МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Производство кремния в руднотермических печах (РТП) карботермическим восстановлением кварцитов сопровождается образованием больших объемов пылевых выбросов, которые содержат значительное количество ценного кремнезема (в среднем 86 %). В связи с этим работы, посвященные расширению сырьевой базы за счет возврата этого техногенного сырья в технологический процесс, являются актуальными. Для использования в процессе выплавки кремния в РТП собираемой газоочистным оборудованием пыли, состоящей из частиц крупностью 120 мкм с преобладающей фракцией +20 – 50 мкм, необходимо применять ее предварительное окускование (для предотвращения возможного ее уноса из реакционной зоны технологическими газами). Поскольку при транспортировке и загрузке в РТП шихта, в том числе и окускованная, должна обладать достаточной прочностью, как связующее предложено использовать жидкое стекло с добавкой в качестве упрочняющего реагента пыли электрофильтров алюминиевого производства, содержащей смолистые вещества (полиароматические углеводороды). По результатам проведенных испытаний на прочность образцов окускованной шихты рекомендовано следующее соотношение компонентов в шихте: 24 – 27 % пыли кремниевого производства; 51 – 53 % углеродистого восстановителя (смеси нефтекокса и древесного угля в соотношении 1:1); 4 – 5 % отсева мелкофракционного кремния; 14 – 15 % связующего (жидкое стекло и пыль электрофильтров алюминиевого производства в соотношении 4:1) (по массе). При таком составе шихты коэффициент сопротивления сбрасыванию составил в среднем 82,5 %. В результате изучения физико-химических характеристик окускованных композиций, полученных по предлагаемой методике, установлено, что они обладают пористой структурой (45,5 %) для формирования у материала хорошо развитой активной поверхности и кажущейся плотностью (1100 кг/см3), что позволяет предполагать работу РТП в стабильном режиме при использовании окускованной шихты данного компонентного состава. Проведенные в высокотемпературной печи типа HTF 17/10 экспериментальные плавки с получением продукта, содержащего более 44 % (по массе) карбида кремния как обязательного промежуточного соединения в карботермическом процессе, позволяют рекомендовать окускованную по предлагаемой методике шихту при выбранном соотношении компонентов для использования в качестве добавки к основной (кусковой) шихте при производстве кремния карботермическим способом.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Критически важной при создании ERP-системы предприятия является первая очередь системы. Одновременное внедрение всех сервисов для всех бизнес-процессов предприятия, как правило, не представляется возможным или целесообразным по различным причинам: отсутствие достаточных ресурсов, трудности создания в короткие сроки необходимой технической инфраструктуры, большие риски радикальной перестройки действующей системы управления и др. Вследствие этого в функциональный объем первой очереди проекта включаются ИТ-сервисы, обеспечивающие эффективное функционирование наиболее взаимосвязанных бизнес-процессов. В работе приводятся математическая постановка и процедура решения задачи определения портфеля ИТ-сервисов, реализующих функции основных бизнес-процессов и составляющих функциональный объем первой очереди ERP-системы крупной металлургической компании. Постановка задачи учитывает три важных показателя эффективности ERP-проекта: размер бюджета проекта, количество связей между ИТ-сер- висами, составляющими функциональный объем проекта (его «интеграционное ядро»), количество унаследованных проектных решений из систем «лоскутной» компьютеризации, находящих применение в ERP-системе. Первый из этих показателей принят в качестве критерия задачи, остальные два – в качестве ее ограничений. В результате формализации рассматриваемая задача сводится к задаче целочисленного квадратичного программирования. Для решения задачи применен метод сетевого программирования в модификации, используемой для решения задач нелинейного программирования. Метод декомпозирует сложную исходную задачу на обобщенную двойственную задачу сетевого программирования и совокупность существенно более простых подзадач. Приведен пример решения исследуемой задачи, в кото- ром обобщенная двойственная задача сетевого программирования решена методом множителей Лагранжа, а отдельные подзадачи решены методом дихотомического программирования, который сводит решение подзадач к решению последовательности простых оценочных задач. Решение задачи формирования портфеля сервисов поставляет исходные данные для задачи календарного планирования реализации сервисов проектными группами, отвечающими за компьютеризацию отдельных бизнес-процессов предприятия.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Проведено термодинамическое моделирование процесса десульфурации металла борсодержащими шлаками системы СаО – SiO2 – MgO – Al2 O3 – B2 O3 с применением программного комплекса HSC 6.12 Chemistry (Outokumpu). Изучены влияния температуры процесса (1500 – 1700 °С), основности шлака (2 – 5) и содержания В2 О3 (1 – 4 %)1 на десульфурацию стали. Установлено, что увеличение температуры процесса десульфурации металла с 1500 до 1700 °С способствует снижению содержания серы в изученном диапазоне основности шлака. При температуре 1600 °С содержание серы в металле составило 0,0052 % для шлака основностью 2, а при 1650 °С ее концентрация составила 0,0048 %. Повышение основности шлака с 2 до 5 оказало благоприятное влияние на степень десульфурации металла, увеличивая ее соответственно с 80,7 до 98,7 % при температуре 1600 °С. При этом повышение концентрации В2 О3 в шлаке оказало отрицательное влияние на процесс десульфурации металла. Шлак основностью 2, содержащий 1 и 4 % В2 О3 , позволил получить количество серы в металле соответственно 0,0052 и 0,012 % при температуре 1600 °С, а шлак основностью 5 с таким же содержанием В2 О3 при той же температуре обеспечил количество серы в металле на уровне 0,00036 и 0,001 % соответственно. Следует отметить, что более благоприятные условия процесса десульфурации металла обеспечил шлак без оксида В2 О3 по сравнению с борсодержащим. Шлаки основностью 2 и 5 без В2 О3 согласно результатам термодинамического моделирования позволили получить металл при температуре 1600 °С с содержанием серы 0,0039 и 0,00019 % соответственно. Результаты расчета термодинамического моделирования процесса десульфурации металла бор- содержащими шлаками системы СаО – SiO2 – MgO – Al2 O3 – B2 O3 основностью 2 – 5 в интервале температур 1500 – 1700 °С коррелируют с данными экспериментальных исследований и могут иметь практическое значение при совершенствовании технологии процесса десульфурации стали борсодержащими шлаками в сталеплавильном производстве.
Используя уравнения физико-химической гидродинамики и полученные ранее в результате измерений данные о поверхностных и межфазных свойствах металлических и оксидных расплавов, описаны условия формирования металлической фазы при барботаже расплава окисленной никелевой руды монооксидом углерода. Определены критические размеры газового пузыря Rп.кр и металлической капли rк.кр , движущихся в оксидном расплаве без дробления в температурном интервале от 1550 до 1750 °С. Обнаружено, что с температурой значения Rп.кр меняются незначительно и возрастают с 6,35·10–2 м (при 1550 °С) до 6,58·10–2 м (при 1750 °С), параметр rк.кр зависит от состава капли и температуры и меняется от 2,1·10–3 до 2,9·10–3 м. Определены размеры капель металла, образующихся на единичном пузыре при восстановлении никеля и железа из оксидного расплава. По мере уменьшения содержания оксидов никеля и железа в расплаве с увеличением общего расхода СО происходит снижение содержания никеля в каплях ферроникеля с 89 до 18 %, а их диаметры уменьшаются с 1,4·10–3 до 8,0·10–4 м. При этом масса капли снижается с 9,4·10–5 до 1,6·10–5 кг. Выявлены условия всплывания системы газовый пузырь – капля металла от их размеров. Во всех интервалах температуры и содержания никеля система пузырь СО – капля металла начинает подниматься в оксидном расплаве при соотношении rк /Rп менее 0,68 – 0,78. Для оценки стабильности системы пузырь СО – капля металла при вышеуказанных размерах пузыря и капли проведены расчеты параметров, определяющих их совместное движение. Показано, что отрыв капли металла от пузыря не возможен при условиях реализации процесса в пирометаллургических агрегатах. Описан процесс формирования металлической фазы в результате барботажного восстановления никеля и железа монооксидом углерода, который заключается в следующем. Взаимодействие оксидного расплава с газом сопровождается формированием капель металла, которые, закрепляясь на пузырях, двигаются к поверхности оксидного расплава. Первоначально формируется металл с содержанием 80 – 90 % Ni, а по мере уменьшения доли никеля в оксидном расплаве его содержание в каплях металла снижается до 20 %. На поверхности оксидного расплава капли металла сливаются и при достижении размера более 5·10–3 м они «прорывают» поверхность и опускаются на дно. В случае столкновения капли с поднимающимися навстречу системами пузырь – капля они могут как слиться с ними, так и обтекать их. При слиянии мелкие капли будут ассимилированы и подняты на поверхность. Сила отрыва капли от пузыря существенно превышает силу тяжести капель, поэтому система пузырь – капля металла стабильна при всех рассмотренных соотношениях их размеров.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Проведена электронно-пучковая обработка покрытий систем TiC – Mo, TiC – Ni, TiB2 – Mo и TiB2 – Ni, нанесенных на поверхность стали Hardox 450 методом электровзрывного напыления. Установлено, что после электровзрывного напыления покрытий исследуемых систем рельеф поверхности имеет ряд морфологических особенностей: деформированные закристаллизовавшиеся микроглобулы, наплывы, микрократеры, микротрещины, наслоения. После электронно-пучковой обработки покрытий на их поверхности исчезают микроглобулы, микрократеры и микротрещины, формируется поликристаллическая структура, в объеме которой наблюдается структура ячеистой кристаллизации. Шероховатость покрытий после электронно-пучковой обработки составляет 1,1 – 1,2 мкм. Установлено, что толщина слоев электровзрывных покрытий, модифицированных электронным пучком, в зависимости от поверхностной плотности энергии имеет линейный характер. Максимальная толщина покрытия наблюдается при использовании системы TiB2 – Mo, минимальная – системы TiC – Ni, что объясняется их теплофизическими свойствами. В покрытиях выявлены следующие субструктуры: ячеистая, полосовая, фрагментированная, субзеренная, а также зерна с хаотически распределенными дислокациями и дислокациями, формирующими сетки. Электронно-пучковая обработка покрытий приводит к формированию композиционной наполненной структуры по всему сечению переплавляемого слоя, формированию в нем более дисперсной и однородной структуры по сравнению с покрытиями, сформированными без электронно-пучковой обработки. Размеры включений карбида титана или диборида титана в молибденовой или никелевой матрице уменьшаются в 2 – 4 раза по сравнению с их размерами сразу после электровзрывного напыления. В объеме зерен молибдена или никеля и на границах обнаруживаются частицы вторых фаз (карбида титана или диборида титана) округлой формы. По размерам они могут быть разделены на два класса: частицы исходных порошков с размерами 80 – 150 нм, не растворившиеся в процессе облучения; частицы размерами 10 – 15 нм, выделившиеся при кристаллизации расплава. Основой структурообразования в электровзрывных порошковых покрытиях являются динамические ротации напыляемых частиц, которые формируют вихревую структуру как в покрытии, так и в верхних слоях подложки. Сформированные покрытия обладают повышенными эксплуатационными свойствами: нано- и микротвердостью, модулем упругости первого рода, износостойкостью в условиях сухого трения скольжения.
Представлен обзор работ отечественных и зарубежных исследователей по поверхностному упрочнению карбидовольфрамовых твердых сплавов с целью повышения износостойкости. Большой резерв повышения износостойкости и эксплуатационной стойкости твердосплавных изделий заключается в применении поверхностных методов упрочнения с использованием различных покрытий, а также покрытия с основными структурными составляющими до 100 нм. Наиболее распространенными на карбидовольфрамовых твердых сплавах являются покрытия из карбида и нитрида титана TiC и TiN, которые обладают высокой энергией связи решетки, высокой температурой плавления и твердостью. Применение карбида и нитрида титана в качестве поверхностных слоев на твердосплавном инструменте дает снижение коэффициента трения в паре со сталью в 1,5 – 2,0 раза, а использование ионно-плазменного покрытия состава TiN + ZrN снижает коэффициент трения в 5,9 раз по сравнению с исходным состоянием. В настоящее время широкое распространение нашли многослойные покрытия. Чаще всего используются покрытия составов TiN + TiC и Al2 O3 + TiC, их износ прямо пропорционален толщине покрытия. Описанные выше комбинированные многослойные покрытия не являются окончательным решением вопроса повышения износостойкости твердых сплавов. У нас в стране проводятся работы, которые основываются на теоретических возможностях получения градиентной прочности твердого сплава от вязкой и высокопрочной сердцевины до износостойкой поверхности. В ФГУП ВНИИТС разработан способ получения сплавов с переменным содержанием кобальта по толщине пластин. Благодаря этому представляется возможным по толщине образца изменять состав сплавов от ВК20 до ВК2, вследствие чего рабочая часть пластин имеет износостойкость, равноценную сплаву ВК2, а основа способна выдерживать значительные напряжения изгиба. В последнее время в нашей стране и за рубежом стали применять всевозможный режущий инструмент с алмазным покрытием на твердых сплавах. Для увеличения долговечности твердосплавных пластин группы ВК применяют методы упрочнения с использованием концентрированных потоков энергии, среди которых обработка поверхности твердых сплавов γ-квантами, ионными пучками, лазерным лучом, электровзрывное легирование, электроэрозионное упрочнение легированием и т.д.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Представлены результаты исследований мирового и российского рынков поливинилхлорида (ПВХ), проведена их сравнительная оценка и выявлены сходства и различия этих сегментов на современном этапе. Отмечено, что карбидная технология, реализуемая в технологии процесса производства ПВХ, может быть конкурентоспособной на основе кооперации предприятий металлургии, угольной отрасли и энергетики, находящихся в одном регионе, за счет снижения логистических затрат, связанных с сокращением расстояний перевозки и себестоимости добычи сырья. Обоснована теоретическая возможность значительных перспектив развития отечественного производства ПВХ, обеспечения достижения импортозамещения и экспортозамещения данного продукта в РФ. На основе вертикальной интеграции предприятий черной металлургии с другими угольными и перерабатывающими предприятиями Кузбасса разработаны новые технологические решения производства ПВХ с использованием комбинированного способа. Для оценки возможностей выбора технологий производства ацетилена с учетом экономических затрат был использован метод факториального анализа, позволяющий оценить экономические затраты на производство продукции в кооперации предприятий. Показательно, что предприятия металлургического комплекса в качестве сырья могут использовать не только и не столько метан, получаемый из угольных пластов и доставляемый в сжиженном виде, но и коксовый газ как попутный продукт основного коксохимического производства. Карбидный ацетилен может конкурировать с этиленом как сырье для производства винилхлорида, если его стоимость не превышает стоимости этилена более чем на 40 %. Проведенные исследования в тесной связи с углехимией позволяют внести вклад в развитие технологий многостадийного синтеза ПВХ на основе кооперации ряда предприятий химической и металлургической промышленности. Установлено, что организация производства поливинилхлорида с использованием углехимических технологий может стать перспективной точкой роста и сыграть роль вытягивающего проекта для бизнеса Кемеровской области, позволит диверсифицировать производство металлургического предприятия, расширить продуктовую структуру и экспортные возможности ПАО «Кокс».
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
Предложен механизм, объясняющий высокое значение коэффициента теплопередачи при ускоренном охлаждении проката. При скоростях больше критической возникает неустойчивость Кельвина–Гельмгольца в нанодиапазоне, что приводит к формированию нанокапель. Охлаждение ведется с помощью нанокапель, движущихся через такую паровую пленку. Это позволяет при моделировании структурно-фазовых превращений использовать коэффициент теплопередачи, рассчитанный по формуле, в которой учитывается теплопроводность воды. Вторая роль нанокапель состоит в генерации теплового удара, за счет которого формируются мощные термоупругие волны. Роль упругих волн заключается в повышении ударной вязкости, так как возникшие на первой стадии охлаждения трещины в последующих секциях при взаимодействии упругой волны со свободными берегами трещин захлопываются.
Проведен термодинамический анализ совместного влияния алюминия и титана на растворимость кислорода в расплавах на основе никеля. За счет образования комплексного оксида Al2 O3 ·TiO2 титан усиливает раскислительную способность алюминия. Влияние титана проявляется при содержании алюминия до 0,01 %, при более высоких содержаниях алюминия только он определяет растворимость кисло- рода в расплаве. Оптимальное содержание титана порядка 0,2 %.
Указатель статей, помещенных в журнале «Известия высших учебных заведений. Черная металлургия» за 2017 г.
ISSN 2410-2091 (Online)