Одним из перспективных направлений совершенствования существующих технологий является разработка технологий легирования и модифицирования стали оксидными, в том числе и природными материалами. Такими материалами являются барийстронцийсодержащие карбонатные руды, никелевые концентраты и конвертерный ванадиевый шлак, использование которых позволяет получать металл с улучшенными свойствами, в то же время из процесса исключается стадия получения ферросплавов и лигатур, характеризующаяся значительными затратами. Для совершенствования существующих металлургических процессов требуются значительные исследования, которые можно осуществить с использованием методов термодинамического моделирования. В статье приведены результаты термодинамического моделирования в элементарных системах процессов восстановления бария, стронция, ванадия и никеля из их оксидов различными восстановителями. Полученные результаты позволили выяснить принципиальную возможность реализации процессов микролегирования и модифицирования стали недорогими материалами и определить тип и оптимальные расходы восстановителя. В качестве инструмента при термодинамическом моделировании использовали программный комплекс «Терра», который позволяет на основе принципа максимума энтропии определять равновесный состав многокомпонентной гетерогенной системы для высокотемпературных условий. В качестве восстановителей рассматривали углерод, кремний и алюминий. Проведены исследования влияния температуры и расходов восстановителей на условия и режимы процессов восстановления металлов. Результаты исследования процессов восстановления бария и стронция показали, что в качестве восстановителя при применении оксидных барийсодержащих материалов для обработки сталей предпочтительней использовать кремний или алюминий. Определены оптимальные расходы восстановителей, обеспечивающие максимальную степень восстановления бария и стронция. Проведены исследования и подтверждена возможность восстановления никеля углеродом. Результаты исследования процесса восстановления ванадия подтвердили реализуемость процесса как отдельно кремнием и углеродом, так и совместным углеродотермическим восстановлением, при котором углерод является преобладающим восстановителем. Использование полученных результатов позволит разрабатывать новые ресурсосберегающие технологии с использованием оксидных материалов для легирования, микролегирования и модифицирования расплавов системы Fe – C.

Как известно, титановые сплавы по ряду особенностей (высокая удельная прочность, сопротивление усталости, вязкость разрушения и коррозионная стойкость) нашли широкое применение в авиакосмической технике, в том числе и в ребристых панелях. К изделиям такого рода предъявляют повышенные требования качества сварных соединений и размерной точности всей конструкции. Сварка плавлением титановых сплавов приводит к образованию неоднородностей зоны соединения и к снижению технологических и эксплуатационных характеристик изделия, геометрические размеры конструкции искажаются по причине возникновения сварочных напряжений, появляются поры и микротрещины в металле шва, снижаются механические характеристики и другие показатели. Все вышесказанное требует комплексного анализа технологического процесса изготовления титановых ребристых панелей: от изготовления полуфабрикатов до окончательной операции термической обработки готового изделия с позиции выявления наиболее весомых в отношении дефектности операций. Операции изготовления заготовок, в том числе подготовка их под сварку, режимы сварки и последующей термической обработки влияют на статическую и цикловую прочность сварных ребристых титановых панелей в зависимости от количества и суммарной площади дефектов сварного шва. В работе приведены исследования, результаты которых позволяют прогнозировать свойства и надежность сварных конструкций и добиваться идентичности свойств основного металла и металла шва с гарантией отсутствия как внутренних, так и наружных дефектов в зависимости от выбора комплекса технологических мероприятий. Показано, что сварка с определенной скоростью охлаждения в интервале температур фазового превращения, чистовое фрезерование, обкатка и очистка (обезжиривание и обезвоживание) поверхности стыкуемых кромок, низкий отжиг после сварки в воздушной атмосфере и последующее опескоструивание, газолазерный раскрой (ГЛР) в среде вспомогательного газа азота или аргона или комбинированных заготовок ГЛР и раскрой фрезерованием являются определяющими соответствие свойств и надежности сварных соединений основному металлу ребристых панелей из сплава ВТ20. 

Калиброванный металл представлен как эффективный вид заготовок для ряда металлообрабатывающих технологий. Более широкому его использованию в промышленности препятствуют остаточные напряжения, формирующиеся в процессе холодного деформирования. Целью настоящего исследования явилось определение основных параметров калибровки, влияющих на формирование остаточных напряжений. Главные компоненты тензора остаточных напряжений в калиброванных прутках определены по методу обтачивания и растачивания одного цилиндра. Для выявления влияния основных параметров процесса калибровки на остаточное напряженное состояние использована методика планирования многофакторных экспериментов. Для учета одновременного влияния на остаточные напряжения величины относительного обжатия, угла рабочего конуса волоки, скорости калибровки, качества смазки был спланирован и реализован дробный четырехфакторный эксперимент. Из проведенных опытов выявлено, что параметры процесса калибровки существенно влияют на остаточные напряжения, которые изменяются не только по величине, но и по знаку. Результаты экспериментов показали, что в диапазоне углов волоки от 8 до 24° тангенциальные и осевые остаточные напряжения одновременно увеличивается: возрастают в 2,3  раза, а σ_φmax  –  в  1,8  раза. С увеличением длины калибрующей зоны максимальные осевые остаточные напряжения растяжения снижаются на 52  %, а тангенциальные увеличиваются на 21  %. Установлено влияние основных параметров процесса калибровки на величину и характер распределения по сечению цилиндрических прутков осевых, тангенциальных и радиальных остаточных напряжений. Смена знака остаточных напряжений зависит от параметров деформирования и происходит на глубине (0,5  –  0,8)r/R. Выявлено, что при режимах калибровки, которые используют на производстве, в периферийных слоях прутков при холодной обработке давлением формируются осевые и тангенциальные остаточные напряжения растяжения, а в центральных слоях – напряжения сжатия. Радиальные остаточные напряжения на поверхности равны нулю, а в остальном объеме тела остаточные напряжения – сжимающие.

Рассмотрены сложности в определении величины газодинамического сопротивления слоя окатышей в процессе термообработки на обжиговой машине конвейерного типа, связанные со значительными изменениями структуры слоя из-за его усадки в процессе сушки, низкой прочности сырых окатышей, сегрегации по высоте слоя, спекания и оплавления окатышей. В результате газодинамическое сопротивление слоя окатышей на конвейерных машинах значительно превышает величину сопротивления, которую получают при лабораторных исследованиях газодинамики слоя окатышей. Учитывая влияние большого количества факторов на структуру обжигаемого слоя окатышей, учесть которые можно только в их совокупном действии, введено понятие эквивалентной порозности. В результате расчета величины эквивалентной порозности по имеющимся в литературе данным и данным, полученным при отработке технологии обжига окатышей в высоком слое на конвейерных машинах Качканарского ГОКа, выявлена закономерность ее распределения по длине конвейерной машины. Установлено, что наиболее существенно порозность слоя снижается из-за усадки слоя в зоне сушки и растрескивания окатышей на выходе из нее. Проведенный анализ расчетных выражений для определения газодинамических характеристик слоя из окатышей позволил получить зависимости, которые с достаточной степенью точности можно использовать для расчета газодинамических характеристик слоя на конвейерных машинах с учетом различной порозности. Полученные в работе результаты могут быть использованы при определении газодинамических и тепловых режимов, обеспечивающих работу обжиговых конвейерных машин с низкими удельными расходами топлива и высоким качеством обожженного продукта.

Разработана технология создания износостойких поверхностей пар трения, имеющих масляные карманы для удержания смазочного материала, которые находятся между валиками, образованными на плоских поверхностях с помощью быстровращающегося диска. Обработку поверхности трения осуществляют диском толщиной 6 – 15 мм с армированной рабочей поверхностью твердым сплавом ВК-8. Диск вращается с окружной скоростью 50 – 150 м/с, прижимается с давлением 1,2 – 40,0 МПа, перемещается по обрабатываемой поверхности со скоростью 3 – 30 мм/с. В локальной зоне обработки металл обрабатываемой поверхности, имеющий феррито-перлитную структуру, нагревается до температуры 1100 – 1200 °С и переходит в аустенитное состояние. Затем при движении диска за пределы зоны обработки нагретый слой резко охлаждается за счет отвода тепла в массу детали. Происходит структурное превращение аустенита в мартенсит с изменением кристаллической решетки из гранецентрированной кубической в объемно-центрированную тетрагональную с увеличением объема нагретого металла. Увеличившийся объем, ограниченный с трех сторон металлом детали, выдавливается над обрабатываемой поверхностью на высоту 0,3 – 1,5 мм и образует за движущимся диском выпуклый валик, металл которого имеет мартенситную структуру. В нем возникают напряжения сжатия, степень деформации составляет до 240 %. Валики создаются по всей поверхности от края до края в направлении, перпендикулярном движению изделия в процессе эксплуатации. Наклонные (клиновые) рабочие поверхности валиков обеспечивают гидродинамические силы поддержания при скоростях скольжения поверхностей трения более 2 – 3 м/с (жидкостная смазка), а опорные поверхности валиков выполнены из высокотвердого материала, позволяющего сохранять износостойкость в условиях граничной смазки при малых скоростях скольжения поверхностей трения (менее 2 м/с).

Аудит технологического процесса выплавки стали марки 20ГФЛ в дуговых печах емкостью шесть тонн Рубцовского филиала ОАО  «Алтайвагон» выявил проблемы, связанные с получением брака стали по механическим свойствам. При этом химический состав исследуемых образцов находился в установленных ГОСТ границах. Для подтверждения этого факта и выявления причин проблемы брака был проведен статистический анализ влияния химического состава на качественные характеристики механических свойств металла. Для проведения регрессионного анализа и построения модели прогнозирования использовались следующие алгоритмы: Linear Regression  (LR), Random Forest (RF) и Support Vector Machine (SVM). Предложено решение проблем, связанных с получением брака стали по механическим свойствам с помощью прогнозных моделей. В результате было установлено, что существует возможность прогнозирования и управления механическими свойствами стали по ходу ее выплавки. При получении прогноза брака по одному из параметров, задав текущие значения содержания элементов химического состава и конечные условия, можно рассчитать химический состав стали, которого еще возможно добиться на рассматриваемой плавке и который будет гарантировать отсутствие брака. Установлено, что для анализа тенденций качества стали литых изделий можно использовать два ключевых показателя из двух групп механических свойств – предел текучести  σт и ударную вязкость КСV. Графический контроль качества можно осуществлять по временной диаграмме удаления среднего значения контролируемого параметра по браку от граничных его значений в стандартных отклонениях. Показателем хорошего качества и минимизации рисков является выход графика временной диаграммы за границу двух стандартных отклонений

.Представлены результаты комплексных исследований нержавеющей стали 40Х13. С использованием методов оптической, растро­вой и атомно-силовой микроскопии получены изображения микро- и наноструктур. Проведено сопоставление полученных изображений структур и фазового состава стали в трех различных состояниях (после отжига, закалки и высокотемпературного отпуска) с результатами электронной и оптической микроскопии. Полученные оптические изображения феррито-перлитной структуры со значительным содер­жанием глобулярных карбидов состава (Сr, Fe)₂₃C₆ , которая получается после отжига, приводится в сравнении с результатами исследова­ния растровым и атомно-силовым микроскопами. Показано, что использование атомно-силовой и растровой электронной микроскопии в работе позволяет сделать качественные выводы о микроструктуре стали, не только совпадающие с данными оптической металлогра­фии, но и превосходящие последние по детализации структурных характеристик. Использование в исследованиях растрового электрон­ного микроскопа позволило установить, что крупные карбиды расположены по границам ферритных зерен; также имеется некоторое количество карбидов внутри мелких зерен феррита; определены размеры включений. После закалки образуется структура, состоящая из грубоигольчатого мартенсита. Использование АСМ-изображений позволило получить структуру с явно выраженным по сравнению с РЭМ-изображением игольчатым строением с возможностью построения наглядных трехмерных изображений. Форма нерастворенных карбидов также оказалась глобулярной. Определены размеры мартенситных пластин. Структура стали после высокотемпературного от­пуска (сорбит отпуска) образуется в результате распада мартенсита на феррито-карбидную смесь с выделением карбидов правильной округлой формы. Образовавшиеся одиночные и строчные карбиды (Сr, Fe)₂₃C₆ содержат сильный карбидообразователь – хром, что под­тверждается результатами спектрального анализа. Такая структура отличается более высокой, по сравнению с мартенситом, прочностью. Для всех состояний приводятся результаты механических испытаний по схеме одноосного растяжения, определена твердость HB.

С применением программного комплекса HSC 6.1 Chemistry (Outokumpu) проведены термодинамические расчеты по изучению влияния кремния (0,1 – 0,8 %), алюминия (0,005 %) и углерода (0,1 %), содержащихся в металле, на процесс восстановления бора из шлака основностью 5 в диапазоне температур 1400 – 1700 °С. Эксперименты по межфазному распределению бора между шлаком системы СаО – SiО₂ – MgO – Al₂O₃ – B₂O₃ и металлом проводили в высокотемпературной печи электросопротивления Таммана. Использовали низкоуглеродистую сталь с различным содержанием кремния. Результаты термодинамического моделирования и экспериментальные данные показали принципиальную возможность осуществления прямого микролегирования стали бором за счет его восстановления кремнием, присутствующим в металле. Теоретически обоснован и экспериментально изучен процесс восстановления бора кремнием из шлака. Полученные при термодинамическом моделировании результаты свидетельствуют о термодинамической возможности восстановления бора из оксидной системы СаО – SiО₂ – MgO – Al₂O₃ – B₂O₃ кремнием несмотря на его низкую (0,1 – 0,8 %) концентрацию в металле. При этом увеличение исходного содержания кремния в стали приводит к повышению концентрации восстановленного бора в металле. Приведены результаты, характеризующие влияние содержания кремния и температуры металла на содержание бора в стали. Показано, что выдержка металла под шлаком, содержащим 4,3 % B₂O₃ , сопровождается восстановлением бора. Основным восстановителем бора является кремний, содержание которого в металле после опыта снижается на 15 – 22 %. При этом в образце стали с повышенной концентрацией кремния содержится большее количество бора. Коэффициент усвоения бора составил от 5,8 до 6,9 %, что принципиально коррелирует с результатами термодинамического моделирования. Концентрацию бора в металле можно регулировать изменением температуры процесса и изменением содержания в стали кремния. Результаты исследований могут быть использованы при разработке технологии процесса прямого микролегирования стали бором.

Проведена физико-химическая аттестация карбида кремния, полученного из высокодисперсной шихты двух видов, состоящей из микрокремнезема, образующегося при производстве кремния и высококремнистого ферросилиция, и полукокса из бурого угля Березовского месторождения Канско-Ачинского бассейна. Микрокремнезем обоих видов содержит 93,41 – 95,33 % и 91,72 – 93,63 % SiO₂ ; 1,96 – 3,28 % и 0,56 – 1,18 % С_своб. ; 0,30 – 0,34 % и 0,18 – 0,20 % Si_своб. ; 1,25 – 1,45 и 1,38 – 2,32 % (CaO + Fe₂O₃ + MnO). Микрокремнезем имеет удельную поверхность 21 000 – 24 000 м²/кг, склонен к агрегированию с образованием шаровидных агрегатов размером 200 – 800 нм. Агрегаты составлены шарообразными частицами размерного диапазона от 30 до 100 нм. Буроугольный полукокс содержит 94,05 % углерода; 9,2 % золы; 0,2 % серы; 0,007 % фосфора и имеет удельную поверхность 264 000 кг/м². Исследованы фазовый и химический составы карбида кремния, его удельная поверхность, размер и форма карбидных частиц. Установлено, что в обоих случаях преобладающей фазой является карбид кремния кубической структуры (β-SiC), а сопутствующей – стекловидная фаза, образованная силикатами кальция, магния и железа. При карбидизации шихты, содержащей микрокремнезем производства ферросилиция, карбиду кремния сопутствует α-железо. При температуре синтеза 1923 и 1973 К и продолжительности синтеза 50 и 90 мин происходит полиморфное превращение β-SiC в α-SiC_II . Содержание карбида кремния в продуктах карбидизации составляет 82,52 – 84,90 %. Установлены целесообразность и оптимальные условия химического обогащения карбида кремния: воздействие соляной кислотой концентрации не менее 35 % при температуре 353 К, отношении Т:Ж = 1:2, длительности 3 ч. Определены показатели химического обогащения: содержание карбида кремния в продуктах обогащения 90,42 – 91,10 %, удаление примесей оксидов металлов и железа на 87 – 95 %. Карбид кремния представляет собой микропорошок с частицами неправильной формы размерного диапазона 0,2 – 1,0 мкм с удельной поверхностью 8000 – 9000 м²/кг.

Бинарные жидкометаллические термодинамические системы с сильными отрицательными отклонениями от закона Рауля могут быть удовлетворительно описаны в рамках модели идеальных ассоциированных растворов при участии ассоциатов трех типов: А_р В, АВ и АВ_q , где А и В – компоненты раствора; р и q – стехиометрические коэффициенты, численно равные 2, 3 или 4. Ассоциаты более сложного типа, в частности типа А_р В_q , в растворе не образуются. При этом, согласно правилу фаз ассоциированного раствора, число типов ассоциатов в каждой точке бинарного раствора не должно превышать двух. Поскольку ассоциаты А_р В и АВ_q химически взаимодействуют с образованием ассоциата АВ, то в полной термодинамической системе можно условно выделить подсистему, содержащую только ассоциаты Ар В, АВ и подсистему, содержащую только ассоциаты АВ, АВ_q . Этот прием позволяет в каждой из подсистем определять и выражать в явном аналитическом виде концентрации и термодинамические свойства предполагаемых ассоциатов. Проверка полученных результатов осуществляется путем численного решения системы исходных балансовых уравнений с заданием вычисленных термодинамических параметров. «Сращивание» двух раздельных решений на стыке подсистем осуществляется с помощью ранее предложенных специальных функций, имитирующих диффузионное выравнивание перепадов концентраций ассоциатов в этой неравновесной области. Идентификация ассоциатов реальных растворов по данной методике может считаться достоверной и не требующей каких-либо подгоночных параметров, если вычисленные свободные энергии образования ассоциатов будут близки справочным значениям свободных энергий соответствующих интерметаллидов. Например, в процессе анализа экспериментальных данных по активностям компонентов в системе Ni – Al при 1600 °С для идентифицированных ассоциатов Ni₃Al, NiAl и NiAl₃ были определены энергии образования 129,6, 93,1 и 124,2 кДж/моль соответственно. Это близко к средним значениям энергий образования соответствующих интерметаллидов, приведенным в современных базах данных, то есть 130,1, 92,5 и 126,0 кДж/моль соответственно. Аналогичный анализ был выполнен также для семи бинарных систем с алюминием, в том числе для систем, содержащих лишь один или два типа ассоциатов. Абсолютная погрешность аппроксимации изотерм активностей компонентов растворов по данному методу составила 0,001 – 0,035. 

Для создания современного механического оборудования требуются новые конструкционные материалы с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками, которых нельзя достичь традиционными методами. Перспективы развития технологий формоизменения сталей во многом связаны с использованием внешних энергетических воздействий, в частности, мощных токовых импульсов, формируемых генераторами мощных однополярных импульсов тока амплитудой до 10 – 15 кА, частотой воспроизведения до 400 Гц и длительностью импульса до 100 мкс. Недостатками таких генераторов, препятствующими их широкому применению в промышленности, являются низкий КПД и значительное потребление электроэнергии из сети переменного тока, а также невозможность регулирования энергосиловых параметров. В работе приведено описание лишенного вышеуказанных недостатков генератора мощных однополярных импульсов, содержащего зарядное устройство, подключенное к силовым конденсаторам, и тиристорный ключ, разряжающий конденсаторы на низкоомную нагрузку. С целью снижения мощности, потребляемой из сети, в схему генератора введено устройство перезаряда на тиристоре, подключенном встречно-параллельно тиристорному ключу. Для реализации возможности регулирования амплитуды импульса и увеличения его мощности вместо нерегулируемого источника постоянного тока в зарядном устройстве используются два нереверсивных, включенных последовательно и однонаправленно тиристорных преобразователя, которые позволяют получать регулируемое напряжение на силовых конденсаторах. С целью оптимизации процесса заряда конденсаторов выполнена двухконтурная система подчиненного регулирования параметров генератора импульсов с внешним контуром регулирования напряжения и внутренним контуром регулирования тока заряда конденсаторов. Выполнена модель предложенного генератора в среде «Матлаб, Симулинк». Модель адекватна реальному генератору импульсов, используемому в СибГИУ для исследования электростимулированной пластической деформации металлов и сплавов. Разработанная модель позволила улучшить технические характеристики и режимы работы устройства. Преимуществом модернизированного генератора по сравнению с аналогами является значительное снижение мощности, потребляемой из сети, а также возможность регулирования напряжения заряда конденсаторов до 600 В в диапазоне частот воспроизведения импульса до 400 Гц. Генератор можно использовать в промышленных целях, в частности, в прокатном производстве для волочения проволоки из труднодеформируемых сталей.

Впервые записана математическая постановка задачи, учитывающая зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры поверхности в случае нагрева (охлаждения) тел правильной геометрической формы в виде неограниченной пластины, цилиндра и шара при свободной конвекции в неограниченном объеме, тем самым делая задачу теплопроводности нелинейной. Получено решение для модели термически тонкого тела. Разработана методика расчета температур поверхности на начальной стадии. На основе интегральных линеаризующих преобразований разработана инженерная методика расчета полей температур и осевых термических напряжений в квазистационарной стадии нагрева (охлаждения) тел правильной геометрической формы при коэффициенте теплообмена, зависящем от температуры поверхности по степенному закону в зависимости от режима свободной конвекции: ламинарного, переходного или турбулентного. Проверка решений на модели постоянного коэффициента теплоотдачи показала, что погрешность решений является приемлемой для инженерных расчетов, а неучет зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры может привести к большим неточностям. Приведены формулы для расчета осевых термических напряжений в любой точке тела, на поверхности и в центре.