Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 60, № 7 (2017)
Скачать выпуск Неозаглавлен
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-7

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

505-511 171
Аннотация

Улучшение эксплуатационных свойств деталей при лазерной обработке поверхностей может быть получено модифицированием расплава подготовленными наноразмерными частицами тугоплавких соединений (карбиды, нитриды и др.). Это позволяет увеличить количество центров кристаллизации, измельчить структуру и повысить однородность затвердевшего металла. Известно, что термокапиллярная конвекция способствует гомогенному распределению материалов, проникающих в расплавленный металл. Так же известно, что присутствие в расплаве поверхностно-активных веществ влияет на характер конвекции. Существуют данные, что структура течений в расплаве зависит от количества поверхностно-активного вещества в металле. Поэтому проводятся исследования с целью получить данные о взаимосвязи характеристик лазерной обработки металла и степени однородности распределения модифицирующих добавок. С  использованием численного моделирования оценивается влияние характеристик импульсного лазерного воздействия на распределение модифицирующих частиц при наличии в металле поверхностно-активного вещества. С помощью предлагаемой математической модели рассматриваются следующие нестационарные процессы: разогрев и плавление металла, теплоперенос в расплаве, движение жидкости, зарождение и рост твердой фазы после окончания импульса. При численной реализации модели сначала решается уравнение теплопроводности. При возникновении расплавленного металла определяется граница жидкой фазы. Далее совместно решаются уравнение конвективного теплопереноса и уравнения, описывающие движение несжимаемой жидкости. После завершения лазерного импульса расчеты продолжаются до момента полного затвердевания материала подложки. Предполагается, что модифицирующие наноразмерные частицы под действием конвективных потоков проникают в глубину расплава с его поверхности. Движение и распределение частиц в жидкости моделируются с помощью маркеров. Перемещение маркеров определяется локальными скоростями расплава в окрестности каждого. По результатам численных экспериментов было определено влияние параметров импульсного лазерного воздействия на характер течения и распределение частиц в расплаве. Найдены оптимальные характеристики для плавления подложки лазерным импульсом для различных концентраций поверхностно-активного вещества в железе. 

512-515 143
Аннотация

Калиброванный металл является эффективной заготовкой для изготовления деталей на станках-автоматах и автоматических линиях, а также для изготовления гладких длинномерных валов и осей. Такие детали являются не технологичными, так как при механической обработке и эксплуатации они изменяют форму в виду искривления. Деформация происходит при действии центробежных сил даже от собственного веса деталей. Новые конструкционные материалы позволяют создавать достаточно прочные детали с уменьшенным поперечным сечением, но изгибная жесткость таких деталей существенно снижается. Повысить изгибную жесткость реальных деталей весьма сложно. На практике используют обычно конструктивные решения, которые связаны с материальными затратами. В работе рассмотрена возможность повышения изгибной жесткости цилиндрических калиброванных прутков за счет формирования технологических остаточных напряжений. Проблема их использования заключается в том, что остаточные напряжения всегда существуют двух видов  – растягивающие и сжимающие. Если внешние напряжения растяжения повышают жесткость деталей, то напряжения сжатия снижают ее. Поэтому задачей работы являлось нахождение такого характера распределения остаточных напряжений, который бы обеспечивал повышение изгибной жесткости деталей, изготовленных из калиброванного металла. При моделировании остаточных напряжений приняли геометрическую модель прутка, состоящую из тонкостенных трубок толщиной 0,2 мм. Каждая трубка нагружалась растягивающим или сжимающим напряжением, которое соответствовало значению экспериментального определения. При моделировании и расчете использовали две схемы нагружения, при которых в поверхностных слоях формируются либо остаточные напряжения сжатия, либо растяжения. Экспериментально-расчетными методами установлено влияние основных параметров калибровки на изгибную жесткость металла. Выявлена возможность повышения изгибной жесткости калиброванных прутков почти в два раза при обжатиях от 5 до 34 %. На 20 % можно повысить жесткость при увеличении длины калибрующей зоны инструмента. Влияние угла рабочего конуса волоки незначительно (около 10  %), причем для повышения жесткости рабочий угол инструмента нужно уменьшать. 

516-521 233
Аннотация

Изложены результаты моделирования прокатки точных по массе шаров диаметром 93 и 125 мм в винтовых калибрах в программах компьютерного моделирования QForm-3D и DEFORM-3D, описаны этапы и исходные данные создания модели виртуального шаропрокатного стана. Проведен анализ напряженного состояния металла в характерных точках вдоль оси прокатки: интенсивность напряжений, компоненты тензора напряжений, среднее нормальное напряжение. Представлены результаты замеров массы шаров, прокатанных на новых и изношенных валках. Проведены проверка качества внутренних слоев металла и замеры твердости прокатанных шаров по вертикальной и горизонтальной осям симметрии шара. Исследование формоизменения металла при моделировании прокатки шаров показало, что нагретая заготовка в виде прутка горячекатаной стали хорошо захватывается валками, процесс прокатки происходит стабильно без пробуксовок. Металл заготовки полностью заполняет калибры. Зазора между металлом и стенками калибра не наблюдается. Перемычки, соединяющие отформованные шары, полностью отделяются непосредственно в валках стана. При этом перемычка срезается ребордой валков и вдавливается в тело шара. Отделенный шар продолжает обкатываться на отделочном участке калибра, остатки перемычки заглаживаются, и из валков выходит полностью оформленный шар, имеющий гладкую поверхность. Установлено, что при моделировании напряженно-деформированного состояния все компоненты тензора напряжений имеют отрицательное значение, то есть все компоненты тензора напряжений при прокатке шаров сжимающие. Статистическая обработка данных по взвешиванию прокатанных шаров диаметром 93 и 125 мм показала, что отклонение массы от номинальной не превышает 1 %. Замеры твердости по диаметральному сечению шаров показали отсутствие провалов твердости во внутренних слоях прокатанного металла, что говорит о хорошем качестве сердцевинной зоны. 

522-526 133
Аннотация

Рассмотрены технологические возможности совмещенного процесса и установки непрерывного литья и деформации с позиции получения высоких механических свойств и мелкозернистой структуры листов из стали для сварных труб. Изложена постановка задачи напряженно-деформированного состояния металла при обжатии стенками-бойками сборного кристаллизатора установки затвердевшего металла с учетом усилия вытягивания оболочки с жидкой фазой из неразъемного кристаллизатора установки. Приведены параметры очага циклической деформации при получении листов из тонкого сляба, исходные данные для расчета и граничные условия задачи. Представлена расчетная схема для определения напряженно-деформированного состояния металла в очаге циклической деформации. Результаты получены решением задачи механики сплошной среды методом конечных элементов: использована плоская постановка контактной задачи упруго-пластичности при наличии больших деформаций и перемещений. Для решения задачи использован программный комплекс ANSYS. Результаты расчета представлены в виде эпюр напряжений по оси симметрии полосы и на части линии контакта очага деформации со стенкой-бойком. Приведены закономерности распределения касательных напряжений на контактной поверхности очага циклической деформации. Проведена оценка течения затвердевшего металла на границе с жидкой фазой в процессе обжатия стенками-бойками затвердевшего металла с учетом усилия вытягивания оболочки с жидкой фазой из неразъемного кристаллизатора. Изложена оценка схемы напряженного состояния металла в очаге циклической деформации при обжатии тонкого сляба с высокой степенью деформации с позиции улучшения качества листов из стали для сварных труб. Приведены основные параметры установки непрерывного литья и деформации для получения листов из стали для сварных труб.

527-530 144
Аннотация

Разработан метод решения задачи классификации предохранительных устройств щековых дробильных машин, основанный на следующих классификационных признаках: принадлежность к подсистеме дробильной машины; восстанавливаемость предохранительного устройства после срабатывания; необходимые для настройки параметры. Разделение предохранительных устройств по подсистемам образует дополнительный уровень в иерархической структуре автоматизированной системы управления технологического процесса. На  этом уровне расположены подсистемы, которые и осуществляют контроль работоспособности дробильной машины при значительном отклонении расчетных параметров от номинального значения, т.е. при возникновении аварийной ситуации. Разделение по восстанавливаемости, то есть по способности восстанавливать свои свойства после восстановления значения расчетного параметра, и параметрам предохранителей различных подсистем необходимо как для определения метода расчета предохранительных устройств, так и для учета их особенностей при вводе в эксплуатацию. Рассмотрены следующие параметры: сила, действующая со стороны щеки дробильной машины; давление, возникающее в гидросистеме предохранителя при воздействии со стороны щеки дробильной машины; момент, развиваемый приводом дробильной машины; для предохранителей электрической подсистемы – величина тока в приводе дробильной машины; температура двигателя дробильной машины, спектр частот потребляемого электродвигателем тока. Предложенная классификация повышает точность диагностики состояния дробильной машины: прямая оценка, являющаяся наиболее оперативной, – по изменениям параметров электрической подсистемы; косвенная оценка, являющаяся более точной, – по изменению выходных параметров дробилки в целом при постоянстве параметров электрической подсистемы. При совместном использовании прямой и косвенной оценок состояния дробильной машины повышается точность и оперативность управления дробильной машиной, что, соответственно, повышает надежность дробильного агрегата в целом. 

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

531-537 165
Аннотация

Приведены результаты изучения использования отходов металлургического производства в качестве составляющих сварочных флюсов. Разработаны состав и технология изготовления нового сварочного флюса с применением шлака производства силикомарганца. Представлены результаты использования этого шлака для изготовления сварочных флюсов. В целях исследования качества сварных швов проведен металлографический анализ, определены величина зерна и уровень загрязненности неметаллическими включениями. Металлографические исследования проводили с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX-51 в диапазоне увеличений 100  –  1000  крат. Изучено влияние фракционного состава флюсов на их сварочно-технологические свойства. Подобрана оптимальная фракция, обеспечивающая низкий уровень загрязненности металла сварного шва оксидными неметаллическими включениями, в частности силикатами недеформирующимися и оксидами. Установлено, что использование мелкой фракции сварочного флюса в количестве 30  –  40  % обеспечивает уменьшение степени загрязненности металла шва оксидными неметаллическими включениями. Металлографический анализ металла шва показал, что введение мелкой фракции не оказывает влияния на его структурные составляющие. Металл шва имеет феррито-перлитную структуру, феррит присутствует в виде неравноосных зерен, вытянутых в направлении отвода тепла. Определено, что оптимальное содержание фракции менее 0,45 мм в сварочном флюсе составляет 30 – 40 %. Для повышения технико-экономических показателей предложено смешивать мелкую фракцию с жидким стеклом. Использование керамического флюса, изготовленного из пыли силикомарганцевого шлака фракцией до 0,45 мм, связанного жидким стеклом, обеспечивает снижение уровня загрязненности металла сварного шва неметаллическими включениями. При этом увеличение его количества с 15 до 40 % не оказывает значительного влияния на уровень загрязненности металла сварного шва неметаллическими включениями и на его микроструктуру. Микроструктура металла сварного шва представлена перлитом и ферритом. Установлено, что оптимальным является применение мелкой фракции для изготовления керамического флюса с использованием жидкого стекла в количестве 15 – 20 %. 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

538-543 166
Аннотация

В работе исследованы процессы релаксации в аморфном и нанокристаллическом сплавах в интервале температур –196  ÷  80  °С. Установлено, что в аморфном сплаве релаксация напряжений происходит в две стадии. При этом снижение исходного механического напряжения в образце происходит лишь на 5 % за время выдержки не менее 1 часа. Увеличение температуры образца приводит к более интенсивному протеканию релаксации, что проявляется в увеличении скорости снижения механического напряжения. При температуре жидкого азота релаксации напряжений не наблюдается. Установлено, что в нанокристаллическом сплаве релаксационные процессы протекают аналогичным образом, но в нем скорость релаксации значительно меньше. В работе были изучены зависимости остаточного механического напряжения от температуры и времени выдержки. Обнаружено, что в аморфном и нанокристаллическом сплавах наблюдаются области стабилизации остаточных механических напряжений при малых временах выдержки (менее 5 мин) в интервалах температур 50  –  60 и 40  –  50  °С. Увеличение выдержки приводит к монотонному падению остаточных механических напряжений. Нагрев до 40 °С уже приводит к полному снятию механических напряжений в образце спустя 15 мин после начала испытаний. Показано, что предварительная релаксация напряжений в аморфном сплаве приводит к уменьшению величины сброса механического напряжения при электроимпульсном воздействии в образцах, подвергнутых растяжению. В нанокристаллическом сплаве величина сброса практически не изменяется при указанном воздействии. Показано, что наблюдаемый эффект обусловлен не только термическим расширением, но и изменением величины обратимой составляющей направленной структурной релаксации. В ходе работы было установлено, что величина сброса механического напряжения в аморфном сплаве зависит от среды, в которой происходит подача импульса электрического тока. В частности, в среде жидкого азота наблюдается уменьшение величины сброса. В нанокристаллическом сплаве подобного уменьшения не наблюдается. 

544-548 159
Аннотация

В последние годы значительно увеличился объем применения высокопрочных сталей и, прежде всего, сталей мартенситного и бейнитного классов для изготовления деталей и конструкций ответственного назначения. Достижение высокопрочного состояния возможно за счет эффективного деформационного упрочнения сталей различных классов при условии его рационального применения. Знание количественных закономерностей и механизмов деформационного упрочнения сталей различных структурных классов при активной пластической деформации необходимо для целенаправленного формирования структурно-фазовых состояний и механических свойств материала. В работе методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии выполнен сравнительный анализ эволюции структуры, фазового состава и состояния дефектной субструктуры стали с мартенситной и бейнитной структурами при активной пластической деформации до разрушения. Показано, что после аустенитизации при температуре 950 °С (1,5 ч) и последующей закалки в масле стали 38ХН3МФА и нормализации стали 30Х2Н2МФА формируется многофазная структура (α-фаза, γ-фаза, цементит), основу которой составляют мартенсит пакетной морфологии (сталь 38ХН3МФА) и нижний бейнит (сталь 30Х2Н2МФА). Полученные количественные закономерности изменения параметров структуры стали в процессе пластического деформирования позволили выполнить исследования, направленные на анализ распределения атомов углерода в структуре деформированной стали. Выявлены места локализации атомов углерода в структуре мартенсита (закаленная сталь 38ХН3МФА) и бейнита (нормализованная сталь 30Х2Н2МФА). Установлено, что деформация сталей сопровождается разрушением частиц цементита. Для закаленной мартенситной стали с увеличением степени деформации суммарное количество атомов углерода, расположенных в твердом растворе на основе α- и γ-железа, снижается, а на дефектах структуры  – увеличивается. Перераспределение атомов углерода в стали с бейнитной структурой с увеличением степени деформации заключается в росте количества атомов углерода, расположенных в α-железе, дефектах кристаллической структуры, цементите на внутрифазных границах и уменьшении количества атомов углерода в частицах цементита, лежащих в объеме пластин бейнита и в γ-железе. 

549-555 183
Аннотация

Проведен анализ закономерностей деформационного упрочнения в монокристаллах однофазного разупорядоченного сплава Ni3Fe. Исследованные монокристаллы были деформированы сжатием при комнатной температуре. Ось сжатия монокристаллов была параллельна кристаллографическому направлению [001]. Для кривой деформации [001]-монокристаллов сплава Ni3Fe характерна стадийность. Смена стадий обусловлена определенной последовательностью субструктурных превращений. Сплав Ni3Fe в состоянии с ближним атом-ным порядком является сплавом со средним значением энергии дефекта упаковки и в нем при пластической деформации реализуется низкоэнергетическая ветвь эволюции субструктуры: плоские скопления → сетчатая субструктура → полосовая структура. Линейная стадия деформационного упрочнения этого сплава связана с формированием неоднородной сетчатой дислокационной структуры. По электронно- микроскопическим снимкам сетчатой субструктуры в работе были измерены длины свободных сегментов дислокаций между различными видами стопоров, образующихся вдоль линии дислокаций в результате пересечения дислокаций различных систем. На основе комплекса измеренных характеристик сетчатой субструктуры, формирующейся в исследованных монокристаллах в пределах стадии II, проведены оценки вкладов различных механизмов деформационного упрочнения в напряжение течения, а именно, пересечение дислокаций; волочение порогов; создание и разрыв дислокационных реакций; преодоление дислокационных барьеров Ломера–Коттрелла, Хирта; генерация точечных дефектов. Изучены закономерности формирования дальнодействующих напряжений и упругое взаимодействие дислокаций. Определены вклады статических и динамических напряжений. Для того, чтобы учесть неоднородность сетчатой субструктуры, вклады были определены отдельно для плотных и неплотных ее участков. На основе проведенных оценок парциальных вкладов всех рассмотренных механизмов установлено, что основной вклад в сопротивление деформированию высокосимметрично ориентированных монокристаллов разупорядоченного сплава Ni3Fe вносит механизм торможения дислокаций, обусловленный контактным взаимодействием движущихся дислокаций с дислокациями леса. Возрастание с деформацией плотности стопоров вдоль линии дислокации (как порогов, так и реакций) является первопричиной деформационного упрочнения ГЦК сплава с ближним атомным порядком. 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

556-564 177
Аннотация

Повышение производительности и снижение ресурсо- и энергоемкости при производстве стали в конвертерах предопределяет раз- работку технологических мероприятий и пути совершенствования конструкции агрегатов для обеспечения предварительного подогрева лома и других шихтовых материалов, интенсификацию дожигания отходящих газов в рабочем пространстве сталеплавильного агрегата и окислительно-восстановительных процессов в жидкой ванне при сохранении удовлетворительной стойкости дутьевых устройств и футе- ровки конвертера. Использование топливно-кислородных факелов горения в конвертерном процессе позволяет решить ряд многоцелевых технологических задач. Сгорание топлива в рабочем пространстве конвертера при формировании струи или использование погружных факелов горения значительно изменяет гидродинамическую картину в реакционных зонах и жидкой ванне. В работе термодинамическими методами определена динамика процессов горения газообразного топлива и окисления элементов конвертерной ванны при взаимодействии с высокотемпературными продуктами сгорания факела. Расчет процесса взаимодействия факела с химическими элементами конвертерной ванны проведен для равновесных условий. Установлено, что использование факелов горения изменяет состав газовой фазы в рабочем пространстве конвертера, в которой, кроме традиционно присутствующих при продувке кислородом О2 , СО, СО2 , образуются Н2 и Н2О. Присутствие этих газов изменяет тепловой режим и окислительную способность газовой фазы. При сжигании газокислородного топлива оптимальный состав исходной газовой смеси (природный газ и кислород) должен соответствовать соотношению 100  %  СН4   и  69  %  О2 , при этом в качестве продукта реакций окисления образуется парогазовая фаза, содержащая 40  %  СО2 и 60  %  Н2О. Полная энтальпия процесса сжигания газокислородного топлива при температурах конвертерной плавки при коэффициенте избытка кислорода более 1,0 (до  2,0) составляет примерно 200  кДж/моль исходных реагентов, при окислении метана углекислым газом – (–7)  ÷  (–14,5)  кДж/моль исходных реагентов при 1800  К, процесс становится эндотермичным при температурах более 2000  К (∆Н2200  =  (+7,7)  ÷  (+15,4)  кДж/моль); при окислении газа водяным паром ∆Н1800 – 2200  =  (+19,5)  ÷  (+70) кДж/моль исходных реагентов. Таким образом, только при окислении метана кислородом может быть достигнута температура факела более 1800 К. Использование в качестве окислителя воздуха, углекислого газа, паров воды не дает необходимого теплового эффекта. 

ЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

565-572 142
Аннотация

Обоснована разработка процедур управления поэтапной переработкой железорудных отходов горнопромышленных районов, обеспечивающих полный цикл рационального природопользования посредством внедрения безотходных и малоотходных технологий с последующей рекультивацией и созданием зон отдыха населения. Разработана процедура для действующих предприятий, состоящая из структуры и последовательности этапов работ, карты отработки отстойника, технологической подготовки оборудования, календарного плана. Этапы выполняются параллельно и заключаются в переработке отходов, рекультивации, поиске, анализе и выборе тендеров на создание рекреационных зон. Переработка отходов и восстановление земель осуществляются в период функционирования горнопромышленного предприятия. Ввод в эксплуатацию территорий, предназначенных для отдыха жителей горнопромышленных районов, проводится после ликвидации организации. Процедура управления поэтапной переработкой железорудных отходов для ликвидированных предприятий состоит из следующих этапов: поиска источников финансирования для утилизации техногенных ресурсов и рекультивации нарушенных земель посредством продажи имеющихся основных фондов (зданий, сооружений и оборудования) и привлечения внешних инвестиций, в  том числе государственных. При недостаточном финансировании часть железорудных отходов используется в качестве строительных или закладочных материалов для осуществления восстановительных работ. Процедура управления поэтапной переработкой железорудных отходов для внедряемых проектов включает в себя периодический мониторинг образования техногенных ресурсов и нарушения земельного покрова. При образовании отходов проводится анализ существующих технологий, направленных на их утилизацию и рекультивацию нарушенных земель. Проведение периодического мониторинга позволяет предотвратить потенциальный экологический ущерб. В период функционирования предприятия осуществляется поэтапное создание зон отдыха с последующим вводом в эксплуатацию после его ликвидации. На основе предложенных процедур управления поэтапной переработкой железорудных отходов разработаны сценарии внедрения безотходных и малоотходных технологий для Таштагольского района Кемеровской области. Проведено их моделирование на основе программного комплекса, реализованного в среде SciLab. Поставлена и решена задача ранжирования сценариев переработки. 

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

573-579 206
Аннотация

Рассмотрены особенности программного обеспечения (ПО) информационных систем (ИС) для работы инженерно-технологического персонала на металлургических предприятиях. ПО включает автоматизированные рабочие места, системы поддержки принятия решений, информационно-моделирующие системы, экспертные системы и др. Они представляют собой оконные (десктопные) приложения, написанные на высокоуровневых языках программирования (Visual C#, Visual Basic и др.). Обработка технологической информации, поступающей с сервера управления базами данных (СУБД) предприятия, включает в себя необходимость решения комплекса задач математического программирования, систем дифференциальных уравнений, задач математической физики и др. Такие задачи невозможно решить с помощью стандартного набора математических средств языков программирования общего назначения, поэтому разработка ин- формационно-моделирующих систем осуществляется при взаимодействии с внешним ПО, например Microsoft Excel, MATLAB. В основе взаимодействия с Microsoft Excel лежит технология COM Interop, предполагающая установку ПО Microsoft Office на каждый клиентский компьютер. Для взаимодействия с MATLAB требуется предварительная сборка библиотеки в среде MATLAB Compiler и ее подключение к программе. Выполнение на клиентском компьютере достигается установкой свободно распространяемого пакета MATLAB Runtime. Однако требования по функциональности, доступности и кроссплатформенной переносимости, предъявляемые к современным информационным системам предприятия, не могут быть выполнены в оконных приложениях, использующих Windows Forms. Этим обусловлен поиск новых технологий и средств создания информационных систем. Наиболее рациональной является технология построения веб-приложений на базе фреймворка ASP.NET MVC, позволяющая без модификации перенести математические библиотеки, модули взаимодействия с Microsoft Excel, MATLAB из Windows Forms. Представлена структура веб-приложения, используемая при разработке ПО, отвечающего современным требованиям к работе информационных систем, что предполагает наличие на веб-странице следующих функциональных областей: логотип и заголовок текущей страницы, меню состояния сеанса, функциональное меню, групповые операции, уведомления и рабочее пространство. 



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