В работе рассмотрены вопросы по определению нерастворенных частиц СаО и MgO в шлаках, формируемых в агрегате ковш–печь. Оценку шлаков по наличию и количеству нерастворенных оксидов СаО и MgO в зависимости от химического состава проводили с помощью полимерной модели, разработанной в УрФУ и усовершенствованной в ИМеТ УрО РАН. Для определения насыщения многокомпонентного расплава по оксидам СаО и MgO необходимо сравнить два параметра: термодинамическую активность оксида в расплаве, которая зависит от химического состава, и активность насыщения, которая зависит от температуры. Предлагается методика оценки содержания нерастворенных частиц в шлаках, формируемых на участке ковшевой обработки стали АО «ВМЗ». Большинство шлаков содержит нерастворенную известь в количестве не более 10 %, что достаточно для успешной десульфурации стали. Теорети­ческие расчеты по определению нерастворенных частиц были подтверждены в лабораторных условиях при исследованиях производственных шлаков на установке вискозиметра конструкции Штенгельмейера. Лабораторные опыты показали точность расчетного метода определения твердой фазы в шлаках, формируемых в агрегате ковш–печь, путем сравнения изменения вязкости при снижении температуры шлаков. Температура застывания гетерогенного шлака на 200 °С выше, чем гомогенного. При снижении температуры гетерогенного шлака образовывались укрупненные агломераты твердых оксидов, которые контактировали с измерительным зондом, повышая регистрируемую вязкость оксидной системы в интервале температур 1570 – 1590 °С. Результаты лабораторных опытов подтверждают методику методику определения твердой фазы в шлаке.

В современном доменном производстве даже кратковременное нарушение технологического процесса связано с большими потерями производительности. В практике ведения доменной плавки нередко встречаются значительные отклонения от оптимального режима. Они могут приводить не только к расстройствам хода доменной печи, но и к авариям. В работе доменной печи к типичным отклонениям от нормального распределения потока газа и шихтовых материалов относят: периферийный, осевой, канальный ходы; перекос уровня засыпи; различной степени и вида подвисания шихты. Вследствие этого происходят похолодание или излишний перегрев печи, нарушение ровности хода. Тяжелым последствием длительного периферийного движения газов являются не только интенсивный износ кладки, слабое использование тепловой и химической энергии газов, но и стабильное загромождение горна с образованием тотермана. Тотерман – это рудно-коксовый спек, образующийся в фурменной зоне доменной печи в результате похолодания ее центра. Данная работа посвящена исследованию и анализу нарушений работы доменной печи, анализу причин возникновения тотермана, оценке аварийности фурм доменной печи. Нарушение газораспределения и загромождение горна приводят к образованию тотермана, который провоцирует массовое горение фурм и холодильников доменной печи. Разработанные методические основы (математическая модель) позволяют оценить максимальную температуру фурменной зоны и результирующий тепловой поток на носок фурмы при наличии тотермана. Показано, что в доменных печах большого объема преобладает пузырьковый поток истечения газо-угольного потока, способствующий росту тотермана доменной печи.

Работа посвящена повышению износостойкости кузнечно-прессового инструмента, в частности пуансонов для пробивки отверс­тий и вырубных штампов. Низкая стойкость инструмента приводит к повышению стоимости готовых изделий, увеличению трудовых и материальных затрат на замену изношенного инструмента и его наладку, снижению производительности прессового оборудования и повышению количества бракованной продукции. Представлена методика теоретического исследования для решения задачи по расчету температурного поля штампового инструмента при лазерной обработке. Составлено дифференциальное уравнение для численного решения поставленной задачи. Предложены режимы лазерной термообработки пуансона для пробивки отверстий и штампового инструмента из стали повышенной твердости. Натурные испытания, проведенные в промышленных условиях, показали, что рекомендованные режимы лазерной термообработки позволили повысить стойкость пуансона, предназначенного для пробивки отверстий, в 2 – 3 раза, а стойкость вырубных штампов в 2,2 – 2,8 раз.

Промышленные шлаки высокоуглеродистого феррохрома имеют сложный состав. Они состоят из оксидной части (Cr₂O₃, CaO, MgO, FeO, SiO₂, Al₂O₃), а также «запутавшихся» металлических корольков (Cr_мет). С целью увеличения степени полезного использования хрома и снижения потерь в виде металлических корольков проведены эксперименты в лабораторных условиях по изучению изменения свойств шлака высокоуглеродистого феррохрома путем применения эффективных и доступных флюсующих материалов (керамзита, бората кальция и шлака рафинированного феррохрома). Изучено влияние флюсующих добавок в виде керамзита, бората кальция и шлака от производства низкоуглеродистого феррохрома на свойства шлака высокоуглеродистого ферро­хрома. Присадки до 8 % керамзита и шлака низкоуглеродистого феррохрома приводят к стабильному снижению температур размягчения конечных шлаков. При вводе 6 ‒ 10 % бората кальция происходит интенсивное снижение температур начала размягчения. Наибольшее влияние на снижение температур размягчения оказывает добавка 10 % бората кальция при вводе в шлак высокоуглеродистого ферро­хрома, при этом наблюдается снижение температуры начала размягчения на 262 °С, конца размягчения ‒ на 135 °С. Все исследованные флюсующие добавки оказывают положительное влияние на степень снижения остаточной концентрации металлического хрома в шлаке. При вводе 2 % флюсующих материалов наблюдается наиболее интенсивное снижение содержания Cr_мет в шлаке. Наилучшие значения по остаточному содержанию 0,7 ‒ 0,8 % Cr_мет достигнуты при использовании 4 % шлака низкоуглеродистого феррохрома и бората кальция. При использовании керамзита для достижения таких показателей Cr_мет необходима добавка в количестве 10 %. Показана эффективность использования исследованных флюсующих материалов при производстве высокоуглеродистого феррохрома для повышения степени извлечения хрома, содержание которого в шлаке снижается примерно на 84 %.

Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии выполнены исследования тонкой структуры сталей промышленного назначения, которые обладают ОЦК-кристаллической решеткой (перлитные, феррито-перлитные и мартенситные). Проанализирована внутренняя структура зерен, определены скалярная плотность дислокаций в различных участках материала, источники внутренних напряжений и их амплитуда. Использование метода, основанного на анализе изгибных экстинкционных контуров, позволяет изучать внутренние напряжения. Изучение внутренних напряжений и их источников проведено на примере рельсовой стали Э76ХФ со структурой пластинчатого перлита после сверхдлительной эксплуатации (пропущенный тоннаж – 1770 млн т брутто). Места проведения исследования металла рельсов: вдоль центральной оси симметрии (поверхность катания) и вдоль радиуса скругления (рабочая выкружка) головки рельса на расстояниях 0, 2 и 10 мм от поверхности. По мере приближения к поверхности головки, независимо от направления исследований (вдоль радиуса скругления выкружки или вдоль оси симметрии) пластинчатый перлит постепенно заменяется на разрушенный с образованием феррито-карбидной смеси и формированием фрагментированной структуры, причем эти процессы более интенсивно протекают в рабочей выкружке. Вдоль всей центральной оси симметрии головки рельса (поверхность катания) имеет место пластический изгиб-кручение кристаллической решетки, вдоль радиуса скругления головки рельса (рабочая выкружка) на расстоянии 10 мм от поверхности – также пластический, а на расстоянии от 0 до 2 мм – упругопластический. Основным источником внутренних моментных (дальнодействующих) напряжений в рельсовой стали является избыточная плотность дислокаций. На примере стали мартенситного класса 34ХН3МФА с использованием матричных уравнений определен тип изгибного экстинкционного контура. При малых степенях пластической деформации экстинкционные контуры являются контурами изгиба или кручения, при больших степенях – контурами смешанного типа.

При выборе составов высокоэнтропийных сплавов одним из учитываемых параметров является термическая стабильность. В работе рассматриваются структурные преобразования деформированного высокоэнтропийного сплава Al_0,3CoCrFeNi, происходящие в процессе его отжига. Материал получен методом аргонодуговой плавки смеси чистых одноэлементных компонентов. С целью гомогенизации структуры полученный слиток подвергался термомеханической обработке по схеме, сочетающей холодную прокатку со степенью обжатия 50 % и низкотемпературный отжиг (400 °C в течение 100 ч). В дальнейшем гомогенизированная заготовка прокатывалась в холодном состоянии со степенью обжатия 80 %. Структуру материалов исследовали непосредственно в процессе нагрева (в режиме in-situ) с использованием метода дифракции синхротронного рентгеновского излучения. Скорость нагрева образцов составляла 20 °C/мин, максимальная температура нагрева – 1000 °C. Параметры дислокационной структуры сплава (плотность винтовых дислокаций, пространственное распределение дислокаций) в процессе нагрева определяли с использованием модифицированных методов Вильямсона–Холла и Уоррена–Авербаха. Согласно полученным данным, температура начала формирования высокоэнтропийной фазы, обладающей примитивной кубической решеткой, составляет 560 °C. В процессе нагрева материала вплоть до температуры начала формирования этой фазы наблюдаются увеличение плотности винтовых дислокаций и формирование разупорядоченной дислокационной структуры. Характер изменения плотности дислокаций хорошо коррелирует с ростом микротвердости сплава. При начальном значении в 406 ± 13 HV_0,1 (для деформированного материала) микротвердость в процессе термической обработки повышается до 587 ± 10 HV_0,1.

Изучен процесс кристаллизации системы Fe – W, которая лежит в основе теплостойкой быстрорежущей стали, применяемой в процессе плазменно-дуговой наплавки на поверхность валков и различных режущих инструментов. Исследования структуры данного материала показали, что структура состоит из двух составляющих: ячеистой и дендритной. Гистограмма распределения структурных элементов показывает наличие одного максимума. Наиболее вероятный размер находится в диапазоне 10 – 15 мкм. В работе рассматривается морфологическая неустойчивость фронта кристаллизации (неустойчивость Маллинза–Секерки). Модель включает в себя уравнения конвективной теплопроводности и диффузии. На границе раздела фаз задавались условия Стефана для температуры. Линейный анализ данной неустойчивости проводится для двух случаев: когда конвективным членом в уравнениях теплопроводности и диффузии можно пренебречь; когда конвекция преобладает над диффузионными процессами. Во всех случаях предполагается, что величина (1 – k_s) близка к нулю, что соответствует концентрации легирующего элемента, примерно равной эвтектической или превышающей ее, а также используется коротковолновое приближение. В первом случае аналитический вид зависимости длины волны, на которую приходится максимум скорости роста возмущений межфазной границы, совпадает с общепринятыми представлениями. Во втором случае значение данной длины волны прямо пропорционально квадратному корню из скорости движения межфазной границы. Определены границы применимости данных приближений для различных механизмов роста кристаллов. В случае нормального роста оба приближения дают адекватное объяснение образованию структурных элементов размерами до 5 мкм при скорости фронта кристаллизации порядка 2 м/с. Для случая роста за счет винтовых дислокаций значение длины волны, соответствующей наиболее быстрорастущей моды возмущений в первом случае, совпадает с экспериментальными данными при скорости фронта кристаллизации порядка 10^–7 м/с, тогда как в конвективном приближении такое совпадение наблюдается при 10^–4 м/с. Дальнейшее развитие модели заключается в одновременном учете конвективной и диффузионной составляющих. Полученные результаты послужат материалом для исследования неустойчивости Маллинза–Секерки для двух границ раздела.

Исследовано влияние режимов термической обработки на структуру и свойства аустенитной стали марки 08Х18Н6АГ10С. После закалки от 1040 и 1100 ℃ сохранилась аустенитная структура с двойникованными границами, при этом произошло уменьшение среднего размера аустенитных зерен с 42,3 ± 6 мкм (состояние поставки) до 38,1 ± 5,0 и 39,0 ± 4,5 мкм соответственно. После закалки от 1040 ℃ происходит выделение избыточных карбидных фаз на границах зерен. После закалки от 1100 ℃ обнаружены преимущественно оксиды марганца и кремния. Закалка стали от температуры 1040 ℃ приводит к незначительному снижению микротвердости (на 12 %) по сравнению с состоянием поставки (с 3285 ± 80 до 2895 ± 70 МПа). После закалки от 1100 ℃ твердость снижается в меньшей степени (до 3090 ± 80 МПа). Проведение закалки от 1040 и 1100 ℃ позволило существенно улучшить ударную вязкость разрушения стали. Значения ударной вязкости стали возросли до 223 ± 10 и 240 ± 5 Дж/см² по сравнению с состоянием поставки (55 Дж/см²). При проведении испытаний на абразивный износ обнаружено, что образцы стали после закалки от 1040 и 1100 ℃ демонстрируют сопоставимый уровень износостойкости по сравнению с состоянием поставки. Потеря массы после прохождения дистанции ролика 4309 м для всех состояний стали составляет примерно 8,0 %. Сделано заключение, что оптимальной термической обработкой стали марки 08Х18Н6АГ10С является закалка от температуры 1100 ℃, которая позволяет улучшить вязкость разрушения стали при сохранении микротвердости и износостойкости.

Исследованы физические свойства шлаков системы СаО ‒ SiO₂ ‒ Ce₂O₃ ‒ Al₂O₃ ‒ MgO, содержащих оксид церия. В основе разработанных шлаков кальций-силикатная система, основность (CaO)/(SiO₂) которой оказывает большое влияние на свойства шлака. Обобщение результатов выполненных исследований позволило получить новые данные о влиянии основности в церийсодержащих шлаках изучаемой оксидной системы на вязкость, температуру начала кристаллизации и структуру. Экспериментальные исследования физических свойств этих шлаков показали, что c ростом основности от 2,0 до 5,0 наблюдается рост температуры начала кристаллизации и вязкости, что связано со структурой формируемых шлаков. Повышение основности способствует повышению вязкости от 0,20 до 0,41 Па·с при температуре 1500 °С и повышению температуры кристаллизации от 1397 до 1497 °С. Полученные результаты показали, что на структуру церийсодержащего шлака влияют как ион Si⁴⁺, так и ион Al³⁺, которые являются сеткообразователями. Ионы кремния в рассматриваемой системе присутствуют в виде [SiO₄]-тетраэдров, тогда как ионы алюминия присутствуют в виде [AlO₄]-тетраэдров и [AlO₆]-октаэдров. С повышением основности от 2,0 до 2,5 кремниевая структура усложняется, а затем при основности 3,5 ‒ 5,0 упрощается. Алюминатная структура усложняется за счет повышения содержания оксида СаО, который участвует в компенсации заряда полимеризованных структурных единиц [AlO₄]-тетраэдров с образованием более стабильной тетраэдрической структуры, и, как следствие, повышенной вязкости шлака. Шлаки изучаемой оксидной системы, содержащие 15 % Ce₂О₃, характеризуются в рассматриваемом диапазоне основности достаточно высокой жидкоподвижностью.

Задачей настоящего теоретического исследования является определение внешних факторов, при которых сферическая оболочковая форма (ОФ) не будет разрушаться от возникающих в ней температурных напряжений. Сформулирована задача по определению напряженно-деформируемого состояния (НДС) ОФ, заформированной в опорный наполнитель (ОН), при охлаждении в ней затвердеваю­щей шарообразной стальной отливки. Рассматриваемое осесимметричное тело вращения имеет четыре области (жидкий металл, твердый металл, оболочковая форма, опорный наполнитель). Для решения задачи авторы используют уравнение линейной теории упругости, уравнение теплопроводности и апробированный численный метод, согласно которому исследуемая область разбивается системой ортогональных поверхностей на элементы. Для каждого элемента записана система уравнений в разностном виде с учетом осевой симметрии через напряжения и перемещения по граням элемента и длинам дуг ребер, ограничивающих его объем. Уравнение теплопроводности записано в разностном виде из построения теплового баланса для произвольного ортогонального элемента, включающее как среднюю температуру элемента, так и температуры элементов, окружающих его объем. Решение разностного аналога уравнения теплопроводности осуществляется методом «прогонки» по составленной итерационной схеме. Приведен разностный аналог сформулированной системы дифференциальных уравнений линейной теории упругости в виде алгебраической системы уравнений. Представленный алгоритм свертки этой системы позволяет значительно понизить ее ранг.. Приводится общая численная схема и алгоритм решения задачи. Результатом решения являются величины напряжений, перемещений в среднем по граням каждого элемента и средняя температура в элементе.

Дуплексные коррозионностойкие стали – это современный класс материалов, обладающих уникальным сочетанием высоких коррозионных и механических свойств. Благодаря этому они могут получить широкое применение в деталях машин и агрегатов на месторождениях с агрессивными условиями добычи нефти и газа. Одним из недостатков этих материалов является их склонность к локальным коррозионным поражениям, при прочих равных условиях формирующихся на неметаллических включениях (НВ), которые образуются при выплавке и разливке. Для управления чистотой стали в условиях открытой индукционной выплавки эффективно применять модифицирование редкоземельными металлами (РЗМ). Поэтому целью настоящей работы являлось определение оптимального содержания РЗМ в дуплексной стали для повышения коррозионных свойств. Проведено термодинамическое моделирование образования НВ в дуплексной коррозионностойкой стали S32750. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными. Показано, что существует оптимальная концентрация РЗМ, при которой загрязненность включениями минимальна из-за благоприятных условий для их удаления, а при дальнейшем увеличении расхода повышается из-за коагуляции большого количества тугоплавких оксидов. В результате электрохимичес­ких испытаний определены такие параметры, как потенциал коррозии, потенциал питтингообразования и базис питтингостойкостости опытных сталей. Коррозионные свойства исследованной дуплексной стали значительно улучшаются при обработке РЗМ. На качественном уровне проведена оценка электрохимических потенциалов разных типов включений. На основании полученных результатов по коррозионной стойкости и загрязненности изученных отливок получено оптимальное количество РЗМ, вводимого для модифицирования включений, которое составляет 0,05 % (0,65Ce + 0,35La).

Работа посвящена исследованию зависимости скорости углекислотной коррозии от микроструктуры материального исполнения трубопровода для транспорта и закачки СО₂. На сегодняшний день существует задача выбора материального исполнения инфраструктурных объектов транспорта и закачки СО₂. Для строительства трубопроводов наиболее экономически эффективными материалами являются углеродистые стали, однако для их применения необходимо уделять повышенное внимание проблеме углекислотной коррозии, которая интенсифицируется во влажных неосушенных потоках CO₂. При этом выбор материала должен проводиться обоснованно, учитывая баланс между коррозионной стойкостью, механическими характеристиками и экономической стороной вопроса. В данной работе проведено исследование влияния особенностей микроструктурного состояния на скорость коррозии низколегированных малоуг­леродистых сталей для транспорта и закачки СО₂. В ходе исследования изучены особенности сталей с ферритно-бейнитной, бейнитно-ферритно-перлитной и ферритно-перлитной микроструктурой. Испытания на стойкость к коррозии проведены на стендовом автоклавном комплексе, позволяющем воссоздавать условия высокого давления и температуры и моделировать реальные среды. Показано, что микроструктурное состояние стали оказывает значительное влияние на скорость коррозии, которая возрастает при увеличении объемной доли перлита. Понимание взаимосвязи микроструктурных особенностей сталей и скорости коррозии может значительно облегчить выбор материала для инфраструктурных объектов и способствовать более эффективному и надежному использованию низколегированных углеродистых сталей в проектах по улавливанию, использованию и хранению углерода. Данное исследование будет полезно при выборе благоприятной микроструктуры для низколегированных малоуглеродистых сталей, которые могут применяться для строительства инфраструктурных объектов CCUS (Carbon Capture, Use and Storage).

В работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов восстановления марганца из оксидов высококачественного марганцевого концентрата, полученного в результате гидрометаллургического обогащения железомарганцевых руд, а также из марокита (продукта термического синтеза концентрата) и доломита углеродом и кремнием. Методом термодинамического моделирования с использованием программного комплекса Терра определены оптимальные температуры и расходы восстановителей, обеспечивающие полное восстановление марганца. В качестве восстановителя при использовании оксидных марганецсодержащих материалов для обработки стали можно использовать любой из рассмотренных восстановителей или их комбинацию в определенных соотношениях. Результаты экспериментальных исследований позволили разработать технологию получения марокит-манганитового концентрата и монофазного синтетического материала (CaMnO₃). Эти материалы можно получать по технологии, которая включает механическую и термическую обработки смеси высококачественного марганцевого концентрата и обожженного доломита или извести. Марокит-манганитовый концентрат применим для легирования стали марганцем при выплавке ее в электропечи и в агрегате ковш-печь, а монофазный синтетический материал ‒ для производства металлического марганца. На основании результатов термодинамических расчетов и экспериментальных исследований предложены технологические параметры обработки стали марокит-манганитовым концентратом в электропечи и агрегате ковш-печь. Для получения металлического марганца внепечным алюминотермическим процессом следует использовать в качестве шихтовой составляющей монофазный синтетический материал CaMnO₃, что позволит повысить термичность процесса, а также извлечение марганца на уровне 90 %. Результаты экспериментальных исследований были получены при использовании современных методов исследований с применением лабораторного и аналитического оборудования, а также методов статистической обработки результатов.

В статье представлены результаты разработки информационно-моделирующей системы движения слоев шихты и накопления расплава в горне доменной печи. В основу работы положены математические модели, отражающие современные представления о протекании физико-химических явлений доменной плавки и технологические особенности ведения доменного процесса. Применение системы позволяет определить и визуализировать конфигурацию слоев железорудных материалов и кокса по высоте рабочего пространства с учетом заданной рудной нагрузки в равновеликих кольцевых зонах доменной печи. В построении конфигурации слоев шихты при подходе материалов в распар печи учтены особенности их движения. Это обусловлено влиянием фурменных очагов, процессов первичного шлакообразования, изменения толщины слоя кокса, вызванного развитием процесса прямого восстановления. Расчет процесса накоп­ления расплава в горне доменной печи предусматривает определение объема шлака, оставшегося в горне печи после закрытия летки предыдущего выпуска, расчет динамики заполнения горна печи расплавами чугуна и шлака, определение объемного выхода расплавов чугуна и шлака за межвыпускной период и расчет продолжительности выпуска из печи. Разработанная информационно-моделирующая система позволяет по реально доступной информации о работающей печи оценивать динамику изменения конфигурации слоев по высоте рабочего пространства, а также процесс накопления расплава в горне доменной печи. Описана архитектура программного обеспечения, представлена характеристика модулей и проиллюстрирована его работа. Разработанная система может быть использована технологичес­ким персоналом доменного производства для изучения процессов, протекающих в доменных печах, совершенствования технологических режимов функционирования, прогнозирования хода плавки в режиме реального времени в условиях нестабильности их работы.