Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 61, № 4 (2018)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-4

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

260-267 148
Аннотация

Представлены результаты исследования процесса синтеза высокодисперсного порошка карбида ванадия состава VC0,88 . Карбид ванадия был получен восстановлением оксида ванадия (III) нановолокнистым углеродом (НВУ) в индукционной печи в среде аргона. НВУ  – продукт каталитического разложения легких углеводородов. Основной характеристикой НВУ является высокое значение удельной поверхности (~150  000  м2 /кг), что существенно выше, чем у сажи(~50  000  м2 /кг). Содержание примесей в НВУ находится на уровне 1  % (по массе). На основе анализа диаграммы состояния системы V – C определены состав шихты и верхний температурный предел реакции карбидообразования для получения карбида ванадия в порошкообразном состоянии. На основе термодинамического анализа определена температура начала реакции карботермического восстановления оксида ванадия (III) при различных давлениях СО. Изучены характеристики карбида ванадия с использованием рентгенофазового и элементных анализов, пикнометрического анализа, сканирующей электронной микроскопии с применением локального энергодисперсионного рентгеновского микроанализа (EDX), низкотемпературной адсорбции азота с последующим определением удельной поверхности по методу БЭТ, седиментационного анализа, синхронной термогравиметрии и  дифференциальной сканирующей калориметрии (TГ/ДСК). Полученный при оптимальных параметрах материал представлен одной фазой  – карбидом ванадия VC0,88 . Частицы порошка преимущественно агрегированы. Средний размер частиц и агрегатов составляет 9,2  –  9,4  мкм с широким диапазоном распределения по размерам. Удельная поверхность образцов составляет 1800 – 2400 м2 /кг. Окисление карбида ванадия начинается при температуре примерно 430 °С и практически заканчивается приблизительно при 830 °С. Оптимальными параметрами синтеза являются соотношение реагентов по стехиометрии на получение карбида состава VC0,88 при температуре 1500  –  1600  °С и времени выдержки 20 мин. Показано, что для такого процесса нановолокнистый углерод является эффективным восстановителем и карбидизатором и что оксид ванадия (III) практически полностью восстанавливается до карбида VC0,88

268-273 83
Аннотация

Рассмотрены перспективы развития совмещенных процессов непрерывного литья и деформации для производства листов из стали для сварных труб. Описана конструкция опытной установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для получения стальных полос. Описаны технологические возможности установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации с позиции улучшения качества листов из стали для сварных труб, условия эксплуатации стенок-бойков сборного кристаллизатора установки совмещенного процесса литья и деформации при получении листов из стали для сварных труб. Приведена постановка задачи одновременного определения напряженно-деформированного состояния металла в очаге циклической деформации и напряжения в зависимости от усилия обжатия в стенках-бойках сборного кристаллизатора установки. Приведены исходные данные и граничные условия для определения напряженно-деформированного состояния металла в очаге циклической деформации с использованием пакета ANSYS. Представлены эпюры осевых напряжений при получении листов сечением 3×2250 мм из стали 09Г2С. Проведена оценка схемы напряженного состояния металла в очаге циклической деформации с позиции получения качественных листов из стали для сварных труб. Изложена методика определения осевых напряжений в зависимости от усилий обжатия при получении листов из стали для сварных труб на установке непрерывного литья и деформации. Приведена расчетная схема и характер нагружения стенки-бойка. Расчет напряженного состояния стенки-бойка выполнен в пяти сечениях, результаты представлены для характерных линий. Определены величины и закономерности распределения осевых напряжений в приконтактном слое и по высоте и ширине стенки-бойка в зависимости от усилий обжатия. Приведены величины наибольших сжимающих и растягивающих напряжений в зависимости от усилий обжатия и их распределение в стенках-бойках при получении листов из стали для сварных труб на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.

274-279 76
Аннотация

Анализ существующих методов повышения стойкости калибров прокатных валков показал, что одним из наиболее эффективных способов является наплавка сплошными или порошковыми проволоками, что подтверждается наличием многочисленных материалов исследований отечественных и зарубежных авторов по совершенствованию составов порошковых проволок и сварочных флюсов. Перспективным направлением с точки зрения снижения себестоимости производства наплавочных материалов и обеспечения их требуемых технологических свойств является разработка новых составов порошковых проволок и флюсов на основе техногенных металлургических отходов. Проведенными в рамках развития указанного направления экспериментальными исследованиями показана принципиальная возможность и эффективность использования барий-стронциевого карбонатита при изготовлении сварочных флюсов на основе ковшевых электросталеплавильных шлаков. При проведении лабораторных исследований по наплавке стальных образцов использовали барий- стронциевую флюс-добавку двух видов: смешанный с жидким стеклом барий-стронциевый модификатор и пыль барий-стронциевого модификатора фракции менее 0,2 мм. По полученным данным при использовании различных вариантов составов флюсов с варьированием доли вышеуказанных компонентов обеспечивается удовлетворительное качество макроструктуры наплавленного слоя и снижение загрязненности металла сварного шва такими неметаллическими включениями, как силикаты недеформирующиеся, оксиды точечные и силикаты хрупкие.

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

280-287 124
Аннотация

Приведены данные по исследованию вязкости расплавов сварочных шлаков и электродных покрытий по известной методике с  помощью вращающегося электровискозиметра, работающего по принципу вращающихся коаксиальных цилиндров. Внешним неподвижным цилиндром служил молибденовый тигель с внутренним диам. 20 и высотой 70 мм, заполняемый исследуемым материалом. Внутренним вращающимся цилиндром служила молибденовая головка диаметром и высотой по 10 мм, насаженная на вращаемый молибденовый шпиндель диам. 4 мм. Для изучения вязкости расплавов использовали покрытия электродов, предварительно прокаленные при 1000  °С в  течение 30 – 45 мин с целью исключения вспенивания в процессе плавления, и шлаки, полученные в процессе сварки электродами на рекомендуемых режимах. В результате проведенных исследований сварочных электродов с различными видами покрытий определена вязкость жидких сварочных шлаков (ηш ) и расплавов покрытий электродов (ηп ). Анализ результатов исследований проводили на политермах вязкости расплавов покрытий и шлаков, построенных по экспериментальным данным. Температуру начала и интенсивной кристаллизации, расчет энергии активации вязкого течения выполняли по зависимости логарифма вязкости от обратной температуры расплава. Выявлено, что с точки зрения влияния на перенос электродного металла и формирование шва в процессе сварки наиболее интересны физические свойства расплавов покрытий и шлаков при температурах начала кристаллизации и выше. Минералогический состав и температурные зависимости вязкости расплавленных сварочных шлаков основного вида играют главную роль в обеспечении сварки сверху вниз со сквозным проплавлением корня шва. Электроды с основным видом покрытия для сварки сверху вниз характеризуются сварочными шлаками, имеющими наибольшую истинную вязкость при температуре начала кристаллизации в гомогенной области и высокую энергию активации вязкого течения расплавов. Технологические возможности электродов при сварке определяются «потенциалом технологичности», выражаемым разницей физических свойств расплавов «первичных» и «вторичных» шлаков одних и тех же электродов. Чем выше «потенциал технологичности» по величине и шире номенклатура параметров, его определяющих, тем легче осуществить сварку сверху вниз. При разработке новых основных электродов для сварки сверху вниз принципиально возможен ряд вариантов повышения «потенциала технологичности» путем достижения необходимого минералогического состава сварочных шлаков. С этой целью необходимо снижение содержания фтора, повышение содержания оксидов MnО, FeO и Fe2O3 , частичная замена SiO2 на TiO2 и K2O на Na2O, целесообразно определенное замещение CaO на оксиды FeO и MnO.

288-293 87
Аннотация

Рассмотрена инженерная математическая модель развития физико-химических превращений в объеме окатыша, состоящего из гранул железной руды, известняка и кокса (углеродсодержащего топлива). Показано, что адекватные экспериментальным данным являются математические модели, использующие трехступенчатую схему восстановления. Строгое математическое описание процесса восстановления по этой схеме требует совместного решения задач кинетики последовательно-параллельных реакций и диффузии многокомпонентного газа в порах куска руды. Такой подход не может быть использован в математической модели процесса обжига рудоугольных окатышей вследствие своей сложности. Эта сложность еще более возрастает при учете характерной особенности газового и температурного режимов обжиговой машины, производящей офлюсованные рудоугольные окатыши: изменение состава газа по ходу материала (переход от окислительной атмосферы к восстановительной или нейтральной). Для решения задачи восстановления рудной гранулы важно знать кривые распределения концентраций восстановителей и газообразных продуктов реакции по радиусу. В силу сложности уравнений диффузии, прогрева гранул и химической кинетики используется приближенный метод решения задачи Стефана, развитый Л.С. Лейбензоном, сущность которого состоит в предположении, что в каждый момент времени для заданной концентрации компонента газа в макропорах окатыша в объеме гранулы успевает установиться квазистационарное распределение. Все реакции восстановления оксидов протекают не на  поверхности микропор соответствующего слоя гранулы, а на разделяющих эти слои фронтальных поверхностях, причем восстановление центрального объема первоначального магнетита не получает развития до тех пор, пока соседняя гематитовая область не восстановится до Fe3O4 . При таких условиях вся сложность упрощенной математической модели компенсируется надлежащим выбором алгоритма численного решения системы уравнений. Поскольку ряд упрощений не соответствует реальности (например, слой металлического железа не пропускает газ-восстановитель), приходится использовать эффективные коэффициенты, значение которых устанавливается в процессе адаптации модели.

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

294-299 84
Аннотация

Свойства жаропрочных никелевых сплавов для современного машиностроения определяются термической стабильностью структуры, размерами, формой и количеством упрочняющей γ′-фазы, прочностными характеристиками γ-твердого раствора. Такие сплавы упрочняют путем легирования рением и лантаном. Целью работы являлись качественные и количественные исследования структуры и  фазового состава никелевого жаропрочного сплава, дополнительно легированного рением (0,4  % ат.) и лантаном (0,006  %  ат.). Исследования проводили двумя методами: просвечивающей дифракционной электронной микроскопии и растровой электронной микроскопии. Исследование структуры сплава проводили в трех состояниях: образец 1 – исходное состояние (после направленной кристаллизации (НК)); образец 2 – НК, отжиг при температуре 1150  °С в течение 1  ч, отжиг при температуре 1100  °С в течение 480  ч; образец 3  – НК, отжиг при температуре 1150  °С в течение 1  ч, отжиг при температуре 1100 °С в течение 1430 ч. Исследования показали, что наблюдаемые в супер-сплаве фазы можно классифицировать на основные и вторичные. Основными фазами являются γ′ и γ. Они формируют структуру сплава и присутствуют в виде квазикубоидов γ′-фазы, разделенных прослойками γ-фазы. Остальные фазы являются вторичными. Выявлено, что легирование рением и лантаном приводит к появлению вторичных фаз, а именно: β-NiAl, AlRe, NiAl2 Re; σ; χ; Ni3La2 . Образование вторичных фаз вносит серьезное нарушение в структуру квазикубоидов (γ  +  γ′)-фаз. Рений и лантан не заполняют однородно весь объем сплава, а присутствуют лишь в локальных участках. Поэтому во всех трех состояниях сплава нарушенной оказалась лишь часть объема квазикубоидов (γ  +  γ′)-фаз. Изучена морфология вторичных фаз. Обнаружено, что частицы σ-фазы – это тонкие иглы, в то время как частицы Ni3La2 имеют внутреннюю структуру с характерным контрастом и имеют конечную толщину. Интересной особенностью является то, что σ-фаза и фаза Ni3La2 выделяются в одних и тех же местах. Установлено, что введение лантана и рения изменяет фазовый состав сплава, подавляя образование γ-фазы. Частицы вторичных фаз локализованы в отдельных участках сплава с определенной периодичностью. Образующиеся вторичные фазы являются тугоплавкими: температура плавления β-фазы составляет приблизительно 1600  °C, σ-фазы  – 2600  °C, χ-фазы – 2800  °C. Образование вторичных тугоплавких фаз и их периодическое распределение в структуре способствует упрочнению суперсплава, легированного рением и лантаном.

300-305 112
Аннотация

Представлены результаты комплексных исследований биметаллических образцов, полученых в результате заливки конструкционной стали Ст3 между листами нержавеющей стали Х18Н9Т, помещенных в изложницу с последующей горячей прокаткой трехслойного листа. Таким образом, по внешнему краю образца с обеих сторон был расположен плакирующий слой – сталь Х18Н9Т, в центре слой основного металла – сталь Ст3. Анализ границы соединения подтвердил отсутствие дефектов, его сплошность и высокое качество. Исследование микроструктуры области сопряжения методами оптической, атомно-силовой и электронной металлографии показало, что в направлении от перлитной стали к аустенитной имеют место три структурных составляющих: разупрочненный участок ферритной прослойки; упрочненный участок ферритной прослойки; темнотравящаяся прослойка со стороны аустенитной стали. Методами атомно- силовой микроскопии, в частности контактным методом в режиме «постоянной силы», и оптической металлографии установлено, что со стороны стали Ст3 по мере приближения к границе сопряжения вместо типичной для низкоуглеродистой стали структуры, состоящей из матрицы феррита с перлитными колониями, образуется обезуглероженный слой с чисто ферритной структурой, а со стороны стали Х18Н9Т – науглероженный слой. Кроме того, на границе обнаружен промежуточный слой (карбидный) глубиной до 50 мкм. Характер изменения микротвердости в области сопряжения углеродистой стали Ст3 с плакирующим слоем нержавеющей стали Х18Н9Т показывает значительное повышение прочности материалов. Микроэлементный анализ области соединения Ст3 – Х18Н9Т позволил установить характер изменения концентрации легирующих элементов по мере приближения к границе их соединения. Наличие хрома в стали Ст3 и рост концентрации углерода в нержавеющей стали подтвердили предположение о формировании двух взаимнонаправленных диффузионных потоках, а именно, диффузии углерода из стали Ст3 и легирующих элементов из стали Х18Н9Т. Образующиеся в результате карбиды объясняют повышенную твердость обеих сталей вблизи зоны соединения.

 

306-312 88
Аннотация

В настоящее время значительное распространение получают напряженные железобетонные конструкции различного назначения, в  которых, как правило, создаются напряжения сжатия в бетоне и напряжения растяжения – в арматуре. При этом напрягаемая арматура лучше воспринимает нагрузки, которые оказывают на нее внешние силы в течение всего срока службы сооружения, что позволяет увеличить нагрузку на конструкцию по сравнению с конструкцией с ненапрягаемой арматурой или при прежней величине нагрузки уменьшить размеры конструкции и достичь экономии бетона и стали. Одной из актуальных задач современного метизного производства принято считать разработку технологии изготовления наноструктурированных арматурных канатов, которые являются основным элементом напряженных железобетонных конструкций ответственного назначения. Важнейшей операцией этой технологии является патентирование, в результате которого сталь приобретает структуру высокодисперсной феррито-карбидной смеси (ФКС), обладающую высокой прочностью и в то же время способностью к деформационному воздействию с большими степенями обжатия. В работе исследовано влияние увеличения скорости движения заготовки в агрегате патентирования на формирование структуры и механических свойств сталей марок 80, 70 и 50 с  целью определения возможности повышения производительности патентировочного агрегата без снижения прочностных и пластических характеристик стали при производстве заготовки для наноструктурированных арматурных канатов для железобетонных напряженных строительных конструкций ответственного назначения. Для определения температурно-временных параметров термической обработки с использованием исследовательского комплекса Gleeble 3500 построены диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита сталей указанных марок. Проведен качественный и количественный анализ микроструктуры с определением межпластиночного расстояния ФКС при разных скоростях движения заготовки в агрегате патентирования. Выполнены испытания механических свойств при растяжении. Установлено, что при всех скоростях обработки обеспечиваются практически одинаковые и оптимальные для последующего волочения значения межпластиночного расстояния ФКС в пределах 0,1 – 0,2 мкм. Благодаря формированию при патентировании дисперсной структуры ФКС достигается повышение прочности заготовки, которая при последующем волочении может выдерживать большие обжатия без обрывов. Показано, что при производстве патентированной заготовки для наноструктурированных арматурных канатов можно увеличить скорость движения в патентировочном агрегате до 5 м/мин, а, следовательно, и производительность без снижения прочностных и пластических характеристик заготовки. 

313-318 97
Аннотация

В последние годы внимание исследователей в области физического материаловедения сосредоточено на изучении наплавки композиционных покрытий, упрочненных частицами карбидов, боридов и других высокотвердых фаз. Основным фактором, определяющим эксплуатационные свойства наплавленных слоев, является фазовый состав материала покрытий. Для обоснованного выбора материала покрытий, соответствующего условиям экстремальной эксплуатации, высоких нагрузок, абразивного изнашивания, необходимо проведение подробных исследований их свойств и структуры. В настоящей работе методами современного физического материаловедения исследованы структурно-фазовые состояния и трибологические свойства покрытия, наплавленного на мартенситную низкоуглеродистую сталь Hardox  450 порошковой проволокой системы Fe – С – Cr – Nb – W и модифицированного путем последующей электронно-пучковой обработки в  различных режимах. Параметры пучка электронов на первом этапе: плотность энергии пучка электронов в импульсе ES  =  30  Дж/см2, длительность импульсов τ = 200 мкс, количество импульсов N = 20; на втором этапе: ES = 30 Дж/см2, τ = 50 мкс, N = 1. Режимы облучения выбраны исходя из результатов расчета температурного поля, формирующегося в поверхностном слое материала при облучении в  одноимпульсном режиме. Показано, что электронно-пучковая обработка наплавленного слоя толщиной приблизительно 5 мм приводит к формированию модифицированного поверхностного слоя толщиной около 20 мкм, основными фазами которого являются α-железо и карбид NbC, в  незначительном количестве присутствуют карбиды составов Fe3C и Me6C (Fe3W3C). Основным отличием модифицированного путем электронно-пучковой обработки поверхностного слоя от немодифицированного объема наплавки являются морфология и размеры включений вторых фаз. В модифицированном слое наплавки включения имеют меньшие размеры и расположены в виде тонких прослоек по границам зерен. В немодифицированной наплавке основным морфологическим типом включений являются частицы ограненной формы, хаотически расположенные в объеме зерна. После электронно-пучковой обработки износостойкость наплавленного слоя возрастает более чем в 70 раз по отношению к износостойкости стали Hardox 450, а коэффициент трения существенно снижается (примерно в три раза).

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

319-325 91
Аннотация

Одной из важных и сложных задач создания ERP-системы предприятия является построение календарного плана разработки ИТ-сервисов, составляющих функциональный объем проекта, несколькими, параллельно действующими рабочими группами. Сложность задачи, в частности, связана с необходимостью согласования календарных планов групп между собой, обусловленной существенной зависимостью ИТ-сервисов различных бизнес-процессов, и с потребностью в рациональном распределении общего объема ресурсов между рабочими группами. Приводятся математическая постановка и совокупность процедур решения задачи календарного планирования ИТ-сервисов ERP-системы крупной металлургической компании. Каждый сервис описывается двумя характеристиками: длительностью и затратами на проектирование. Причем затраты на проектирование зависят от времени начала разработки сервиса. Постановка задачи базируется на трех показателях эффективности календарного плана ERP-проекта: на количестве связей между отдельным ИТ-сервисом и  другими сервисами ERP-системы, на длительности действия проектных решений, принятых для каждого сервиса, и на размере бюджета проекта. Первые два показателя использованы для формирования критерия задачи, который описывает степень согласованности календарных планов рабочих групп, а третий принят в качестве ограничения задачи. Для решения задачи применен метод сетевого программирования. Метод декомпозирует сложную исходную задачу на основе структурно-подобного сетевого представления критерия и ограничений на последовательность существенно более простых подзадач, решение которых осуществляется методом дихотомического программирования, а интеграция решений подзадач – посредством применения последовательной композиции. Приведен пример решения исследуемой задачи, в которой структурно-подобное сетевое представление критерия и ограничений описывается ветвью дерева. Построенный календарный план является основой для решения задачи определения функциональных объемов пилотного тестирования ERP-системы и построения технической структуры соответствующей тестовой среды с целью проверки принятых при разработке ИТ-сервисов проектных решений.

326-332 114
Аннотация

Задачи повышения прочности термоупрочненного проката требуют использования целенаправленного поиска технических решений, что определяется уровнем изученности процессов, протекающих в технологических устройствах термоупрочнения, главным из которых является процесс взаимодействия воды с горячим прокатом. Этот сложный комплекс явлений включает движение потоков воды относительно движущегося проката, возникновение паровой прослойки между водой и прокатом, образование наноразмерных капель и их движение через слой пара, удар этих капель о поверхность, возбуждение упругих волн в материале проката. Проведен анализ ранее выведенного дисперсионного уравнения для неустойчивости Кельвина–Гельмгольца границы раздела пар – вода. Показано, что при разности скоростей движения слоев жидкости и пара 30 – 60 м/с наблюдается максимум инкремента в наноразмерном диапазоне длин волн. Средний размер образовавшихся капель определяется длиной волны, при которой достигается максимум зависимости инкремента. Таким образом, предложенный ранее механизм ускоренного охлаждения проката подтвержден количественными расчетами. Капли, попадая на прокат, возбуждают термоупругую волну, которая при распространении по его сечению способствует увеличению ударной вязкости. Для выявления закономерностей распространения упругих волн, созданных каплями в прокате, была поставлена и решена методом интегральных преобразований Фурье и Лапласа несвязная задача теории термоупругости при охлаждении. Оказалось, что поставленная задача аналогична задаче о нагреве поверхности с треугольным профилем температуры. Исследована эволюция волн напряжений. В начальные моменты времени передний фронт волны представляет собой волну растяжения. При отражении от свободного конца волна становится волной сжатия с напряжениями, приводящими к закрытию трещин, и тем самым приводит к повышению ударной вязкости. Полученные результаты могут быть использованы для поиска оптимальных режимов термической обработки проката, обеспечивающих высокие механические свойства.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

333-334 58
Аннотация

Проведенный теоретический сравнительный анализ резки прямой и предварительно изогнутой полосы проката показал энергоэффективность второго способа. Экспериментально подтверждено, что при резке предварительно изогнутой полосы проката в ножницах с параллельными ножами возникает сложное напряженное состояние, при этом снижается сила резания и, соответственно, энергоемкость процесса резания по сравнению с резанием прямой полосы.

 



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


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