Значительную часть отходов металлургического производства составляют сталеплавильные шлаки, выход которых оценивается в среднем от 150 до 200 кг/т стали. При существующих объемах производства стали в Российской Федерации ежегодно образуется в среднем 9 млн. т шлаков сталеплавильного производства, в составе которых 8 – 11 % чистого металла, 15 – 40 % – оксидов железа. Общее количество железа достигает 20 – 30 % от массы шлака. Сталеплавильные шлаки являются ценными железосодержащими техногенными материалами, которые необходимо подвергать дальнейшей переработке и возвращению в производство. Для переработки образующихся сталеплавильных шлаков на АО «ЕВРАЗ ЗСМК» функционирует комплекс шлакопереработки, который представляет собой технологическую линию, позволяющую путем магнитной сепарации поэтапно выделять из конвертерного шлака железосодержащие включения. Образующийся железосодержащий концентрат представляет собой материал фракций 0 –10 мм(предназначен для использования в агломерационном производстве), 10 –80 мм(для использования в доменном производстве) и 80 –250 мм(для использования в сталеплавильном производстве). В работе выполнен анализ возможности применения фракцией 0 – 10 и 10 –80 ммжелезосодержащих концентратов при выплавке стали в 160-т конвертерах. На основе разработанной математической модели проведена серия многовариантных расчетов для исследования динамики плавления и распределения в металлическом расплаве присадки железосодержащих концентратов при различных траекториях ввода и различных его количествах. Анализ результатов математического моделирования позволил получить новую информацию о гидродинамических процессах при продувке конвертерной ванны с присадками железосодержащих концентратов комплекса шлакопереработки АО «ЕВРАЗ ЗСМК». 

Изложены недостатки современной технологии толстолистовой прокатки, приводящие к проблемам при получении сварных труб. Указаны преимущества технологии разливки тонких слябов, при которой сочетаются разливка и обжатие заготовки с жидкой фазой. Описана конструкция установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации и приведена технология получения листа из стали для сварных труб. Поставлена задача по определению напряженно-деформированного состояния металла при формировании полосы из стальной оболочки слитка с жидкой фазой путем гибки узких стенок оболочки с жидкой фазой. В качестве метода исследования использован вычислительный эксперимент на базе решения задач механики сплошной среды методом конечных элементов. Для расчетов была принята сетка конечных элементов для четверти модели и узкой стенки оболочки с длиной грани элемента0,5 мм. Решена упруго-пластическая контактная задача с учетом больших перемещений и деформаций и определено напряженно-деформированное состояние при формировании полосы в зоне гибки узких боковых стенок оболочки с жидкой фазой. Расчет выполнялся в плоской постановке (плоское деформированное состояние). Приведены исходные данные для решения поставленной задачи с использованием современного пакета ANSYS. Описаны постановка задачи и граничные условия. Представлены зависимости для расчета модуля упругости и сопротивления пластической деформации от температуры, степени и скорости деформации. Приведены эпюры перемещений, напряжений и деформаций металла в области узкой стенки оболочки с жидкой фазой при ее гибке. Описаны закономерности распределения растягивающих напряжений по внешней поверхности и по толщине узкой стенки оболочки с жидкой фазой. Изложены пути снижения растягивающих напряжений на боковых поверхностях оболочки с жидкой фазой. 

В отечественных магистральных трубопроводах используются трубы большого диаметра − прямошовные, двухшовные и спиральношовные различного способа изготовления (диаметр труб до1420 мм, класс прочности до К65 по стандарту API). Новейшими мировыми инновационными технологиями производства прямошовных одношовных сварных труб большого диаметра 1020, 1220 и1420 ммиз сталей класса прочностей К38 − К65 и Х42 − Х80 с толщиной стенки до52 мм, длиной до18 ми рабочим давлением до 22,15 МПа являются процессы, разработанные немецкой фирмой SMS Meer, основу которых составляет процесс прессовой пошаговой формовки по схеме JСОE. Технологии SMS Meer широко используют российские трубные заводы − АО «Выксунский металлургический завод», АО «Ижорский трубный завод», ПАО «Челябинский трубопрокатный завод», а также заводы Германии, Китая и Индии. Однако статистика аварий российских трубопроводов показывает, что стресс-коррозия металла стенок труб в основном происходит именно на трубопроводах большого диаметра 700 −1420 мм. Причем свыше 80 % разрушений трубопроводов с признаками стресс-коррозии наблюдаются на трубопроводах диаметром 1020 –1420 мм. Основной причиной коррозионно-механического растрескивания металла стенок труб является совместное действие трех факторов: 1) низкое сталеплавильное качество металла и заводские дефекты труб − большие остаточные напряжения, микротрещины и микрорасслоения металла после формовки трубной заготовки, гофры, риски, раскатные пригары, несплавления сварного шва и так далее; 2) наличие коррозионно-активной среды и ее доступ к поверхности металла; 3) многоцикловая усталость и разрушение металла из-за пульсаций внутритрубных рабочих давлений и гидроударов. На отечественных нефтепроводах почти в два раза больше чем в США и Европе отказов из-за заводских дефектов и брака строительно-монтажных работ. Поэтому необходимо тщательно изучать причины известных случаев отказа трубопроводов из-за производственного брака. В настоящей работе получен математический критерий определения критического внутритрубного давления, при котором происходит упругопластическое разрушение стенки трубы при дефекте раскатной пригар с риской на внешней поверхности трубы. Результаты исследования могут быть использованы при диагностике причин разрушения стальных труб большого и среднего диаметров на магистральных и межпромысловых трубопроводах. 

Одной из основных задач металлургического машиностроения при создании и эксплуатации технологического оборудования является обеспечение необходимых показателей его надежности. Достижение надежности оборудования при его изготовлении связано с оперативным определением прочностных характеристик используемых при этом материалов и прежде всего их предела выносливости. В работе в качестве параметра оценки предела выносливости материалов используется сигнал акустической эмиссии. Для получения устойчивого сигнала, основываясь на результатах анализа синергетических процессов, протекающих в различных физических средах лазеров и мазеров, применен подход получения синергетического сигнала эмиссии волн напряжений (ЭВН) на базе дислокационной среды. Это позволило обеспечить достаточно мощный эмиссионный сигнал, характеризующий процесс движения дислокаций при формировании тех или иных дислокационных субструктур. Эксперимент, проведенный на образцах из стали, подтверждает тот факт, что использование организованного путем мелкоступенчатого растяжения образца акустического сигнала позволяет оценить внутренние процессы, происходящие в материалах. Результаты эксперимента дают возможность выделить участки упруго-пластической деформации материала с различной скоростью движения дислокаций. Основываясь на том, что деформируемые металлы являются самоогранизующимися системами с реализацией на разных стадиях их нагружения различных диссипативных механизмов, образующих соответствующие дислокационные структуры, установлена взаимосвязь интенсивности ЭВН со структурными особенностями дислокационных субструктур (ДСС). Одновременно сопоставлен момент изменения интенсивности ЭВН с пределом его выносливости. Это позволяет использовать сопровождающую формирование дислокационных структур эмиссию волн напряжений совместно с фиксацией возникающего в материале образца напряжения для определения предела выносливости.

Разработана конструкция устройства воздушного охлаждения вала печного вентилятора многодискового типа. Получены зависимости конвективной теплоотдачи от поверхности этого устройства в окружающую среду трех типоразмеров. Установлено, что теплообмен при движении воздуха в междисковых пространствах вращающихся устройств охлаждения с различной частотой подобен процессу теплоотдачи, что и в случае турбулентного течения его вдоль плоской поверхности и при этом описывается в общем виде степенной зависимостью. Найденные значения коэффициентов пропорциональности в этой зависимости учитывают конструктивные особенности исследованных устройств и отличаются от известных величин в 1,4 – 1,7 раз. С применением правил моделирования тепловых процессов полученные закономерности могут быть использованы при расчете устройств охлаждения многодискового типа и для других конструкций печных высокотемпературных вентиляторов. Изучено влияние изменения внешнего диаметра устройства на его охлаждающую способность. Установлено, что уменьшение диаметра с 313 до 250 мм приводит к повышению равномерности распределения потока воздуха в междисковом пространстве и способствует увеличению среднего коэффициента теплоотдачи с единицы поверхности в 1,6 – 1,7 раз в сопоставимых условиях. Возможность повышения равномерности обдувки воздухом поверхности дисков в устройствах с большими диаметрами (МД-313 и МД-290) за счет увеличения размеров входных отверстий ограничено в связи с уменьшением отвода тепла теплопроводностью от вала вентилятора вследствие снижения площади поперечного сечения материала дисков в районе цилиндрической поверхности, проходящей через их оси. Максимальный тепловой поток, отводимый от вала вентилятора, обеспечивается устройством с диаметром 290 мм, где оптимально сочетаются два параметра: величина теплообменной поверхности и интенсивность ее обдувки воздухом. Применение разработанных устройств позволяет увеличить отводимый тепловой поток в 20 – 30 раз по сравнению с охлаждением поверхности открытого вращающегося вала в свободной окружающей среде в сопоставимых условиях. Представленные материалы могут быть использованы при разработке высокотемпературных вентиляторов для нагревательных и термических печей.

Методами современного физического материаловедения выполнены исследования и проведен сравнительный анализ структурно-фазовых состояний, дислокационной субструктуры, механических и трибологических свойств поверхности полки термомеханически упрочненной и неупрочненной двутавровой балки ДП155 из малоуглеродистой стали 09Г2С, используемой для шахтных монорельсовых дорог. Установлено, что ускоренное охлаждение балки в линии сортового стана 450 АО «ЕВРАЗ – Западно-Сибирский металлургический комбинат» (скорость прокатки 6 м/с, давление воды на секции охлаждения полки 0,22 – 0,28 МПа, температура перед холодильником приблизительно 800 °С) формирует в поверхностном слое высокодефектную структуру, характеризующуюся более высокими (по отношению к неупрочненному состоянию) значениями твердости, износостойкости, скалярной плотности дислокаций. В нетермоупрочненном состоянии значение микротвердости образцов составляет 2,70 ± 0,33 ГПа, а модуль Юнга – 269,6 ± 27,1 ГПа. Термомеханическое упрочнение материала приводит к уменьшению его микротвердости до 3,30 ± 0,29 ГПа и к увеличению модуля Юнга до 228,2 ± 25,7 ГПа соответственно. Кроме того, установлено увеличение интервала значений микротвердости с 2,20 – 3,80 ГПа до 2,64 – 4,60 ГПа и уменьшение интервала значений модуля Юнга с 208,0 – 403,0 ГПа до 184,1 – 278,2 ГПа при термомеханическом упрочнении стали. Показано, что термомеханическое упрочнение стали приводит к увеличению износостойкости поверхностного слоя ~ 1,36 раза (скорость изнашивания изменяется с 5,3·10^–5 до 2,9·10^–5 мм³/Н·м) и увеличению коэффициента трения в 1,36 раз (c 0,36 до 0,49). В нетермоупрочненном состоянии наблюдается структура дислокационного хаоса (cкалярная плотность дислокаций – (0,9 ÷ 1,0)·10¹⁰ см^–2). Высокотемпературная прокатка и последующее ускоренное охлаждение образцов приводят к формированию полосовой дислокационной субструктуры в зернах феррита и сетчатой дислокационной субструктуры в зернах мартенсита (cредняя скалярная плотность дислокаций в поверхностном слое – 4,5·10¹⁰ см^–2). Обсуждены возможные причины наблюдаемых закономерностей. 

Методом молекулярной динамики исследуется взаимодействие водорода с наночастицами палладия и никеля. Металлическую частицу в модели создавали путем вырезания шара из ГЦК кристалла. Рассматривали частицы диам. 1, 2 и 3 нм. Взаимодействие атомов металла друг с другом описывали с помощью многочастичного потенциала Клери-Розато, построенного в рамках модели сильной связи. Для описания взаимодействий атомов водорода с атомами металла и друг с другом использовали потенциал Морзе, параметры которого были рассчитаны по экспериментальным данным энергии абсорбции, энергии активации надбарьерной диффузии водорода в металле (при нормальных и высоких температурах), энергии связи с вакансией, дилатации. В работе рассматривали температуры от 300 до 1100 К. В процессе компьютерного эксперимента температуру в расчетном блоке удерживали постоянной. Концентрация атомов водорода, вводимых в расчетный блок, соответствовала давлению 10 и 20 МПа. Начальные позиции атомов водорода в расчетном блоке (в металлической частице или вне ее) не влияли на конечное равновесное распределение водорода в расчетном блоке, которое устанавливалось после некоторого времени компьютерного эксперимента, зависящего от температуры. Как показало молекулярно-динамическое моделирование, наночастицы палладия и никеля являются эффективными аккумуляторами водорода, обладающими высокой скоростью обратимого процесса сорбции-десорбции водорода. При комнатной температуре указанные частицы сорбируют практически весь водород, который неравномерно распределяется в объеме частиц, стремясь образовать агрегаты, содержащие по несколько десятков атомов водорода. При этом в случае частиц никеля водород преимущественно располагается вблизи поверхности. В частицах палладия, напротив, водород сильнее связан с решеткой палладия, с ростом температуры образует более крупные агрегаты. Интенсивное испарение водорода частицами палладия и никеля происходит при температуре выше 700 К. При этом, согласно полученным данным, водород сильнее связан с частицами палладия, чем с частицами никеля, и работа, которую нужно затратить на эвакуацию (десорбцию) водорода в случае частиц палладия выше, чем для частиц никеля. 

Рассмотрены особенности деформации мелкозернистой стали Э2412 с содержанием кремния 3,63 % и различным набором размеров зерен, деформирующихся преимущественно двойникованием. Образцы подвергали растяжению на машине Instron-5565 со скоростями относительной деформации ≈ 0,002 ÷ 0,660 с–1 при температурах 183 – 393 К. Исследовали образцы двух типов: около 80 % зерен имели размеры в пределах 1,5 – 9,0 и 0,025 – 0,225 мм. Установлена связь между числом двойников, видом образующейся при нагружении ступени на диаграммах деформации и скоростью деформирования (для зерен dср1 = 3,55 мм). При малых скоростях нагружения за счет высокой скорости роста двойников образование ступеней на диаграммах деформации сопровождается заметным снижением нагрузки. По мере увеличения скорости нагружения величина сброса нагрузки уменьшается, величина Δσ изменяет знак при скорости деформирования ≈ 0,04 с–1. В мелкокристаллической стали (dср2 =0,12 мм) не наблюдается видимых скачков нагрузки при возникновении двойников. В мелкокристаллическом материале малó время роста двойников в зерне, за счет высокой скорости их развития малó и их количество. Построены гистограммы распределения сдвойникованных зерен в зависимости от размера зерен при различных температурах и скоростях нагружения. Выявлено, что максимум распределения сдвойникованных зерен по размеру смещается в сторону более крупного зерна относительно общего распределения зерен поликристалла по размерам. Определено, что существует некоторый оптимальный размер зерен, предпочтительный для развития двойникования, который, как правило, больше среднестатистического размера зерен, определенного в исходном распределении зерен по размерам. Показано, что число двойников в отдельном зерне зависит от температуры испытания и скорости деформирования. Интенсивность двойникования в максимально сдвойникованном образце зависит от температуры и скорости деформирования. Существует температура деформирования, при которой число двойников в зерне постоянно при скоростях деформирования, используемых в работе. 

С использованием методов физико-химического анализа (дифференциально-термического и минералогического) проведено изучение процесса окисления магнетита (титаномагнетита) на образцах из ольховского магнетитового и качканарского титаномагнетитового концентратов при низких температурах (200 –400 °C). Получены кинетические кривые для исследуемых материалов при различных температурах, типичные для топохимических процессов. Вычислены значения удельных скоростей окисления магнетита разной крупности при различных температурах, а также значения кажущейся энергии активации процесса. С целью выявления лимитирующей стадии процесса окисления магнетита и титаномагнетита изучено влияние парциального давления кислорода в газовой фазе на кинетику окисления. С использованием графического метода рассчитан порядок реакции окисления по кислороду при определенных температурах и степени окисления. Изучено влияние включений титана в магнетите на кинетику фазового перехода магнетит – гематит. Определены кинетические закономерности и характер окисления исследуемых материалов в неизотермических условиях при разных скоростях нагрева. Установлено, что в начальной стадии процесс окисления магнетита и титаномагнетита в температурном интервале 200 –400 °Cпротекает в смешанном режиме, а затем процесс переходит в диффузионный режим. Полученные результаты представляют определенный интерес и могут быть использованы для оптимизации режимов низкотемпературного окисления железорудных материалов на ленте конвейерной обжиговой машины. 

Практический интерес с целью ресурсосбережения представляет технология дуговой наплавки порошковой проволокой, в которой в качестве наполнителей используются оксид вольфрама WO₃ и вещество (ферросилиций), содержащее восстановитель – кремний. В работе проведена термодинамическая оценка вероятности протекания в стандартных условиях девяти реакций по табличным термодинамическим данным реагентов в интервале температур 1500 – 3500 К. В числе реакций – реакции прямого восстановления оксида WO₃ кремнием и реакции соединения вольфрама с кремнием с образованием силицидов вольфрама. В качестве возможных продуктов реакций рассматривались W, WSi₂ , W₅Si₃ . Реакции восстановления оксида записывали на 1 моль O₂ , а реакции соединения вольфрама с кремнием – на 1 моль W. Вероятность протекания реакций оценивали по стандартной энергии Гиббса реакций. В качестве стандартных для веществ-реагентов в интервале 1500 – 3500 К были выбраны состояния: W_(тв) , WO_{3(тв, ж)} с фазовым переходом при 1745 К, WSi_{2(тв, ж)} с фазовым переходом при 2433 К, W₅Si_{3(тв, ж)} с фазовым переходом при 2623 К, Si_{(тв, ж}) с фазовым переходом при 1690 К, SiO_{(г) ,} SiO_{2(тв, ж)} с фазовым переходом при 1996 К. С целью оценки степени влияния на термодинамические свойства реакций возможного испарения в дуге оксида вольфрама WO₃  рассчитывали термодинамические характеристики одной из реакций, в которой в качестве стандартного состояния в том же интервале температуры выбрано состояние WO_{3(г) .} Термодинамический анализ показывает, что при восстановлении оксида WO₃ наиболее вероятно образование силицидов WSi₂ и W₅Si₃ , затем вольфрама. Термодинамическая вероятность образования этих же силицидов за счет реакций соединения вольфрама и кремния в стандартных состояниях оказывается существенно меньше. Восстановительная способность кремния в реакциях с образованием SiO₂ с повышением температуры уменьшается, а в реакциях с образованием SiO, наоборот, увеличивается. Вследствие этого в рассматриваемой системе при высоких температурах расплава (более 2500 К) вероятно изменение состава газовой фазы за счет образования SiO. При температурах менее 1750 К шлаковая фаза может стать более кислой за счет образующегося оксида кремния SiO₂ . Испарение WO₃ в дуге увеличивает термодинамическую вероятность протекания реакций восстановления, но в большей степени при низкой температуре.

Проведен анализ существующих отечественных и зарубежных технологий по переработке и утилизации железорудных отходов. Для условий Кемеровской области обоснованы эффективные технологии утилизации отходов с получением дополнительной продукции, соответствующей требованиям потребителей. Эффективные технологии комплексированы в сценарии, обеспечивающие полный цикл рационального природопользования. Выполнена постановка задачи формирования сценариев переработки отходов. Разработаны сценарии поэтапной переработки железорудных отходов с извлечением полезных компонентов химическими методами, восстановлением нарушенных земель и созданием рекреационных зон на освобожденных территориях. Предложены рекомендации и технологические решения по круглогодичной переработке железорудных отходов химическими методами, в том числе в зимний период. Представлены карты отработки хвостохранилища с поэтапной переработкой и восстановлением нарушенных земель. Количество этапов определяется в зависимости от объема инвестиций и годовой производительности комплекса по переработке отходов с возможной одновременной отработкой нескольких секций. После полной выемки железорудных отходов из хвостохранилища проводятся подготовительные работы для постройки рекреационных зон – поиск тендера и выбор проекта зон отдыха, демонтаж и продажа оборудования, зданий и сооружений, восстановление земляного покрытия, посадка газона, саженцев деревьев и кустарников. Работы по восстановлению территории проводятся во время функционирования перерабатывающего предприятия; ввод в эксплуатацию зон отдыха осуществляется после его ликвидации. Осуществлено математическое моделирование сценариев переработки железорудных отходов обогатительных фабрик в условиях Кемеровской области по следующим показателям эффективности: экономический эффект; процесс восстановления нарушенных земель; объем загрязнений; численность населения горнопромышленных районов с нормативными социокультурными показателями; предотвращенный объем загрязнения на душу населения. Инструментарием модельных экспериментов является программный комплекс, реализационный в среде Scilab. Из предложенных сценариев выполнен отбор Парето-оптимальных решений графическим способом. Отбор приоритетных из Парето-оптимальных сценариев осуществляется ранжированием, основанным на уровнях социально-экологической безопасности (низкий, умеренный и высокий) в условиях Кемеровской области. 

Математическое моделирование течения жидкого расплава в кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали до сих пор является малоизученным. Аналитические решения течения расплава в общем случае являются сложной математической задачей. Тем не менее для некоторых случаев точные решения найдены. Такие аналитические решения служат средством проверки результатов численных методов решения. Цель настоящей работы – использование численного метода, предложенного профессором В.И. Одиноковым, основанным на конечно-разностном представлении исходной системы уравнений. Метод успешно использован в механике сплошных сред, в литейном производстве при математическом моделировании напряженного деформированного состояния оболочковых форм по выплавляемым моделям, а также и в других технологических работах, что говорит о его универсальности. В настоящей работе объектами исследований стали гидродинамические и тепловые потоки жидкого металла при разливке стали в кристаллизатор прямоугольного сечения установки непрерывной разливной стали, а результатом – пространственная математическая модель, описывающая потоки жидкого металла в кристаллизаторе. Для моделирования процессов, протекающих при заполнении, использован программный комплекс «Одиссей». В основу теоретических расчетов положены основополагающие уравнения гидродинамики, уравнения математической физики (уравнение теплопроводности с учетом массопереноса) и апробированный численный метод. Решение сформулированной в работе системы дифференциальных уравнений осуществляли численным способом. Исследуемую область разбивали на элементы конечных размеров, для каждого элемента записывали в разностном виде полученную система уравнений. Результат решения – поля скоростей потока металла и температурные поля в объеме кристаллизатора. Для решения полученной системы алгебраических уравнений разработаны численные схемы и алгоритмы расчета. По разработанным численным схемам и алгоритмам составлена программа расчета на языке Fortran-4. Математическая модель позволяет варьировать геометрические размеры кристаллизатора и сечения отверстий выхода металла из погружного стакана, а также может помочь понять схему движения разливаемого металла, влияющую на теплоотвод стенками кристаллизатора, и найти оптимальные параметры выхода жидкого металла из погружного стакана при различных режимах разливки. Приведен пример расчета разливки стали в кристаллизатор прямоугольного сечения высотой100 см. Разливку осуществляли из погружного стакана симметрично в обе стороны в горизонтальной плоскости. Результат решения представлен в графической форме. Показано движение потоков жидкого металла в разных сечениях кристаллизатора. Выявлены области кругового течения металла, а также области в объеме кристаллизатора, где наблюдается вихревое движение жидкого металла, определены их величины и интенсивность. Представленное поле температур указывает на наличие локальной области с высокой температурой на стенке кристаллизатора, что объясняется направленным потоком горячего металла, выходящего из отверстия погружного стакана. 

В работе строится пространственная математическая модель описывающая гидродинамические и тепловые потоки жидкого металла при разливке стали в кристаллизатор установки непрерывной разливки стали (УНРС). Получены значения скоростей и температуры внутри кристаллизатора прямоугольного сечения при использовании погружного стакана с двумя противоположно направленными выходными отверстиями. Математическая модель данного процесса поможет понять схему движения разливаемого металла, влияющую на тепловод, и найти оптимальные параметры отверстия в погружном стакане при различных режимах разливки