Аннотация: В настоящее время активное развитие получают технологии трехмерной печати металлами, среди которых основными являются послойное сплавление порошка (SLM), лазерная наплавка порошка (LENS/DMD) и электродуговая наплавка (WAAM). Одним из перспективных методов аддитивного выращивания изделий является метод электродуговой наплавки проволокой (WAAM). Однако в результате послойного наплавления металла и его кристаллизации в неравновесных условиях, а также многократных циклов нагрева металла выше критических температур, микроструктура материала, получаемого при помощи аддитивных технологий, существенно отличается от структуры материала, получаемого традиционными методами. В данной работе изучены структуры и свойства сталей 30ХГСА и 08ХМФА, полученные методом WAAM. Оптико-эмиссионный анализ наплавленного материала показал присутствие угара легирующих элементов, не превышающее предельных марочных отклонений по ГОСТ на исследуемые стали. В результате акустической диагностики установлена зависимость параметра акустической анизотропии и прочностных свойств от направления наплавки. Анизотропия характерна для обеих сталей, что подтверждено результатами испытаний на растяжение. Значения прочностных свойств образцов, вырезанных поперек наплавленных слоев, в среднем на 20 % ниже, чем образцов, вырезанных вдоль направления наплавки. Применение виброобработки в процессе наплавки приводит к незначительному уменьшению зерна в исследуемом металле, при этом прочностные свойства сталей 30ХГСА и 08ХМФА практически не изменяются. Виброобработка при наплавке металла значительнее сказывается на пластических свойствах: относительное удлинение при растяжении повышается на 6 % относительно исходного во всех направлениях для стали 30ХГСА и на 11 и 27 % для стали 08ХМФА в зависимости от направления вырезки образца. Закалка с высоким отпуском приводит к повышению прочностных свойств обеих сталей. Прочностные свойства образцов, вырезанных в продольном направлении из стали 30ХГСА, практически достигают значений, указанных в ГОСТ 4543, т. е. достигаются свойства горячекатаного материала.

Аннотация: Представлены результаты экспериментальных исследований селективного восстановления железа из ильменитового концентрата углеродом и водородом. Показано, что водород как альтернатива углероду в качестве восстановителя позволяет получать при относительно низкой температуре металлическое железо и рутил, которые легко разделяются при плавлении и являются товарными продуктами. Более высокая скорость восстановления водородом обусловлена тем, что водород по сравнению с углеродом является более сильным восстановителем при относительно низких температурах, а также вследствие его газообразного агрегатного состояния, что существенно увеличивает реакционную поверхность в пористых брикетах. Показано, что при температуре 900 °C восстановление железа из ильменита и углеродом и водородом протекает с образованием металлического железа и рутила. При более высокой (1000–1100 °C) температуре восстановления железа углеродом образовавшийся рутил вступает в химическое взаимодействие с непрореагировавшим ильменитом, в результате чего образуется дититанат железа. Образование дититаната железа зависит от скорости диффузионных процессов и не зависит от типа используемого восстановителя. При температуре 1300 °C продуктами восстановления металлов из ильменита твердым углеродом являются металлическое железо и аносовит.

Аннотация: Предложено увеличение срока службы бил дробилок за счет создания биметаллической конструкции, состоящей из основы из низкоуглеродистой стали и рабочей поверхности, полученной в результате многоэлектродной горизонтальной электрошлаковой наплавки высокоуглеродистого легированного сплава с использованием легирующей шихты. В процессе наплавки на заготовку била за один проход наносят слой специального износостойкого металла, представляющего собой высокоуглеродистый доэвтектический сплав, легированный хромом и марганцем. Средняя твердость наплавленного металла составляет 55 HRC. Материалом заготовки является углеродистая сталь обыкновенного качества. Граница сплавления имеет структуру эвтектоида, переходящего в доэвтектоидную структуру малоуглеродистой стали в зоне термического влияния. Отсутствие хрупких закалочных структур в зоне термического влияния является основанием для предварительного суждения о надежности сплавления основного и наплавленного металлов. Твердость и однородность микроструктуры по сечению наплавки, наряду с послойным химическим анализом служили критерием для суждения о равномерности легирования. Установлено, что большая, длительно существующая ванна расплавленного металла с мощными конвективными потоками способствует выравниванию химического состава во всем объеме и уменьшению структурной неоднородности. Проведенное исследование позволяет утверждать, что качество наплавленного металла получается высоким, а сам способ горизонтальной электрошлаковой наплавки может быть рекомендован для разработки технологии промышленного изготовления биметаллических бил.

Аннотация: Методом электродуговой наплавки под слоем флюса проведены исследования по изготовлению сплава порошковой проволокой системы Al – Co – Cr – Fe – Mn. В лабораторных условиях изготовлена порошковая проволока, содержащая порошки хрома ПХ-1С, марганца МР-0, алюминия АСД-4 и кобальта ПК-1у. Путем автоматической наплавки под слоем флюса марки АН-348А изготовлен полнопрофильный образец для проведения дальнейших исследований: определения химического состава сплава, проведения исследования микротвердости, нанотвердости и модуля Юнга, механических испытаний на ударную вязкость и растяжение, выявления закономерности формирования микроструктуры образцов в зависимости от расстояния от зоны сплавления методом просвечивающей электронной микроскопии. Установлено, что полученный в ходе исследования сплав обладает повышенной твердостью по сравнению с подложкой, однако высокая твердость полученного сплава сопровождается хрупкостью материала, что подтверждено результатами механических испытаний. Проведенное электронно-микроскопическое исследование сплава выявило, что сплав вблизи поверхности наплавки характеризуется двухфазной структурой, состоящей из мартенсита реечной и пластинчатой морфологии и отдельных зерен феррита. Показано, что изменение скорости кристаллизации и охлаждения в зоне сплавления наплавки и подложки привело к увеличению объемной доли мартенситной фазы и росту ее дисперсности и дефектности. Полученные в ходе исследования результаты указывают на перспективность использования полученного сплава при изготовлении износостойких покрытий и изделий.

Аннотация: Ведение доменной плавки на современном уровне невозможно без учета поведения микроэлементов, оказывающих существенное влияние на ресурсосбережение, качество продукции и состояние окружающей среды. Изложена краткая история изучения поведения микропримесных элементов в доменной плавке и участия в этом процессе ученых кафедры руднотермических процессов МИСИС. Разработана методология анализа и прогнозирования поведения микроэлементов в доменной плавке, учитывающая особенности процесса, форму присутствия микроэлементов в металлургических материалах и способ их ввода в доменную печь. Установлено, что наблюдающееся в последние годы увеличение содержания микроэлементов в доменном шламе связано главным образом с особенностями поведения доли этих микроэлементов, входящей в состав органической части кокса и пылеугольного топлива. Результаты проведенных к настоящему времени исследований позволяют выделить четыре основные группы микроэлементов, поведение которых в доменной плавке имеет характерные особенности. Учет этих особенностей дает возможность прогнозировать качество выплавляемого чугуна, оценить накопление примесей в цикле «доменная печь → шлам → агломерация → доменная печь» и влияние вредных микроэлементов (прежде всего – тяжелых металлов) на окружающую среду. Несмотря на актуальность исследования поведения тяжелых металлов в доменной плавке, к настоящему времени не выработана общая методология для изучения данного вопроса. Известные исследования единичны и выполнены по оригинальным авторским методикам. Рассмотренные источники содержат информацию о потоках элементов тяжелых металлов, ограниченных разными исходными параметрами и диапазонами их изменения, что не позволяет компилировать результаты исследований с целью формирования некоторой общей усредненной схемы. Разработка методологии анализа поведения микропримесей в доменном процессе является одной из наиболее актуальных и наукоемких проблем современной металлургии черных металлов.

Аннотация: Актуальным направлением исследований доменной плавки является изучение восстановительных процессов. Приведена краткая хронология развития теории доменного процесса учеными кафедры металлургии чугуна МИСИС (1919–1943, в 1962–2006 г. — кафедры руднотермических процессов, затем — экстракции и рециклинга черных металлов и позже — энергоэффективных ресурсосберегающих промышленных технологий). С использованием современной методологии изучения больших объемов данных проанализированы показатели работы доменных печей № 4, 6 и 7 ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» за период 2013–2018 гг. Анализ полученных результатов показал высокую степень корреляции между влажностью дутья и степенью развития процессов прямого восстановления как при использовании в качестве дутьевой добавки только природного газа, так при совместном использовании природного газа и пылеугольного топлива. Сезонному увеличению и снижению влажности дутья на 1 г/м3 соответствовало снижение и повышение степени развития процессов прямого восстановления rd (по Павлову) на 0,5–1,5 % (отн.).

Аннотация: При прокатке полосы на непрерывных станах холодной прокатки возникает перегрузка оборудования, которая приводит к дополнительному износу рабочих валков и аварийным случаям. Для предотвращения перегрузки оборудования предложена перспективная технология скоростной асимметричной прокатки. Проведены физическое и компьютерное моделирование по режимам непрерывного стана холодной прокатки на лабораторно-промышленном стане с использованием скоростной асимметрии для оценки ее влияния на энергосиловые параметры. Разработана компьютерная модель формирования кривизны полосы (эффект лыжи) при скоростной асимметрии в процессе холодной прокатки. Представлены данные энергосиловых параметров при симметричной и асимметричной прокатке. Проведено сравнение полученных результатов с разными коэффициентами скоростной асимметрии, которые показали снижение усилия прокатки.

Аннотация: Расчет технологических параметров и прогнозирование поведения заготовки в процессе деформирования напрямую взаимосвязано со свойствами материала. Использование многослойных стальных листов с соединительным упруговязким слоем меняет картину течения слоев и кардинально изменяет градиенты напряжения в деформируемом материале. Использование многослойных материалов (сталь – полимер – сталь) позволяет снизить уровень шума и вибрации в готовых изделиях, что делает их использование очень перспективным. Рассмотрено численное исследование изгиба заготовки, состоящей из двух листовых слоев толщиной 0,5 мм из стали 08, соединенных упруговязким соединительным слоем. Толщина слоя составляет 0,05 мм, и его свойства на сдвиг определяли экспериментально. В ходе численного моделирования получены данные о распределении радиальных и тангенциальных напряжений в каждом металлическом листе и степень утонения материала в зависимости от относительного радиуса изгиба материала. Проведено сравнение распределения напряжений и утонений для многослойного и однослойного материала. Выявлено, что внутренний слой многослойного листа в процессе изгиба увеличивает свою толщину, а наружный слой утоняется. При этом степень интенсивности утонения наружного слоя на порядок превышает утолщение внутреннего. Суммарное утонение двух слоев материала в полтора раза превышает утонение однослойного материала той же марки с аналогичной толщиной. Сравнение изгибающего момента двухслойного и однослойного листа равной толщины показали, что изгибающий момент у однородного материала приблизительно в два раза превышает момент монолитной заготовки. Данные особенности необходимо учитывать при разработке технологического процесса изгиба деталей из многослойных материалов.

Аннотация: Изучена возможность применения мокрой магнитной сепарации для предварительного обогащения мелкодробленой руды. На примере титаномагнетитовой руды крупностью –13+0 мм выполнены испытания сухой и мокрой сепарации по трем режимам, обеспечивающим выход немагнитного продукта от 15 до 35 %. Режимы сухой сепарации изменялись путем поворота шибера при постоянной индукции магнитного поля 0,15 Тл. При мокрой сепарации каждый режим соответствовал индукциям магнитного поля 0,3; 0,35 и 0,4 Тл. Для сухого обогащения использован сепаратор с верхней подачей материала, для мокрого — с нижней подачей материала. Использование мокрой магнитной сепарации для предварительного обогащения показало большую эффективность. При одинаковой массовой доле железа в хвостах их выход больше при применении мокрой магнитной сепарации по сравнению с сухой. Полученные промпродукты магнитных сепараций обогащены по трехстадиальной схеме измельчения и обогащения с получением концентратов для окомкования с массовой долей железа 62 %. Использование мокрой магнитной сепарации по сравнению с сухой позволило в целом по схеме обогащения титаномагнетитовой руды увеличить извлечение железа в концентрат на 0,6–0,77 % при снижении массовой доли железа в суммарных хвостах на 0,11–0,14 %. При этом качество концентрата не изменилось.

Аннотация: Представлены результаты исследования влияния температуры подаваемой при окомковании воды (в диапазоне от 20 до 80 °C) на качество подготовки агломерационной шихты, показатели процесса и прочность получаемого агломерата. Установлено, что повышение температуры воды улучшает качество ее окомкования, что в первую очередь проявляется в упрочнении гранул. Полученные результаты объясняются изменением физических свойств воды по мере ее нагрева, а именно: снижением поверхностного натяжения и вязкости. Показано, что подогрев воды, используемой при окомковании, является источником дополнительного нагрева агломерационной шихты, обеспечивая повышение ее температуры на 1,3–1,4 °C на каждые 10 °C увеличения температуры воды. Установлено, что показатели агломерационного процесса и качество агломерата повышаются по мере увеличения температуры воды (в исследуемом диапазоне), используемой при окомковании, что во многом обусловлено улучшением качества подготовки агломерационной шихты к спеканию, и проявляется через улучшение газопроницаемости слоя спекаемой шихты и температурно-временных условий спекания.

Аннотация: Для черной металлургии научно-практический интерес представляет разработка технологии переработки металлургических шламов и шламов горной промышленности в качестве добавки для получения высокопрочных окатышей с высоким содержанием железосодержащей фазы для последующего использования в качестве шихты. Повышение количества восстановленного железа для гематитовых кварцитов достигается увеличением объема обожженного кокса в качестве восстановителя, что открывает возможность работы с труднообогатимыми рудами, потенциал запаса которых не ограничен. Большинство подобных работ связано с воздействием углеродных компонентов на железосодержащие фазы в основном для некомкующихся рудных материалов, а также порошков. В качестве связующего материала использована 2%-ная смесь красного шлама (КШ) с нефелином, извлеченным из шлама сапонитовых руд методом флотации. В качестве восстановителя железа из гематитовой фазы добавляли обожженный кокс при температуре 1600 °C в количестве от 0,5 до 3,5 %. Для исследования фазовых превращений были получены окатыши размером от 12 до 16 мм в тарельчатом лабораторном окомкователе из гематитовых кварцитов и прошедшие термическую обработку при температуре от 1100 до 1200 °C. Установлена прочность на сжатие при добавлении обожженного кокса более 3,5 %, которая составляет 240–250 кг/образец. Выполнен расчет экономических показателей. Ежегодное снижение финансового риска и коэффициента капитализации на 10 % обеспечит стабильное развитие производства окомкования по предложенной технологии. Значение показателя Burn rate от 8 до 9 % гарантирует стабильность развитие новой технологии окомкования в условиях жесткой конкуренции. Установлено, что вовлечение в переработку труднообогатимого сырья (гематитовых руд, нефелина и КШ) устанавливает спрос на бедные окатыши при шихтовке с богатыми окатышами в доменном производстве чугуна.

Аннотация: Представлены результаты исследования влияния режимов циклического азотирования мартенситной стали 13Х11Н2В2МФ в аммиачно-воздушных средах. Одним из способов снижения хрупкости азотированного слоя является проведение процесса деазотирования, которое традиционно осуществляют путем выдержки изделия при температуре азотирования с перекрытием подачи аммиака. Существенным ограничением применения такого газового азотирования для поверхностного упрочнения высоколегированных сталей, в которых снижена диффузионная подвижность азота, является большая продолжительность процесса. Высокую эффективность интенсификации роста слоя в сталях показали циклические процессы азотирования с чередующейся подачей аммиака и аммиачно-воздушной смеси. Проведены исследования циклических процессов азотирования с чередованием циклов подачи аммиака с заданной степенью диссоциации и подачи смеси аммиак – воздух в насыщающую атмосферу. Показано, что при температурах 500–520 °C в условиях газоциклирования образование азотированного слоя в стали 13Х11Н2В2МФ не происходит. Исследования азотированной мартенситной стали 13X11Н2В2МФ показали существенные различия в строении азотированного слоя и его отдельных участков в зависимости от режима циклического азотирования с чередующимися атмосферами чистого аммиака и аммиака с воздухом. Установлено, что несомненными преимуществами по сравнению с изотермическими процессами обладают стадийные процессы с повышением температуры на второй и третьей стадиях процесса, которые заключаются в ускорении роста диффузионного слоя и возможностях регулирования фазового состава зоны соединений. Разработанный трехстадийный режим азотирования включает завершающую стадию в атмосфере сильно диссоциированного аммиака. Процесс деазотирования приводит к разложению хрупкой высокоазотистой ε-фазы, при этом формируется поверхностный слой на основе γ’-фазы.

Аннотация: Проведена оценка точности измерений твердости стандартными методами: Бринелля с нагрузкой 250 кгс, шариком диаметром 5 мм и выдержкой в течение 10 с (ГОСТ 9012–59), Роквелла по шкале C (ГОСТ 9013–59) и Виккерса (ГОСТ 2999–75). Исследования выполнили на образцах из легированного чугуна с вермикулярным графитом с однородным распределением и высокой долей графита вермикулярной формы после изотермической закалки. Изотермическую закалку осуществляли при температуре аустенитизации 900 °C в течение 30 мин под слоем березового угля и чугунной стружки с последующей закалкой в расплаве соли при температуре 290 °C с выдержкой в течение 30 мин. Обработку результатов измерений твердости проводили в соответствии с ГОСТ Р 8.736–2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения». Согласно полученным результатам, наибольшая точность измерения твердости чугуна с вермикулярным графитом достигается при измерении твердости по Бринеллю. Более низкую точность имеют методы измерения твердости по Рокквелу и Виккерсу (усилие испытания 50 г), наиболее низкая точность измерения твердости чугуна с вермикулярным графитом при применении метода измерения по Виккерсу (усилие испытания 15 г). Одной из причин такого результата может быть большая фазовая неоднородность на площади отпечатка, полученного методами измерения твердости по Рокквелу и Виккерсу по сравнению с методом Бринелля.