Подводя итоги научной деятельности 2017 года, можно с уверенностью сказать, что НИТУ «МИСиС», опираясь на научный по­тенциал и опыт преподавателей и научных сотрудников, достигает все более значимых успехов в области фундаментальных и прикладных исследований. Благодаря развитию лабораторий, приглашению в университет признанных мировым научным сообществом исследователей и участию в амбициозных международных научных проектах, с каждым годом в университете проводится все больше исследова­ний и разработок как по традиционным, так и по новым для НИТУ «МИСиС» направлениям. В данной статье представлены основные результаты научно-технической и инновационной деятельности НИТУ «МИСиС» за 2017 г. Подробно рассмотрены вопросы вхождения в международные рейтинги, финансирования университета, результаты научной и инновационной деятельности, а также публикационной активности сотрудников.  

Исследованы микроструктура и кристаллическое строение образцов стали 9X2МФ и 8Х3СМФА с лазерной наплавкой. Образцы отобраны от рабочих валов реверсивного прокатного стана в условиях ПАО «Уралмашзавод». Заваривание поверхностных трещин в вал­ках с применением лазера считается эффективным методом восстановления деталей в условиях мелкосерийного производства. Исследо­вания выполнены с целью контроля качества стальных изделий с лазерной наплавкой. Контроль качества рабочих валов прокатных станов с лазерной наплавкой направлен на выявление дефектов металлургического происхождения (неметаллические включения, несплошно­сти, области с неоднородностью химического состава) в зонах наплавки и термического влияния и проводится ультразвуковым мето­дом. Металлографическое изучение микроструктуры и кристаллического строения образцов стали с лазерной наплавкой необходимо для разработки методики ультразвукового контроля. Основным средством металлографического обнаружения дефектов металлургического происхождения в сталях является растровая электронная микроскопия с функциями микрорентгеноспектрального анализа (EDS-анализ) и дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD-анализ). Металлографическое исследование выполнено с помощью сканирующе­го электронного микроскопа CarlZeiss AURIGA CrossBeam, оборудованного аналитическими системами для исследования элементного состава поверхности методом рентгеноспектрального микроанализа (EDS) и исследования кристаллической структуры поверхности ме­тодом дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD). В результате металлографического исследования образцов стали с лазерной наплавкой, отобранных от рабочих валов реверсивного прокатного стана, обнаружены дефекты металлургического происхождения по границе наплавки. Размер микронеоднородностей для стали 9X2МФ составляет 10 – 50 мкм, элементный состав включает Mn, Si и O. Размер микронеоднородностей для стали 8Х3СМФА составляет 1 – 3 мкм, а элементный состав включает Mn, Cr и Mo. Установлено, что металл наплавки является менее текстурованным и имеет более однородные акустические характеристики, чем основной металл, что необ­ходимо учитывать при ультразвуковом контроле качества стальных изделий с лазерной наплавкой. При ультразвуковом контроле рабочих валов с лазерной наплавкой рекомендовано установить уровень фиксации сигнала с отражающей способностью, эквивалентной диаметру плоскодонного отверстия 1,5 мм.

Освещены результаты анализа направлений и современных методов исследований в области непрерывной разливки стали, свя­занных с выявлением и устранением факторов, оказывающих негативное влияние на качество поверхности непрерывнолитых загото­вок. Показано, что существующая концепция построения систем быстрой смены погружных стаканов, эксплуатируемых на слябовых МНЛЗ, приводит к формированию на каждом ручье машины в течение серийной разливки 20 плавок некондиционного участка заготовки длиной 30 – 40 м, образующегося в итоге из-за нестабильных гидродинамических условий в кристаллизаторе. Приведены результаты исследования на физической модели изменений траектории и скорости движения потоков металла в кристаллизаторе слябовой МНЛЗ, связанных с заменой погружных стаканов в процессе серийной разливки стали, а также предложены рекомендации по снижению дли­тельности негативного воздействия данного фактора на условия формирования отливаемой заготовки. При помощи контрольно-измери­тельного комплекса с тензорезисторным преобразователем установлено, что перепад скоростей жидкостных потоков у противоположных узких стенок модели кристаллизатора, вызывающий нарушение тепловых условий формирования корочки непрерывнолитой заготовки, в случае использования прямоточных погружных стаканов может достигать значений 2,0 – 2,3, а для безнапорных глуходонных стаканов с двумя боковыми отверстиями, разделенными рассекателем, 1,2 – 4,0. С использованием материалов скоростной видеосъемки также получена информация о нарушении симметрии траектории циркуляционных контуров потоков расплава в кристаллизаторе, обусловлен­ном проведением операции замены изношенного погружного стакана. В ходе исследований визуализацию траекторий движения потоков воды, имитировавшей жидкую сталь, в модели кристаллизатора обеспечивали введением воздуха через канал модели стопора-моноблока промежуточного ковша, благодаря чему симулировали подачу аргона во время разливки. Полученные сведения позволили разработать новый принцип построения системы быстрой смены погружных стаканов, заключающийся в совмещенном и параллельном выполнении ее структурными элементами (манипулятором, разливочным и переталкивающим устройствами) отдельных этапов процесса замены огне­упорных изделий. Это позволяет сократить временные затраты на смену изношенного погружного стакана и повысить выход годного при производстве слябовой заготовки на МНЛЗ.  

Показано, что закономерности горения ферросилиция в азоте во многом схожи с горением металлического кремния. С увеличе­нием в исходном ферросилиции концентрации кремния повышается интенсивность его взаимодействия с азотом, что проявляется в зна­чительном росте скорости горения. Концентрация азота в продуктах горения при этом увеличивается. Во всем исследованном диапазоне изменения исходных параметров (давление азота, дисперсность порошка, состав шихты) основной фазой в продуктах горения является β-Si3N4 . Заметных количеств α-Si3N4 не обнаруживается. Для практического применения оптимальным является использование ферро­силиция марок ФС75 и ФС90 для производства огнеупорных материалов, а для получения легирующих композиций стали – наиболее чистые по примесям марки сплава ФС65 и ФС75. Введение в систему Ti – B (Tад = 3190 К) железа значительно сужает концентрационные пределы горения. Смесь со сплавом с 16,9 % B горит в узком диапазоне концентраций Ti:B, близком 0,86. При горении смеси (Fe – B) + Ti повышение начальной температуры значительно расширяет концентрационные пределы синтеза. Во всех случаях повышение исходной температуры приводит к значительному увеличению скорости горения. Разогрев до T0 ≥ 300 °C позволяет вовлечь в СВС процесс смеси с более крупными порошками титана (rср.Ti ≥ 0,4 мм). Синтез реализуется в широком интервале изменения соотношения B:Ti. Горением та­ких смесей возможно получение сплава с 6 – 14 % B и 30 – 60 % Ti. Создано специализированное промышленное оборудование – ряд СВС реакторов с рабочим объемом 0,06, 0,15 и 0,3 м3 для серийного производства продукции на основе тугоплавких неорганических соедине­ний для металлургии. Освоено промышленное СВС производство композиционных материалов на основе бескислородных соединений.  

Для определения причин снижения эксплуатационного ресурса колосников обжиговых тележек из стали 40Х24Н12СЛ выпол­нен сравнительный анализ результатов макроисследований колосников после эксплуатации с результатами моделирования условий их эксплуатации. Моделирование проведено с применением метода конечных элементов, что позволило достичь высокой достоверности полученных результатов. Для этого было задано максимально возможное достоверное количество граничных условий моделирования, полученных как из макроисследований, проведенных ранее, так и из научной литературы. Применение метода конечных элементов позво­лило определить, что по сечению детали образуется высокий градиент температур с локальными зонами перегрева. Показано, что характер перегрева предсказуем и связан с условиями подачи теплоносителя в рабочую зону во время эксплуатации детали. Установлено, что в детали во время эксплуатации локально образуются зоны с большими значениями внутренних напряжений и деформаций. Показана зако­номерность появления этих зон, сильно зависящая от наличия неоднородностей в структуре детали, а также предположительно связанная с геометрической сложностью отливки. Установлено, что при наличии усадочных раковин все значения напряжений и деформаций резко возрастают, особо высоко растут значения в локальных максимумах. При этом характер распределения локальных зон с высокими значе­ниями напряжений и деформаций при наличии усадочных раковин остается практически неизменным. Анализ характера расположения зон с высокими значениями напряжений и деформаций позволил получить объяснение существующего принципа разрушения колосников трещинообразованием во время эксплуатации. Доказано, что одной из основных причин, вызывающих коробления, растрескивания и изломы колосников обжиговых тележек из стали 40Х24Н12СЛ является наличие в структуре металла усадочных раковин. В результате моделирования условий эксплуатации описан механизм протекания дефектообразования колосников, полностью совпадающий с результа­тами макроисследований и наблюдений, полученными во время эксплуатации.

Проведен краткий анализ существующих методов уменьшения объема прибылей. Выделены их преимущества и недостатки. Обосновывается область применения методов оптимизации формы прибылей с целью увеличения выхода годного. Рассмотрено фактическое положение усадочных дефектов в прибылях различной конструкции. Отмечены закономерности расположения и формы усадочных рако­вин в зависимости от формы верхней части прибыли, что позволило выделить четыре группы прибылей и отметить отличия в эффектив­ности их работы. Для уточнения механизма формирования усадочных дефектов в прибылях с различной формой верхней части и оценки эффективности их работы предложено использовать методы математического моделирования. Целесообразность применения методов математического моделирования подчеркивается возможностью идеализации внешних воздействующих факторов на тепловые процессы в форме, что труднодостижимо в фактических условиях литейного производства. В качестве среды моделирования использовалось прило­жение SOLIDCast. Начальные и граничные условия математического моделирования были идентичны для всех типов прибылей. Резуль­таты прогноза усадочных дефектов представлены в виде изоповерхностей, размеры которых были положены в основу оценки эффектив­ности работы прибыли. На основании результатов математического моделирования предложен подход к оценке эффективности тепловой работы прибылей различной конструкции. В основе оценки эффективности рекомендовано использовать характеристики положения уса­дочного дефекта в объеме прибылей. Продемонстрирован расчет эффективности применения прибылей равных габаритов, но с различной конструкцией верхней части. Предложенный показатель эффективности хорошо согласуется с геометрическим модулем (отношением объема к площади поверхности прибыли). Увеличение значения модуля прибыли увеличивает ее тепловую эффективность. Показано, что применение концентратора позволяет увеличить эффективность прибыли. На основании анализа изотермических линий в продольном се­чении прибылей предложено объяснение механизма тепловой работы концентратора и его влияния на расположение усадочной раковины. Обосновываются рекомендации по увеличению выхода годного литья за счет изменения формы верхней части прибыли. Показана возмож­ность увеличения выхода годного на 4 % и уменьшения брака отливок за счет оптимизации формы верхней части прибылей.  

Во всех отраслях машиностроения используются метизные изделия, получаемые из проката методом холодной высадки, качество которого оценивается требуемыми химическим составом и пластичностью, отсутствием разброса механических характеристик по всей длине, отсутствием внутренних и поверхностных дефектов. Конкурентное преимущество готовых метизных металлоизделий является результатом оптимизации на всех технологических переделах: от выплавки металла проката до высадки готовых метизных изделий. При этом, работая над снижением себестоимости и достижением требуемого качества метизов, важным условием является обеспечение без­опасности и уменьшения энергоемкости и трудозатратности процесса их изготовления. Важную контролирующую роль в этой техно­логической цепочке играет этап подготовки материала для его холодной объемной штамповки. Высокопрочный крепеж, получаемый в условиях холодной высадки, чаще всего получают из хромистых сталей. В последнее время активно внедряются альтернативные борсо­держащие стали. Однако из-за возможного образования оксидов и нитридов бора, приводящих к снижению прокаливаемости, они облада­ют нестабильностью термического упрочнения в процессе закалки металлоизделий. Кроме того, прокат хромистых сталей, как правило, на 12 – 16 % дешевле. А с учетом того, что зарубежные поставки таких сталей связаны с дополнительными расходами, производимый из борсодержащих сталей крепеж получается с еще большим увеличением стоимости, что опять говорит в пользу хромистых сталей. В работе получены стандартные механические характеристики, а также критерии разрушения проката из стали 40Х, подвергнутой патенти­рованию в селитровой ванне с различной температурой и последующего волочения с разной степенью деформации при обжатии. Выяв­лен оптимальный режим подготовки параметров структуры и механических характеристик проката перед операцией холодной объемной штамповки метизных металлоизделий: патентирование (температура селитровой ванны 400 °С) и волочение (степень деформации при обжатии в пределах от 5 до 10 %). Установлено, что обработка по этому режиму обеспечивает получение требуемого качества проката и является более предпочтительной, чем действующая на производстве.

Рассмотрено фактическое положение усадочных дефектов в прибылях различного дизайна. На основании результатов математического моделирования, предложена методика по оценке эффективности тепловой работы прибылей различного дизайна. В основе оценки эффективности предложено использовать характеристики положения усадочного дефекта в объеме прибылей. Продемонстрирован расчет эффективности применения прибылей равных габаритов, но с различным дизайном верхней части. Предложенный показатель эффективности хорошо согласуется с отношением объема к площади поверхности прибыли (V/S).Увеличение значений V/Sприбыли увеличивает ее тепловую эффективность. Показано, что применение концентратора позволяет увеличить эффективность прибыли. На основании анализа изотермических линий в продольном сечении прибылей предложено объяснение механизма тепловой работы концентратора и его влияния на расположение усадочной раковины. Обосновываются рекомендации по увеличению выхода годного литья за счет изменения формы верхней части прибыли.

Во всех отраслях машиностроения используются метизные изделия, получаемые из проката методом холодной высадки. Его качество оценивается требуемыми химическим составом и пластичностью, отсутствием разброса механических характеристик по всей длине, отсутствием внутренних и поверхностных дефектов. Конкурентное преимущество готовых метизных металлоизделий является результатом оптимизации на всех технологических переделах: от выплавки металла проката до высадки готовых метизных изделий. При этом работая над снижением себестоимости и достижением требуемого качества метизов важным условием является обеспечение безопасности и уменьшения энергоемкости и трудозатратности процесса их изготовления. Важную контролирующую роль в этой технологической цепочке играет этап подготовки материала для его холодной объемной штамповки. Высокопрочный крепеж, получаемый в условиях холодной высадки, чаще всего получают из хромистых сталей. В последнее время активно внедряются альтернативные борсодержащие стали. Однако из-за возможного образования оксидов и нитридов бора, приводящих к снижению прокаливаемости, они обладают нестабильностью термического упрочнения в процессе закалки металлоизделий. Кроме того, прокат их хромистых сталей, как правило, на 12-16% дешевле. А с учетом того, что зарубежные поставки таких сталей связаны с дополнительными расходами, производимый из боросодержащих сталей крепеж получается с ещё большим увеличением стоимости, что опять говорит в пользу хромистых сталей. В работе получены стандартные механические характеристики, а также критерии разрушения проката из стали 40Х, подвергнутой патентированию в селитровой ванне с различной температурой и последующего волочения с различной степенью деформации при обжатии. Выявлен оптимальный режим подготовки параметров структуры и механических характеристик проката перед операцией холодной объемной штамповки метизных металлоизделий: патентирование (температура селитровой ванны 400ºС) и волочение (степень деформации при обжатии в пределах от 5% до 10%). Установлено что обработка по этому режиму обеспечивает получение требуемого качества проката и является более предпочтительной, чем действующая на производстве.

Для существующих и уже строящихся угольных ТЭЦ известные методы утилизации золошлаковых отходов (ЗШО) могут быть востребованы при учете всех возникающих новых экологических и экономических рисков, но для нового электрогенерирующего источ­ника при выборе технологии сжигания угля необходимо более существенно повышать значимость экологической составляющей проекта. Считается, что наиболее перспективными технологиями сжигания угля, повышающими экологическую безопасность именно методом сжигания, являются технологии на основе циркулирующего кипящего слоя. Они позволяют существенно снизить выбросы оксидов серы и азота за котлом, но решение проблемы золошлаковых отходов остается на прежнем уровне. Проблему утилизации ЗШО при реализации новых энергетических проектов или при замене выбывающих мощностей угольной генерации предлагается решить заменой сжигания угля в потоке или кипящем слое на сжигание твердого топлива в барботируемом шлаковом расплаве. Даны описания и схемы данных методов. Представлено сравнение основных качественных технических и экологических показателей технологий пылеугольного сжи­гания и сжигания в шлаковом расплаве. Развитие угольной генерации предполагается по двум основным направлениям: сжигание угля с повышением параметров пара и газогенерация с комбинированным циклом электрогенерации: паровым и газовым, основанным на га­зификации твердых топлив. Эти направления позволят увеличить электрическое КПД паросиловых установок от 30 – 36 до 44 – 45 % на сверхкритических параметрах пара, а при использовании парогазового комбинированного цикла до 50 – 55 %. Предложена технологическая схема газификации угля в шлаковом расплаве, повышающая электрический КПД установки. Показана экологическая и экономическая эффективность метода газификации твердого топлива и простота производства изделий из шлака методом литья. При этом качество литых шлакокаменных изделий значительно выше аналогичных цементно-песчаных изделий с добавлением золы уноса, а легкость перехода с одной формы литья на другую позволяет быстро реагировать на запросы рынка.  

Дальнейшее развитие угольной электроэнергетики России, особенно в районах Сибири и Дальнего Востока в соответствие с Энергетической стратегией, предопределяет необходимость решения проблемы утилизации золошлаковых отходов во вновь реализуемых проектах. Применение основных существующих и предлагаемых технологий по утилизации золошлаковых отходов в виде производства строительных материалов, извлечения металлов и других полезных веществ ограничивается экономическими, организационными, транспортными факторами или возникновением новых экологических рисков. Проблему утилизации ЗШО предлагается решить заменой метода сжигания угля в потоке на метод газификации твердого топлива в барботируемом шлаковом расплаве.

Освещены результаты анализа направлений и современных методов исследований в области непрерывной разливки стали, связанных с выявлением и устранением факторов, оказывающих негативное влияние на качество поверхности непрерывнолитых заготовок. Показано, что существующая концепция построения систем быстрой смены погружных стаканов, эксплуатируемых на слябовых МНЛЗ, приводит к формированию на каждом ручье машины в течение серийной разливки 20 плавок некондиционного участка заготовки длиной 30 – 40 м, образующегося в итоге из-за нестабильных гидродинамических условий в кристаллизаторе. Приведены результаты исследования на физической модели изменений траектории и скорости движения потоков металла в кристаллизаторе слябовой МНЛЗ, связанных с заменой погружных стаканов в процессе серийной разливки стали, а также предложены рекомендации по снижению длительности негативного воздействия данного фактора на условия формирования отливаемой заготовки. При помощи контрольно-измерительного комплекса с тензорезисторным преобразователем установлено, что перепад скоростей жидкостных потоков у противоположных узких стенок модели кристаллизатора, вызывающий нарушение тепловых условий формирования корочки непрерывнолитой заготовки, в случае использования прямоточных погружных стаканов может достигать значений 2 – 2,3, а для безнапорных глуходонных стаканов с двумя боковыми отверстиями, разделенными рассекателем, 1,2 – 4. С использованием материалов скоростной видеосъемки также получена информация о нарушении симметрии траектории циркуляционных контуров потоков расплава в кристаллизаторе, обусловленном проведением операции замены изношенного погружного стакана. В ходе исследований визуализацию траекторий движения потоков воды, имитировавшей жидкую сталь, в модели кристаллизатора обеспечивали введением через канал модели стопора-моноблока промежуточного ковша воздуха, благодаря чему симулировали подачу аргона во время разливки. Полученные сведения позволили разработать новый принцип построения системы быстрой смены погружных стаканов, заключающийся в совмещенном и параллельном выполнении ее структурными элементами (манипулятором, разливочным и переталкивающим устройствами) отдельных этапов процесса замены огнеупорных изделий. Это позволяет сократить временные затраты на смену изношенного погружного стакана и повысить выход годного при производстве слябовой заготовки на МНЛЗ.

В работе приведены расчеты аналитических выражений четверной металлической системы Fe – Si – Al – Mn и фазовые составы комплексного сплава алюмосиликомарганца. Аналитические выражения получены методом выведения уравнений трансформации, выражающих любую вторичную систему через первичные компоненты базовой системы. Месторасположение заданного состава распла­ва определяли по положительным величинам коэффициентов уравнений определенного политопа, рассчитанного по уравнению Хиза. Полученный в полупромышленных условиях химический состав комплексного сплава алюмосиликомарганца соответствует тетраэдру FeAl3 – Al – Si – Mn11Si19 с объемом V = 0,216811. При этом установлено, что составы алюмосиликомарганца, получаемые из углей Ка­рагандинского угольного бассейна, в отличие от сплава АМС из экибастузских углей, стремятся в области тетраэдров с относительно большим объемом. Составы сплавов, моделируемые такими тетраэдрами с большим объемом, более устойчивы и технологически пред­сказуемы. Практическое применение результатов термодинамически-диаграммного анализа к составам различных марок алюмосилико­марганца сводится к нахождению элементарных тетраэдров, внутри которых ограничиваются их составы, а нормативное распределение первичных фаз между вторичными соединениями для них равны 100 % рассматриваемого тетраэдра. Ориентируясь на нормативное рас­пределение первичных фаз между соединениями (вторичными фазами), находящимися на вершинах тетраэдра Fe – Si – Al – Mn, можно дать металлургическую оценку расплавов. Это впоследствии позволит определить фазовый состав металлических продуктов при вы­плавке различных марок алюмосиликомарганца и предельные остаточные содержания в них кремния и алюминия при одновременном использовании последних в процессах восстановления марганца из марганцевой руды, а также кремния и алюминия из высокозольного угля. Выведенные аналитические выражения для оценки вида и количества образующихся в ней вторичных фаз системы Fe – Si – Al – Mn являются универсальными и могут использоваться как при выплавке различных марок алюмосиликомарганца, так и при оценке составов ферросиликоалюминия и ферросиликомарганца.  

В работе описан метод непрерывного деформационного наноструктурирования проволоки. Сущность метода состоит в одновре­менном наложении на непрерывно движущуюся проволоку деформации растяжения волочением, деформации изгиба при прохождении через систему роликов и деформации кручения. Совмещение деформационных воздействий на проволоку позволяет в широких пределах изменять ее механические свойства, сочетая при этом высокую прочность и пластичность. Преимуществами такой схемы деформирования являются использование имеющегося в метизном производстве инструмента, совместимость со скоростями грубого и среднего волоче­ния проволоки, а также простота установки. Приведена схема лабораторной установки для осуществления данного метода. В качестве объекта исследований была выбрана углеродистая проволока из стали марки 50, поскольку она является востребованным видом метиз­ной продукции. Представлены химический состав и механические свойства проволоки в исходном состоянии. Проведены эксперименты по исследованию эффективности получения ультрамелкозернистой структуры в проволоке с применением метода деформационного на­ноструктурирования на лабораторной установке. Приведены режимы деформационной обработки проволоки и маршрут ее волочения. Исследована микроструктура проволоки из углеродистой стали марки 50 в продольном и поперечном сечениях на поверхности и в цент­ральной области после различных видов деформационной обработки. В ходе экспериментальных исследований установлено влияние вида деформационной обработки на микроструктуру стали и ее анизотропию по сечению проволоки. Представлены результаты исследования механических свойств проволоки из углеродистой стали марки 50 при различных видах деформационной обработки. Проведена проверка уровня механических свойств на соответствие требованиям действующих в настоящее время стандартов на проволоку. Показано, что ме­ханические свойства проволоки при всех видах обработки удовлетворяют требованиям ГОСТ 17305-91. Результаты металлографических исследований и механических испытаний после комбинированного деформационного воздействия позволяют судить о перспективности выбранного направления по совмещению различных методов деформирования для формирования ультрамелкозернистой структуры в углеродистой проволоке.  

Проведен термодинамический анализ влияния ванадия на растворимость кислорода в расплавах системы Fe – Co – Cr. Ванадий в расплавах системы Fe – Co – Cr при малых содержаниях повышает концентрацию кислорода, которая определяется количеством хрома. При более высоком содержании ванадия после смены механизма процесса взаимодействия хрома и ванадия с кислородом, когда уже ва­надий определяет растворимость кислорода в расплаве, концентрация кислорода первоначально снижается, а затем, после прохождения точки минимума, растет.