Одной из существенных причин простоев шаропрокатных станов является замена валков в связи с их износом. В статье исследованы степень и зоны критического износа шаропрокатных валков, где наибольший износ наблюдается по ребордам в зоне захвата заготовки.  Аналитически определены условия, необходимые для захвата заготовки и выполнения процесса прокатки. В качестве прогрессивной технологии предложен способ переменной частоты вращения валков при подаче заготовки, представлены результаты испытаний при ее изменении по линейному и квадратичному законам. Преобразованы известные формулы для определения средней скорости деформации при  изменении частоты вращения валков при линейной и квадратичной зависимостям. Проведены экспериментальные исследования в условиях шаропрокатного стана АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» при прокатке шара диам. 60 мм из стали марки  Ш3Г на стане прокатки мелющих шаров 40-80. Проведены опыты с изменением частоты вращения валков в ручном режиме по заданным  параметрам  при  захвате  заготовки  валками,  которые  показали  существенное  влияние  изменения  частоты  вращения  на  среднее  удельное  давление в момент захвата заготовки. Представлены моментно-временная характеристика и характеристика среднего контактного давления  для  расчетных  и  опытных  данных,  а  также  эмпирические  характеристики  при  переменной  частоте  вращения  валков  по  линейному  и  по  квадратичному  законам.  Определена  допустимая  сходимость  результатов  расчетных  и  эмпирических  характеристик.  Предложено  инженерное решение для поставленной задачи в качестве установки тиристорного преобразователя, которое позволит уменьшать частоту  вращения  валков  перед  захватом,  а  после  захвата  заготовки  увеличивать  ее  до  номинальной  по  заданному  закону.  Так  можно  получить  равномерное распределение среднего контактного давления по всей длине валка при различных режимах работы стана в автоматическом  режиме. Применение такой методики позволит уменьшить степень износа прокатного инструмента при той же производительности шаропрокатного стана, тем самым снизить расход валков и количество перевалок по их износу.

Одним из путей повышения эффективности производства в черной металлургии является снижение расхода дорогостоящих и дефицитных  ферросплавов.  Большие  возможности  в  этом  направлении  содержатся  в  технологии  прямого  легирования  стали  оксидными  материалами.  В  настоящей  работе  проведено  термодинамическое  исследование  процесса  прямого  легирования  стали  марганцевыми  оксидными материалами (марганцевой рудой) и промышленное опробование этой технологии. Рассмотрены два варианта технологии прямого легирования: в окислительных условиях при плавке стали в современной 100-т электросталеплавильной печи и в восстановительных  условиях  при  обработке  стали  на  агрегате  ковш – печь  (АКП).  Термодинамическое  моделирование  окислительного  варианта  технологии  с помощью программного комплекса «Астра» показало, что существует возможность повысить содержание марганца в металле при вводе  марганцевой руды. Определяющим фактором в этом процессе является текущее содержание углерода в стали. Для среднеи высокоуглеродистых сталей содержание марганца может быть повышено до 0,6 % и более. Для низкоуглеродистых сталей количество остаточного  марганца определяется содержанием углерода в конце продувки кислородом. Приведена графическая зависимость. В восстановительных  условиях основной реакцией процесса прямого легирования является MnO + Si = Mn + SiO₂ . Термодинамический анализ дает довольно  приблизительные  данные,  поэтому  был  применен  полуэмпирический  анализ,  основанный  на  полученном  из  опытных  промышленных  результатов соотношении количеств оксидов FeO и MnО, содержащихся в шлаке в конце обработки стали на АКП. Такой вариант оценки  процесса представляется возможным, так как система металл – шлак при длительной обработке стали на АКП приближается к равновесию.  Используя это соотношение, а также условия сохранения исходной основности шлака и поддержания содержания FeO в шлаке на уровне  около 1 %, было составлено балансовое уравнение, описывающее процесс прямого легирования марганцевой рудой в ковше. Уравнение  позволило  выполнить  расчет  основных  технологических  параметров  процесса  прямого  легирования  марганцевой  рудой  применительно  к условиям производства. Получена хорошая сходимость теоретических расчетов и практических данных.

Для  упрочнения  быстроизнашивающихся  деталей,  работающих  при  высокотемпературных  видах  износа,  широко  применяются  композиционные материалы (КМ) на основе тугоплавких твердых сплавов, в качестве которых используются карбиды переходных металлов IV – VI групп А, определяющие физику высокотемпературного износа. Для этих целей используется спеченный твердый сплав типа  ТН 20  на  основе  (Ti,  Mo)C – Ni – Mo,  имеющий  кольцевую  структуру,  предотвращающую  образование  сложнолегированных  структур  на  границе раздела твердая частица – матрица. Благодаря минимальной растворимости спеченного твердого сплава типа ТН 20 в сплаве-связке на поверхности раздела твердая частица – матрица практически не выделяются сложнолегированные структурные фазы, вызывающие  охрупчивание  и  рост  остаточных  термических  напряжений  и  деформаций,  что  приводит  к  повышению  износостойкости  и  росту  срока  службы  упрочненных  деталей.  С  целью  повышения  эффективности  работы  металлургических  агрегатов  за  счет  упрочнения  сменных  деталей  композиционным  материалом  на  основе  спеченного  твердого  сплава  типа  ТН  20  с  использованием  электрошлаковой  наплавки  (ЭШН)  разработана  комплексная  программа  управления  эффективностью  упрочнения  деталей.  В  процессе  управления  наплавкой  твердым сплавом особое внимание уделено жаропрочности и высокотемпературной износостойкости КМ, которые определяются комплексом  свойств твердых частиц. Следовательно, сохранение высоких механических, теплофизических и энергетических характеристик карбидов  и  снижение  растворимости  твердых  частиц  в  матрице  КМ  при  наплавке  является  первоочередной  задачей  повышения  эффективности  в процессе упрочнения сменных деталей. Комплексная программа управления процессом ЭШН КМ основана на управляющих воздействиях,  направленных  на  предотвращение  образования  сложнолегированных  структур  на  поверхности  раздела  твердая  частица – матрица;  снижение термических напряжений и деформаций (приводящих к образованию трещин и выкрашиванию твердых частиц при абразивном  износе);  повышение  высокотемпературной  износостойкости.  Применение  разработанных  систем  управляющих  воздействий  на  процесс  упрочнения быстроизнашивающихся деталей металлургического оборудования позволило значительно увеличить срок службы сменных  деталей и повысить производительность металлургических агрегатов, что обеспечило получение определенного экономического эффекта.

Заготовки  из  высокохромистых  сталей,  обладающих  комплексом  необходимых  механических  и  коррозионных  свойств,  широко  применяются  при  производстве  ответственных  изделий  тяжелого  и  энергетического  машиностроения.  Одной  из  наиболее  эффективных  технологий, получивших широкое распространение при изготовлении таких заготовок, является электрошлаковый переплав (ЭШП). Такой  переплав, включенный в производственную технологическую цепочку, позволяет за счет управления процессами рафинирования и затвердевания обеспечить высокую однородность металлургических характеристик (химический состав, структуру, неметаллические включения  и т.д.) металла и, в итоге, комплекс механических свойств изделия. Выбор шлака, поддержание на оптимальном уровне его окислительновосстановительного  потенциала  является  предпосылкой  эффективного  рафинирования  высокохромистых  сталей  при  ЭШП,  поскольку  хром и другие элементы, присутствующие в шлаке в различных степенях окисления, участвуют в транспорте кислорода из газовой фазы  в жидкий металл. С позиций теории электронного строения шлаковых систем оценено влияние окисленности шлака (равновесного парциального давления кислорода РO2 ) на степень окисления хрома в широко используемых в России шлаках типа АНФ-1, АНФ-6 и АНФ-29.  Установлены зависимости соотношения концентраций Cr+3/Сr+2 от температуры, окисленности и оптической основности шлака. Представлена термодинамическая модель изменения степени окисления хрома в шлаке в зависимости от его окисленности. Выполнено сравнение  расчетных  результатов  с  экспериментальными  данными  для  шлаковых  систем  при  температуре  1873 К.  Показано,  что  средняя  степень  окисления  хрома  уменьшается  с  ростом  температуры,  понижением  парциального  давления  кислорода  и  оптической  основности  шлака.  Показано, что присутствие фтора в шлаке влияет на изменение соотношения Cr+3/Сr+2. Продемонстрировано, что с понижением парциального давления кислорода от 10–4 до 10–12 Па при температуре 1873 К средняя величина степени окисления хрома во фторидно-оксидных  шлаках уменьшается от +3 до +2. Предложена зависимость, позволяющая оценить соотношение Cr+3/Сr+2 во фторидно-оксидных шлаках,  учитывающая температуру и окисленность шлака.

Известный  способ  переработки  окисленных  никелевых  руд  включает  подачу  руды  в  противотоке  с  высокотемпературными  отходящими газами, плавку в барботажной зоне двухзонной печи, подачу углеродсодержащего топлива и кислородсодержащего дутья и получение расплава, который восстанавливается твердым восстановителем в плазменной зоне при нагреве азотом. Основной недостаток этого  спососба – низкое содержание никеля в сплаве, наличие кремния, углерода, хрома и других примесей. Для повышения качества ферроникеля предложено в плазменной зоне использовать конвертированный природный газ, который при обработке плазмой будет являться не только теплоносителем, но и восстановителем. Методом термодинамического моделирования, в основе которого лежит допущение о том, что  при барботаже ванны с расплавом состав газа в достигших поверхности всплывающих пузырях близок к равновесному, описаны процессы  совместного восстановления никеля и железа в системе 1,8 % NiO – 17,4 % FeO – 13,5 % CaO – 1,9 % MgO – 58,0 % SiO₂ – 7,4 % Al₂O₃ ,  близкой по составу к магнезиальным никелевым рудам. Газ-восстановитель получен в результате кислородной конверсии природного газа с  коэффициентом расхода (α) 0,25, 0,35 и 0,50 (при температуре 1823 К). В результате проведенных расчетов выявлены зависимости содержания оксидов никеля и железа в силикатном расплаве, степени их восстановления, кратности шлака и содержания никеля в сплаве от общего  расхода газа, определяемого как произведение количества газа в единичной порции на количество расчетных циклов, а также количества  никеля и железа, восстановленных единичной порцией газа. Независимо от доли водорода и оксида углерода в исходных газах увеличение  их расхода монотонно снижает содержание оксида никеля в расплаве, в то время как содержание оксида железа первоначально возрастает,  а затем – снижается. При продувке расплава продуктами конверсии природного газа с α = 0,25 процесс восстановления протекает за счет  водорода, влияние СО незначительно. Расход 54 м³/т газа позволяет достигнуть степени восстановления никеля 98,5 %, содержания оксида  никеля в расплаве 0,028 %, кратности шлака 46 единиц. При одинаковом расходе газа с увеличением в исходной смеси долей СО₂ и Н₂О  за счет повышения α ухудшаются показатели восстановления металлов из расплава: значения С_NiO и С_FeO и кратность шлака повышаются,  а степени восстановления никеля и железа снижаются. Сравнение результатов с ранее полученными данными по восстановлению металлов из аналогичных расплавов оксидом углерода и водородом показало, что большей эффективностью обладает водород, несколько хуже  показатели при использовании конвертированного газа с α = 0,25. Восстановление никеля конвертированным газом (α = 0,35) до степени  восстановления  88  %,  что  соответствует  его  расходу  60  м³/т,  происходит  более  эффективно,  чем  чистым  СО.  Однако  конечные  степени  восстановления при использовании конвертированного газа достигают 90 %, в то время как при использовании СО приближаются к 100 %.

Исследованы закономерности влияния максимальной величины деформационно-напряженного состояния, полученного в условиях  холодной тугой посадки заготовок системы вал – отверстие при образовании твердофазного диффузионного соединения (ТДС) и последующем температурном воздействии в автономном вакууме, на эволюцию структурных изменений и свойства приконтактной облас ти (ПО)  неразъемного соединения сплава ОТ4-1. Показано, что в процессе холодной пластической деформации сплава при образовании ТДС в микроструктуре  ПО  наблюдается  деформационный  рельеф  (следы  скольжения  по  границам  зерен),  уменьшение  площади  контактных  поверхностей  и  объемное  взаимодействие  как  в  плоскости  контакта  (искривление  зерен),  так  и  в  объеме  зоны  контакта  (очаги  выхода  дислокаций). Основные показатели, а именно, удельный параметр организации структуры, плотность зерен, средняя плотность границ зерен  и развитость границ зерен интерфейса структурного состояния в 10, 4, 1,8 и 1,5 раза соответственно превышают таковые основного металла  в  исходном  состоянии.  Температурные  воздействия  в  условиях  автономного  вакуума  в  интервале  фазовых  превращений  α → β  приводят  к стадийности структурных изменений как в основном металле, так и в ПО ТДС. В первоначальный момент в микроструктуре появляется  глобулярная  составляющая,  переходящая  вновь  в  игольчатую  структуру  исходного  состояния  (с  некоторым  ростом  микротвердости)  при  увеличении времени выдержки, а также при повышении температуры. Впервые установлено явление появления стадии образования глобулярной структуры при нагреве пластически деформированного металла не только в температурно-временных условиях фазового превращения, а и при повышенных температурах, причем чем выше температура нагрева, тем меньше время существования этой стадии. Кроме  того, при меньших степенях пластической деформации стадия глобуляризации структуры наблюдается при температурах, близких к температуре полиморфных превращений Т_пп , и меньших выдержках. Для основного металла (степень деформации незначительная) глобулярная  структура  исчезает  практически  полностью  после  нагрева  в  течение  10  мин  при  950  °С.  Для  деформационно-напряженного  состояния  холодно-деформированной ПО ТДС глобулярная структура исчезает при нагреве в течение 1 ч при 950 °С, 40 мин – при 975 °С, 20 мин –  при 1000 °С. При этих температурах практически полностью завершается процесс «залечивания» несплошностей, то есть исчезает линия  соединения, образуется по микроструктуре сплошной металл ПО, не отличающийся от основного металла, с незначительным увеличением  микроструктуры. Количественная оценка структурных изменений по основным параметрам интерфейса структурного состояния позволяет  выявить механизм, кинетику и структурную зависимость от степени пластической деформации и режимов термической обработки, обеспечивающих «залечивание» несплошностей, исчезновение границ раздела и свойства ТДС не хуже свойств основного металла.

Методами  молекулярной  динамики  проведено  исследование  влияния  деформации  вдоль  различных  направлений  относительно  мигрирующей границы на скорость миграции границ наклона с осями разориентации <100> и <111> в никеле. Границы зерен создавали  в модели U-образной формы. Сила поверхностного натяжения границы, возникающая вследствие стремления границы минимизировать  свою энергию, являлась причиной направленного перемещения границы в сторону уменьшения ее площади. Сила, провоцирующая миграцию,  и  скорость  миграции  границы  оставались  в  модели  постоянными  в  течение  почти  всего  движения  границы,  плавно  уменьшаясь  к концу компьютерного эксперимента, что позволяло достаточно просто проводить измерение скорости миграции. В работе рассматривали  влияние  одноосной  деформации  вдоль  осей  X,  Y,  Z  на  скорость  миграции  границ.  Одноосную  деформацию  в  модели  задавали  в  начале  компьютерного эксперимента путем изменения соответствующих межатомных расстояний вдоль одной из осей. Взаимодействия атомов  никеля  друг  с  другом  описывали  с  помощью  многочастичного  потенциала  Клери-Розато,  построенного  в  рамках  модели  сильной  связи.  Для  рассматриваемых  границ  получены  зависимости  скорости  миграции  при  температуре  1700  К  от  угла  разориентации.  Показано,  что  большеугловые  границы  наклона  <111>  и  <100>  мигрируют  приблизительно  с  одной  и  той  же  скоростью,  тогда  как  подвижность  малоугловых границ значительно отличается: малоугловые границы <111> мигрируют примерно в два раза быстрее границ <100>. Получены  данные,  что  почти  во  всех  случаях  (как  при  упругой  деформации  сжатия,  так  и  при  растяжении)  скорость  миграции  рассматриваемых  границ замедлялась. Исключением являлся случай деформации вдоль оси наклона границы <111>. При сжатии вдоль оси наклона граница  <111> мигрировала быстрее, при растяжении, наоборот, медленнее. Полученные результаты свидетельствуют в пользу того, что миграция  границ наклона осуществляется не за счет диффузионных процессов (например, переползания дислокаций, одиночных миграций атомов),  а, по всей видимости, путем коллективных атомных перестановок: сдвигов, скольжений и расщеплений зернограничных дислокаций.

Литература, посвященная проектированию конусных дробильных машин и исследованию процесса дробления в них, в основном  базируется на эмпирических наблюдениях, в результате чего общепринятым считает факт о том, что дробимый материал разрушается под  действием исключительно сжимающих сил. В свою очередь, формируется теоретическая база, на основе которой создаются дробильные  агрегаты. В результате наличия общих сведений существующее на сегодняшний день многообразие конструкций конусных дробильных  машин характеризуется общностью их принципов работы. Большинство теоретических работ, посвященных конусным дробильным машинам, ориентированы на такие их характеристики, как производительность, степень дробления, увеличение процента годной фракции  в готовом продукте либо на эксплуатационные параметры отдельных элементов конструкции, таких как стойкость футеровочной брони,  повышение  срока  службы  опорных  и  приводных  узлов  и  т.п.  Для  повышения  указанных  характеристик  разрабатываются  конструкции  камер  дробления,  имеющие  сложную  форму  футеровочной  брони,  а  конструкция  рабочего  органа  совмещает  в  себе  элементы  рабочих  органов других дробильных машин (валковых, щековых). Однако эффективность кинематики движения рабочего органа рассматривается  лишь с точки зрения создания в дробимом материале сжимающих сил и минимизации его скольжения относительно дробимого материала.  Наибольшее количество энергии, подводимое к любой дробильной машине, расходуется на создание нагрузки, разрушающей дробящийся  материал.  Авторы  настоящей  работы  считают,  что  при  определенных  обстоятельствах  в  конусных  дробильных  машинах  могут  быть  созданы такие условия их работы, при которых значительно возрастет энергоэффективность процесса разрушения материалов, подвергающихся  дроблению.  Одним  из  таких  условий  является  создание  в  дробимом  материале  сложного  напряженного  состояния.  Рассмотрены  некоторые  характерные  конструкции  конусных  дробильных  машин,  область  применения  такого  рода  дробильных  машин.  Описан  механизм создания в дробимом материале сложного напряженного состояния, способствующего снижению энергетических затрат на процесс  дробления. Даны рекомендации по воссозданию условий работы дробильной машины, создающих в дробимом материале сложное напряженное состояние.

Приведены результаты полевого микроделяночного опыта по отработке технологии применения щебня шлакового для разрушения  капиллярной каймы при рекультивации токсичных отходов (хвостохранилищ обогатительных фабрик, полигонов захоронения ТБО и др.) с  минимальным нанесением плодородного слоя почвы. Такой подход позволяет утилизировать отходы черной металлургии при внедрении малозатратных энергосберегающих технологий. В качестве объектов исследования использовали четыре основных вида шлака, получаемого  на АО «ЕВРАЗ ЗСМК» при различных технологиях плавки металла: белый обезжелезенный, доменный (мартеновский), электросталеплавильный и конвертерный. Эти шлаки использовали в качестве инертного материала под минимальным плодородным слоем почвы на делянках  опыта, где высевали многолетние травы (злаково-бобовую смесь). На каждом варианте шлака были контрольный (без внесения удобрения)  вариант и варианты с внесением гуминового препарата калия, полного минерального удобрения, а также с их совместным использованием.  В конце  вегетации  определяли  надземную  фитомассу.  Фитомасса  надземной  продукции  растений  изменялась  в  пределах  17 – 128 г/м2.  Установлено, что наиболее благоприятными свойствами обладают щебень шлаковый конвертерный и доменный, имеющие меньшую фитотоксичность.  Внесение  минерального  удобрения  как  отдельно,  так  и  с  гуматом  калия  привело  к  увеличению  фитомассы  в  2  –  4  раза.  Гумат калия, внесенный отдельно, не влиял на продукцию растений, но на фоне нитрофоски увеличивал фитомассу в 1,6 – 1,8 раза. Для  повышения  всхожести  многолетних  трав  и  стимулирования  их  биологической  продуктивности  рекомендуется  совместное  внесение  минеральных  удобрений  и гуминовых  препаратов.  Щебни  шлаковые  конверторный  и  доменный  можно  использовать  в  качестве  инертного  материала при рекультивации согласно технологии минимального нанесения плодородного слоя почвы. Шлаки белый и электросталеплавильный не рекомендовано использовать в качестве инертного материала из-за их высокой фитотоксичности, отрицательно влияющей на  рост и развитие используемых при рекультивации многолетних трав.

Приведены  результаты  термодинамического  моделирования  восстановления  элементов  хромового  рудно-известкового  расплава  с применением в качестве восстановителя кремния ферросиликоникеля в зависимости от температуры. Установлено, что повышение температуры с 1300 до 2200 °С способствует снижению степени восстановления хрома с 98,9 до 69,8 %.

Предложена высокоуглеродистая заэвтектоидная сталь для производства кованых валков горячей прокатки. Сталь содержит 1,2 – 1,4 %  углерода, карбидообразующие легирующие элементы (хром, молибден, ванадий и ниобий) для повышения износостойкости валков, а также  никель для повышения прокаливаемости. Установлено, что сталь предлагаемого состава обладает пластичностью, дос таточной для проведения горячей деформации (ковки) с небольшими единичными обжатиями. Установлен температурный интервал деформации слитков: температура конца деформации должна быть не ниже 900 °С, температура нагрева под ковку – 1150 °С. По комплексу свойств сталь рекомендуется  для изготовления цельнокованых валков и бандажей для составных валков горячей прокатки из слитков массой до 10 т.