Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия
Все статьи: 866
Краткое сообщение
Описывается энергосберегающая технология, позволяющая повысить эффективность использования топливно-энергетических ресурсов при непрерывной разливке стали. Предлагается использовать теплоту расплава непрерывнолитого слитка, что позволит уменьшить или исключить его нагрев перед прокаткой. Для этого разработана математическая модель рационального охлаждения непрерывнолитого слитка в машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) с применением теплоизолирования в зоне воздушного охлаждения. Описываются материалы теплоизолирующего устройства и его конструктивное применение в технологической схеме МНЛЗ. Для расчета теплообмена между слитком и теплоизоляционным устройством совместно решены задачи охлаждения слитка и разогрева теплоизоляционной конструкции. Составлен тепловой баланс зоны теплоизолирования. Проанализировано взаимодействие тепловых потоков между слитком и теплоизолирующим устройством с помощью математического моделирования. По результатам моделирования можно сделать вывод о том, что при использовании зоны теплоизолирования затвердевание слитка происходит при скоростях до 1,3 м/мин. При более высоких скоростях вытягивания для полного затвердевания слитка перед порезкой необходимо увеличить интенсивность охлаждения в зоне вторичного охлаждения (ЗВО). Среднемассовая температура возрастает на 160-260 °С. По полученным данным можно сделать вывод: при использовании теплоизоляции происходит термостатирование слитка, разность температур между поверхностью и центром уменьшается на 100-220 °С по сравнению с воздушным охлаждением, т. е. экономия теплоты составляет около 30 %.
Бесплатно
Расчет трещиноустойчивости стали 20ХЛ
Статья научная
Трещиноустойчивость стали характеризует запас технологической прочности при охлаждении отливки как превышение напряжениями временного сопротивления разрыву вследствие усадки при различных скоростях охлаждения. Испытания проводили на комплексе физического моделирования термомеханических процессов Gleeble System 3800 при температурах от 1300 до 20 °С, причем образец сначала нагревали до 1300 °С, а затем охлаждали до заданных температур с разными скоростями, после чего проводили испытания на растяжение. Исследования выполнены для стали 20ХЛ при различных скоростях охлаждения. Проведены дилатометрические исследования и найдены критические точки структурных превращений при охлаждении стали 20ХЛ. Выполнены высокотемпературные испытания на установке Gleeble System 3800 на растяжение и определены предел прочности, модуль упругости при температурах до 1300 °С. Проведены испытания на релаксацию и представлены результаты роста напряжений вследствие усадки при различных скоростях охлаждения для защемленного образца, который моделирует условие полного торможения усадки. При изменении размеров кристаллической решетки в переходной зоне при распаде аустенита происходит снижение напряжений. Таким образом, опасными температурами для образования трещин являются температуры начала усадки, начало феррито-перлитного превращения и комнатная температура. Соответственно, запас технологической прочности, то есть трещиноустойчивость стали, возрастает в переходной зоне, а затем снижается в феррито-перлитной зоне. Наивысшие значения напряжений возникают в образцах из двухфазной стали 20ХЛ при двух температурах: температуре начала фазового превращения (tн(γ→α)) и комнатной температуре (20 °С). Однако их уровень не превышает временное сопротивление разрыву σв (t).
Бесплатно
Расчет физико-химического взаимодействия титановых сплавов с материалами литейной формы
Статья научная
Термохимическая инертность форм - одно из основных условий получения качественных отливок из титановых сплавов. Применяемые в литейном производстве огнеупорные формовочные и связующие материалы активно взаимодействуют с титаном. Поэтому термохимическая стойкость форм может быть повышена выбором наиболее инертных по отношению к титану исходных формовочных и связующих материалов и разработкой оптимального технологического процесса. Для оценки возможности взаимодействия титана при заливке в формы с формовочными материалами Al2O3, ZrO2, Y2O3 и связующими на основе SiO2 рассмотрены основные вероятные реакции и рассчитаны изменения изобарно-изотермического потенциала (энергия Гиббса). Рассматривалось протекание реакций при температуре 1700 °С (температура плавления 1668 °С), при условии, что титан находится в жидком состоянии. Исходя из расчетных значений ΔZ (ΔG) рассмотренных реакций показано, что реакция восстановления титаном оксида иттрия, циркония и алюминия термодинамически невозможна. В условиях России экономически неоправданно использование в качестве формовочных материалов окислов иттрия и циркония для получения оболочковых форм при литье титановых сплавов. Появление же альфированного слоя на отливках титановых сплавов при использовании связующего на основе SiO2 вызвано, как показали термодинамические расчеты, протеканием реакций с образованием алюмосиликатов, ухудшающих химическую стойкость формы и ее огнеупорность. Для получения качественных отливок из титановых сплавов экономически целесообразно использование оболочковых форм на основе электрокорунда с обязательной заменой связующих на основе SiO2 на алюмозоли.
Бесплатно
Расчет химических потенциалов компонентов наночастиц
Статья научная
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.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена оценке возможности современных инженерных компьютерных технологий для оперативной численной оценки параметров сварочного процесса, влияющих на образование холодных трещин в зоне термического влияния (ЗТВ). Холодные трещины являются типичным дефектом сварных соединений среднелегированных и высоколегированных сталей. Широкое распространение компьютерных средств позволяет применять вычислительные возможности MathCAD для решения технологических вопросов на основе классической модели тепловых сварочных процессов. Установлено, что наибольшие значения мгновенной скорости охлаждения в зоне термического влияния возникают на границе оплавления, причем по мере снижения погонной энергии происходит увеличение мгновенных скоростей охлаждения. Поэтому образование холодных трещин (отрывов) между швом и ЗТВ обусловлено в значительной степени образованием закалочных структур. При увеличении погонной энергии в 10 раз ширина зоны оплавления возрастает примерно в 3 раза, а мгновенная скорость охлаждения снижается на порядок, что позволяет предотвращать образование холодных трещин путем выбора режимов с увеличенной погонной энергией. Увеличение погонной энергии режима сварки в 10 раз ведет к десятикратному увеличению продолжительности и трехкратному увеличению ширины зоны перегрева, что снижает прочностные характеристики металла и потому ограничивает возможности регулирования погонной энергии для снижения величины мгновенной скорости охлаждения. На периферии ЗТВ, где максимальная температура не превышала 150 °С, низкие мгновенные скорости охлаждения не могут явиться причиной образования закалочных структур, поэтому основными причинами образования холодных трещин в указанной зоне являются остаточные сварочные напряжения или диффундирующий водород. При разных значениях погонной энергии наблюдаются устойчивые соотношения радиус-векторов с соответствующими им изотермами, что может быть использовано на практике для оценки размеров ЗТВ в зависимости от ширины сварного шва. Использование вычислительных возможностей MathCAD позволяет в оперативном порядке оптимизировать режим сварки с тем, чтобы предотвратить образование холодных трещин и исключить перегрев металла в зоне термического влияния.
Бесплатно
Расчетная оценка локального индентирования сэндвич-панели
Статья научная
Представлен анализ локального индентирования сэндвич-структур с тонкими ортотропными обшивками и сотовым заполнителем. Индентирование рассматривается в качестве первого приближения процесса поглощения энергии при низкоскоростном ударном нагружении сэндвич-панелей. Использование ортотропной схемы позволяет обобщить анализ для исследования механического поведения изотропной металлической сэндвич-панели. В общем случае энергия рассеивается в результате локального индентирования обшивки и общего изгиба сэндвич-панели. При ударе вблизи места закрепления панели реализуется механизм локального индентирования. Для его описания разработана аналитическая модель, использующая допущения об идеальном упруго-пластическом поведении сжимаемого сотового заполнителя и мембранном поведении тонкой ортотропной обшивки при индентировании. Дополнительное упрощение реальной гладкой формы деформированной поверхности ортотропной обшивки сэндвич-панели кусочно-линейной поверхностью в зоне локального трансверсального нагружения дает возможность получить расчетные соотношения, позволяющие оценить напряженно-деформированное состояние и прочность панели при индентировании на значительную глубину. Экспериментальная проверка аналитической модели выполнена на двух видах сэндвич-панелей, имеющих различные типы слоистых обшивок: из однонаправленного углепластика с укладкой слоев [45/-45]s или тканевого арамидного пластика(укладка слоев [0/90]). Обе структуры имели сотовые заполнители, выполненные из пропитанной связующим бумаги типа Nomex или одного слоя стеклоткани. Длина стороны ячейки составляла 2,5 мм. Испытания проведены на INSTRON 5882 (машина для квазистатических испытаний) с использованием навесного экстензометра и программного обеспечения Bluehill2. Для получения механических характеристик обшивок проведены испытания на квазистатическое растяжение образцов, вырезанных из сэндвич-панели. Результаты анализа находятся в хорошем соответствии с полученными экспериментальными данными и могут быть использованы при оценке энергии удара, поглощенной панелью, путем интегрировании расчетных кривых «локальная нагрузка - перемещение».
Бесплатно
Статья научная
Энергосиловые параметры процесса волочения зависят от таких технологических факторов, как механические свойства обрабатываемого материала, склонность его к упрочнению при холодной деформации, единичная степень деформации, коэффициент трения на контакте «металл - волока», конструктивные параметры волоки, скорость волочения. От точности определения энергосиловых параметров зависит стабильность (безобрывность) процесса, эффективная и безаварийная загруженность волочильной машины, обоснованность выбора волочильного оборудования при проектировании производственных линий. В настоящей статье разработана методика расчета энергосиловых параметров процесса волочения в монолитных волоках на прямоточных волочильных машинах. Предложенная методика расчета усилия волочения проволоки позволяет учитывать упрочнение при холодной пластической деформации обрабатываемого сплава, параметры очага деформации при монолитном волочении, а именно степень деформации, рабочий полуугол волоки, трение на контакте «металл - волока». Определение скорости волочения осуществляется из особенностей процесса волочения на машинах прямоточного типа, т. е. повышение скорости волочения от прохода к проходу осуществляется на величину коэффициента вытяжки в волоке. Мощность, потребляемая электродвигателями каждого тянущего барабана, определяется усилием волочения и линейной скоростью волочения в данном проходе. Экспериментальная проверка методики определения усилия волочения, проведенная на автоматизированном лабораторном волочильном стане, показала ее адекватность. Ошибка между расчетными и экспериментальными значениями усилия волочения не превышала 12 %, что допустимо при выполнении оценочных расчетов энергосиловых параметров процесса волочения проволоки. Предложенная методика расчета энергосиловых параметров процесса волочения проволоки в монолитных волоках на станах прямоточного типа может быть полезна при анализе и корректировке действующих маршрутов волочения проволоки, оценке эффективности использования волочильных машин, при выборе и проектировании нового волочильного оборудования, разработке технологии изготовления проволоки.
Бесплатно
Расчеты стандартных энтальпий и энергий Гиббса образования карбидов хрома произвольного состава
Статья обзорная
Бесплатно
Статья научная
Проведено исследование пластического течения материала в процессе осадки в подкладных кольцах при изменении условий контактного трения посредством различных видов смазки в рамках расширения технологических возможностей процесса для реализации возможности изготовления более широкой номенклатуры поковок. Исследована зависимость формоизменения при комбинированном трении образцов для увеличения степени выдавливания ступицы и снижения величины бочкообразности для снижения нормы расхода и возможности снижения величины припуска на ковку. Установлено, что при увеличении коэффициента контактного трения посредством нанесения смазки на торец кольца и снижении значения трения в полости инструмента увеличивается степень выдавливания ступицы. Определено, что увеличение контактного трения на поверхности кольца снижает скорость роста диаметра критической поверхности и способствует более благоприятному заполнению ступицы поковки, тем самым увеличивая технологические возможности операции. Проведение экспериментальных исследований проводилось на свинцовых образцах. В качестве смазки использовалось мыло, мел, солидол. Суть эксперимента заключалась в увеличении коэффициента трения посредством нанесения фрикционной смазки на верхний торец подкладного кольца и нанесении антифрикционного материала во внутреннюю полость кольца. Наиболее приемлемые результаты получила комбинация смазок «мел - мыло», которая позволила увеличить величину ступицы поковки на 10,8 %. Безусловно, что применение мыла в условиях горячей обработки металлов невозможно, однако данный эксперимент был проведен с целью изучения возможности расширения технологических возможностей процессов ковки. Также данная технология применима для процессов как листовой, так и объемной штамповки. Помимо применения смазки предлагается использование процессов селективной лазерной наплавки антифрикционных материалов. Данный метод позволяет уже управлять величиной контактного трения непосредственно для горячих процессов штамповки и ковки.
Бесплатно
Рафинирование и модифицирование сплавов рециклинговыми наноструктурированными материалами
Статья научная
Современный этап развития металлургии связан с созданием эффективных материало- и энергосберегающих технологий, обеспечивающих комплексное использование сырья. В этом отношении представляется перспективным использование в процессах подготовки литейных сплавов рециклинговых наноструктурированных материалов, таких как высокодисперсный алмазный порошок, являющийся сопутствующим продуктом при получении искусственных алмазов, и мелкофракционные отходы производства электродов. В результате исследований разработаны способы рафинирования и модифицирования чугуна и алюминиевых сплавов указанными материалами. Разработанный способ рафинирования и модифицирования чугуна позволяет устранить пироэффект и повысить физико-механические свойства отливок за счет измельчения зерна и уменьшения склонности к отбелу при кристаллизации расплава. Модифицирование алюминиевых сплавов тугоплавкими частицами наноструктурированного алмазного порошка приводит к измельчению структурных составляющих, в том числе создаются условия для диспергирования упрочняющих интерметаллидов при последующей термообработке таких отливок. В результате существенно улучшаются литейные свойства сплава и физико-механические характеристики отливок. Разработанные способы рафинирования и модифицирования сплавов могут быть использованы в отечественных и зарубежных литейных цехах при изготовлении продукции для нужд машиностроения, металлургии, авиации и других областей промышленности.
Бесплатно
Рафинирование стали вдуванием порошкообразных материалов
Статья научная
Приведены результаты применения разработанной комплексной технологии рафинирования конструкционных легированных сталей ответственного назначения вдуванием порошкообразных материалов в дуговой печи и в ковше для глубокой дефосфорации, десульфурации и корректировки по содержанию углерода. Сформулированы основные положения технологии глубокой дефосфорации металла, включающие состав, расход и гранулометрию дефосфорирующей смеси, состав и температуру металла, положение фурмы и интенсивность вдувания, обеспечивающей за 5-6 мин вдувания смеси в струе кислорода снижение концентрации фосфора до следов и получение его в готовом металле не более 0,005 %. Последующая глубокая десульфурация стали достигается вдуванием в струе аргона порошкообразной смеси в ковше. Рассмотрено влияние состава и расхода десульфурирующей смеси на полноту удаления серы. Введение в шлаковую смесь извести и плавикового шпата высокоактивных реагентов (сплавов кальция и алюминия) значительно повышает скорость и степень десульфурации, обеспечивая за короткое время продувки содержание серы в стали на уровне 0,002 %. Показано, что при вдувании порошка кокса успешно решается проблема корректировки стали по содержанию углерода, что особенно важно при плавке стали в высокомощных дуговых печах. Применение комплексной технологии обработки стали вдуванием порошкообразных материалов в печи и ковше обеспечивает получение в готовом металле стабильно низких содержаний фосфора (≤ 0,005 %), серы (≤ 0,003 %) и неметаллических включений.
Бесплатно
Рациональные способы интенсификации плавки в современных дуговых сталеплавильных печах
Статья
Бесплатно
Ремонт и восстановление кристаллизаторов МНЛЗ
Краткое сообщение
Статья посвящена обзору процессов ремонта и восстановления медных плит кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Приведено краткое техническое описание данного элемента машины. Рассмотрены основные виды кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовки, а также материалы, из которых они изготавливаются. Приведены основные физико-механические требования, предъявляемые к материалу и техническим характеристикам медных плит кристаллизаторов МНЛЗ. Статья содержит основные ГОСТы и ТУ на марки сплавов медных плит. Также приведены зарубежные аналоги материалов, из которых изготавливаются кристаллизаторы МНЛЗ. Подробно описаны причины возникновения и характер износа рабочей поверхности кристаллизаторов. Также рассмотрены основные виды дефектов, в результате которых данный элемент машины снимается с установки и отправляется на ремонт. Отмечены два основных способа ремонта (восстановления) медных плит кристаллизаторов МНЛЗ. Перечислены самые распространенные варианты композиций восстановленного медного слоя и комбинированных защитных покрытий. Отдельное внимание уделено процессам хромирования и никелирования, кратко описаны преимущества и недостатки этих видов покрытий. Также рассмотрены различные конфигурации защитных покрытий. Рассмотрен метод создания на рабочих поверхностях кристаллизаторов МНЛЗ защитных покрытий ступенчатой и конической конфигурации посредством гальваностегии. На основании изучения приведенного в статье материала сделаны выводы о перспективах развития технологий ремонта и восстановления рабочей поверхности кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок.
Бесплатно
Рентгенографическое исследование дефектов упаковки и двойников в сплавах железа и цементите Fe3C
Статья научная
Разработан и использован в данном исследовании простой геометрический метод анализа картины дифракции рентгеновских лучей на кристаллах с произвольной атомной решёткой, содержащих дефекты упаковки и тонкие пластины микродвойников. Представленная теория дифракции учитывает эффект изменения межплоскостного расстояния вдоль линии пересечения рассматриваемой плоскости с дефектом упаковки или микродвойником. Такой подход существенно упрощает анализ дифракционных эффектов и их суммирование при переходе к поликристаллическим объектам. Подробно изучены размеры микродвойников и истинных блоков мартенситных кристаллов сплавов Fe-Ni, содержащих от 10 до 33 % Ni. При этом обнаружилось совпадение данных о толщинах микродвойников, полученных из дифракционного анализа и посредством электронной микроскопии. Предложена модель дефекта упаковки в плоскости (001) цементита, рассмотрена теория дифракции и приведены результаты определения концентрации дефектов упаковки по анизотропии уширения рентгеновских дифракционных максимумов. Рассмотренную теорию можно использовать для анализа экспериментальных картин дифракции, а также для дальнейшего развития методов дифракционных исследований структуры металлов и сплавов.
Бесплатно
Реология графитопластовых композиционных материалов
Статья научная
Реологические методы решения технологических задач нашли свое применение в металлургии, в производстве полимеров, строительных и других материалов уже в середине прошлого века. В основе методов лежат зависимости между напряжениями и деформациями или скоростями деформаций в процессах нагружения материалов. Большое значение для понимания особенностей структурно-механических свойств порошковых графитопластовых композиционных материалов имело обстоятельное изучение различных пластичных систем, проведенное в смежных отраслях техники. Широкое развитие получила реология, которая занимается изучением деформаций и течения дисперсных систем, к которым, в частности, относятся порошковые графитопластовые композиционные материалы. Без использования методов реологии невозможно оценить структурно-механические свойства порошков графитопластов, которые в связи с этим часто называют реологическими свойствами. В настоящее время в результате многочисленных исследований советских и зарубежных ученых созданы четкие представления о структурно-механических свойствах порошков графитопластов и разработаны научно обоснованные методы их исследования. К сожалению, до настоящего времени в отечественной технической литературе отсутствуют сведения о реологии композиционных материалов на основе углерода. В статье представлены результаты изучения реологии графитопластовых композиционных материалов.
Бесплатно
Ресурсосберегающая технология изготовления бессвинцового припоя экструзией
Статья научная
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 Ø8,0 и Ø15,0 мм и проволоки Ø2,0 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 Ø2,0 мм с намоткой на катушки и 150 кг пруткового Ø8,0 мм для АО «Челябинский цинковый завод».
Бесплатно
Ресурсосберегающая технология редуцирования горячепрессованных труб
Статья научная
Обоснована задача проектирования ресурсосберегающей технологии редуцирования горячепрессованных труб. Представлены результаты экспериментальных исследований в лабораторных условиях, выполненных с целью установления факторов, оказывающих существенное влияние на длину утолщенных концов. Проведено опытно-промышленное освоение новой технологии.
Бесплатно
Ресурсосберегающая технология формообразования для литья жаропрочных сплавов
Статья научная
При производстве отливок из сплавов химически активных металлов широко используют керамические корундовые формы на гидролизованном растворе этилсиликата, которые обладают недостаточной инертностью к заливаемым сплавам. Это связано с наличием в форме высокого содержания свободного кремнезема, являющегося в условиях вакуума сильным окислителем таких компонентов сплава как алюминий и титан. Для решения указанной проблемы предложено использование в качестве бескремнеземного связующего керамических корундовых форм алюмоборфосфатного концентрата, химически отверждаемого периклазом. Использование комбинации указанных формовочных материалов позволяет не только обеспечить химическую инертность форм, но и управлять самим процессом формообразования. Разработанная технология обеспечивает ускорение цикла изготовления форм в 4…6 раз, повышение прочности формооболочек, снижение себестоимости литья из жаропрочных сплавов. Это создает условия для значительного улучшения качества и повышение экономической эффективности изготовления точных отливок из химически активных металлов и сплавов.
Бесплатно
Ресурсосберегающие принципы в литейном производстве
Краткое сообщение
Рассмотрены предпосылки развития литейного производства с позиции ресурсосбережения, проведен анализ литейного технологического процесса и определены принципы эффективного производства отливок.
Бесплатно
