Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 60, № 1 (2017)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-1

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

5-12 323
Аннотация
Задача использования отвальных шлаков сталеплавильного производства как техногенного источника металлургического сырья до сих пор не имеет рационального решения и требует новых идей и подходов. В последние годы показано, что утилизация шлака может быть организована так, чтобы в результате получать не только стройматериалы, но и металл, пригодный для дальнейшей переработки и использования. Целью настоящей работы стало теоретическое изучение возможности и целесообразности восстановительной обработки сталеплавильных шлаков с целью получения металлической и оксидной фаз, которые могут быть использованы в металлургической промышленности и индустрии строительных материалов. Объектом исследования стал шлак со шлаковых отвалов Златоустовского металлургического завода. Для термодинамического моделирования процессов, протекающих в ходе восстановления вещества шлаковых отвалов, использован программный комплекс FactSage (версия 6.4). Моделировалось восстановление шлака трех разных составов, отличающихся содержанием FeO (15, 10 и 5 % (по массе)). Моделирование выполнено для интервала температур 750 – 1650 °С с шагом в 5 °С при давлении газовой фазы, равном 0,1 МПа. При моделировании принималось, что в систему в качестве восстановителя введено заведомо избыточное количество углерода. Основные результаты проведенных расчетов для удобства анализа представлены в виде зависимостей различных характеристик от температуры. Результаты моделирования показывают, в частности, что при температурах выше 1340 °С железо восстанавливается и переходит в состав расплава практически полностью. Аналогично ведут себя никель и медь. В то же время установлено, что на полное извлечение марганца в состав металлического расплава в ходе восстановления углеродом рассчитывать не приходится. Даже при максимальном извлечении марганца в металл, в составе шлака и газа остаются заметные его количества. Проведена оценка объемов газообразных веществ, образующихся в процессе восстановления при различных температурах. Результаты моделирования определенно указывают на то, что в составе газовой фазы во всем рассматриваемом интервале температур будет преобладать угарный газ. Получена также информация об изменении энтальпии системы в зависимости от температуры, которая позволяет оценить затраты тепловой энергии, необходимые для приведения системы в состояние, при котором интересующие процессы восстановления становятся возможны.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

13-18 182
Аннотация
Трассировка лучей используется в расчетах лучистого теплообмена в качестве метода учета экранирования излучения, а также для вычисления угловых коэффициентов излучения. Трассировка лучей на конечно-элементной сетке предполагает вычисление списка пройденных ячеек и пересеченных граней на пути луча. В стандартном методе трассировки лучей для определения следующей ячейки проверяется пересечение луча с каждой из возможных граней текущей ячейки, до которой дошел луч. Предложен метод ускоренной трассировки лучей, основанный на том, что каждый текущий луч проходит по близкой траектории к предыдущему лучу и должен в начале траектории пересекать те же грани и ячейки сетки, которые пересекает и предыдущий луч. Для каждого луча при определении следующей ячейки на его пути сначала проверяется пересечение с гранью, которую пересек предыдущий испущенный луч. Если пересечение найдено, то другие грани не проверяются. Если луч не пересекает выбранную грань сетки, проверяются оставшиеся грани в соответствии со стандартным методом. Предложенный метод протестирован для вычисления геометрических коэффициентов излучения на модели секционной печи с использованием шестигранной сетки. При тестировании применялись как детерминированный, так и случайный способы выбора направлений лучей. Использовалось различное количество лучей, испускаемых с каждой грани сетки, участвующей в теплообмене излучением (стенки печи, поверхности заготовок и ролика). Показана эффективность метода при детерминированном выборе направлений, которая увеличивается с ростом количества лучей. При проведении тестов использовалось от 221 тыс. до 88 млн лучей. Показано, что во многих случаях (от 19,6 до 71,4 %) достаточно проверить пересечение луча лишь с одной из пяти граней ячейки, и первая проверенная грань имеет пересечение с лучом. Предложенный метод не оказывает влияния на точность результатов и дает выигрыш в скорости до 30 %.
19-23 169
Аннотация
Сформулирована задача движения газов и распределения температур в доменной печи. В силу существенной нелинейности полученных в сообщении 1 дифференциальных уравнений газомеханики и теплообмена задача решена в предположении осесимметричного течения в переменных «завихренность – функция тока». Граничные условия задачи предполагают расчет завихренности и температур на стенках печи, на уровне засыпи и на лещади. При выполнении расчетов учитываются зависимости теплофизических свойств теплоносителей от давления и температуры. Рассмотрены параметры течения потока газов (дутья и газов в фурменном очаге) как для ламинарного режима течения, так и для турбулентного режима. Определяющие уравнения переформулированной математической модели решены численно с использованием метода последовательной верхней релаксации. Также с использованием ранее разработанной на кафедре математической модели решена задача определения теплофизических параметров газов в фурменном очаге доменной печи.
24-29 156
Аннотация
Представлена математическая модель для нахождения характера движения жидкого металла во внутренней полости сортового крис таллизатора и его скорости вблизи затвердевающей корочки на основе теории свободной и ограниченной затопленной струи. Выбрана математическая модель для определения теплового потока при движении жидкой перегретой стали с заданной скоростью вдоль двухфазной границы. На основе этого предложена математическая модель для нахождения изменения толщины корочки слитка по высоте сортового квадратного кристаллизатора на разных его поверхностях и на выходе по его периметру при горизонтальном смещении оси струи подаваемого в кристаллизатор металла. Проведено компьютерное моделирование асимметрии роста корочки по периметру и высоте гильзы сортового кристаллизатора квадратного сечения 150×150 при смещении оси открытой струи металла. Установлено, что горизонтальное смещение оси открытой струи металла на 40 мм может приводить к локальному изменению толщины корочки на выходе из кристаллизатора на левой стенке до 2 мм.

ИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХ

30-35 194
Аннотация
Предложен теоретический метод прогнозирования ресурса деталей металлургических машин по критериям прочности и износостойкости материалов без использования экспериментальных данных. В его основу положена методика постановки и решения краевых задач физической теории надежности элементов механических систем. Общая постановка задачи для описания процесса формирования отказа исследуемого элемента представляет систему базовых уравнений теории параметрической надежности технических объектов и кинетическое уравнение его деградации (старения, повреждаемости) в процессе будущей эксплуатации. Для выбранного параметра состояния исследуемого объекта в качестве базовых уравнений теории надежности формулируются: уравнение его эволюции, уравнение перехода в предельное состояние и уравнение для расчета проектного ресурса. Вид уравнения деградации определяется заданными условия нагружения изделия и предполагаемым критерием его разрушения. Для деталей машин, статические или циклические условия внешнего нагружения которых предполагают их вероятный отказ по критериям объемного разрушения, в качестве уравнения деградации использовано основополагающее уравнение термодинамической теории прочности В.В. Федорова. На его основе предложена универсальная зависимость для расчета средней скорости повреждаемости структуры материала наиболее нагруженных объемов исследуемого элемента в стационарных условиях нагружения. Определен коэффициент, учитывающий сопротивление структуры материала по принципу Ле-Шателье в процессе всего периода нагружения вплоть до разрушения. Для деталей машин, работающих в условиях граничного трения, в качестве уравнения их деградации использована базовая зависимость энергмеханической концепции изнашивания трибосопряжений. Она выведена на основе совместного решения уравнений структурно-энергетической и молекулярно-механической теорий трения и поз воляет оценить скорость изнашивания трибоэлементов в стационарных условиях фрикционного взаимодействия без проведения экспери ментальных исследований. Предложенный метод аналитической оценки проектного ресурса деталей машин, как метод постановки и решения краевых задач физической теории надежности по критериям прочности и износостойкости материалов, использован на практике для повышения долговечности ряда металлургических агрегатов.
36-42 278
Аннотация
Разработана оригинальная технология изготовления алмазных буровых долот диаметром до 212 мм при давлениях до 1,5 ГПа и температурах до 1250 °С, включающая спекание в теплэлектроизолирующей оболочке с электронагревателями в стальной камере высокого давления в течение 120 мин. При изготовлении долот методом спекания под высоким давлением в стальной камере высокого давления (КВД) установлено, что процесс спекания является производительным, оснастка для него может быть применена многократно. Разработана и изготовлена КВД типа цилиндр-поршень с рабочим диаметром до 280 мм. При изготовлении долот может быть использован как стальной корпус для напрессовки на него матричного материала с алмазами, так и целиком порошковый корпус с алмазами или отверстиями для последующего закрепления алмазов пайкой или механическим способом. Изготовлены долота с модельными режущими элементами из поликристаллических алмазов типа карбонадо, проверены их эксплуатационные свойства. При бурении блока мрамора при нагрузке до 50 кН и числе оборотов 355 об/мин была достигнута механическая скорость до 20 м/ч. Установлено, что разработанная технология позволяет сохранить режущие свойства алмазов типа карбонадо, по термостойкости являющихся аналогами алмазно-твердосплавных композитов PCD. Прочностные показатели долота обеспечивают возможность его эксплуатации при самых напряженных силовых режимах бурения, металлокерамическая матрица обеспечивает надежное закрепление режущих элементов алмазных композитов АСПК, является износостойкой и обладает высокой прочностью. Данная технология является энергосберегающей, экологически чистой и производительной. Она может быть применена для изготовления металлокерамического износостойкого, коррозионностойкого корпуса долота с последующим закреплением в нем режущих алмазных элементов методом пайки или механическим закреплением с использованием алмазных композиционных материалов типа PCD с различной термостойкостью.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

43-47 149
Аннотация
Изучено поведение стали 3 при сухом скольжении под воздействием электрического тока высокой плотности. В этих условиях происходит пластическая деформация материала поверхностного слоя, повышается его температура, образуются новые фазы и структурные дефекты, что приводит к образованию слоя вторичных структур. Основным разрушающим фактором внешнего воздействия на поверхностный слой является контактная плотность тока. Показано, что средняя температура контакта и толщина слоя вторичных структур увеличиваются при возрастании плотности тока. Представлен характер изменения интенсивности изнашивания и электропроводности при изменении температуры контакта. Установлено, что интенсивность изнашивания линейно зависит от температуры контакта в режиме нормального изнашивания. Отмечено, что режим катастрофического изнашивания проявляется как резкое увеличение его интенсивности и одновременное уменьшение электропроводности контакта при его температуре 500 – 600 °С. Толщина слоя вторичных структур в этих условиях трения достигает 50 мкм.
48-53 176
Аннотация
Методом лежащей капли измерены плотность и поверхностное натяжение расплавов ферроникеля (0 – 100 % Ni) и окисленной никелевой руды (% (по массе): 14,8 Feобщ ; 7,1 FeO; 13,2 Fe2 O3 ; 1,4 CaO; 16,2 MgO; 54,5 SiO2 ; 4,8 Al2 O3 ; 1,5 NiO; 1,2 Cr2 O3 ), а также межфазное натяжение на их границе в интервале температур 1550 − 1750 °С. В этих интервалах плотность сплавов меняется от 7700 до 6900 кг/м3 , поверхностное натяжение – от 1770 до 1570 мДж/м2 , межфазное натяжение − от 1650 до 1450 мДж/м2 , плотность оксидного расплава – от 2250 до 1750 кг/м2 , поверхностное натяжение – от 310 до 290 мДж/м2 . Полученные результаты хорошо сходятся с литературными данными. Представлены функциональные зависимости, связывающие плотность, поверхностное и межфазное натяжение с температурой и составом расплавов. Зависимость плотности сплавов от температуры и содержания никеля отвечает уравнению первого порядка. Аналогичный вид имеет зависимость поверхностного и межфазного натяжения от температуры, в то время как от содержания никеля соответствует уравнению второго порядка. Плотность и поверхностное натяжение оксидного расплава линейно меняется от температуры. Полученные результаты предполагается использовать для описания процессов формирования металлической фазы при барботаже оксидного расплава монооксидом углерода.
54-59 181
Аннотация
Высокое содержание фосфора в хромсодержащей стали приводит к снижению ее служебных характеристик, повышению склонности стали к хрупкому излому. Известно, что процесс дефосфорации в восстановительных условиях за счет обработки металла кальцием или редкоземельными металлами (РЗМ) зависит от возможности сохранения этих элементов в расплаве, потери хрома при этом процессе отсутствуют. В работе приведены результаты исследования дефосфорации железо-хромистого расплава (13 % хрома) шлаковыми смесями, содержащими оксиды РЗМ. Предложенная термодинамическая модель подтвердила возможность дефосфорации высоколегированных сталей при низких содержаниях углерода. Экспериментальные плавки проведены в печи сопротивления с графитовым нагревателем при температуре 1600 °С, где в качестве защитной атмосферы был использован аргон. После расплавления на металл подавалась шлаковая смесь. Отмечено, что основное влияние на процесс дефосфорации в этом случае оказывает окислительный потенциал системы «металл – шлак», который в свою очередь определяется содержанием алюминия в стали. Количество удаляемого фосфора увеличивается с повышением содержания оксида РЗМ в шлаковой смеси и при 40 % оксидов РЗМ в смеси (кратность шлака 0,03) достигает 0,007 %, что отвечает степени дефосфорации 20 %. При кратности шлака 0,1 и 20 % оксидов РЗМ в шлаке, концентрация фосфора снижается на 0,014 %, т. е. на 36 %. Экспериментальные данные по дефосфорации хромсодержащего металла согласуются с расчетными при допущении перехода в шлак фосфора в виде фосфида церия. При замене оксидов РЗМ (ОРЗМ) на CaO, что отвечает снижению отношения (% ОРЗМ)/(% CaO), степень дефосфорации вначале не меняется, а затем, начиная с (% ОРЗМ)/(% CaO) = 0,67, стремительно снижается, несмотря то, что концентрация алюминия в металле при этом не изменяется. В работе отмечено, что повышение содержания оксида РЗМ в шлаке выше 25 % является экономически не оправданным, так как при этом степень дефосфорации остается неизменной.

СТАЛИ ОСОБОГО НАЗНАЧЕНИЯ

60-66 271
Аннотация
Представлен короткий обзор исторического развития производства железа и стали. Отмечается, что новая металлургия – металлургия под (газовым) давлением (МД) появилась в конце XX в. Авторы считают, что и на этом раннем этапе МД доказала ряд существенных преимуществ перед традиционной металлургией (ТМ) и вакуумной металлургией (ВМ). Основные из них: до четырех раз выше предел текучести при уникальном сохранении остальных характеристик – уменьшении расхода или устранении некоторых дорогих легирующих элементов (Ni, Mo, Co, W и др.); возможность легирования нетрадиционными элементами (Ca, Zn, Pb и др.); высокая экология производства; устойчивое развитие. Вот почему можно ожидать, что МД имеет перспективу на прорывное развитие в области качественной и специальной металлургии. Из известных до сих пор способов МД авторы считают метод большой сталеплавильной ванны (БСВ) самым перспективным.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

67-73 235
Аннотация
В работе определяются и характеризуются факторы и степень влияния прямых зарубежных инвестиций (ПЗИ) на предприятия черной металлургии. Для этого авторами последовательно решаются задачи по выявлению факторов ПЗИ, которые влияют на показатели деятельности предприятий черной металлургии; построению эконометрической регрессионной модели для основных компаний черной металлургии РФ на основе открытой информации; интерпретации полученных результатов экономико-статистической модели. Использованы методы сравнительного анализа и обобщения информации, полученной из различных источников. Проведен контент-анализ аналитических материалов ведущих отечественных и зарубежных изданий за последнее время. Также осуществлен анализ статистических данных, на основе которых (панельные данные) составлена регрессионная модель, оцененная методом наименьших квадратов, где объясняемой (зависимой) переменной выступал объем выручки металлургических предприятий, а объясняющими (независимыми) – объем ПЗИ, капитала и материалов на предприятии. В результате исследования сделан вывод о том, что прямые зарубежные инвестиции являются важной составляющей экономического развития страны и черной металлургии. Положительный эффект от прямого зарубежного инвестирования имеют крупные металлургические предприятия, обладающие большей долей иностранного капитала. Положения и выводы представленной работы могут быть применены руководством металлургических холдингов для теоретического обоснования корпоративных программ развития, а также органами региональной исполнительной власти для выявления направлений повышения инвестиционной привлекательности региона.
74-79 167
Аннотация
Отмечена значимость металлургической отрасли для экономики России в условиях сохранения вектора новой индустриализации. При этом уточнены структурные изменения потребительского рынка металлопродукции, учитывающие сохранение энергетического сектора в составе перспективных потребителей. Отражена актуальность учета процессов пространственной интеграции отраслевых рынков в проблематике вопросов проведения новой индустриализации отечественной экономики. На основе модели оценки интеграции внутреннего потребительского рынка, предложенной К.П. Глущенко, проведен анализ межрегиональной интеграции комплекса отраслевых рынков на примере субрынков металлопродукции различного качества, ориентированной на нефтегазовый и строительный сектор. Критерием оценки интегрированности рынка металлургической продукции выступает выполнение закона единой цены, предполагающего установление единой цены за идентичный товар на территории различных сегментов пространственно-разделенного рынка при отсутствии препятст вий передвижения товара между ними. Построена авторегрессионная модель, с помощью которой оценена скорость сходимости уровней цен в регионах между собой и к среднероссийскому уровню. Такой подход позволил сопоставить отраслевые рынки высокотехнологичной, качественной и традиционной металлопродукции по уровню пространственной интеграции. Результаты показали достаточно слабый уровень интегрированности регионов на всех трех субрынках. При этом для каждого из них структура интеграционных взаимодейст вий различна. По результатам проведенного исследования составлена карта пространственной интеграции рынка высокотехнологичной металлургической продукции, ориентированной на нефтегазовый сектор, отражающая сближение территорий по уровню сходимости цен в модели временных рядов. Установлено, что на скорость схождения цен между регионами географическая отдаленность сегментов рынка значительного влияния не оказывает. Сделан вывод о целесообразности рассмотрения показателей пространственной интеграции отраслевых рынков для оценки параметров неопределенности внешней среды при реализации стратегии новой индустриализации экономики России. Ориентируясь на развитие внутреннего потребительского рынка высокотехнологичной металлопродукции с высокой добавленной стоимостью, развитие интеграционных связей способствует снижению конъюнктурных рисков, позволяет создать положительные мультипликативные и синергетические эффекты.

ПО МАТЕРИАЛАМ 7-ГО ЕВРОПЕЙСКОГО КОНГРЕССА ПО АГЛОДОМЕННОМУ ПРОИЗВОДСТВУ

80-85 147
Аннотация
На состоявшемся 12 – 14 сентября 2016 г. в Линце 7-м Европейском конгрессе большое внимание было уделено перспективам развития металлургии железа. Схема доменная печь – кислородный конвертер по прогнозам остается основной технологией выплавки стали, уступая ведущую роль выплавке стали в электропечах, начиная с 60-х годов XXI века. Прогнозируется развитие водородной металлургии и появление промышленной технологии микробиологической ферментации металлургических газов с получением из них этанола и других химических продуктов.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0368-0797 (Print)
ISSN 2410-2091 (Online)