Анализ развития железнодорожного путевого хозяйства позволил выявить тенденцию постоянного повышения требований к качеству железнодорожных переводов, являющихся наиболее быстроизнашивающимися элементами верхнего строения рельсового пути. При этом основными причинами несоответствия качества остряковых переводов требованиям стандартов являются неудовлетворительная геометрия и разброс величин остаточных напряжений в исходных заготовках – остряковых рельсах. Асимметричный профиль остряковых рельсов значительно усложняет технологию их производства, особенно при использовании для их прокатки универсальных клетей. В  представленной работе рассмотрены теоретические и технологические аспекты освоения производства остряковых рельсов типа ОР65 на новом универсальном рельсобалочном стане АО «ЕВРАЗ ЗСМК». Несовершенство контрактной калибровки поставщика оборудования рельсобалочного стана, обусловившее невозможность ее применения для массового производства остряковых рельсов, привело к необходимости разработки новой усовершенствованной схемы прокатки. Отличительными особенностями нового способа прокатки остряковых рельсов является интенсифицированный режим обжатий в первой обжимной клети, снижение числа проходов во второй обжимной клети и применение разрезного рельсового наклонного калибра с разъемами по диагонали взамен разрезного рельсового калибра закрытого типа. При этом возможность интенсификации режима деформации предварительно обоснована расчетами усилия прокатки, проведенными с ис- пользованием ранее разработанной методики. Внедрение нового режима прокатки рельсов ОР65 позволило повысить производительность стана на 39,8  т/ч и уменьшить отбраковку готовых рельсов по пленам прокатного происхождения на 0,5  %. Проведенный анализ процессов течения металла и формирования чистового профиля остряковых рельсов при прокатке в универсальных клетях показал, что оформление ширины подошвы профиля рельса происходит за счет свободного уширения металла при деформации этого элемента. В результате указанной особенности выполнение необходимой ширины подошвы профиля рельса зависит от многих технологических параметров и не может быть предварительно спрогнозировано с высокой степенью точности. Опыт промышленной прокатки остряковых рельсов на рельсобалочном стане АО «ЕВРАЗ ЗСМК» показал, что достижимая точность размеров элементов прокатных профилей составляет ±1,0  мм. При этом согласно действующей отечественной нормативной документации на производство остряковых рельсов высшего и первого сорта предельные допуски на ширину короткого плеча подошвы установлены в пределах ±0,3 и ±0,5 мм соответственно. Таким образом, выполнение этого требования представляется невозможным.

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. 

Представлены результаты сравнительных исследований трибологических и физических свойств антифрикционного покрытия многокомпонентного состава Ti – C – Mo – S, нанесенного комбинированным магнетронно-плазменным методом на подложки из сталей 40Х и 20Х13. Покрытие на подложках из сталей 40Х и 20Х13 формировали в одной загрузке, т.е. в одинаковых условиях и при одинаковых технологических режимах путем магнетронного распыления катодов, изготовленных при помощи СВС-синтеза, и ассистирующего воздействия высокоплотной газоразрядной плазмы, формируемой плазменным источником ПИНК. В работе приведены технологические приемы, применявшиеся при нанесении покрытия. После формирования покрытия подложки подвергали фрикционным испытаниям на трибометре по схеме «pin-on-disk», линейная скорость перемещения контртел относительно друг друга составляла 50 – 60 см/с. Полученные результаты показали существенное различие трибологических характеристик покрытия в зависимости от материала подложки, в первую очередь, износостойкости. Выявлена существенная разница показателей ресурса работы покрытия на подложках из разных материалов при сравнении малолегированной хромом (примерно 1 %) стали 40Х (износостойкость более высокая) и высоколегированной хромом (примерно 13 %) сталью 20Х13. Представлены результаты оптической и электронно-растровой микроскопии треков износа, обнаружено различие в характере и степени износа покрытия на подложках из сталей 40Х и 20Х13. При помощи электронного профилометра по усредненной площади поперечного сечения дорожки трения оценен удельный износ покрытия на 1000 оборотов диска: площадь сечения дорожки износа покрытия на подложке из стали 20Х13 в четыре раза больше, чем на подложке из стали 40Х. Комплексный анализ результатов физико-трибологических исследований позволяет предположить, что выявленное различие обусловлено, в первую очередь, разным исходным химико-фазовым составом и различиями в структуре использованных в эксперименте материалов подложки, определяющих свойства легированного поверхностного слоя и прочность сцепления (адгезию) покрытия с подложкой и, в конечном счете, механизм изнашивания.

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. 

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. 

Используя полученные данные, описаны условия разделения ферроникеля и расплава окисленной никелевой руды в ходе барботажа монооксидом углерода. Определены критические размеры газового пузыря и металлической капли, движущихся в оксидном расплаве без дробления. Установлены максимальные размеры капель металла, образующихся на единичном пузыре при восстановлении никеля и железа из оксидного расплава. Выявлены  условия всплывания системы «газовый пузырь – капля металла» от их размеров.

Барботажное  восстановление никеля и железа монооксидом углерода сопровождается формированием капель металла, которые двигаются к поверхности оксидного расплава совместно с пузырями газа. 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, при достижении размера более 5·10^{-3 м «прорывают» поверхность и опускаются на дно}

 

The separation parameters of ferronickel and oxidized Nickel ore melt in the barbotage treatment by carbon monoxide are calculated on the base of obtained experimental data. Critical dimensions of gas bubble and metal drops moving in the oxide melt without fragmentation are defined. Maximal dimensions of the Metal drops formed on the single bubble at Nickel and Iron reduction from oxide melt are calculated. Conditions of “gas bubble – metallic drop” system flotation depending on its dimensions are defined.

      Barbotation reduction of the Nickel and Iron by carbon monoxide is accompanied with the metal drops, which are moving to the oxide melt surface

together with the gas bubbles. Initially metal is formed with 80-90% of Ni content, and with the decreasing of Nickel content in the oxide melt, its content in metal droplets is decreased to 20mas. %. Metal drops are coalesced on the oxide melt surface when reaching the size of more than 5·10^{-3 m break the surface and sink to the bottom.}

Key Words: metallic phase, oxide melt, reduction gas, bubbling process, barbotage, gas buble, metal drop, separation, surface properties, coalescence, critical dimensions,  interfacial tension, carbon monoxide, liquation, coagulation

Представлены результаты сравнительных исследований трибологических и физических свойств антифрикционного покрытия Ti-C-Mo-S, нанесенного комбинированным магнетронно-плазменным методом на подложки из сталей 40Х и 20Х13. Покрытие формировалось одновременно на подложках из указанных сталей, т.е. в одинаковых условиях и при одинаковых технологических режимах. Полученные результаты фрикционных испытаний показали существенное различие в трибологических характеристиках покрытия в зависимости от материала подложки, в первую очередь, по износостойкости. Комплексный анализ результатов физико-трибологических исследований позволяет предположить, что выявленное различие обусловлено разным составом и структурой использованных в эксперименте сталей, определяющих свойства  легированного поверхностного слоя и прочность сцепления (адгезию) покрытия с подложкой.

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. 

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». 

В работе представлены результаты исследований мирового и российского рынков ПВХ, проведена их сравнительная оценка и выявлены сходства и различия этих сегментов на современном этапе. 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 предприятиями Кузбасса были разработаны новые технологические решения производства ПВХ с использованием комбинированного способа. 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.

Данные исследования в тесной связи с наукой углехимии 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 для бизнеса Кемеровской области, позволит диверсифицировать производство металлургического предприятия, расширить продуктовую структуру и экспортные возможности ПАО «Кокс».

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.