Давление азота при выплавке может быть основой для наиболее общей классификации сталей, легированных азотом. Азотистые стали получают при нормальном давлении, высокоазотистые – при давлении выше атмосферного в специальных агрегатах. Азот, как и углерод, также упрочняет аустенит, но повышает его термическую стабильность, имеет меньшие размеры ионов и большую растворимость в α- и γ-фазах. Результатом является меньший размер нитридов, меньшая поверхностная энергия, больший упрочняющий эффект и возможность одновременного повышения прочности и коррозионной стойкости аустенита. В работе рассмотрены механизм влияния азота на свойства стали, термодинамика и кинетика легирования стали азотом, критические концентрации азота, влияние азота на свойства стали. В настоящее время нет единой сбалансированной базы данных и термодинамической модели. Поэтому произвольный выбор значений константы равновесия и параметров взаимодействия по табличным данным уменьшает точность расчетов растворимости азота в стали. В сложившейся ситуации лучше использовать экспериментальные данные для конкретного сплава из оригинальных работ. При выборе данных нужно ориентироваться на следующие контрольные величины: K_N = 0,044, A ≥ 600. Растворимость азота в жидком металле, α- и γ-фазах существенно различна. Критическая концентрация азота N_k, превышение которой при затвердевании стали приводит к образованию пузырей и пор, зависит от состава стали. В настоящее время приемлемые результаты при определении критической концентрации азота могут быть получены из следующего условия: в течение всего времени затвердевания содержание азота в остаточной жидкости должно быть меньше его равновесного с общим давлением в системе содержания в жидком металле при той же температуре. Приведены примеры азотистых и высокоазотистых сталей, в том числе сталей со специальными свойствами, таких как коррозионностойкие в биоактивных средах, бактерицидные стали, стали, легированные по схеме C + N.

Статья посвящена изучению процесса внутриформенного модифицирования отливок из высокомарганцевой стали карбонитридом титана. Во введении рассмотрены основные принципы легирования и модифицирования литейных сплавов, а также приведен обзор результатов работ по этой тематике, выполненных отечественными и зарубежными исследователями. По представленным материалам сделаны выводы, сформулированы цели и задачи для исследований. Обоснована актуальность проводимых исследований, а также практическая значимость для литейных предприятий. Во второй части описана методика проведения экспериментов. Подробно рассмотрены материалы, которые были задействованы при проведении экспериментальных работ: шихтовые материалы, модификатор, материалы для изготовления литейных форм. Описан способ получения экспериментальных отливок, метод определения тепловых условий формирования экспериментальных образцов в литейной форме, режим термической обработки. Наряду с этим, рассмотрена методика проведения металлографических исследований. В третьей части приведены результаты, полученные в ходе проведения экспериментальных работ по внутриформенному модифицированию мелкодисперсным порошком карбонитрида титана отливок из высокомарганцевой стали. Рассмотрено влияние модифицирования на уровень эксплуатационных свойств, выраженных через коэффициенты абразивной и  ударно-абразивной износостойкости, а также проведена оценка изменения указанных свойств относительно немодифицированного сплава. Приведены результаты металлографических исследований, позволившие обосновать изменение уровня эксплуатационных свойств высокомарганцевой стали. Рассмотрено влияние тепловых условий формирования литых изделий, в частности скорости охлаждения сплава в  литейной форме, на уровень эксплуатационных свойств модифицированной высокомарганцевой стали. В заключительной части сформулированы выводы по результатам проведенных исследований, а также даны технологические рекомендации для практической реализации результатов работ с целью повышения уровня эксплуатационных свойств литых изделий из высокомарганцевой стали. Кроме того, даны рекомендации по наиболее рациональному расходу порошка карбонитрида титана, обеспечивающего получение необходимых характеристик микроструктуры и, как следствие этого, повышенного уровня эксплуатационных свойств.

Крупногабаритные кольца, изготавливаемые различными способами обработки металлов давлением, используются во многих отраслях промышленности. Для энергетической промышленности актуальным является производство бандажных колец из немагнитной аустенитной стали для укрепления лобовых частей обмоток роторов турбогенераторов большой единичной мощности. В процессе эксплуатации установки бандажное кольцо является одним из наиболее нагруженных элементов. Вследствие этого материал бандажных колец должен обладать высокими прочностными свойствами, достаточной пластичностью и хорошей магнитной проницаемостью. Деформация колец внутренним давлением является наиболее перспективным и эффективным способом их холодного упрочнения, обеспечивающим благоприятное и равномерное напряженно-деформированное состояние металла при производстве немагнитных бандажных колец мощных турбогенераторов. Поскольку к окончанию процесса холодного упрочнения готовое кольцо должно приобрести конкретные размеры и заданную степень деформации, актуальной задачей является расчет размеров исходного кольца. Существующая методика во многом опирается на опытные данные производства и применима лишь для узкого диапазона колец, что снижает точность расчета и, в конечном счете, приводит к увеличению припусков кольца и снижению коэффициента использования металла. В работе разработана и предложена новая методика расчета исходных размеров колец, в основе которой лежит условие несжимаемости. С учетом заложенных краевых условий составлена система из двух уравнений с тремя неизвестными. Для решения неполной системы уравнений предложено ввести дополнительные уравнения: в первом варианте методики использовано известное решение А. Надаи, во втором – условие постоянства относительной толщины стенки кольца, допустимое исходя из опытных данных деформирования колец разных размеров. Результаты расчета размеров исходных колец по обеим предложенным методикам были сопоставлены с опытными данными. Максимальное расхождение не превышает 4 %, а среднее значение не превышает 1 %, что указывает на достаточно высокую точность предложенных методик расчета и возможность использования их в производственной практике.

Техногенные отходы являются побочным продуктом любого производства. В то же время они могут являться сырьем для получения полезных продуктов. В частности, отходы Шабровского талькового комбината могут быть использованы для получения магнезиальных флюсов. Они дисперсны, поэтому должны быть окомкованы. Для этого предложен способ получения безобжиговых окатышей. В качестве вяжущего использована смесь воды и торфа, подвергнутая обработке в гидроударной кавитационной установке. Полученный материал представляет собой коллоидную систему с размером частиц менее 10^–4 м. Для измерения размеров частиц использован метод динамического светорассеяния. Для сравнения исследована аналогичная смесь воды и торфа, обработанная в планетарной мельнице. Анализ полученных данных показал, что в образце после обработки смеси в гидроударной кавитационной установке до 90 % объема занимают частицы микронных размеров. В образце, измельченном в планетарной мельнице, большая часть частиц характеризуется размерами в десятки и даже сотни микрон. Определение прочности безобжиговых окатышей на раздавливание выполнено путем сжатия в разрывной машине модели Р-0,5. Для этих целей использованы окатыши как непосредственно после окомкования, так и после сушки при 105 °С до влажности менее 1,5 %. При оптимальной доле вяжущих 15 – 20 % прочность сырых окатышей составила 15, а сухих – 90 Н. При доле вяжущего менее 15 % как сырые, так и высушенные окатыши обладали невысокой прочностью. При доле вяжущего более 20 % шихта обладала излишней пластичностью и слипаемостью, что приводило к образованию конгломератов из нескольких окатышей. Несмотря на то, что прочностные показатели безобжиговых окатышей ниже, чем у окатышей, используемых в доменном производстве, они достаточны для применения в сталеплавильных процессах.

. Предложена методика расчета конвективной теплоотдачи при взаимодействии одиночной круглой струи с плоской поверхностью. Показаны отличия данной методики от существующих в настоящее время. Введены понятия «энергодинамический потенциал потока» и «энергодинамическая мощность потока», позволяющие определить интенсивность конвективной теплоотдачи на границе «газ – твердое тело». Даны отличия предложенных определений от уже существующих: плотности теплового потока и теплового потока. Принципиальное отличие плотности теплового потока q и энергодинамического потенциала q_э заключается в следующем: величина плотности теплового потока q для задач конвективной теплоотдачи означает количество теплоты, которое переносится от жидкости к твердой поверхности (или наоборот) за единицу времени через единицу площади поверхности теплообмена. Таким образом, величина q характеризует интенсивность процесса конвективной теплоотдачи на границе раздела фаз. Энергодинамический потенциал q_э характеризует свойство потока как источника или носителя теплоты. Величина q_э характеризует удельную энергетическую мощность потока жидкости. При расчете теплообмена предложено разделять струю при взаимодействии ее с плоской поверхностью на две части: до взаимодействия – струйная часть, после – веерный поток. Методика расчета конвективной теплоотдачи при струйном нагреве, в которой определяющим является критерий Рейнольдса, рассчитанный по характеристикам газа на выходе из сопла, является не совсем корректной. Предлагается использовать критерии, характерные для веерного потока. Данными величинами для веерного потока являются начальная средняя скорость веерного потока U_вп, расстояние от критической точки струи (точка пересечения вертикальной оси струи с поверхностью) до текущей координаты радиуса вниз по течению. Для оценки изменения основных характеристик свободной струи при различных расстояниях от среза сопла до ограничивающей поверхности представлены зависимости: коэффициента расширения струи; коэффициента инжекции струи; коэффициента скорости для любого сечения струи; коэффициента скорости для любого сечения струи, кроме h/d₀ = 0; отношения критериев Рейнольдса, подтверждающие необходимость проведения расчетов теплообмена по величинам, характерным отдельно для веерного потока.

Изучено влияние введения в состав порошковой проволоки для наплавки порошка вольфрама и вольфрамового концентрата на структуру, микротвердость структурных составляющих, твердость и износ наплавленного слоя. Для наплавки в лабораторных условиях были изготовлены порошковые вольфрамсодержащие проволоки типа Н и Е по классификации МИС. В качестве наполнителя использовали порошки кремния КР-1 по ГОСТ 2169 – 69, марганца МР-0 по ГОСТ 6008 – 82, хрома ПХА-1М по ТУ 14-1-1474 – 75, ванадия ВЭЛ-1 по ТУ 48-0533 – 71, никеля ПНК-1л5 по ГОСТ 9722 – 97, алюминия ПАП-1 по ГОСТ 5494 – 95, вольфрама ПВТ по ТУ 48-19-72 – 92, железного порошка ПЖВ-1 по ГОСТ 9849 – 86. В ряде проволок взамен порошка вольфрама применяли вольфрамовый концентрат марки КШ-4 по ГОСТ 213 – 83 производства ОАО «Горнорудная компания “АИР”». В качестве углеродсодержащего восстановителя использовали пыль газоочистки алюминиевого производства следующего химического состава: 21,00 – 43,27 % Al₂O₃; 18 – 27 % F; 8 – 13 % Na₂O; 0 , 4  –  6 , 0  % K₂O; 0,7 – 2,1 % CaO; 0,50 – 2,48 % SiO₂; 2,1 – 2,3 % Fe₂O₃; 12,5 – 28,2 % C_общ; 0,03 – 0,90 % MnO %; 0,04 – 0,90 % MgO; 0,09 – 0,46 % S; 0,10 – 0,18 % P (по массе). Проволоку диам. 5 мм изготовляли на лабораторной установке. Для наплавки использовали трактор ASAW 1250. Режимы наплавки: I_н = 400 ÷ 450 А; U_д = 32 ÷ 36 В; V_н = 24 ÷ 30 м/ч. Наплавку проводили под слоем флюса АН-26С и флюса, изготовленного из шлака производства силикомарганца; количество наплавленных слоев – 5. Определен химический состав наплавленного металла, а также выполнен металлографический анализ наплавленного слоя: определены величина бывшего зерна аустенита, размер игл мартенсита, степень загрязненности неметаллическими включениями, проведены испытания на износ, сделаны замеры на твердость и микротвердость. Показана принципиальная возможность использования вольфрамового концентрата взамен порошка вольфрама в исследуемых проволоках, проведен расчет степени извлечения вольфрама. Показано, что для проволоки типа Н введение вольфрамового концентрата взамен порошка вольфрама в шихту проволоки не повышает загрязненности наплавленных слоев неметаллическими включениями и обеспечивает уменьшение величины первичного зерна аустенита. Использование вольфрамового концентрата при изготовлении порошковой проволоки типа Е способствует уменьшению величины первичного зерна аустенита и размера игл мартенсита, а также повышению микротвердости мартенсита в структуре наплавленного слоя. Введение вольфрамового концентрата взамен порошка вольфрама в состав шихты проволоки класса Н обеспечивает значительное повышение твердости и износостойкости наплавленного слоя.

Статья посвящена изучению процесса внутриформенного модифицирования отливок из высокомарганцевой стали карбонитридом титана.

Во введении рассмотрены основные принципы легирования и модифицирования литейных сплавов, а также приведён обзор результатов работ по этой тематике, выполненных отечественными и зарубежными исследователями. Сделаны выводы по материалам, представленным в изученных работах, сформулированы цели и задачи для исследований. Кроме того, в этой части статьи обоснована актуальность проводимых исследований, а также практическая значимость для литейных предприятий.

Во второй части статьи описана методика проведения экспериментов. Подробно рассмотрены материалы, которые были задействованы при проведении экспериментальных работ: шихтовые материалы, модификатор, материалы для изготовления литейных форм. Кроме того, описан способ получения экспериментальных отливок, методикаопределения тепловых условий формирования экспериментальных образцов в литейной форме, режим термической обработки.Наряду с этим рассмотрена методика проведения металлографических исследований.

В третьей части статьи приведены результаты, полученные в ходе проведения экспериментальных работ по внутриформенному модифицированию мелкодисперсным порошком карбонитрида титана отливок из высокомарганцевой стали. Рассмотрено влияние модифицирования на уровень эксплуатационных свойств, выраженных через коэффициенты абразивной и ударно-абразивной износостойкости, а также оценено изменение указанных свойств относительно не модифицированного сплава. Кроме того, приведены результаты металлографических исследований, позволившие обосновать изменение уровня эксплуатационных свойств высокомарганцевой стали. Также оценено влияние тепловых условий формирования литых изделий, в частности скорости охлаждения сплава в литейной форме, на уровень эксплуатационных свойств модифицированной высокомарганцевой стали.

В заключительной части статьи сформулированы выводы по результатам проведённых исследований, а также даны технологические рекомендации для практической реализации результатов работ с целью повышения уровня эксплуатационных свойств литых изделий из высокомарганцевой стали. Кроме того, даны рекомендации по наиболее рациональному расходу порошка карбонитрида титана, обеспечивающего получение необходимых характеристик микроструктуры и, как следствие этого, повышенного уровня эксплуатационных свойств.

Перспективным направлением повышения прочностных свойств низкоуглеродистых легированных сталей, является использование контролируемой прокатки, обеспечивающей формирование структур с преобладанием бейнитной составляющей. Обзор литературных источников показал, что в настоящее время отсутствуют обстоятельные исследования, которые позволяют утверждать какой морфологический тип бейнита обеспечивает наиболее оптимальные свойства.

Для определения температурно-временных параметров и режимов проведения обработки с целью получение таких структур весьма актуальным является исследование влияния скорости охлаждения на структуру и свойства рассматриваемой группы стали. В настоящей работе изучали влияние скорости охлаждения на структуру, свойства и структурно-фазовые превращения низкоуглеродистой комплексно-легированной трубной стали, содержащей 0,062 % С; 1,80 % Mn; 0,120 % Mo; 0,032 % Cr, 0,90 % Ni и прочие элементы (Al, Cu, V, Nb, Ti). Дилатометрическим методом была построена термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита низкоуглеродистой комплексно-легированной трубной стали. Проведен анализ микроструктуры и измерена твердость после различных скоростей охлаждения. Определены скорости охлаждения, обеспечивающие получение бейнитных структур и повышение прочностных свойств стали указанного состава. Были установлены морфологические особенности бейнита, формирующегося при разных скоростях охлаждения. Выявили, что при скоростях охлаждения от 0,05 до 6 °С/с наряду с ферритом в микроструктуре формируется зернистый (или глобулярный) бейнит, состоящий из бейнитной α-фазы и «островков» мартенситно-аустенитной составляющей размерами 1-5 мкм. При скорости охлаждения 6 °С/с наблюдается переход к реечному бейниту, по границам реек которого располагаются карбиды и остаточный аустенит. При скоростях охлаждения более 16 °С/с бейнит становится пакетно-реечным. С увеличением скорости охлаждения от 50 до 150 °С/с средняя ширина реек бейнитной α-фазы уменьшается с 2,22 до 1,34 мкм.

Давление азота при выплавке может быть основой для наиболее общей классификации сталей, легированных азотом.  Азотистые это стали, производимые при нормальном давлении, высокоазотистые это стали, производимые при давлении выше атмосферного  в специальных агрегатах. Азот, как и углерод,  также упрочняет аустенит, но повышает термическую стабильность аустенита, имеет меньшие размеры ионов и большую растворимость в γ- и -фазах. Результатом является меньший размер нитридов, меньшая поверхностная энергия и их больший упрочняющий эффект и возможность одновременного повышения прочности и коррозионной стойкости аустенита. В статье рассмотрены механизм влияния азота на свойства стали, термодинамика и кинетика легирования стали азотом, критические концентрации азота, влияние азота на свойства стали. В настоящее время нет единой сбалансированной базы данных и термодинамической модели. Поэтому произвольный выбор значений константы равновесия и параметров взаимодействия по табличным данным уменьшает точность расчетов растворимости азота в стали. В сложившейся ситуации лучше использовать экспериментальные данные для конкретного  сплава из оригинальных работ. При выборе данных нужно ориентироваться на следующие контрольные величины: K_N=0,044, A≥600. Растворимость азота в жидком металле, a и g фазах существенно различна.  Критическая концентрация азота N_k,  превышение которой приводит при затвердевании стали к образованию пузырей и пор, зависит от состава стали. В настоящее время приемлемые результаты при определении критической концентрации азота могут быть получены из следующего условия: в течение всего времени затвердевания                                            содержание азота в остаточной жидкости должно быть меньше его равновесного с общим давлением в системе содержания в жидком металле при той же температуре Т.  

 Приведены примеры азотистых и высокоазотистых сталей, в том числе сталей со специальными свойствами, таких как коррозионностойкие в биоактивных средах,  бактерицидные стали, стали, легированные по схеме C+N.

В настоящее время при производстве металлургических сплавов все больше используются металлургические отходы. Накапливание объема и повышение возраста возврата влияет на загрязненность шихты нежелательными элементами и неметаллическими включениями, что неизбежно приводит к резкому ухудшению структуры и свойств отливки. Данное обстоятельство сказывается на характере политерм физических свойств расплава и, соответственно, необходимых температурно-временных параметрах плавки жаропрочного сплава. В данной работе изучены температурные зависимости удельного электросопротивления, кинематической вязкости и поверхностного натяжения жидких жаропрочных композиций на основе системы Ni-Nb-Cr-Mo. Для сплава ЭП902 установлены критические температуры, нагрев до которых приводит к необратимым интенсивным изменениям в направлении улучшения состояния расплава. Обнаружена взаимосвязь между количеством литейных отходов в шихте с видом и особенностями температурных зависимостей физико-химических свойств расплава. Показано, что увеличение количества литейных отходов при переплаве приводит к повышению критических температур. Изучено влияние состояния расплава на процесс кристаллизации и структуру твердого металла. Процесс затвердевания сплава ЭП902 исследован методом дифференциального термического анализа. Показано, что процесс кристаллизации начинается с выделения твердого раствора на основе γ-фазы, а завершается формированием эвтектики на основе интерметаллида Ni₃Nb. Нагрев расплава выше критических температур приводит к увеличению переохлаждения и практически не влияет на эвтектическую температуру. На основании результатов изучения физико-химических свойств жидкого металла и процесса его кристаллизации предложены режимы высокотемпературной обработки расплава, которые позволяют существенно улучшить качество отливок из жаропрочных сплавов типа ЭП902, содержащих значительное количество литейных техногенных отходов в шихте. Осуществлены механические испытания образцов опытных плавок, проведенных по оптимальному режиму высокотемпературной обработки расплава (ВТОР). Применение ВТОР для плавок с 50 % содержанием литейных отходов в шихте, позволило получить у отливок уровень прочностных и пластических свойств, превосходящий ТУ (технические условия), а также стабилизировать их значения от плавки к плавке.

Крупногабаритные кольца, изготавливаемые различными способами обработки металлов давлением, используются во многих отраслях промышленности. Для энергетической промышленности актуальным является производство бандажных колец из немагнитной аустенитной стали для укрепления лобовых частей обмоток роторов турбогенераторов большой единичной мощности. В процессе эксплуатации установки, бандажное кольцо являются одним из наиболее нагруженных элементов. Вследствие этого материал бандажных колец должен обладать высокими прочностными свойствами, обладать достаточной пластичностью и хорошей магнитной проницаемостью. Деформация колец внутренним давлением является наиболее перспективным и эффективным способом их холодного упрочнения, обеспечивающим благоприятное и равномерное напряженно-деформированное состояние металла, при производстве немагнитных бандажных колец мощных турбогенераторов. Так как к окончанию процесса холодного упрочнения готовое кольцо должно приобрести конкретные размеры и заданную степень деформации, актуальной задачей является расчет размеров исходного кольца. Существующая методика во многом опирается на опытные данные производства и применима лишь для узкого диапазона колец, что снижает точность расчета и, в конечном счете, приводит к увеличению припусков кольца и снижению коэффициента использования металла. В работе разработана и предложена новая методика расчета исходных размеров колец, в основе которой лежит условие несжимаемости. С учетом заложенных краевых условий составлена система из двух уравнений с тремя неизвестными. Для решения неполной системы уравнений было предложено ввести дополнительные уравнения – в первом варианте методики использовано известное решение А. Надаи, во втором – условие постоянства относительной толщины стенки кольца, допустимое исходя из опытных данных деформирования колец разных размеров. Результаты расчета размеров исходных колец по обоим предложенным методикам были сопоставлены с опытными данными, максимальное расхождение не превышает 4 %, а среднее значение не превышает 1 %, что указывает на достаточно высокую точность предложенных методик расчета и возможность использования их в производственной практике.

Экспериментально установлено влияние электрического поля на содержание газов в чугуне на основе электрохимических исследований в системе жидкий чугун – шлак – газовая фаза. Автором были проведены иссле­дования, имеющие своей ко­нечной целью получение эко­номно легированного никелем чугуна, не уступающего по своим механическим и эксплу­атационным характеристикам чугуну типа «нирезист». С этой целью исследованию были подвергнуты аустенитные чугуны, предварительно выплавленные в индукционной печи с электрокорундовой футеровкой. Приготовленные из полученного чугуна специальные образцы были подвергнуты дальнейшей обработке электрическим полем с целью изучения влияния статического электрического поля на фиксацию атомарного азо­та в сплаве и, в конечном итоге, на структуру металлической матрицы. Как следует из полученных данных, этот эффект можно усилить приложением электрического ноля, причем на­ложение отрицательного заряда на металл оказывается более эффективным, хотя и при аноде - металле происходит неко­торое «удержание» азота в чугуне. Это можно объяснить тем, что в первоначальный момент времени между подвижным (свободным) электродом и поверхностью расплава существует стационарное электрическое поле, в котором заряженные час­тицы неподвижны в данной системе отчета, что фиксируется включенными в схему амперметрами как отсутствие тока. Наложение статического электрического поля способствует удержанию азота в чугу­не. При 8 – 9% Ni, как показали дальнейшие опыты, необходимо приложить значительное напряжение, чтобы это влия­ние проявилось. Исследования показали, что вопрос о стабилизации аустенита азотом в чугуне не так прост и видимо, влияние поля при введении азотированною фер­рохрома сказывается на разложении нитридов, перезарядке ионов азота и неравновесных условиях их диффузии и вы­хода в газовую фазу. Это подтверждается большим разбросом в анализах азота. Некоторые образцы показали 0,04 – 0,05%N (с введением азотированного феррохрома и «минусом» на металле), но большинство анализов показывают более низ­кие значения.

Для литейного производства представляет также интерес раскисление электрохимическими методами таких сплавов, которые трудно раскислить другими методами, например, алюминиевый чугун. Алюминий является активным элементом, который при неблагоприятной раскладке массопотоков нелегко удалить даже кальцием.  Это приводит к появлению в металле включений Al₂O₃, имеющих плотность, близкую к расплаву, что осложняет их коагуляцию и всплывание. Было опробовано двойное раскисление. Пос­ле выдержки расплава в течение 1 часа его ЭДС «вернулась» почти к исходному состоянию (0,8 В). Раскисление затем рас­плава в течение 15 мин снизило его окисленность в 3 раза по сравнению с начальным. Таким образом, в опытах доказана принципиальная возмож­ность раскисления чугуна и целесообразность двойного рас­кисления.

В итоге предложен способ воздействия при помощи электрического поля на содержание газов в чугуне и способ практического применения электрохимического раскисления железоуглеродистых сплавов.

Предложена методика расчета конвективной теплоотдачи при взаимодействии одиночной круглой струи с плоской поверхностью. Введены понятия «энергодинамический потенциал потока» и «энергодинамическая мощность потока», позволяющие определить интенсивность конвективной теплоотдачи на границе «газ-твердое тело». Даны отличия предложенных определений от уже существующих: плотности теплового потока и теплового потока.

При расчете теплообмена предложено разделять струю при взаимодействии ее с плоской поверхностью на две части: до взаимодействия - струйная часть, после -  веерный поток.

Методика расчета конвективной теплоотдачи при струйном нагреве, в которой определяющим является критерий Рейнольдса, рассчитанный по характеристикам газа на выходе из сопла, является не совсем корректной; предлагается использовать критерии, характерные для веерного потока. Характерными величинами для веерного потока являются начальная средняя скорость веерного потока , расстояние от критической точки струи (точка пересечения вертикальной оси струи с поверхностью) до текущей координаты радиуса вниз по течению.

УДК 622.788.3-661.846

 

ПОЛУЧЕНИЕ БЕЗОБЖИГОВЫХ ОКАТЫШЕЙ ИЗ ОТХОДОВ ШАБРОВСКОГО ТАЛЬКОВОГО КОМБИНАТА

 

Гуляков В,С., Вусихис А.С. Петрова С.А.

(г. Екатеринбург, ИМЕТ УрО РАН)

 

 

Техногенные отходы являются побочным продуктом любого производства. Они   ухудшают экологическую обстановку вокруг свалок, отвалов и шламохранилищ. В то же время они могут являться сырьем для получения полезных продуктов. В частности, отходы Шабровского талькового комбината, состоящие, в основном, из смеси талька и брейнерита могут быть использованы для получения магнезиальных флюсов. Для этого они должны быть подвергнуты гравитационному обогащению для отделения талька. Поскольку получающийся в результате обогащения брейнерит  мелкодисперсен, его необходимо окусковать. Для этого предложен метод получения безобжиговых окатышей, включающий  окатывание увлажненной шихты, изготовленной из окусковываемых материалов и  вяжущих (связующих) веществ, с получением сырых окатышей и их упрочнение за счет их сушки или водотепловой обработки. В качестве вяжущего использована смесь воды и торфа, подвергнутая обработке в гидроударной кавитационной установке. Полученный материал представляет собой коллоидную систему с размером частиц менее 10 ^{-4 м. Для измерения размеров частиц использовали метод динамического светорассеяния.  Для сравнения исследована аналогичная смесь воды и торфа, обработанная в планетарной мельнице. Анализ полученных данных показал, что в образце после обработки смеси в гидроударной кавитационной установке до 90% объема занимают частицы микронных размеров. В  образце, измельченном в планетарной мельнице, большая часть частиц характеризуется размерами в десятки и даже сотни микрон. При этом показатель полидисперсности образца после обработки в планетарной мельнице возрастает более чем в 2 раза.}

Окомкование проводили по стандартной методике, включающей смешение и первичное увлажнение шихты, состоящей из концентрата, полученного в результате гравитационного обогащения отходов  ШТК, и органоминерального вяжущего   на барабанном смесителе в «водопадном» режиме движения шихты. Для окомкования шихты использован тарельчатый гранулятор.

Определение прочности на раздавливание выполнено путем сжатия окатышей в разрывной машине модели Р-0,5. Для этих целей использовали окатыши, как непосредственно после окомкования, так и после сушки при 105 ^оС до влажности менее 1,5%. При оптимальной доле вяжущих 15-20%  прочность сырых окатышей составила 15,  а сухих – 90 Н. При доле вяжущего менее 15% как сырые, так и высушенные окатыши обладали невысокой прочностью. При доле вяжущего более 20% шихта обладала излишней пластичностью и слипаемостью, что приводило к образованию конгломератов из нескольких окатышей.

Не смотря на то, что прочностные показатели безобжиговых окатышей,  ниже, чем у окатышей, используемых в доменном производстве, они достаточны для применения в сталеплавильных процессах. При этом следует учесть, что при попадании в сталеплавильную ванну окатыши разрушаются  на мелкие агрегаты, что  ускоряет растворение материала, из которого они были изготовлены, в шлаке.

 

Ключевые слова: отходы Шабровского талькового комбината, брейнерит, магнезиальные флюсы, кавитационная гидроударная установка, торф, вяжущие материалы, окатыши

    Technogenic wastes are a by-product of any production. They worsen the ecological situation around landfills, dumps and sludge dumps. At the same time, they can be a raw material for obtaining useful products.In particular, the waste from the Shabrovsky talcum combine, consisting mainly of a mixture of talc and breunnerite, can be used to produce magnesian fluxes. For this, they must be subjected to gravitational enrichment to separate talc.Since the resulting breunnerite is finely dispersed as a result of enrichment, it must be agglomerated.

For this, a method has been proposed for the preparation of non-roasting pellets. A method  includes the  making of mixture from  agglomerating materials and binders, its granulation to produce raw pellets and pellets hardening by drying or by water-heat treatment. As a binder, a mixture of water and peat, treated in a hydropercussion cavitation device, was used. The resulting material is a colloidal system with a particle size of less than 10 ^-4 m. To measure the particle size, the dynamic light scattering method was used. For comparison, a similar mixture of water and peat treated in a planetary mill was studied. An analysis of the data obtained showed that particles of micron size occupy up to 90% of the volume in the sample after treatment of the mixture in hydropercussion cavitation device. In a sample that was ground in a planetary mill, most of the particles are characterized by tens or even hundreds of microns. In this case, the polydispersity index of the sample after treatment in a planetary mill increases more than 2 time.

Pelletization was carried out according to a standard procedure, including mixing, of an organomineral binder, water and a concentrate, obtained as a result of gravitational enrichment of SHK waste,  on a drum mixer of mixture movement in a "waterfall" mode. To pelletize the mixture, a disc granulator was used.Determination of crushing strength is performed by compressing pellets in a tensile machine of model P-0.5. For this purpose, the granules were used both immediately after granulation and after drying at 105 ° C to a moisture content of less than 1.5%. With an optimum proportion of binders of 15-20%, the strength of raw pellets was 15, and the strength of dry pellets was 90 N. With a binder percentage of less than 15%, both raw and dried pellets had a low strength. With a binder content of more than 20%, the mixture had excessive plasticity and tackiness, which led to the formation of conglomerates of several granules. Despite the fact that the strength parameters of the non-roasting pellet are lower than those of pellets used in blast-furnace production, they are sufficient for use in steelmaking processes. At the same time, it should be taken into account that when pellets enter the steel bath, the pellets are destroyed into small aggregates, which accelerates the dissolution of the material from which they were made in the slag. Key words: waste of the Shabrovsky talc combine, breynerite, magnesian fluxes, hydropercussion cavitation device, peat, binding materials, pellets.

В настоящее время при производстве металлургических сплавов все больше используются металлургические отходы. Накапливание объема и повышение возраста возврата влияет на загрязненность шихты нежелательными элементами и неметаллическими включениями, что неизбежно приводит к резкому ухудшению структуры и свойств отливки. Данное обстоятельство сказывается на характере политерм физических свойств расплава и, соответственно, необходимых температурно-временных параметрах плавки жаропрочного сплава. В работе изучены температурные зависимости удельного электросопротивления, кинематической вязкости и поверхностного натяжения жидких жаропрочных композиций на основе системы Ni – Nb – Cr – Mo. Для сплава ЭП902 установлены критические температуры, нагрев до которых приводит к необратимым интенсивным изменениям в направлении улучшения состояния расплава. Обнаружена взаимосвязь между количеством литейных отходов в шихте с видом и особенностями температурных зависимостей физико-химических свойств расплава. Показано, что увеличение количества литейных отходов при переплаве приводит к повышению критических температур. Изучено влияние состояния расплава на процесс кристаллизации и структуру твердого металла. Процесс затвердевания сплава ЭП902 исследован методом дифференциального термического анализа. Показано, что процесс кристаллизации начинается с выделения твердого раствора на основе γ-фазы, а завершается формированием эвтектики на основе интерметаллида Ni₃Nb. Нагрев расплава выше критических температур приводит к увеличению переохлаждения и практически не влияет на эвтектическую температуру. На основании результатов изучения физико-химических свойств жидкого металла и процесса его кристаллизации предложены режимы высокотемпературной обработки расплава, которые позволяют существенно улучшить качество отливок из жаропрочных сплавов типа ЭП902, содержащих значительное количество литейных техногенных отходов в шихте. Осуществлены механические испытания образцов опытных плавок, проведенных по оптимальному режиму высокотемпературной обработки расплава (ВТОР). Применение ВТОР для плавок с 50 %-ным содержанием литейных отходов в шихте позволило получить у отливок уровень прочностных и пластических свойств, превосходящий технические условия, а также стабилизировать их значения от плавки к плавке.

Методом порошковой металлургии получены материалы в виде однофазного сплава на основе Ni₃Al и в виде композиционного материала (Ni₃Al + W) с сотовой структурой на его основе. Структурной единицей композиционного материала являлась гранула (зерно) округлой формы средним размером 25 мкм из никелевого сплава, на которую методом химического газофазного осаждения было нанесено сплошное вольфрамовое покрытие толщиной ~0,4 мкм. Испытаниями на сжатие при комнатной температуре показано, что предел текучести композиционного материала (Ni₃Al + W) с сотовой структурой при температурах 20 – 1000 °С выше, чем однофазного сплава на основе Ni₃Al (до 1,7 раз), но при более высокой температуре испытания предел текучести композиционного материала сравнивается с пределом текучести никелевого сплава. Так же ведет себя и удельный (нормированный на плотность 7,8 г/см³ для сплава и 9,5 г/см³ для композита) предел текучести. При температуре 1300 °С однофазный сплав на основе Ni₃Al обнаруживает твердо-жидкое поведение при сжатии. Проведены испытания на ползучесть при сжатии в вакууме при температурах 1000 – 1200 °С. С применением парного и параметрического методов математического анализа процессов ползучести по Холломону получены регрессионные уравнения связи скорости ползучести, напряжения и температуры испытания. Рассчитаны пределы ползучести по заданным допускам на скорость установившейся ползучести и обратные им величины. Показано, что при всех температурах испытания композиционный материал обладает меньшей скоростью ползучести (до 7 раз) и более высокими пределами ползучести (до 2,5 раз), чем никелевый сплав, на основе которого он сконструирован. Определены энергии активации ползучести исследованных материалов при использовании экспоненциального закона связи экспериментальных величин. Найденная энергия активации ползучести для никелевого сплава близка к значениям энергии активации самодиффузии никеля в Ni₃Al и материалах на основе (230 ÷ 310 кДж/моль), а для композита – к энергии активации самодиффузии вольфрама (503 кДЖ/моль).

 Одним из эффективных направлений, способствующих переходу от феррито-перлитной структуры к бейнитной и, следовательно, обеспечивающих повышение прочностных свойств низкоуглеродистых легированных сталей, является применение контролируемой прокатки. Обзор литературных источников показал, что на современном этапе развития науки до сих пор отсутствуют детальные исследования, на основании которых можно делать выводы о влиянии особенностей строения бейнита, обеспечивающего оптимальные свойства низкоуглеродистых легированных сталей. Для определения температурно-временных параметров и режимов проведения обработки с целью получения таких структур весьма целесообразным является установление влияния скорости охлаждения на структуру и свойства рассматриваемой группы стали. В настоящей работе исследованы особенности распада переохлажденного аустенита низкоуглеродистой комплексно-легированной трубной стали, содержащей 0,062 % С; 1,80 % Mn; 0,120 % Mo; 0,032 % Cr; 0,90 % Ni и прочие элементы (Al, Cu, V, Nb, Ti). Определены режимы обработки, обеспечивающие получение бейнитных структур с повышенными прочностными характеристиками в стали исследуемого состава. Установлено, что при малых скоростях охлаждения, не превышающих 6 °С/с, в микроструктуре, помимо феррита, формируется зернистый (или глобулярный) бейнит, состоящий из бейнитной α-фазы и «островков» мартенситно-аустенитной составляющей размером 1 – 6 мкм. При скорости охлаждения 6 °С/с происходит переход к реечному бейниту, по границам реек которого располагаются карбиды и остаточный аустенит. При скоростях охлаждения более 16 °С/с бейнит имеет пакетно-реечное строение. В диапазоне скоростей охлаждения от 50 до 150 °С/с средняя ширина реек бейнитной α-фазы уменьшается с 2,24 до 1,32 мкм.

Современные требования к листовому прокату определяют необходимость получения высоких значений прочностных свойств и одновременно достижения высокого уровня вязкости. Это предопределяет поиск новых технологических решений за счет совершенствования технологии металлургического передела как в части оптимизации химического состава (легирующих и микролегирующих элементов), так и разработки новых температурно-временных режимов прокатки, в том числе с применением ускоренного охлаждения.

Перспективным направлением повышения прочностных свойств низкоуглеродистых легированных сталей, является использование контролируемой прокатки, обеспечивающей формирование структур с преобладанием бейнитной составляющей. Следует подчеркнуть, что морфология бейнитных структур в низкоуглеродистых феррито-бейнитных трубных сталях чрезвычайно разнообразна: встречается как игольчатый, глобулярный, так и реечный бейнит. Появление того или иного морфологического типа зависит как от характера легирования стали, так и режима ее обработки. Анализ литературных источников показал, что в  настоящее время отсутствуют обстоятельные исследования, которые позволяют утверждать какой именно морфологический тип бейнита обеспечивает наиболее оптимальные свойства. В связи с этим весьма актуальным является исследование распада переохлажденного аустенита низкоуглеродистой трубной стали, выявление морфологического типа бейнита и его влияние на свойства стали.

В настоящей работе изучали влияние скорости охлаждения на структуру, свойства и структурно-фазовые превращения низкоуглеродистой комплексно-легированной трубной стали, содержащей 0,062 % С; 1,8 % Mn; 0,12 % Mo; 0,032 % Cr, 0,895 % Ni и прочие элементы (Al, Cu, V, Nb, Ti). Дилатометрическим методом с использованием комплекса Gleeble 3500 построена термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита низкоуглеродистой комплексно-легированной трубной стали. Нагрев образцов диаметром 10 ммпроводился до температуры 1000 °С с последующим охлаждением со скоростями в диапазоне от 0,05 до 150°С/с. Проведен качественный и количественный анализ микроструктуры и определена твердость после различных скоростей охлаждения. Определены скорости охлаждения, обеспечивающие получение бейнитных структур и повышение прочностных свойств стали указанного состава.

Изучены структура, фазовый состав и механические свойства сплава на основе Ni₃Al и композиционного материала (Ni₃Al + W) с сотовой структурой на его основе при испытаниях на сжатие. Получены регрессионные уравнения связи скорости ползучести, напряжения и температуры испытания для парных зависимостей (скорость ползучести – напряжение) и для модели Холломона (скорость ползучести – напряжение – температура). Рассчитаны пределы ползучести по заданным допускам на скорость установившейся ползучести и обратные им величины. Определены энергии активации ползучести исследованных материалов для экспоненциального представления модели ползучести.

Проведен термодинамический анализ влияния кремния на растворимость кислорода в расплавах системы Ni ‒ Co ‒ Cr при 1873  К.  Кремний в расплавах системы Ni ‒ Co ‒ Cr при малых его содержаниях практически не влияет на концентрацию кислорода, которая определяется содержанием хрома. При более высоком содержании кремния, после смены механизма процесса взаимодействия хрома и кремния  с кислородом, когда уже кремний определяет растворимость кислорода в расплаве, концентрация кислорода снижается. Однако раскислительная способность кремния в расплавах системы Ni ‒ Co ‒ Cr при повышенных его содержаниях значительно ниже, чем в расплавах системы Ni ‒ Co.

Проведен термодинамический анализ влияния кремния на растворимость кислорода в расплавах системы Ni-Co-Cr при 1873 K. Кремний в расплавах системы Ni-Co-Cr при малых его содержаниях практически не влияет на концентрацию кислорода, которая определяется содержанием хрома. При более высоком содержании кремния, после смены механизма процесса взаимодействия хрома и кремния с кислородом, когда уже кремний определяет растворимость кислорода в расплаве, концентрация кислорода снижается. Однако раскислительная способность кремния в расплавах системы Ni-Co-Cr при повышенных его содержаниях значительно ниже, чем в расплавах системы Ni-Co.

Экспериментально установлено влияние электрического поля на содержание газов в чугуне на основе электрохимических исследований в системе жидкий чугун – шлак – газовая фаза. Автором проведены исследования, имеющие своей конечной целью получение экономнолегированного никелем чугуна, не уступающего по своим механическим и эксплуатационным характеристикам чугуну типа «нирезист». С этой целью исследованы аустенитные чугуны, предварительно выплавленные в индукционной печи с электрокорундовой футеровкой. Приготовленные из полученного чугуна специальные образцы были подвергнуты дальнейшей обработке электрическим полем с целью изучения влияния статического электрического поля на фиксацию атомарного азота в сплаве и, в конечном итоге, на структуру металлической матрицы. Как следует из полученных данных, этот эффект можно усилить приложением электрического ноля, причем наложение отрицательного заряда на металл оказывается более эффективным, хотя и при аноде – металле происходит некоторое «удержание» азота в чугуне. Это можно объяснить тем, что в первоначальный момент времени между подвижным (свободным) электродом и поверхностью расплава существует стационарное электрическое поле, в котором заряженные частицы неподвижны в данной системе отчета, что фиксируется включенными в схему амперметрами как отсутствие тока. Наложение статического электрического поля способствует удержанию азота в чугуне. При 8 – 9 % Ni, как показали дальнейшие опыты, необходимо приложить значительное напряжение, чтобы это влияние проявилось. Исследования показали, что вопрос о стабилизации аустенита азотом в чугуне не так прост и, видимо, влияние поля при введении азотированного феррохрома сказывается на разложении нитридов, перезарядке ионов азота и неравновесных условиях их диффузии и выхода в газовую фазу. Это подтверждается большим разбросом в анализах азота. Некоторые образцы содержали 0,04 – 0,05 % N (с введением азотированного феррохрома и «минусом» на металле), но большинство анализов показывают более низкие значения. Для литейного производства представляет также интерес раскисление электрохимическими методами таких сплавов, которые трудно раскислить другими методами, например, алюминиевый чугун. Алюминий является активным элементом, который при неблагоприятной раскладке массопотоков нелегко удалить даже кальцием. Это приводит к появлению в металле включений Al₂O₃ , имеющих плотность, близкую к расплаву, что осложняет их коагуляцию и всплывание. Было опробовано двойное раскисление. После выдержки расплава в течение 1 ч его ЭДС «вернулась» почти к исходному состоянию (0,8 В). Дальнейшее раскисление расплава в течение 15 мин снизило его окисленность в 3 раза по сравнению с начальным. Таким образом, в опытах доказана принципиальная возможность раскисления чугуна и целесообразность двойного раскисления. В итоге предложен способ воздействия электрическим полем на содержание газов в чугуне и способ практического применения электрохимического раскисления железоуглеродистых сплавов.