Представлены результаты исследований опытного углехимического пека, полученного на основе управляемого воздействия растворителя (донора водорода) на термически активированную органическую массу коксующегося угля. Определены основные параметры получения такого пека: температура, время процесса, соотношение компонентов. Подобран наиболее активный катализатор процесса. Опытный продукт по показателям качества – выходу летучих веществ, температуре размягчения, доли веществ, нерастворимых в толуоле и хинолине, структурным характеристикам – соответствует высокотемпературному коксохимическому пеку. Показано, что максимальная степень конверсии и наилучшие потребительские свойства по традиционным показателям качества для пека получены на концентрате угля с наибольшим содержанием витринита и толщины пластического слоя. Углехимический пек пригоден в качестве связующего для производства огнеупорных масс и содержит в десятки раз меньше канцерогенного бенз(а)пирена, так как получен напрямую из угля без воздействия высоких температур, характерных для процесса коксования.

Рассмотрено развитие схем теплообмена в доменной печи по мере совершенствования технологии доменной плавки. Отмечено, что для оценки теплового состояния доменную печь как объект управления целесообразно делить на две тепловые зоны, верхнюю и нижнюю, граница раздела между которыми располагается в верхней части области смешанного восстановления между уровнем начала газификации углерода кокса и горизонтом, ниже которого оксиды железа восстанавливаются прямым путем. Верхний участок замедленного теплообмена с точки зрения теплообмена является резервной высотой, обеспечивающей улучшение тепловой и восстановительной работы печи. Нижний участок замедленного теплообмена в качестве резерва для улучшения тепловой и восстановительной работы доменной печи использоваться не должен. Показано, что наличие двух зон интенсивного теплообмена и в современных условиях при плавке различного вида железорудного сырья, использовании комбинированного дутья высоких параметров является обязательным условием устойчивости хода доменного процесса и экономичности плавки.

Изложен вывод и анализ трех вариантов аналитических зависимостей удельной работы резания от прочностных и пластических свойств материалов разрезаемой полосы, которые характеризуются соответственно пределом прочности и коэффициентами вмятия и надреза. Выводы базируются на трех принятых сочетаниях зависимостей усилия резания от относительного внедрения ножей в полосу, характеризующих соответственно периоды вмятия и резания. Исследованы сочетания квадратичной и линейной зависимостей, двух квадратичных и использование одной квадратичной зависимости в зоне вмятия и в зоне резания. Первый вариант оценивается как наиболее приемлемый для инженерных расчетов и на его основе получены зависимости для расчета усилий резания наклонными и дисковыми ножами.

Выполнена сравнительная оценка термических напряжений в объеме железорудных окатышей с дифференцированной пористостью. Проанализировано термонапряженное состояние окатышей, полученных с применением технологии теплосилового напыления влажной шихты на шихтовый гарнисаж и на комкуемые материалы. Установлено влияние пористости, термической массивности окатышей на величину и характер изменения (распределения) термических напряжений по сечению окатышей. Оценен характер изменения прочности окатышей с дифференцированной пористостью по его сечению с динамикой температурного поля пористой сферы и критериями термической массивности в зародыше и оболочке окатыша. Проведен анализ роли термических напряжений в активации режима спекания железорудных окатышей, предложены рекомендации по совершенствованию теплового режима обжига окатышей. На основе этого анализа сделан вывод о более благоприятной поровой структуре полученных по технологии принудительного зародышеобразования окатышей, в объеме которых сформирован зародыш с повышенной пористостью.

Скорость охлаждения является одним из важнейших параметров процесса термической обработки. С целью установления закономерностей формирования микроструктуры в головке железнодорожных рельсов на опытной установке проведены эксперименты по дифференцированной термической обработке воздухом железнодорожных рельсов типа Р65. В процессе термической обработки в точках, характеризующих качество закалки рельсов при приемосдаточных испытаниях, на глубине 10 и 22 мм от поверхности катания головки по центральной линии оси симметрии рельса измерена температура и рассчитана скорость охлаждения металла в интервале температур перлитного превращения. Установлена зависимость изменения скорости охлаждения рельсового металла от давления воздуха. Полученные в ходе эксперимента зависимости обладают высоким коэффициентом достоверности, что позволяет применять их для прогнозирования скорости охлаждения при повышении давления посредством экстраполяции.

Рассмотрены основные термомеханические свойства формовочных смесей и факторы, от которых они зависят. Проанализированы условия теплового и динамического воздействий расплава на стенки формы в процессе заливки и затвердевания металла и их влияние на образование поверхностных дефектов. Приведены результаты исследования зависимости деформации образцов из наиболее распространенных формовочных смесей от продолжительности нагрева при имитации реальных условий формирования отливок. Показана связь деформационной способности смеси с дефектами, образующимися на отливках, и податливостью формовочной (стержневой) смеси. Предложен комплекс мер по предотвращению поверхностных дефектов. Установлено, что образование ужимин, просечек и пригара на отливках является следствием деформационных изменений и разрушения поверхностных слоев смеси. Лучшими, с точки зрения исключения поверхностных дефектов и экологических аспектов, являются жидкостекольные и металлофосфатные смеси.

Поскольку механические свойства металлов и сплавов с ультрамелкозернистой структурой являются весьма привлекательными с практической точки зрения, то одним из направлений развития техники и технологий является разработка непрерывных методов интенсивной пластической деформации. Внедрение существующих методов наноструктурирования в действующие технологические процессы металлургического и метизного производств связано с рядом ограничений, связанных прежде всего с размерами обрабатываемых заготовок. Показана необходимость разработки непрерывных методов интенсивной пластической деформации, отличающихся высокой технологичностью и производительностью. Перспективным направлением является использование комбинирования различных видов пластической деформации. В качестве объекта исследования выбрана углеродистая проволока. Комбинирование внешней нагрузки позволяет в значительной степени расширить технологические возможности волочения как основной операции производства проволоки. На основе комбинирования волочения с изгибом и кручением разработан способ получения ультрамелкозернистых полуфабрикатов волочением с кручением. Сущность метода заключается в одновременном наложении на непрерывно движущуюся проволоку деформации растяжения волочением, деформации изгиба при прохождении через систему роликов и деформации кручения. Для осуществления этого метода используются применяемые на различных операциях метизного передела устройства и инструмент, что значительно упрощает его внедрение и реализацию на имеющемся промышленном оборудовании. Доказано, что комбинирование волочения с изгибом и кручением приводит к измельчению микроструктуры углеродистой проволоки. Комбинированное деформационное воздействие на углеродистую проволоку позволяет в широких пределах изменять ее механические свойства, сочетая при этом высокую прочность и пластичность.

Исследовано изменение скорости распространения ультразвука при пластической деформации коррозионно-стойкой высокохромистой стали 40Х13 с феррито-карбидной (состояние поставки), мартенситной (после закалки) и сорбитной (после высокого отпуска) структурами. Обнаружено, что каждое состояние демонстрирует свой вид кривой нагружения. В состоянии поставки диаграмма нагружения является практически параболической на всем протяжении, в то время как в мартенситном состоянии содержит только стадию линейного деформационного упрочнения, а в сорбитном состоянии кривая пластического течения является трехстадийной. Методами оптической и атомно-силовой микроскопии исследована структура стали при различных видах термической обработки. Одновременно с регистрацией кривых нагружения проводили измерение скорости ультразвуковых поверхностных волн (волн Рэлея) в исследуемой стали при растяжении. Реализация метода измерения скорости волн Рэлея заключалась в периодической генерации прямоугольных импульсов длительностью 100 нс на входе излучающего пьезопреобразователя и регистрации прошедшей по образцу волны посредством приемного пьезопреобразователя, подключенного к цифровому осциллографу. Регистрируемый сигнал в цифровом виде использовали для измерения времени, прошедшего от момента генерации импульса на входе излучающего преобразователя до момента возникновения сигнала на выходе приемного преобразователя. Расстояние между преобразователями в процессе эксперимента остается постоянным. Показано, что зависимость скорости ультразвука при активном нагружении определяется законом пластического течения, то есть стадийностью соответствующей диаграммы нагружения. Структурное состояние исследуемой стали изменяет не только тип деформационной кривой при одноосном растяжении, но и меняет характер зависимости скорости ультразвука от деформации.

Изучены температурные и концентрационные зависимости удельного электросопротивления сплавов системы никель – хром в жидком состоянии. Экспериментальные данные свидетельствуют о нелинейной концентрационной зависимости изотермы электросопротивления изученных сплавов. Результаты исследований температурных и концентрационных зависимостей удельного электросопротивления сплавов никеля и хрома позволяют определить оптимальные условия формирования микрооднородной и равновесной структуры расплава. Использование теории перколяции и квазихимического варианта модели микронеоднородного строения жидких металлических сплавов дает возможность качественно объяснить характер изотермы электросопротивления хромоникелевых расплавов. Процесс структурообразования хромоникелевых расплавов по мере роста концентрации хрома представлен в виде схемы, отражающей поэтапное формирование различных кластеров, которые отличаются структурой и размерами.

Проведено моделирование процесса растворения ниобия в железе при электродуговой наплавке. В основе модели лежат представления о диффузионном характере растворения частиц ниобия в металлах. Модель включает в себя уравнения диффузии, начальные и граничные условия, а также уравнение движения границы раздела сред. Предполагалось, что значение коэффициента диффузии в жидком железе многократно превышает значение этого коэффициента в твердом растворе. Решение диффузионной задачи Стефана в области твердого тела находили в виде ряда Фурье по косинусам, а в области жидкости – в виде функции ошибок. В результате получено время растворения ниобия, которое для высоких температур и частиц размерами 10 мкм составляет от 10 до 100 с.

Методами оптической, сканирующей, просвечивающей электронной дифракционной микроскопии и путем измерения микротвердости и трибологических параметров установлены закономерности изменения структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры поверхности рельсов после длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 500 и 1000 млн. т брутто). Показано, что скорость износа увеличивается в 3,0 и 3,4 раза при пропущенном тоннаже 500 и 1000 млн. т соответственно, а коэффициент трения снижается в 1,4 и 1,1 раза. После пропущенного тоннажа 500 млн. т пластины цементита полностью разрушаются и формируются частицы цементита округлой формы размерами 10 – 50 нм. После пропущенного тоннажа 1000 млн. т отмечено протекание начальной стадии динамической рекристаллизации. Обсуждены возможные причины наблюдаемых закономерностей. Отмечено, что возможно протекание двух конкурирующих процессов при эксплуатации рельсов: процесса разрезания частиц цементита с последующим выносом их в объем ферритных зерен или пластин (в структуре перлита); процесса разрезания, последующего растворения частиц цементита, перехода атомов углерода на дислокации (атмосферы Коттрелла), перенос атомов углерода дислокациями в объем зерен (или пластин) феррита с последующим формированием наноразмерных частиц цементита.

Исследованы процессы формирования зон в слое. Разработана новая методика исследования зоны переувлажнения в слое путем его выгрузки из спекательной чаши с сохранением структуры. Агломерационную шихту окомковывали с использованием расплава парафина вместо воды. Разрушение гранул в зонах с сухой шихтой над зоной переувлажнения образует зону мелких фракций высотой примерно 6 мм с низкой газопроницаемостью. Зона мелких фракций увеличивает потери давления в 1,4 раза и усадку слоя на 20 – 25 мм. Мелкие фракции формируют канальный ход газов в зоне переувлажнения, закупоривая каналы диам. менее 0,6 мм. Для повышения эффективности агломерационного процесса необходимо снижать негативное влияние на газопроницаемость слоя разрушения гранул в зоне сушки, интенсивного нагрева, а также в зоне переувлажнения.

Рассмотрены вопросы, связанные с изучением напряженно-деформированного состояния металла и усилий на стане для прокатки шаров больших размеров. Внедрение предложенных мероприятий позволило прокатывать качественные шары диаметром до 125 мм.