Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 62, № 4 (2019)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-4

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

257-262 59
Аннотация

Выполнен анализ технологических процессов выплавки и разливки цилиндрических слитков из сплава Inconel 718, полученных в вакуумно-индукционной печи (ВИП) на ПАО «Русполимет». Показано, что существующая технология не обеспечивает получения плотного слитка требуемого качества из-за наличия пористости в осевой зоне, а также ликвации на макроуровне таких элементов, как хром, никель, ниобий. Полученные результаты показали необходимость проведения корректировки параметров разливки и затвердевания слитков ВИП из сплава Inconel 718, не изменяя основных технических параметров производства (тип печи – вакуумно-индукционная печь ВИП емкостью 3 т; материал футеровки печи – керамика на основе оксида алюминия Al2O3; тип изложницы – цилиндрическая изложница под слиток диам.410 мм, диаметр кристаллизатора для вакуумно-дугового переплава –450 мм), чтобы получить качественный плотный слиток. С использованием программы Thermo-Calc (версия 2017а) уточнены температуры солидус для равновесного процесса затвердевания и для неравновесного процесса, которые составили 1211 и 1091 °С соответственно. На основании полученных результатов с помощью системы компьютерного моделирования литейных процессов (СКМ ЛП) скорректированы скорость разливки путем уменьшения диаметра разливочного стакана с 32 до28 мми температура разливки с 1470 до 1460 °С. По скорректированной технологии выплавлена партия слитков. Из слитка первой партии отобраны поперечные темплеты для определения химического состава и продольные – для проведения металлографического анализа. Выполненные металлографические исследования свидетельствуют о снижении пористости осевой зоны слитка и уменьшении ликвации на макроуровне. На основании полученных результатов предложено внести в технологию разливки соответствующие изменения. Показано, что компьютерное моделирование металлургических процессов разливки и кристаллизации металла дает возможность разработать технологию, позволяющую получить качественный слиток уже на первом переделе, избежав при этом появление продукции, не удовлетворяющей требованиям заказчика.

263-269 59
Аннотация

Проведено исследование особенностей развития одиночной свободной струи высокотемпературного азота при взаимодействии с плоской поверхностью. Расчет процесса теплообмена при нагреве атакующими струями весьма трудно реализовать аналитически в силу сложности газодинамических процессов, протекающих как в одиночной струе, так и в системе струй, взаимодействующих с металлом. Сложности расчета усугубляются тем, что струя как таковая при взаимодействии с поверхностью исчезает. С поверхностью взаимодействует настильный (веерный) поток, форма, аэродинамические свойства и тепловое состояние которого резко отличаются от таковых для первоначальной струи. Исследования проводились на основании численного моделирования в версии программно-вычислительного комплекса для мультифизического моделирования FloEFD, основанного на решении уравнений газодинамики и теплообмена. Решаемая система уравнений состояла из уравнения Навье-Стокса, уравнений энергии и неразрывности и была дополнена k – ε моделью турбулентности. Разработана трехмерная модель для моделирования, заданы необходимые свойства, начальные и граничные условия. При исследовании аэродинамики одиночной высокотемпературной струи, взаимодействующей с поверхностью, основными определяющими величинами являлись: скорость истечения азота из сопла U0 , температура азота T, внутренний диаметр сопла d0 , расстояние от среза сопла до поверхности h, расстояние от критической точки (точки пересечения оси струи с поверхностью) по радиусу потока r. Представлены данные уменьшения скорости газа по мере развития струи из-за потери начальной энергии на вовлечение в движение неподвижного окружающего газа. Исследования показали, что увеличение начальной скорости истечения газа приближает к поверхности область более высоких скоростей как в самой струе, так и в веерном потоке. Этот фактор способствует интенсификации теплообмена. Кроме того, высокие скорости увеличивают общую толщину веерного потока и снижают толщину гидродинамического пограничного слоя, которая возрастает по мере удаления от критической точки.

270-275 59
Аннотация

Проведена сравнительная оценка напряженного состояния бойков с каналами и без них установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации при получении листов из стали для сварных труб. Изложены условия эксплуатации и нагруженность бойков установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации при получении листов из стали для сварных труб. Дано конструктивное исполнение бойка с каналами для охлаждения водой и характер его нагружения. С использованием алгоритма решения задач теории упругости методом конечных элементов определены закономерности распределения осевых напряжений в бойках от усилия обжатия сляба. Проведена оценка влияния каналов для охлаждения бойков водой на величину и характер распределения в них напряжений от усилия обжатия сляба. Приведены результаты расчета температурных полей, осевых и эквивалентных термоупругих напряжений в бойках с каналами при получении листов из стали для сварных труб на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Кроме того, определены закономерности распределения суммарных напряжений в бойках с каналами. Для оценки влияния конструкции бойков на их напряженное состояние определены закономерности распределения термоупругих и суммарных напряжений в бойках без каналов. Приведен график зависимости термоупругих напряжений в бойке от температуры его контактной поверхности при получении листов из стали для сварных труб на установке. Даны рекомендации для выбора материала бойков. Изложены достоинства и недостатки бойков с каналами установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Представлены параметры опытной установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для получения стальных полос. Приведены результаты экспериментального исследования параметров совмещенного процесса на опытной установке непрерывного литья и деформации ОАО «Уральский трубный завод».

ЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

276-282 70
Аннотация

Гранулированный доменный шлак устойчиво используют в больших количествах при производстве цементов, в дорожном строительстве, сельском хозяйстве и в других областях техники и технологий. Особенностью процесса его получения является активное взаимодействие расплавленного металлургического шлака с охлаждающей жидкостью. Одновременно и мгновенно происходят затвердевание шлака, а также разрыв массы последнего в атмосфере острого пара на мелкие частицы из-за возникающих критических напряжений. Проблема состоит в том, что при грануляции шлаков, как правило, содержащих серу, в атмосферу выделяется большое количество вредных веществ (оксид серы и сероводород). Их концентрация на рабочих площадках участков грануляции многократно превышает ПДК. Для борьбы с этим явлением в состав охлаждающей жидкости вводят тонкодисперсные дорогостоящие известь или известняк. Это связано с большими затратами на сооружение дробильного, измельчительного и пылеочистного оборудования. К тому же размещение такого оборудования затруднено отсутствием в доменных цехах свободных площадей. В настоящей работе показано, что известь и известняк могут быть заменены тонкодисперсным красным шламом (КШ) – отходом производства глинозема из бокситов. Этот материал также обладает свойствами поглощения из газовой фазы соединений серы. Проблема его переработки является также актуальной задачей. В настоящее время КШ размещается в шламохранилищах, наносящих вред окружающей среде, а разрушение ограждающей дамбы приводит к экологической катастрофе (Венгрия,2010 г.). В настоящей работе приведены результаты исследования использования КШ. В лабораторных условиях изучали сорбционные свойства КШ шести заводов. Исследовали образцы гранулированного шлака, полученные в процессе взаимодействия с КШ. Проведены лабораторные и промышленные испытания. Обнаружено, что с его помощью концентрация сернистых газов на рабочих площадках грануляции может быть уменьшена на два порядка. Важно, что новый гранулированный шлак, названный в рассматриваемом случае «шламошлаком», не уступает обычному по основным технологическим свойствам.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

283-289 67
Аннотация

На основании анализа литературных и производственных данных показано, что износостойкость стальных помольных шаров, являющихся основной измельчающей средой при дроблении различных видов сырья в мельницах барабанного типа, определяется не только твердостью поверхностного слоя, но и качеством их макро- и микроструктуры. При этом имеет место сложный характер зависимостей ударной стойкости шаров от вышеперечисленных параметров при одновременном их воздействии. Это обуславливает актуальность проведения исследований в данном направлении. С целью получения научно-обоснованных зависимостей ударной стойкости помольных шаров от качества их макро- и микроструктуры проведена серия экспериментальных исследований. В качестве объекта использовали помольные шары диаметром 40, 50 и60 ммпроизводства АО «ЕВРАЗ ЗСМК» (г. Новокузнецк) и ООО «Промышленные системы» (г. Нижний Тагил). Исследования проведены металлографическим, дюрометрическим и фрактографическим методами анализа. Испытания помольных шаров на ударную стойкость проводили на копровой установке. По результатам проведенных металлографических исследований определено, что для объемно-закаленных шаров характерна трехзонная структура. Поверхностный закаленный слой глубиной от 1,9 до7,4 ммпредставляет собой мартенсит. Переходная зона толщиной от 1,0 до1,7 ммимеет структуру мартенсит + троостит. Центральная зона занимает весь оставшийся объем шара и имеет несколько вариантов разновидностей микроструктуры: феррит + перлит, мартенсит + троостит + феррит, мартенсит + троостит. На основании обобщения полученных экспериментальных данных установлено, что при поверхностной твердости шаров в пределах 42 – 52 HRC параметром, определяющим ударную стойкость, является качество макроструктуры (наличие флокенов). Для шаров с высокой (57 – 61 HRC) поверхностной твердостью наиболее значимое влияние на ударную стойкость оказывает неоднородная микроструктура металла, обуславливающая значительный перепад твердости по сечению шаров.

290-302 61
Аннотация

Базовыми характеристиками феррито-мартенситных жаропрочных сталей с 12 % хрома являются показатели прочности и сопротивления ползучести при температурах 600 – 750 °С. Сталь 16Х12МВСФБР (ЭП-823) рассматривается как основной материал для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) разрабатываемого реактора с естественной безопасностью типа БРЕСТ. В литературе имеются данные о ее механических характеристиках при испытании на растяжение в диапазоне температур 20 – 750 °С и ограниченные характеристики длительной прочности, сведения о скорости ползучести отсутствуют. Закономерности ползучести стали ЭП-823 исследовали на металле трех плавок массой 3 кгкаждая. Применяли испытание на сжатие на воздухе цилиндрических образцов размером ~ 5 ÷ 6 ммпри температуре 600 - 760 °С и напряжении 70 – 310 МПа. База испытаний при сжатии не превышала 11 ч. Структура после закалки и отпуска состояла из отпущенного мартенсита и 6 – 12 % (объемн.) δ-феррита, размер зерна – не более 20 мкм. Показано, что описание результатов испытаний на ползучесть в двойных логарифмических координатах (logσ – logέ ) обеспечивает лучшее совпадение результатов аппроксимации и эксперимента, чем в полулогарифмических (σ – logέ ). Анализ параметрических зависимостей по Холломону РS = (T/ 1000)[СS - log (έ)] и Ларсену-Миллеру PE = (T/ 1000)[СE - log (σ)] позволил найти уравнения связи для нахождения скорости ползучести для заданного уровня напряжений 100 – 220 МПа в виде log (έ) = -19,355 + 9,17 (T/ 1000) log (σ) и пределов ползучести по заданным допускам на скорость ползучести 0,01 – 1 %/ч в виде log (σ) = 4,304 – 0,109 (T/ 1000) [20 - log (έ)]. Расчеты пределов ползучести и скоростей ползучести по парным моделям и моделям Холломона (Ларсена-Миллера) дают близкие результаты, но предпочтение следует отдать описанию по Холломону (Ларсену-Миллеру), поскольку эти модели учитывают все три варьируемых фактора. Приведены результаты контрольных испытаний по схеме растяжения в тех же условиях. Показано, что между результатами испытаний на сжатие и на растяжение при определении характеристик прочности существует линейная зависимость, выражаемая уравнением σ0,2сж= 1,3σ0,2 раст . При анализе ползучести установлено, что скорости ползучести для стали одной марки (09Х12В3БР) и одной плавки при разных способах нагружения (растяжении или сжатии) имеют сходные значения, в то время как скорости ползучести для стали одной марки (ЭП-823), но разных плавок даже при одном способе нагружения (сжатии) могут различаться на порядок.

ИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХ

303-307 57
Аннотация

Переработка сыпучих материалов, используемых в металлургической промышленности для получения необходимых классов крупности, требует эксплуатации дробильных машин, в том числе и одновалковых. Показателями процесса дробления являются степень и энергоемкость дробления. Степень дробления оценивается отношением размеров исходного дробимого и получаемого кусков и зависит от величины зазора между валком и неподвижной щекой. Энергоемкость дробления определяется массой дробленого материала, получаемой при расходовании единицы электроэнергии, и зависит, главным образом, от прочности дробимого материала. С целью снижения расхода энергии на дробление в Сибирском государственном индустриальном университете разработана одновалковая дробилка с принудительной подачей дробимого куска в зону разрушения за счет упора, расположенного на валке. Силы технологического сопротивления, возникающие в процессе эксплуатации машины, являются основными исходными величинами для расчета мощности привода машины и элементов конструкции на прочность, поэтому силовой анализ рабочего процесса является неотъемлемым этапом проектирования любой машины, в том числе и дробильной. В настоящей работе выявлены силы, действующие на дробимый кусок со стороны валка и неподвижной щеки в вертикальной и горизонтальной плоскостях. На основании полученных результатов определено, что на кусок дробимого материала действуют как внутренние сжимающие силы, вызывающие в куске действие нормальных сжимающих напряжений, так и внутренний крутящий момент, вызывающий действие касательных напряжений, т.е. в дробимом куске создается сложное напряженное состояние с одновременным действием нормальных и касательных напряжений, под действием которых происходит разрушение дробимого куска. Этим достигается уменьшение расхода энергии на дробление при прочих равных условиях, что уменьшает энергоемкость работы одновалковой дробилки с принудительной подачей материала в зону дробления.

НАУКА ПРОИЗВОДСТВУ

308-314 74
Аннотация

Процесс резания на ножницах с параллельными ножами состоит из трех периодов: вмятия ножей в металл; резания; скалывания (отрыва). Максимальное усилие требуется в конце периода вмятия и начале резания. Так как один из ножей неподвижен, то второму в процессе резания нужно углубиться на всю толщину металла, чтобы разрезать заготовку. Например, если толщина металла20 мм, то для его разрезания верхнему ножу нужно пройти20 мм. Если сделать подвижными оба ножа, которые будут двигаться навстречу друг другу, то усилия резания станут меньше. При этом каждый нож при резании металла толщиной20 ммбудет проходить расстояние10 мм. Для того, чтобы механизм ножниц с двумя подвижными ножами не был излишне сложным, важно обеспечить его подвижность от одного привода. Встает актуальный вопрос о возможности организации встречного движения ножей при гарантированной прочности звеньев, передающих усилия на ножи. Предлагается кинематическая схема ножниц с параллельными ножами, движущимися параллельно друг другу в вертикальной плоскости. Преимущества предложенной конструкции ножниц заключаются в том, что при встречном движении ножей требуется меньше усилий для разрезания заготовок; усилие от каждого ножа распределяется на два шатуна, что снижает нагрузку на каждый из них. Так как ножи движутся навстречу друг другу, то основное усилие резания распределяется по звеньям механизма и передается к двигателю, что позволяет снизить нагрузку на станину и фундамент при резании. При встречном движении ножей происходит более быстрое разделение металла, что позволяет сосредоточить максимальное усилие в момент реза при минимальной нагрузке на двигатель; отрезаемая часть заготовки не уходит ниже рольганга в конце резания, поэтому не требуется установки нижнего подвижного стола. Подвижность предлагаемого механизма определена по формуле П.Л. Чебышева и ее значение составило единицу. Кинематический анализ ножей проведен с использованием специального метода, который заключается в использовании точки пересечения шатунов.

315-323 53
Аннотация

При волочении проволоки нестабильность параметров деформации вызывает переменное осевое напряжение. Условия контактного трения изменяются в наиболее короткий отрезок времени и зависят от многих факторов: однородности по длине протягиваемой заготовки физико-механических свойств обрабатываемого материала, качества технологической смазки, стабильности силы натяжения заготовки на входе очага деформации и интенсивности охлаждения волок, вытяжных барабанов, шайб, направляющих роликов и т.п. Для оценки влияния коэффициента трения на стабильность силы (напряжения) волочения использована относительная величина первой производной по коэффициенту трения уравнения для напряжения волочения. Эта величина определена как отношение значений производной и исходного предела текучести материала проволоки, что позволяет выполнять сравнение производных при разных значениях исходного предела текучести материала проволоки. Производная рассчитана для уравнения, определяющего осевое напряжение с учетом действия противонатяжения, изменения предела текучести вдоль длины очага пластической деформации и уменьшения радиального напряжения в  калибрующем пояске от прироста осевого напряжения в рабочем конусе волоки. Построены зависимости от напряжения противонатяжения и коэффициента трения для относительной величины первой производной при разных моделях упрочнения и параметрах деформации. Величина производной уменьшается при росте напряжения противонатяжения, что указывает на целесообразность волочения с противонатяжением с целью стабилизации силы волочения и снижения усталостного износа рабочей поверхности волоки. Показана зависимость исследуемой величины производной от принятой формулы для ее расчета. Рассмотрен процесс волочения, когда величина коэффициента трения постоянная в калибрующем пояске и переменная в рабочем конусе волоки. Для этого процесса также определена относительная величина первой производной по коэффициенту трения уравнения для осевого напряжения. Калибрующий поясок выполняет стабилизирующее действие на напряжение (силу) волочения, если величина коэффициента трения в нем постоянная. Нестабильность напряжения волочения от отклонения номинальной величины коэффициента трения зависит от значений других параметров деформации. Например, величина производной увеличивается с уменьшением угла волочения. Установленный характер влияния параметров деформации на стабильность напряжения волочения при переменной величине коэффициента трения не противоречит результатам исследования М.В. Бровмана, а также согласуется с известными данными, полученными на основе расчета осевого напряжения при номинальной коэффициенте трения и отклонении его в сторону увеличения и уменьшения. Повышение стабильности напряжения (силы) волочения положительно влияет на качество проволоки, эксплуатационную стойкость узлов и элементов волочильного стана, например, из-за снижения усталостного износа рабочих поверхностей волок, барабанов, обводных и рихтующих роликов. Волочение с противонатяжением и применение специальных конструкций волочильного инструмента стабилизируют напряженное состояние в очаге деформации проволоки.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

324-329 61
Аннотация

В статье представлены и описаны время-частотные распределения класса Коэна, которые целесообразно использовать как математическое средство, позволяющее формировать удобное, с точки зрения информативности и семантической ясности - визуально-графическое отображение рабочих режимов разнохарактерных технологических процессов, в том числе процессов черной металлургии. Отмечено, что обычно процесс регулирования реализуется без синхронного визуального контроля каждой регулируемой скалярной (одномерной) координаты, однако наличие такого мониторинга является важным условием автоматизированного управления динамикой нестационарных технологических процессов. Для устранения этого недостатка предложено выполнять синхронный мониторинг с использованием многомерных время-частотных распределений класса Коэна, когда каждый измерительный скалярный сигнал специфически отображается посредством одного из таких распределений, например распределения Вигнера-Вилле. Приводится выражение для обобщенного распределения класса Коэна с наличием ядра распределения и функции неоднозначности. Последняя позволяет получать из материнской функции распределения разного типа. Приведены наиболее характерные представители время-частотных распределений этого класса с  указанием их ядер. Доказана возможность возникновения на карте сигнального распределения интерференционных элементов, затрудняющих идентификацию контролируемых режимов. Рассмотрен случай формирования виртуальных элементов в составе распределения Вигнера-Вилле, отображающего двухкомпонентный одномерный сигнал. Поясняются условия возникновения паразитных элементов на карте распределения, получаемой, например, в ходе реализации процесса мультикомпонентного дозирования сыпучих шихтовых материалов при производстве доменного агломерата. Получено аналитическое выражение распределения Вигнера, отображающее многокомпонентный скалярный сигнал и содержащее информационную (полезную) и виртуальную (паразитную) части время-частотного распределения. Установлена связь между числом дозаторов сыпучих материалов в составе блока дозирующих устройств и количеством паразитных (виртуальных) элементов в распределении Вигнера. На примере процесса дозирования продемонстрирован эффект распространения шумовых компонент в распределении Вигнера. Приведен пример, иллюстрирующий проникновение шума в распределение Вигнера и возникновение в нем виртуальной части при отображении сигнальной осциллограммы с наличием зашумленной паузы и двух участков с разными частотами. Получено выражение для распределения Вигнера в виде решетчатой функции. Сделано заключение о параметрах периодичности распределения и необходимой частоте дискретизации измерительных сигналов.

ОТКЛИКИ И РЕЦЕНЗИИ



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


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