Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 62, № 7 (2019)
Скачать выпуск Неозаглавлен
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-7

СТАЛИ ОСОБОГО НАЗНАЧЕНИЯ

503-510 123
Аннотация

В данной статье представлен краткий обзор по свойствам и технологии производства высокоазотистых сталей (ВАС), отличающихся рядом преимуществ перед традиционными сталями. Основные из них: до четырех раз выше предел текучести при уникальном сохранении остальных характеристик; уменьшение расхода или 100 %-ное исключение применения некоторых дорогих легирующих элементов, таких как Ni, Mo, Co, Wи др.; эффективное легирование нетрадиционными элементами (Ca, Zn, Pb и др). Рассмотрены основы технологии ВАС, зависимости свойств от содержания азота в сталях, обсуждены технологии получения феррито-перлитной, мартенситной и аустенитной стали, их свойства и возможности применения. Показано, что для феррито-перлитной стали легирование азотом в связи с  его большей растворимостью по сравнению с углеродом требует более точного соблюдения химического состава для исключения получения нерастворимых при термической обработке нитридов. Особенности мартенситных сталей связаны с возможностью образования нитридов и карбонитридов при отпуске. Влияние азота в этих сталях может быть связано с уменьшением размера нитридных частиц по сравнению с карбидными. Повышенная температура устойчивости нитридов и карбонитридов обеспечивает повышение механических и  физических свойств. В аустенитных сталях азот, благодаря сильной γ-образующей эквивалентности никелю, заменяет его в соотношении 1  кг азота  ≈  6  ‒ 39 кг Ni. В аустенитно-мартенситных сталях основную роль играет термический мартенсит, стабильный аустенит получается в процессе его старения при рабочих температурах. Приведены примеры эффективного использования ВАС в ответственных деталях.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

511-516 61
Аннотация

Представлена методика расчета режимов холодной прокатки полос на многоклетевом (реверсивном) стане, которые могут обеспечить минимальный расход электроэнергии при максимальной стабилизации процесса на высоких скоростях и получение заданного качества холоднокатаных полос (минимум вероятности образования дефектов поверхности, соответствие допусков по толщине и плоскостности требованиям используемых стандартов). Задача решена с помощью метода условной оптимизации. В качестве критерия оптимизации предложено использовать суммарный расход энергии, затрачиваемой на процесс прокатки, в качестве условий – технологические  и  конструкционные ограничения на параметры прокатки и устойчивость полос в отношении обрывов и образования дефектов поверхности. Решение о разработке данной инновационной методики обусловлено тем, что большое число существующих подходов к  расчету и проектированию режимов прокатки имеют видимые достоинства и недостатки. Во многих случаях разработчики стремятся учесть одновременно несколько требований, обеспечивающих устойчивость процесса прокатки, качество проката, условия эксплуатации оборудования, снижение расхода энергии, металла, вспомогательных материалов и заданную (максимальную) производительность стана. Однако некоторые из этих требований могут быть противоречивыми и наилучшим будет тот режим, который с высокой степенью вероятности гарантирует выполнение в определенной пропорции всего комплекса требований. Таковой является представленная методика расчета. Расчет режимов холодной прокатки сводился к выбору и распределению обжатий по клетям (проходам – на реверсивном стане) и выбору натяжений полосы в межклетевых промежутках, на разматывателе и моталке, а также в задании клина скоростей в конкретной системе ограничений, накладываемых на входные и выходные переменные процесса в функции принятого критерия оптимальности. Как было отмечено ранее, задача решена с помощью метода условной оптимизации, т. е. с заданием критерия оптимизации.

 

517-524 78
Аннотация

Для правки маложестких цилиндрических деталей типа валов и осей рассмотрены различные виды нагрузок, которые формируют разные по величине и по характеру распределения напряжения. В качестве перспективного направления можно рассматривать правку изгибом при воздействии распределенной нагрузки с последующим упрочнением заготовки способом поверхностного пластического деформирования, основанном на поперечной обкатке заготовки плоскими плитами. Целью работы является определение напряженного состояния заготовки при поперечной правке для выбора более эффективного вида нагружения и рациональных режимов обработки. В  работе использован математический аппарат, основанный на законах теории упругопластического твердого тела и программный пакет Ansys Workbench. Новизной является определение эффективных методов нагружения при поперечной правке цилиндрических деталей. В результате аналитических расчетов получены величины остаточных напряжений, обеспечивающих выправление цилиндрических деталей. Остаточные напряжения, необходимые для выправления деталей, зависят от исходного прогиба, материала и размера заготовки. Напряженное состояние цилиндрических деталей определено в зависимости от вида приложения поперечных нагрузок. Напряжение изгиба для выправления вала при нагружении воздействием распределенной нагрузки меньше, чем напряжение от действия поперечной силы. Для выправления прутка диаметром 10 мм, длиной 200 мм и с исходным прогибом 0,5 мм нужно создать напряжение изгиба, равное примерно 370 МПа. Эффективным методом нагружения при поперечной правке цилиндрических деталей является изгиб при воздействии распределенной нагрузки. Получены предельные значения коэффициентов изгиба от 5,3 до 5,5 для всех случаев жесткости вала при правке поперечным изгибом и воздействии распределенной нагрузки с отношением l/L, равным 0,8. Разработанная математическая модель дает вполне достоверные значения остаточных напряжений, обеспечивающих выправление цилиндрических деталей. Аналитическая зависимость для расчетного определения величины общих прогибов и определения эффективного вида нагружения может быть рекомендована к  практическому использованию в производстве для достижения прецизионной точности маложестких изделий типа валов.

525-530 58
Аннотация

Во второй части статьи рассматривается влияние количества возврата собственного производства на структуру и механические свойства сплава ЖС6У-ВИ. Поскольку использование возврата сопряжено с возможностью загрязнения сплава неметаллическими включениями и угаром легирующих компонентов, влияние его на структуру и механические свойства должно быть существенным. Изучены выплавленные в вакуумной дуговой печи цилиндрические образцы диаметром 12 мм, отлитые в медную изложницу, из чистого исходного сплава ЖС6У-ВИ без использования возврата, а также с использованием 50 и 100 % в шихте специально подготовленного возврата. Исследование структуры осуществляли с использованием оптической микроскопии на шлифах, приготовленных из поперечных сечений образцов после травления. Исследования проводили на образцах, отожженных при 1210 °С в течение 4 ч. Сплав, полученный целиком из возврата, содержит несколько большее количество неметаллических включений в структуре по сравнению с отлитым из первичного сплава. Для образца, выплавленного из 100 % возврата, уровень опасности включений равен 3 (ASTM E 45-97) при их среднем размере 28,4±0,2 мкм. При этом отмечается наличие единичных крупных включений размером не более 70 мкм. Однако это не влияет на полученные механические свойства сплава. Механические свойства после термической обработки (σв = 1090 – 1100 МПа и δ = 9 – 11 %), полученные на образцах, выплавленных с применением возврата 50 и 100 % от массы шихты, полностью удовлетворяют требованиям ТУ1-92-177-91, предъявляемым к сплаву ЖС6У-ВИ. В процессе затвердевания большая часть крупных включений сосредотачивается в поверхностных зонах отливок, что затрудняет их механическую обработку, вследствие чего использование в шихте 100 % возврата без его предварительной переработки не рекомендуется. Приемлемые результаты были достигнуты при применении 50 % очищенного возврата собственного производства.

531-538 54
Аннотация

Представлены результаты физического и теоретического моделирования процесса непрерывной формовки. Эксперименты по непрерывной формовке полосовых заготовок проводили на трубоэлектросварочном стане 10-50 для трубы диам. 50 мм со стенкой 1 мм. Процесс формоизменения трубных заготовок осуществляли на участке формовочных горизонтальных и вертикальных клетей с оценкой геометрических параметров. Калибровка валкового инструмента – однорадиусная. Определены и замерены энергосиловые параметры процесса, которые влияют на качество геометрии заготовки. Анализ геометрических параметров полученной заготовки выявил дефекты типа гофр на правой кромке заготовки между второй эджерной и третьей формовочной клетями. Аналогичный дефект выявлен на левой кромке заготовки на межклетевом расстоянии третьей формовочной и эджерной клетями. Для устранения дефектов на формовочном участке перестраивали горизонтальные клети так, чтобы усилия по приводным клетям были идентичны. Последовательно были определены энергосиловые параметры процесса: тянущие усилия приводных клетей, значения сопротивлений перемещению полосы по приводным клетям и вертикальные усилия формовки. Расчеты по определению энергосиловых параметров выполняли с учетом основных технических параметров по двум методикам. Первая методика учитывает геометрические параметры сформованной заготовки и параметры очага сворачивания с учетом зоны внеконтактной деформации. Вторая методика базируется на учете контактного взаимодействия заготовки и профилированного инструмента по сечениям деформации. Расхождение расчетных и экспериментальных данных составило 8 – 12 %. После корректировки технических параметров процесса формовки и перенастройки валковых калибров была сформована бездефектная трубная заготовка. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных траекторий кромок по клетям по высоте и ширине показал расхождения результатов в пределах 6 – 9 %. При исследовании геометрических параметров очага деформации учитывали контактную и  внеконтактную зоны очага сворачивания и участок распружинивания. Рассчитаны параметры формоизменения трубной заготовки в монотонном и валковом очагах формовки. Анализ проведенных результатов показал, что формоизменение заготовки соответствует принятым положениям о характере изменения геометрии заготовки в валковых приводных калибрах.

539-547 61
Аннотация

Произведен анализ проблем, возникающих при прокатке непрерывнолитой заготовки на современных мини-металлургических и  передельных заводах. Показано, что использование в прокатных станах данных заводов клетей трио вызывает необходимость получения заготовок кратной длинны из штанг (чаще всего 12-ти метровой длины), которые производятся в условиях прокатного цеха. Отмечено, что последующая прокатка таких кратных заготовок выявила повышенную растрескиваемость передних концов и, как следствие, повышенный расход металла. Проведен анализ возможных причин появления данных растрескиваний. Указано, что этот дефект может появляться в  результате формируемого определенного напряженно-деформированного состояния на торце раската, которое обуславливается наличием неравномерного температурного поля вследствие более интенсивного охлаждения торца, режима обжатий в клети трио и  наличия у  непрерывнолитой заготовки осевых дефектов. Исследование проводилось на промышленном среднесортном стане 500/370, а также с  использованием математического моделирования методом конечных элементов. Изучалось влияние совокупности таких технологических факторов, как температура нагрева заготовок перед прокаткой, временный интервал их транспортировки на участке «нагревательная печь  –  первая клеть прокатного стана» и параметры макроструктуры осевой области металла. Расчеты с помощью разработанной математической модели указали на необходимость учета наличия на нагретой непрерывнолитой заготовке слоя окалины. Показано, что в зависимости от температуры нагрева и времени транспортировки, перепад температур на торце раската по сравнению с температурой нагрева может составить от 45 до 100 °С, что приведет к неравномерному распределению сопротивления деформации и неблагоприятному напряженно-деформированному состоянию на торце раската. Кроме того, наличие осевого дефекта может влиять на растрескивание в контексте особенностей его формы и трансформации при приложении обжатия. Полученные экспериментальные данные позволили высказать гипотезу о механизме трансформации дефектов несплошности, обусловленных условиями непрерывной разливки и порезки заготовок в  трещины на торце раската в ходе прокатки в обжимной клети.

548-556 85
Аннотация

Рассмотрены металлургические свойства магнезиальных флюсов Халиловского месторождения с различным соотношением в составе магнезита и серпентина. Приведены результаты лабораторных экспериментов по исследованию влияния магнезиальных флюсов Халиловского месторождения с различным содержанием магнезита на показатели производства агломерата из руд Курской магнитной аномалии в условиях АО «Уральская Сталь». Установлено, что применение опытных флюсов способствует упрочнению агломерата, повышению выхода годного и удельной производительности. Так, при использовании опытных флюсов взамен Бакальского сидерита обеспечивается увеличение выхода годного агломерата на 3 – 5 % (отн.) в результате ускорения твердофазных реакций с участием магнезита и серпентина. При этом удельная производительность по годному агломерату увеличивается с 1,04 до 1,08 – 1,15 т/(м2 ·ч), т. е. на 4  –  10  %  (отн.). Использование опытных магнезиальных флюсов способствует повышению барабанной прочности агломерата: прочность на удар повышается в  среднем на 4 – 6 % (абс.), а показатель прочности к истиранию снижается на 0,6 – 0,8 % (абс). Улучшение прочностных характеристик агломерата при использовании магнезиальных флюсов Халиловского месторождения происходит благодаря образованию «армирующей» ферритной связки, а также гомогенизации затвердевающего расплава и кристаллизации его в виде стеклофазы ранкинитового состава, в  совокупности ограничивающих процессы образования β-Сa2 SiO4 . Результаты опытных спеканий подтвердили возможность использования опытных флюсов при производстве магнезиального агломерата в условиях агломерационного цеха АО «Уральская Сталь» без изменения технологии производства. Для условий АО «Уральская Сталь» рациональным вариантом является использование магнезиального флюса Халиловского месторождения с содержанием магнезита 50  %. Замена сидерита Бакальского месторождения при производстве агломерата с 2  % MgO на магнезиальный флюс Халиловского месторождения с содержанием 50  % магнезита обеспечивает повышение выхода годного на 4 – 5 %, увеличение барабанной прочности на 5 – 6 % и рост удельной производительности на 8 – 10 % при сохранении содержания железа на уровне «базового» периода.

 

ЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

557-563 76
Аннотация

Использование оцинкованного лома в качестве шихтового материала электросталеплавильного производства приводит к образованию металлургической пыли, пригодной для извлечения цветных металлов. Вопросы, связанные с поведением хлора и его соединений в  электросталеплавильной пыли, содержащей цинк и свинец, недостаточно изучены. В работе показано, что опасность наличия хлора и его соединений в шихте, а значит, и в выбросах дуговой сталеплавильной печи (ДСП) заключается в том, что он является основным компонентом, участвующим в формировании высокотоксичных органических веществ – диоксинов и фуранов (ДиФ), которые попадают в окружающую среду не только в газообразном, но и в адсорбированном на частичках пыли виде. По разным данным их концентрация составляет 5  –  500  нг/кг пыли и зависит от технологических параметров плавки. Приведен анализ процессов формирования диоксинов и  фуранов в  ДСП и их поведения в уловленной пыли. Установлено, что при содержании в исследуемой электросталеплавильной пыли 1,3 % хлора, источником поступления которого являются шихтовые материалы, 99,9 % образуют относительно безопасные соединения, в основном хлориды, а небольшая часть идет на образование ДиФ. Количество адсорбированных на поверхности частичек уловленной пыли диоксинов и фуранов составило 474 нг/кг пыли. Являясь сильными экотоксикантами (первый класс опасности), ДиФ повышают класс опасности пыли с четвертого до третьего и выше, что необходимо учитывать при обращении с пылью. Кроме того, транспорт диоксинов и фуранов в окружающей среде осуществляется за счет твердых частиц, сорбирующих яды на своей поверхности, поэтому электросталеплавильная пыль с адсорбированными на ее поверхности ДиФ может спровоцировать их попадание в живые организмы. Рассмотрены пути снижения эмиссии диоксинов и фуранов при производстве электростали и процессы ресурсосберегающей и экологически безопасной переработки пыли. В частности, проанализирована возможность использования известкового молочка для орошения отходящих газов в газоходе ДСП и показано, что это позволит снизить содержание ДиФ до допустимых пределов. Оценена эффективность предлагаемых мероприятий.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

564-570 53
Аннотация

При реализации стратегической программы исследований, осуществляемой Технологической платформой «Замкнутый ядернотопливный цикл с реакторами на быстрых нейтронах», выполняются работы по оснащению горячих камер оригинальным нестандартным оборудованием для первичных послереакторных неразрушающих исследований свойств критически важных материалов реакторов на быстрых нейтронах. К ним относятся сплавы на основе хром–железо, рассматриваемые как перспективные для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах. В ходе исследования ультразвуковым спектроскопическим методом внутреннего трения цилиндрических образцов сплавов на основе хром – железо в узком температурном интервале вблизи 550  К при их охлаждении со скоростью около 0,2  К/с обнаружен аномальный с точки зрения классической теории колебаний эффект. Его особенность заключается в возникновении связанных колебаний в образцах с неравномерным распределением температуры по радиусу, если интервал изменения температуры содержит точку магнитного фазового перехода материала. Такой образец можно рассматривать как сложную колебательную систему, состоящую из периферийной (более холодной) и центральной областей, находящихся в разных магнитных состояниях, с пульсирующей границей раздела, на которой действуют механические напряжения. Установлено, что указанный аномальный режим колебаний связан с влиянием динамических колебательных напряжений на образование и магнитные фазовые превращения в карбонитридных включениях, возникающих в ходе термообработки сплавов. Предложено теоретическое описание этого эффекта. Показано, что регистрируя параметры связанных колебаний, можно оценить размеры образующихся фазовых включений. Отмечается, что обнаруженные особенности и установленные закономерности резонансных колебаний в совокупности с традиционным методом внутреннего трения можно использовать для обнаружения метастабильных фазовых включений, возникающих на промежуточных стадиях формирования структуры материала, и оценить их размеры. Последнее несомненно окажется полезным при первичных неразрушающих испытаниях в горячих камерах сильно облученных образцов этих сплавов при оптимизации состава сплавов для оболочек ТВЭЛов реакторов на быстрых нейтронах.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

571-577 57
Аннотация

В статье представлен один из возможных вариантов формирования математической модели дуговой сталеплавильной печи. С  целью построения модели, наиболее точно отражающей поведение объекта управления – дуговую сталеплавильную печь, изучены работы по данной тематике и сформированы основные принципы построения. Они состоят в том, что в качестве основы использована схема замещения электрической цепи установки, а для получения математической модели дуги взято нелинейное дифференциальное уравнение Касси для проводимости, получившее наибольшую популярность среди исследователей. Актуализация модели обеспечена расчетами параметров электрической цепи на вторичной стороне низкого напряжения трансформатора и использованием данных, представленных в  работах отечественных и зарубежных исследователей. Для исследования поведения объекта в разные моменты времени технологического процесса взяты различные значения «постоянной времени» проводимости дуги. Это позволило учесть нестационарность состояния приэлектродных областей, подверженных влияниям внешних возмущающих воздействий, а также изменениям температуры, давления и  состава газовой смеси в ходе технологического процесса. Такой подход дал возможность сформировать целостную картину поведения объекта в условиях нестационарного состояния области горения дуг на разных этапах плавки, оценить возможные параметры регулирования и определить требования к системе управления. Сформирована базовая структура модели трехфазной дуговой печи переменного тока. Все необходимые расчеты элементов цепей и моделирование производились с использованием пакета MATLAB Simulink. Структурная схема включает в себя источник переменного напряжения, активные сопротивления и индуктивности трансформатора на вторичной стороне и короткой сети, модель электрической дуги переменного тока. Модель использована для анализа динамических характеристик дуги как электрического объекта, а именно зависимости напряжения от тока – вольтамперной характеристики (ВАХ). Форма ВАХ определяет характер горения дуги, область существования, устойчивость и, соответственно, качество управления. Исследованы ВАХ при различных значениях напряжений на вторичной стороне трансформатора и длинах дуг, а также для разных значений «постоянной времени проводимости дуги». Модель использована и для анализа статических характеристик. Показано, что зависимости длины дуги от тока для разных напряжений ступеней трансформатора проявляют нелинейный характер. Даны рекомендации по выбору управляющих воздействий и построению систем управления для разных этапов плавки. Например, на начальной стадии плавления система управления должна выполнять задачи минимизации числа обрывов при условии незначительной области существования дуги и ограничивать значение вводимой мощности. Результаты моделирования показывают, что нестационарность процесса приводит к необходимости применения адаптивных систем управления, способных подстраиваться под непрерывно изменяющееся состояние объекта.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

578-580 47
Аннотация

Для железных руд Ковдорского месторождения с магнетитом гетерогенного строения до сих пор отсутствуют способы их металлургического передела. Для условий аглопроцесса в работе исследован механизм спекания ковдорских концентратов в широком интервале основности (1,2 – 3,0). Впервые показано определяющее влияние структуры кристаллов магнетита на направление фазовых превращений шихты в процессе спекания. При низкой основности шихты 1,2 – 2,0 в результате спекания образуется двухфазная аглосистема, состоящая из магнетита и силикатной связки мелилитового состава. Установлено, что мелилитовая связка является прямым аналогом основных и  кислых доменных шлаков. При высокой основности 2,0 – 3,0 образуется сложная четырехфазная минеральная аглосистема. Ее основными минералами являются магнетит и связка из кристаллов алюмосиликоферрита кальция, которые вместе занимают практически весь объем готового агломерата. По составу и количеству фаз магнетито-ферритная композиция также является двухфазной аглосистемой. Для каждой из установленных аглосистем требуется разработка соответствующих технологических режимов спекания. 



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


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