Течение жидкого расплава в кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали (УНРС) до сих пор является малоизученным  процессом. Настоящая работа является продолжением работ, в которых с использованием уравнений гидродинамики и математической  физики, апробированного численного метода показана возможность теоретического исследования кинетики движения и тепловых потоков  жидкого металла в кристаллизаторе при его разливке традиционным способом. С использованием известной методики расчета можно  рассчитать потоки движений жидкого металла и их температуры в кристаллизаторе и при других способах подвода металла, включая  предлагаемый, и сравнить полученные результаты. Поставлена и решена трехмерная задача определения полей скоростей и температур  в  металле, подводимом в кристаллизатор УНРС из погружного стакана на отражатель круглого поперечного сечения. При этом используется методика расчета: система определяющих уравнений, численный метод, численная схема, алгоритм решения задачи. В расчетах  пренебрегали нарастающей на гранях кристаллизатора корочкой затвердевшего металла. Для объективного анализа результатов решения  задачи по традиционному и предложенному способам взяты одни и те же теоретические (скорость вытягивания из кристаллизатора) и геометрические параметры кристаллизатора прямоугольного сечения. По описанному в настоящей работе альтернативному способу подвода  жидкого металла в кристаллизатор прямоугольного сечения зарегистрирована заявка (№ 2018108974/02(013808)) и получено положительное решение на выдачу патента на полезную модель. Приведены некоторые результаты численного решения задачи, а именно, схемы  потоков жидкого металла и их температуры по различным сечениям кристаллизатора.

Трубопрокатные агрегаты с трехвалковыми станами винтовой прокатки применяются для получения горячекатаных бесшовных  труб. В России эксплуатируются два агрегата с раскатными станами ТПА-160 АО «Первоуральский новотрубный завод» и ТПА-200  АО  «Волжский трубный завод». В настоящее время остро стоят вопросы повышения технологических возможностей этих ТПА. Появляется необходимость расширения размерного и марочного сортамента, нетрадиционного использования калибровочных и раскатных  станов винтовой прокатки. Для решения этих вопросов экспериментально исследован процесс редуцирования или безоправочной прокатки труб на трехвалковых станах винтовой прокатки с повышением обжатия по диаметру до 25 %. Приведены результаты компьютерного  конечно-элементного моделирования в программе QFORM. Цель работы – исследование влияния процесса прокатки с повышенными  обжатиями по диаметру на формоизменение металла в очаге деформации и изменения геометрических размеров при редуцировании гильз  с различной толщиной стенки на опытно-промышленном стане. В процессе формоизменения металла при винтовой прокатке важное  значение имеет овальность гильзы. Овальность – отношение радиуса раската при входе в контакт металла с валком к радиусу под валком  в поперечном сечении очага деформации. Овальность характеризует устойчивость гильзы к деформациям в межвалковом пространстве.  Редуцирование тонкостенных гильз сопровождается большими значениями овальности, процесс деформирования осуществляется менее  стабильно, поэтому возможно образование дефектов формы (гранение) и концевые дефекты как при раскатке на оправке. Овальность процесса раскатки на оправке увеличивается более интенсивно, чем при безоправочной прокатке. Наличие оправки ограничивает смещение  металла в осевом направлении, способствует смещению металла в зазоры между валками. При раскатке на оправке необходимо применять  валки с гребнем, которые позволяют осуществлять основное обжатие по стенке и тем самым локализовать зону обжатия на оправке, и,  следовательно, уменьшить овальность гильз.

Обоснована актуальность задачи определения напряженно-деформированного состояния металлов плакирующего слоя и основной  полосы при получении трехслойного биметалла легированная сталь – конструкционная сталь – легированная сталь. Показано температурное поле основной полосы и плакирующего слоя для расчета напряженно-деформированного состояния металлов трехслойной биметаллической полосы. Приведены исходные данные для расчета напряженно-деформированного состояния трехслойной биметаллической  полосы. Для оценки влияния коэффициента трения между плакирующими слоями и основной полосой на напряженно-деформированное  состояние металлов в очаге деформации приняты три его значения. Описана геометрическая модель для расчета напряженно-деформированного состояния и течения металла в очаге деформации плакирующего слоя. Приведены характерные линии и точки, для которых  проведен расчет. Описана методика решения задачи определения напряжений и течения металла в очаге деформации методом конечных  элементов с использованием пакета ANSYS. Приведены закономерности течения металла плакирующего слоя по длине очага деформации и перемещения основной полосы биметаллического слитка. Определены величины взаимного смещения слоев биметаллической  полосы в  зависимости от степени деформации плакирующего слоя. Даны рекомендации по степени деформации плакирующих слоев для  улучшения качества трехслойного биметалла. Представлены закономерности распределения осевых и касательных напряжений в очаге  деформации при получении стальных трехслойных биметаллических полос на установке совмещенного процесса непрерывного литья  и  деформации. Дана оценка напряженного состояния металла плакирующего слоя в очаге циклической деформации с позиции улучшения  качества трехслойных биметаллических полос при получении на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.

Методом  симплексных  решеток  планирования  эксперимента  изучено  влияние  химического  состава  оксидной  системы  CaO – SiO2 – B2O3 , содержащей 15 % Al2O3 и 8 % MgO на вязкость и температуру кристаллизации (здесь и далее указаны % (по массе)).  Показано, что добавки оксида бора в шлаки изучаемой оксидной системы расширяют диапазон состава шлаков с низкой температурой кристаллизации и вязкостью. Шлаки основностью 2,0 – 3,0, содержащие 1 – 3 % B2O3 , характеризуются низкой (1400 – 1450 °С) температурой  кристаллизации и обладают высокой текучестью. Вязкость таких шлаков при их нагреве до 1550 и 1600  °С не превышает 0,20 и  0,15  Па·с  соответственно. Увеличение содержания B2O3 до 4 – 6 % в шлаках основностью 2,0 – 3,0 сопровождается снижением температуры кристаллизации до 1350 – 1425 °С с сохранением низкой (не более 0,15 Па·с) вязкости при температуре нагрева системы 1550 и  1600  °С. Смещение формируемых шлаков, содержащих 1 – 6 % B2O3 , в область повышенной до 3,0 – 5,0 основности сохраняет достаточно высокую  их текучесть. При этом с ростом концентрации оксида бора явно прослеживается тенденция смещения изучаемой оксидной системы  в  область низких температур кристаллизации. Температура кристаллизации шлаков основностью 3,0 – 4,0, содержащих 6 % B2O3 , достигает 1400 °С и практически не превышает 1475 °С для шлаков основностью 4,0 – 5,0, содержащих 1 – 2 % B2O3 . При температуре 1600  °С  вязкость шлаков изменяется от 0,15 Па·с при основности 3,0 и содержании оксида B2O3 5 – 6 % до 0,25 Па·с при основности 4,0  –  5,0  и  содержании оксида B2O3 1 – 3 %. Снижение температуры исследуемой оксидной системы на 50 °С сопровождается незначительным (не  более 0,05 Па·с) повышением вязкости.

В работе приведены результаты экспериментального исследования процесса безоправочной прокатки толстостенных труб, или редуцирования в условиях винтовой прокатки. Установлены основные закономерности изменения формы полых тел с соотношением диаметра к толщине стенки D/S равным 5, 7, 10 в процессе редуцирования на станах винтовой прокатки МИСиС 130Т. Отмечено влияние обжатия по диаметру на качество получаемых полых изделий и величину изменения толщины стенки. С увеличением обжатия по диаметру с 5% до 25%, разностенность получаемых труб снижается, а толщина стенки в процессе редуцирования увеличивается более интенсивно. Осуществлено сравнение овальности тормаженных образцов при редуцировании и прокатке на оправке, выяснены особенности распределения овальности и различия формоизменения по длине очага деформации в рассмотренных процессах. Предложена наиболее простая схема определения геометрии очага деформации при винтовой прокатки для процессов редуцирования и прокатки на оправке. 

Промышленные отходы, скапливающиеся в отвалах, во многих случаях обладают ценными техническими свойствами, поэтому их  можно рассматриваться как вторичные ресурсы. Изучение свойств и модификации шлаков в различных условиях требует комплексного  подхода,  включающего  рентгенофазовый,  электронно-микроскопический  и  петрографический  анализы.  Цель  исследований  –  на  основе выбранных экспериментальных методов обосновать ресурсную ценность отвального доменного шлака ПАО «Запорожсталь».  Рентгенофазовый анализ позволил выявить минералы доменных шлаков, находящиеся в кристаллическом состоянии: ранкинит 3CaO·2SiO2 ,  кварц SiO2 , геленит 2CaO·Al2O3·SiO2 , бредигит α-2CaO·SiO2 , окерманит 2CaO·MgO·2SiO2 , псевдоволластонит α-CaO·SiO2 . Минералы  окерманит, бредигит, псевдоволластонит ценны в техническом отношении при производстве вяжущих материалов, так как обладают  гидравлической активностью. Содержание гидравлически активных минералов увеличивается с укрупнением частиц шлака, достигая  максимального значения 40 % для крупных частиц шлака. Рассчитана массовая доля стеклообразного компонента, составляющая половину  массы доменного шлака. Присутствие аморфных фаз свидетельствует о повышенной сорбционной и химической активности шлака, что  важно с позиций использования шлака в производстве вяжущих веществ. В крупной фракции шлака массовый вклад аморфного состояния  вещества немного выше. Микрофотографии поверхности частиц доменного шлака свидетельствуют о высокой степени разрыхления  с  присутствием игольчатых и пластинчатых кристаллов, что обусловливает сорбционные свойства шлака. Отвальный доменный шлак ПАО  «Запорожсталь» можно рекомендовать в производстве вяжущих веществ (портландцемента и шлакопортландцемента) по совокупности  химических показателей: высокая концентрация гидравлически активных минералов и аморфной фазы, высокоразвитая поверхность  шлаковых частиц, наличие сорбционной поверхностной активности.

Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии на тонких фольгах исследовано изменение фазового состава  и тонкой структуры в сталях феррито-перлитного класса 18ХН3МА, 30ХГСА и 34ХН1М при электролитно-плазменной нитроцементации,  которую осуществляли путем поверхностного насыщения азотом и углеродом в водном растворе при температуре 800 – 860  °С в  течение  5  мин. Исследование всех сталей проведено до и после нитроцементации. В исходном состоянии сталь представляет собой смесь зерен  перлита и феррита. Нитроцементация привела к созданию модифицированных слоев: чем выше содержание перлита перед началом нитроцементации, тем больше толщина модифицированного слоя. Нитроцементация привела к изменениям в фазовом составе и структуре  стали. В поверхностной зоне модифицированного слоя наряду с матрицей присутствуют частицы других фаз: карбиды, нитриды и карбонитриды. По мере удаления от поверхности образца их набор и объемная доля уменьшаются, в конце модифицированного слоя во всех  сталях присутствует только одна карбидная фаза – цементит. Установлено, что матрица всех сталей после нитроцеменации – это отпущенный пакетный и пластинчатый мартенсит. В поверхностной зоне нитроцементованного слоя объемные доли пакетного и пластинчатого  мартенсита зависят от исходного состояния стали: чем больше в стали содержание перлита, тем меньше образуется пакетного мартенсита  и больше пластинчатого. В центральной зоне такая зависимость отсутствует, а в конце нитроцементованного слоя объемные доли мартенситных пакетов и пластин соизмеримы.

При моделировании усадочных процессов при затвердевании и охлаждении заготовок на машине непрерывного литья заготовок  (МНЛЗ) усадки возникает необходимость в определении коэффициента линейного расширения в зависимости от температуры и содержания углерода. Приведенные в справочной литературе экспериментальные данные по коэффициентам линейного расширения в большинстве случаев ограничены низкотемпературным интервалом, верхняя граница которого не превышает 1200  °С. Для более высоких  температур значения этого коэффициента не известны. Их определение в последнее время осуществляют с использованием эмпирических  зависимостей для расчета изменения удельных объемов фаз при изменении температуры. Однако приведенные в литературе зависимости  зачастую носят противоречивый характер. В связи с этим возникла необходимость в разработке единой методики определения значений  коэффициента линейного расширения в зависимости от температуры и содержания углерода. При выводе формул для расчета коэффициента линейной усадки за основу приняли полученные ранее выражения для расчета удельных объемов сплавов системы Fe – C. Изменение удельного объема от температуры существенно влияет содержание углерода. Расчет значений коэффициента линейной усадки выполнен отдельно для трех интервалов концентраций углерода 0 – 0,10, 0,10 – 0,16 и 0,16 – 0,50 %, отличающихся друг от друга различными  фазовыми превращениями при затвердевании и охлаждении сплавов. Представлен пример расчета коэффициента линейной усадки для  середин указанных интервалов. Выполнено сопоставление полученных результатов расчета с известными литературными и справочными  данными. Установлена адекватность предложенной методики. Показана возможность использования предлагаемой методики для решения  исследовательских задач.

Исследовали на усталостную прочность широко используемые машиностроительные конструкционные стали при различных частотах нагружения по схеме консольного изгиба вращающихся цилиндрических образцов. За показатель сопротивления усталости принят  тангенс угла наклона кривой усталости к оси долговечности. Установлено, что стали 40 и 45 относятся к группе материалов, у которых  уменьшение частоты нагружения приводит к циклическому разупрочнению и понижению сопротивления усталости, что численно выражается возрастанием наклона кривой усталости. Испытания образцов из стали 40Х показали, что увеличение частоты циклов нагружения  приводит к заметному уменьшению параметра наклона кривой усталости, т.е. к повышению сопротивления усталости. Понижение величины параметра сопротивления усталости связано с повышением упрочняемости материала поверхностных слоев образцов (деталей),  что снижает усталостную повреждаемость собственно поверхности. Приведена зависимость тангенса наклона кривой усталости от повреждаемости поверхности при изменении частоты циклов нагружения и показано, что независимо от частоты при увеличении наклона  кривой усталости повреждаемость поверхностных слоев материала увеличивается. Для каждой из этих групп определены математические  соотношения. За критерий стабильности циклического поведения сталей был принят коэффициент корреляции, показывающий степень  сходимости полученных экспериментальных результатов с построенной кривой усталости. Выявлено, что увеличение стабильности поведения стали 40Х наблюдается при повышении скорости циклического деформирования. Испытания стали марки 45 показали, что уменьшение циклической прочности при увеличении частоты нагружения не сказывается на усталостной стабильности работы материала. Увеличенный разброс экспериментальных результатов наблюдали у стали 40 при низкой частоте нагружения, несмотря на высокие значения  циклической прочности при заданной частоте нагружения. На основании проведенных экспериментов обозначена динамика поведения  реальных деталей машин и конструкций, подверженных циклическим нагрузкам, работающих в исследованном спектре нагружения.

Повышение производительности сталеплавильных агрегатов возможно при изменении способов производства стали. Такие изменения влекут за собой и серьезные изменения в последующих переделах: в обработке металлов давлением, в термической обработке  готовой металлической продукции. Известно, что именно эти два металлургических передела насыщены большим количеством нагревательных и термических печей, тепловая работа которых не всегда соответствует повышенным требованиям к качеству выпускаемой  продукции. Вопросы улучшения тепловой работы печей также актуальны и в машиностроении. К повышенным требованиям технологического характера добавляются очень жесткие требования по улучшению экологической обстановки. Следовательно, требуется новая концепция проектирования и строительства современных производительных и высокоавтоматизированных промышленных нагревательных и  термических печей. С целью совершенствования конструкции и улучшения технико-экономических показателей проводится техническое  перевооружение устаревших и строительство новых промышленных печей. При проектировании и строительстве печей применяются топливосжигающие устройства новых конструкций и современные материалы. В свою очередь, это вызывает необходимость использования  новых подходов к формированию рабочего пространства и системы отопления печи с учетом компоновки садки нагреваемых изделий.  Такие мероприятия проводятся, как правило, в действующих цехах, что вызывает определенные трудности в связи с ограниченностью  предоставляемых площадей для размещения новых печей и оборудования для работы и обслуживания. Рассмотрено комплексное исследование конструкции и тепловой работы блока из трех камерных термических печей со специфической загрузкой и выдачей нагреваемого  тонкого листа, построенных в ограниченном пространстве цеха.

Процесс прокатки реализуется за счет мощности, подводимой в очаг деформации благодаря использованию контактных сил трения. Процесс прокатки происходит в две стадии: захвата и установившегося процесса. Определяющей возможность деформирования  в  валках является стадия захвата. В этот период втягивающие силы трения используются с максимальной отдачей. Основной процесс  прокатки проходит на установившейся стадии, где возможности контактного трения не используются в полном объеме. Создается резерв сил трения, который и можно использовать для повышения эффективности процесса прокатки. Для уравновешивания избыточных  сил трения на контактной поверхности в очаге деформации при установившемся процессе появляются зоны опережения и прилипания.  Протяженность этих зон характеризует величину избыточных сил трения. Приведены теоретические зависимости для определения зон  скольжения и прилипания, учитывающие многообразие факторов при прокатке. Предложен показатель оценки возможностей резерва  сил трения на установившейся стадии. Предложена зависимость для его определения. Аналитически установлено, что на установившейся стадии прокатки на гладких валках при соотношениях α/μз = 1 за счет имеющегося резерва сил трения можно подвести энергию  в 1,7  –  2,0  раза большую, чем на стадии захвата при меньших соотношениях α/μз . При использовании калиброванных валков эти цифры  еще больше. Приведена зависимость, по которой можно определить дополнительную мощность, обеспеченную резервом сил трения.  Показаны перспективные направления использования резерва сил трения на установившейся стадии процесса прокатки для повышения  его эффективности. На примере прокатки в приводной – неприводной клети установлено увеличение коэффициента полезного действия  (КПД) процесса прокатки при более полном использовании возможностей сил трения на стадии установившейся прокатки. Приведены  теоретические зависимости для определения КПД при обычном процессе прокатки и при более полном использовании резерва сил  трения.

В современной высокотехнологичной промышленности широкое применение имеет технология гибки труб. Трубные отводы являются неотъемлемой частью трубопроводных систем. Наиболее широкое распространение имеют методы холодной гибки труб, которые  сопровождаются рядом негативных явлений, таких как уменьшение тещины стенки на внешней стороне гиба, овализация поперечного  сечения, образование гофр. Приведено исследование влияния технологии деформации трубных заготовок методом раскатывания с большим натягом на структуру и свойства материала заготовки. Метод деформации труб раскаткой с натягом позволяет получить радиальный изгиб заготовки, не приводя к ее разрушению и не вызывая явных дефектов поверхности и микроструктуры заготовки. Испытания  проводились на образцах, изготовленных из стали 3сп и стали 12Х18Н10Т. Исследования микроструктуры проводились в соответствии  с ГОСТ  5639  –  82; определение механических свойств – в соответствии с ГОСТ 1397 – 84; микроствердости – ГОСТ 9450 – 76. Исследовано влияние изменения геометрии трубной заготовки на структуру и свойства. Показано, что процесс деформации труб методом раскатки приводит к изменению механических свойств испытуемых материалов. Возрастают значения микротвердости и прочности, при этом  уменьшается балл зерна. В процессе деформации возможно изменение микроструктуры материала в результате структурных превращений  (закалки). При термомеханическом способе деформации пластическое течение металла предполагает возможное изменение структуры стенок трубы в результате перекристаллизации и термической обработки материала области гиба, что требует дальнейшего изучения и  более  глубокого анализа данной технологии.

При моделировании усадочных процессов при затвердевании и охлаждении заготовок на МНЛЗ усадки возникает необходимость в определении значений величины коэффициента линейного расширения в зависимости от температуры и содержания углерода. Приведенные в справочной литературе экспериментальные данные по коэффициентам линейного расширения в большинстве случаев ограничены низкотемпературным интервалом, верхняя граница которого не превышает 1200 °С. Для более высоких температур значения этого коэффициента не известны. Их определение в последнее время осуществляют с использованием эмпирических зависимостей для расчёта изменения удельных объёмов фаз при изменении температуры. Однако приведенные в литературе зависимости зачастую носят противоречивый характер. В связи с этим возникла необходимость в разработке единой методики определения значений коэффициента линейного расширения в зависимости от температуры и содержания углерода, чему посвящена данная работа. При выводе формул для расчета коэффициента линейной усадки за основу приняли полученные ранее выражения для расчета удельных объёмов сплавов системы Fe-C. Поскольку на изменение удельного объёма от температуры существенно влияет содержание углерода, расчет значений коэффициента линейной усадки выполнен отдельно для трёх интервалов концентраций углерода 0-0,1 %, 0,1-0,16 % и 0,16-0,5 %, отличающихся друг от друга различными фазовыми превращениями при затвердевании и охлаждении сплавов. Представлен пример расчета коэффициента линейной усадки для середин указанных интервалов. Выполнено сопоставление полученных результатов расчета с известными литературными и справочными данными, на основе которого установлена адекватность предложенной методики и показана возможность её использования для решения исследовательских задач.