Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск
Том 62, № 9 (2019)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-9

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

667-673 133
Аннотация

Представлены результаты практического использования методики расчета режимов прокатки применительно к четырехклетевому стану 1400 холодной прокатки. При прокатке выбранных типоразмеров ставилась задача определения конкретного режима прокатки, который обеспечит минимум суммарного удельного расхода электроэнергии при максимальной скорости прокатки, максимальной стабилизации процесса (минимум обрывов, простоев и пр.) и получении заданного качества прокатанных полос (отсутствие дефектов поверхности, соответствие толщины и плоскостности требованиям регламента). Это достигалось включением вышеуказанных требований в систему ограничений применительно к определяемым режимам прокатки для выбранных типоразмеров полос. К примеру, обеспечение заданной (максимальной) производительности для конкретных размеров и марки полосы равносильно реализации заданной (повышенной) скорости прокатки при отсутствии внеплановых простоев, возникающих при аварийных ситуациях (в частности, при обрывах полосы). Ограничением скорости является мощность двигателей, которая включена в комплекс конструкционных и технологических ограничений. Полученные примеры, приведенные в статье, показали, что использование методики приводит выполнению всех заданных требований, что, в свою очередь, обеспечивает снижение себестоимости продукции и повышение производительности стана. Расчет режимов холодной прокатки сводился к выбору и распределению обжатий по клетям (проходам – на реверсивном стане) и выбору удельных 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. Поставленная задача решалась с помощью метода условной оптимизации, через задание критерия оптимизации. В качестве критерия оптимизации использовался 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 валков («навары», «выкрошка» и др.), а также обрывов полосы.

674-680 118
Аннотация

Для восстановления формы искривленных маложестких цилиндрических деталей типа валов и осей предложена правка изгибом при воздействии распределенной нагрузки с последующим упрочнением заготовки способом поверхностного пластического деформирования, основанном на поперечной обкатке заготовки плоскими плитами. Известно, что после правки поперечным изгибом формируются неравновесные напряжения по всему объему заготовки и с течением времени форма детали может снова исказиться. Поэтому, после выполнения процесса правки изгибом, необходимо дополнительно упрочнять заготовки способом поверхностного пластического деформирования, основанном на поперечной обкатке заготовки плоскими плитами. Целью работы является определение условия захвата и напряженного состояния заготовки при поперечной обкатке цилиндрических деталей плоскими плитами. В работе использован математический аппарат и программный пакет Ansys Workbench. Новизной работы является новый способ управления напряженным состоянием при правке цилиндрических заготовок. В результате получено значение предельного угла захвата α, находящегося в диапазоне 2 – 8° и максимальное значение абсолютного обжатия, зависящее от коэффициента трения и диаметра заготовки. Оптимальное значение абсолютного обжатия находится в диапазоне ΔH = 0,07 – 0,15 мм. Результаты расчетов показали, что после поперечной обкатки в центре поперечного сечения заготовки имеет место напряженное состояние всестороннего растяжения, а в периферийных слоях заготовки формируется напряженное состояние сжатия. Способ упрочнения поперечной обкаткой плоскими плитами исключает образование трещин и разрушение материала в центральной области цилиндрических изделий.

681-685 157
Аннотация

В промышленности широкое распространение получили штампы для горячего деформирования. В процессе эксплуатации они подвергаются воздействию высоких температур, напряжений, близких к пределу текучести, переменных термических нагрузок. Для производства штампов используются инструментальные стали повышенной прокаливаемости с высокими механическими характеристиками. В данной работе рассматривается возможность применения стали 5ХНМ. Одной из технологических операций при изготовлении штампов является закалка в масле. Для улучшения эксплуатационных характеристик, в том числе для повышения износостойкости штампов, рационально применять объемное и поверхностное упрочнение, в частности химико-термическую обработку. Представлен способ поверхностного упрочнения путем совмещенного нагрева под химико-термическую и термическую обработку. В качестве поверхностного способа упрочнения крупногабаритных штампов горячего деформирования предложено использовать борирование. Выбраны и подтверждены оптимальные температурно-временные параметры нагрева под совмещенную термическую обработку. Предложенный режим химико-термической обработки позволяет получить необходимую толщину борированного слоя, обеспечивающего высокую твердость и коррозионную стойкость в рабочем диапазоне температур штампа. Проведены исследования влияния термической обработки на структуру и размер зерна в образцах. Показано, что с повышением температуры и времени выдержки размер зерна увеличивается. Это приводит к снижению пределов прочности, текучести, твердости, ударной вязкости, что может отрицательно влиять на эксплуатационные свойства штампов. Для определения механических характеристик проведены испытания образцов (в исследуемом диапазоне температур и выдержек) на растяжение и ударную вязкость. Все испытания проводились в соответствии с существующими ГОСТами. На основании этих результатов выбраны температура и время борирования, обеспечивающие высокие механические свойства и толщину борированного слоя. Предложенный подход позволил значительно сократить экономические затраты на изготовление штампов из стали 5ХНМ за счет исключения из технологического процесса повторного нагрева для проведения закалки при сохранении требуемых эксплуатационных характеристик крупногабаритных штампов.

686-690 151
Аннотация

Разработана и изготовлена, в том числе с помощью аддитивных технологий, модель четырехвалкового стана винтовой прокатки. Рабочие валки установлены: основные – по чашевидной, вспомогательные – по грибовидной схемам с углом раскатки ±7° при нерегулируемом угле подачи 15°. Основные и вспомогательные валки имеют длину бочки 70 мм. Диаметр основных валков в пережиме 50 мм, вспомогательных 36 мм. На выходном участке в сечении выхода трубы из валков их диаметры практически одинаковые и составляют 72 мм. Каждый из четырех валков приводится в движение индивидуальным приводом с мотор-редуктором мощностью 100 Вт и частотой вращения 60 об/мин по грибовидной схеме и 83 об/мин по чашевидной. Это позволяет минимизировать расхождение окружных скоростей по очагу деформации при разных диаметрах валков. На разработанной модели четырехвалкового стана проведена раскатка гильз из пластилина диаметром 25 мм с толщиной стенки 7,5; 5,5 и 3,5 мм. Соотношение диаметра к толщине стенки трубы составляло 3, 5 и 8. Раскатка труб осуществлялась на плавающих оправках диаметром 9, 13 и 17 мм. После прокатки проведены измерения диаметра и толщины стенки труб в пяти равноудаленных друг от друга поперечных сечениях. В каждом поперечном сечении диаметр измерялся в пяти, а толщина стенки в десяти точках. Конечно-элементным методом осуществлено моделирование процесса раскатки указанных труб в программе QForm. Оценка адекватности модели проводилась путем сравнения размеров труб и их точности после раскатки и по результатам компьютерного моделирования. При раскатке в четырехвалковом стане разностенность значительно уменьшается.

691-697 140
Аннотация

Выявлен и обоснован механизм пластического обжатия пряди, как процесс образования арок: прочного свода проволок, появление каждого из которых приводит к смене напряженного состояния пряди на этапах обжатия. Установлено, что до появления первой арки наиболее приоритетными деформированию, при исходном отсутствии боковых контактов, являются проволоки внешнего слоя и центральная проволока. После появления каждой арки напряжения в проволоках арочного слоя становятся преимущественно сжимающими, что временно, вплоть до образования арок во всех других слоях пряди, не позволяет данному слою активно деформироваться. После формирования всех арок проволоки верхнего слоя снова становятся наиболее приоритетными деформированию. Центральная проволока пряди перенапряжена по отношению ко всем иным на всех этапах обжатия. Разработанная методика позволяет анализировать степень проработки каждой проволоки пряди при определенной величине обжатия, отображает особенности деформации многослойной пряди: резкий рост ширины вновь появившегося контакта при почти неизменной величине обжатия; образование арок; неодновременное появление новых контактов в слоях пряди, обусловленное ее геометрией и направлением смещения проволок. Применение предложенной методики позволяет проектировать рациональные конструкции прядей и канатов, подвергаемых малому и среднему круговому пластическому обжатию, а также определять необходимую величину обжатия пряди и канатов конкретной конструкции, исходя из условий сохранения гибкости каната и формирования требуемой геометрии контакта проволок. Установлено, что для пряди диаметром 7,68 мм конструкции 1 + 5 + 5/5 + 10 наиболее равномерная ее проработка и развитость контактов обеспечивается при обжатиях в диапазоне 3,74 < Q < 7,06 %. Интенсивное заполнение зазоров в пряди начинается при Q = 7,06 %, что определяет последующую деформацию как предельную для канатов, работающих на изгиб, как по эксплуатационным характеристикам, так и по условиям работы круглого калибра роликовой волоки. 

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

698-704 152
Аннотация

Рассмотрена возможность экономии энергоресурсов при производстве сжатого воздуха – одного из самых энергозатратных производств, в котором теряется значительная часть используемой энергии. Предлагаемое техническое решение основано на совместном применении двух энергосберегающих технологий: первая из них – использование технологического перепада давления транспортируемого природного газа, безвозвратно теряемого при его дросселировании на газорегуляторных пунктах предприятий, вторая – это охлаждение воздуха перед секциями компрессора для уменьшения работы сжатия. Предложена схема установки для комбинированной паровоздуходувной и электрической станции металлургического предприятия, в которой в дополнение к генерирующей электроэнергию и тепло энергетической турбине и вырабатывающему сжатый воздух двухсекционному компрессору с паротурбинным приводом используется двухступенчатый детандер-генераторный агрегат (ДГА), вырабатывающий электроэнергию и холод. Рассмотрена термодинамика процессов расширения газа в детандере, обоснован выбор двухступенчатой схемы. Вырабатываемый в ДГА холод используется для понижения температуры воздуха на входе в первую и вторую секции компрессора, что позволяет снизить расход топлива на сжатие воздуха. Применение предлагаемой схемы позволяет снизить расход топлива на привод компрессора. Полезно использовать теплоту сжатого воздуха для подогрева транспортируемого газа перед ступенями детандера и вырабатывать дополнительно электроэнергию. При этом для выработки электроэнергии не расходуется топливо, а теплота охлаждаемого воздуха не сбрасывается в окружающую среду, т. е. работа установки характеризуется высокими экологическими показателями. Приводится порядок расчета экономии топлива при применении предлагаемой схемы. Проведенная оценка показала, что использование данной схемы позволяет при расходе газа около 200 тыс. нм3/ч, давлении газа перед газорегуляторными пунктами 0,7 МПа и требуемом давлении воздуха 0,5 МПа уменьшить потребление топлива на теплоэлектроцентрали паровоздуходувной станции на 11,2 тыс. т у.т./год, что составляет 0,84 %. Вырабатываемая электрическая мощность ДГА при этом составит 5,3 МВт.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

705-712 125
Аннотация

Проведен термодинамический анализ процесса газификации углерода в присутствии влаги. Химический процесс отображался системой С – О – Н с соотношениями элементов в ней 1:1:2 и 1:2:2. Для отработки методики исследования и проверки полученных результатов использовали хорошо изученную ранее подсистему С – О. Исходный массив обрабатываемых данных был представлен рассчитанными по программе Терра содержаниями химических компонентов С, СО, СО2 , СН4 , Н2 и Н2О. Единая химическая реакция в системе С – О – Н отсутствует, поэтому полный рабочий диапазон температур 298 – 1400 К делили на три характерных области, и каждую из них анализировали отдельно. Сопоставляя численные значения содержаний компонентов на границах областей, определяли изменения их величин при переходе от одной области к другой. Эти величины были кратными стехиометрическим коэффициентам предполагаемых химических реакций. Таким образом, решалась проблема с установлением вида химических реакций. Но в двух областях из трех идентифицированные реакции имели комплексный характер, т. е. содержали более четырех компонентов. Поэтому выполнили разложение их по базису из трех более простых и характерных для этих областей реакций. В результате общее число разновидностей реакций сократилось до четырех: две основные реакции газификации углерода (С + 2Н2О = СО2 + 2Н2 , С + СО2 = 2СО) и две реакции образования и разложения метана (2С + 2Н2О = СН4 + СО2 , СН4 = С + 2Н2 ). Одновременно с этим, посредством балансовых коэффициентов β определялась доля каждой реакции в общем химическом процессе. Вид химических реакций дает нужную информацию о содержании компонентов системы лишь на границах областей. Количественную оценку химического процесса внутри областей можно получить путем определения температурной зависимости координат реакций от энергий Гиббса и давления – ξ(Т) = f [Δr G°(Т), Р]. Координаты реакций ξ в сочетании с балансовыми коэффициентами β позволяют вычислять не только содержания реагентов и продуктов реакций, но и условные температуры начала и окончания самих реакций. При этом никакие коэффициенты и параметры подгоночного характера в расчетах не использовались. Средняя абсолютная погрешность количественного описания результатов машинного моделирования системы С – О – Н менее 0,02 моля (в расчете на 1 моль углерода), а подсистемы С – О практически нулевая.

713-718 159
Аннотация

Рассмотрены основное разложение термодинамики малоконцентрированных бинарных сплавов и термодинамические параметры взаимодействия первого, второго и третьего порядков в этих сплавах. По экспериментальным термодинамическим данным о концентрационной зависимости избыточного химического потенциала примеси в жидких сплавах бинарных систем оценены значения параметров взаимодействия первого и второго порядков в 37 таких системах. Оценки получены методом численного дифференцирования. Этот метод основан на первой интерполяционной формуле Ньютона. Приведены расчетные формулы для соответствующих оценок. Предложена простейшая теория, связывающая значение термодинамического параметра взаимодействия второго порядка с параметром взаимодействия первого порядка в жидких сплавах определенной системы. Эта теория основана на решеточной модели раствора и принципах статистической механики. В качестве модельной решетки принята решетка ГЦК. Использована модель парного взаимодействия между металлическими атомами в сплаве. Радиус взаимодействия соответствует радиусу ближайшей координационной сферы решетки. С помощью предложенной теории рассчитаны значения термодинамических параметров второго порядка для всех 37 рассмотренных в настоящей работе систем, а также значения параметров взаимодействия третьего порядка для 23 систем из числа вышеупомянутых тридцати семи. Для этих 23 систем теоретические оценки параметров взаимодействия второго порядка согласуются с экспериментальными как по знаку, так и по порядку величины. Это обстоятельство может рассматриваться как свидетельство в пользу применимости, в принципе, метода численного дифференцирования для оценки значений термодинамических параметров взаимодействия первого и второго порядков в жидких бинарных сплавах. Точность оценки значений третьей производной методом численного дифференцирования представляется недостаточной. Это делает невозможным сопоставление расчетных значений параметров взаимодействия третьего порядка с экспериментальными, полученными методом численного дифференцирования. Можно предположить, что проделанные теоретические расчеты этих параметров дают представление о порядке величин указанных коэффициентов.

719-724 131
Аннотация

В данной работе обсуждаются результаты молекулярно-динамического моделирования расплава многокомпонентной окисно-фторидной системы CaO – SiO2 – Al2O3 – MgO – Na2O – K2O – CaF2 – FeO, соответствующей составу промышленной шлакообразующей смеси (ШОС), используемой при разливке стали для наведения шлака в кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок. Химический состав ШОС, % (по массе): 35,35 SiO2 ; 30,79 CaO; 8,58 Al2O3 ; 1,26 MgO; 13,73 CaF2 ; 7,57 Na2O; 0,88 K2O; 1,82 FeO. С учетом этих концентраций был проведен пересчет состава на мольные доли и вычислено соответствующее число ионов в модели для каждого компонента. Моделирование восьмикомпонентного оксидно-фторидного расплава размером 2003 иона в основном кубе (длина ребра 31,01 Å) с периодическими граничными условиями проведено при экспериментально определенной температуре начала затвердевания (1257 К) и фиксированном объеме. Кулоновское взаимодействие учитывали методом Эвальда-Хансена. Шаг по времени равнялся 0,05t0, где t0 – внутренняя единица времени, равная 7,608·10–14 с. Плотность расплава (3,04 г/см3 ) принимали на основании собственных экспериментальных данных. Потенциалы межчастичного взаимодействия были выбраны в форме Борна-Майера. По результатам моделирования определена структура субкристаллических группировок атомов, присутствующих в расплаве при температуре начала затвердевания. Проведено обсуждение результатов моделирования и их сопоставление с литературными данными. Показано, что компьютерная модель позволяет получить достаточно реалистичную картину атомной структуры шлакового расплава, свидетельствующую о том, что основной структурной составляющей всех силикатных систем является кремнекислородный тетраэдр. Тетраэдры в силикатах находятся либо в виде изолированных друг от друга структурных единиц, либо, соединяясь между собой через вершины, образуют комплексные анионы, что согласуется с теорией шлаковых расплавов. Молекулярно-динамическое моделирование позволяет получить адекватную информацию о структуре расплава определенного химического состава.

725-731 154
Аннотация

Проблема дефосфоризации железоуглеродистых сплавов является актуальной для металлургической отрасли, так как высокая концентрация фосфора способствует появлению целого ряда крайне нежелательных явлений. Решению этой задачи посвящено множество экспериментальных работ, но справиться с ней окончательно до сих пор не удалось. Любые натурные эксперименты, направленные на исследование процесса удаления фосфора, требуют немалых материальных и временных затрат, но при этом не гарантируют получение нужного результата. Поэтому для поиска новых подходов к разрешению обозначенной проблемы гораздо рациональнее использование методов численного моделирования с привлечением вычислительных возможностей современных компьютеров. В настоящее время компьютерные эксперименты являются таким же признанным методом исследования, как теоретическое исследование и реальный эксперимент. Для изучения поведения атомов фосфора в железе с помощью численного эксперимента необходимо построить расчетную модель и апробировать ее путем вычисления различных характеристик, значения которых заранее известны. В качестве метода компьютерного моделирования в данной работе был выбран метод молекулярной динамики. С его помощью можно проводить эксперименты с заданными скоростями атомов и описывать динамику исследуемых процессов. Для описания межчастичного взаимодействия использовался потенциал, рассчитанный в рамках метода погруженного атома. Исследование проводилось на расчетной ячейке, имитирующей кристалл α-железа с атомами замещения фосфора. Построенная модель продемонстрировала удовлетворительные результаты при вычислении известных характеристик моделируемой системы. Были установлены зависимости изменения таких характеристик, как температурный коэффициент линейного расширения, температура плавления, скрытая теплота плавления и теплоемкость от концентрации атомов замещения фосфора, а также в отдельных случаях от величины приложенного внешнего давления. Расчеты показали, что, например, концентрация фосфора 0,5 % приводит к росту среднего теплового коэффициента линейного расширения на 9 %, снижению температуры и скрытой теплоты плавления на 5 %, а теплоемкости на 7 %. 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

732-738 138
Аннотация

В процессе эксплуатации конструктивные элементы автомобилей испытывают воздействие температур и вибрации. Преобладающее большинство разрушений металлоконструкций вызвано их усталостью. Это обуславливает экономические потери и часто человеческие жертвы от аварий. Поэтому задача обеспечения работоспособности деталей и узлов автомобилей является одной из актуальных в современном автомобилестроении. Для этого нужно знать закономерности поведения металлических материалов, полученных по разным технологиям, при воздействии вибрации. Деструкция структуры металла непосредственно сказывается на поведении прогиба образцов, отражающего конкуренцию двух взаимно противоположных явлений – упрочнения и разупрочнения, напрямую влияющих на структурную повреждаемость металла. Статья посвящена изучению кинетики усталостного разрушения автомобильных материалов с использованием тарировки структурных повреждений их поверхности с поведением кривых изменения текущего прогиба при знакопеременном нагружении. В работе рассматриваются автомобильные материалы (стали 20XI3, 14Х17Н2, 35ХГСА) и модельные металлы и сплавы (Медь М1, Латунь Л63Т, алюминиевый сплав В95пчТ2) в различном структурном состоянии при циклическом нагружении для пониженных, комнатных и повышенных температур с фиксацией прогиба образца и соответствующих ему структурных повреждений. Показана возможность изучения кинетики усталостной деструкции материала образцов по кривым прогиба, представляющим собой интегральную характеристику деструктивных процессов, протекающих при знакопеременном нагружении. По этим процессам можно отслеживать стадии повреждаемости при усталости металлических материалов – повреждение структуры на начальном этапе, момент появления макроскопической трещины, ее последующее продвижение вплоть до полного разделения конструкционного материала. По ним можно выявить соотношение длительности периода до появления трещины усталости и ее последующего роста, а также определить среднюю скорость продвижения усталостной трещины по телу металлического образца. Важным является также то, что по кривым прогиба можно оценивать кинетику деструкции материалов в условиях, когда прямое изучение структурного состояния поверхности образцов невозможно, например, в условиях криогенных и высоких температур или в присутствии коррозионных сред. В сочетании с фрактографическим и металлографическим анализом процесса усталости кривые прогиба позволяют на основании оценки стадий деструкции материалов проводить выбор  последних для конструктивных элементов автомобиля с учетом условий его эксплуатации и оптимизацию технологии изготовления деталей с целью повышения ресурса и ремонтопригодности.



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


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