Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия
Все статьи: 866
Статья научная
Сталь с перлитной структурой является классическим примером наноструктурированного материала. Холоднотянутая высокоуглеродистая сталь с перлитной микроструктурой является сырьем для современных армирующих канатов. Главными свойствообразующими процессами в ходе волочения такой стали являются изменения межпластиночного расстояния и металлографической структуры, а также переориентация зёрен. Однако экспериментальное исследование динамики данных процессов является затруднительным и трудоемким. Исследован процесс девятикратного волочения стальной проволоки с перлитной структурой. На основе мультимасштабных компьютерных моделей было изучено поведение перлитных колоний на поверхности и центральном слое проволоки. В качестве программного решения был использован коммерческий комплекс Abaqus. Ключевыми факторами были ориентации цементитных пластин относительно оси волочения, межпластиночное расстояние и форма цементитных включений. На основе конечно-элементных моделей установлены закономерности переориентации перлитных колоний, изменения формы и размеров цементитных пластин и локализации деформации в феррите. Установлено, что цементитные пластины, которые были параллельными оси волочения, испытывают максимальное утонение и изменение межпластиночного расстояния. Пластины цементита, которые были перпендикулярны оси волочения, наиболее подвержены разрушению. Однако установлено, что при определенных значениях межпластиночного расстояния этот эффект может снижаться. В случае расположения перлитной колонии под углом к оси волочения наблюдалась их интенсивная переориентация относительно оси волочения. При этом наблюдались значительный изгиб цементитных пластин и их подверженность фрагментации. На основании моделирования установлены функциональные зависимости межпластиночного расстояния и утонения пластин цементита от степени деформации. Произведено сравнение расчетного значения механических свойств проволоки с реальным экспериментом. Результаты моделей были верифицированы посредством металлографических исследований.
Бесплатно
Компьютерное моделирование процесса прошивки в стане винтовой прокатки с бочковидными валками
Статья научная
Представлены результаты компьютерного моделирования процесса винтовой прошивки заготовки на стане с бочковидными валками и неподвижными направляющими линейками. Компьютерное моделирование производилось в программе QForm 3D, основанной на методе конечных элементов. Моделирование процесса винтовой прокатки позволило объяснить характер изменения напряженно-деформированного состояния центральной зоны металла при прокатке на двухвалковом прошивном стане за один полный оборот заготовки и объяснить разрушения в центральной зоне заготовки, являющейся основной причиной появления внутренних плен на гильзах и трубах. Разрушение центральной зоны заготовки происходит из-за действия осевых растягивающих напряжений. В результате компьютерного моделирования определено влияние оправки на характер напряженно-деформированного состояния центральной зоны заготовки. Наличие оправки резко снижает уровень растягивающих напряжений в центральной зоне заготовки по причине подпирающих сил, что в практике трубного производства приводит к увеличению прошиваемости заготовки и уменьшает или «заваривает» вскрытие осевой зоны металла. В данной работе также определено влияние коэффициента овализации и угла подачи на уровень осевых растягивающих напряжений в центральной зоне заготовки. Увеличение угла подачи увеличивает как растягивающие напряжения в заготовке, так и сжимающие перед торцем оправки. Поэтому необходимо процесс прошивки вести при условии, чтобы заготовка делала меньше одного оборота до встречи с торцом оправки, но не меньше 3/4 оборота, иначе возникнут проблемы с вторичным захватом. С увеличением коэффициента овализации увеличиваются растягивающие напряжения в центральной зоне заготовки. Полученные результаты моделирования соответствуют основным положениям теории обработки металлов давлением. Высокая достоверность результатов компьютерного моделирования позволяет осуществлять проверку разработанных калибровок прокатного инструмента и скоростных режимов без проведения дорогостоящих опытных прокаток.
Бесплатно
Статья научная
Разработан программный продукт, позволяющий моделировать процессы тепломассообмена при взаимодействии металлизованных окатышей и жидкой лигатуры заданного химического состава при формировании расходуемых электродов для электрошлакового переплава.
Бесплатно
Статья научная
При холодном прямом прессовании легкоплавких материалов разогрев металла и оснастки, вызванный деформационными процессами и контактным трением, является причиной снижения качества готовой продукции и потерей стабильности процесса. АО «Челябинский цинковый завод» совместно с кафедрой «Процессы и машины обработки металлов давлением» ЮУрГУ с 2019 года активно и успешно занимается разработкой и освоением технологии производства проволочного и пруткового припоя из сплава ПОИн-52. В настоящей работе, используя специализированный инженерный пакет QForm, провели компьютерное моделирование температурных режимов процесса прессования проволочного припоя из сплава ПОИн-52 диаметром 2,0 мм со скоростью прессования 0,5; 1,0 и 3,0 мм/с из заготовки диаметром 20 мм. По результатам компьютерного моделирования установлено, что скорость истечения металла из волоки, которая в свою очередь определяется скоростью прессования и коэффициентом вытяжки, оказывает существенное влияние на температурные условия процесса прессования. При изменении скорости прессования с 0,5 до 3 мм/с в процессе прессования проволоки Ø2,0 мм из заготовки Ø20 мм температура металла возрастает с 33,4 до 75,8 °С. Причем стоит отметить, что последовательное прессование четырех заготовок приводит к повышению температуры проволоки с 75,8 до 87 °С. Связано это с тем, что в процессе непрерывного прессования оснастка, а именно волока, разогревается и уже после четвертого цикла прессования ее средняя температура составляет около 45 °С. Средняя температура контейнера повышается при этом на 4 °С. После четвертого цикла дальнейшее повышение температуры как прессуемого металла, так и проволоки на исследуемом диаметре припоя прекращается и процесс стабилизируется.
Бесплатно
Конструкция теплового узла ростовой установки
Статья научная
Приведены результаты работ по проектированию и изготовлению теплового узла для резистивной ростовой установки для выращивания на воздухе при температуре до 1300 °С методом Степанова. При конструировании представленного элемента ростового оборудования были учтены все требования, предъявляемые к высокотемпературному оборудованию. Конструкция теплового узла показала свою работоспособность, а именно: обеспечение равномерности температурного поля, возможность с высокой точностью задавать температурный градиент, долговременная работа ростовой системы.
Бесплатно
Корундовые формы на алюмоборфосфатном концентрате в точном литье
Статья научная
Разработана технология изготовления керамических корундовых форм на алюмоборфосфатном концентрате. Эта технология является альтернативой этилсиликату и силикатным системам формообразования. Она позволяет улучшить комплекс физико-механических свойств керамических форм в литье по выплавляемым моделям. В результате улучшается качество точных отливок из сплавов химически активных металлов.
Бесплатно
Коэффициент диффузии хрома и ближний порядок в сплавах Fe-Cr
Статья научная
Показано, что зависимость коэффициента диффузии хрома от его содержания не согласуется с теорией Маннинга. Проведены расчеты энергии активации диффузии в зависимости от содержания хрома. Результаты сопоставлены с имеющимися экспериментальными данными.
Бесплатно
Статья научная
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.
Бесплатно
Криеталлохимические превращения в хромовых рудах массива Рай-Из при окислительном обжиге
Статья научная
Исследованы фазовые и химические изменения в хромовой руде массива Рай-Из в условиях окислительного обжига при температуре 1000 °С. Микрорентгеноспектральным анализом установлено изменение содержания элементов в хромшпинелиде и вмещающей породе. Исследована диффузия оксидов железа и магния из хромшпинелида во вмещающую породу магниевого силиката. Экспериментально установлено увеличение отношения Cr/Fe в хромшпенелиде в течение времени окислительного обжига, образование оливина и форстерита в исходном магниевом силикате.
Бесплатно
Локальная электроимпульсная обработка кристаллизующегося алюминиевого сплава
Краткое сообщение
Рассмотрен способ локальной обработки кристаллизующегося алюминиевого сплава марки АК7ч импульсным электромагнитным воздействием. Представлен вариант экспериментальной установки, позволяющей влиять электромагнитным полем на ход кристаллизации силумина в локальной области отливки.
Бесплатно
Магнитогорская школа качества (научный обзор)
Статья научная
Систематизированы основные достижения научно-педагогической школы по управлению качеством продукции и производственных процессов в металлургии Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. В цепочке технологического процесса металлургического производства продукции присутствует достаточно большой спектр технических операций и задача разработки методов выбора рационального технологического процесса на основе комбинирования различных операций ОМД является актуальной. Закономерным этапом исследования и решения таких задач стало открытие при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова диссертационного совета Д 212.111.05 по специальности 05.02.23 - Стандартизация и управление качеством продукции. Интегрируя исследования в сфере квалиметрии, менеджмента качества и совершенствования технологий, этот совет в России является единственным в области черной металлургии по развитию научных направлений: совершенствование связей взаимодействия системы «поставщик - разработчик - изготовитель»; научные основы стандартизации; квалиметрические методы оценки качества объектов и процессов управления качеством; методы анализа, синтеза и оптимизации, информационные модели состояния и динамики качества объектов. Все основные научные исследования магнитогорских ученых нашли применение на ведущих металлургических и машиностроительных предприятиях страны.
Бесплатно
Макро- и микроструктура лигносульфонатов в зависимости от основания варочной кислоты
Статья научная
Лигносульфонат как связующее для литейного производства встречается в 20-30-е гг. XX в. Сначала лигносульфонат котировался как отход целлюлозно-бумажного производства и считался заменителем масляных связующих, но отдельно лигносульфонат как связующее не оправдал надежды по замене масляных связующих из-за низких прочностных свойств, и А.М. Лясс в своей классификации отвел лигносульфонатам место в самом низу (Б-3). В основном лигносульфонат натрия самостоятельно как связующее не применяется, а используется лишь как добавка в смесь в виде водных растворов высокой плотности или сухого порошка. По объему применения в качестве связующих лигносульфонаты занимают в литейном производстве третье место после глины и жидкого стекла. Существует немало источников по описанию и объяснению сложной структуры лигносульфонатов. Исследование поведения формирующихся макромолекул в растворах важно не только для определения их молекулярных характеристик, но имеет важное значение как с теоретической, так и с практической точек зрения для регулирования свойств по вязкости и прочности, что находит широкое применение у специалистов нефтяной промышленности, кристаллографии, физической и коллоидной химии. Предпринята попытка на основании исследований перечисленных в статье авторов объяснить выявленные закономерности и прояснить структуру на основе расчетов по методике упаковки шаров. Но мало изучены процессы со стержневыми смесями, отверждаемыми без нагрева. Это позволяет тщательнее изучать как природу связующего, так и его связующие качества. Поиск путей улучшения связующей способности с модифицированным лигносульфонатом (при привитых активных группах на поверхности молекулы или при добавке другого компонента) позволят получить более качественное связующее и интенсифицировать процесс упрочнения.
Бесплатно
Статья научная
В случае если в теле при его нагреве или охлаждении происходит фазовый переход, процесс распространения в нем тепла претерпевает сильные изменения. В отличие от однокомпонентного металла, при охлаждении многокомпонентного сплава, при переходе через температуру ликвидус, энтальпия, плотность и коэффициент теплопроводности остаются непрерывными, но их производные и, в частности, теплоемкость терпит разрыв. При нагреве поверхности твердого цилиндрического тела из двухкомпонентного металлического сплава выше температуры ликвидус у поверхности возникает двухфазная зона, перемещающаяся к оси цилиндра. В работе предложен метод введения «эффективной» теплоемкости, позволяющая рассчитывать скорость движения этой зоны, а также температуру сплава в любой его точке и в любой момент времени. Использовалось обычное уравнение теплопроводности с переменными коэффициентами, которые, в данном случае, зависят от температуры. Жидкая, твердая и переходная зоны образца рассчитывались по одному и тому же уравнению, коэффициенты его рассчитывались по одному и тому же методу. Для каждой точки образца для каждой соответствующей температуры, рассчитывались доли жидкой и твердой фаз. В данной работе, для простоты, раствор считался совершенным. Удельный объем, коэффициент теплопроводности и удельная энтальпия рассчитывались как средневзвешенные от соответствующих величин для жидкого и твердого состояний. Удельная теплоемкость рассчитывалась как производная по температуре от энтальпии. Полученную систему дифференциальных уравнений сводили к конечно-разностным уравнениям. Для решения полученной системы разностных уравнений была разработана компьютерная программа. В статье приведены результаты одного из таких расчетов. Результаты работы могут быть интересны не только металлургам, но и метрологам при разработке теории самотестирующегося датчика температуры.
Бесплатно
Статья научная
В случае если в теле при его нагреве или охлаждении происходит фазовый переход, процесс распространения в нем тепла претерпевает сильные изменения. Поведение энтальпии, теплоемкости, плотности, коэффициента теплопроводности как функций температуры меняется сложным образом. Например, в сплаве с тройной эвтектикой при охлаждении выделяется сначала одна твердая фаза, затем вторая и, наконец, весь сплав кристаллизуется. При нагреве поверхности твердого цилиндрического тела из трехкомпонентного металлического сплава выше температуры ликвидус у поверхности возникают двух- и трехфазные зоны, перемещающиеся к оси цилиндра. В работе предложена методика введения «эффективной» теплоемкости, позволяющая рассчитывать скорость движения этой зоны, а также температуру сплава в любой его точке и в любой момент времени. Использовалось уравнение теплопроводности с переменными коэффициентами. Для каждой точки образца для каждой соответствующей температуры рассчитывались доли жидкой и всех твердых фаз. Удельный объем, коэффициент теплопроводности и удельная энтальпия рассчитывались как средневзвешенные от соответствующих величин для жидкого и твердого состояний. Удельная теплоемкость рассчитывалась как производная по температуре от энтальпии. Полученную систему дифференциальных уравнений сводили к конечно-разностным уравнениям. Для решения полученной системы разностных уравнений была разработана компьютерная программа. В статье приведены результаты одного из таких расчетов. Представленный метод может быть полезен металлургам (расчет прогрева деталей при термообработке, расчет прогрева кусков шихты в сталеплавильной печи), метрологам (самотестирующиеся датчики температуры) и другим.
Бесплатно
Математическая модель кинетики фазового перехода при нагреве поверхности цилиндрического тела
Статья научная
В случае если в теле при его нагреве или охлаждении происходит фазовый переход, процесс распространения в нем тепла претерпевает значительные изменения. При переходе через температуру ликвидус энтальпия, плотность и коэффициент теплопроводности как функции температуры претерпевают разрыв. При нагреве поверхности твердого металлического цилиндрического тела выше температуры его плавления у поверхности возникает жидкая фаза и соответствующая граница раздела фаз, перемещающаяся к оси цилиндра. В статье приведен вывод уравнений распространения тепла в теле, учитывающий, помимо фазового перехода, изменение размеров участков тела вследствие зависимости плотности от температуры. К полученной системе уравнений был применен метод выпрямления фронтов - были введены такие координаты, относительно которых поверхность раздела фаз является неподвижной. Полученную систему дифференциальных уравнений сводили к конечно-разностным уравнениям. Для решения полученной системы разностных уравнений была разработана компьютерная программа. В статье приведены результаты одного из таких расчетов. Разработанная методика позволяет рассчитывать скорость движения границы раздела фаз, а также температуру тела в любой его точке и в любой момент времени. Результаты работы могут быть интересны не только металлургам, но и метрологам при разработке теории самотестирующегося датчика температуры.
Бесплатно
Статья научная
Предложено математическое описание процесса образования и движения анионных вакансий при восстановлении металлов в комплексных оксидах с позиции диффузионных и тепловых процессов, протекающих в фазах восстановителя и оксида, а также химических реакций на поверхности раздела фаз. Рассмотрена система, состоящая из сферической частицы руды, находящейся в атмосфере газообразного восстановителя. Частица руды представляет собой гомогенный газонепроницаемый комплексный оксид следующего компонентного состава: O, Fe, Si, Mg. Газовая фаза состоит из двух компонентов - СО и СО2. Поверхность рудной частицы является непроницаемой для компонентов обеих фаз. Восстановитель не может проникать внутрь куска, и все обменные процессы протекают на границе раздела. Для фазы рудной частицы составлены уравнения теплопроводности, а также уравнения диффузии компонентов фазы. Для газовой фазы, окружающей частицу, также составлены уравнения теплопроводности и диффузии реагентов с учетом изменения размеров частицы. Для поверхности раздела получено уравнение теплопередачи, связывающее тепловые потоки из обеих фаз к поверхности раздела с тепловым эффектом химических реакций. Кроме того, получены уравнения массопереноса компонентов рудной фазы, связывающие удаление атомарного кислорода с поверхности раздела с подводом его к поверхности раздела из глубины рудной частицы. Составлены уравнения массопереноса компонентов газовой фазы, связывающие подвод реагентов к поверхности раздела фаз с расходом их на поверхности. Учтено влияние основных физико-химических параметров на скорость образования и движения восстановительных вакансий. Составлена математическая модель.
Бесплатно
Математическая модель процесса нейтрального выщелачивания и сгущения в производстве цинка
Статья научная
Рассматривается математическая модель процесса нейтрального выщелачивания и сгущения, основу которой составляют уравнения материального баланса. Разработана топологическая модель исследуемого объекта. Полученная модель, позволяющая определять расходы выходных материальных потоков процесса и их состав, реализована в вычислительной среде Simulink.
Бесплатно
Статья научная
Для процесса высокоэнергетического прессования графитопластовой композиции и определения давления рассмотрено взаимодействие частиц смеси между собой, а также их влияние на процесс уплотнения. Выявлены закономерности и построены эпюры кантатного взаимодействия, определены величины внешнего усилия, действующего по всей контактной поверхности. Рассмотрены изменения удельных усилий, действующих на поверхностях контакта между твердой и мягкой составляющими композиции в процессе прессования. Проанализированы известные методы оценки давления при прессовании, выявлены их недостатки для предлагаемой композиции «графит + смола». Выстроена методика моделирования процесса прессования согласно реологическим особенностям материала композиции. Определены методы решения задачи по заполнению мягкой составляющей пространства между твердыми компонентами смеси. Заданы схемы возможного уплотнения частиц смеси и выведены уравнения, позволяющие определить необходимое давление для графитопластовой композиции с разной компоновкой. Представлена схема формирования контактной поверхности при внедрении твердой в мягкую составляющую композиции. Выявлены основные факторы и установлены коэффициенты, влияющие на процесс уплотнения. Смоделирован процесс прессования графитопластовой композиции с использованием методов теории пластичности. Для решения объемной задачи применен метод суперпозиции процессов в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. Процесс прессования графитопластовой композиции условно разделен на два этапа. Определены допущения, которые заключаются в аппроксимации реальной формы контактирующих поверхностей упрощенными геометрическими формами: шаровой, цилиндрической, гиперболической, гиперболоидом вращения, параболической, эллиптической и др. Получены математические зависимости для определения давления, реализуемого при внедрении твердой составляющей в мягкую и при заполнении пространства между твердыми составляющими мягкой. Дана оценка энергоемкости высокоэнергетического процесса прессования графитопластовой композиции.
Бесплатно
Математическое моделирование обработки расплава порошковой проволокой
Краткое сообщение
Разработана универсальная математическая модель, с помощью которой можно анализировать тепловые процессы, происходящие при легировании, модифицировании и раскислении стали порошковой проволокой с различными видами компонентов в ходе внепечной обработки.
Бесплатно
