Технологические машины и оборудование, используемые в пищевой, химической и в ряде других отраслей промышленности, выпускаются сравнительно небольшими партиями. Эти машины и оборудование содержат большое количество листовых деталей сложной формы, имеющих сравнительно небольшую высоту. Традиционные методы штамповки недостаточно эффективны для производства таких деталей в условиях мелкосерийного производства. Для эффективного производства таких деталей разработан новый метод листовой штамповки – газовая формовка с противодавлением. Сущность этого метода заключается в том, что односторонним воздействием горячего газа листовая заготовка нагревается до заданной температуры, а затем осуществляется ее формовка. При этом для ограничения деформации заготовки в период ее нагрева на противоположной стороне создается противодавление воздействием сжатого воздуха. В качестве горячего газа используются продукты сгорания газовоздушных смесей. Благодаря нагреву заготовки до интервала температур теплой или горячей обработки данный метод обеспечивает получение деталей сложной формы за одну технологическую операцию, что существенно снижает себестоимость их производства. В ходе изучения нагрева заготовки установлена закономерность изменения температуры во времени, которая дает возможность управлять этим процессом. Получены также выражения для определения давления газа, обеспечивающего процесс формовки. Для реализации данного метода разработана и создана установка с противодавлением, содержащая устройство для газовой формовки и системы топливоподачи и контроля. На ней проведены экспериментальные исследования процесса формовки нескольких типов деталей: сферообразных днищ, цилиндрической детали с фланцем, детали с поверхностью двойной кривизны, детали с мелким рельефом, панели теплообменника со спиральным каналом. При этом определены оптимальные технологические режимы газовой формовки, создающие условия для получения деталей хорошего качества. Экспериментальные исследования показали, что данный метод позволяет получать детали сложной формы за одну технологическую операцию, используя сравнительно простую штамповую оснастку. Благодаря этому, применение данного метода формовки может обеспечить значительное снижение себестоимости производимых деталей, особенно в мелкосерийном производстве. Данный метод целесообразно использовать для формовки стальных деталей толщиной до 1,5  мм и деталей из цветных сплавов толщиной до 2 – 3 мм.

 

При нагреве заготовок в печи под термическую обработку и обработку металлов давлением необходимо максимально быстро нагреть поверхность заготовки при минимальном перепаде температуры по ее сечению, который зависит от начальной температуры поверхности и центра заготовки, начальной температуры печи и скорости ее подъема. Перепад температуры по сечению заготовки способствует возникновению температурных напряжения в ней. В процессе нагрева заготовок температурные напряжения не должны превышать допустимых значений напряжений в упругой области, зависящих от толщины нагреваемого слоя металла и его химического состава. Таким образом, для получения качественной заготовки при максимальной производительности печи необходимо использовать оптимальный режим нагрева, отработку которого во избежание больших материальных затрат можно осуществлять с помощью физического моделирования. При физическом моделировании объект изучения – реальный образец заменяется моделью, нагрев которой осуществляется в  печи-модели. Для проведения физического моделирования необходимо выбрать материал модели, выбрать или изготовить печь-модель, рассчитать линейный масштаб модели и изготовить ее, рассчитать температурный и временной масштабы моделирования, с учетом которых провести нагрев модели в печи-модели с замером температурного поля модели с дальнейшим пересчетом температуры на реальный образец. В работе предложена методика расчета температурного поля в промышленной заготовке из стали ШХ15, нагреваемой под термическую обработку, а именно – смягчающий отжиг в электрическом колодце с использованием физического моделирования, проводимого в лабораторной камерной электрической печи с использованием модели. Обоснован выбор материала для изготовления модели, а также приведены методики расчета линейного, температурного и временного масштабов моделирования. На основании экспериментальных замеров температуры на поверхности и в центре модели при ее нагреве в электрической камерной печи-модели, приведены пересчеты температурного поля по сечению промышленного блюма в различные временные периоды с использованием полученных масштабов.

 

В настоящее время при возникновении потребности в прокатке фасонного профиля более сложного, чем типовые, разработка новой калибровки валков является в значительной степени неформализованной процедурой. При этом достаточно часто вопросы какой-либо оптимальности новой калибровки или вообще не рассматриваются, ограничиваясь ее технической рациональностью, или откладываются на второй этап – совершенствование калибровки в процессе производства профиля. Показано, что калибровка сортопрокатных валков, рассматриваемая как вариативная система калибров, полностью соответствует всем признакам общепринятого понятия «система». Поэтому она может быть использована в качестве объекта, подвергаемого оптимизации с использованием стандартных методов и процедур теории систем. Калибровка прокатных валков рассмотрена как технологическая система, и используя для ее описания современную идеологию системного подхода, построена универсальная оптимизационная модель, направленная на проектирование оптимальных калибровок, применяемых при прокатке любых сортовых профилей. Применена модель двухэтапного решения оптимизационной задачи проектирования калибровки, позволяющая использовать на разных этапах решения как один, так и два критерия оптимальности. Представлен обобщенный алгоритм решения оптимизационной задачи проектирования калибровки валков для прокатки сортовых профилей любой сложности. Согласно принятой концепции, на первом этапе проектирования производится выбор оптимальной схемы калибровки для конкретных условий прокатного стана. На втором этапе для выбранной схемы генерируется оптимальный режим обжатий и определяются размеры используемых калибров. Для реализации предлагаемой концепции и ее описания, наряду с общепринятыми терминами и формулировками, введен ряд понятий, не имеющих широкого использования в теории прокатки. За основу формирования и формулирования таких понятий приняты аналогичные понятия и формулировки, известные из теории систем, теории оптимального управления, физики и математики. В  частности, введены такие понятия, как «пространство калибров», «обобщенный калибр», «пространство калибровок», «показатели эффективности», «генерирующая функция калибровки», «пространство режимов обжатий», «генерирующая функция режимов обжатий» и др. Изложена суть этих новых понятий. Более детальное описание отдельных блоков оптимизационной модели будет представлено в последующих статьях.

 

При воздействии внешнего вертикального магнитного поля на токонесущий расплав, находящийся в ванне дуговой печи постоянного тока (ДППТ), возникают объемные электромагнитные силы, которые приводят его в движение. Возникающее течение металла и шлака в ванне дуговой печи может приводить к эффективному их перемешиванию, но может нести и отрицательные моменты, например связанные с повышением износа футеровки в районе подового электрода. Процессы кондукционного перемешивания в ванне ДППТ при выплавке металлов и сплавов остаются слабоизученными. Возникают как теоретические вопросы, связанные с характером течений в ванне под действием внешнего и собственного магнитных полей заданной напряженности, так и практические, связанные с отсутствием простых и надежных источников внешних магнитных полей. Целью данной работы является качественная апробация возможностей физической «прозрачной» модели, изучение на ней характера течений токонесущей жидкости под действием внешнего вертикального магнитного поля и анализ возможности перенесения результатов моделирования на процессы, протекающие в 5-т ванне промышленной дуговой сталеплавильной печи постоянного тока. Показана принципиальная возможность изучения характера течения токонесущего расплава под воздействием внешних магнитных полей на моделях с использованием неметаллических электропроводящих прозрачных жидкостей. В  работе использовался водный раствор поваренной соли, который позволил с помощью видеосъемки провести оценку скорости жидкости на ее свободной поверхности и вблизи подового электрода. Проведено физическое моделирование влияния внешнего вертикального магнитного поля на характер течения токонесущей жидкости в ванне при различных комбинациях подключения подового электрода и разных токах, протекающих через ванну. Установлен характер течения токонесущей жидкости в ванне под действием внешнего вертикального магнитного поля при подключении центрального или смещенного от оси ванны подового электрода. Выявлено, что при смещении оси подового электрода от оси ванны средняя скорость вращения жидкости в горизонтальной плоскости увеличивается. Получена оценка значения напряженности вертикального магнитного поля (около 5 кА/м), при создании которого в ванне металла пятитонной сталеплавильной дуговой печи должно наблюдаться кондукционное перемешивание.

 

Используя основные принципы системного анализа, разработана универсальная модель оптимизации калибровок валков, пригодная для анализа процессов прокатки любых сортовых профилей. Применена модель двухэтапного решения оптимизационной задачи проектирования калибровки, позволяющая использовать на разных этапах решения как один, так и два критерия оптимальности. Согласно принятой концепции, на первом этапе проектирования производится выбор оптимальной схемы калибровки для конкретных условий прокатного стана, а на втором этапе, для выбранной схемы генерируется оптимальный режим обжатий и определяются размеры используемых калибров.

В статье приведены результаты исследования механизма образования магнезиоферрита при нагревании сидеритов Бакальского месторождения с различным содержанием оксидов железа в инертной и окислительной атмосфере. Установлено, что при обжиге в инертной атмосфере разложение сидерита с высоким содержанием железа начинается при более низкой температуре  и энтальпия такого разложения меньше. Данный эффект объясняется различным фазовым составом образцов. Основными фазами, образующимися в условиях  окислительного обжига, являются гематит и магнезиоферрит. Количество образующихся гематита и магнезиоферрита у образцов с различным содержанием оксидов железа при обжиге в окислительной атмосфере различно. У сидеритов с высоким содержанием оксидов железа в продуктах обжига содержится гематита больше, чем магнезиоферита, а у сидеритов с низким содержанием оксидов железа наоборот, в продуктах обжига содержится магнезиоферита больше, чем гематита. Образовавшийся в условиях окислительного обжига магнезиоферрит является твердым раствором и различается степенью замещения ионов железа ионами магния. У сидеритов с высоким содержанием оксидов железа степень замещения ионами железа ионов магния больше, чем у образцов с низким содержанием оксидов железа. Поскольку сидериты Бакальского месторождения относятся к бедным рудным образованиям, то образующееся в них при обжиге значительное количество магнезиоферрита затрудняет разделение силикатных и железо-оксидных продуктов обжига традиционными методами обогащения. Вюстит в продуктах окислительного обжига не обнаружен, поскольку в данных условиях он находится в метастабильном состоянии и при наличии слабо окислительной атмосферы преобразуется в магнетит.

Научной новизной является объяснение механизма разложения сидеритов и описание продуктов такого разложения.

Понимание механизма разложения сидеритов Бакальского месторождения позволило разработать технологию восстановительного обжига сидеритов, облегчающую разделение продуктов восстановительного обжига и заключающуюся в регулировании фазового состава силикатных продуктов восстановительного обжига, обеспечивающих распад магнезиоферрита и выходе оксидов железа в самостоятельную фазу. Разработанная технология может быть использована для обеспечения качественного обогащения сидеритов Бакальского месторождения.

Технологические машины и оборудование, используемые в пищевой, химической и ряде других отраслей промышленности, выпускаются сравнительно небольшими партиями. Эти машины и оборудование содержит большое количество листовых деталей сложной формы, имеющих сравнительно небольшую высоту. Традиционные методы штамповки недостаточно эффективны для производства таких деталей в условиях мелкосерийного производства. Для эффективного производства таких деталей разработан новый метод листовой штамповки – газовая формовка с противодавлением. Сущность этого метода заключается в том, что односторонним воздействием горячего газа листовая заготовка нагревается до заданной температуры, а затем осуществляется ее формовка. При этом для ограничения деформации заготовки в период ее нагрева на противоположной стороне создается противодавление воздействием сжатого воздуха. В качестве горячего газа используются продукты сгорания газовоздушных смесей. Благодаря нагреву заготовки до интервала температур теплой горячей обработки данный метод обеспечивает получение деталей сложной формы за одну технологическую операцию, что существенно снижает себестоимость их производства. Исследованием процесса нагрева заготовки установлена закономерность изменения температуры во времени, которая обеспечивает управляемость этого процесса. Получены также выражения для определения давления газа, обеспечивающего осуществление процесса формовки.

Для реализации данного метода формовки разработана и создана установка для газовой формовки с противодавлением, содержащая устройство для газовой формовки и системы топливоподачи и контроля. На ней проведены экспериментальные исследования процесса формовки нескольких типов деталей: сферообразных днищ, цилиндрической детали с фланцем, детали с поверхностью двойной кривизны, детали с мелким рельефом, панели теплообменника со спиральным каналом. При этом определены оптимальные технологические режимы газовой формовки, обеспечивающие получение деталей хорошего качества.

Экспериментальные исследования показали, что данный метод формовки позволяет получать детали сложной формы за одну технологическую операцию, используя сравнительно простую штамповую оснастку. Благодаря этому применение данного метода формовки может обеспечить значительное снижение себестоимости производимых деталей, особенно в мелкосерийном производстве. Данный метод целесообразно использовать для формовки стальных деталей толщиной до 1,5 мм и деталей из цветных сплавов толщиной до 2…3 мм.

Вредные условия труда влекут за собой стабильно высокий уровень профессиональной и производственно-обусловленной заболеваемости. В работе с помощью корреляционно-регрессионного анализа изучены связи между условиями труда и показателем заболеваемости для персонала доменного цеха металлургического комбината, а также дана оценка влияния производственного фактора химической природы на уровень профессионального риска. На персонал доменного цеха действует целый комплекс вредных факторов, которые в отдельности могут не превышать нормативных значений, но в сочетании друг с другом приводить к неблагоприятным условиям. Поэтому необходимо иметь возможность оценить влияние множества вредных факторов на заболеваемость и здоровье персонала. На основе анализа условий труда горнового доменной печи проведен корреляционно-регрессионный анализ заболеваемости в зависимости от характеристик условий труда. Данная методика позволяет преобразовать качественную оценку сочетанного воздействия в количественную. В работе использованы две методики для определения профессионального риска персонала: стандартная (по руководящему документу 2.2.1766-03) и  методика интегральной оценки условий труда с учетом сочетанного действия комплекса вредных производственных факторов. По результатам исследования можно сделать вывод, что применение методики, учитывающей сочетанное действие вредных производственных факторов, позволяет более достоверно (по сравнению со стандартной методикой) оценить уровень профессиональных рисков и необходимые управленческие решения по его снижению, а также улучшению условий труда. Проведен сравнительный анализ зависимости заболеваемости от вредных производственных факторов с учетом фактора химической природы и без него. На основе данных корреляционно-регрессионного анализа доказано, что химический фактор действительно имеет прямое влияние на уровень производственно-обусловленной заболеваемости. Проведенное исследование подтверждает, что количественная оценка вклада определенного вредного производственного фактора в тот или иной вид заболевания дает возможность выявить направления по улучшению условий труда и снижению риска профессиональной и производственно-обусловленной заболеваемости на предприятиях горно-металлургического комплекса.

 

В работе проведено физическое моделирование влияния внешнего вертикального магнитного поля на ванну дуговой печи постоянного тока при различных комбинациях подключения подового электрода и разных токах, протекающих через ванну. Установлен характер течения токонесущей жидкости в ванне дуговой печи постоянного тока под действием внешнего вертикального магнитного поля при подключении центрального или смещенного от оси ванны подового электрода на «холодной» модели. Показана принципиальная возможность изучения характера течения токонесущего расплава под воздействием внешних магнитных полей на моделях с использованием неметаллических электропроводящих прозрачных жидкостей. Выявлено, что при смещении оси подового электрода от оси ванны увеличивается средняя скорость вращения жидкости в горизонтальной плоскости. Определен порядок напряженности вертикального магнитного поля для кондукционного перемешивания ванны дуговой печи постоянного тока малой вместимости.

Проведен термодинамический анализ растворов кислорода в расплавах системы Fe – Co, содержащих углерод. Определены константы равновесия реакций взаимодействия углерода и кислорода, коэффициенты активности при бесконечном разбавлении и параметры взаимодействия в расплавах различного состава при 1873  К. Рассчитаны зависимости растворимости кислорода в изученных расплавах от содержания кобальта и углерода. В железокобальтовых расплавах углерод характеризуется высоким сродством к кислороду. Раскислительная способность углерода существенно возрастает по мере увеличения содержания кобальта в расплаве. В чистом кобальте она более, чем на по- рядок выше, чем в чистом железе. Продуктами реакции раскисления углеродом являются газообразные оксиды – монооксид  (СО) и  диоксид (СО₂ ) углерода. Протекание реакции взаимодействия углерода и кислорода, растворенных в расплаве, а, следовательно, раскислительная способность углерода зависят от общего давления газовой фазы над расплавом. Понижение давления газовой фазы существенно повышает раскислительную способность углерода. Минимально достигаемые концентрации кислорода для сплавов одного состава снижаются практически на порядок при понижении в 10 раз общего давления газовой фазы. Проведен расчет состава газовой фазы над расплавами системы Fe – Co и равновесных концентраций углерода и кислорода в расплаве при общем давлении газовой фазы, равном 1,0; 0,1 и 0,01  атм. Оптимальная концентрация кислорода (1  –  10  ppm) в расплавах системы Fe – Co в зависимости от общего давления газовой фазы (0,01  –  1  атм) достигается при содержаниях углерода от 0,01 до 1  %. Кривые растворимости кислорода в железокобальтовых расплавах, содержащих угле- род, проходят через минимум, положение которого смещается в сторону более низких содержаний углерода по мере увеличения содержания кобальта в расплаве. Дальнейшие присадки углерода приводят к возрастанию концентрации кислорода в расплаве, причем, чем выше содержание кобальта в расплаве, тем резче возрастает концентрация кислорода после минимума по мере добавления углерода в расплав.

 

На основании теоретических и экспериментальных исследований равновесного распределения марганца между конденсированными фазами предложено уравнение для расчета марганцовистой емкости металлургических шлаков. Оно позволяет подобрать шлаки, обеспечивающие требуемый переход марганца в металл. Предложенное уравнение  зависит только от основности и температуры нагрева шлака. Использование в нем показателя оптической основности снимает ограничения по виду и количеству слагающих шлак компонентов.

Процессы формирования гарнисажа и жидкой пленки между кристаллизатором и поверхностью заготовки оказывают влияние на показатели качества и стабильность непрерывной разливки стали. Известен ряд теоретических исследований, посвященных прогнозу толщины гарнисажа и пленки жидкого шлака. Однако в этих исследованиях не учитывается взаимное влияние процессов формирования гарнисажа и пленки, а также формирования толщины оболочки заготовки. В связи с этим в работе представлена разработанная авторами математическая модель взаимосвязанных тепловых процессов в системе слоев «медная стенка кристаллизатора – гарнисаж – пленка жидкого шлака – корка слитка». Модель позволяет прогнозировать динамику формирования толщины корки слитка, шлакового гарнисажа и слоя жидкого шлака по высоте кристаллизатора и длину участка жидкостного трения в кристаллизаторе в зависимости от скорости литья, температуры разливаемой стали и плавления шлака, толщины сляба и рабочего слоя медной стенки. Установлена адекватность модели объекту по таким параметрам, как температура поверхности заготовки, толщина корки, удельный тепловой поток в кристаллизаторе и температура рабочей стенки. Показан пример применения разработанной модели, в котором исследовано влияние скорости разливки на длину участка жидкостного трения в кристаллизаторе. Установлено, что при скоростях 0,8; 1,0 и 1,2 м/мин шлаковая прослойка сохраняется на  протяжении 0,331; 0,415 и 0,498 м от мениска металла соответственно. При этом толщина гарнисажа достигает максимального значения 0,77 мм. Дальнейшее формирование заготовки происходит в условиях отсутствия смазки в кристаллизаторе. Указана возможность использования разработанной модели технологами при выборе химического состава шлакообразующей смеси, обеспечивающего требуемую длину участка жидкого шлака, и конструкторами при выборе профиля кристаллизатора с учетом толщины гарнисажа, а также в учебных целях.