Исследовано влияние одностороннего ускоренного охлаждения толстолистовой судостроительной стали А32 толщиной 10 мм наструктуру и механические свойства. Вследствие такого охлаждения по толщине заготовки формируется непрерывный спектр микроструктур от феррито-бейнитной на ускоренно охлажденной поверхности до феррито-перлитной на противоположной. Поэтому по толщине заготовки прочностные свойства уменьшаются от ускоренно охлажденной поверхности к противоположной. Таким образом, градиент прочностных характеристик (твердости, предела текучести и временного сопротивления разрыву) по толщине заготовки направлен к ускоренно-охлажденной поверхности. Для сравнительного анализа другие партии заготовок подвергали нормализации и закалке с высоким отпуском.

Анализ механических свойств показал, что прочностные и пластические свойства образцов при одностороннем ускоренном охлаждении находятся на уровне свойств образцов при термоупрочненном состоянии. При испытании на ударный изгиб образцов с изменяющимся распределением механических свойств по толщине показано, что работа удара зависит от соотношения направлений градиента прочностных свойств и приложения нагрузки. Показано, что при испытании на ударный изгиб при температуре –40 °С в случае, если направление приложения нагрузки противоположно градиенту прочностных свойств, работа удара составляла более 300 Дж (образец не разрушился). При совпадении направлений градиента сопротивления деформации и приложения нагрузки работа удара составляла 262 Дж. Таким образом, если направление градиента сопротивления деформации совпадает с направлением действия внешней приложенной нагрузки, то это приводит к повышению пластичности стали. Показано, что, зная распределение прочностных характеристик (предела текучести, временного сопротивления разрыву) по толщине образца, можно рассчитать интегральные значения предела текучести и временного сопротивления разрыва образца. Величина относительного удлинения по толщине увеличивается от ускоренно охлажденной поверхности к противоположной. Интегральное относительное удлинение образца не больше наименьшего значения относительного удлинения по толщине. При изменяющейся прочности по толщине заготовки при изгибе неизбежно смещение нейтральной линии деформации относительно геометрически средней линии в направлении градиента прочностных свойств. Положение нейтральной линии деформации при изгибе предлагается определять по значению экспериментального интегрального предела текучести (временного сопротивления разрыву).

Показана высокая техническая и экономическая эффективность применения биметаллов в химическом, нефтяном, транспортном и энергетическом машиностороении и других отраслях промышленности. Обоснована актуальность создания высокопроизводительных непрерывных процессов производства биметаллических полос. Изложены основные технологические задачи для развития процессов получения биметаллов широкого класса. Описана ресурсосберегающая технология производства трехслойных биметаллов легированная сталь – конструкционная сталь – легированная сталь на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Показаны возможности предлагаемой технологии с позиции улучшения качества биметаллических полос. Приведены исходные данные для определения изменения температуры во времени основной стальной полосы при ее прохождении через расплав металла легированной стали. Даны уравнения нестационарной теплопроводности, начальные и граничные условия для определения температурных полей основной полосы и плакирующего слоя при получении трехслойной биметаллической полосы на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Приведены значения плотности, теплопроводности и теплоемкости для стали Ст3 в заданном интервале температур. Описана процедура расчета температур в пакете ANSYS путем решения нестационарной задачи теплопроводности в плоской постановке методом конечных элементов. Приведены описание геометрической модели для расчета температур полосы и расплава металла плакирующего слоя, принятые для расчета значения коэффициента теплопередачи между основной полосой и расплавом металла плакирующих слоев биметаллической полосы. Указаны характерные точки в модели для расчета температур основной полосы и расплава плакирующего слоя, приведены зависимости изменения по времени температур основной полосы и расплава плакирующего слоя при получении трехслойной биметаллической полосы на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Приведены расчетные данные изменения во времени температуры основной полосы и расплава металла плакирующего слоя в характерных точках при различных значениях коэффициента контактной теплопередачи при получении трехслойного биметалла.

Представлены способы формирования микрогеометрии поверхности валков дрессировочных станов, обеспечивающих требуемую шероховатость холоднокатаной полосы. Установлено, что при электроэрозионном способе на поверхности валка формируется более равномерная структура, с плавно изменяющимся микрорельефом, по сравнению с механическим воздействием абразива. Рассмотрен наиболее эффективный абразив для формирования микрорельефа на поверхности прокатных валков: литая и колотая стальная дробь. Преимущественно процесс взаимодействия происходит с дробью округлой формы, так как острые грани колотой дроби в процессе работы затупляются. В настоящей работе микровпадина валка аппроксимирована сферической формой. Разработана модель переноса шероховатости валков на полосу с учетом вида обработки валка и условий дрессировки, что позволяет оценить степень заполнения рельефа единичной микровпадины при известных давлении на контакте полосы с валком, коэффициенте трения, параметрах шероховатости валка, режимах дрессировки. Получена количественная оценка репродукции шероховатости валка на дрессируемой полосе, характеризуемая коэффициентом отпечатываемости, который представляет собой отношение глубины затекаемого металла в микровпадину полосы к глубине сферической микровпадины валка. Определение безразмерного давления, необходимого для затекания в нее деформируемого металла, выполнено методом суперпозиций для меридиальных сечений в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Представлены зависимости репродукции микрогеометрии валка дрессировочного стана на прокатываемой полосе от размера дроби, натяжения, высотного параметра шероховатости при дрессировке полос различной толщины, которые могут быть использованы при моделировании процесса переноса микрорельефа валка на прокатываемую полосу.

Проведены исследования сварочного и наплавочного флюсов, содержащего ковшевой шлак электросталеплавильного производства рельсовой стали АО «ЕВРАЗ ЗСМК». Cварку под флюсами проводили на образцах из листовой стали марки 09Г2С проволокой Св-08ГА с использованием сварочного трактора ASAW1250 при отработанных режимах. Определены химические составы сварочных флюсов, шлаковых корок, сварных образцов. Химический состав исследуемых сварных образцов определяли по ГОСТ 10543 – 98 рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре XRF-1800 и атомноэмиссионным методом на спектрометре ДФС-71. Проведены металлографические исследования с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX-51. С помощью анализатора LECO ТС–600 исследовано содержание общего кислорода и поверхностного. Показана возможность использования техногенных отходов металлургического производства для изготовления сварочных флюсов. Для изготовления сварочного флюса использовали: ковшевой шлак электросталеплавильного производства рельсовой стали АО «ЕВРАЗ ЗСМК»; барийстронциевый модификатор БСК по ТУ 1717-001-75073896 – 2005 производства ООО «НПК Металлотехнопром»; шлак силикомарганца производства Западно-Сибирского электрометаллургического завода; пыль электрофильтров алюминиевого производства ОК «РУСАЛ» (углеродфторсодержащая добавка). Проведенные исследования показали пригодность использования ковшевого электросталеплавильного шлака для сварки и наплавки легированного металла. Введение различных флюс-добавок снижает концентрацию общего кислорода в металле сварных швов, что, в свою очередь, повышает ударную вязкость. С точки зрения концентрации кислорода в металле сварного шва и ударной вязкости наилучшим является использование в качестве флюс-добавок шлака силикомарганца и углеродфторсодержащей добавки.

Методами современного физического материаловедения выполнен анализ структурно-фазовых состояний и свойств слоев, сформированных на низкоуглеродистой стали Хардокс 450 наплавочными проволоками с содержанием бора 4,5 и 6,5 % (по массе). В исходном состоянии сталь Хардокс 450 имеет структуру отпущенного мартенсита, в объеме и по границам кристаллов которого расположены частицы цементита. Частицы, расположенные в объеме, имеют игольчатую форму, а по границам – преимущественно округлую. Выявленные экстинкционные изгибные контуры свидетельствуют о кривизне кручения кристаллической решетки данного участка материала, начинаются и заканчиваются на границах раздела кристаллов мартенсита. Скалярная плотность хаотически распределенных дислокаций и формирующих сетчатую субструктуру составляет 6,2·1010 см–2. Микротвердость наплавленного на сталь Хардокс 450 слоя более чем в два раза превышает микротвердость основы. Анализ диаграмм состояния систем Fe – C, Fe – B, B – C и политермических сечений в системе Fe – C – B показал, что быстрое охлаждение из жидкого состояния сплавов Fe23C6 – Fe23B6 способствует образованию многофазных структурных состояний. Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии установлено, что причинами высокой микротвердости поверхностных слоев являются: образование боридов железа и кристаллов ультрамелкодисперсного (до 100 нм) пакетного мартенсита с высокой (~1011 см–2) скалярной плотностью дислокаций; наличие в объеме и по границам кристаллов мартенсита наноразмерных частиц карбидов железа и бора; высокий уровень кривизны кручения кристаллической решетки боридов железа и зерен α-фазы, обусловленный внутренними полями напряжений вдоль межфазных (границы раздела кристаллов боридов железа и зерен α-фазы) и внутрифазных (границы раздела боридов железа и кристаллов мартенсита в пакете) границ. Увеличение концентрации бора от 4,5 до 6,5 % сопровождается значительным (в 1,2 – 1,5 раза) повышением твердости наплавляемого слоя, что обусловлено увеличением размеров и относительного содержания областей боридов железа в 1,5 – 2,0 раза.

Изучена взаимосвязь механизмов разрушения поверхностного слоя порошковых композитов и элементных составов их первичных структур в экстремальных условиях трения. Экстремальные условия заданы скольжением под высоким (более 100 МПа) давлением в граничной смазке или сухим скольжением под электрическим током высокой (более 100 А/см2) плотности. Это вызывало пластическую деформацию поверхностных слоев и их разрушение вследствие малоцикловой усталости. Высокая износостойкость материалов в таких условиях должна быть достигнута за счет удовлетворительной релаксации напряжений в поверхностных слоях. Предполагается, что напряжения должны быть релаксированы за счет локальной пластической деформации в окрестности возникающих концентраторов напряжений. Легкость пластической деформации (и релаксации) должна быть обеспечена за счет снижения легирования структурных составляющих композитов (т.е. отсутствия твердых растворов). Композиты составов Cu – сталь (сплав) – TiC, полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с одновременным прессованием горящей шихты, имели сильную адгезию в скользящем контакте и проявили низкую износостойкость при граничном трении под высокими давлениями. Отсутствие твердых растворов в первичной структуре композита Cu – Fe – TiC соответствовало высокой износостойкости вследствие отсутствия адгезии в контакте и легкой релаксации напряжений. Композиты составов Cu – сталь – графит, изготовленные спеканием в вакууме, проявили сильную адгезию в сухом скользящем электрическом контакте и низкую износостойкость вследствие высокого содержания легирующих элементов. Отсутствие растворов в композите состава Cu – Fe – графит обусловило отсутствие адгезии в контакте и соответствующую высокую износостойкость. Кроме того, напряжения в поверхностном слое релаксировались также путем образования оксида FeO в контактном пространстве при скольжении с токосъемом. Композиты, содержащие твердые растворы, были не способны к образованию оксида FeO на поверхности скольжения. Это было дополнительной причиной реализации низкой износостойкости. Отмечено, что твердые растворы вызывали снижение теплопроводности поверхностного слоя. Это приводило к увеличению градиентов температуры на поверхности скольжения и к соответствующему ускорению разрушения зоны трения.

Представлена новая методика расчета температурных зависимостей удельных объемов сплавов равновесной системы Fe – C, основанная на известных расчетных и эмпирических зависимостях для определения изменения удельных объемов фаз от температуры и содержания углерода. Ранее большинство подобного рода расчетов основывалось на зависимостях С.Ф. Юрьева, которые получены для температуры ниже 1200 °С. При использовании этих формул при температурах выше 1200 °С удельный объем аустенита превышает удельный объем феррита. Однако известно, что аустенит имеет наименьший удельный объем среди всех фаз системы Fe – C. В связи с этим возникает необходимость в использовании других зависимостей, которые бы не противоречили физике процессов полиморфных и фазовых превращений в системе Fe – C. Получены общие зависимости для расчета удельных объемов сплавов отдельно для трех интервалов концентраций углерода, в которых изменения долей фаз от температуры рассчитываются по равновесной диаграмме Fe – C с использованием правила рычага. В качестве примера представлены результаты расчетного определения удельных объемов сплавов с содержанием углерода 0,05, 0,13 и 0,33 % в интервале температур 20 – 1600 °С. Выполнено сравнение представленных результатов с полученными с помощью пакета расчета фазовых диаграмм JMatPro®, на основе которого установлена адекватность предложенной расчетной методики. Разработанная методика может быть использована для расчетного определения удельных объемов сплавов, а также их плотности и коэффициента линейного расширения в зависимости от температуры и концентрации углерода. Полученные формулы для расчета удельных объемов позволяют корректно моделировать процессы затвердевания, охлаждения и усадки заготовок при непрерывной разливке сталей углеродистых марок с учетом эффектов фазовых превращений, а также использовать полученные результаты при настройке оборудования МНЛЗ.

Исследовано влияние одностороннего ускоренного охлаждения толстолистовой судостроительной стали А32 толщиной 10 м на структуру и механические свойства. Вследствии такого охлаждения по толщине заготовки формируется непрерывный спектр микроструктур от феррито-бейнитной на ускоренно охлажденной поверхности до феррито-перлитной на противоположной. Поэтому по толщине заготовки прочностные свойства уменьшаются от ускоренно охлажденной поверхности к противоположной. Таким образом, градиент прочностных характеристик (твердости, предела текучести и временного сопротивления разрыву) по толщине заготовки направлен к ускоренно охлажденной поверхности. Для сравнительного анализа другие партии заготовок подвергали нормализации и закалке с высоким отпуском. Анализ механических свойств показал, что прочностные и пластические свойства образцов при одностороннем ускоренном охлаждении находятся на уровне термоупрочненного состояния. При испытании на ударный изгиб образцов с изменяющимся распределением механических свойств по толщине показано, что работа удара зависит от соотношения направлений градиента прочностных свойств и приложения нагрузки. Показано, что при испытании на ударный изгиб при температуре 40^оС в случае если направление приложения нагрузки противоположно градиенту прочностных свойств работа удара составляла более 300 Дж (образец не разрушился). При совпадении направлений градиента сопротивления деформации и приложения нагрузки работа удара составляла 262 Дж. Таким образом, если направление градиента сопротивления деформации совпадает с направлением действия внешней приложенной нагрузки, то это приводит к повышению пластичности стали. Показано, что, зная распределение прочностных характеристик по толщине образца (предела текучести, временного сопротивления разрыву) можно рассчитать интегральные значения предела текучести и временного сопротивления разрыва образца. Величина относительного удлинения по толщине увеличивается от ускоренно охлажденной поверхности к противоположной. Интегральное относительное удлинение образца не больше наименьшего значения относительного удлинения по толщине. При изменяющейся прочности по толщине заготовки неизбежно смещение нейтральной линии деформации относительно геометрически средней линии в направлении градиента прочностных свойств. Положение нейтральной линии деформации при изгибе предлагается определить по значению экспериментального интегрального предела текучести (временного сопротивления разрыву).

 

Рассматривается насосный редукторно-мультипликаторный привод листовых ножниц с двухцилиндровым силовым блоком, приведено описание разработанной схемы привода с использованием сдвоенных дозаторов (редуктор и мультипликатор) периодического действия. Редуктор включается при холостом ходе, мультипликатор – при рабочем ходе. Их зарядка происходит при обратном ходе силового блока. Каждый дозатор имеет входной цилиндр, соединенный с насосом, и два дозирующих (выходных) цилиндра, связанных раздельно с силовыми цилиндрами силового блока. При этом корпуса цилиндров образуют неподвижный блок, а плунжеры (поршни) – подвижный блок. Этим решается основная задача – синхронизации движения поршней (плунжеров) силовых цилиндров во все периоды работы привода. За счет различного соотношения площадей поршней (плунжеров) входных цилиндров (Fв ) и дозирующих цилиндров (2Fд ) обеспечивается режим прямого хода с двумя ступенями скорости и давления насосов. Для редуктора это соотношение (Fв /(2Fд )) определяет коэффициент редукции (Kр < 1), для мультипликатора – коэффициент мультипликации (Kм > 1). Вследствие этого при холостом ходе скорость движения поршней силовых цилиндров и давление, развиваемое насосами, увеличивается, а при рабочем ходе – эти величины уменьшаются. В итоге достигается выравнивание рабочего давления насосов при прямом ходе на пониженном уровне, что и определяет снижение их установочной мощности (до 30 %). Проанализированы графики силового нагружения и скорости при условии постоянства нагрузки при каждом из трех основных периодов работы привода: холостой, рабочий, обратный ход. Определяющими параметрами рассматриваемого привода приняты коэффициенты Kр (редукции), Kм (мультипликации) и Kс – коэффициент усиления силового блока (Kс = F/Fo , где F и Fo – площадь поршня силового и возвратного цилиндра). Проведен сравнительный анализ рассматриваемого и простого насосного привода с целью установления приемлемого сочетания и диапазона этих величин.

Изучение взаимодействия растворенных в жидком железе магния и алюминия с кислородом является важной задачей для выбора оптимальных параметров рафинирования и разливки сталей. Актуальность исследования обусловлена определением возможности и условий образования неблагоприятных тугоплавких частиц оксида магния и магнезиальной шпинели в расплаве. Проведено термодинамическое моделирование фазовых равновесий, реализующихся в жидком металле систем Fe – Mg – O, Fe – Al – O и Fe – Mg – Al – O в интервале температур 1550 – 1650 °С. Расчет выполняли с использованием методики построения поверхности растворимости компонентов в металле, которая связывает количественные изменения в составе жидкого металла с изменениями в составе продуктов взаимодействия компонентов металлического расплава. Методика моделирования базировалась не только на использовании констант равновесия реакций, протекающих между компонентами исследуемых систем в выбранном интервале температур, но и на учете значений параметров взаимодействия первого порядка (по Вагнеру) элементов в жидком железе. Для моделирования активностей оксидного расплава, сопряженного с металлическим, использовали приближение теории субрегулярных ионных растворов. Для моделирования активностей твердого раствора оксидов использовали приближение теории регулярных ионных растворов, а для твердого раствора шпинелей – теорию совершенных ионных растворов. Построены изотермы растворимости кислорода в жидком металле систем Fe – Mg – O, Fe – Al – O и Fe – Mg – Al – O и определены области термодинамической стабильности оксидных фаз, сопряженных с металлическим расплавом. В частности, для системы Fe – Mg – Al – O определена область составов жидкого металла, в равновесии с которым будет находиться твердый раствор шпинелей FeAl 2 O 4 , MgAl 2 O 4 | тв.р . Полученные результаты термодинамического моделирования сопоставлены с экспериментальными данными.

Рассмотрены электромеханические процессы, протекающие при подъеме груза мостовым краном. Основная идея работы заключается в идентификации аварийного режима (перегрузки крана) методом, основанным на контроле тока статора электродвигателя подъема. Для получения диаграмм тока статора электродвигателя разработана математическая модель мостового крана (трехмассовой схемы), которая включает в себя уравнения, описывающие упругие свойства балок крана и его каната. Для описания приводного асинхронного электродвигателя принята система (α, β)-координат, неподвижных относительно статора электродвигателя. Цикл подъема груза рассматривается как последовательность трех этапов: выбор «слабины» каната; натяжение каната; отрыв и подъем груза. Для каждого этапа составлены системы дифференциальных уравнений, описывающие движение масс элементов мостового крана и поведение электрических параметров электродвигателя. Определены начальные и граничные условия для каждого из этапов. Проведены предварительные преобразования систем уравнений к решению численными методами и последующее моделирование этапов подъема грузов разной массы. Последовательное решение трех краевых задач позволяет получить величины интересующих токов статора в момент отрыва груза. Получены диаграммы токов фазы статора электродвигателя для грузов различной массы. Результаты моделирования  свидетельствуют о наличии поддающейся фиксации разнице величин токов статора после отрыва груза от опорной поверхности. На основании разработанной модели и полученных результатов исследования предложена функциональная схема устройства защиты крана от перегрузки и описан принцип его работы, который заключается в контроле поднимаемой массы груза и контроле тока статора при подъеме груза. Сделан вывод о целесообразности и эффективности контроля электрических величин электродвигателя подъема для организации защиты мостового крана от перегрузок. Оценена эффективность работы предложенной системы.

Для рационального планирования и прогнозирования сроков производства необходим четкий учет и нормирование продолжительности циклов выпуска продукции. Длительность изготовления партий продукции – основа построения оперативных планов-графиков. Без продолжительности циклов невозможно установить календарные сроки запуска полуфабрикатов на ту или иную стадию обработки, а также определить сроки выпуска продукции, сроки прохождения партии продукции по отдельным производственным участкам. Рассматриваемая задача многовариантного оценивания нормативной длительности изготовления конкретной партии стальной проволоки состоит в определении для каждой производственной ситуации оптимальной длительности операций, требуемых для выпуска данной партии. Для ее решения необходимо построить модели производственных процессов, выполняемых в каждом отделении сталепроволочного комплекса. Определен состав, продолжительность и условия выполнения технологических, естественных, трудовых, контрольных и транспортных операций. Указаны типы и количество применяемого оборудования в каждом отделении. Перечислены виды единиц материального потока (бунты, мотки, катушки). Установлен характер и вид движения полуфабрикатов (изделий) по операциям каждого процесса. Заданы способы перемещения изделий от каждой предыдущей операции на каждую последующую (штучный, пакетный, партионный), а также количество перемещаемых пакетов и партий. Учтены виды применяемых поточных линий (непрерывная, полунепрерывная, дискретная). Все перечисленное отражено в представленном многоконтурном алгоритме, апробация которого выполнена методом моделирования с использованием натурных данных действующего предприятия.

12 августа 2019 г. исполняется 85 лет Леониду Андреевичу Смирнову – академику РАН, профессору, доктору
технических наук, научному руководителю ОАО «Уральский институт металлов», главному научному сотруднику Института металлургии УрО РАН, крупному ученому и специалисту в области металлургии, материаловедения и конструкционных материалов.

16 августа 2019 г. исполняется 70 лет первому заместителю генерального директора АХК ВНИИМЕТМАШ, профессору Борису Александровичу Сиваку.