Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 60, № 9 (2017)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-9

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

691-697 156
Аннотация
Получены новые аналитические решения для анализа напряженного состояния при осадке полосы из идеального жесткопластического материала в условиях плоской деформации. Рассмотрены участки с переменными силами трения. Основное отличие полученных  решений от известных заключается в использовании точного условия пластичности Мизеса вместо приближенного, записанного в главных напряжениях. Для расчета контактных напряжений на участке скольжения принят закон трения Амонтона–Кулона. Из интегрального  условия равновесия торца полосы получена зависимость контактных напряжений на торце от коэффициента трения. Установлено, что в  сечении, расположенном на расстоянии x от торца, производная от контактного напряжения по координате x обращается в нуль в конце  участка скольжения при достижении касательными напряжениями предела текучести при чистом сдвиге. Показано, что замена точного  условия пластичности приближенным приводит к существенному уменьшению размеров участка скольжения. Из решения уравнений  равновесия плоской задачи с использованием параболической аппроксимации условия пластичности получены рекуррентные зависимости для определения контактных напряжений на участке застоя. Установлено, что с уменьшением силы трения на границе участка  застоя его ширина увеличивается. В результате численного анализа напряженного состояния на участке застоя предложены эмпирические  зависимос ти ширины участка от значения контактных касательных напряжений на его границе. Найдены условия существования участков  торможения и скольжения, предложены зависимости для вычисления равнодействующих нормальных контактных напряжений на этих  участках. С  учетом полученных распределений контактных напряжений уточнены выражения для определения усилия осадки полосы.  Выполнено сопоставление полученных результатов с известными экспериментальными и теоретическими данными. Дана оценка погрешности расчета усилия осадки инженерным методом.
698-705 162
Аннотация
. В данной статье приводится описание работы программы, реализующей метод расчета параметров выплавки стали в кислородном конвертере с верхней подачей дутья. Программа создана на основе системы балансовых уравнений, решаемых совместно методом  итераций. Для адаптации модели используется информация о составе и количестве материалов, продуктов плавки и продолжительности  операций, имеющаяся в базе паспортных данных плавок кислородно-конвертерного цеха. В этих условиях при определении состава и  количест  ва шлака, масса железа, принимающая участие в процессах шлакообразования, рассчитывается по балансу кислорода с учетом  общего расхода дутья, зафиксированного АСУ ТП в паспортах плавки. Программа позволяет прогнозировать параметры плавки при изменении ее начальных и конечных условий, а также определять значение неконтролируемых воздействий на процесс в структурированной  области базы данных. В программе на первом этапе составляются балансовые уравнения. Определяется расход кислорода на продувку,  идущего на шлакообразование. Затем определяется количество окислившихся элементов и рассчитывается потребность в кислороде на  окисление. Далее по разности общего отданного на продувку кислорода и пошедшего на окисление элементов определяется его количество, идущее на окисление железа, переходящего в шлак. Затем определяется количество шлака с учетом всех шлакообразующих материалов  и окислившегося железа за счет кислорода дутья. На втором этапе рассчитывается баланс образования газов и оксидов железа. На третьем  этапе рассчитывается количество шлака с учетом расхода каждого материала. На четвертом этапе рассчитывается количество получаемого  металла. На конечном этапе составляется материальный и тепловой баланс (сколько пришло тепла, сколько выделилось в процессе окисления элементов и сколько ушло с нагретым до температуры металла и шлака газом). Тепловой баланс считается относительно комнатной  температуры, что позволяет для химических реакций учитывать стандартные тепловые эффекты. Материальный и тепловой балансы  настраивались по температуре металла в конце продувки.
706-712 183
Аннотация
В результате анализа процессов формовки листовой заготовки при различных схемах: в вальцах (схема RBE), на прессах (схема UOE)  и шаговой формовки (схема JOE) показано, что в отечественной и зарубежной практике производства труб большого диаметра для прокладки  морских трубопроводов применяется схема JOE. Выполнено математическое моделирование процессов пластического формоизменения листовой заготовки по схеме JOE на кромкогибочном прессе и прессе шаговой формовки и калибрования сварной О-образной трубной заготовки на  механическом экспандере с использованием программного комплекса Deform 3D. Представлены результаты математического моделирования напряженно-деформированного состояния металла в трубных заготовках и готовых трубах по всему технологическому переделу производства труб  большого диаметра. Показано, что пластическое состояние сформованных J-образных листовых заготовок на прессовом оборудовании и при калибровании труб характеризуется неравномерностью напряженно-деформированного состояния (НДС) металла. Приведены численные результаты распределения эквивалентных напряжений и интенсивности деформации на наружной поверхности трубы типоразмера Dт×Sт = 720×22 мм  класса прочности К56. Показано, что участки трубы с большей неравномерностью НДС характеризуются повышенными значениями остаточных напряжений и деформаций, поэтому в этих областях отмечено увеличение диаметра и овальности трубы относительно среднего значения.  Результаты проведенных экспериментальных исследований остаточных напряжений после экспандирования труб, изготовленных на ТЭСА 1020  и ТЭСА 1420 убедительно подтверждают  не равномерный  характер распределения НДС в поперечном сечении ТБД: в сварном шве σост достигают величины +220  МПа (схема JOE) и  +150  МПа (схема UOE), что составляет (0,3 – 0,4)σт тогда как  в металле трубы  σост  =  +40…45  МПа.  Численные расчеты по методу конечных элементов (МКЭ) модели значений овальности трубы после экспандирования при различных начальных геометрических размерах сформованных листовых заготовок подтверждаются данными физического измерения геометрических размеров  на установке автоматического контроля. По результатам моделирования  установлено, что для строительства подводного  газопровода, согласно  нормативной документации, требуемая  геометрическая форма трубы и  точность размеров внутреннего диаметра ТБД достигается при экспандировании заготовки с величиной овальности не более 5 мм. При этом обеспечивается качественная сборка и  сварка кромок соединяемых труб   в линии трубопровода. Приведенные результаты компьютерного моделирования по МКЭ модели напряженно-деформированного состояния пластического формоизменения заготовки-трубы при изготовлении по схеме JOE необходимо учитывать при расчете технологических параметров  формовки трубной заготовки, калибровке инструмента и режимов настройки прессового оборудования.
713-719 148
Аннотация
Методом электронного микроанализа установлено, что в железных рудах кристаллы магнетита в зависимости от температурновременных условий природного рудообразования имеют различную микроструктуру. Так в составе осадочно-метаморфических железистых кварцитов и магматических скарнов кристаллы магнетита имеют гомогенное строение и по составу близки к стехиометрии. В  составе руд месторождения Ковдор кристаллы магнетита имеют гетерогенное строение, в матрице которых изоморфные примеси Al, Mg,  Ti и др. существуют в виде отдельных шпинельных микрофаз. При восстановлении кристаллов магнетита в условиях, близких к агломерационным, установлено, что в процессе агломерации кристаллы гетерогенного строения разрушаются с образованием двух рудных фаз:  твердых растворов магнетита и вюстита, не участвующих в процессах жидкофазного упрочнения агломератов. На заключительном этапе  производства офлюсованных агломератов в составе готовой продукции на месте расплава образуются кальций-кремнистые силикатные  связки мелилитового состава, обладающие низкими прочностными свойствами. В соответствии с результатами настоящего исследования  предлагается при оценке железорудных месторождений обращать внимание не только на содержание в рудах оксидов железа и кремния,  но и на структурные особенности кристаллов самого магнетита, поскольку именно железо магнетита определяет направление расплавообразования при производстве техногенного сырья.

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

720-725 126
Аннотация
На крупных металлургических предприятиях сжатый воздух производится на ТЭЦ-ПВС – комбинированных электрических и  паровоздуходувных станциях, вырабатывающих электроэнергию, тепло и сжатый воздух для нужд производства. Электроэнергия и тепло  производятся на паротурбинных установках теплофикационного типа. Для сжатия воздуха, как правило, применяются одноступенчатые и  двухступенчатые компрессоры с паротурбинным приводом. При использовании двухступенчатых компрессоров охлаждение воздуха для  снижения энергетических затрат обычно применяется только перед второй ступенью. Для этого используются теплообменники, хладоносителем в которых является вода. Понижение температуры воды после теплообменников происходит в обычных градирнях атмосферным  воздухом. В первую ступень компрессора воздух поступает с температурой окружающей среды. При использовании такой системы температура охлажденного воздуха перед ступенями компрессора зависит, прежде всего, от температуры окружающей среды, что достаточно  часто не дает возможности снизить температуру воздуха перед ступенями компрессора до желаемых величин, особенно, в летнее время.  В  работе приводится схема установки на комбинированной паровоздуходувной и электрической станции металлургического предприятия,  в которой дополнительно используется работающий в режиме холодильной машины абсорбционный термотрансформатор (АбТТ). Для  привода АбТТ потребляется отборный пар энергетической турбины. В предложенной схеме АбТТ предназначен для понижения температуры воздуха на входе и в первую, и во вторую ступени компрессора. Проведена оценка термодинамической эффективности вновь разработанной схемы. В качестве критерия эффективности принят общий расход топлива на ТЭЦ-ПВС при прочих неизменных показателях.  Предложены зависимости для определения изменения общего расхода топлива на выработку электроэнергии, тепла и сжатого воздуха в  схеме с АбТТ по сравнению с исходной схемой. Проведенная оценка показала, что использование АбТТ позволяет при снижении температуры воздуха перед ступенями компрессора на 10 °С уменьшить суммарный расход условного топлива на 0,15 т у.т./ч.
726-731 118
Аннотация
В работе отмечается, что развитие промышленности будет осуществляться в рамках государственной программы, согласно которой предусматривается развитие промышленных предприятий, в том числе предприятий металлургического цикла. Такие предприятия  представляют собой комплексные хозяйства и объединения различного масштаба, продукция которых имеет важное стратегическое значение. Для надежного функционирования металлургических предприятий требуется адекватная система электроснабжения, обладающая  высокой энергоэффективностью и минимально возможной энергоемкостью. Большинство приемников металлургических производств  относятся к первой категории надежности электроснабжения, что предъявляет высокие требования к их системам электроснабжения. Рассмотрены системы электроснабжения металлургических предприятий. Показано, что на систему электроснабжения могут воздействовать  различные негативные факторы, в том числе коммутационные перенапряжения. Такие перенапряжения могут иметь высокочастотный  характер и возникают при срабатывании вакуумных выключателей. Их появление обусловлено механизмом гашения дуги в вакууме (повторные зажигания дуги, срез тока, эскалация напряжения). Перенапряжения снижают уровень надежности систем электроснабжения,  что может привести к длительному отключению ответственных потребителей. Наиболее уязвимыми к перенапряжениям элементами систем электроснабжения являются электродвигатели, изоляция которых обладает наименьшим запасом электрической прочности. Типовые  средства защиты (разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений, искровые промежутки) малоэффективны для ограничения перенапряжений, имеющих высокочастотный характер. Для ограничения перенапряжений подобного рода все большее применение находят  защитные RC-цепочки. Однако их применение должно сопровождаться достаточно точным моделированием, так как неправильный выбор  их параметров может привести в некоторых случаях даже к ухудшению процесса коммутации. Все это обуславливает важность задачи  выбора оптимальных параметров защитных RC-цепочек и схем их соединения. Выявлена типовая схема электропитания и проведено  моделирование коммутационных перенапряжений, возникающих в подобной схеме. Для построения модели фрагмента системы электроснабжения применялся пакет Mathlab. При создании модели использовались как уже известные положения, так и впервые предложенные  авторами, что обеспечило модели большую точность. Полученные результаты представлены в виде осциллограмм и осуществлено сравнение экспериментальных и расчетных данных. Относительная погрешность результатов составила менее 5 %. Даны рекомендации по  построению рациональных систем электроснабжения металлургических предприятий, позволяющие снизить негативные возмущения,  действующие на такие системы.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

732-738 140
Аннотация
В практике металловедения для анализа фазовых и структурных превращений значительное применение находят методы, основанные  на измерении магнитных характеристик металлических объектов. В этих методах используются измерения коэрцитивной силы, точки Кюри,  анализ частотной зависимости магнитных свойств, эффектов Баркгаузена. В данной работе применена методика, основанная на изменении  магнитной проницаемости образца при его непрерывном охлаждении от температуры выше температуры Кюри (Тс ) и до температур начала  и конца мартенситного превращения Мн и Мк . Суть метода состоит в измерении частоты колебаний электрического контура, построен ного  на цепочке L (катушка индуктивности, она же измерительная катушка) – С (конденсатор). В измерительную катушку помещался образец и  начинал играть роль сердечника. Для наблюдения эффектов, связанных с фазовыми превращениями, образец предварительно разогревался  и затем быстро перемещался в катушку. Основные эффекты были связаны с переходом через точку Кюри феррита, а также с распадом аустенита по мартенситному механизму. Измерительная схема позволила зафиксировать температуру Кюри феррита для различных сталей,  равную 580 – 780 °С с точностью до 5  °С, при этом интервал мартенситного превращения имел протяженность не менее 100  °С. Было показано, что методика магнитометрического анализа, основанная на изменении магнитного состояния образца в районе температуры Кюри его  ферромагнитных фаз, позволяет определять содержание δ-феррита в смешанной структуре (мартенсит + δ-феррит) при различной его морфологии, что не всегда возможно сделать методами металлографических наблюдений. Магнитометрический анализ образцов, подвергнутых  первичной высокотемпературной закалке и последующим нагревам на более низкие температуры с охлаждением в измерительной катушке  установки, позволил определить температуры Ас1 и Ас3 изучаемых сталей, которые находились в интервале 760  –  1020  °С. Определение  температуры Ас1 для стали 15Х13Г5НМВФР (780  ÷  790  °С) позволило назначить температуру ее отпуска пос ле закалки, равную 780 °С,  максимально приближенную к температуре Ас1 . В результате удалось уменьшить темп снижения твердости при последующем длительном  (до 3000 ч) старении этой стали при 720 °С. Разработанная методика определения температур Ас1 и Ас3 сталей является дополняющей к аналогичным методикам, основанным на измерениях термических, дилатометрических и механических характеристик и позволяет принимать  более мотивированное решение о положении указанных температур. Предлагаемая методология с ее аппаратурным исполнением применима  только к тем сталям, где аустенит обладает большой устойчивостью по отношению к процессам распада по диффузионному механизму при  его переохлаждении, но претерпевает полное превращение по мартенситному механизму по достижении точек Мн и Мк (это означает, что  время инкубационного периода на уровне «носа» С-образной кривой его распада должно быть не менее 5 мин). Для остальных сталей, в том  числе аустенитных, углеродистых и типичных малолегированных машиностроительных эта методика неприменима.
739-744 123
Аннотация

Проанализировано распределение сталей различного класса прочности по сопротивлению деформации. При этом принимается во  внимание, что в термодинамическом аспекте процесс деформации представляется диссипативным эффектом: имеет мес  то переход части  кинетической энергии внешнего механического воздействия во внутреннюю энергию деформируемого металла с формированием определенной дислокационной структуры. В связи с этим предложены энергетические критерии деформируемости металла, определяемые  в  стандартном испытании на растяжение. Основу этих критериев составляет работа деформирования, определяемая площадью диаграммы  растяжения. При этом поглощенная энергия определяет удельную работу деформации, а темп поглощения энергии – сопротивление металла деформированию (податливость пластической деформации). Проведена количественная оценка проявления эффекта диссипации с  сопоставлением значений удельных работ и критериев податливости. Исследование выполняли с использованием стандартных испытаний  на растяжение образцов, изготовленных из сталей с различной прочностью, достигаемой за счет как химического состава (легирование),  так и термической обработки, и применяемых для изготовления изделий различного конструкционного назначения. При этом в выбранной  совокупности сталей диапазон предела текучести составлял 210  –  1660  МПа, временного сопротивления 840  –  1940  МПа. В результате  установлено, что удельная работа сосредоточенной деформации на порядок превышает удельную работу равномерной деформации. Критерии податливости сосредоточенной деформации заметно ниже критериев податливости равномерной деформации, притом, что между  ними наблюдается заметная корреляция. Пос леднее можно рассматривать как проявление структурной эволюции металла на обеих стадиях его деформирования, при которой в процессе самоорганизации диссипативной системы, каким является деформируемый металл,  плотность дислокаций служит внут ренним параметром, управляющим эволюционным превращением. Установлена корреляционная связь  критериев податливости с показателями предельных напряжений при равномерном деформировании и разрушении. Таким образом, проведено ранжирование различных по прочности сталей по энергии, поглощаемой при деформации. В прикладном аспекте численные значения удельной работы и критерия податливости полезно использовать для прогнозирования поведения при механическом воздействии в  эксплуатации и механической обработке сталей различного класса прочности.

745-751 146
Аннотация
В настоящей работе проведено исследование износостойкости режущих элементов PCD марки GES 1313 фирмы Е6 в виде цилиндров диаметром 13,44  мм и высотой 13  мм при резании гранита и абразивных кругов методом токарной обработки при различных скоростях, определена оптимальная скорость резания, получены сравнительные данные по резанию Мансуровского гранита и абразивных кругов  марки 64С (SiC) с целью  разработки рекомендаций по условиям испытания PCD режущих элементов. За характеристики износостойкости  принимали отношение убыли объема алмазного слоя к объему снятого обрабатываемого материала или количество снятого обрабатываемого материала при одинаковой степени износа режущего элемента. В первом случае износостойкость оценивалась в относительных единицах, во втором случае в см3 по отношению износу задней поверхности в мм. При резании гранита скорость резания изменяли от 80 до 320  м/мин, при резании абразивных кругов скорость резания составляла 500 м/мин. Для расчета объема PCD режущих элементов в программе  «Компас 3D» были построены 3D модели их изношенных частей, а также градуировочный график зависимости объема от площадки износа  по задней режущей поверхности PCD. Угол резания составлял  –22°. Показано, что изменение объемов изношенной части PCD при изменении углов резания от –20 до –25° меньше точности измерения площадки износа до значения износа 0,8  мм. Установлено, что увеличение  скорости с 80 до 160 м/мин при резании гранита приводит к снижению износостойкости режущих элементов PCD в 12 раз. Относительный  объемный износ PCD резцов при резании гранита составляет (0,01 – 0,02)·10–6, что в 20 раз меньше, чем при резании абразивных кругов  марки 64С. Относительная износостойкость PCD резцов при резании абразивных кругов марки 64С не зависит от степени затупления по  задней поверхности до значений 1,4 мм. Данная методика может быть  рекомендована в качестве экспресс метода определения износостойкости PCD. Реализованный метод расчета объема с помощью программы «Компас 3D» или аналогичных инженерных программ изношенной части PCD может быть применен для оценки относительной износостойкости абразивных и режущих материалов.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

752-758 143
Аннотация
Используя программный комплекс HSC 6.1 Chemistry (Outokumpu) в совокупности с применением симплекс-решетчатого планирования, проведено термодинамическое моделирование равновесного распределения бора между железом, содержащим 0,2  %  C, 0,35  %  Si,  0,028  %  Al (в данном выражении и далее по тексту указаны % по массе), и шлаком системы СаО – SiO2 – Аl2O3 – 8 % МgO – 4 % В2O3 в  широком диапазоне химического состава при температурах 1550 и 1600 °С. Для каждой температуры получены адекватные математические модели в виде приведенного полинома III степени, описывающие равновесное распределение бора между шлаком и металлом в зависимости от состава шлака. Результаты математического моделирования представлены графически в виде диаграмм состав – равновесное  распределение бора. Отмечено заметное влияние основности шлака на коэффициент распределения бора. Так, повышение основности  шлака c 5 до 8 при температуре 1550 °С приводит к уменьшению коэффициента распределения бора с 160 до 120 и, как следствие, повышению содержания бора в металле с 0,021 % при LB = 159 до 0,026 % при LB = 121, т. е. рост основности шлака благоприятно сказывается на  развитии процесса восстановления бора. Положительное влияние основности формируемых шлаков в изучаемом диапазоне химического  состава на процесс восстановления бора объясняется с позиции фазового состава шлака и термодинамики реакций восстановления бора.  Рост температуры металла отрицательно сказывается на восстановлении бора. С повышением температуры до 1600 °С увеличивается в  среднем на 10 единиц равновесный коэффициент распределения бора. На диаграммах выделены области химического состава шлаков,  содержащих 53  –  58  % CaO, 8,5 – 10,5 % SiO2 и 20 – 27 % Al2O3 , обеспечивающих в интервале температур 1550 и 1600 °С коэффициенты  распределения бора на уровне 140 – 170 и позволяющие ожидать при содержании 4 % B2O3 в исходном шлаке концентрацию бора в металле на уровне 0,020  % при LB = 168 и 0,023 % при LB = 139.
759-765 132
Аннотация

 Проведено термодинамическое моделирование химических и фазовых превращений в системе окисленная марганцевая руда  –  углерод. Термодинамическое прогнозирование моделирования химических и фазовых превращений в системе проводилось с помощью многоцелевого программного комплекса, предназначенного для моделирования равновесных состояний и процессов в высокотемпературных  системах с химическими и фазовыми превращениями «Астра 4», разработанного в МГТУ им. Баумана. Расчеты состава фаз и характеристик равновесия проводились с использованием справочной базы данных по свойствам индивидуальных веществ. Основу информации в  базе данных программного комплекса «Астра 4» составляют термодинамические, теплофизические и термохимические свойства индивидуальных веществ, которые были систематизированны в Институте высоких температур АН СССР, в национальном бюро стандартов  США, опубликованные в периодической печати, монографиях, справочниках, а также обработанные и рассчитанные в МГТУ им. Н.Э.  Баумана. Изучение моделирования химических и фазовых превращений в системе проводилось в температурном интервале 1573  –  2573  К с  содержанием углерода в системе 5  –  10  –  15  % и давлении 0,1  МПа. В ходе моделирования было установлено, что максимальная степень  перехода марганца в kMn5Si3 до 95,3 при Т = 1873 К и 30  %-ном содержании восстановителя в системе. При дальнейшем увеличении  температуры марганец начинает переходить в газовую фазу. Кремний, в сравнении с марганцем, восстанавливается более трудно, и с увеличением температуры начинает переходить в газовую фазу. Наиболее оптимальный температурный интервал восстановления кремния  1773  –  1873  К с содержанием восстановителя в системе от 15 до 30 %. Степень перехода железа (αFe ,  %) в условиях системы в зависимости  от температуры и содержания восстановителя позволила определить оптимальный температурный интервал 1773  –  1873  К при содержании восстановителя 15  %. Проведенное термодинамическое моделирование фазовых переходов системы марганцевая руда – восстановитель позволило проанализировать возможность получения ферросиликомарганца из труднообогатимых окисленных марганцевых руд  месторождения Западный Камыс путем их электроплавки. 

В ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИ

766-769 90
Аннотация

Обнаружены игольчатые образования в конденсате, полученном при нагреве оцинкованной стали в плазменно-дуговой печи постоянного тока с графитовым катодом в атмосфере аргоне. Результаты анализа показали, что ведущей фазой в них является оксид цинка ZnO  в форме наноигл (игольчатых кристаллов).



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