Расплавы

Статья посвящена знаменательной дате – 70-летию образования Института металлургии имени академика Н.А. Ватолина УрО РАН как самостоятельного научного учреждения. Представлен краткий исторический очерк об основных этапах становления и развития Института, его научных направлений и школ. Освещен вклад ученых в развитие фундаментальных и прикладных исследований в области физико-химических основ высокотемпературных процессов в области черной и цветной металлургии, комплексной переработки минерального и техногенного сырья. Подведены итоги деятельности и достижения Института, ставшие результатом его плодотворной работы на протяжении нескольких десятилетий на благо отечественной металлургии.

Статья посвящена детальному изучению зависимостей качественных показателей металлопродукции от структурного состояния и свойств расплавов. Эффективность современных технологий выплавки сталей и сплавов базируется на глубоком понимании физико-химических процессов, происходящих в жидком металле. Именно состояние расплава перед процессом кристаллизации играет одну из ключевых ролей в обеспечении высокого качества готового продукта, с другой стороны, этот фактор, требующий дополнительного внимания, зачастую остается недооцененным. Проведен анализ имеющихся теоретических представлений и экспериментальных данных о структуре металлических жидкостей. Основное внимание уделено результатам и перспективам внедрения и применения термовременной обработки (ТВО) расплава, позволяющей целенаправленно регулировать его состояние и добиваться улучшения качества твердого металла. Приводится массив опытных данных, подтверждающих положительное влияние обсуждаемой технологии. Рассмотрены конкретные примеры применения ТВО расплава на промышленных предприятиях при изготовлении широкого спектра металлопродукции: конструкционных, инструментальных и нержавеющих сталей, а также чугунов различного назначения. Акцентированы эффекты воздействия технологии ТВО расплава на поведение низко-, средне- и высоколегированных сталей, демонстрирующие высокую эффективность управления структурой, что ведет к снижению частоты возникновения традиционных дефектов, таких как усадочные раковины, химическая сегрегация и другие. Показано, что применение ТВО при выплавке сталей позволяет существенно расширить интервал их горячей пластичности. Для жаропрочных никелевых сплавов формирование равновесного расплава позволяет получить структуру и свойства твердого металла, недостижимые другими металлургическими методами. Представлена статистика, показывающая ощутимый прирост доли качественной продукции и снижение потерь на последующих стадиях переработки металла. Рассмотрены перспективы дальнейшего совершенствования методики экспериментального определения параметров и расчетных характеристик оптимального режима термовременной обработки металла для конкретных условий выплавки. Высказано предположение о высоком потенциале ТВО расплава в свете растущих требований к энергосбережению и рациональному использованию ресурсов, для повышения качества выпускаемого металла и повышения конкурентоспособности продукции.

Стоимость 1 т меди на Лондонской бирже металлов нередко достигает 9 тыс. долл. США. Столь высокая цена требует принятия мер по максимальному извлечению этого металла в конечную продукцию и снижению потерь. Из открытых источников известно, что суммарное количество меди в техногенных минеральных образованиях ТОО «Корпорация Казахмыс» (Казахстан) составляет около 4 млн т. В настоящей работе предлагаются меры по снижению потерь меди от стадии производства гранул до плавки в металлургических печах. Методом полного термодинамического моделирования изучено влияние борного ангидрида и боратовой руды на процессы окомкования, сушки, обжига концентратов медных руд и получения штейна. Установлено, что в случае использования B₂O₃ ожидается повышение прочности влажных гранул из-за образования кристаллогидратов борного ангидрида(H₃BO₃), скрепляющих рудные частицы. При сушке кристаллогидрат при 285К теряет воду, превращаясь в борный ангирид, который при обжиге уже при температуре 723К плавится, давая жидкую фазу, которая при остывании дает прочный спек совместно с другими компонентами медной руды. При металлургичской переработке такого борсодержащего материала прогнозируется улучшение показателй процесса и снижение потерь штейна из-за образования легкоплавких и подвижных печных шлаков. Предлагаемая к использованию боратовая руда имеет в своем составе присущий бентонитам минерал монтмориллонит, что позволяет расчитывать на получение влажных гранул прочности, достаточной для их транспортировки от цеха окомкования до обжиговых агрегатов. Присутствие в гранулах легкоплавкой боратовой руды приведет при обжиге к образованию в них жидкой фазы, при остывании которой образуется прочный спек. Как и при использовании B₂O₃, в металлургической печи ожидается снижение потерь штейна и-за образования подвижных и пониженной плотности шлаков. Проведенные расчеты и моделирование подтверждают высокую перспективность предложенного подхода для применения в промышленной практике.

Для создания экономически эффективных природоподобных технологий разработки техногенно-минеральных образований сульфидных месторождений и реабилитации измененных территорий нужно понимать процессы преобразования вещественного состава осадков, вод и биоты, взаимодействующих с ними в пределах отвалов, горных выработок (шахт и рудников). Изменение состава техногенных осадков и вод в экзогенных условиях аналогично геологическим процессам физико-химического выветривания. Важными среди природных процессов являются замораживание и оттаивание минерального вещества. Цель настоящей работы – изучение кинетики разрушения и изменения вещественного состава сульфидных минералов и образуемых водных растворов на образцах с отвалов Дегтярского месторождения при их многократных циклах промораживания и оттаивания. Приведены данные проведения экспериментов разложения устойчивых к гипергенным преобразованиям сульфидов в последовательности операций: дробление, рассев дробленных образцов с отвалов на восемь размерных фракций; промораживание и оттаивание каждой фракции в интервале температур от –15 до +20°С в открытых емкостях с участием дистиллированной воды по 3–15 циклам промораживания и оттаивания. Во всех экспериментах измерены pH, окислительно-восстановительный потенциал и масса проб. Каждая фракция до и после экспериментов проанализирована на рентгеновском настольном дифрактометре. Зерна минералов исследованы на сканирующем электронном микроскопе, химический состав воды после экспериментов определен с помощью атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой. Наибольшие изменения состава осадков проявлены для класса –0.1 мм, результаты измерений которого приведены в работе. Максимальная скорость потери массы сульфидов, изученных образцов Дегтярского месторождения – до 2% за один цикл, в то же время для сульфидов других объектов потеря первичной массы достигала 20% за один цикл. Основная доля потерь массы в образцах (более половины) связана с механическим выносом тонкодисперсных частиц с водой; в меньшей степени с физико-химическим разложением сульфидов путем образования кристаллогидратов сульфатов железа, растворением их и карбонатов. Экспериментальные исследования послужат основой для создания базы данных поведения сульфидов в процессе криогенного воздействия и последующей разработки природоподобных технологий управления преобразованием минерального вещества.

Затвердевание является одним из основных звеньев процесса получения и обработки металлов. Структуру и свойства отливки и слитка, предназначенного для дальнейшей обработки, определяет главным образом процесс затвердевания. Устранение или хотя бы уменьшение химической неоднородности и внутренних пороков в литом состоянии позволяет расширить область применения отливок и уменьшить количество брака, значительно улучшить механические свойства получаемых изделий. Нужно отметить, что процессы затвердевания металлов и сплавов и, в частности, первичная кристаллизация изучены в настоящее время еще недостаточно. Это объясняется в первую очередь сложностью самих процессов зарождения и роста первичных кристаллитов и большим многообразием переменных факторов, проявляющихся при кристаллизации технических сплавов. Вопрос о неоднородности и внутренних пороках литых металлов и сплавов продолжает быть в центре внимания ученых и практиков. В основе процессов производства стали и ее последующей обработки лежат многочисленные и разнообразные превращения. К числу таких превращений, оказывающих сильное влияние на качество и эксплуатационные свойства готовой стали, относятся реакции образования и растворения неметаллических включений как в расплавленном, так и в твердом металле. Эффективность той или иной технологической операции сталеплавильного производства в конечном итоге зависит от полноты протекания соответствующих химических реакций. От того, насколько далеко заходят эти реакции, зависят конечные концентрации углерода и легирующих элементов в стали, а также концентрации вредных примесей. Разработаны физическая модель охлаждения и кристаллизации для моделирования затвердевания многокомпонентных расплавов железа с учетом химического реакций между компонентами и программное обеспечение. Модель основана на теории квазиравновесной двухфазной зоны. Полностью выполняется закон сохранения масс. В модели используется параметр, учитывающий коэффициент диффузии углерода в твердой фазе, расстояние между дендритными осями второго порядка и время локального затвердевания. Проведено моделирование химических взаимодействий при кристаллизации в системе Fe-C-N-Al-V-Ti и показано, что учет химических реакций и диффузии компонентов в твердой фазе оказывает значительное влияние.

В настоящей работе рассмотрены вопросы формирования структуры и свойств заготовок из жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП, полученных методом горячего изостатического прессования (ГИП). Рассмотрена перспективность использования технологии металлургии гранул для изготовления заготовок дисков газотурбинных двигателей (ГТД). Показано, что существует два основных способа получения порошка для производства деталей газотурбинных двигателей – газовая атомизация и центробежное распыление литых быстровращающихся заготовок. Рассмотрены основные преимущества и недостатки вышеуказанных методов получения металлических порошков. Получен металлический порошок из жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП методом газовой атомизации. Проведен режим горячего изостатического прессования компактируемой заготовки. Проведено исследование химического состава заготовки из сплава ЭП741НП после ГИП. Вырезаны образцы для оценки влияния термической обработки на структуру исследуемой заготовки. Проанализированы факторы, влияющие на подбор режимов термической обработки образцов. Произведен подбор режимов термической обработки для оценки влияния температурно-временных параметров на структуру исследуемых образцов полученной заготовки ГИП. Представлены результаты анализа микроструктуры после ГИП и термической обработки (ТО) заготовки из жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП из металлического порошка, полученного методом газовой атомизации. Проанализированы изменения состава и количество карбидных фаз во время нагрева. Рассмотрены процессы, протекающие при распаде пересыщенного твердого раствора, коагуляции первичных и вторичных фаз, растворении первичных и вторичных фаз, расплавлении. Зафиксированы температурно-временные показатели, при которых происходит наибольшее изменение количества карбидных фаз. Приведены результаты цифрового анализа распределения интерметаллидной фазы после горячего изостатического прессования и термической обработки на периферии и в центре образцов. Представлены результаты влияния термической обработки на образование интерметаллидных фаз, рассмотрено влияние выбранных режимов термической обработки на структуру и балл зерна исследуемых образцов. Произведен микроструктурный анализ образцов после горячего изостатического прессования и различных режимов термической обработки с использованием оптической и растровой электронной микроскопии. Подобран оптимальный режим термической обработки, способствующий увеличению объемной доли и среднего диаметра интерметаллидных фазовых составляющих структуры сплава ЭП741НП.