Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 60, № 11 (2017)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-11

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

857-862 180
Аннотация
Представлены результаты исследования возможности использования отходов огнеупорных материалов, шлаков электросталеплавильного производства, отходов вскрышных пород в качестве техногенного сырья для изготовления огнеупорных материалов, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 390-96 «Изделия огнеупорные шамотные и полукислые общего назначения и массового производства». В  качестве вяжущего применялась водная керамическая вяжущая суспензия (ВКВС), полученная механической активацией микрокремнеземистой пыли в щелочной среде с рН  =  11  –  12. В качестве добавки, увеличивающей термостойкость огнеупорных материалов, использовался саморассыпающийся сталеплавильный шлак, характеризующийся повышенным (до 70  %) содержанием силикатов кальция γ-2СаО·SiO2 . В качестве пластифицирующей добавки применялась огнеупорная глина вскрышных пород с показателем пластичности 21  –  29, огнеупорностью 1450 °С. В основу получения огнеупорных материалов на основе техногенного сырья была положена технология керамобетона с «плавающим» каркасом. Полученные материалы подвергались двухступенчатой сушке при температурах 60 – 70 и 120  –  130  °С, обжиг изделий отсутствовал. Исследовано влияние содержания шлака в шихте и гранулометрического состава огнеупорного заполнителя на качественные показатели изделий. Установлено, что увеличение доли шлака в шихте способствует росту термостойкости огнеупоров на 55 – 72 %. В тоже время при содержании шлака более 20 % (по массе) прочность огнеупорных материалов снижается на 20  –  30  %. Гранулометрический состав заполнителя оказывает влияние на прочностные характеристики материала, однако при содержании шлака более 10 % (по массе) это влияние нивелируется. Установлены оптимальные составы шихт и способы формообразования, обеспечивающие получение высококачественных огнеупорных материалов на основе техногенного сырья. Методом сухого прессования получены шамотные огнеупорные изделия марок ШБ (открытая пористость 24 %, прочность на сжатие 25 МПа, огнеупорность 1680  °С). Методом виброуплотнения с использованием глины вскрыши получены огнеупоры, соответствующие марке ШВ (открытая пористость 26  %, прочность на сжатие 18 МПа, огнеупорность 1660 °С). Огнеупорные материалы на основе техногенного сырья могут быть рекомендованы для использования в качестве альтернативных материалов для футеровки различных типов тепловых агрегатов и элементов их конструкций в литейно-металлургическом производстве с максимальной температурой применения 1250 °С.
863-869 144
Аннотация
Рассмотрены требования, которым должен удовлетворять сталеплавильный агрегат для переработки некачественной шихты и металлсодержащих отходов с высоким содержанием вредных примесей и обоснована целесообразность использования для него в качестве прототипа кислородного конвертера с вращающимся корпусом. С целью повышения эффективности работы такого конвертера предложено снабдить его системой газодинамической отсечки конечного технологического шлака, функционирующей в автоматическом режиме во время слива стали в разливочный ковш. Предлагаемая система конструктивно представляет собой сдвоенный рычажный механизм, обеспечивающий во время перелива металла в ковш через край горловины кислородного конвертера удержание на постоянном удалении от нее газораспределительной камеры с щелевыми соплами, из которых под избыточным давлением истекают плоские струи газа, направленные под заданным углом атаки к поверхности шлакового расплава, покрывающего сливаемую сталь. Благодаря динамическому воздействию этих струй на слой жидкого шлака, он оттесняется от края горловины наклоненного корпуса конвертера в направлении его донной части, т.  е. удерживается в ванне плавильного агрегата. Синхронное движение структурных элементов рычажного механизма с торцевой частью горловины конвертера достигается путем силового взаимодействия упоров, жестко закрепленных на опорном кольце плавильного агрегата, с поворотными коромыслами, кинетически связанными с газораспределительной камерой. При этом включение в работу газодинамической системы отсечки шлака и ее остановка происходят автоматически посредством механической связи. После окончания выпуска стали шлак сливают в чашу, поворачивая корпус конвертера в обратную сторону от сталеразливочного ковша. Результаты экспериментальной проверки функционирования предложенной системы газодинамической отсечки конвертерного шлака, выполненной на действующей ее модели, подтвердили правильность принятых технических решений. Применение на практике данной разработки позволит в значительной мере снизить материальные потери, связанные с попаданием в разливочный ковш большого количества агрессивного конвертерного шлака (угар раскислителей и лигатур, интенсивный износ огнеупорной футеровки и возможность рефосфорации металла).
870-876 158
Аннотация
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. Так, основной проблемой при изготовлении из калиброванного металла маложестких деталей типа валов является наличие в материале значительного уровня и неравномерного распределения остаточных напряжений, появление которых в значительной мере обусловлено технологическими причинами. 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 математического планирования многофакторных экспериментов, на основе которой выявлены основные параметры процесса калибровки, влияющие на формирование технологических остаточных напряжений. Установлено влияние степени относительного обжатия, угла рабочего конуса и длины калибрующей зоны рабочего инструмента на величину и характер распределения осевых, тангенциальных и радиальных остаточных напряжений. Установлено, например, что наибольшую величину растягивающие тангенциальные напряжения имеют при степени относительного обжатии 23 %, рабочем угле волоки 18°, скорости калибровки 2,5  мм/с и наихудших условиях смазки. Следует отметить неоднозначную зависимость компонентов остаточных напряжений от параметров процесса. Так, при увеличении степени относительного обжатия тангенциалные остаточные напряжения возрастают, а осевые снижаются. С увеличением обжатия от 5 до 34 % тангенциальные остаточные напряжения возрастают в 2,5 раза, а осевые уменьшаются на 13  %. Установлено также, что на осевые напряжения большее влияние оказывает угол рабочего конуса волоки, а на тангенциальные  – степень относительного обжатия. В диапазоне углов рабочего конуса волоки от 8 до 24° характер остаточных напряжений по сечению прутка не изменяется. С увеличением длины калибрующей зоны волоки значения компонент тензора остаточных напряжений существенно снижаются. Увеличение длины калибрующей зоны является эффективным средством для снижения остаточных напряжений в калиброванных прутках. Глубина распространения остаточных напряжений растяжения не является величиной постоянной и зависит от режимов калибровки.
877-882 162
Аннотация
Путем применения дополнительной искомой функции и дополнительных граничных условий в интегральном методе теплового баланса получено точное аналитическое решение задачи теплопроводности для полубесконечной пластины при симметричных граничных условиях первого рода с равномерно распределенным источником теплоты. Введение дополнительной искомой функции, представляющей изменение температуры во времени в центре пластины, основывается на описываемой параболическим уравнением теплопроводности бесконечной скорости распространения теплоты, согласно которой температура в любой точке пластины начинает изменяться сразу после приложения граничного условия первого рода на ее поверхности. Дополнительные граничные условия находятся так, чтобы их выполнение искомым решением было эквивалентно выполнению уравнения краевой задачи в граничных точках. При их нахождении используется дифференциальное уравнение и заданные граничные условия. Приведенные общие формулы позволяют найти дополнительные граничные условия для любого числа приближений. Показано, что выполнение уравнения в граничных точках приводит к его выполнению и внутри области с точностью, зависящей от числа приближений (числа дополнительных граничных условий). Использование интегрального метода теплового баланса позволяет свести решение уравнения в частных производных к интегрированию обыкновенного уравнения относительно дополнительной искомой функции. Отсутствие необходимости интегрирования исходного уравнения по пространственной переменной позволяет использовать данный метод при решении многих сложных краевых задач (нелинейных, с переменными коэффициентами и др.), для которых затруднительно получить решение с помощью классических точных аналитических методов. Используя найденное аналитическое решение, а также результаты изменения температуры во времени в одной из точек пластины, полученные методом конечных разностей, путем решения обратной задачи теплопроводности восстановлена мощность внутреннего источника теплоты. Результаты работы могут быть использованы для идентификации источников теплоты, возникающих при воздействии электромагнитных волн, высокочастотных колебаний и прочее, а также при плавлении или кристаллизации сплавов, сопровождающихся возникновением внутренних источников теплоты.
883-890 156
Аннотация
Для обеспечения наименьших затрат на изготовление деталей с заданными эксплуатационными свойствами в условиях современного машиностроительного производства необходимо оптимизировать процессы механической обработки, где более 70 % занимает лезвийная обработка резанием. Эту проблему можно решить путем разработки и применения современных инструментальных материалов, обладающих уникальными свойствами. Анализ технологических особенностей изготовления деталей в машиностроении, в частности деталей силовой части газотурбинных двигателей, показал необходимость повышения качества обработанной поверхности этих деталей и эффективности использования современного дорогостоящего оборудования, оснащенного системами числового программного управления и адаптивными системами управления, обеспечивающего широкий диапазон изменения элементов режима резания, вплоть до высокоскоростного. Для выпуска конкурентоспособной продукции как на внутреннем рынке, так и за его пределами, необходимо проведение комплекса мероприятий по оптимизации лезвийной обработки резанием, где наиболее слабым звеном технологической цепочки является режущий инструмент, что отрицательно влияет как на производительность, так и на качество обработанных деталей. В работе представлены результаты исследования особенностей износа режущих инструментов, изготовленных путем спекания порошков на основе быстрорежущей стали. Показано, что порошковые инструментальные материалы на основе быстрорежущей стали, дополнительно легированные карбидом титана (карбидосталь), обладают высокой износостойкостью и их можно классифицировать как новый класс самоорганизующихся инструментальных материалов. Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности проведения дополнительного легирования с помощью следующих двух способов воздействия на трение и износ инструментов. Первый – это легирование с помощью соединения, которое позволяет достичь значительного снижения уровня самоорганизации в результате уменьшения коэффициента трения при рабочих температурах. Второй способ – это легирование, которое дает возможность расширять интервал самоорганизации. Применение обоих способов сопровождается переходом к трению с меньшим усилием и тепловой нагрузкой, что подтверждается изменением в износостойкости и триботехнических характеристиках. Как показали исследования, износостойкость такого инструмента в 2 – 3,5 раза выше износостойкости обычных инструментов из быстрорежущей стали.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

891-896 158
Аннотация
Скорость диффузии железа в аустенитных сталях является одним из основных факторов, определяющих распухание конструкционного материала узлов и деталей активной зоны быстрого ядерного реактора. Поскольку коэффициент диффузии железа существенно зависит от химического состава сталей и сплавов на основе железа, то в настоящее время задача его моделирования является весьма актуальной. Из литературных источников сформирован массив экспериментальных данных о диффузии в сталях и сплавах, содержащих различные комбинации C, Si, Cr, Ni, Mn, Mo, Nb, Ti, V, W, Al, Pb, Bi, Sn, Sb в диапазоне температур 1023  –  1666  К. Для корректной аппроксимации диффузии железа использовалась искусственная нейронная сеть в виде четырехслойного перцептрона с числом узлов по слоям 49:10:17:1. Разработанная нейросетевая модель тестировалась на независимых экспериментальных данных и показала удовлетворительные статистические характеристики, что говорит о ее адекватности. Расчеты коэффициента диффузии железа в чистом железе и  сталях ЧС68 и ЭК164 показывают более высокий коэффициент диффузии в сталях, чем в чистом железе. При помощи модели рассчитаны коэффициенты диффузии оболочек двух тепловыделяющих элементов, изготовленных из стали ЭК164-ИД х.д., облученных в реакторе на быстрых нейтронах БН-600 при различных температурах и повреждающих дозах в предположении их максимального и минимального легирования. Расчеты показали, что в стали, содержащей минимальное количество химических элементов, скорость диффузии ниже, чем в стали с максимальным легированием, а распухание обратно пропорционально коэффициенту диффузии железа в стали ЭК164-ИД х.д. На основе этих данных получено линейное в логарифмах регрессионное уравнение распухания стали S в зависимости от температуры T, повреждающей дозы D и коэффициента диффузии железа DFe : lnS = –340,511 + 0,036 lnD + 42,64lnT – 1,558lnDFe , где D измеряется в сна; Т – в градусах Цельсия; DFe – в м2 /с; S – в %. Диапазон изменения температуры 435 – 515 °С, повреждающей дозы 57 – 76 сна.
897-903 263
Аннотация
В последние годы улучшение механических свойств и характеристик металлов является одной из основных проблем в материаловедении и, особенно, в металлургическом производстве. Как правило, процесс легирования традиционно используется для улучшения свойств и характеристик металлов. В последнее время для производства композитных материалов с улучшенными свойствами применяется нанотехнологический подход. Однако данная работа описывает другой метод, в котором различные наночастицы используются в качестве модификаторов в процессе литья металла. Влияние этих наноматериалов исследовано на гипоэвтектическом литейном алюминиевом сплаве и чистой меди. Испытания на прочность и на растяжение показали, что пластичность алюминия улучшилась, а прочность осталась неизменной. В частности, добавление до 0,1  % (по массе) керамических наночастиц увеличивает удлинение металлов при разрушении на 20 – 60 %. Механизм упрочнения, предложенный для этого процесса, был оценен путем применения электронной микроскопии с высокой разрешающей способностью (HR-TEM). Исследования HR-TEM, вместе с результатами испытаний механических свойств, привели к гипотезе о том, что в этом процессе работает механизм упрочнения зерна. В этом механизме упрочнение металла происходит из-за высокой концентрации границ зерен, которые блокируют движение дислокаций. Результаты, полученные при модификации меди, показали улучшение прочности металла одновременно с пластичностью. Такое поведение было получено после добавления многослойных углеродных нанотрубок (MWCNT) и наночастиц TiN до 0,1  % (по массе). Дальнейшее применение описанного подхода может привести к его внедрению в литейную промышленность, превратив ее в экономически выгодную.
904-909 190
Аннотация
В работе рассмотрены основные факторы, которые влияют на износостойкость высокомарганцевой стали, а также представлен обзор отечественных и зарубежных научных трудов, посвященных изучению этой проблемы. Сделаны выводы по материалам, представленным в изученных работах, а также сформулирована цель исследований, имеющих большую актуальность для промышленных предприятий, производящих и эксплуатирующих детали из стали Гадфильда. Рассмотрены материалы, использованные для обработки жидкой стали, технология получения экспериментальных изделий из высокомарганцевой стали, химический состав сплава, взятый за базу, методика и оборудование, применяющееся для определения скорости охлаждения сплавов в литейной форме, а также для изучения износостойкости в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания, закалки и термического анализа. Представлены результаты исследований по легированию стали Гадфильда азотированными ферросплавами и комплексной лигатурой. Графически показаны зависимости коэффициентов абразивной и ударно-абразивной износостойкости при реализации различных схем легирования исследуемой стали выбранными материалами. Кроме этого, представлены результаты влияния использованных легирующих элементов на износостойкость высокомарганцевой стали при реализации различных условий изнашивания. Установлены концентрации легирующих элементов, при которых коэффициент абразивной и ударно-абразивной износостойкости имеет максимальное значение. Кроме того, приведены результаты термического анализа. Изучены процессы, протекающие при нагреве отливок из стали Гадфильда под закалку. Установлены температурные интервалы протекания таких процессов, как выделение избыточных фаз, растворение легированного цементита в аустените, полное растворение фосфидной эвтектики и карбидов легирующих элементов. Также определены температурные границы протекания процессов окисления стали и ее обезуглероживания. По результатам проведенных исследований даны некоторые рекомендации по увеличению износостойкости отливок из высокомарганцевой стали для различных условий эксплуатации и выбору температур для проведения термической обработки этих изделий.
910-918 180
Аннотация
Методом ориентационной микроскопии (EBSD) были исследованы структурно-текстурные состояния малоуглеродистой низколегированной трубной стали марки, близкой к 06Г2МБ, после контролируемой термомеханической обработки (thermo-mechanical controlled processing – TMCP) и термических обработок: нагрев до 1000 °C c последующими закалкой в воду, изотермической закалкой с выдержкой при 300  °C и медленным охлаждением в печи. Все термические обработки включали двойную фазовую перекристаллизацию: α  →  γ  →  αн , где αн – мартенсит, бейнит или феррит соответственно. Текстура, полученная после TMCP, была сформирована в основном двумя сильными рассеянными ориентировками из {112}<110> и двумя более слабыми рассеянными ориентировками, близкими к {110}<223>. Показано, что, несмотря на двойную фазовую перекристаллизацию, основные кристаллографические ориентировки бейнита после TMCP и после изотермической закалки совпадают. Это свидетельствует о наличии в материале некого механизма структурно-текстурной наследственности. Полученные в результате других термических обработок структуры, как мартенсит, так и феррит, также характеризовались наличием сложных многокомпонентных, но при этом четко выраженных текстур. Часть основных текстурных компонент мартенсита и феррита совпадали с бейнитными. Для всех структур после различных термических обработок общим является характер спектра высокоугловых границ с наиболее выраженными границами решетки совпадающих узлов (РСУ): Σ3, Σ11, Σ25b, Σ33с Σ41с. Показано, что ориентировки, составляющие текстуры всех полученных структур, связаны с основными ориентациями деформированных аустенитных зерен, сформированных в результате горячей прокатки при TMCP, ориентационными соотношениями (ОС), промежуточными между ОС Курдюмова-Закса и ОС Нишиямы-Вассермана. Во всех случаях факт ориентационной связи компонент текстур исходного состояния материала и структур, полученных в результате термических обработок, объяснен началом реализации фазовых превращений (как сдвиговых, так и диффузионных) на кристаллографически обусловленных (в том числе специальных) границах, близких к границам РСУ Σ3 и Σ11.
919-924 180
Аннотация
Для выполнения одной из важных задач России – освоения Арктики необходимо создание экономичных высокопрочных хладостойких сталей. Исследования показали, что для достижения этих целей необходимо создание механизма управления структурой, конечной целью которого является формирование квазиизотропной фрагментированной структуры в объеме металла, измельченной вплоть до наноуровня. Наиболее сильное воздействие на формирование мелкозернистой структуры оказывает интенсивная пластическая деформация в комбинации с рекристаллизацией и фазовыми превращениями. Для подтверждения теоретических и экспериментальных предпосылок были выполнены исследования на пластометре Gleeble-3800 и прокатном стане Кварто-800. Эксперименты проведены на плавках опытных сталей с углеродным эквивалентом Сэкв = 0,44 – 0,87 %. При моделировании технологических процессов на пластометре Gleeble-3800 деформация сжатием проводилась в две стадии – черновой при 1100 – 1080 °C и чистовой при 950 и 820 °C, что имитировало цикл деформации на промышленных станах Кварто-5000. Установлено, что зерно в стали измельчалось от 6,5 до 2,2 мкм после деформации 950  °C и до 1,1  мкм – при 810 °C. В структуре стали фиксировалось 20 – 37 % фрагментов размером менее 500 нм. В стали с Сэкв  =  0,44  –  0,65  % предел текучести изменялся от 500 до 700 МПа, что на 40 % превышало уровень стандартных значений. В стали с Сэкв  =  0,65  –  0,87  % предел текучести возрастал от 700 до 1150 МПа. Это значение прочности достигалось при повышении содержания никеля в стали до 3  %, при дальнейшем повышении его концентрации предел текучести не повышался. После прокатки на стане Кварто-800 стали с Сэкв  = 0,60  –  0,87 % за один проход с деформацией 70  % при температуре 1100 °С и непосредственной закалки с последующим отпуском при 600  °C достигнут предел текучести 1060 МПа. При этом влияние содержания никеля и изменения Сэкв в указанных пределах на упрочнение стали незначительно. Структура стали представляет бейнит со средним размером зерна 8,3 – 6,9 мкм с большой плотностью дислокаций (1  –  2)·1015 м–2 и большой степенью фрагментации внутри зерен. На базе новой технологии создана группа хладостойких сталей с пределом текучести 270  –  690  МПа с Сэкв = 0,32 – 0,65 % в толщинах до 130 мм и рабочими температурами до – 60 °C. Эти стали применяли для строительства атомных ледоколов, судов ледового класса, стационарных и плавучих буровых платформ для разведки и добычи углеводородов на арктическом шельфе России. Выполненные работы показывают возможность создания конструкционных сталей с существенно более низким (на 20 – 30 %) уровнем легирования по сравнению с аналогами, а также унификации химического состава сталей.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

925-931 163
Аннотация
Представлена математическая модель напряженно-деформированного состояния рулона в процессе смотки полосы с учетом совместного влияния неплоскостности, шероховатости поверхности и поперечной разнотолщинности (выпуклости профиля поперечного сечения). Напряженно-деформированное состояние рулона тонкой стальной полосы оказывает существенное влияние на распределение температуры в рулоне и образование окалины во время остывания при горячей прокатке, свариваемость витков при отжиге холоднокатаной полосы, форму самого рулона и т. п. В основе математической модели лежит представление рулона в качестве отдельных вложенных друг в друга полых цилиндров конечной длины. Цилиндры разбиваются на отдельные участки по ширине. Показано, что при этом сумма решений уравнения Ляме для отдельных участков сходится с решением для цилиндра в целом. Модель позволяет рассчитывать напряженно-деформированное состояние рулона с учетом образования зазора между соседними витками из-за поперечной разнотолщинности полосы. Показано распределение в рулоне радиальных и тангенциальных напряжений, сформированных при смотке полосы. Разработанная модель позволяет рассчитывать напряженно-деформированное состояние рулона при смотке ровной полосы, при смотке выпуклой ровной полосы без натяжения, при неплотной смотке выпуклой ровной полосы с натяжением, меньшим натяжения плотной смотки, при плотной смотке выпуклой ровной полосы с натяжением, обеспечивающим плотную смотку, а также при смотке выпуклой неровной полосы без натяжения. Расчет величины сближения контактирующих поверхностей с учетом шероховатости осуществляется на основе вероятностного подхода. Представлен алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния рулона. Показанное распределение напряжений в рулоне является характерным для смотки стальных полос. Проверена адекватность данной модели для случая смотки горячекатаной полосы по величине зоны плотного прижатия соседних витков. Плотность прижатия витков в рулоне оценивалась по цветам побежалости на кромках горячекатаной полосы. Расхождение между измеренной и расчетной зонами плотного прижатия составляет 3 %.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

932-934 133
Аннотация
Большие установки Mega Science относятся к области физики высоких энергий и астрофизики, но на этапах их проектирования и строительства возникает большое количество задач, в решение которых могут внести значительный вклад технические университеты в области материаловедения. На примере Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», являющегося участником двух проектов ЦЕРН – SHiP и LHCb, показано, что комплексный подход к участию университета в международных проектах Mega Science способствует его вовлечению в процесс поиска решений принципиально новых фундаментальных и прикладных научных задач, развития новых технологий, материалов и методик. Одновременно появляются возможности для разработки уникальных образовательных программ, создания передовых лабораторий, ориентированных на задачи, решаемые в рамках проектов Mega Science. Результатом успешного участия российского университета в таких проектах является повышение уровня его конкурентоспособности в глобальном научно-образовательном пространстве.
935 34
Аннотация
Заслуженному деятелю науки и техники РФ, акаде- мику Международной академии наук экологии и безопасности и жизнедеятельности (МАНЕБ), лауреату Премии Президента РФ в области образования, д.т.н., профессору Борису Степановичу Мастрюкову 14 сентября 2017 г. исполнилось 80 лет.


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