Журнал «Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия „Металлургия“» основан в 2001 году. Основной целью журнала «Вестник ЮУрГУ. Серия „Металлургия“» является информирование научной и технической общественности о результатах исследований как южноуральских учёных-металлургов, так и коллег из других регионов Урала, России и мира в различных областях металлургической науки и технологии. Работы могут быть представлены в форме как обзорных, так и оригинальных статей, а также в форме кратких сообщений. Журнал выходит четыре раза в год. Все материалы публикуются бесплатно. И размещаются в открытом доступе в соответствии в лицензией Creative Commons «Attribution» (CC BY). Журнал «Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия „Металлургия“» включен в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук по следующим специальностям: 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов (технические науки); 05.16.04 – Литейное производство (технические науки); 05.16.05 – Обработка металлов давлением (технические науки)
ФОКУСИРОВКА ЛАЗЕРНО-СКАНАТОРНОГО МОДУЛЯ СЛМ-ПРИНТЕРА С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Селективное лазерное плавление (СЛМ) – перспективная технология аддитивного производства дета-лей сложной формы. В качестве исходного материала используется металлический порошок, а для плавления и послойного наращивания деталей служит лазер. Во время создания деталей могут возникать дефекты, которые возможно обнаружить только после завершения процесса изготовления с помощью стороннего оборудования, но которые оказывают сильное влияние на качество деталей. Поэтому разрабатываются методы неразрушающего in situ контроля за качеством сплавляемого изделия, например, оптические. Но применение таких инструментов возможно только при штатной ра-боте всех машинных компонентов СЛМ-принтера, на которые полагаются системы оптического контроля (СК) и обратной связи. В данной статье представлена новая методика отладки лазерно-сканаторной системы, проводимая с помощью системы оптической томографии – одной из возмож-ных систем оптического контроля. Таким образом, оснащенный СК СЛМ-принтер может стать автоматически отлаживаемым инструментом, способным оперировать с минимальным участием технолога.
Порошковая металлургия, композиционные материалы и покрытия
УЧЕТ ДЕФОРМАЦИОННОГО РАЗОГРЕВА ПРИ ВЫБОРЕ ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ ДЕФОРМАЦИИ СПЛАВА АМг6
В статье представлены результаты числовых и лабораторных экспериментов по свободной осадке за-готовок диаметром 20 мм с температуры нагрева 20, 130, 260 и 390 °С. В ходе компьютерного моделирования установлено, что при холодной осадке деформационный разогрев может достигать 90 °С, а при осадке с температуры 130 °С – 70 °С, что необходимо учитывать при выборе температурно-скоростных условий деформации. При горячей осадке (нагрев до 260 °С) деформационный разогрев достигает 20–40 °С, что может быть критичным с точки зрения пережога, потери пластических свойств и коррозионной стойкости готовой продукции. Лабораторные экспериментальные исследования по осадке заготовок, нагретых до 20, 130 и 260 °С, выявили лучшую пластичность и деформируемость сплава АМг6 при нагреве до 130 °С. Металлографический анализ деформированных образцов показал, что при нагреве до 260 °С микроструктура слава АМг6 претерпевает рекристаллизацию. Одновременно с рекристаллизованными зернами в структуре наблюдаются следы пережога. По границам зерен поры образуют практически сплошную сетку из интерметаллидных фаз. Осадка образцов из сплава АМг6, нагретых до 130 °С, обеспечивала сохранение текстуры деформации и упрочнение с 86 до 133 HV1, при этом полностью исключала образование как внешних, так и внутренних трещин, пор и каких-либо признаков разрушения. Деформационное поведение сплава АМг6 при температуре нагрева заготовки до 130 °С, выявленное в настоящей работе, говорит о перспективности проведения дополнительных исследований по изучению изменения микроструктуры и механических свойств этого сплава при теплой деформации.
Обработка металлов давлением. Технологии и машины обработки давлением
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЦ ТМК ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ
В статье представлен краткий обзор достижений и результатов исследований отдела бесшовных труб ИЦ ТМК в области обработки металлов давлением по следующим основным направлениям: винтовая прокатка, продольная прокатка, волочение и прессование. Также показано, что, согласно современным тенденциям, на различных этапах работы проводится компьютерное конечно-элементное моделирование и цифровизация данных процессов. Большинство научных раз-работок внедряется в действующее и перспективное производство на российских трубопрокатных предприятиях, что позволяет повысить конкурентное преимущество отечественной трубной продук-ции, осваивать новые виды продукции и повышать технологический суверенитет страны.
ВЛИЯНИЕ ОПЕРАЦИЙ ФОРМОВКИ ТРУБЫ НА ПАРАМЕТРЫ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
В работе представлен анализ влияния трубного передела на параметры трещиностойкости (CTOD). Трещиностойкость является важным показателем для оценки прочности материалов, особенно в слу-чае металлических конструкций, подверженных длительным нагрузкам и воздействиям, таким как трубопровод высокого давления. Результаты анализа могут использоваться для разработки методов и технологий, направленных на повышение стойкости трубопроводов к трещиностойкости. Даль-нейшие исследования в данной области могут быть направлены на оптимизацию формоизменяющих операций трубного передела с учетом параметров трещиностойкости.
ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙРОННОЙ СЕТИ YOLO ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ НА БЕСШОВНЫХ КОЛЬЦАХ
В настоящее время контроль качества изделий является основным направлением для отечественных предприятий. Своевременный контроль продукции позволяет предотвращать потенциальные потери, а также уменьшает риск возникновения претензий со стороны потребителей. К сожалению, из-за больших объемов производства и нехватки квалифицированных сотрудников не все отечественные предприятия могут обеспечить стопроцентный контроль продукции. Зарубежные компании давно нашли выход из этой ситуации. Крупные предприятия, такие как Porshe и BMW, ис-пользуют системы на основе искусственного интеллекта для контроля продукции. Для российских предприятий введение искусственного интеллекта является относительно новым, но популярным направлением. Цель исследования – изучить возможности применения нейронных сетей для опреде-ления дефектной продукции. В ходе исследования была изучена технология AI.SEE, проанализиро-вана технология производства бесшовных колец (выделены недостатки производства), а также мето-дика обучения нейронной сети YOLO. Также была поставлена и решена следующая задача: разрабо-тать модель (на основе компьютерного зрения), которая будет определять и визуализировать нали-чие дефекта на бесшовных кольцах. Проведенное исследование показало, что модель, обученная на готовых весах YOLO, может с высокой точностью 80…90 % определить наличие дефектов на коль-цевых поковках. Но стоит отметить, что, несмотря на высокую точность определения дефектов, мо-дель требует ряд доработок для более стабильной и качественной работы. Использование подобной модели может значительно улучшить процессы контроля на производстве. Стоит отметить, что по-лученные результаты могут быть полезны для компаний, занимающихся производством колец, и способствовать повышению эффективности и надежности производственных процессов для даль-нейшего внедрения подобной системы.
ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Получение стали в электрических печах является крупномасштабным металлургическим производ-ством, в результате которого образуются техногенные отходы – пыль. Данный вид отходов содержит ценные металлы (железо и цинк), что требует разработки технологий ее переработки с целью извле-чения ценных элементов в самостоятельные продукты. При разработке пирометаллургической тех-нологии переработки пылей были использованы методы математического моделирования для анали-за физико-химических взаимодействий компонентов шихты (пыли и флюсов) при плавке в кольцевой печи и выбора оптимального температурного режима и соотношения сырьевых материалов. Объек-том исследований явились образцы железоцинксодержащей пыли ПАО «Магнитогорский металлур-гический комбинат». Показано, что железо и цинк в пыли содержится в виде ZnO.Fe2O3, однако большая часть цинка находится в виде ZnO. Модель восстановительного процесса была сформиро-вана с помощью программного комплекса «Селектор», представлена 7 резервуарами, имитирующи-ми различные зоны кольцевой печи. В модель был введен 21 независимый компонент (элемент), от-вечающий химическому составу сырья, флюсов и воздуха: Al, C, Ca, Fe, K, Mg, N, Na, P, S, Si, Ti, Mn, Cu, Pb, Ni, Cl, Cr, Zn, H, O. Результаты лабораторных исследований подтвердили данные моде-лирования по химическому составу гранулированного чугуна и сконденсированного оксида цинка и их извлечению в данные целевые продукты. Была разработана и предложена технологическая схема переработки техногенного сырья электросталеплавильного производства. Предлагаемая технология позволит использовать получаемый гранулированный чугун в качестве заменителя металлического лома при производстве стали в электропечах, что отвечает стратегии развития черной металлургии России на период 2014–2022 гг. и на перспективу до 2030 г.
Металлургия чёрных, цветных и редких металлов
К 70-ЛЕТИЮ КАФЕДРЫ ОМД (ПРОКАТКИ). СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ПРОКАТКИ
Теоретической основой для разработки новых технологических процессов прокатки на кафедре про-цессов и машин обработки металлов давлением является энергетическая теория. С ее помощью за 70 лет существования кафедры разработаны более десятка новых технологических процессов холодной и горячей прокатки листов, прокатки точных профилей, в том числе фасонных, профилей из труднодеформируемых металлов и сплавов, проволоки, труб. В настоящее время энер-гетическая теория прокатки успешно применяется и за пределами кафедры, помогает решать новые проблемы, диктуемые современными условиями.
ПОЛУЧЕНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СОЕДИНЕНИЯ Fe3Al МЕТОДОМ ПОСЛОЙНОГО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ВЫРАЩИВАНИЯ
В настоящее время находят применение аддитивные технологии послойного электродугового выращивания. Основной вектор развития данного направления связан с использованием алюминиевых сплавов. В данной работе опробована экспериментальная методика получения интерметаллидного соединения Fe3Al методом послойного электродугового выращивания с одновременной подачей в зону горения электрической дуги двух разнородных сварочных проволок сплошного сечения диаметрами 1,2 мм. Проанализированы способы получения интерметаллических соединений и их недостатки. Определены режимы электродугового выращивания. Результатом эксперимента стало получение сплава на основе железа с содержанием алюминия 13–16 %. Проведена термическая обработка выращенных образцов, после которой получен интерметаллид Fe3Al.
ОБ ЭКОНОМИЧНОМ УПРАВЛЕНИИ НАГРЕВОМ МЕТАЛЛА В ПРОТЯЖНЫХ ПЕЧАХ И АГРЕГАТАХ
Введение. Рассматривается актуальная проблема оптимизации управления нагревом металла в протяжных печах и агрегатах. Цель исследования: разработать алгоритм расчета распределения температуры рабочего пространства по зонам, обеспечивающий реализацию принципа управления, экономичного по расходу топлива или электроэнергии на нагрев. Материалы и методы. Обсуждается ранее установленный принцип экономичного управления нагревом, подчеркивается его обоснованность, указаны его особенности. Существо принципа заключается в адаптации уровня температуры рабочего пространства в зонах к характеристикам нагреваемого металла и производительности печей. Результаты. Разработаны варианты алгоритма, применимые как для печей без зоны предварительного подогрева, так и для печей с наличием такой зоны. Получаемое при этом распределение температуры по зонам характеризуется тем, что область наиболее высоких температур смещается, насколько это возможно с точки зрения качества нагрева, к концу печи. Приводятся типичные графики оптимального распределения температуры по зонам и конкретный расчет режима для трехзонной горизонтальной протяжной печи (без зоны предварительного подогрева) для нагрева стальной проволоки. Указано, что с использованием соответствующих функциональных зависимостей процедура расчета применима и для протяжных термоагрегатов с электроконтакным нагревом проволоки. Отмечается экономическая эффективность принципа при промышленной эксплуатации соответствующих систем управления. Приведены рекомендации по решению задачи параметрической идентификации используемой в составе алгоритма модели нагрева. Заключение. Разработанный алгоритм может быть использован в составе алгоритмического обеспечения автоматизированных систем управления нагревом металла в протяжных печах и агрегатах.
Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика
ПРОКАТКА ТРУБ ИЗ СТАЛИ МАРКИ 08Х18Н10Т НА ТПА 70-270 С ДВУХВАЛКОВЫМ СТАНОМ ДЛЯ ПРОШИВКИ И РАСКАТКИ
Развитие производства бесшовных труб из нержавеющих марок стали для энергомашиностроительных компаний, которые поставляют комплексные решения для атомной и тепловой энергетики, газовой и нефтехимической отрасли, является сегодня одним из важных направлений развития технологии для производителей трубной продукции. А современные экономические реалии и санкционное внешнее давление на Россию делают эту задачу одной из приоритетных. Для изготовления горячекатаных труб из нержавеющих марок стали использование станов винтовой прокатки на сегодняшний день является наиболее перспективным направлением в сравнении с традиционным способом – прессованием. Данная технология позволяет существенно увеличить производительность, улучшить качество выпускаемых труб и снизить расходный коэффициент металла. Технология с использованием станов с двойной прошивкой и калиброванием на станах винтовой прокатки без использования станов продольной прокатки, реализованная на стане ТПА 70-270, является в настоящее время недостаточно изученной и применяемой на практике, так как данный стан является единственным в Российской Федерации. Основным недостатком технологии производства труб из «нержавейки» является низкая износостойкость прокатного инструмента, в частности оправок прошивного стана. Высокая интенсивность износа инструмента не позволяет обеспечить постоянства требуемого качества выпускаемой продукции. Одним из перспективных методов повышения износостойкости инструмента является использование смазок. В настоящее время потребность рынка в нержавеющих бесшовных трубах составляет 55 тыс. тонн в год, из которых на долю импорта приходится около 20 тыс. тонн. Используя современные технологии и возможности производства трубопрокатного инструмента, а также внедряя в технологические операции производства труб новые технические решения, возможно повысить износостойкость трубопрокатного инструмента, обеспечить стабильно высокое качество производимых труб и увеличить конкурентоспособность. В данной работе представлены результаты опытно-промышленного освоения прокатки труб из стали марки 08Х18Н10Т на стане ТПА 70-270, где прошивка заготовки и раскатка гильзы осуществляется на одном и том же стане винтовой прокатки.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАДИАЛЬНОЙ КОВКИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ
На основе экспериментальных исследований радиальной ковки на РКМ SKK-14 в бойках с гладкими рабочими поверхностями, смещенными на парах взаимно перпендикулярных бойков друг относительно друга вдоль оси ковки на величину, превышающую длину рабочей поверхности бойка, предложена уточненная зависимость для определения диаметра заготовки при получении прямоугольных профилей. Описан новый способ радиальной ковки прямоугольных профилей, при котором получение прямоугольных профилей осуществляется одной парой бойков с выпуклыми ручьями, второй парой бойков с гладкой рабочей поверхностью за несколько циклов деформации с поворотом заготовки вокруг ее оси после каждого цикла деформации на угол π/2. Показана подтвержденная промышленными экспериментами эффективность применения этого способа за счет увеличения поперечной деформации металла, позволяющего снизить обжатие, смещаемый объем металла при формировании прямоугольных профилей из круглых исходных заготовок. Приведено описание другого способа радиальной ковки прямоугольных профилей, устраняющего операцию поворота заготовки вокруг ее оси после каждого цикла деформации, при практически аналогичной эффективности первому способу, что доказано промышленными экспериментами. Суть этого способа заключается в использовании одной пары бойков, формирующей широкую грань прямоугольной полосы, со специальной шевронной формой рабочей поверхности, а другой пары бойков – с гладкой рабочей поверхностью. Описано предложенное новое техническое решение с выполнением на бойках радиальноковочной машины дополнительного участка, примыкающего к рабочей поверхности бойка и расположенного консольно его опорной поверхности, обеспечивающего направление деформируемой заготовки вдоль оси ковки в момент ее задачи в бойки. Все разработанные технические решения применяются на практике.
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ОСВОЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ ДИАМЕТРОМ 2520 мм
Укрепление береговых линий в условиях Крайнего Севера является сложной и технически трудновыполнимой задачей. Для минимизации неконтролируемых природных катаклизмов и достаточно суровых погодных условий, а также в связи с большими объемами портов укрепление береговой линии производится трубным шпунтом и сваями диаметром 2520 мм. Продукция является востребованной и высокомаржинальной. Данный сортамент ранее не производился в промышленных масштабах в компании ПАО «ТМК» и в целом на территории РФ. Единственным способом, который позволяет получать требуемую заготовку, является способ JCOE. В данной статье описаны основные этапы освоения труб диаметром 2520 мм. 1. С использованием современных методов инженерного анализа, основанных на методе конечных элементов (МКЭ), была проведена оценка технической возможности производства труб, а также разработка технологических режимов подгибки и формовки труб. 2. Проведен анализ влияния механических свойств на геометрические показатели готовой продукции. Предложена новая методика контроля геометрии трубной заготовки в процессе шаговой формовки с последующей предиктивной аналитикой. Получены уравнения множественной регрессии, позволяющие оценить влияние изменения контролируемых размеров листовой заготовки в процессе шаговой формовки. 3. С использованием современных пакетов CAD-моделирования был разработан и спроектирован новый автоматизированный участок по сборке заготовок. 4. Разработана технологическая схема производства труб нового сортамента. 5. Проведены опытные работы по производству труб. Разработанный новый способ производства труб диаметром 2520 мм расширил существующий сортамент предприятия, а также показал положительную экономическую эффективность за счет высокой маржинальной стоимости. Новый метод производства подтвердил свою работоспособность и на практике (производство опытной партии) доказал возможность существования.
ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО КАНАЛЬНО-УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ НА ОТНОСИТЕЛЬНУЮ ЭНЕРГИЮ ГРАНИЦ ЗЕРЕН В ГАФНИЕВОЙ БРОНЗЕ
Цель работы состоит в оценке относительной энергии границ зерен гафниевой бронзы, продеформированной методом динамического канально-углового прессования (ДКУП), с помощью сканирующей туннельной микроскопии. В процессе работы проведены следующие исследования. 1. Отработана методика пробоподготовки образцов Cu–Hf, подвергнутых интенсивной пластической деформации (ИПД) методом ДКУП, для последующих исследований методом туннельной сканирующей микроскопии, обеспечивающая усредненное значение среднеквадратичной шероховатости поверхности около 2 нм. 2. С помощью сканирующей туннельной микроскопии получены изображения структуры поверхности гафниевой бронзы, которые обработаны с помощью программы-приложения Gwyddion. В результате рассчитаны профили границ зерен, на основании которых вычислялись значения двугранных углов у дна канавок травления и рассчитывались относительные энергии границ зерен. 3. Установлено, что после деформации ДКУП средняя относительная энергия границ зерен почти в два раза превышает относительную энергию границ зерен поликристаллической меди. Таким образом, в результате ДКУП в образцах формируются неравновесные границы зерен. 4. Показано, что с увеличением числа проходов ДКУП происходит увеличение средней относительной энергии границ зерен, что свидетельствует об увеличении степени их неравновесности.
КОЭФФИЦИЕНТЫ АКТИВНОСТЕЙ КОМПОНЕНТОВ ЗАРОДЫШЕЙ ПРОДУКТОВ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССАХ
Химические потенциалы компонентов наночастиц отличаются от химических потенциалов компонентов макротел. Ранее авторами была получена формула для их расчета на основе соответствующих значений в объемных фазах. Были учтены повышенное давление в нанофазах и зависимость поверхностного натяжения наночастицы от ее размера. В данной работе на основе разработанной теории исследованы некоторые аспекты роста зародышей неметаллических включений в сталеплавильных процессах. Показано, что поверхностные эффекты играют основополагающую роль для частиц размером менее 100 нм. Коэффициенты активности компонентов таких частиц могут варьироваться от 0,001 до 600. Предложена методика их расчета для растущих зародышей продуктов химических реакций в сталеплавильных процессах.
Физическая химия и физика металлургических систем
РАСЧЕТ ХИМИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ КОМПОНЕНТОВ НАНОЧАСТИЦ
Получено простое выражение для расчета химических потенциалов компонентов в изотропных конденсированных наночастицах на основе соответствующих значений в объемных фазах. В первом приближении была учтена зависимость поверхностного натяжения от размера частиц. Для расчета необходимо знать зависимости от состава поверхностного натяжения и молярного объема соответствующей объемной фазы. Выражение удобно для изучения изменений состава наночастицы во время ее роста. Это выражение полезно для металлургии (образование неметаллических включений), аналитической химии (образование осадков), нанотехнологий (образование нанокристаллов в аморфных металлах) и других отраслей науки и техники. Предложенный метод может быть легко обобщен для анизотропных нанокристаллов.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ И ЗАТВЕРДЕВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛЯБОВЫХ ЗАГОТОВОК
Введение. Рассматривается задача параметрической идентификации математической модели процесса охлаждения и затвердевания непрерывнолитых слябов в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Актуальность работы обуславливается прежде всего тем, что качество получаемого таким образом изделия в существенной мере зависит от режима работы ЗВО. Технологический процесс достаточно сложный, не полностью изученный и, как следствие, пока еще плохо управляемый. Цель исследования: разработать процедуру параметрической идентификации модели процесса охлаждения и затвердевания металла по данным доступных для непосредственного измерения величин. Материалы и методы. Выполнен анализ и обобщение литературных данных по проблеме. Определена приемлемая структура математической модели, выбран критерий близости объекта и модели, поставлена и решена задача ее параметрической идентификации. Результаты. Определена приемлемая формула для описания реального температурного поля в заготовке после выхода металла из кристаллизатора. Численным исследованием установлено, что рассматриваемая задача идентификации решается устойчиво и практически с любой наперед заданной точностью, причем увеличение числа точек измерения температуры поверхности существенно повышает помехоустойчивость решения. При описании внешнего теплообмена в лучисто-конвективной форме задачу идентификации решали с помощью программы, реализующей метод покоординатного спуска, получающиеся при этом задачи одномерной минимизации решали с помощью подпрограммы, использующей метод золотого сечения. Для численного интегрирования уравнений модели применяли неявную конечно-разностную схему, которую решали методом прогонки. В случае, когда внешний теплообмен заготовки описывается только в конвективной форме, разработана и апробирована программа, использующая метод золотого сечения. Приведены рассчитанные по настроенной модели кривые изменения во времени переменных процесса. Заключение. Настроенная на «реальный процесс» математическая модель применена для выявления особенностей процесса охлаждения металла в ЗВО МНЛЗ ККЦ ПАО «ММК», в частности, по результатам исследования была осуществлена корректировка расходов охладителя вдоль технологической линии.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОЛЬГИ ИЗ СПЛАВОВ СВИНЦА И ОЛОВА В УСЛОВИЯХ ЮУрГУ И ООО НПО «Р.О.С.Антикор»
Свинцовая, оловянная и свинцовая фольга, плакированная оловом, используется в различных отраслях техники, медицине и пищевой индустрии. Согласно ГОСТ 18394–2016 толщина фольги находится в диапазоне 0,015–0,21 мм, а ширина фольги – 70–450 мм. Технология изготовления фольги на основе свинца, олова и их сплавов разработана достаточно давно, в 20–30-х гг. прошлого столетия. В СССР и за рубежом в те годы в силу специфических физико-механических свойств прокатываемых металлов использовалась холодная прокатка, реализующая рулонный и карточный методы прокатки. Применение в то время рулонного или карточного метода прокатки обусловливалось прежде всего наличием соответствующего оборудования. Прокатка фольги осуществлялась как на реверсивных, так и на нереверсивных двухвалковых прокатных станах, имеющих диаметры рабочих валков 230–700 мм. Анализ состояния технологии и применяемого оборудования для прокатки фольги из свинца, олова и свинцовой фольги, плакированной оловом, в настоящее время мало отличается от технологий, используемых в СССР. По нашему мнению, это объясняется малотоннажностью заказов, малым выходом годного (60–70 % от ленточной заготовки толщиной 0,9 мм), низкой рентабельностью и незаинтересованностью производителей в совершенствовании технологии. По имеющимся сведениям, время исполнения заказов на некоторых предприятиях доходит до 6 месяцев. Эти недостатки в удовлетворении спроса на малотоннажные партии отмечались в Распоряжении Правительства РФ № 4260-Р от 28 декабря 2022 г. В настоящей работе представлен опыт изготовления малотоннажных партий на основе свинца и олова в условиях ООО НПО «Р.О.С.Антикор» и ЮУрГУ. Проведенная исследовательская работа по разработке технологии и ее отработке для условий упомянутых организаций позволила разработать технологический регламент изготовления фольги и технические условия на свинцовую, оловянную и свинцовую фольгу, плакированную оловом.
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕССВИНЦОВОГО ПРИПОЯ ЭКСТРУЗИЕЙ
Повышение требований законодательства в области экологической безопасности и ограничение использования свинца в новом электротехническом и электронном оборудовании повышают актуальность и экономическую обоснованность поиска новых легкоплавких сплавов для использования в качестве припоя. В настоящей работе разрабатывается технология изготовления бессвинцового пруткового и проволочного припоя методом прямой экструзии. С помощью математической модели прямой экструзии и программы для ЭВМ, написанной на ее основе, определены деформационные и энергосиловые параметры изготовления прутков ⌀8,0 и ⌀15,0 мм и проволоки ⌀2,0 мм из сплава 52In–48Sn (ПОИн-52). По результатам расчетов максимальные усилия экструзии при изготовлении указанного сортамента составляют 106 кН, что необходимо учитывать при выборе оборудования и проектировании технологической оснастки. С помощью компьютерного моделирования в пакете QForm определены температурно-скоростные условия экструзии прутков и проволоки. Установлено, что технологически процесс экструзии на анализируемых режимах для всех типоразмеров продукции реализуем. Разогрев сплава выше температур плавления не наблюдается, отсутствуют причины для потери стабильности процесса и снижения качества готовой продукции. Прочностной анализ технологической оснастки для изготовления прутков и проволоки, спроектированной по результатам расчетов, показал запас прочности более 2,1, что считается достаточным для металлургического оборудования. По разработанной технологии изготовлена опытная партия в количестве 100 кг проволочного припоя ⌀2,0 мм с намоткой на катушки и 150 кг пруткового ⌀8,0 мм для АО «Челябинский цинковый завод».
РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ УЧАСТКА ПОПЕРЕЧНОЙ РЕЗКИ ПОКОВОК ИЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ, ВСТРОЕННОГО В ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ ЛИНИЮ РАДИАЛЬНОЙ КОВКИ
Разработан не имеющий аналогов по составу оборудования, его компоновке и конструктивному исполнению технологический участок поперечной резки поковок, получаемых на радиально-ковочной машине SKK-14 австрийской фирмы GFM. Предложена новая конструкция клапанного сбрасывателя поковок, отличительной особенностью которого является компактная встроенность его в существующий рольганг радиальноковочной машины, а также противонаправленный поворот рычагов клапанов. Для снижения усилия реза и затрат на нагрев предложено осуществлять нагрев или подогрев только части длины поковки в месте ее реза с помощью специально разработанного индукционного нагревателя. С учетом особенностей работы гидравлической системы пресса П6332, требований к условиям реза на ножницах с параллельными ножами разработана оригинальная конструкция штампа для резки поковок, отличительными особенностями которого являются восприятие колоннами штампа во время реза осевых усилий реза, а также синхронизация механизмов прижима и реза. Учитывая выполнение гидравлическим прессом П6332 с разработанным штампом верхнего реза поковок, разработан специальный компактный качающийся приводной рольганг с прижимным роликом, ось качания которого совмещена с осью ведущего ролика рольганга и смещена относительно центра тяжести рольганга, обеспечивая возврат рольганга в прежнее положение после его наклона. Для возможности перемещения мерных поковок и их складирования разработаны конструкции транспортного рольганга, рычажного сбрасывателя и карманов-накопителей.
ОСОБЕННОСТИ ДЕФЕКТОВ ПРИ ПРОКАТКЕ ТОНЧАЙШИХ ЛЕНТ И ФОЛЬГ
Авторами анализируются основные причины образования дефектов и методы, предотвращающие появление брака. Правильный подбор необходимых режимов прокатки ленты усложняется вследствие особенностей прокатываемого материала с памятью формы – нитинола. Никелид титана обладает способностью присоединять газы (азот, кислород) и подвержен окислению. В статье рассматриваются дефекты, образующиеся при прокатке на многовалковых станах. Среди них – двухсторонний гофр, коробоватость, появление пузырей, волнистость, разнотолщинность. Основные негативные факторы, являющиеся источниками возникновения указанных дефектов, могут быть парированы правильной профилировкой валков (волнистоть), выставлением верных режимов обжатия (двухсторонний гофр), пересборкой основных узлов стана (биение, коробоватость). При прокатке труднообрабатываемых материалов следует проводить анализ текстуры ленты для фиксирования источников возникновения брака. Настройка прокатного оборудования должна включать в себя не только режимы прокатки (скорость, величина обжатия, натяжения на барабанах моталок), но и работу с рабочими валками, включающую высокоточную обработку поверхности бочек, шейки.
СПОСОБЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА СОРБИТИЗИРОВАННОЙ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ КАТАНКИ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ГАРАНТИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
В статье рассмотрены варианты проведенных модернизаций действующих мелкосортных станов. Проведен анализ действующей технологии охлаждения проката на стане 170 ПАО «ММК». Рассмотрены результаты проведения научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы в 2020–2021 годах, которые показали преимущество разработанных в МГТУ им. Г.И. Носова режимов прокатки над действующими на стане режимами.
ВЛИЯНИЕ БОРА И СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫХ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ СИСТЕМЫ Fe–C–Cr–Mn–Ni–Ti
Улучшить технологические и эксплуатационные свойства белых высокохромистых чугунов можно путем изменения соотношения основных химических элементов в отливках, комплексного легирования, микролегирования и модифицирования, условий кристаллизации металлов в отливках и методов термической обработки, что позволяет управлять процессом формирования структуры и свойств металла в отливках. Стабильность структуры и жароизносостойкость зависят от типа и морфологии карбидов и соответствующей металлической основы, химического состава структурных составляющих, которые определяют защитные свойства оксидных слоев, так как авторами было показано, что окалиностойкость является структурно-чувствительным свойством. Изучение влияния бора и режимов охлаждения в литейной форме на распределение химических элементов в фазах чугунов системы Fe–C–Cr–Mn–Ni–Ti, обеспечивающих стабильность структуры и эксплуатационных свойств при рабочих температурах, является актуальной задачей.
РАСТВОРИМОСТЬ ФОСФАТОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ В КАРБОНАТНО-ЩЕЛОЧНЫХ СИСТЕМАХ
Статья посвящена исследованию процесса растворения фосфатов некоторых редкоземельных металлов (РЗМ) в карбонатно-щелочных системах. В качестве объекта исследования рассмотрены модельные осадки фосфатов тяжелых РЗМ – гольмия и иттербия; РЗМ средней массы – самария и гадолиния; легкого РЗМ – неодима, а также иттрия, который не является лантаноидом. Фосфаты РЗМ представляют собой примесные компоненты, входящие в состав промышленного отхода фосфогипса (ФГ). По различным оценкам ежегодно в России образуется от 10 до 15 млн тонн такого отхода, что влечет за собой возникновение экологических проблем в местах его захоронения. Для рационального использования минерального сырья необходимо разработать такое решение, которое позволит переработать фосфогипс в коммерчески ценные продукты, одним из которых может быть концентрат редкоземельных металлов. Редкоземельные металлы получили широкое применение в различных отраслях: оборона, энергетика, электроника, металлургия, катализ и другие. Однако малые объемы производства и отсутствие полного цикла производства некоторых РЗМ вынуждают осуществлять их закупку за рубежом. Таким образом, исследование направлено на достижение экономической стабильности и технологического суверенитета Российской Федерации. В статье представлено описание влияния температуры, концентрации карбонатного раствора, межфазного отношения и скорости перемешивания на процесс растворения фосфатов РЗМ. В рассматриваемом концентрационном диапазоне при температуре 90 °С максимальные равновесные степени извлечения в раствор составили: E(Ho) = 75,6 %; E(Yb) = 85,5 %; E(Nd) = 62,5 %; E(Gd) = 71,6 %; E(Y) = 73,1 %; E(Sm) = 46,1 %. Результаты экспериментального исследования относятся к части термодинамического анализа системы REEPO4 – K2CO3, которые в дальнейшем могут быть использованы при моделировании процесса попутного извлечения РЗМ из техногенных отходов, в частности фосфогипса, методом жидкостной карбонатно-щелочной конверсии.
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СПЛАВА АМГ6 ПРИ СВОБОДНОЙ ОСАДКЕ
В статье приведены результаты исследования напряженно-деформированного и температурно-скоростного состояний сплава АМг6 при свободной осадке. Численные эксперименты осадки образцов диаметром 15,0; 20,0; 25,0 и 30,0 мм на плоских бойках проведены в пакете QForm. В ходе экспериментальных исследований варьировались скорость осадки – 0,1; 0,5; 1 и 5 мм/с и температура заготовки – 20, 130, 260 и 390 °С. Результаты исследований показали, что боковая поверхность образца является зоной максимальных средних напряжений, а периферия контактной поверхности образца с бойком – зоной минимальных средних напряжений при свободной осадке. Максимальные значения интенсивности касательных напряжений располагаются на периферии контактной поверхности образца с бойком. Показатель напряженного состояния σ/T, характеризующий минимальную пластичность обрабатываемого материала, при осадке максимальные значения принимает на боковой грани образца и с изменением температуры нагрева не изменяет своего положения. Повышение температуры образца при осадке приводит к снижению средних напряжений и интенсивности касательных напряжений, но закономерности распределения их максимальных и минимальных значений сохраняются при изменении температуры образца. Увеличение скорости осадки с 0,1 до 5 мм/с приводит к незначительному, на 15–20 МПа, повышению интенсивности напряжений. Деформационный разогрев существенно зависит от скорости осадки и от начальной темпера-туры образца. Максимальный деформационный разогрев локализуется в центральной части образца. Скорость деформации при осадке со скоростью 5 мм/с не превышает 1,1 с–1. Распределение скоростей деформации по сечению неравномерное. В процессе осадки сначала максимальные напряжения возникают в центре заготовки, затем возрастают и распространяются по ковочному кресту. При степени деформации более 50 % максимальные значения переходят на периферию контакта образца с бойками и остаются там до завершения деформации. Усилия осадки в большей степени определяются размером образца, температурой его нагрева, упрочнением в процессе холодной деформации и незначительно зависят от скорости осадки.
ВЛИЯНИЕ КАЛЬЦИЙ-СТРОНЦИЕВОГО КАРБОНАТА И УСЛОВИЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫХ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ СИСТЕМЫ Fe–C–Cr–Mn–Ni–Ti–Al–Nb
В условиях жесткой эксплуатации, таких как агрессивное воздействие абразивов, высокая темпера-тура и вредные рабочие среды, предпочтение отдают деталям машин и оборудования, которые изготовлены в основном из белых чугунов. Структура и количество карбидной фазы в этих чугунах влияют на их механические свойства и способность сопротивляться износу при повышенной температуре. Особой износоустойчивостью белые чугуны обязаны высокому содержанию первичных карбидов МС и эвтектических карбидов типа М7C3 в матрице, которая в основном состоит из аустенита или аустенита и феррита. Существует большое разнообразие технологических методов, которые призваны улучшить специальные характеристики чугунов, сосредоточенных в основном на улучшении структуры материалов. Самыми эффективными способами для повышения механических и специальных свойств литейных сплавов являются рафинирование и комплексное модифицирование. Повышение жаростойкости чугуна происходит в результате удаления вредных примесей из расплава и образования тугоплавких включений, таких как SrO и имеющихся в карбонате MgO, Al2O3, SiO2. Эти включения служат центрами кристаллизации, что приводит к переохлаждению рас-плава и измельчению структуры. Модифицирующее действие карбоната обусловлено образованием оксида SrO, эти включения действуют как модификаторы второго рода. При нагреве чугуна на поверхности отливок формируется оксидная пленка из хромата стронция (SrCrO4), которая имеет более высокую плотность и лучшую адгезию к металлической основе, чем оксидная пленка типа шпинели (FeO·Cr2O3). Это приводит к улучшению сопротивляемости образованию окалины.
К ВОПРОСУ ИЗУЧЕНИЯ СКОРОСТИ РАСТВОРЕНИЯ ФЕРРИТА ЦИНКА МЕТОДОМ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ДИСКА
Флотационная переработка отвальных медеплавильных шлаков приводит к образованию хвостов флотации, содержащих около 0,5 % меди и 4 % цинка, которые присутствуют в основных и второстепенных минеральных соединениях. Объемы накоплений в России данных отходов составляют от 120 до 140 млн т. В хвостах медь и цинк находятся в ферритах в виде отдельных минеральных фаз. Этот материал может являться сырьем для извлечения из него меди и цинка. Исследована одна из составляющих данного сырья – феррит цинка – на предмет его скорости растворения методом вращающегося диска. Для этого был синтезирован феррит цинка (ZnFe2O4) по керамической технологии. Образец был аттестован методом РФА. Полученные ферриты были спрессованы в таблетки и закреплены в обойме из фторопласта для проведения экспериментов. Изучена кинетика растворения феррита цинка в водном растворе серной кислоты в диапазоне концентрации от 7 до 300 г/дм3, при температуре 25, 45, 65 °С (298, 318, 338 К) и гидродинамическом режиме. С использованием уравнения Аррениуса была рассчитана энергии активации, а также были определены экспериментальные константы скорости. Получен вывод о кинетическом режиме растворения феррита цинка.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ И ПРОГНОЗНЫЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧИСТЫХ СТАЛЕЙ
Приведены результаты физико-химических расчётов сталеплавильных процессов для производства чистых сталей, раскисленных алюминием. Рассмотрен подход совершенствования технологии производства чистых сталей, включая элементы математических и термодинамических моделей, а так-же алгоритмические подходы для построения статических моделей с применением технологии машинного обучения, позволяющие повышать эффективность в сталеплавильных технологиях. С целью получения прикладного применения представленного подхода необходима предварительная подготовка массива данных, а также осуществление интерпретации результатов машинного обучения, основывающихся на фундаментальных законах и физико-химических процессах, протекающих в сталеплавильном производстве. В результате выполненных термодинамических расчётов в про-грамме STM были разработаны мероприятия для производства чистых сталей. На примерах производства тонкого сляба, сортовых и блюмовых заготовок выполнен поиск и подтверждение значимых технологических параметров в формировании сталеплавильных дефектов из-за неметаллических включений с применением методов углубленной аналитики и машинного обучения.
ИССЛЕДОВАНИЕ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МЕДНО-ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ В ХЛОРСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ
В настоящей работе приведены результаты исследований электродного потенциала α-, β- и (α+β)-латуней, определены токи коррозии в хлорсодержащих средах, проведены испытания по их обесцинкованию в растворе хлорида меди. С целью более глубокого изучения свойств латуни были определены токи коррозии и электродный потенциал в хлорсодержащих средах для чистых метал-лов – меди и цинка. В ходе работы были построены графики зависимости потенциала меди, цинка, α-, β- и (α+β)-латуней от времени травления в растворах хлорида натрия и растворе хлорида натрия с добавлением хлорида аммония. Определены токи коррозии в растворе хлорида натрия: для меди (38 мкА), α-латуни (70 мкА), (α+β)-латуни (113 мкА), β-латуни (88 мкА) и в растворе хлорида натрия с добавлением хлорида аммония: для меди (14 мкА), цинка (71 мкА), α-латуни (37 мкА), (α+β)-латуни (44 мкА), β-латуни (42 мкА). По результатам исследования стойкости сплавов к обесцинкованию были получены следующие данные: глубина обесцинкования α-латуни – 450–500 мкм, α+β – 950–1000 мкм, β – 600–700 мкм. Результаты исследований токов коррозии в хлорсодержащих средах со-относятся с результатами экспериментов по обесцинкованию. Проведенные исследования подтверждают предположение о том, что в двойных латунях α- и β-фазы образуют коррозионный элемент за счет разницы химического состава и, следовательно, разных электродных потенциалов, что при-водит к потере цинка в несколько большей степени, чем в β-латуни.