Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 61, № 5 (2018)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-5

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

339-347 128
Аннотация

Представлены результаты исследований по разработке специализированной СВС технологии композиционных ферросплавов для сталеплавильного и доменного производства. Принципиальная задача по их созданию решена путем разработки нового подхода к практической реализации СВС метода – металлургического СВС процесса. Металлургический вариант СВС основан на использовании в новом процессе в качестве основного сырья различных металлургических сплавов, включая пылевидные отходы производства ферросплавов. В этом случае процесс синтеза горением реализуется за счет обменных экзотермических реакций. При этом образуется композиционный материал на основе неорганических соединений со связкой из железа и/или сплава на его основе. Показано, что по агрегатному состоянию исходных реагентов металлургические СВС процессы являются безгазовыми, газопоглощающими и газовыделяющими. Режимы горения при их реализации сильно отличаются. Для организации металлургического СВС процесса в слабо экзотермичных системах возможно использование различных вариантов принципа термического сопряжения. Исследован самораспространяющийся высокотемпературный синтез азотированного феррованадия и феррохрома. Показано, что на закономерности и механизм горения феррованадия в азоте сильное влияние оказывает фазовый состав исходного сплава. При азотировании σ-(Fe – V) происходит активация процесса, связанная с превращением интерметаллида в α-твердый раствор по достижении температуры фазового перехода (~1200 °С). Композиционная структура продуктов азотирования феррованадия формируется за счет слияния твердожидких частиц-капель, состоящих из расплавленного железа и  твердого нитрида ванадия. Твердофазный механизм взаимодействия феррохрома с азотом способствует достижению высокой степени его азотирования. Показано, что скорость горения феррохрома при азотировании в режиме спутной фильтрации, также как и хрома, возрастает с увеличением расхода азота. При этом степень азотирования феррохрома при принудительной фильтрации (4,7 – 7,5 % N) много меньше степени его азотирования при естественной фильтрации (8,8 – 14,2 % N).

348-356 83
Аннотация

На основе вариационного принципа Журдена для жесткопластического тела и кинематически допустимого поля скоростей разработана математическая модель процесса свободного уширения при тонколистовой горячей прокатке. В качестве функционала вариационного уравнения была использована сумма мощностей внутренних сопротивлений, сил трения скольжения, сил среза, переднего и  заднего натяжения. При решении вариационного уравнения Журдена для случая прокатки с натяжением был применен метод Ритца. Вариационное уравнение Журдена превратилось в систему однородных уравнений, левая часть каждого из которых представляла производную по варьируемому параметру. Варьируемыми параметрами стали показатель степени кинематического условия, общее уширение в очаге пластической деформации и уширение в его нейтральном сечении. Разработанная математическая модель процесса уширения горячекатаных полос позволяет исследовать распределение уширения вдоль очага пластической деформации в зависимости от параметров прокатки и полосы. Для проверки адекватности разработанной модели свободного уширения были выполнены экспериментальные исследования на двухвалковом лабораторном стане холодной прокатки. Прокатывались свинцовые образцы, измеренные величины уширения которых совпали с теоретически рассчитанным уширением с точностью менее 10 %. Холодная прокатка свинцовых образцов моделирует горячую прокату. Теоретический анализ влияния натяжений на процесс свободного уширения при приложении натяжений соответствует практическим результатам, представленным в литературных источниках. Показано, что возникающая при приложении натяжений неравномерность растягивающих напряжений в сечениях входа и выхода очага деформации является причиной появления дополнительных мощностей в уравнении их баланса, приводящих к уменьшению величины уширения. Возникающую неравномерность растягивающих напряжений можно использовать для регулирования величины уширения при тонколистовой прокатке. В свою очередь, неравномерность растягивающих напряжений по ширине прокатываемой полосы можно увеличивать или уменьшать с помощью усилий изгиба рабочих валков прокатной клети. В работе представлена схема регулирования величины уширения прокатываемой полосы при горячей прокатке с  помощью усилий изгиба рабочих валков.

357-363 119
Аннотация

Известно, что применение природного газа позволяет снизить количество кокса, необходимое для получения чугуна. В обычной фурме природный газ прижимается к поверхности дутьевого канала потоком горячего дутья и плохо смешивается с ним, что приводит к  неполному сжиганию природного газа и его пиролизу. Поэтому проблема полноты сжигания природного газа является актуальной. Одним из способов улучшения перемешивания природного газа и горячего дутья является вывод газового патрубка в дутьевой канал. Однако для этого варианта недостаточно изучены газодинамика и изменение теплового состояния фурмы. Необходимо также учитывать возможность воспламенения природного газа внутри фурмы. В работе исследовано влияние способа подачи природного газа на газодинамику и  теплообмен в воздушной фурме доменной печи с помощью моделирования в среде AnsysFluent 15.0.7. Приняты упрощающие допущения, в  числе которых в качестве области моделирования рассматривается только текучая среда внутри дутьевого канала, а процессы передачи теплоты воде системы охлаждения учитываются в расширенных граничных условиях. Упрощенная схема расчетной области создана в  приложении DesignModeler, а расчетная сетка – в приложении AnsysMeshing. Заданы граничные условия для дутья, природного газа, а также для границы текучей среды с внутренней обечайкой и рыльной частью. Учитывая симметрию расчетной области, вычисления проводили для половины фурмы. Показано, что при заданных условиях подачи дутья и природного газа, горения внутри фурмы с удлиненным до середины дутьевого канала газовым патрубком не происходит, а природный газ перемешивается с горячим дутьем. Улучшение перемешивания природного газа и горячего дутья, с одной стороны, уменьшает тепловой поток на выходе из дутьевого канала и среднюю температуру газовой смеси, с другой стороны, создает условия для полного сгорания природного газа за пределами фурмы.

364-371 71
Аннотация

Используя идеи системного подхода и основываясь на опыте, накопленном при теоретическом изучении, проектировании и промышленном освоении процессов сортовой прокатки широкого спектра профилей, на кафедре обработки металлов давлением Уральского федерального университета разрабатывается универсальная «Концепция оптимальной калибровки». Общая идеология оптимизации калибровки сортопрокатных валков изложена авторами в работе «Концепция оптимальной калибровки сортопрокатных валков. Основные положения». В рамках разрабатываемой концепции рассмотрены понятия непрерывного и дискретного пространства калибров. Для построения дискретного пространства калибров предложено использовать метод классификации. В качестве измерений пространства калибров взяты наиболее значимые, простые и наглядные характеристики калибров. Как пример использования рассматриваемой процедуры, выполнено построение дискретного пространства рельсовых калибров. При этом в качестве измерений (характеристик) пространства калибров использованы технологические и геометрические особенности рельсовых калибров: Т – тип калибра по характеру и целям формоизменения, С – наличие осей симметрии и Р – положение разъема валков калибра или количество валков, образующих калибр. Наполнение пространства калибров проведено в процессе структурного анализа рабочих калибровок прокатных валков, известных из литературы и заводских атласов калибровок. Пространство калибров представлено в виде трехмерной таблицы, отражающей в структурированном виде полное множество всех возможных рельсовых калибров. Установлено, что для каждой из выбранных характеристик калибров (Т, С и Р) существует ограниченное количество уровней варьирования (6, 4 и 7 соответственно). Геометрически возможно лишь 97 сочетаний уровней характеристик, каждое сочетание однозначно определяет вид конкретного рельсового калибра и имеет собственный формальный код. Изменение уровня любой характеристики в этой таблице приводит к переходу в пространстве калибров к другой точке этого пространства, т. е. к использованию калибра другого вида. Рассмотренный подход к построению пространства калибров может быть использован при создании систем автоматизированного проектирования и оптимизации калибровок прокатных валков.

 

372-377 93
Аннотация

В работе изложено современное состояние проблем автоматизации и контроля показателей мокрого магнитного обогащения на железорудных горно-обогатительных комбинатах. Приведены данные по погрешности измерений современных анализаторов вещественного состава пульпы. Показана возможность применения фильтра Калмана в целях получения наиболее точной информации о содержании ценного компонента в концентрате и хвостах продуктов магнитного сепаратора. Дано математическое описание динамики показателей обогащения в координатах состояния в виде системы дифференциальных уравнений. Выбраны предельно допустимые и номинальные значения расхода воды в ванну сепаратора и частоты вращения его барабана, а также соответствующие им данные по массовой доле магнетитового железа в концентрате и хвостах на основании справочной информации. С помощью программы компьютерного моделирования MATLAB составлены нелинейные статические характеристики, отражающие зависимость технологических показателей магнитного обогащения от управляющих воздействий. Проведена линеаризация динамической модели системы с использованием разложения в ряд Тэйлора в окрестности точек, отвечающих номинальному режиму работы. Рассчитаны передаточные функции регулирующего клапана расхода воды асинхронного двигателя, вращающего барабан. Определены среднеквадратические отклонения управляющих параметров, влияющих на процесс сепарации. Получены расчетные соотношения для определения ковариационных матриц шума системы, описывающей динамику показателей магнитного обогащения, и шума их измерений приборами, контролирующими содержание магнетитового железа в концентрате и хвостах. Представлен алгоритм оценивания координат состояния фильтром Калмана, состоящий из двух этапов: предсказания состояния системы и корректировки вектора состояния. Приведены результаты моделирования с использованием среды программирования MATLAB в виде временных диаграмм, отражающих динамику технологических показателей обогащения, их оценку фильтром Калмана и ошибки измерения. Работа системы была рассмотрена при случайных изменениях управляющих воздействий. Подведены итоги, где сообщается о необходимости использования фильтра Калмана в задачах автоматизации и контроля процесса обогащения железных руд.

378-384 84
Аннотация

Одним из наиболее продуктивных и надежных методов исследования процессов обработки металлов давлением является прямое физическое моделирование на реальном металле. Ограничения этого метода применительно к производству сварных труб, как правило, связаны только с отсутствием специализированного оборудования для моделирования процесса непрерывной валковой формовки. В  2014  г. на кафедре обработки металлов давлением НИТУ «МИСиС» была создана лаборатория моделирования наиболее распространенных процессов формовки сварных прямошовных труб, получаемых непрерывными или дискретными способами. Лаборатория включает в себя специализированный «ТРЕНАЖЕР ТЭСА 10-50» (ТРЕНАЖЕР), позволяющий моделировать непрерывные процессы получения сварных труб малого диаметра. На ТРЕНАЖЕРе можно моделировать процессы непрерывной формовки труб малого и среднего диаметра по основным производственным схемам трубоэлектросварочных цехов: получения сварных труб круглого сечения из ленты, профилированных труб из листовой заготовки и профилированных труб из предварительно сформованной круглой или овальной заготовки. В исследовательской части рассмотрен очаг деформации трубной заготовки, включающей внеконтактный очаг сворачивания, контактный очаг деформации и участок распружинивания. Первоначально были рассчитаны параметры формоизменения трубной заготовки в монотонном и валковом очагах формовки по принятым методикам. Затем проведено сравнние полученных результатов по динамике изменения ширины заготовки по фиксированным сечениям очага деформации. Далее, проверены параметры валкового инструмента на соответствие рассчитанных размеров. Для первой валковой клети непрерывного очага был организован и проведен эксперимент для тех же условий, но в реальном валковом очаге. Полученный экспериментальный образец, размеченный по восьми сечениям, был обмерен после выхода заготовки из приводной клети и полученные данные занесены в таблицу. Анализ проведенных результатов показал, что формоизменение параметров поперечных сечений соответствует принятым положениям о характере геометрии заготовки в валковых приводных калибрах. Расхождение теоретических и экспериментальных данных для валкового очага не превышает 1,5 %.

385-392 70
Аннотация

Обеспечение стабильности размеров штампованно-катаных железнодорожных колес, рациональных силовых режимов работы прессов и высокой стойкости деталей инструмента деформации металла, а также уменьшения массы исходных заготовок являются актуальными научно-техническими задачами. Указанная стойкость во многом определяет затраты, связанные с выбором марки стали для штампов, технологии их изготовления и технологической смазки. В настоящей работе на основе результатов конечно-элементного моделирования выполнен анализ влияния схем штамповки колесных заготовок на силовые режимы работы формовочного пресса и износ инструмента деформации применительно к современным прессопрокатным линиям. Показано, что схемы штамповки, которые предусматривают регламентированное распределение металла между центральной и периферийной частями подаваемой в штампы заготовки, характеризуются рациональным силовым режимом формовочного пресса. Величина средней силы в этом случае составляет 63 – 70 % от величины средней силы при штамповке из заготовки, осаженной гладкими плитами. Исключение преждевременного заполнения ступицы способствует уменьшению средней (по верхнему и нижнему штампам) величины износа формовочных штампов на 20 – 24 %. Установлено, что в  процессе обжатия металла в области диска, чем раньше образуется подпор течению металла со стороны формовочного кольца, тем меньше величина проскальзывания деформируемого металла относительно поверхности формовочных штампов в зонах их наиболее интенсивного износа (перехода от диска к ободу) и, как следствие, меньше величина износа. Также определено, что схема деформирования металла в формовочных штампах, обеспечивающая заполнение гребня при осевом обжатии металла в зоне обода, снижает проскальзывание металла относительно поверхности формовочных штампов в местах перехода от диска к ободу. Дополнительное снижение величины износа в этом случае составляет 27 – 33 %. Стабильность размеров штампованно-катаных железнодорожных колес возможна на основе схем штамповки, обеспечивающих регламентированное распределение металла между центральной и периферийной частями заготовки и ее самоцентровки в формовочных штампах. Это позволит уменьшить массу исходных заготовок на 7 – 10 кг.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

393-398 116
Аннотация

Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы на основе железа в последнее время широко используются для создания защитных материалов, эффективных в широком диапазоне магнитных и электромагнитных полей. Эти сплавы получают в виде лент методом сверхбыстрой закалки плоской струи расплава на быстровращающемся диске-холодильнике. В процессе получения аморфных лент расплавленный в высокочастотном индукторе металл подается через прорезь на поверхность закалочного диска, при этом поверхностные слои, контактирующие с диском-холодильником формирующейся аморфной ленты охлаждаются быстрее, чем наплывающие сверху и не контактирующие с диском холодильником. В результате на «контактной» стороне ленты могут формироваться остаточные напряжения сжатия, а на «свободной» стороне ленты – напряжения растяжения. Все это может приводить к анизотропии структуры по толщине ленты, а, следовательно, и свойств, при последующей термической обработке. В работе приведены результаты исследования структуры методом просвечивающей микроскопии (планарная геометрия и геометрия поперечного сечения) по толщине ленты сплава АМАГ-200 системы Fe – Nb – Cu – Si – B, полученной методом спинингования. Установлена взаимосвязь структурных изменений в аморфном сплаве АМАГ-200 системы Fe – Nb – Cu – Si – B, возникающих в процессе управляемой кристаллизации с особенностями структуры аморфной ленты, полученной методом сверхбыстрой закалки расплава со скоростями охлаждения до 106 К/с, которая объясняет анизотропию структуры по толщине ленты. Установлено, что термообработка при температуре 530 °С формирует высокие магнитные характеристики и снижает работу разрушения за счет формирования оптимальной аморфно-нанокристаллической структуры в части объемной доли кристаллитов и их размера. Исследован с помощью электронного сканирующего микроскопа характер разрушения ленты, связанный со структурой, сформированной в процессе получения сверхбыстрой закалки из расплава и после термообработки при температуре 530 °С. Установлено, что вид поверхностного разрушения ленты в состоянии поставки при ударном измельчении носит вязкий характер, а после термообработки  – устойчиво хрупкий характер.

399-406 83
Аннотация

Наиболее значимой тенденцией последних десятилетий в области непрерывной разливки стальных слитков является частичный перенос процесса деформационного воздействия на него из области полного затвердевания (прокатный стан) в зону двухфазного (твердо-жидкого) состояния (технологическая линия МНЛЗ). Однако реализация подобной двухступенчатой деформации непрерывнолитого слитка приводит к необходимости изменения методологии физического моделирования поведения дефектов (поверхностных и объемных) в процессе последующей прокатки и, в первую очередь, в части правильного выбора их геометрической формы и пространственной ориентации. В работе представлены результаты исследования влияния фактора пространственной ориентации дефектов поверхности и  макроструктуры металла осевой области (сплошности) деформированной в линии МНЛЗ сортовой заготовки с использованием слоистых физических моделей. Экспериментальное исследование выполнено применительно к условиям деформирования редуцированной непрерывнолитой заготовки по двум схемам прокатки с масштабом моделирования 1:5. Работа проводилась в гладких валках, имитирующих процесс бескалибровой прокатки применительно к условиям первых двух клетей обжимной группы непрерывного среднесортного стана  300, а также в первой и второй парах прямоугольных калибров обжимной клети стана 500/370 ПАО «Донецкий металлопрокатный завод». Учитывая многовариантность решаемой задачи, была разработана универсальная конструкция физической модели, позволяющая имитировать пространственное расположение как поверхностных, так и внутренних дефектов. Проведенные исследования показывают, что в случае прокатки физических моделей с коэффициентом вытяжки более 2,0 и углом несоосности дефектов-имитаторов, близким к  60°, возможно их полное «залечивание». В свою очередь, уменьшение угла до 30° способствует большей вытяжке дефектов-имитаторов и лишь незначительному уменьшению их ширины. В случае полной несоосности дефектов-имитаторов (угол 90°) наблюдается лишь уширение дефектов и их осаживание до начальной длины после кантовки на 90°. Полученные экспериментальные данные позволили развить представления о механизмах «залечивания» дефектов сплошности металла в зависимости от величины суммарной вытяжки, угла несоосности продольной оси дефекта с направлением прокатки, а также от удаленности их залегания по отношению к продольно-поперечной плоскости симметрии.

407-412 86
Аннотация

Представлено исследование взаимодействия монокарбида вольфрама и низкоуглеродистой стали контактным и бесконтактным вариантами. Подложки из спрессованного порошка карбида вольфрама, спеченные в вакуумной печи, пропитывались низкоуглеродистой сталью определенного химического состава. Весь процесс фиксировался на высокоскоростную видеокамеру, что позволяло измерить контактный угол смачивания в любое время эксперимента. Практическое исследование проводилось на экспериментальном комплексе в  Центре высокотемпературных исследований Научно-исследовательского института литья (Foundry Research Institute, г.  Краков, Польша). Представлен ход эксперимента, исследование микроструктур полученных подложек. Изучение химического состава продуктов взаимодействия монокарбида вольфрама с низкоуглеродистой сталью проводили на сканирующем электронном микроскопе Jeol JSM-6460 LV. Пропитка всех образцов прошла успешно, во всех областях на срезах подложек наблюдается одинаковая структура, состоящая из трех фаз: зерен карбида вольфрама и железо-углерод-вольфрамовых соединений с различным содержанием железа (86,72  % и 22,86 – 23,68 %). На  краевых областях, примыкающих к верхней грани, можно наблюдать большее количество Fe – C – W-соединений с содержанием железа 22,86 – 23,68 %. Это объясняется тем, что пропитка данных областей происходила в последнюю очередь, и железо растворило карбид в большей степени, чем в других областях. В местах непосредственного взаимодействия подложек и металла четко идентифицируются зерна карбида вольфрама, скрепленные между собой расплавом на основе железа (с различным содержанием железа в разных фазах). На обоих образцах на горизонтальной грани подложек в области, прилегающей к области впитывания, наблюдается частичное покрытие поверхности образцов пленкой железа. Краевые зоны горизонтальной грани подложек полностью покрыты пленкой железа, под которой располагаются зерна карбида вольфрама. Несмотря на применение различных методик изучения взаимодействия монокарбида вольфрама с низкоуглеродистой сталью (контактного и бесконтактного нагрева), значительной разницы между структурами образцов не наблюдается.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

413-415 81
Аннотация

В последнее время востребованность железорудных концентратов руд Ковдорского месторождения сохраняется, несмотря на сложность их использования для производства техногенного сырья. Магнетит ковдорских руд имеет гетерогенное строение и его железо не участвует в процессах расплавообразования при спекании агломератов. Поэтому вплоть до основности 2,0 связкой рудных зерен готового продукта является силикатная стеклофаза. С ростом основности выше 2,0 минеральный состав и микроструктура агломератов меняются. Магнетит окисляется до гематита, на контакте гематита с высококальциевым расплавом появляется алюмосиликоферрит, остаточный расплав раскристаллизовывается с образованием титаносодержащего силиката.

 

416-417 63
Аннотация

Приведены результаты вычислительного эксперимента по изучению влияния технологических погрешностей на вертикальную и горизонтальную силы прокатки. В качестве независимых факторов выбраны исходная разностенность заготовки, подача и коэффициент трения, проведен полный факторный эксперимент. Получены уравнения линейной регрессии величины усилий от изучаемых факторов. Анализ данных расчетов показал, что значения сил, полученных при максимальных показателях факторов, намного превышают значения, полученные при минимальных показателях факторов: вертикальная сила различается более, чем в 2 раза, а осевое усилие – более, чем в  8  раз. Сделан вывод о том, что погрешности установки параметров режимов прокатки могут вызвать многократный рост усилий прокатки, особенно горизонтальной составляющей. Поэтому для стабильной работы прокатных станов необходимы соблюдение технологической дисциплины и контроль исходной разностенности заготовки.



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


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