основным на современном этапе. Анализ производственных данных с привлечением имеющейся информации и моделей не позволил сделать вывод об адекватности реальным условиям. В работе приведены методические подходы и результаты оценки объемного коэффициента массопереноса как обобщенного показателя, определяющего динамику рафинирования металла в условиях газового перемешивания. На базе большого массива промышленных данных по шлаковой десульфурации низко- и среднеуглеродистого металла на установке ковш-печь и вакуумной деазотации на установке VD с привлечением разработанных моделей перемешивания и рафинирования получены новые соотношения, связывающие интенсивность продувки перемешивающим газом с величиной объемного коэффициента массопереноса как для условий открытых процессов ковшевой обработки, так и для вакуумной дегазации. Приводятся результаты проверки адекватности предложенных моделей рафинирования на основе полученных соотношений связи интенсивности продувки и показателей массопереноса, показавшие достаточное соответствие рекомендованных режимов и достигнутой эффективности рафинирования.

Представлены результаты анализа материального, элементного по кислороду и теплового балансов рабочего пространства современной дуговой сталеплавильной печи емкостью 120 т. Показано, что приход теплоты при окислении железа и других компонентов шихты настолько значителен, что тепловой режим и технологический процесс в целом приобретают признаки автогенного. Существенные потери с химическим недожогом свидетельствуют о неудовлетворительной организации аэродинамических потоков в объе ме рабочего пространства печи. С использованием компьютерной программы SolidWorks Flow simulation рассмотрены аэродинамические потоки и температурные поля в зоне нахождения холодной шихты, расположенной между электродами и внутренней поверхностью стены печи. Рекомендован рациональный способ установки газокислородных горелок, фурм подачи кислорода и эжекторов для ввода углеродсодержащих материалов в ванну печи.

Для более полного использования железных руд Бакальского рудоуправления предложен обжиг во вращающейся печи в присутствии добавок твердого топлива. Исследования особенностей кинетики тепловой обработки образцов в атмосфере воздуха при скорости нагрева 10 град/мин позволили выделить семь технологических стадий: сушка; подогрев; диссоциация карбонатов; окисление ферритов; формирование труднорастворимых силикатов; расплавление, которые сопровождаются изменением их теплового состояния и условий уплотнения. Исследования изменений линейных размеров сидеритовых образцов в процессе нагрева позволили определить условия упрочнения их структуры в выделенных стадиях тепловой обработки. Представлены результаты промышленных испытаний обжига мелкой фракции сидерита класса 10 – 0 мм во вращающейся печи, отапливаемой природным газом в присутствии добавок кокса. Показана возможность достижения выхода обожженной фракции до 62,07 % при тепловом КПД агрегата 77,27 %.

Рассмотрены термодинамика и кинетика восстановления оксидов железа и разработана методика оценки изменения степени использования монооксида углерода в зависимости от интенсивности доменной плавки. Адекватность модели подтверждается сопоставлением результатов моделирования и производственных данных о работе доменных печей объемом 2200 и 3200 м3 . Показано, что при высокой степени развития процессов косвенного восстановления изменение интенсивности плавки будет сопровождаться существенными колебаниями теплового состояния.

Получена экспериментальная зависимость конвективной теплоотдачи от открытой поверхности вала печного высокотемпературного вентилятора в окружающую среду при различной частоте его вращения. Показано, что в сопоставимых условиях средний коэффициент теплоотдачи от поверхности вращающегося вала на 40 – 60 % больше, чем при обдуве потоком воздуха в поперечном направлении одиночного неподвижного цилиндра. Предложена методика расчета охлаждения вращающегося вала и получена математическая формула, пригодная для оценки его температуры в районе подшипников в зависимости от конструктивных параметров вентилятора и режимов работы печи. Расчетами показано, что при увеличении числа оборотов вращения вала температура нагрева подшипников интенсивно снижается в диапазоне от 100 до 600 об/мин. В случае дальнейшего повышения частоты вращения вала температура подшипников практически стабилизируется. Из анализа предложенной расчетной зависимости следует, что для снижения нагрева подшипников при выбранной частоте вращения и диаметре вала необходимо увеличивать длину открытой поверхности вала или применять материалы с возможно меньшим коэффициентом теплопроводности. Представленные зависимости могут быть использованы при разработке высокотемпературных вентиляторов для нагревательных и термических печей.

Расчет внешнего теплообмена в пламенных печах всегда осложняется недостаточными сведениями о характеристиках конвективного теплообмена. Особенно важно знать указанные характеристики в связи с применением на современных нагревательных печах скоростных горелок, обеспечивающих истечение газовоздушной смеси со скоростью 100 – 150 м/с. Представлена методика и результаты исследования сложного внешнего теплообмена на действующей промышленной печи, оснащенной скоростными рекуперативными горелками и футерованной керамоволокнистыми блоками. Даны рекомендации по применению представленной методики и результатов исследований.

Сформулирована задача нестационарного теплообмена в зоне расплава доменной печи, учитывающая особенности процесса фильт рации чугуна и шлака через коксовую насадку. Общая закономерность заключается в апериодическом (не колебательном) характере переходных процессов теплообмена в слое. Однако это положение справедливо только при условии постоянства отношения теплоемкостей потоков материалов и газа по высоте рассматриваемого участка слоя, что в полной мере не отражает характера развития теплообменных процессов по высоте доменной печи. Показано, что апериодический (неколебательный) переходный процесс в доменной печи наблюдается в том случае, если возмущение оказывает одинаковое по знаку воздействие на нижнюю и верхнюю ступени теплообмена, а колебательный – если оно оказывает противоположное влияние на эти зоны теплообмена. Величина перерегулирования при этом будет тем больше, чем существеннее по величине и по знаку это различие.

В работе проанализировано влияние дополнительного легирования алюминием и кремнием стали 35ХН1М2ФА с целью изучения влияния указанных легирующих элементов на процессы образования аустенита. Сталь 35ХН1М2ФА, используемая в тяжелом и энергомашиностроении, была выбрана для изучения в связи с необходимостью дополнительного улучшения комплекса механических свойств, в особенности пластичности и ударной вязкости. Методом высокотемпературного структурного анализа получены данные о соотношении α- и γ-фаз в анализируемых сплавах. На основании результатов исследования рассчитаны критические точки Ас1 и Ас3 и сделан вывод о том, что дополнительное легирование алюминием стали 35ХН1М2ФА приводит к расширению межкритического интервала температур, в то время как дополнительное введение кремния в сталь смещает межкритический интервал температур в высокотемпературную область. Изучение изменения параметра кристаллической решетки аустенита показало, что ее минимальный параметр в стали 35ХН1М2ФА наблюдается при температуре 740 °С. Кремний, и в особенности алюминий, повышают эту температуру до 760 и 780 °C соответственно.

Рельсовая накладка представляет собой изделие несимметричного профиля с элементами разной массы – шейка, верхняя и нижняя головки. Нормативные документы предъявляют строгие требования к механическим свойствам и прямолинейности готовых накладок. С использованием оптического и растрового электронного микроскопов исследована микроструктура накладки после прокатки (без термообработки), после термоупрочнения по традиционной технологии – закалке в баке с маслом, а также полученной по технологии ускоренного водяного охлаждения, впервые реализованной для такого рода изделий. В результате установлено, что высокая степень дисперсности фаз и малый размер зерна наилучшим образом обеспечивают получение стабильных механических свойств, что характерно для технологии ускоренного водяного охлаждения. Прямолинейность готовых изделий в данном случае достигается благодаря управляемости процессом охлаждения.

Приведены результаты анализа расчетных выражений, полученных разными исследователями, для определения величины гидравлического сопротивления плотного слоя, состоящего из различного вида частиц (шаровидные частицы, окатыши, частицы произвольной формы). В качестве критерия для выявления общих закономерностей зависимости гидравлического сопротивления слоя от температуры и скорости фильтрации был использован приведенный коэффициент гидравлического сопротивления. Показано, что на характер зависимости гидравлического сопротивления слоя от порозности практически не влияет форма частиц. Рекомендована формула, с помощью которой достаточно надежно можно рассчитывать коэффициент гидравлического сопротивления слоя окатышей при их естественной засыпке и отсутствии значительного количества мелочи, а, следовательно, определять потери энергии в самом слое и в целом по всему газовоздушному тракту обжиговых установок.

Приведена физико-математическая модель расчета термонапряженного состояния рабочих валков холодной прокатки при нагреве в камерной печи скоростного (градиентного) нагрева под закалку. Нагревательная печь выполнена из двух раздвигающихся половин и совмещена со спрейерной установкой. Валок, подвергающийся нагреву, устанавливается на роликах и вращается в процессе нагрева и закалки. Сопоставлены два режима нагрева – форсированный и более рациональный, у которого введено ограничение скорости нагрева валка в начальной стадии. Предложен ступенчатый график повышения температуры греющей среды при нагреве валка, в котором максимальные растягивающие напряжения не превышают приемлемых значений порядка 300 МПа. В целях снижения термических напряжений при нагреве валков рекомендуется ограничивать скорость нагрева на начальной стадии тепловой обработки.

Рассмотрены требования, структура и архитектура АРМ «Технолог доменного цеха» компьютерной системы поддержки принятия решений MES-уровня, внедренной в АСУП доменного производства ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Представлено краткое описание основных модельных подсистем, а также допущения, принятые в процессе математического моделирования. Использование разработанной системы позволяет инженерно-технологическому персоналу оперативно проводить анализ производственных ситуаций доменного цеха, решать ряд технологических задач по управлению тепловым, газодинамическим и шлаковым режимами доменной плавки, а также производить расчет оптимального состава доменной шихты, что в конечном итоге обеспечивает повышение технико-экономических показателей работы доменного производства.

В Уральском федеральном университете разработана экспертная система (ЭС) для анализа и проектирования технологии сортовой прокатки, которая может быть использована при оптимизации действующих и проектировании новых технологических процессов сортовой прокатки. Для функционирования ЭС созданы базы знаний о предметной области, основанные на теоретических и экспериментальных исследованиях, а также на обобщении опыта производства сортовых профилей на действующих станах. Комплексная математическая модель расчета калибровок валков и технологических режимов прокатки, созданная на основе современных представлений о механике деформируемого тела, позволяет рассчитывать полный комплекс технологических и энергосиловых параметров моделируемого процесса. Программное обеспечение ЭС разработано для операционной системы Windows с использованием среды визуального программирования Borland C++ Builder.