Научный архив: статьи

В статье анализируются современные проблемы и перспективы устойчивого развития экономики промышленной отрасли (на примере черной металлургии России) в условиях повышенной экономической волатильности, геополитической напряженности и санкционных ограничений. Обосновывается актуальность исследования, связанная с необходимостью обеспечения национальной безопасности и технологического суверенитета страны, а также с глобальным трендом на устойчивое развитие. Рассмотрены различные подходы к изучению устойчивого развития промышленности, выделены нерешенные проблемы, связанные с несовершенством нормативно-правовой базы и недостаточной мотивацией предприятий к внедрению принципов устойчивости. Представлены данные о выпуске основной продукции черной металлургии в России за 2021-2024 гг., определены вызовы, которые влияют на развитие черной металлургии и базовые детерминанты устойчивого развития экономики промышленной отрасли. В ходе исследования выделены перспективные направления устойчивого развития черной металлургии РФ. Результаты исследования могут быть использованы для разработки научно обоснованных рекомендаций по формированию перспективных направлений устойчивого развития экономики промышленной отрасли, направленных на повышение конкурентоспособности, снижение негативного воздействия на окружающую среду, улучшение социальных условий и обеспечение долгосрочного экономического роста.

ГОСТ 1497– 2023 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» устанавливает в качестве основы для оценивания показателей прочности и пластичности механических свойств стали стандартный образец утвержденного типа. Однако до создания в 2024 году стандартного образца утвержденного типа механических свойств стали марки 12Х18Н10Т ГСО 12792-2024 в распоряжении метрологических служб не было стандартного образца утвержденного типа для оценивания пластичности. Единственно доступный до 2024 года стандартный образец утвержденного типа механических свойств стали марки 20 ГСО 11854-2021 аттестован только по показателям прочности.

Цель исследования – разработать и аттестовать стандартный образец механических свойств стали, аттестованный по показателям пластичности – относительному удлинению после разрыва δ5 и относительному сужению после разрыва ψ.

Исходный материал для изготовления стандартного образца – прокат сортовой горячекатаный круглого сечения по ГОСТ 2590– 2006 из стали марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632– 2014. Однородность материла исследована по ГОСТ 1497– 2023 одновременно с определением аттестованных значений и значений абсолютных расширенных неопределенностей аттестованных значений стандартного образца. Измерения в уральском филиале ВНИИМ им. Д. И. Менделеева проведены по методике измерений относительного удлинения после разрыва при статическом растяжении образцов сталей М.265.002/RA. RU.311866/2024; по методике измерений относительного сужения площади поперечного сечения после разрыва при статическом растяжении образцов сталей М.265.003/RA. RU.311866/2024. Использованы средства измерений: Государственный рабочий эталон единицы силы 1-го разряда в диапазоне значений от 2 до 200 кН; эталон единицы длины 4-го разряда – микроскоп видеоизмерительный серии MBZ, MBZ‑500ТТ ЧПУ. Оценивание однородности материала стандартного образца соответствует разделу 7 ГОСТ ISO Guide 35–2015.

В статье представлены: описание процесса разработки стандартного образца утвержденного типа механических свойств стали марки 12Х18Н10Т ГСО 12792-2024; методология применения; реальный пример использования стандартного образца для контроля точности результатов измерений механических свойств при статическом испытании металлов на растяжение.

Стандартный образец утвержденного типа механических свойств стали марки 12Х18Н10Т ГСО 12792-2024 предназначен для аттестации и валидации методик измерений механических свойств при статическом испытании металлов на растяжение, контроля точности результатов измерений показателей пластичности при статическом испытании металлов на растяжение, контроля испытательных разрывных машин в части проверки программного обеспечения по ГОСТ 1497– 2023.

На примере смесей полиэтилентерефталат/полибутилентерефталат показано сильное влияние топологии расплава, характеризуемой индексом связности, на их свойства. Качественное изменение топологии при нулевом индексе связности снижает прочность на сдвиг аутогезионного соединения компонент на три порядка. Обнаружена зависимость совместимости компонент от структуры расплава.

Цель – расчет показателей магнитной гидродинамики алюминиевого электролизера для сравнения разных видов ошиновок, используемых на ваннах с анодом Содерберга. Для проведения расчетов электрических параметров электролизера (токораспределения по блюмсам и анодным штырям) и характеристик магнитного поля использовалась компьютерная программа «Blums V5.07» (ООО «Полифем», Россия). С помощью программы «MHD-Valdis» (разработчик В. Бояревич, университет Гринвич, Великобритания) были получены данные по скоростям циркуляции и перекосу металла в электролизере. В ходе выполнения исследований были построены математические модели электролизера типа С-8БМ (С-8Б) с различными конструкциями ошиновки. Выбраны 3 варианта ошиновок, на которых испытывалась установка перемычки, предназначенной для замыкания токораспределения анодной ошиновки электролизера. Данные типы ошиновок выполнялись в 2 вариациях: с перемычкой и без нее. По полученным данным рассчитанных скоростей циркуляции и перекоса металла была выполнена оценка возможности модернизации ванн с анодом Содерберга без значительных капитальных затрат. При использовании 1-го типа ошиновки достигнуты наилучшие значения распределения тока по блюмсам с диапазонами, составляющими ~757 А (для варианта без перемычки) и ~656 А (для модернизированного варианта с замкнутыми рядами), и по анодным штырям с диапазонами ~1754 А и ~1609 А, соответственно. Показано, что при использовании 3-го варианта ошиновки токораспределение после установки перемычки между анодными шинами незначительно ухудшается. По полученным результатам можно сделать вывод, что при модернизации электролизера С-8БМ (С-8Б) с различными видами ошиновок токораспределение по блюмсам и анодным штырям, характеристики магнитного поля (компоненты By и Bz), а также скорости циркуляции и перекос металла не оказывают значительного влияния на эффективность работы данного электролизера, что способствует более быстрому переходу на ведение электролиза на ваннах ЭкоСодерберг и без значительных экономических затрат.

Цель – выбор конструкции фильтра и режима промывки осадка гидрометаллургической переработки полиметаллического шлама для минимизации объема промывных вод и получения качественного осадка – прекурсора железооксидного пигмента. Изучение химического состава объекта исследований – пульпы после солянокислой обработки полиметаллического шлама – проводилось методами атомно-абсорбционной спектрофотометрии, рентгенофлуоресцентной спектрометрии, а гранулометрического состава – методом лазерной дифракции. В результате изучения химического состава установлено, что в жидкой фазе содержится, г/дм3: MgCl2 90,5–105,6; AlCl3 35,8–37,6; NiCl2 8,1–9,0; FeCl3 24,5–27,1; CrCl3 5,9–6,5; MnCl2 2,1–2,4; HCl 6,5–7,7. Твердые частицы, содержащиеся в пульпе, представлены двумя выраженными группами частиц со следующими размерами: от 0,1 до 1 мкм и от 1 до 120 мкм. Установлено, что разделение пульпы с использованием модели камерно-мембранного фильтр-пресса с вертикальным расположением плит позволяет минимизировать объем промывных вод до Т: Ж=1:1, возвратить захваченный осадком маточный раствор в технологический цикл и получить качественный промытый осадок с минимальным содержанием остаточных солей (0,5% масс.). Оптимальная температура пульпы, поступающей на фильтрование, соответствует 80°С, температура воды для промывки – 60º С. Установлено, что лимитирующей стадией процесса разделения пульпы является промывка осадка, которая осуществима методом вытеснения при условии использования подкисленной воды с рН 1,5. Определено, что следует использовать фильтровальные салфетки, изготовленные из 100% полипропилена, с удельным весом ткани 540 г/м2 ± 10%, воздухопроницаемостью при 200 Па 6 л/дм2 в минуту ± 30% и максимальной рабочей температурой не менее 90º С. Таким образом, выполнен расчет удельной производительности фильтр-пресса и выбрана стандартная машина с вертикальным расположением плит и поверхностью фильтрования 500 м2 для разделения пульпы после гидрометаллургической переработки 8000 т/год влажного полиметаллического шлама.

Цель – разработка рациональной технологии переработки хвостов флотации медно-цинковой руды с целью извлечения золота с использованием ультранизких (10–30 мг/дм3 ) концентраций NaCN. Для изучения вещественного состава исходного материала применяли методы пробирно-атомно-абсорбционного, атомно-эмиссионного с индуктивно-связанной плазмой и рентгеноструктурного анализов. Концентрацию NaCN в растворе определяли титриметрическим и фотометрическим методами, рН – потенциометрическим методом анализа. На стадии лабораторных исследований определены оптимальные условия цианирования лежалых хвостов флотационного обогащения медно-цинковой руды, прошедших предварительную известковую обработку: массовая доля класса минус 0,071 мм – 70,5%, продолжительность – 8 ч, расход NaCN – 0,3 кг/т (при концентрации 30 мг/дм3 ), Ж: Т=1:1. Показано, что при данных условиях извлечение золота составило 32,0–33,6%. Доизмельчение хвостов флотации до крупности 90% класса минус 30 мкм обеспечивает повышение извлечения золота до 41,5–44,7% при расходе NaCN 0,6 кг/т той же концентрации и Ж: Т=1,5:1. На основании полученных результатов проведены укрупненно-лабораторные испытания по цианированию лежалых хвостов по двум вариантам (на хвостах исходной крупности и на доизмельченных), которые подтвердили показатели, полученные на лабораторной стадии. Установлено, что вариант с предварительным измельчением хвостов обогащения на данном этапе представляется экономически нецелесообразным ввиду высоких расходов NaCN (0,6 кг/т против 0,3 кг/т) и активного хлора (5,6 кг/т против 1,2 кг/т). По результатам проведенных опытно-промышленных испытаний на пробе хвостов флотации, поступающих с золотоизвлекательной фабрики, массой 67 т (с содержанием Au 1,35 г/т) извлечение золота составило 31,9% при расходе NaCN 0,135 кг/т. По результатам проведенных технологических исследований рекомендована принципиальная схема извлечения золота из хвостов флотации медно-цинковой руды на основе применения ультранизких концентраций цианида натрия. Ожидаемая прибыль составит 1276,74 млн руб/год, рентабельность – 88% (при сроке окупаемости 1,4 г).

Сорбция ацетальдегида является критическим фактором для полимерных материалов, используемых для получения продовольственной тары. В свою очередь, для полимерных смесей совместимость их компонент является базовым показателем, определяющим их свойства. Поэтому в настоящей работе исследована взаимосвязь коэффициента сорбции ацетальдегида и совместимости смесей полиэтилентерефталат/полибутилентерефталат. Для этой цели характеристики структуры смесей и связанного с ней свободного объема трактуются в рамках фрактального анализа и мультифрактального формализма. Такой подход позволяет учет особенностей как смесей (в том числе и степени кристалличности), так и сорбируемого вещества (ацетальдегида). При этом для характеристики уровня совместимости исследуемых смесей как функции их состава использовано отношение скачков теплоемкости при постоянном давлении вблизи температуры стеклования компонент смеси. Наиболее важным выводом предложенного анализа является снижение сорбции ацетальдегида для смесей, совместимых в аморфной фазе. Минимальное значение этого параметра реализуется для смеси с равным содержанием компонент. Характер взаимодействий полимер—сорбируемое вещество можно определить использованием постоянной потенциала Леннарда-Джонса. Такой анализ позволил выяснить, что в рассматриваемой системе реализуются только взаимодействия отталкивания. Это означает, что увеличение постоянной потенциала Леннарда-Джонса, связанной со структурой смеси, приводит к снижению коэффициента сорбции. Таким образом, представленная модель позволяет количественный анализ всех аспектов сорбции ацетальдегида в исследуемых смесях.

Применение современных экспериментальных методов (ультрамалоуглового рассеяния рентгеновских лучей и малоуглового рассеяния нейтронов) показало, что углеродные нанотрубки в суспензиях и полимерной матрице нанокомпозитов образуют кластеры, аналогичные макромолекулярным клубкам полимерных цепей. Эта аналогия позволяет использование хорошо разработанных и опробированных методов физической химии (в том числе и фрактальной) для описания структуры указанных кластеров, которая является определяющим фактором в формировании свойств нанокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки. Анализ структуры этих кластеров (кольцеобразных формирований) углеродных нанотрубок в полимерной матрице нанокомпозитов полипропилен/углеродные нанотрубки (нановолокна) показал, что они могут быть аналогами макромолекулярных клубков как линейных, так и разветвленных полимерных цепей, что определяется фрактальной размерностью кластеров. Граничным условием реализации того или иного типа кластеров является достижение критерия их протекаемости или фрактальной размерности кластера, равной 1,50: если эта размерность 1,50, то кластеры являются аналогом линейных полимерных цепей, а при размерности >1,50 – разветвленных. При одинаковом содержании нанонаполнителя аналоги линейных цепей позволяют получить более высокую степень усиления (модуль упругости) нанокомпозитов, чем аналоги разветвленных. В первую очередь это обусловлено более высоким уровнем межфазной адгезии полимерная матрица – нанонаполнитель для первого типа кластеров углеродных нанотрубок (нановолокон) по сравнению со вторым. Предложены уравнения, позволяющие количественную оценку степени усиления рассматриваемых нанокомпозитов на основе только степени разветвленности кластеров и содержания нанонаполнителя, которые показали хорошее соответствие с экспериментальными данными.

The paper reveals the structure formation and magnetic properties of amorphous alloys based on the Fe-Co-Cr-B system with varying proportions of Fe to Co. These materials were obtained in the form of metal ribbons through the melt spinning technique in an inert atmosphere. In the initial as-spun state, the ribbons exhibited an amorphous structure characterized by their ferromagnetic properties. As the content of cobalt in the alloy composition decreased, the thermal stability of the amorphous phase matrix increased, leading to a shift in the crystallization mechanism from primary crystallization of the α solid solution phase to eutectic type crystallization of the initial amorphous phase. The phase composition of alloys during crystallization of the amorphous matrix phase is investigated. Alloys with a reduced cobalt content during the heating process undergo crystallization driven by the eutectic mechanism. This results in the formation of a mixture of α and Me3B phases. During this process, a significant increase in the magnetic moment of the alloys was detected. The α phase, which was formed by eutectic crystallization, was found to be enriched in chromium. It has been demonstrated that achieving a highly coercive state, it is contingent upon maintaining a Fe / Co ratio greater than 3, while simultaneously ensuring that the chromium content exceeds 16 at.%. The obtained data provides guidance for the development of functional materials with controlled magnetic properties.

This paper presents a modified small-angle X-ray scattering (SAXS) method for analyzing the size and shape of hardening particles in steels. Unlike the conventional SAXS approach, which typically analyzes alloy particles of only one morphology, the modified method enables simultaneous evaluation of various types of particles differing in both size and morphology. The essence of the modification to SAXS method is that it takes into account the contribution of the intensity of the separate types of particles with different morphologies to the total true intensity. For each type of particles, shape and structural coefficients are set taking into account their spatial distribution in the analyzed area. To detect the presence of particles of different morphologies in alloys, the experimental patterns are analyzed. First, based on the I(q−n) dependence, the morphology of the existing types of particles was traditionally identified (cylinder / needle (n =1), plate / disk (n = 2), and ellipsoid / sphere (n = 3, 4)). Subsequently, individual regions of the SAXS curve were analyzed in the context of optimizing the size and shape of various particles. The modified SAXS method was tested for analyzing the morphology and size of cementite particles in ferrite-pearlite steel subjected to annealing. As a result, it was shown that during the annealing process of steel, cementite particle morphology in pearlite grains undergoes a stepwise transformation according to the following scheme: lamellar → ellipsoidal → spherical. For the first time, quantitative characteristics of the change in particle size distribution were obtained for different morphologies. The transformation of cementite particle morphology was found to be accompanied by growth, which leads to a decrease in the contribution of dispersion hardening.

A method of wire electron beam additive manufacturing of cylindrical bimetallic products made of CuAl9Mn2 aluminum bronze and 13Mn6 ferrite-perlitic steel was proposed for the first time to achieve strong defect-free joining of components. Cylindrical bimetallic tribotechnical components based on 13Mn6 steel and CuAl9Mn2 bronze showed a high degree of structural homogeneity and defect-free gradient zone structure when bronze was applied over steel. When the steel component is applied over bronze, the degree of mutual mixing of the components in the gradient zone increases sharply due to the high temperature of the steel relative to the bronze base. This leads to the formation of defects in the form of cracks and delaminations in the boundary zone. Despite the inhomogeneous structure of the transition zone of the samples where steel is applied over bronze, no embrittlement of the material due to infiltration of bronze into the imperfections of the steel fragment is observed, and the mechanical properties of the steel and the transition zone even exceed the similar parameters of the samples where bronze is applied over steel. The studies have shown that by the method of wire electron beam additive technology it is possible to form large-size structures from heterogeneous materials with strong and defect-free connection of components. The results obtained show that there are still tasks for further modification of the technology of wire electron beam printing of products of “bronze−steel” system with application of steel over bronze.