Совместный проект ИД «Коммерсантъ» и НИТУ «МИСиС».

История НИТУ «МИСиС» уходит корнями в далекое прошлое, когда в 1918 г. была основана Московская горная академия (МГА). МГА, созданная на базе горного факультета Варшавского политехнического университета, который в годы Первой мировой войны был эвакуирован в Москву, стала одним из первых технических вузов в Советской России. Несмотря на то, что шла Гражданская война и в стране царила разруха, академия уже через год активно работала, привлекая лучшие научные и преподавательские кадры того времени. Изначально МГА задумывалась как исключительно образовательное учреждение, однако уже в первые годы своего существования в ней были созданы научно-исследовательские лаборатории, в дальнейшем переросшие в отдельные исследовательские институты. Так, уже в 1919 г. ученые академии изучали свойства радиоактивных элементов, для чего была учреждена специальная кафедра, а курс «Радиоактивные вещества» был включен в учебный план.

В обзоре проанализированы работы, направленные на поиск эффективного решения проблемы переработки красных шламов (остатков боксита) - отходов, образующихся в процессе производства глинозема способом Байера. В зависимости от состава исходных бокситов и технологии в процессе производства 1 т глинозема образуется от 0,9 до 1,5 т этих отходов. На сегодняшний день накоплено около 4 млрд т красных шламов. Основное их количество не перерабатывается, а складируется в специальные шламохранилища, что приводит к опасному загрязнению окружающей среды. В 2010 г. в Венгрии произошел прорыв шламохранилища, в результате чего около 700 тыс. м3 шламов были выброшены в окружающую среду, что привело к гибели 10 человек, разрушению около 350 домов и загрязнению значительных территорий. Несмотря на то, что красные шламы, полученные на разных заводах, значительно отличаются по химическому и фазовому составу, основной их составляющей являются минералы, содержащие железо. Поэтому они могут быть рассмотрены, в первую очередь, как источник сырья для металлургической промышленности. В обзоре изучены пирометаллургические технологии переработки красных шламов, включающие как способы низкотемпературного восстановления при температурах 1050 - 1200 °С, так и восстановительную плавку. Рассмотрены способы утилизации получаемых шлаков, которые могут быть использованы для извлечения глинозема, титана и РЗМ, получения строительных материалов, таких как цементы различных марок, минеральная вата и флюсовые материалы для металлургии. Изучены также способы обесщелачивания, сушки и окускования красных шламов. Показано, что наиболее перспективными с точки зрения утилизации большого количества шламов и исключения образования дополнительных отходов являются пирометаллургические технологии, которые позволяют выделять железо в отдельный продукт, а полученный шлак использовать для производства строительных материалов или металлургических флюсов. Настоящая работа является первой из трех связанных статей, рассматривающих мировой опыт рециклинга красных шламов различными способами.

Использование для обсыпки кварца в его низкотемпературной модификации создает дополнительные риски при изготовлении форм в части их пониженной трещиностойкости вследствие полиморфных превращений и на практике часто приводит к растрескиванию и даже разрушению отдельных слоев стенки оболочки или формы в целом. Практикуемое во многих литейных цехах предварительное прокаливание обсыпочного материала может несколько снизить негативное последствие опасных полиморфных превращений кварца. Однако при этом плавный подогрев форм с целью снижения вероятности их растрескивания, который проводят в опорном наполнителе, способствует увеличению длительности технологического процесса и дополнительным энергетическим затратам. Среди вариантов снижения вероятности растрескивания и разрушения оболочковых форм в ходе их прокаливания наиболее известны замена пылевидного кварцевого песка, как наполнителя, на диспергированный кварцевый песок полифракционного состава, дистенсиллиманит, пылевидный алюмосиликат, сферокорунд или плавленый кварц. Однако все они достаточно дороги и не соответствуют современным вызовам и требованиям экономии ресурсов в литейно-металлургических производствах. В этой связи обращает на себя внимание керамический бой оболочек стального и алюминиевого литья по выплавляемым моделям на основе кремнезема. В настоящее время бой отработавших керамических оболочковых форм литья по выплавляемым моделям не используется для рециклинга. Этот материал отправляют в отвал или применяют в качестве опорного наполнителя опок при формовке в них оболочек. Проведенный компонентный химический и фазовый анализ материала показал, что в составе боя керамических оболочек, образующегося после выбивки стальных и алюминиевых отливок из форм, помимо кварца в высокотемпературных фазах тридимита и кристобалита (основа) содержится до 5 - 10 % железа и железной окалины и соответственно 3 - 5 % алюминия и его оксидов. Использование керамического боя оболочек в качестве обсыпочного материала исключает повторное протекание полиморфных превращений кварца при прокаливании и заливке форм, определяющих изменение объема, плотности и смены видов кристаллических решеток материала, что позволяет повысить трещиностойкость и прочность оболочек и минимизировать брак получаемых отливок. Остаточные железо, алюминий и их оксиды способствуют повышению технологичности литейной формы. Опытно-экспериментальное опробование предложенного варианта рециклинга в условиях действующего производства подтвердило его эффективность.

Дан обзор основным направлениям разработки современных трубных сталей, технологии их выплавки, а также горячей прокатки и термообработки для удовлетворения возросших требований к бесшовным трубам для добычи нефти и газа в сложных условиях. Задачи Газпрома в освоении новых ресурсов определили разработку технических требований к высокопрочным хладостойким, сероводородостойким и стойким к углекислотной коррозии обсадным и насосно-компрессорным трубам. Даны металловедческие основы разработки новых марок высококачественной стали с минимальным содержанием серы, фосфора, растворенных газов и режимов их обработки, состоящие в выборе химического состава с учетом задачи формирования мартенситной структуры при закалке и последующего высокого отпуска для формирования требуемого сочетания прочности и вязкости. При этом показано, что оптимальная комбинация высокой прочности и вязкости при температуре минус 60 °С может быть достигнута при легировании хромомолибденовой стали с содержанием углерода около 0,25 % (по массе) карбидообразующими элементами ванадием и ниобием. Обеспечение стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением стали данного типа обеспечивается также микролегированием, направленным на измельчение исходного аустенитного зерна, и целевым для каждого уровня прочности содержанием молибдена, определяющим как высокую прокаливаемость, так и замедление разупрочнения при отпуске. Разработаны новые составы коррозионностойких марок стали мартенситного класса с 13 % хрома, обеспечивающие требуемую стойкость к углекислотной коррозии наряду с улучшенной хладостойкостью и повышенной прочностью по сравнению с базовой композицией типа 20Х13. Приведены результаты реконструкции электросталеплавильного и прокатного производства на Волжском трубном заводе, позволившие обеспечить требуемое качество новой продукции от непрерывнолитой стальной заготовки до готовых труб.

Проведенный анализ литературных и производственных данных показал, что, несмотря на существенное повышение качества отечественной рельсовой продукции, достигнутое в последнее десятилетие за счет коренного технического перевооружения рельсовых производств, имеет место проблема повышенной отбраковки рельсов по дефектам поверхности. На основании исследований влияния химического состава рельсовой электростали на качество готовых рельсов производства АО «ЕВРАЗ ЗСМК» установлено значимое влияние повышения содержания меди в интервале 0,07 - 0,15 % и серы в диапазоне 0,006 - 0,011 % в стали Э76ХФ на увеличение отбраковки рельсов по поверхностным дефектам. Раскрыт механизм влияния концентрации указанных элементов в рельсовой стали на качество готовых рельсов. Показано определяющее влияние соотношения чугуна и лома в металлошихте на содержание меди и серы в рельсовой стали - повышение доли чугуна в металлошихте в пределах от 20 до 50 % способствует снижению концентрации меди и повышению содержания серы. С целью обоснования оптимального состава металлошихты для выплавки рельсовой электростали с учетом взаимосвязи качества рельсовой продукции и технико-экономических показателей ее производства проведено исследование влияния соотношения чугуна (в жидком и твердом состояниях) и лома в металлозавалке на основные показатели работы электропечей. В результате установлено, что при увеличении доли как жидкого, так и твердого чугуна в металлозавалке происходит линейное снижение удельного расхода электроэнергии, повышение удельного расхода кислорода по параболическому закону и линейное снижение содержания марганца на выпуске из печи. Полученные зависимости длительности плавки от соотношения компонентов шихты в металлозавалке свидетельствует о наличии выраженного минимума, находящегося при использовании жидкого чугуна в интервале 35 - 40 %, а при использовании твердого чугуна -в интервале 30 - 35 %. На основании полученных уравнений регрессии построена статистическая модель влияния состава металлошихты на технико-экономические показатели работы электросталеплавильного цеха при выплавке рельсовой стали, в которой в качестве параметров оптимизации выступают суммарные затраты по статьям себестоимости, зависящим от состава металлошихты, и производительность цеха по годным непрерывнолитым заготовкам. Применение полученной модели позволяет выработать обоснованные рекомендации по оптимальной доле чугуна в металлозавалке для текущего уровня цен на используемые при электроплавке материалы и энергоносители с учетом изменения производительности цеха.

Остаточные (вредные) напряжения в металлах могут приводить к дефектам при их формовке и разрушению металлоконструкций при длительной эксплуатации. Приводящее к возникновению остаточных напряжений течение металла при его формовке может иметь пластическую природу (как в ковких металлах) или вызываться медленной необратимой ползучестью при повышенной температуре и продолжительном действии нагрузок. В вязкоупругих средах оно может обусловливаться вязкими частями деформации, которые могут накапливаться, когда тело находится в деформированном состоянии в течение большого промежутка времени. Остаточные напряжения оказывают влияние также и на микроструктуру металлов и могут присутствовать внутри и вокруг кристаллических зерен в качестве микроостаточных напряжений, которые называют скрытыми упругими напряжениями. Иногда остаточные напряжения называют собственными напряжениями по аналогии с собственными функциями, введенными математиками для обозначения функций, которые соответствуют определенным значениям (собственным значениям) параметров дифференциального уравнения при заданных граничных условиях. Понятие внутренних напряжений было предложено как общее понятие для этого типа напряжений, создаваемых самим телом. Термин остаточные напряжения закрепляется за случаем, когда внутренние напряжения обусловлены необратимым деформированием. Помимо зарождения благоприятной системы остаточных напряжений, в дисках из ковких металлов с ярко выраженным деформационным упрочнением будет также происходить местное возрастание прочности при условии, что эффект Баушингера не аннулирует достигнутых преимуществ. Ниже изучены экстремальные значения остаточных напряжений прямого цилиндрического стального стержня (бруса) при изгибе.

Приведены результаты исследования механизма образования магнезиоферрита при нагревании сидеритов Бакальского месторождения с различным содержанием оксидов железа в инертной и окислительной атмосфере. Установлено, что при обжиге в инертной атмосфере разложение сидерита с высоким содержанием железа начинается при более низкой температуре и энтальпия такого разложения меньше. Данный эффект объясняется различным фазовым составом образцов. Основными фазами, образующимися в условиях окислительного обжига, являются гематит и магнезиоферрит. Количество образующихся гематита и магнезиоферрита у образцов с различным содержанием оксидов железа при обжиге в окислительной атмосфере различно. У сидеритов с высоким содержанием оксидов железа в продуктах обжига содержится гематита больше, чем магнезиоферита, а у сидеритов с низким содержанием оксидов железа наоборот, в продуктах обжига содержится магнезиоферита больше, чем гематита. Образовавшийся в условиях окислительного обжига магнезиофер-рит является твердым раствором и различается степенью замещения ионов железа ионами магния. У сидеритов с высоким содержанием оксидов железа степень замещения ионами железа ионов магния больше, чем у образцов с низким содержанием оксидов железа. Поскольку сидериты Бакальского месторождения относятся к бедным рудным образованиям, то образующееся в них при обжиге значительное количество магнезиоферрита затрудняет разделение силикатных и железо-оксидных продуктов обжига традиционными методами обогащения. Вюстит в продуктах окислительного обжига не обнаружен, поскольку в данных условиях он находится в метастабильном состоянии и при наличии слабо окислительной атмосферы преобразуется в магнетит. Научной новизной является объяснение механизма разложения сидеритов и описание продуктов такого разложения. Понимание механизма разложения сидеритов Бакальского месторождения позволило разработать технологию их восстановительного обжига, облегчающую разделение полученных продуктов и заключающуюся в регулировании фазового состава силикатных составляющих восстановительного обжига, обеспечивающих распад магнезиоферрита и выход оксидов железа в самостоятельную фазу. Разработанная технология может быть использована для обеспечения качественного обогащения сидеритов Бакальского месторождения.

Разработана и исследована порошковая проволока для наплавки абразивно-изнашивающихся изделий системы Fe - C - Si - Mn - Cr -- Ni - Mo типа А по классификации МИС. Исследования в лабораторных условиях осуществляли по следующей схеме: многослойную наплавку образцов проводили с предварительным подогревом пластин до 350 °С и последующим (после наплавки) замедленным охлаждением. Наплавку осуществляли сварочным трактором ASAW-1250 с использованием изготовленной порошковой проволоки на пластины из стали 09Г2С в шесть слоев. В состав проволоки взамен аморфного углерода вводили углеродфторсодержащую пыль, содержащую: 21 - 46 % Al₂O₃ ; 18 - 27 % F; 8 - 15 % Na₂O; 0,4 - 6,0 % K₂O; 0,7 - 2,3 % CaO; 0,5 - 2,5 % SiO₂ ; 2,1 - 3,3 % Fe₂O₃ ; 12,5 - 30,2 % Собщ; 0,07 - 0,90 % MnO; 0,06 - 0,90 % MgO; 0,09 - 0,19 % S; 0,10 - 0,18 % P. В качестве наполнителя использовали порошкообразные материалы: порошок железа марки ПЖВ1 по ГОСТ 9849 - 86, порошок ферросилиция марки ФС 75 по ГОСТ1415 - 93, порошок высокоуглеродистого феррохрома марки ФХ900А по ГОСТ 4757 - 91, порошок углеродистого ферромарганца ФМн 78(А) по ГОСТ 4755 - 91, порошок никеля ПНК-1Л5 по ГОСТ 9722 - 97, порошок ферромолибдена марки ФМо60 по ГОСТ 4759 - 91, порошок феррованадия марки ФВ50У 0,6 по ГОСТ 27130 - 94, порошок кобальта ПК-1У по ГОСТ 9721 - 79, порошок вольфрамовый ПВН ТУ 48-19-72 - 92. Исследования наплавленного слоя показали, что в полученных пределах углерод, хром, молибден, никель, марганец и в незначительной мере ванадий одновременно увеличивают твердость наплавленного слоя и уменьшают скорость износа образцов. Повышение концентрации вольфрама несколько увеличивает твердость наплавленного металла, однако при этом снижается износостойкость. Низкая вязкость матрицы не позволяет удерживать на поверхности карбиды вольфрама, в результате чего износ осуществляется не по схеме равномерного истирания поверхности, а по схеме выкрошивания высокопрочных частиц карбидов из матрицы, в результате чего в ней образуются дополнительные трещины, способствующие дополнительному износу матрицы. Введение в состав шихты кобальта не оказывает заметного влияния на твердость и абразивный износ наплавленного слоя, что связано с получением более вязкой, но менее твердой матрицы. В случае отсутствия твердых частиц карбидов, вмонтированных в матрицу, эффект от введения кобальта отрицательный. По результатам проведенного многофакторного корреляционного анализа определены зависимости твердости наплавленного слоя и его износостойкости от массовой доли элементов, входящих в состав порошковых проволок системы Fe - C - Si - Mn - Cr - Mo - Ni - V - Co.

В работе исследовано влияние длительной эксплуатации при температуре 515 °С на структуру и свойства стали 09Х18Н9. Данные по структуре и фазовому составу стали получены с помощью оптической и растровой электронной микроскопии. Фазовый состав стали в равновесном состоянии определен путем термодинамического моделирования в программном пакете FactSage. В результате исследования установлено, что в процессе эксплуатации при температуре 515 °С продолжительностью 195 тыс. ч в стали 09Х18Н9 происходит изменение структуры с образованием вторичных фаз, инициированное выделением элементов с ограниченной растворимостью из пересыщенного твердого раствора. Обнаружено присутствие в структуре твердого раствора аустенита следующих вторичных выделений: карбид хрома Cr23C6 , феррит (а), G-фаза. На основании сопоставления данных термодинамического моделирования и экспериментального определения фазового состава установлено, что структура стали находится в состоянии, близком к равновесному. Выявлен и описан механизм протекания структурных превращений, последовательность образования вторичных фаз. На начальном этапе происходит образование карбида хрома, затем вблизи карбидов происходит образование а-феррита и, затем, формируется G-фаза. Результаты испытаний на ударную вязкость и статическое растяжение показали, что изменение фазового состава в процессе теплового старения приводит к охрупчиванию стали - снижению пластичности и энергии удара. Фрактографические исследования поверхностей изломов образцов показали, что снижение пластичности в процессе длительной высокотемпературной эксплуатации связано с разупрочнением тела зерна и упрочнением границ за счет вторичных выделений карбидной фазы. В результате данного процесса пластическая деформация локализуется в разупрочненном объеме тела зерна, окруженного прочными границами. Наибольшее влияние эволюция структуры при длительном тепловом старении оказывает на ударную вязкость. При этом изменение временного сопротивления и предела текучести незначительно. Основной вклад в изменение механических характеристик стали вносят вторичные выделения карбидной фазы.

Рассмотрены эколого-экономические аспекты производства винилхлорида как базового ресурса при использовании побочных продуктов производства коксохимического предприятия, в том числе несортового кокса, а также коксового газа. Реализация этого проекта возможна на основе карбоновых технологий и технологии конверсии метана, содержащегося в коксовом газе, в ацетилен с использованием водородно-электродугового пиролиза. Предлагается включить в процесс подготовки сырья криогенное разделение коксового газа на метан и водород, необходимый для внедрения данной технологии и производства хлористого водорода как компонента для получения винилхлорида. Рациональное использование ресурсов предприятий г. Кемерово (ПАО «Кокс» и ПАО «Химпром») для выпуска данного продукта позволит сформировать оптимальные цепочки добавленной стоимости. В настоящее время у ПАО «Кокс» есть невостребованные объемы коксового газа, которые могут применяться в качестве сырья для производства винилхлорида. Карбоновые технологии производства поливинилхлорида, как показала международная практика, являются экономически выгодными, если стоимость угольного сырья и отходов коксохимического производства на 40 % ниже, чем стоимость нефти или природного газа. Анализ экономических затрат и стоимости производимого на основе цепочек добавленной стоимости винилхлорида позволил выявить требующие инновационных решений проблемные зоны по снижению затрат и повышению экологичности производства.

При компьютерном моделировании процессов тепломассопереноса при внепечной дегазации металлов (с достаточно высокой температурой плавления) от растворенного азота в электростатическом поле докритических напряженностей возникает проблема постановки граничного условия к уравнению конвективной диффузии на границе «вакуум - металл». Назначение компьютерного моделирования - оптимизация технологии. Классическая запись закона Сивертса не учитывает этого внешнего воздействия на расплав. Правильность предложенной авторами обобщающей записи этого закона, которая включает напряженность электростатического поля и степень ионизации атомов азота, растворенного в металле в поверхностном слое этой границы, подтверждена проверкой по трем критериям.