Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 61, № 2 (2018)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-2

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

87-95 236
Аннотация

Рассмотрены особенности движения зародыша сложной формы на тарельчатом окомкователе в производстве железорудных окатышей. В результате проведенного анализ сил, действующих на кубический зародыш при его перекате на шихтовом гарнисаже (ШГ) в  условиях пластической деформации, построена математическая модель, позволяющая определить оптимальные параметры работы окомкователя для производства окатышей по технологии принудительного зародышеобразования. Рассмотрены два частных случая устойчивости­ зародыша на ШГ окомкователя и условия преодоления устойчивости, связанные с формированием переката. Устойчивость зародыша или, напротив, его перекат определяются горизонтальным положением его центра массы относительно опорного ребра, расположенного поперек вероятного направления переката. Если линия действующей силы (силы тяжести) переместится за опорное ребро и опорную плоскость, то сформируется момент силы, который выведет зародыш из состояния устойчивости и сформирует перекат зародыша. Первым частным случаем устойчивости зародыша на наклонной плоскости является отсутствие переката на ШГ при минимальной величине центробежной силы, что соответствует расположению зародыша в центральных областях зоны окомкователя, или работе рабочего органа с низкой частотой вращения (n < 3 об/мин). Более общим случаем выхода зародыша из состояния устойчивости в режим переката на наклонной плоскости ШГ является работа окомкователя при сравнительно высокой величине центробежной силы (n >3 об/мин) и расположение зародыша в периферийных областях рабочей зоны окомкователя. Для указанных случаев сформулированы условия переката зародышей на ШГ в рабочей зоне окомкователя и корректирующие мероприятия в условиях пластической деформации при смятии его углов и ребер. Показаны особенности движения зародыша в рабочей зоне тарели окомкователя. Отмечены условия для корректировки режима принудительного зародышеобразования и озвучены мероприятия по целенаправленному воздействию на коэффициент смятия зародыша. Установлено, что для организации режима переката зародыша сложной формы угол наклона тарели окомкователя к горизонту следует назначать в зависимости от частоты его вращения и коэффициента смятия зародышей.

96-101 169
Аннотация

Значительные перспективы использования в различных областях науки, техники, промышленности и в медицине имеют нанопорошки на основе кобальта. Исследована кинетика процессов получения нанопорошков металлического кобальта восстановлением водородом из оксидного материала в электромагнитном поле и при энергомеханической обработке в вихревом слое ферромагнитных частиц, вра щающихся под действием этого поля. Нанопорошки оксида кобальта Co3O4 получали путем термического разложения синтезированного химическим осаждением гидроксидного соединения кобальта Co(OH)2 из 10 %-ных водных растворов соли нитрата кобальта Co(NO3)2 и едкого натра NaOH при условиях: pH = 9, t = 20 °С. Восстановление образцов нанопорошков оксида кобальта Co3O4 для получения наноразмерных частиц кобальта проводили на установке модифицированного аппарата вихревого слоя модели УАП-3 с встроенными внутри камеры нагревательной печью и проточным реактором. Амплитудное значение индукции поля внутри реактора составляет 0,16  Тл. Выбор экспериментальных температур восстановления образцов выполняли на основе результата термогравиметрического анализа исходного образца гидроксида кобальта. Кинетические параметры процессов водородного восстановления в условиях линейного нагрева и  в изотермических условиях рассчитаны с помощью моделей Фримена-Кэрола и Мак Кевана соответственно. Обнаружено снижение скорости получения нанопорошков кобальта в электромагнитном поле (до 14 % при 250 °С) вследствие затруднения способности адсорбции атомов водорода на поверхности образованных металлических наночастиц. Установлено, что энергомеханическая обработка в вихревом слое приводит к повышению скорости процесса в 4 – 5 раз благодаря эффекту механоактивации материала. Методами термогравиметрии, рентгеновской дифрактометрии, электронной микроскопии и измерения удельной поверхности по низкотемпературной адсорбции азота изучены свойства исходного материала и полученных продуктов. Показано, что при восстановлении образцов в электромагнитном поле формируются более мелкодисперсные наночастицы кобальта, чем в случае без воздействия поля. Энергомеханическая обработка в вихревом слое приводит к агрегированию восстановленных металлических наночастиц и к образованию гранул микрометрового размера.

102-107 211
Аннотация

В работе акцентируется внимание на моделировании процессов, происходящих в кристаллизаторе с новой запатентованной системой охлаждения в машине непрерывной разливки стали, в частности, на перепаде температур в металле заготовки и в стенке по высоте кристаллизатора, от которых зависит качество получаемой заготовки. В обзоре приводятся работы, в которых исследуются шлакообразующие смеси (ШОС), влияющие на передаваемый от металла заготовки тепловой поток в кристаллизатор. При этом зарубежные авторы акцентируют внимание на «мягком» охлаждении кристаллизатора подбором ШОС. Совершенствование процесса охлаждения заготовки в  кристаллизаторе в первую очередь направлено на улучшение качества поверхности сляба, повышение стойкости кристаллизатора и увеличение производительности машины, что, по мнению ряда авторов, можно добиться путем математического моделирования процесса. Вопрос охлаждения кристаллизатора напрямую зависит от конвективного движения жидкой стали в кристаллизаторе, что рассматривается в ряде работ зарубежных авторов. Использование принципа работы тепловых труб в системе охлаждения кристаллизатора машины, в  частности, с использованием пористого материала с рабочей средой вода и воздух, а также вопрос испарения капель жидкости на наноструктурированных супергидрофильных поверхностях также привлекает внимание исследователей. Охлаждение кристаллизатора при скоростях разливки металла более 7 м/мин, сопровождающееся возрастанием плотности теплового потока, является актуальной задачей и рассматривается рядом авторов. Взаимосвязь основных параметров процесса определяется с использованием теории размерности Рэлея. В  качестве основного параметра выбирается перепад температур в металле стенки кристаллизатора, зависящий от скорости разливки (времени нахождения формирующейся в кристаллизаторе заготовки), свойств разливаемого металла (теплоемкости, температуропроводности), теплопроводности стенки кристаллизатора, перепада температур в разливаемом металле. Показатели степени при критериях подобия определяются с учетом имеющихся экспериментальных данных зависимости плотности теплового потока от принятой скорости разливки стали, параметров стали. Полученное в работе соотношение ∆tc/tc (где ∆tc – средний перепад температур по толщине стенки, tc – среднее значение температуры стенки) для кристаллизаторов с существующей и новой (запатентованной) системой охлаждения позволяет определить перепад температур в металле заготовки, который при двух сравниваемых системах охлаждения кристаллизатора составляет ∆tм1  =  450  °С и ∆tм2 = 231 °С, а соотношение ∆tм1/ ∆tм2 = 1,95 раза. Уменьшение перепада температур металла ∆tм2 свидетельствует о более «мягком» охлаждении кристаллизатора с новой системой охлаждения.

108-113 154
Аннотация

Обобщены результаты использования барийстронциевого карбонатита в металлургии для модифицирования и рафинирования железоуглеродистых сплавов. Предложено использовать барийстронциевый карбонатит при изготовлении сварочных флюсов. Использовали барийстронциевый модификатор БСК-2 по ТУ 1717-001-75073896 – 2005 производства ООО «НПК Металлтехнопром» следующего химического состава: 13,0 – 19,0 % ВаО, 3,5 – 7,5 % SrO, 17,5 – 25,5 % СаО, 19,8 – 29,8 % SiO2, 0,7 – 1,1 % MgO, 2,5 – 3,5 % K2О, 1,0    2,0  %  Na2O, 1,5 – 6,5 % Fe2O3, 0 – 0,4 % MnO, 1,9 – 3,9 % Аl2O3, 0,7 – 1,1 % TiO2,16,0 – 20,0 % CO2. Предложена технология изготовления флюс-добавки, содержащей 70 % барийстронциевого карбонатита и 30 % жидкого стекла. Опробовано несколько составов сварочных флюсов на основе шлака производства силикомарганца. Флюс-добавку вводили в количестве 1, 3 и 5 %. Определены технологические особенности сварки под исследуемыми составами сварочных флюсов. Проведен рентгеноспектральный анализ химического состава исследуемых флюсов, шлаковых корок и металла сварного шва, а также металлографические исследования сварных швов. Показана принципиальная возможность применения барийстронциевого карбонатита в качестве рафинирующей и газозащитной добавки для сварочных флюсов. Использование барийстронциевого карбонатита позволяет снизить загрязненность металла сварного шва неметаллическими включениями: силикатами недеформирующимися, оксидами точечными и силикатами хрупкими, а также повысить десульфурирующую способность сварочных флюсов. Введение барийстронциевого карбонатита во флюс на основе шлака силикомарганца в количестве до 5  % обеспечивает феррито-перлитную структуру металла сварного шва видманштеттовой направленности, при этом незначительно снижается величина зерна с № 4 до № 4, № 5.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

114-119 190
Аннотация

Рассматривается вопрос о местах зарождения при фазовых переходах, который, даже для такой широко исследуемой области, как мартенситные превращения, остается актуальным. Обсуждается универсальный характер сдвигового зарождения и места зарождения при диффузионных (нормальных) и мартенситных превращениях. Особенности зарождения изучались с помощью наблюдения поверхностного рельефа на сталях 30ХГСА, У12 и техническом железе средствами высокотемпературной металлографии, а также путем микроструктурного исследования начальных стадий фазовых превращений пористых спеченных сталей с содержанием углерода 0,40 и 1,57  %. Представлены кадры зарождения аустенита от малоугловой и высокоугловой границ, свидетельствующие в пользу сдвигового механизма его образования. Показаны многочисленные акты зарождения феррита на границе зерна γ-фазы как при медленном, так и быстром охлаждении, которое формирует морфологию игольчатого (видманштеттового) феррита. В сталях 30ХГСА и У12 мартенсит образуется по границам зерен, хотя иные области нуклеации, например, такие как дефекты упаковки, включения, особые дислокационные конфигурации, не исключаются, но они не являются преимущественными. В образцах из пористой стали имеет место преимущественный рост двойникованных кристаллов мартенсита от пор. Полученные экспериментальные данные о зародышах аустенита и феррита указывают на сдвиговый механизм зарождения на начальной стадии диффузионных превращений, который впоследствии сменяется нормальным механизмом роста с образованием равноосных зерен. Делается вывод, что, несмотря на различия в природе и условиях зарождения фаз, акты зародышеобразования во всех случаях происходят одинаково, а отличия начинаются на стадии роста. Показано, что сдвиговое зарождение может начинаться от границ зерен, субзерен, а также свободных поверхностей (например, пор в спеченной стали). Зарождению в указанных местах способствуют релаксация напряжений превращения и высвобождающаяся часть зернограничной энергии. Обнаруженная ромбовидная морфология мартенситных кристаллов, образующихся на порах, может быть объяснена тем, что зарождение от свободной поверхности, происходящее в условиях минимального влияния упругих полей окружающей матрицы, благоприятствует реализации общих закономерностей роста мартенситных кристаллов.

120-127 210
Аннотация

В настоящее время наблюдается сложная ситуация в производстве ферроникеля запасы богатых никелевых руд заканчиваются, а хорошо отработанные и налаженные классические схемы производства не обеспечивают экономически эффективную переработку бедных окисленных никелевых руд. Представляется перспективным применение для такого сырья новых высокоэффективных и экономичных процессов получения первичного металла, использующих рудоугольные брикеты, например, процесс ITMK3 или процесс плавки в кислородном реакторе. Для изучения применимости процесса твердожидкофазного карботермического восстановления рудоугольных брикетов для бедной окисленной никелевой руды в лабораторных экспериментах были выбраны условия, максимально имитирующие промышленные – сброс брикета промышленного размера (диаметр 24 мм, высота 30 – 35 мм, масса 20 – 30 г) в горячую зону печи с температурой 1500 °С. Температуру поверхности брикета замеряли с помощью тепловизора «Pyrovision M9000», а анализ газовой фазы осуществляли с помощью хроматографа «Газохром-3101». Экспериментально установлено, что температура брикета изменяется по одному и тому же логарифмическому закону. При принятых допущениях – логарифмическое увеличение скорости нагрева образца от времени и образование в результате восстановления в газовой фазе только оксида углерода – методика эксперимента позволяет определить скорость и степень восстановления в зависимости от времени, полное время восстановления, составы полученных металла и шлака, порядок реакции, энергию активации и лимитирующую стадию процесса. Проведены эксперименты с различными типами восстановителя и разными составами брикетов при варьировании температуры процесса и размера образца. Показано, что процесс протекает в смешанном режиме при одновременном контроле внутренним массопереносом и химической реакцией. Установлены оптимальные условия по проведению процесса твердожидкофазного карботермического восстановления окисленной никелевой руды: тип восстановителя – полукокс, концентрация восстановителя в брикете 5 %; фракции компонентов – менее 1 мм; температура процесса 1500 °С; время восстановления 12 мин. За счет варьирования содержания восстановителя в брикете возможно получение ферроникеля с концентрацией никеля от 5 до 22 %.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

128-134 190
Аннотация

Рассматривается процесс упругопластического перехода в сварных образцах из малоуглеродистой стали. Использованы два способа ручной дуговой сварки плавящимся электродом: традиционный стационарной дугой и импульсная сварка с контролируемым тепловложением. Показано, что по получаемым структурным характеристикам и механическим свойствам оба способа идентичны. В обоих случаях наблюдается растянутый упругопластический переход путем зарождения и распространения полос Чернова–Людерса. Однако в зависимости от способа сварки он реализуется по разным сценариям. При использовании традиционной сварки стационарной дугой в  нагружаемом образце зародыш полосы Чернова–Людерса формируется в наплавленном металле сначала в виде диффузных областей локализации деформации, которые заполняют шов и переводят его в пластически деформированное состояние. Подвижные фронты полосы окончательно оформляются в зонах термического влияния и переходят в основной металл. Скорости фронтов и их морфология идентичны характеристикам фронтов в однородных объектах из аналогичной стали. В случае применения импульсной дуговой сварки зарождение полос Чернова–Людерса происходит на удалении от сварного шва у захватов нагружающего устройства. До зон термического влияния морфология и скорости фронтов соответствуют данным для основного металла. На границе сплавления фронт останавливается и формирует зародыш новой полосы, который прорастает в металл шва. Эта новая полоса сначала переводит в деформированное состояние наплавленный металл, а затем создает подвижный фронт в противоположной зоне термического влияния. Скорости фронтов в наплавленном и  основном металлах отличаются на порядок. Сварной шов детерминирует процесс зарождения полос Чернова–Людерса. Предложено объяснение разных сценариев упругопластического перехода в зависимости от способа сварки. При использовании традиционного способа сварки стационарной дугой в зонах термического влияния локальные дальнодействующие напряжения значительно выше, чем в основном металле, поэтому здесь как релаксационный процесс происходит зарождение полосы. В случае использования импульсной дуговой сварки эти напряжения выше в основном металле, где и происходит зарождение полос Чернова–Людерса. Полученные результаты могут быть использованы для обоснования параметров испытания теплоэнергетического оборудования.

135-139 206
Аннотация

Предложена модель электроэрозионного разрушения композиционных электровзрывных покрытий систем WCu, MoCu, WCCu, MoCCu, TiBCu и TiB2Cu в условиях искровой эрозии, происходящей при размыкании электрических контактов. Модель рассматривает испарение электродов под действием теплового потока, который возникает вследствие искрообразования при размыкании электрических контактов. При построении этой модели сопротивление электрических контактов во время испытаний находилось в  интервале 40    50  мкОм. Модель строится в рамках задачи нагрева полупространства поверхностным нормальным импульсным источником тепла, равномерно распределенным по площади определенного радиуса и с определенной длительностью воздействия. Распределение энергии импульса во времени аппроксимировали прямоугольным импульсом. Решали уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат для плоского мгновенного источника тепла с учетом конечного времени импульса. По температуре поверхности определяли давление паров металла. В расчетах принимали напряжение на контактах 380  В, силу тока 3  А, время искрового разряда 150  мкс, радиус пятна контакта искрового разряда с поверхностью 152  мкм. В результате расчета определены температура поверхности электродов из чистого материала, температура поверхности электродов из композиционных покрытий, глубина слоя испарения электродов из чистых материалов, потеря массы композиционного покрытия после единичного импульса разряда, относительное изменение объемной электро-эрозионной стойкости электродов из чистых материалов, относительное изменение массовой электроэрозионной стойкости электродов из чистых материалов, относительное изменение объемной электроэрозионной стойкости электровзрывных композиционных покрытий, относительное изменение массовой электроэрозионной стойкости электровзрывных композиционных покрытий. Произведен расчет парциального состава элементов, входящих в композиционное покрытие. Полученные результаты хорошо совпадают с экспериментальными, особенно в тройных системах WCCu, MoCCu и TiBCu. При сравнении с литературными данными наблюдается достаточно хорошая корреляция. Для двойных систем WCu, MoCu причины отклонения состоят в приближениях модели.

140-148 177
Аннотация

Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии изучена эволюция карбидной фазы в поверхностных слоях объемно (пропущенный тоннаж 500 и 100 млн. т брутто) и дифференцированно (пропущенный тоннаж 691,8 млн. т) закаленных рельсов на глубину до 10 мм по центральной оси и по выкружке головки рельсов. Проанализированы зерна пластинчатого перлита, феррито-карбидной смеси, структурно свободного феррита. Установлено протекание в поверхностных слоях при эксплуатации рельсов двух взаимодополняющих механизмов преобразования карбидной фазы стали: механизма разрезания частиц цементита с последующим выносом их в объем ферритных зерен или пластин (в структуре перлита); механизма разрезания, последующего растворения частиц цементита, перехода атомов углерода на дислокации (в атмосферы Коттрелла и в ядра дислокаций), перенос атомов углерода дислокациями в объем зерен (или пластин) феррита с последующим повторным формированием наноразмерных частиц цементита. На месте бывших пластин формируется фрагментированная дислокационная субструктура. Границы фрагментов декорируют места, где раньше были межфазные границы цементит – α-фаза. Основная причина растворения цементита заключается в том, что атомам углерода энергетически выгоднее находиться на ядрах дислокации и на субграницах, чем в решетке цементита. Энергия связи атом углерода – дислокация составляет 0,6 эВ, связи атом углерода – субграница – 0,8 эВ, в то время как в цементите его удерживает 0,4 эВ. Выявлено формирование упругопластических полей напряжений, концентраторами которых являются внутри- и межфазные границы раздела зерен феррита и перлита, пластин цементита и феррита колоний перлита, частиц глобулярного цементита и феррита. Основными источниками кривизны-кручения кристаллической решетки металла рельсов являются внутри- и межфазные границы раздела зерен феррита и перлита, пластин цементита и феррита колоний перлита, частиц глобулярного цементита и феррита. По мере приближения к поверхности катания увеличивается число концентраторов напряжений и амплитуда внутренних дальнодействующих полей напряжений.

ИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХ

149-155 208
Аннотация

На базе динамической модели многодвигательного привода холодильников машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) сформирована математическая модель и выполнена оценка возникающих в приводе низкочастотных динамических процессов. Модель привода холодильников представляет собой восьмимассовую динамическую систему с упругими связями между массами. Описание связей учитывает наличие в них зазоров и демпфирующих свойств. Активная нагрузка в динамической модели описана механической характеристикой гидропривода. В качестве реактивной нагрузки выступает масса подвижных балок и охлаждаемого металла холодильников. Движение всех масс модели описано системой дифференциальных уравнений второго порядка. Интегрирование дифференциальных уравнений выполнялось методом Рунге-Кутта. Для анализа влияния различных факторов на нагрузки, возникающие в приводе холодильника, была написана соответствующая программа для ЭВМ. Оценка динамических процессов в приводе холодильника МНЛЗ показала, что динамическая составляющая нагрузки в элементах машины вертикального перемещения подвижных балок составляет значительную величину. Коэффициент динамичности Kд в элементах привода достигает 2,2 – 2,3. В процессе анализа факторов, влияющих на динамические процессы в приводе холодильника, выявлено, что оптимальное соотношение масс металла, расположенного на холодильнике, и подвижных балок холодильника соответствует значению, близкому к 1,6 – 1,7. Минимальный коэффициент динамичности при этом близок величине  1,5. Характер изменения динамики привода от вязкости рабочей жидкости гидропривода представляет собой плавно понижающуюся линейную зависимость с минимумом, соответствующим значению вязкости жидкости 4·10–5 м2/с. Скорость вертикального перемещения подвижных балок холодильников также оказывает влияние на возникающие в их приводе динамические процессы. При этом, чем выше скорость, тем выше коэффициент динамичности. В рассматриваемых в работе пределах изменения скорости движения подвижных балок холодильника значение Kд меняется от 2 до 2,2. Используемая в работе динамическая модель многодвигательного гидропривода холодильников шагающего типа дает возможность проанализировать возникающие в гидроприводе низкочастотные динамические процессы. В  результате появляется возможность выявить степень влияния на низкочастотные колебания в гидроприводе различных конструкционных и энергосиловых условий функционирования такого привода и, используя расчетный инструмент, выработать оптимальные с точки зрения работоспособности конструктивные решения.

НАУКА ПРОИЗВОДСТВУ

156-163 171
Аннотация

Рассмотрены вопросы использования высокоэффективных технологий при производстве труб на прошивном прессе трубопрессовой установки. Проанализированы существующие базовые и перспективные направления интенсификации режимов деформации в процессах обработки металлов давлением с использованием активных управляемых высокочастотных вибраций. Установлено, что в силу недостаточной изученности вибрационные процессы не находят широкого применения при производстве бесшовных труб. Путем анализа и синтеза ряда известных фундаментальных исследований показано, что благоприятные условия деформации металла достигаются при использовании высокочастотных вибраций. Выявлено, что операция прошивки трубной заготовки на прошивном прессе сопровождается значительными потерями на преодоление сил технологического сопротивления, характерного для процесса неравномерности деформаций по всему объему обрабатываемого металла. Установлены некоторые ранее неизвестные явления, возникающие при реализации существующих технологий прошивки трубных заготовок, что потребовало создания новых математических моделей таких процессов, адекватно отражающих условия осуществления процесса прошивки или экспандирования заготовок на современных прошивных прессах. Составлена математическая модель динамических волновых процессов, возникающих в обрабатываемом металле. Для квазистационарного процесса прошивки трубной заготовки получены дифференциальные уравнения образования волн на соответствующих границах зон очага деформации, характерных для пластической зоны и зоны с трещинообразованием в прошиваемом металле. Определены параметры границы распространения волн в прошиваемой трубной заготовке на сопрягаемых фронтах пластической зоны с зоной возникновения трещинообразования. Установлено, что деформации и напряжения в прошиваемом металле зависят от скорости расширения характерных волн на границе контакта с технологическими инструментами. Обоснована высокоэффективная инновационная технология вибрационной прошивки трубной заготовки на прошивном прессе трубопрессовой установки. Установлены особенности реализации технологии активной управляемой вибрационной прошивки трубной заготовки на прошивном прессе трубопрессовой установки. Показано, что применение высокочастотных колебаний на прессе способствует значительному повышению эффективности технологического процесса прошивки или экспандирования трубных заготовок. Выбором рациональных параметров высокочастотных вибраторов (амплитудно-частотных характеристик), встроенных в систему, получено заметное снижение энергосиловых параметров в процессе прошивки трубной заготовки и достигнуто существенное повышение качества производимых гильз.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

164-167 155
Аннотация

Сформирована формульно-алгоритмическая нормативная модель функционирования технологической линии, рассчитаны технически возможные и нормативные значения тактов работы и производительности линии. Разработана нормативная ситуационная комплексная модель функционирования отделения меднения, учитывающая количество линий, количество используемых «ниток» проволоки на каждой из них для расчета многовариантных технически возможных и нормативных значений производительности системы.



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