Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 61, № 10 (2018)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-10

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

 755 -759 65
Аннотация

Основным и решающим фактором продувки в кислородных конвертерах является взаимодействие высокоскоростной струи кислорода с расплавленной ванной. Характер этого взаимодействия определяет гидродинамику и величину потерь металла с выносами и выбросами, исследование которых наиболее доступно с помощью холодного моделирования. В работе приведены результаты лабораторных  исследований на изготовленной в масштабе 1:30 физической модели 160-т конвертера. Изучали влияние дутьевых режимов на характер  разбрызгивания жидкости при ее продувке через фурму с пятьюсопловым наконечником на 10 горизонтах по высоте модели по трем зонам  рабочего объема модели конвертера: прифурменной, пристеночной и зоне выноса за пределы модели, что на практике соответствует интенсивности формирования гарнисажа на фурме, горловине конвертера и элементах ОКГ. Выявлено, что общее количество брызг жидкости,  выносимой за пределы модели, носит экстремальный характер в зависимости от уровня расположения фурмы с заметным снижением  количества брызг при нулевой высоте ее расположения над жидкостью, а также выше определенных значений. Установлена возможность  снижения интенсивности формирования брызг и величины потерь жидкости в пределах исследованных зон за счет применения низковольтного электрического потенциала: при отрицательной полярности в большей степени в прифурменной и в пристеночной зонах, а при  положительной полярности – за пределы модели. Выявлено, что начало практического влияния потенциала и максимальная величина «полезной» мощности, выделяемой в подфурменной зоне, определяются конкретным сочетанием значения давления перед соплом и уровнем  расположения наконечника фурмы: чем выше давление перед соплом, тем выше необходимо располагать фурму для достижения максимальных значений «полезной» мощности.Выполненные на физической модели эксперименты при продувке солевых водных растворов  газами с использованием электрических потенциалов показали возможность расширения области применения разрабатываемого метода  на процессы, не связанные с металлургией. 

760-765 73
Аннотация
Рост интенсивности плавки на доменных печах ОАО «НЛМК», который достигнут путем повышения качества кокса и железорудных материалов, повышения давления под колошником и обогащении дутья кислородом, сопровождается увеличением скорости косвенного восстановления вюстита и снижением удельных потерь тепла с охлаждающей водой. Однако при высокой интенсивности существенно увеличиваются риски возникновения расстройств схода шихты. Установлено, что наряду с изменением качества шихтовых материалов причиной нарушения схода шихты может служить изменение распределения рудной нагрузки по радиусу печи. Разработан новый метод диагностики причин, которые приводят к расстройству схода шихтовых материалов. С использованием метода математического моделирования выполнен анализ влияния изменения рудной нагрузки и крупности железорудных материалов на изменение температуры периферийных газов и степень использования монооксида углерода. Метод основан на анализе совместного изменения температуры газов и степени использования монооксида углерода в периферийной области. Анализ изменения температуры периферийных газов и степени использования соединения СО позволяет выявлять причины изменения перепадов давления по высоте печи. В результате анализа динамики изменения перепадов давления по высоте печи найдены признаки, по которым можно судить о вероятности расстройства схода шихты. Рассмотрены возможность снижения перепада давления за счет перераспределения рудной нагрузки по радиусу печи и количества газов. Показано, что различные способы снижения количества газов сопровождаются различными изменениями расхода кокса и производительности печи. Разработана математическая модель для выбора наилучшей, в конкретных условиях, комбинации изменения параметров комбинированного дутья.
766-773 62
Аннотация

В различных отраслях производства неравномерность распределения материальных и энергетических ресурсов существенно влияет на стабильность технологического процесса и снижает качество выпускаемой продукции. В частности в доменном производстве неравномерность распределения материалов шихты и температуры газов существенно влияет на технико-экономические показатели работы печи. Анализ библиографических источников показал, что для оценки неравномерности обычно использовались различные коэффициенты, учитывающие изменчивость материальных и энергетических ресурсов в процессе производства продукции. Наибольшее распространение получил коэффициент вариации, введенный К. Пирсоном еще в 1895 г. Установлена связь квадрата коэффициента вариации V2 величины Х2k = (n(N-1))/N V2,  согласно которой случайная величина V2 имеет Х2k распределение с k степенями свободы, k = N - 1, где n = n1 + n2 + ... + nN, ni - значение i-го измерения, i = 1,N, N - число измерений. Предлагаемая методика оценки неравномерности основана на статистиках  X 2kи X2, так же введенных К. Пирсоном соответственно в 1901 и 1904 гг. Последняя из них предназначалась для проверки гипотезы H0-соответсвия эмпирического и статистического распределений. Методика определения окружной неравномерности распределения материалов и газов в доменной печи основана на согласованности X 2k и X2 статистик Пирсона с помощью так называемого квантильного множителя q, если в расчетах X2 используется по аналогии не частоты измеряемых величин, а значения самих физических величин. В данной методике X2-статистику после коррекции применили для определения меры отклонения (р) от равномерного распределения, т. е. вычислили коэффициент неравномерности р = р(Х2k ), Р є (0; 1 - а),  X 2k = X2кор = qX2. Для согласования статистик X2 и  X 2k при измерениях физических величин (температура, давление) или материалов (сыпучих, газообразных) X2-статистику необходимо корректировать так, чтобы qX2max ≈ X 2k (α), X2max сX(2k ,..., Х2k , где M - число экспериментов, для которых определялись значения X2-статистики; Х 2k (α) - верхняя а-квантиль х* статистики; q - квантильный множитель, вводимый для коррекции значений X2-статистик; X2max- предельное значение X2-статистики, допустимое для определения меры неравномерности. Методика апробирована для оценки относительной неравномерности компонентов загружаемой шихты и распределения окружной температуры на доменных печах ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» объемом 2014 и 1370 м3. Выявлено влияние последовательности набора компонентов шихты в бункер бесконусного загрузочного устройства печей на коэффициент окружной неравномерности материалов и технико-экономические показатели плавки.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

774-779 89
Аннотация

Приведены результаты анализа влияния микролегирования бором на структуру и свойства трубной стали марки 17Г1С-У Исследования структуры металла выполнены методами электронной микроскопии и локального рентгеноспектрального анализа. Установлено, что металл, содержащий 0,006 % бора, характеризуется повышенной (до 0,029 %) объемной концентрацией оксидных и оксисульфидных включений, содержание которых в металле без бора достигает 0,006 %. При этом в металле с бором, содержащем 0,003 % серы, практически отсутствуют отдельные сульфидные включения, концентрация которых не превышает 0,004 % против 0,029 % в металле без бора, содержащем 0,01 % серы. Микролегирование трубной стали бором обеспечило преимущественное формирование мелких неметаллических включений, равномерно распределенных в объеме металла. Доля неметаллических включений размером не более 2 мкм составляет 76,1 %, тогда как в стали без бора только 58,5 %. При этом крупные неметаллические включения размером более 10 мкм в образце с бором практически отсутствуют; их доля не превышает 0,6 %, что в 22 раза меньше их количества в образце без бора. Структура образца без бора состоит преимущественно из феррита и небольшого количества перлита, а образец с бором представлен дисперсной феррито-бей-нитной структурой. При добавлении бора в сталь наблюдается повышение микротвердости как феррита, так и перлита на 80 и 100 HV10 соответственно. Горячекатаный металлопрокат из борсодержащей трубной стали 17Г1С-У толщиной 10 мм благодаря формированию преимущественно мелких неметаллических включений и мелкодисперсной феррито-бейнитной структуры характеризуется повышенными прочностными свойствами с сохранением пластических характеристик. Абсолютные значения предела текучести и временного сопротивления металлопроката трубной стали, содержащей 0,006 % B и 0,003 % S, достигают без термообработки 585 и 685 МПа соответственно и отвечают классу прочности Х80; сохраняются достаточно высокие пластические характеристики. Металлопрокат трубной стали без бора, содержащей 0,01 % S, относится к классу прочности Х70 и характеризуется пониженными до 540 и 610 МПа пределом прочности и временным сопротивлением соответственно.

780-786 51
Аннотация

Изучена возможность создания высокопористых композитов состава сталь – графит путем спекания по максимально простой технологии при температуре ниже 1000 °С в электрической печи без вакуума. Основная цель исследования была оценить способность такого  композита проявить высокую износостойкость при скольжении по медному контртелу под воздействием электрического тока контактной  плотностью более 100 А/см2. Порошковая сталь была изготовлена путем восстановления из шлифовального шлама производства подшипников. Композиты имели низкие механические свойства и высокое удельное электрическое сопротивление. Высокая сквозная пористость  была показана с помощью оптической металлографии. Триботехническое нагружение композитов было осуществлено по схеме контакта  типа вал – колодка со скоростью скольжения 5 м/с и при контактном давлении 0,09 МПа. Было отмечено, что сухое трение этих композитов  вызвало появление слоя переноса на поверхности скольжения медного контртела. Это привело к уменьшению электропроводности скользящего электрического контакта и увеличению общей шероховатости поверхности скольжения меди. Пропитка индустриальным маслом  пористого каркаса композитов приводила к значительному увеличению удельной поверхностной электрической проводимости контакта  и к снижению линейной интенсивности изнашивания по сравнению с этими же характеристиками сухого контакта. Катастрофическое  изнашивание в этих условиях начиналось при контактной плотности тока 150 – 200 А/см2. Показано, что размещение свинцовой пластины  и композита в держатель образца, а также осуществление их совместного скольжения под воздействием электрического тока вызывало  дополнительное увеличение электрической проводимости и снижение интенсивности изнашивания до 3 – 11 мкм/км при контактной  плотности тока около 250 А/см2. Катастрофическое изнашивание в присутствии свинцовой пластины и индустриального масла в зоне  контакта начиналось при контактной плотности тока 250 – 300 А/см2. Установлено, что любой режим трения не приводил к разрушению  поверхности скольжения меди. Зависимость характеристик контакта от концентрации графита не наблюдалась в явном виде. Сделан вывод  о перспективности применения восстановленной подшипниковой стали для создания токопроводящих материалов, износостойких под  воздействием электрического тока высокой контактной плотности. 

787-793 48
Аннотация

Мартенсит и бейнит, формирующиеся в стали при термообработке, являются наиболее сложными структурами, в том числе и для количественной интерпретации. Часто эти стали эксплуатируются при высоких статических и динамических сжимающих напряжениях. Тщательный и всесторонний анализ структуры этих материалов после различных видов обработки позволяет грамотно использовать их для изготовления деталей и конструкций, обеспечивая комплекс необходимых физико-механических свойств. Факторами, определяющими механические свойства материалов, являются структура твердого раствора, наличие наноразмерных частиц вторых фаз, дислокационная субструктура, типы и расположение различного рода границ, внутренние поля напряжений. Для успешного управления процессом формирования структуры и фазовых состояний, определяющих механические свойства материалов, необходимо знание количественных закономерностей и механизмов деформационного упрочнения сталей различных структурных классов при активной пластической деформации. В настоящей работе методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии выполнен анализ процесса деформационного упрочнения стали 38ХН3МФА с мартенситной структурой и стали 30Х2Н2МФА с бейнитной структурой при активной пластической деформации сжатием до 26 и 36 % соответственно. В работе рассмотрены вклады деформационного упрочнения, обусловленные внутрифазными границами, дислокационной субструктурой, карбидными фазами, атомами легирующих элементов, дальнодействующими полями напряжений. Установлено, что наибольший вклад в деформационное упрочнение закаленной стали 38ХН3МФА дает субструктурное упрочнение, обусловленное внутренними дальнодействующими полями напряжений, и твердорастворное упрочнение, обусловленное наличием атомов углерода. Для нормализованной стали 30Х2Н2МФА упрочнение также происходит за счет действия внутренних полей напряжений, за счет внедрения атомов углерода в кристаллическую решетку феррита, а также фрагментации структуры при степени деформации, превышающей 26 %. Сравнительно малый вклад в упрочнение этих сталей вносят дислокационная субструктура и частицы карбидной фазы. Показано, что причина разупрочнения бейнитной стали при больших (более 15 %) степенях деформации связана с активацией процесса деформационного микродвойникования.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

794-799 53
Аннотация
В черной и цветной металлургии разработан ряд технологий, в основе которых лежат барботажные процессы. Для прогнозирования  параметров плавки, включающей восстановление металлов из оксидного расплава газом-восстановителем в барботируемом слое в  промышленных агрегатах, предложена методика термодинамического моделирования, в основе которой лежит расчет равновесия в системе  оксидный расплав – металл – газ. Оригинальность методики состоит в том, что равновесие определяют для каждой единичной порции газа,  вводимой в рабочее тело, при содержаниях оксидов восстанавливаемых металлов в каждом последующем расчетном цикле, равных равновесным в предыдущем. Для анализа взята оксидная система 1,8 % NiO – 17,4 % FeO – 13,5 % CaO –1,9 % MgO – 58,0 % SiO2  –  7,4  % Al2O3, по содержанию компонентов близкая к составу окисленной никелевой руды. Соотношение H2O/H2 в газовой смеси варьировали в пределах 0 – 1,0. В зависимости от количества и состава газа, введенного в рабочее тело, оценивали содержание оксидов никеля и железа  в  расплаве (1823 К), определяли количество и состав образующегося металла (ферроникеля), а также показатели (кратность шлака, степени восстановления металлов), важные при реализации процесса в промышленных условиях. Увеличение расхода водорода монотонно  снижает содержание оксида никеля в расплаве, в то время как содержание оксида железа первоначально возрастает, а затем – снижается.  При введении H2 в количестве около 50  м3/т расплава содержание оксида никеля в нем снижается до 0,017  %, а оксида железа до 16,7 %.  Образующийся ферроникель содержит 61 % никеля, кратность шлака составляет 42 единицы. Дальнейшее увеличение расхода H2 ведет к  предпочтительному восстановлению железа. Повышение соотношения H2O/H2 ухудшает показатели восстановления металлов из расплава: уменьшается степень восстановления никеля и железа, увеличивается содержание никеля в сплаве и кратность шлака. Однако даже при  соотношении H2 /H2O равном 1,0, что соответствует содержанию 50,0 % H2O в смеси газов, процесс восстановления не прекращается. Для  сравнения в  работе приведены данные по изменению содержания оксидов никеля и железа при восстановлении металлов из аналогичных  расплавов монооксидом углерода. При степени восстановления никеля 98 % показатели близки в случае использования как Н2 , так и СО.  Однако для их достижения водорода требуется в 2,5 раза, а смеси, в которой Н2О/Н2 = 0,11 (90 % Н2 ), – в 1,36 раз меньше, чем монооксида  углерода.
800-806 60
Аннотация

Представлены результаты исследования процесса синтеза высокодисперсного порошка диборида хрома. Диборид хрома был получен восстановлением оксида хрома Cr2O3 нановолокнистым углеродом (НВУ) и карбидом бора в индукционной печи в среде аргона.  НВУ  – продукт каталитического разложения легких углеводородов. Основной характеристикой НВУ является высокое значение площади 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). Использованный в качестве реагента карбид бора характеризовался высокой дисперсностью (на уровне ~2  мкм)  и незначительным содержанием примесей – не более 1,5  % (по массе). На основе анализа диаграммы состояния системы Cr – В определены состав шихты и верхний температурный предел реакции боридообразования для получения диборида хрома CrВ2 в порошкообразном  состоянии. На основе термодинамического анализа определена температура начала реакции восстановления оксида хрома Cr2O3 углеродом и  карбидом бора при различных давлениях СО. Состав и характеристики диборида хрома изучены с использованием рентгенофазового анализа, метода атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП), 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 – диборидом хрома CrВ2 . Содержание примесей в дибориде хрома не превышает 2,5 % (по массе). Частицы порошка преимущественно агрегированы. Средний размер частиц и агрегатов составляет 7,95 мкм с широким диапазоном распределения по размерам. Площадь  удельной поверхности однофазного образца составляет 3600  м2/кг. Окисление диборида хрома начинается при температуре 430  °С и при  достижении температуры 1000 °С степень окисления составляет примерно 25 %. Оптимальными параметрами синтеза являются соотношение реагентов по стехиометрии на получение диборида хрома при температуре 1700 °С и времени выдержки 20 мин. Показано, что для  такого процесса нановолокнистый углерод является эффективным реагентом и что оксид хрома Cr2O3 практически полностью восстанавливается до диборида хрома. 

ЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

807-812 47
Аннотация

Разработана концепция социально ориентированной информационной технологии, основанная на интеграции диверсификационных и технологических процессов для создания дополнительной продукции и объектов инфраструктуры путем поэтапного структурного синтеза процессов переработки и восстановления нарушенных земель. Предложена структура концепции, состоящая из эмпирических предпосылок, принципов, модели повышения уровня экологической безопасности, показателей оценки требований, результатов реализации и критериев достоверности. Основные принципы повышения уровня экологической безопасности: предотвращение экологического ущерба, внедрение полного цикла рационального природопользования; согласование интересов органов государственной власти, инвесторов, собственников и социума; интеграция технологий переработки отходов, рекультивация нарушенных земель и создание объектов социальной инфраструктуры. Концептуальная модель повышения уровня экологической безопасности отражает взаимодействие основного и вспомогательного производства утилизации техногенных ресурсов и восстановления нарушенных территорий с последующим созданием объектов инфраструктуры. Результаты реализации социально ориентированной информационной технологии отвечают характеристикам: предметность, интерпретируемость, проверяемость, достоверность, полнота, непротиворечивость. В соответствии с предложенным инструментарием разработаны сценарии повышения уровня экологической безопасности города Новокузнецка в условиях функционирующих предприятий черной металлургии с получением из отходов сырья для самой металлургической промышленности, материалов для строительных нужд (строительных кирпичей, добавок к бетону), удобрений для сельского хозяйства. Получены прогнозные оценки сценариев до 2037 года: экономический эффект; площадь восстановленных земель; объем загрязнений окружающей среды, полученных в результате производственной деятельности; численность населения горно-металлургического района; нормативные показатели; предотвращенный объем загрязнения, приходящийся на душу населения. Строительство комплекса планируется в течение 2019 - 2020 гг., ввод в эксплуатацию в 2021 г., поэтапное создание объектов социальной инфраструктуры с 2033 г. В результате моделирования выявлены ежегодный рост прогнозных показателей по рассматриваемым сценариям за счет синтеза поэтапных процессов переработки отходов и восстановления нарушенных земель, снижение объема загрязнений природной среды, обусловленное вводом в эксплуатацию без- и малоотходных производств.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

813-817 54
Аннотация

Один из важных факторов, определяющий длительность начальной (опытно-промышленной) эксплуатации ERP-системы, - это качество подготовки пользователей к совместной работе в интегрированной (на уровне элементарных транзакций) системе управления. Очевидно, что длительность начальной эксплуатации и соответствующие потери от инцидентов, возникающих при эксплуатации ERP-системы, могут быть существенно уменьшены не только за счет качественного проектирования и тестирования ERP-системы, но в значительной мере за счет повышения уровня компетенций пользователей, достигаемых посредством обучения. Приводится математическая постановка задачи формирования программы обучения для пользователей ERP-системы крупной металлургической компании, в которой критерием является общее приращение компетенций пользователей в результате реализации программы обучения. Процедура решения задачи базируется на методе сетевого программирования, который опирается на структурно-подобное сетевое представление критерия и ограничений. В работе приведены общая схема и пример решения исследуемой задачи, в котором отдельные оценочные задачи решены методом дихотомического программирования. Полученные приближенные решения поставленной задачи могут быть улучшены посредством нахождения глобального оптимума исходной задачи методом ветвей и границ, в котором в качестве границ применяются значения целевой функции найденного приближенного решения. На практике бывает целесообразно рассмотреть задачу, обратную к рассмотренной в статье, в которой критерием являются затраты на обучение. В силу структурного подобия функций приращения компетенций и затрат на обучение обратная задача может быть решена по той же схеме, что предложена для прямой задачи. Рассмотренная задача может быть обобщена посредством учета предпочтений пользователей относительно значимости отдельных программ относительно других с помощью введения соответствующих «весов». Общая схема решения задачи при этом не изменится.

818-823 46
Аннотация

Коксохимическое производство является высокотехнологичным процессом, оказывающим при этом все виды негативного воздействия на окружающую среду (выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух, сбросы сточных вод, размещение отходов производства и потребления). Для повышения экологической безопасности необходимо исследование локальной эколого-экономической системы и ее основных элементов с целью повышения эффективности управления. В статье выполнен анализ известных подходов к определению и особенностям функционирования эколого-экономических систем промышленных предприятий и их модификаций. В результате проведенного анализа представлена система коррелированных эколого-экономических показателей, отражающих специфику эколого-экономической системы коксохимического предприятия с мононаправленной производственной программой. Наибольшее значение имеют рассмотренные зависимости «текущие затраты на охрану окружающей среды / уровень риска», «текущие затраты на охрану окружающей среды / плата за негативное воздействие на окружающую среду», «текущие затраты на охрану окружающей среды / коэффициент компенсации экономического ущерба» и «коэффициент использования производственной мощности / уровень риска». Выявлена реализация предприятием нестационарной экологической политики, дифференцированной по разным временным интервалам: с 2004 по 2010 гг. и с 2010 по 2016 гг. На основании синтеза изучения теоретических разработок отечественных и зарубежных исследователей и анализа графических зависимостей фактических данных были сформированы направления повышения эффективности управления локальной эколого-экономической системой коксохимического предприятия. С этой точки зрения большое значение имеет повышение результативности использования текущих затрат на охрану окружающей среды с помощью разработки механизма перераспределения общей суммы между отдельными унифицированными статьями расходов, а также разработка алгоритма управления отходами, образующимися на предприятии, с точки зрения их дальнейшего использования с получением товарной продукции и минимизации потенциальной платы за размещение отходов. Выполненная работа имеет практическое значение для крупных промышленных предприятий с диверсифицированным негативным воздействием на окружающую среду для подготовки принятия эффективных экологобезопасных управленческих решений.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

824-826 43
Аннотация

Рассматривается зависимость предела прочности при растяжении углепластика со схемой армирования волокнами 45°/0/-45° от максимальной температуры нагрева. Зависимость строится согласно данным натурного эксперимента. Установлена связь между превышением температуры стеклования и пределом прочности образца. Сделан вывод о возможности построения определяющих уравнений для численного моделирования конструкций из полимерных композиционных материалов при совместных силовых и многократных температурных воздействиях, при температурах, незначительно превышающих температуру стеклования.

827-831 46
Аннотация

Проведен термодинамический анализ растворов кислорода в расплавах системы Ni - Co - Cr, содержащих титан. Рассчитаны зависимости растворимости кислорода в расплавах системы Ni - Co - Cr от содержания титана при 1873 К. Титан при весьма малых содержаниях практически не влияет на концентрацию кислорода в расплаве, дальнейшее повышение содержания титана приводит к весьма существенному снижению концентрации кислорода в расплаве. Определены содержания титана, при которых происходит смена механизма раскисления в исследуемых расплавах.



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


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