Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 61, № 8 (2018)
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-8

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

589-595 50
Аннотация

работе представлены результаты металлографических исследований и механических испытаний стресс-коррозионных дефектов (дефектов КРН), обнаруженных на выходном газопроводе магистральной линейной компрессорной станции. Трубопровод построен из труб импортного производства в начале восьмидесятых годов двадцатого века. Приведены статистика диагностики дефектов в подобных трубопроводах в практике неразрушающего контроля, а также данные об оценке эффективности различных средств диагностики при поиске КРН на трубах большого диаметра. Определена предположительная марка стали, соответствующая металлу трубопровода. Описан вид и морфология исследуемых трещин, определен характер их развития. Показано отсутствие влияния на развитие разрушения
неметаллических сульфидных включений в данном конкретном случае КРН. Показано, что содержание серы в продуктах коррозии не превышает содержание серы в металле образца. В некоторых образцах можно наблюдать пониженное содержание серы, за исключением локальных участков с неметаллическими сульфидными включениями. Получены электронные  изображения, на которых видно, что эти неметаллические включения в данном случае не являются источниками развития разрушения. Приведены результаты циклических испытаний образцов, вырезанных из трубопровода и содержащих трещины. Выбор режима циклических испытаний проводился в соответствии с анализом режима работы компрессорной станции за последний год эксплуатации. Согласно полученным данным, трубные материалы с дефектами на начальном этапе развития показали значительную долговечность при испытательных нагрузках: образцы с трещинами отстояли от 1,6·106 до 7,5·106 циклов нагружения в условиях циклического поперечного изгиба в одной плоскости испытаний при отсутствии  коррозионной среды. В реальном газопроводе при нормальном режиме эксплуатации количество подобных циклов не превышает 120 – 200 в год. Можно сделать вывод, что трубопровод, имеющий дефекты КРН на начальном этапе развития содержит значительный остаточный ресурс при условии, что его металлическая стенка гарантированно защищена от воздействия на дефекты коррозионной среды.

596-600 47
Аннотация

Приведены результаты исследования введения барий-стронциевого карбонатита различного фракционного состава во флюс на основе шлака производства силикомарганца. Показана принципиальная возможность использования их смеси для наплавки и сварки низколегированных сталей, при этом применение барий-стронциевого карбонатита  позволяет снизить загрязненность металла сварного шва неметаллическими включениями. В серии опытов в лабораторных условиях изготавливали и исследовали различные составы сварочных флюсов. В качестве компонентов использовали барий-стронциевый модификатор БСК по ТУ 1717-001-75073896 – 2005 производства ООО «НПК Металлотехнопром», содержащий 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 (по массе), и шлак силикомарганца производства АО «ЕВРАЗ – Западно-Сибирский металлургический комбинат», содержащий 6,91 – 9,62 % Al2O3 ; 22,85 – 31,70 % CaO; 46,46 – 48,16 % SiO2 ; 0,27 – 0,81 % FeO; 6,48 – 7,92 % MgO; 8,01 – 8,43 % MnO; 0,28 – 0,76 % F; 0,26 – 0,36 % Na2O; до 0,62 % K2O; 0,15 – 0,17 % S; 0,01 % P (по массе). Основа флюса – шлак производства силикомарганца, в который вводили флюс-добавку. Флюс-добавку изготавливали по двум вариантам. Первый вариант: путем смешения барий-стронциевого модификатора с жидким стеклом в соотношении 75 и 35 % соответственно. Второй вариант: использовали в качестве флюс-добавки пыль стронций-бариевого модификатора фракции менее 0,2 мм. Приведена технология изготовления флюс-добавки. Наплавку валиков проводили с использованием сварочного трактора ASAW-1250. Отработаны режимы наплавки. Определены химические составы флюсов, шлаковых корок и наплавленного металла. Выполнены  металлографические исследования металла. Анализ на наличие неметаллических включений в зоне шва проведен согласно ГОСТ 1778 – 70. Исследования указывают на снижение загрязненности металла сварного шва силикатами недеформирующимися
и отсутствие силикатов хрупких.

601-605 69
Аннотация

В работе приведены результаты построения диаграмм состав – вязкость шлаков системы СаО – SiO2 – В2О3 , содержащих 15 % Al2O3 и 8 % MgO с использованием метода симплексных решеток, который позволит получать математические модели, описывающие зависимость свойства от состава в виде непрерывной функции. Исследованию подвергался ограниченный участок в виде локального симплекса, представленного двумя концентрационными треугольниками CaO – SiO2 – B2O3 . Планирование эксперимента осуществляли в координатах псевдокомпоненты. Для описания зависимости вязкости шлака от его состава была выбрана математическая модель в виде полинома III степени. В матрице планирования эксперимента составы шлаков приведены в координатах  псевдокомпонентов и исходных компонентов. Шлаки, соответствующие по составу вершинам изучаемого локального симплекса, выплавляли в графитовых тиглях из предварительно прокаленных оксидов марки ЧДА. Составы шлаков, соответствующие остальным точкам плана локального симплекса, получали встречной шихтовкой шлаков вершин симплекса. В опытах для измерения вязкости шлаков использовали молибденовые тигли. Измерения
осуществляли с помощью электровибрационного вискозиметра в токе аргона при непрерывном охлаждении расплава от гомогенно-жидкого до твердого состояния. Результатоы обобщения математического моделирования и графического отображения, представленные в виде диаграмм состав – свойство, позволили количественно оценить влияние основности шлака и содержания B2O3 на вязкость получаемой оксидной системы. Шлаки оксидной системы CaO – SiO2 – B2O3 , содержащей 15 % Al2O3 и 8 % MgO, характеризуются достаточно низкой вязкостью в интервале температур 1450 – 1500 °С. Вязкость таких шлаков значительно увеличивается при снижении температур до 1400 °С. Установлено, что шлаки основностью 2 – 5, содержащие 1 – 4 % B2O3 , характеризуются при постоянных концентрациях Al2O3 (15 %) и MgO (8 %) высокой жидкоподвижностью, их вязкость в диапазоне температур 1450 – 1500 °С не превышает 4 – 7 Пз. Такие шлаки
обладают, как правило, высокими рафинирующими свойствами и могут быть рекомендованы для формирования на установке ковш-печь.

606-612 43
Аннотация

Течение жидкого расплава в кристаллизаторе является малоизученным процессом. Аналитические решения течения расплава в общем случае относятся к сложным математическим задачам, поэтому для моделирования данного процесса применяют численные методы. Цель настоящей работы – использование численного метода, предложенного профессором В.И. Одиноковым, основанным на конечно-разностном представлении исходной системы уравнений. Этот метод успешно был использован в механике сплошных сред, в литейном производстве при математическом моделировании напряженного деформированного состояния оболочковых форм по вы-
плавляемым моделям, а также и в других технологических работах, что говорит о его универсальности. В настоящей работе объектом исследований являются гидродинамические потоки жидкого металла при разливке стали в кристаллизатор прямоугольного сечения при его подаче из погружного стакана с эксцентричными отверстиями, а результатом – пространственная математическая модель, описывающая потоки жидкого металла в кристаллизаторе. Для моделирования процессов, протекающих в кристаллизаторе, использован программный комплекс  «Одиссей». В основу теоретического расчета положены основополагающие уравнения гидродинамики и апробированный численный метод. Решение сформулированной в работе системы дифференциальных уравнений осуществлялось численным способом. Исследуемая область разбивалась на элементы конечных размеров, для каждого элемента записывалась в разностном виде полученная система уравнений. Результат решения – поля скоростей потока металла в объеме кристаллизатора. Для решения полученной системы алгебраических уравнений разработаны численная схема и алгоритм расчета. По разработанной численной схеме и алгоритму составлена программа расчета на языке Fortran-4. Математическая модель позволяет варьировать геометрические размеры кристаллизатора и сечения отверстий выхода металла из погружного стакана, а также может помочь понять схему движения разливаемого металла, влияющую на теплоотвод стенками кристаллизатора, и найти оптимальные параметры выхода жидкого металла из погружного стакана при различных режимах разливки. Приведен пример расчета разливки стали в кристаллизатор прямоугольного
сечения высотой 100 см и сечения в плане 2000×40 (см). Разливка осуществлялась из погружного стакана эксцентрично в обе стороны в горизонтальной плоскости. Результат решения представлен в графической форме. Показано движение потоков жидкого металла, определены их величины и интенсивность. 

НАУКА ПРОИЗВОДСТВУ

613-619 29
Аннотация

Рассмотрена система регулирования параметров электростимулированного волочения (температуры в зоне деформации и усилия волочения), формирующая управляющий сигнал на генератор мощных импульсов тока, принцип действия которого основан на периодическом разряде предварительно заряженного конденсатора на низкоомную нагрузку. Для реализации возможности регулирования амплитуды импульса и увеличения его мощности вместо нерегулируемого источника постоянного тока в зарядном устройстве используются два нереверсивных, включенных последовательно и однонаправленно тиристорных преобразователя, которые позволяют получить регулируемое напряжение на силовых конденсаторах. С целью оптимизации процесса заряда конденсаторов выполнена двухконтурная система подчиненного регулирования параметров с внешним контуром регулирования напряжения и внутренним контуром регулирования тока заряда конденсаторов. В связи с высоким быстродействием переходных процессов при электростимулированном волочении (высокая степень нарастания температуры в зоне деформации из-за значительной величины токового импульса до 10 кА и частоты его воспроизведения до 400 Гц), регулирование параметров вручную практически невозможно. С целью повышения надежности и качества процесса электростимулированного волочения с использованием генератора мощных импульсов тока реализована система автоматического управления электростимулированным процессом волочения (САУЭСВ), которая содержит одноконтурную систему регулирования усилия волочения, а также задержанную обратную связь по температуре в зоне деформации. Зависимости изменения усилия волочения и температуры от частоты воспроизведения импульсов получены по результатам выполненных лабораторных исследований и расчетов с использованием известных и оригинальных методик. Для анализа режимов работы при электростимулированном волочении с использованием системы автоуправления выполнена модель САУЭCВ в среде MATLAB-Simulink. Модель адекватна реальным параметрам, полученным в процессах исследования электропластического эффекта. Разработанная модель позволила усовершенствовать технические характеристики и режимы работы системы. Рассмотрены структурная схема, модель системы в среде MATLAB-Simulink, осциллограммы переходных процессов.
Одноконтурная система автоматического управления усилием волочения с гибкой обратной связью по температуре в зоне деформации позволяет оптимизировать режимы работы, а также повысить надежность процесса электростимулированного волочения. Система рекомендована для применения при исследовании процессов электростимулированной деформации, а также для внедрения в производство при волочении проволоки.

620-624 25
Аннотация

Рассмотрены причины возникновения колебаний (вибраций) в машиностроительных конструкциях и их влияние на работоспособность механизмов. Определено, что одним из основных источников колебаний элементов машин являются подшипники скольжения, в которых вал находится во втулке (вкладышах) с зазором, при выборке которого происходит удар. Рассмотрен принцип действия виброзащитных систем, основным элементом которых является упругий элемент – амортизатор. Проанализировано влияние жесткости упругого элемента на работоспособность подшипников скольжения. Приведена конструкция упругого пневматического элемента повышенной жесткости, выполненного в виде цилиндра с ограниченной радиальной деформацией. Показано, что способность такого элемента центрировать вал относительно геометрической оси опоры под действием радиальной нагрузки обеспечивается возникновением разности площади контакта внешней поверхности корпуса подшипника и поверхности упругого цилиндра. Разработана методика расчета приращения площади контакта упругого элемента, выполненного в виде пневматического цилиндра с ограниченной радиальной деформацией, с поверхностью, через которую передается внешняя нагрузка при заданных параметрах опоры: длине цилиндра и величине избыточного давления газа внутри цилиндра. Считается, что вал находится в подшипнике без зазора, и оболочка, образующая цилиндр, нерастяжимая. Установлено, что деформация и жесткость упругого пневматического цилиндра с ограниченной радиальной деформацией зависят от его длины и величины избыточного давления внутри полости. Полученные математические зависимости позволяют определять и задавать параметры упругого пневматического элемента, выполненного в виде цилиндра с ограниченной радиальной деформацией (длину цилиндра и величину избыточного давления газа внутри цилиндра) в зависимости от условий эксплуатации подшипника скольжения.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

625-630 51
Аннотация

Процессы традиционной химико-термической обработки стали имеют большую продолжительность, поэтому предлагаются новые методы интенсификации диффузионного насыщения с помощью высокоэнергетического воздействия на поверхность материала. При
микродуговом легировании стальное изделие погружают в контейнер, заполняемый порошком каменного угля, и нагревают его путем пропускания электрического тока. В порошковой среде образуются микроразряды, которые концентрируются вокруг изделия и создают область газового разряда с образованием углеродсодержащей газовой среды; эта среда дает возможность осуществлять цементацию стали. Нанесение обмазки, содержащей диффузант, позволяет формировать покрытия карбидного типа за счет одновременной диффузии углерода и легирующих элементов. Изучено влияние микродугового поверхностного легирования стали ванадием на механические свойства диффузионного покрытия, а также выявлен ведущий механизм упрочнения стали при микродуговом легировании. Использовали цилиндрические образцы из стали 20, источником диффузанта являлся порошок феррованадия. Плотность тока на поверхности образцов состав-
ляла 0,3 А/см2, общая продолжительность процесса 3 мин. Механические свойства покрытий оценивали методом индентирования с использованием пирамидального индентора при нагрузках 2,5, 20 и 100 мН. Диффузионный слой толщиной 170 – 180 мкм состоит из основы микротвердостью 8 – 9 ГПа, в которой расположены слаботравящиеся включения размером до 5 мкм микротвердостью 21 – 25 ГПа. Основа слоя представляет собой α-твердый раствор ванадия в железе, а включения являются карбидами типа VC0,863 . Методом атомно-силовой микроскопии установлено, что рельеф поверхности определяется как отдельными относительно крупными карбидными частицами размером до 3 мкм, так и множественными наноразмерными карбидными включениями, которые выполняют роль упрочняющей фазы, обеспечивающей высокую микротвердость покрытия. Методом индентирования поперечного сечения упрочненного слоя с использованием различных нагрузок доказано упрочняющее влияние карбидных частиц. Расчетная оценка возможных механизмов упрочнения показала, что наибольший вклад в упрочнение диффузионного слоя вносит дисперсионная составляющая, которая существенно повышает предел 
текучести α-твердого раствора железа по сравнению с исходным состоянием и в 38 раз превосходит вклад твердорастворного упрочнения.

631-637 50
Аннотация

Методом молекулярной динамики проведено исследование взаимодействия атомов водорода с нанокристаллическими палладием и никелем. Нанокристаллическую структуру палладия и никеля создавали в модели путем кристаллизации из жидкого состояния при наличии нескольких специально введенных кристаллических зародышей. После затвердевания расчетные блоки помимо кристаллической фазы содержат границы зерен и тройные стыки границ зерен. Взаимодействия атомов металла друг с другом описывали с помощью многочастичного потенциала Клери–Розато, построенного в рамках модели сильной связи. Для описания взаимодействий атомов водорода с атомами металла и друг с другом использовали потенциалы Морзе, параметры которых были рассчитаны по экспериментальным данным энергии абсорбции, энергии активации надбарьерной диффузии водорода в металле (при нормальных и высоких температурах), энергии связи с вакансией, дилатации. Согласно полученным результатам при высокой концентрации водорода (рассматривали концентрацию 10 % от количества атомов металла) атомы водорода объединяются в агрегаты, формирующиеся преимущественно вблизи поверхности металла. Агрегаты содержали, как правило, по несколько десятков атомов водорода и обладали низкой диффузионной активностью. При этом энергия связи атомов водорода с этими агрегатами больше, чем с решеткой металла или границами зерен в нем. В палладии водородные агрегаты формировались дальше от поверхности, чем в никеле. По всей видимости, это связано не столько с относительно низкой энергией абсорбции водорода палладием (–0,1 эВ) по сравнению с никелем (0,16 эВ), сколько с различием параметров решеток рассматриваемых металлов: 3,89 и 3,524 Å для палладия и никеля. По этой же причине, видимо, водородные агрегаты в чистой кристаллической решетке чаще наблюдались в палладии, чем в никеле, в котором агрегаты, как правило, формировались в дефектных областях, содержащих избыточный свободный объем: вблизи свободной поверхности, в границах зерен и тройных стыках.

638-643 56
Аннотация

Экспериментальные исследования лазерно-облученных слоев в магнитном поле (МП) показали нетривиальную морфологию поверхности зоны обработки материалов в случае ее подплавления. Наблюдается закручивание тонкого слоя жидкого металла, зона облучения приобретает «серповидный» вид, ориентированный строго определенно относительно магнитного потока. Вероятно, это вызвано эффектом Риги-Ледюка, а также действием сил Лоренца, которые отклоняют направленный поток электронов. В результате наблюдается существенное перемешивание металла в зоне облучения, выравнивание химического состава, что положительно сказывается на прочностных свойствах готовых изделий. Одним из важных последствий влияния МП на результаты лазерной обработки является учет явления магнитострикции. При лазерном облучении без приложения МП на предварительно полированной поверхности образцов наблюдали линии скольжения, являющиеся следствием возникающих термических и структурных напряжений. Путем анализа рельефа облученной поверхности (с использованием современной методики анализа и компьютерной обработки изображений) установлено, что при облучении в МП в условиях магнитострикции уменьшается уровень напряжений в облученных зонах и снижается опасность трещинообразования. Результаты измерения температур по облученному пятну на стадии охлаждения позволили установить, что скорость охлаждения при лазерной обработке при использовании МП существенно выше, чем без его использования. Это накладывает отпечаток на протекающие процессы фазовых и структурных превращений. Сформировавшийся при лазерном нагреве в МП микронеоднородный аустенит с огромной скоростью переохлаждается до температур мартенситного превращения. Затем начинается его трансформация, последовательность которой определяется уровнем локального насыщения, степенью деформации и контролируется температурой. Первые кристаллы мартенсита образуются в наименее насыщенных участках аустенита, причем очень большая скорость (тысячи и десятки тысяч °С/с) начала процесса γ → α-превращения предотвращает самоотпуск мартенсита, который частично может протекать при дальнейшем понижении температуры за счет распространения превращения на оставшийся объем аустенита, захватывая участки разной насыщенности. В результате наряду со «свежеобразованным» мартенситом в зонах лазерной закалки формируется мартенсит, в котором возможно образование сегрегаций углерода или даже ε-карбида, и остаточный аустенит с высокой насыщенностью по углероду. Выделяющиеся дисперсные карбиды способствуют получению достаточно высокой твердости облученного в МП металла.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

644-648 51
Аннотация

При использовании локальных систем автоматического регулирования температуры и избыточного давления греющей среды в рабочем объеме пламенной термической печи камерного типа настройки, как правило, выбирают независимо друг от друга без учета их взаимосвязи. В то же время при управлении расходом топлива и воздуха изменяется не только температура, но и давление в рабочей камере печи, что, в свою очередь, сопровождается изменением газообмена с окружающей средой и оказывает значительное влияние на температуру в рабочей камере. Все это сопровождается существенным перерасходом газообразного топлива, и, как следствие, повышением стоимости термической обработки металла. При использовании схемы отопления с постоянным объемом продуктов горения в печах такого типа управление ее тепловой мощностью сводится к комбинированию различных компонентов газообразного топлива при условии обеспечения заданной температуры в рабочем объеме. По принципу динамического программирования Беллмана оптимизацию управления за цикл термической обработки металла обеспечивали путем выбора для каждого периода квантования оптимального по стоимости состава применяемого топлива. Текущая стоимость топлива служит линейной функцией средних расходов его отдельных компонентов в периоды квантования и нахождение его минимального значения для каждого дискретного момента времени представляли как решение задачи линейного программирования. Разработан алгоритм определения оптимальных значений расходов отдельных компонентов газообразного топлива, а также расхода избыточного воздуха, используемых в качестве управляющих воздействий для автоматических систем регулирования температуры и избыточного давления греющей среды в рабочем объеме печей. Предложена функциональная схема автоматической системы управления, реализация которой позволяет не только оптимизировать технологию отопления по стоимости отдельных компонентов топлива, но и путем самонастраивания обеспечить автономность управления температурой и избыточным давлением греющей среды в рабочей камере печей камерного типа. В процессе управления в режиме реального времени с оптимизацией по стоимости отдельных компонентов топлива выполняется самонастраивание системы.

649-656 48
Аннотация

Представлены результаты математического моделирования в динамическом формате одного из самых важных параметров всякого объекта исследования – эффективности его работы. В качестве объекта исследования выбрана доменная печь объемом 2014 м3. Основными параметрами эффективности этого объекта традиционно используют ежесуточную производительность и удельный расход кокса.В настоящей работе эти два параметра обобщены. При этом учтены разные алгебраические знаки влияния этих параметров на предложенный обобщенный показатель эффективности. С учетом вариации каждого из этих параметров на трех уровнях число уровней обобщенного показателя эффективности определилось как 32 = 9, поэтому измерительной шкалой доходности от эффективной работы доменной печи рационально было принять 9-балльную шкалу. Двумерный массив первичных данных объемом N = 177 преобразован в переходную матрицу размера 9×9 для обработки случайных переходов показателя эффективности из одних состояний в другие методом Марковской цепи с дискретными состояниями и временем. Вычислена совокупность параметров случайного процесса:для долгосрочного прогноза – стационарный вектор вероятностей состояний, среднее время возвратности (реверса) по каждому состоянию эффективности, оценка эффективности работы доменной печи в баллах;для кратковременного прогноза – первое время перехода из каждого состояния в любое другое состояние, номер шага при «всплеске» вероятности для каждого достоверного состояния в начальный момент времени; получены компоненты показателя эффективности. Установлено, что средний уровень анализируемой эффективности доменной печи (суточная производительность П = 3702 т и удельный расход кокса Kуд = 470 кг/т чугуна) достигается в основном за счет кратковременных переходов состояний с низкой эффективностью в состояния с высокой эффективностью и наоборот. Перевод системы на более эффективные и продолжительные состояния представляется возможным, что показала практика на этой же доменной печи. После ремонтных работ по устранению искажения профиля печи суточная производительность возросла до 5048 т при удельном расходе кокса 445 кг/т чугуна, но при этом структура переходной матрицы и расчетные показатели Марковской цепи основательно изменились в сторону увеличения вероятностей пребывания и переходов в более эффективных состояниях. Использование метода Марковской цепи с дискретными состояниями и временем позволяет оценить вероятную величину изменения показателей работы доменной печи в заданном временном интервале при неизменных уровнях параметров, характеризующих условия ее работы. 

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

657-661 42
Аннотация

Проведен термодинамический анализ влияния кремния на растворимость кислорода в расплавах системы Fe – Co – Cr при 1873 К. Кремний в расплавах системы Fe – Co – Cr обладает достаточно высокой раскислительной способностью. При малых содержаниях кремний практически не влияет на концентрацию кислорода, которая определяется содержанием хрома. При более высоком содержании кремния после смены механизма процесса взаимодействия хрома и кремния с кислородом, когда уже кремний определяет растворимость кислорода в расплаве, концентрация кислорода снижается.



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


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