Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия
Все статьи: 880
Фазовые равновесия в жидкой стали при введении церия
Статья научная
Рассмотрены термодинамические аспекты процессов раскисления стали сплавами, содержащими церий. На основании данных о теплотах и температурах плавления в приближении теории совершенных растворов был установлен вид диаграмм состояния систем FeO-Ce 2O 3, FeO-CeO 2, CeO 2-Ce 2O 3. Построена поверхность растворимости церия, кислорода и углерода в жидком железе. Установлено, что включения CeO 2 могут появляться в стали при супернизких концентрациях церия и высоком содержании кислорода. При обычных концентрациях, достигаемых при вводе церия в металл (200-300 г/т), в качестве неметаллических включений возможно образование либо комплексных оксидных расплавов, либо Ce 2O 3.
Бесплатно
Фазовые равновесия в системе Fe-Fe3O4-Fe2SiO4
Статья научная
Определены условия моновариантных равновесий в системе железо - магнетит -фаялит при температурах 1100-1300 К.
Бесплатно
Фазовые равновесия в системе Fe-Sr-Ba-O-С
Статья научная
В данной работе выполнено термодинамическое моделирование фазовых равновесий в системе Fe-Sr-Ba-O-С, построены поверхности растворимости компонентов в жидком металле. Изучено влияние температуры (1550 и 1600 °С) и содержания углерода ([C] = 0; 0,1 мас. %) на строение ПРКМ. При проведении расчетов использовали теорию субрегулярных ионных растворов для расчета активностей компонентов оксидного расплава, теорию регулярных ионных растворов для расчета активности компонентов твердого раствора оксидов, параметры взаимодействия первого порядка для расчета активностей компонентов металлического расплава. Термодинамический анализ показал, что наиболее вероятными продуктами реакции раскисления расплава барием и стронцием являются твердые растворы |SrO, BaO|. Из расчетов видно, что барий практически не участвует в процессе раскисления (содержание BaO в твердом растворе колеблетcя от 10-2 до 10-3, а в оксидном расплаве - сотые доли). Низкая растворимость стронция и особенно бария в жидком железе предопределяет невысокую раскисляющую и высокую модифицирующую способность комплекса Ba-Sr. В дальнейшем необходимо проводить исследование поведения этих элементов в сочетании с кальцием, алюминием и кремнием.
Бесплатно
Фазовые равновесия в системе Hg-Se при вакуумной дистилляции
Статья научная
Одним из возможных способов рекуперации компонентов из Hg-Se сплава, образующегося при переработке медеэлектролитного шлама, является вакуумная перегонка. Объект исследования: Hg-Se сплавы состава, моль %: 0,01-99,99 Hg; 99,99-0,01 Se, образование которых возможно в процессе переработки медеэлектролитного шлама при получении товарного концентрата селена. Цель работы: расчет равновесных состояний «газ - жидкость» VLE (vapor liquid equilibrium), включая зависимости состава фаз от температуры (Т - х) и давления (Р - х) для Hg-Se сплава при вакуумной перегонке. Используемые методы и подходы. Расчет коэффициентов активности компонентов Hg-Se сплава выполнен с помощью упрощенной версии объемной модели молекулярного взаимодействия simple molecular interaction volume model (SMIVM). Для предварительного выбора температуры и давления системы, оценки эффективности разделения компонентов при вакуумной перегонке используют фазовые диаграммы температуры (Т - х) и давления (Р - х). Новизна: расчет коэффициентов активности с использованием упрощенной версии модели SMIVM. Основные результаты. В интервале температур 823-1073 К рассчитаны давления насыщенного пара для Hg (pHg* = 1,418•106-1,046•107 Па) и Se (pSe* = 1,42•104-3,66•105 Па). Высокие значения соотношения pHg*/pSe* = 100,2-28,6 и коэффициента разделения lgβHg = 2,73-1,01 создают теоретические предпосылки для селективного выделения этих металлов вакуумной дистилляцией, когда ртуть обогащается в газовой фазе (βHg > 1), а селен - в жидкой. Мольная доля селена в газовой фазе уSe = 0,553-1,43•10-12 уменьшается со снижением температуры 1073-823 К и мольной доли элемента в сплаве хSe = 0,99-0,01. Для границы раздела фаз «жидкость - газ» Hg-Se сплава определены значения изменения избыточных энергии Гиббса, энтальпии и энтропии -ΔGmE = 0,8-3,0 кДж/моль; -ΔHmE = 1,86-5,39 кДж/моль; -ΔSmE = 0,99-2,94 Дж/моль•К. Практическая значимость: сокращение количества трудоемких и дорогостоящих установочных опытов при переработке Hg-Se композиций для оптимизации значений температуры и давления процесса вакуумной дистилляции с целью получении Sе-содержащих продуктов заданного состава.
Бесплатно
Фазовые равновесия в системе Pb-Ag при пирометаллургической возгонке
Статья научная
При переработке свинца образуется серебристая пена (СП), требующая комплексной переработки с получением товарных моноэлементных продуктов. Одним из возможных способов рекуперации СП является вакуумная перегонка, считающаяся одним из самых эффективных и экологически чистых методов для разделения и очистки, переработки и рафинирования различных металлов. Для предварительного выбора температуры и давления системы, оценки эффективности разделения компонентов при вакуумной перегонке используют фазовые диаграммы. Цель работы состоит в расчете равновесных состояний «газ - жидкость» VLE (vapor liquid equilibrium), включая зависимости состава фаз от температуры (Т-х) и давления (р-х) для Pb-Ag сплава при вакуумной перегонке на основе модели MIVM (мolecular interaction volume model). В интервале температур 1073-1773 К рассчитаны давления насыщенного пара для Pb (1,5.10-1-4,86•102) и Ag (5,1•10-5-6,6). Высокие значения соотношения р*Pb / р*Ag = = 2,9•103-74 и коэффициента разделения βPb = 1,8-3,9 создают теоретические предпосылки для селективного выделения этих металлов вакуумной дистилляцией, когда свинец обогащается в газовой фазе (βPb > 1), а серебро - в жидкой. Мольная доля свинца в газовой фазе уPb = 0,878-0,999 увеличивается с ростом температуры 1073-1773 К и мольной доли металла в сплаве хPb = 0,1-0,9. С использованием модели MIVM рассчитаны коэффициенты активности свинца γPb = 0,474-0,999 и серебра γAg = 0,331-0,999 для Pb-Ag сплава различного состава в исследованном температурном диапазоне. Для фазовых диаграмм VLE может быть использовано правило рычага (правило отрезков) для прогнозирования количества вещества, остатков и возгонов при заданной температуре. Для границы раздела фаз «жидкость - газ» Pb-Ag сплава определены значения избыточных энергии Гиббса, энтальпии и энтропии: GmE = 0,01-1,34 кДж/моль; -HmE = 0,32-1,53 кДж/моль; SmE = 0,52-1,65 кДж/моль•К. Фазовые диаграммы VLE сплавов обеспечивают необходимой информацией для проектирования технологических параметров промышленного производства вакуумной металлургии, а также для прогнозирования необходимого состава Pb-Ag сплава в зависимости от температуры и давления в процессе вакуумной перегонки.
Бесплатно
Фазовые равновесия при взаимодействии бария с компонентами жидкой стали
Статья научная
Выполнен термодинамический анализ процессов финишного раскисления стали барием, магнием и алюминием. Установлено, что образующиеся включения даже при малых концентрациях бария, алюминия и магния являются, скорее всего, тугоплавкими и мелкими, что может привести к модифицированию жидкой стали, блокированию роста первичного литого зерна, снижению анизотропии и повышению технологической пластичности. Эффект модифицирования может быть усилен за счет снижения добавками бария межфазного натяжения при протекании в стали гетерогенных реакций.
Бесплатно
Фазовые равновесия, реализующиеся в системе Al-Mg-O в условиях существования металлического расплава
Статья научная
Представлены результаты расчета поверхности растворимости компонентов в металле для системы Al-Mg-O. Результаты расчетов сопоставлены с собственными и литературными экспериментальными данными.
Бесплатно
Статья
Бесплатно
Статья научная
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 также 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 программе 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.
Бесплатно
Физико-химические характеристики высокомагнезиальных сидеритов
Статья научная
В статье особое внимание уделено рассмотрению возможности применения сидеритовой железной руды Бакальского месторождения Челябинской области в качестве комплексного материала охладителя-флюса для частичной замены металлического лома, а также - шлакообразующего материала. Применение этого материала благоприятно влияет на выход жидкого полупродукта и повышение стойкости футеровки сталеплавильных агрегатов. Проведена количественная оценка влияния сидерита на технологические параметры выплавки стали в конвертере в условиях ККЦ ОАО «ММК». Расчет проводился по модернизированной математической модели, созданной в среде Microsoft Excel, в основу которой была положена система балансовых уравнений, решаемых совместно методом итераций. Рассчитаны охлаждающие эффекты различных материалов, которые использовались на плавку: 1 % магнезиального флюса-охладителя от массы металлошихты (4 т) снижает температуру металла на 37 °С, в то время как известняк - на 28 °С, сырой доломит - на 31 °С, ожелезненный доломит и лом - на 14 °С. По охлаждающему эффекту 1 т магнезиального флюса-охладителя заменяет 2,6 т металлического лома, или 1,3 т известняка. Изучены на синхронном термоаналитическом приборе STA (Iupiter 449 F3) фирмы NETZSCH теплофизические свойства комплексного магнезиального флюса-охладителя (сидеритовой руды) при его применении при выплавке стали. Уточнены последовательность и температуры начала декарбонизации основных минералообразующих компонентов магнезиального флюса-охладителя. (МnСО3 - 370 °С, FеСО3 - 410 °С, МgСО3 - 670 °С, СаСО3 - 970 °С).
Бесплатно
Физико-химические явления при приготовлении и уплотнении графитопластовых смесей
Статья научная
Изучены теоретически и экспериментально, в том числе в условиях промышленного предприятия«Графитопласт» (г.Челябинск), технологические процессы приготовления графитопластовых порошковых смесей и уплотнения этих смесей при формовании из них изделий в пресс-формах.Процесс приготовления графитопластовых порошков смесей включает такие основные операции, как измельчение искусственного графита и связки в виде частиц фенолформальдегидной смолы новолачного типа, содержащей отвердитель в виде частиц уротропина. Графитопластовая смесь - это многофазная порошковая полидисперсная композиция наполнителя и связки. Процесс ее приготовления сопровождается протеканием явления гомогенизации, приводящего к созданию устойчивой во времени однородной структуры в двухфазной системе графит - смола, а также явлением адсорбции смесью газов и паров. Поскольку операция смешивания экзотермична, то при ее завершении имеет место явление термодесорбции газов и паров.Процесс уплотнения полученной смеси, выполняемый прессованием в нагретой пресс-форме при заданных силовых и кинематических условиях, включает операции заполнения смесью матрицы пресс-формы, нагрев смеси до температуры 150-170 °С, формование ее пуансоном при скорости 15-30 мм/с и удельном давлении 30-40 МПа, выдержку прессовки под давлением в течение 3-5 мин. К явлениям, имеющим место при уплотнении, относятся: термодесорбция газов и паров, совмещение жидкой смолы с уротропином, полимеризация смолы, смачивание расплавом смолы частиц графита и отверждение прессовки. Наиболее важными, определяющими физико-химические свойства полученных изделий, следует считать явления полимеризации, заключающиеся в образовании высокомолекулярного полимера из смолы путем многократного присоединения низкомолекулярных олигомеров к активным центрам, явления смачивания, заключающиеся в полярной химической связи частиц графита с расплавом смолы.
Бесплатно
Статья обзорная
Бесплатно
Физическая интерпретация теории восстановления / окисления металлов
Статья научная
Изложена физическая концепция теории восстановления металлов в оксидах, в основе которой лежит обмен электронами между восстановителем и восстанавливаемыми катионами. Показано, что восстановление может происходить в объёме оксида в окружении металла анионами кислорода, для протекания процесса не требуется ни подвод восстановителя к месту выделения металлической фазы, ни отвод оттуда продуктов реакции. Образование металлической фазы происходит путём постепенной трансформации ионной химической связи в металлическую, минуя стадию образования атомов металла. Выделение новой фазы не испытывает затруднений, обусловленных межфазным натяжением, а её рост не вызывает деформации кристаллической решётки оксида. На основе развиваемой концепции с единых позиций объяснены все наблюдаемые варианты восстановления. Показана принципиальная разница в механизме образования металлической фазы в оксиде и оксидной фазы в металле при полной аналогии процессов перераспределения электронов между металлом и восстановителем, металлом и окислителем.
Бесплатно
Физические свойства рафинировочных шлаков
Статья научная
Приведены результаты исследования зависимости плотности, молярного объема и поверхностного натяжения сталеплавильных рафинировочных шлаков, формируемых на основе систем CaO - Al 2O 3 - CaF 2 (до 25 % CaF 2) и CaO - (SiO 2 + Al 2O 3) - Na 2O (до 20 % Na 2O), от химического состава, температуры и соотношения различных компонентов шлака. В шлаках CaO - Al 2O 3 - CaF 2 при замене оксида кальция его фторидом плотность расплавов снижается, а замена оксида или фторида кальция оксидом алюминия увеличивает плотность, причем в последнем случае содержание в расплаве оксида кальция практически не влияет на плотность при одинаковых отношениях Al 2O 3 / CaF 2; для всех составов наблюдаются положительные отклонения молярного объема от аддитивного, составляющие ~ 10-12 %. Замена оксида кальция фторидом приводит к снижению значения поверхностного натяжения расплава, тем большему, чем ниже содержание Al 2O 3. Замена фторида кальция оксидом алюминия, напротив, увеличивает поверхностное натяжение шлака. При этом содержание оксида кальция практически не влияет на величину поверхностного натяжения при одинаковых отношениях Al 2O 3 / CaF 2. В системе CaO - (SiO 2 + Al 2O 3) - Na 2O при неизмененном содержании оксида натрия увеличение отношения CaO / (SiO 2 + Al 2O 3) приводит к снижению плотности расплава, тем более заметному, чем меньше в нем содержание Na 2O; увеличение содержания оксида натрия снижает плотность расплавов. Относительный избыточный молярный объем расплавов может быть как отрицательным, так и положительным в зависимости от структурных изменений в шлаке.
Бесплатно
Физическое и компьютерное моделирование формоизменения задних концевых участков труб
Статья научная
Для расширения сортамента производимых труб и повышения производительности на современных трубопрокатных агрегатах применяют редукционно-растяжные станы. Однако характерной особенностью при редуцировании труб с натяжением является образование утолщенных концов. Это явление связано с тем, что передний и задний концы подвергаются формоизменению в условиях, отличных от деформации средней части трубы. Характер изменения толщины стенки на концах труб определяет длину и массу концевой обрези, что в значительной мере определяет экономические показатели всего трубопрокатного агрегата в целом. В данной работе с помощью физического и компьютерного моделирования процесса редуцирования труб в одной клети исследовано влияние параметров прокатки на длину утолщенных концов. Для всестороннего исследования процесса редуцирования необходимо учесть большинство факторов, таких как овальность калибра, уровень натяжения, степень деформации, степень тонкостенности и др. Часть из этих факторов, например влияние межклетьевого заднего натяжения по раскату, лучше реализовывать при физическом моделировании, а часть факторов (например температура заготовки) лучше исследовать при компьютерном моделировании. Данные исследования помогут в разработке технических решений с целью уменьшения длины утолщенных концевых участков труб. Для создания заднего натяжения в экспериментальном исследовании, моделирующим процесс работы редукционно-растяжного стана (создание натяжения), был создан рабочий инструмент (волочильное кольцо). Для улучшения механических характеристик волочильное кольцо подвергалось термической обработке, заключающейся в нагреве под закалку в аустенитную область выше точки Ас3 при температуре 880 °С в течение 20 мин.
Бесплатно
Физическое и математическое моделирование горячей деформации стали 20Х13
Статья научная
Экспериментально изучено деформационное поведение стали 20Х13 в условиях горячей осадки в диапазоне температур деформации 900-200 °С и скоростей деформации в диапазоне 0,01-10 с -1. Построена математическая модель, базирующаяся на физически обоснованном описании процессов динамического возврата и динамической рекристаллизации, позволяющая предсказывать деформационное поведение исследуемой стали при заданных скоростях и температурах горячей деформации.
Бесплатно
Статья научная
Процесс непрерывной горячей прокатки характеризуется наличием продольных усилий, оказывающих существенное влияние на толщину стенки трубы. При этом очень важно правильно определять величину редуцирования в процессе деформации трубы для получения толщины стенки в диапазоне, оговоренном нормативными документами. Целью работы было получение экспериментальных данных о влиянии продольного усилия на толщину стенки трубы и сравнение их с результатами расчета по одной из известных зависимостей. Проведено физическое моделирование процесса прокатки труб без оправки. Для проведения эксперимента разработана схема и подготовлена технологическая оснастка, позволившие создать условия непрерывной прокатки трубы с задним натяжением. Оригинальность эксперимента заключалась в том, что он предусматривал использование ступенчатых образцов исходной трубной заготовки, имеющих цилиндрический и конический участки. Цилиндрический участок обеспечивал свободное прохождение заготовки через деформирующую втулку и устойчивый захват прокатными валками, а конический - создание заднего продольного усилия при прокатке. Величина заднего натяжения определялась расчетным путем как усилие волочения трубы. Показан характер изменения толщины стенки трубы при возрастании величины межклетевого натяжения. По результатам физического моделирования был сделан вывод о правомочности применения известной теоретической зависимости для определения толщины стенки трубы при горячем редуцировании труб с приложением заднего натяжения. Полученные результаты планируется использовать для оценки усилия, требуемого для стягивания трубы с оправки. Данный процесс реализуется на ТПА 159-426 с непрерывным раскатным станом АО «Волжский трубный завод».
Бесплатно
Физическое моделирование гидродинамических эффектов в процессах обработки стали в ковше-печи
Статья обзорная
Бесплатно
Физическое моделирование при изучении студентами теории и технологии прокатки
Статья научная
В статье приведено описание учебно-исследовательского прокатного стана ДУО-130, спроектированного и изготовленного для образовательных и исследовательских организаций. Разработанный ООО НПП «Учтех-Профи» прокатный стан имеет конструктивные особенности, характерные для типовых прокатных станов, применяемых в современном прокатном производстве, что делает его востребованным при подготовке инженерных кадров для металлургических предприятий. В настоящее время эти станы применяются в качестве учебного оборудования в следующих образовательных учреждениях: Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Волжский политехнический институт, Челябинский государственный промышленно-гуманитарный техникум им. А.В. Яковлева, Липецкий металлургический колледж и др. Автоматизированная система управления станом, система сбора, обработки и хранения цифровой информации позволяет применять его для исследования процесса прокатки как в образовательных, так и исследовательских целях. На примере физического моделирования основных законов и закономерностей процесса прокатки представлены методические аспекты применения современного учебного оборудования в образовательном процессе в вузах и колледжах при изучении теории и технологии прокатки. В статье приведены результаты экспериментальных исследований закона постоянства объема, условий захвата металла валками, закономерностей опережения и отставания, уширения и влияния коэффициента трения на эти показатели. В последующих публикациях планируется рассмотреть вопросы изучения особенностей поведения металла в калибрах при сортовой прокатке, правила проектирования калибров и определения причин образования дефектов сортовых профилей. Также планируется посвятить отдельную публикацию физическому моделированию и определению энергосиловых параметров прокатки экспериментальным путем с применением системы автоматизации стана ДУО-130, которая позволяет не только определять усилие прокатки, но и выводить на экран и сохранять в файлы зафиксированные значения в виде осциллограмм, графиков, диаграмм и массивов данных.
Бесплатно
Физическое моделирование при исследовании свариваемости конструкционных сталей
Статья научная
Рассмотрена возможность исследования свариваемости сталей методом физического моделирования. Свариваемость является важной технологической характеристикой материала, определяющей его пригодность для производства тех или иных типов конструкций. Чаще всего данный параметр оценивают аналитическим методом, что дает лишь ориентировочные данные. На сегодняшний день наиболее прогрессивным и перспективным методом исследования свариваемости является метод физического моделирования, который заключается в полном и частичном воспроизведении исследуемого процесса. Важными факторами при оценке свариваемости являются: исходный химический состав стали, структура и термодеформационные циклы сварки. Оценка свариваемости производится на основе исследования металла участков зоны термического влияния сварных соединений. Из исследуемого металла изготавливаются образцы для испытаний в установке физического моделирования Gleeble 3500. Данная установка позволяет имитировать термодеформационные циклы различных участков зоны термического влияния. Затем полученные образцы подвергают различным видам испытаний: сопротивление разрыву, ударный изгиб, металлографические исследования, измерения твердости, микротвердости и др. Качественный и количественный состав структуры металла зоны термического влияния фактически определяет надежность и работоспособность сварного соединения. Полученные данные сравнивают с требованиями нормативной документации, на основании чего делается вывод о пригодности металла для изготовления конструкции, разрабатывается рациональная технология его сварки, обеспечивающая формирование эффективной структуры металла сварного соединения. Метод физического моделирования является мощным инструментом при разработке новых сталей с хорошими физическими и технологическими свойствами, а также при разработке оптимальной технологии их сварки.
Бесплатно
