ВЕСТНИК МАГНИТОГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ИМ. Г. И. НОСОВА

Для метизных предприятий жизненно важными являются вопросы обеспечения заданного уровня потребительских свойств новых и традиционных видов продукции на основе эффективного управления качеством в процессах технологической обработки. При проектировании технологических процессов метизного производства всегда присутствуют шумовые факторы, такие как неточные исходные данные, связанные с неопределенностью условий окружающей среды, неравномерным качеством сырья, несовершенством технологического оборудования. В связи с этим актуальным вопросом является разработка методологии проектирования процессов изготовления метизных изделий, учитывающая параметрическую неопределенность исходных данных. В настоящее время одним из приоритетных и активно развивающихся направлений является робастное параметрическое проектирование. Применение робастной оптимизации дает возможность разработать технологию, нечувствительную к вариациям шумовых факторов. Метод основан на использовании ортогональных матриц, которые представляют собой минимальный набор экспериментов с различными комбинациями уровней параметров. Робастный эксперимент связан с двумя матрицами: матрицей параметров управления и матрицей шумовых факторов. Предлагается методология для проектирования новых и совершенствования действующих технологических процессов метизного производства с применением робастной оптимизации. Данная процедура может быть применена как для проектирования новой технологии, так и для совершенствования действующей. Для сведения показателей качества в единую целевую функцию предлагается использовать серый реляционный анализ (GRA), метод, который анализирует степень и уровень отношения разнородных параметров для их дискретной последовательности. Робастный подход может быть эффективно использован применительно к разработке новых и совершенствованию действующих процессов изготовления металлических изделий. Практическое применение данной методологии позволит существенно сократить время принятия технологических решений по обеспечению заданного уровня качества готовой продукции.

Постановка задачи (актуальность работы). В работе исследованы механические свойства формовок из порошка сплава ВЖ159, полученные методом горячего изостатического прессования (ГИП). Формовки имели различную плотность, что реализовано прерыванием цикла ГИП при заданных температурах. Прерывание цикла ГИП выполнялось при температурах 670, 700, 750, 800, 900, 1150°С. Уменьшение доли пор в дисперсном теле приводит к росту прочности по экспоненциальному закону. Используемые методы. Порошок ВЖ159 получен методом газовой атомизации. Для исследования применена фракция порошка -70 + 25 мкм, имеющая насыпную плотность 3,77 г/см3, текучесть 2,3 г/с, удельную поверхность 446 см2/г и средний размер частиц по Фишеру 16 мкм. Исходный порошок имеет достаточно высокое значение удельной поверхности, что предопределяет сорбирование его поверхностью газов, с которыми он имеет контакт. Наличие сорбированных газов на поверхности порошка перед ГИП недопустимо, так как в процессе нагрева и одновременного приложения давления сорбированные газы переходят в твердый раствор, располагаясь по границам исходных частиц порошка, что резко снижает механические свойства компактов. Для исключения этого явления перед ГИП порошок в капсуле подвергался вакуумной термической дегазации. Новизна. Полученные компакты проходили термическую обработку, состоящую из закалки и старения. Старение выполнялось по двум вариантам: два или четыре цикла старения посте закалки. Установлено, что структура беспористых прессовок ГИП имеет более дисперсное зерно (балл 9) по сравнению с литым сплавом (балл 7) аналогичного состава. Термическая обработка с четырьмя циклами старения обеспечивает увеличение значения предела прочности на растяжении при приемлемом уровне относительного удлинения. Практическая значимость. Исследование микроструктуры компактов после ГИП и термической обработки показало отсутствие сетки остаточных границ гранул (PPBs- PriorParticleBoundaries), что свидетельствует о корректных режимах вакуумной термической дегазации порошка.

Постановка задачи (актуальность работы). Год от года в производстве увеличивается доля аддитивных технологий. Наибольшими темпами растет применение 3D-печати электродуговой наплавкой, как наиболее экономичной и производительной технологии. Однако имеющихся научных и практических данных недостаточно для ее успешного использования при изготовлении деталей, работающих в условиях низких температур. В связи с этим требуется более детальное исследование материалов, полученных 3D-печатью и предназначенных для работы в условиях Крайнего Севера и Арктики. Используемые оборудование и методы. Изготовление образцов из стали 07Х25Н13 выполнено на разработанном стенде, реализующем технологию 3D-печати электродуговой наплавкой, применен метод испытания на ударный изгиб по Шарпи, с использованием растрового электронного микроскопа проведен анализ фрактограмм изломов. Новизна. Определены механизмы разрушения при низких температурах образцов из стали 07Х25Н13, выполненых по технолгии 3D-печати электродуговой наплавкой. Полученные результаты позволяют понять поведение материалов, напечатанных объектов в условиях низких температур, чему ранее уделялось недостаточно внимания. Выявлена связь фрактальной размерности изломов образцов и величины ударной вязкости, позволяющая оценивать влияние температуры на разрушение. Результат. В процессе исследования образцов, изготовленных из стали 07Х25Н13, установлено, что изломы, полученные после испытаний на ударную вязкость, обладают четырьмя характерными зонами: зарождения трещины; распространения трещины, утяжки, долома. Во всем исследуемом температурном диапазоне наблюдается вязкий механизм разрушения, однако с уменьшением температуры испытаний происходит снижение пластичности и уменьшение количества наблюдаемых зон. Показана связь уменьшения фрактальной размерности изображений изломов с уменьшением ударной вязкости. Практическая значимость. Полученные результаты дают возможность более полно понять механизмы разрушения объектов из стали 07Х25Н13, полученных с помощью 3D-печати электродуговой наплавкой и оценить поведение данного материала в условиях низких температур. Установленная связь фрактальной размерности излома и ударной вязкости позволяет более четко устанавливать температурные причины разрушения конструкций.

В работе исследованы закономерности измельчения, проведён рентгеноструктурный и термический анализ порошковых материалов на основе механохимически активированной шихты стружки Д-16 с добавлением порошка никеля. Оптимизированы параметры размола алюминиевой стружки Д-16 при утилизации отходов токарного производства. Построены дифференциальные кривые распределения частиц порошка по размерам после механохимической активации в среде насыщенного водного раствора борной кислоты и ручной обработки в ступке. Фазовый анализ материала шихты показал отсутствие оксидов алюминия за счёт плакирования порошковых частиц оксидом бора в процессе размола и формирование сложных оксидов (Al2O3)1.33 в процессе кратковременного нагрева под горячую штамповку. Увеличение полуширины дифракционного профиля горячедеформированного порошкового материала, связанное с повышением дефектности структуры в процессе деформации, свидетельствует о его «горячем» наклёпе. Исследования, проведённые в воздушной и гелиевой атмосфере методами синхронного термического анализа (STA), выявили протекание экзотермической реакции и возможное формирование интерметаллидов в материале активированного стружкового порошка. Рентгеноспектральный микроанализ горячедеформированного порошкового материала, полученного на основе механохимически активированной шихты, выявил наличие трех основных областей: светлой, серой, тёмной. В светлой области показана возможность формирования интерметаллидов (Al3Ni2)0,4 с небольшой примесью меди и железа, а также отсутствие кислорода. Серая область представляет собой неокисленный алюминий с незначительными примесями меди. Таким образом, показано, что агломераты состоят из неокисленных частиц алюминия и интерметаллидной сетки между ними. Тёмная область представляет собой окисленные частицы алюминия и никеля с примесями магния, железа и меди.

Постановка задачи. В литейном производстве наблюдается устойчивая тенденция поиска новых и развития существующих стержневых технологий, характеризующихся повышенной безопасностью и экологичностью. Несмотря на то, что существует ряд перспективных стержневых технологий, таких как Cold-Box-Amin, Эпокси-SO2 и Резол-CO2, жидкостекольная стержневая технология, относящаяся к наиболее безопасным и экологичным, имеет значительные резервы для дальнейшего развития - повышения сложности литейных стержней и производительности стержневого процесса. Конкурентоспособность жидкостекольного стержневого процесса может быть повышена путем экономии в стержневой смеси жидкого стекла и феррохромового шлака, что повышает выбиваемость литейных стержней из отливок, однако снижает их манипуляторную и максимальную прочность.

Постановка задачи. Актуальность работы определяется необходимостью совершенствования и оптимизации существующей комплексной многооперационной технологии переработки поликомпонентного медеэлектролитного шлама, в частности для селективного выделения, концентрирования и очистки селена при получении товарного продукта. Действующая технология предусматривает цементационное осаждение селена на алюминиевом порошке с последующей обработкой пиро- и гидрометаллургическими способами: сплавление со смесью нитрата и хлорида аммония; выщелачивание растворами сульфидов и сульфитов натрия и аммония; обработка Se-Hg-шламов алюминиевым порошком в щелочной среде для восстановления ртути и выделения в виде отдельной фазы; выщелачивание цементационного осадка раствором серной кислоты; электровыщелачивание цементационного осадка в растворе едкого натра; растворение сульфитным раствором в присутствии тиомочевины или тиосульфата натрия, едкого натра, сульфида натрия для связывания ртути; выщелачивание в бисульфите натрия. Цель работы. Исследование кинетики начальной стадии - цементации макро- и микрокомпонентов (селен/ртуть) раствора выщелачивания медеэлектролитного шлама на металлическом алюминии, во многом определяющей общую скорость комплексной технологии получения товарного селена. Используемые методы. Параметры цементационного осаждения селена в зависимости от температуры раствора, скорости вращения диска, исходной концентрации компонентов раствора, определены методом вращающегося алюминиевого диска, который обеспечивает наиболее корректные кинетические данные, благодаря равнодоступности поверхности в диффузионном отношении. О скорости цементационного осаждения селена и ртути судили по уменьшению концентрации металлов за определенный промежуток времени в жидкой фазе; константу скорости цементации/растворения определяли, исходя из механизма восстановления ионов цементируемого металла, протекающего на предельном токе, когда осаждение осуществляется на внешней поверхности катодных участков диска, которая остается постоянной на протяжении всего процесса. Новизна. В условиях равнодоступной поверхности вращающегося диска изучены зависимости удельных скоростей процессов цементационного осаждения селена и ртути в широких диапазонах величин влияющих параметров: температура и состав растворов, скорость вращения алюминиевого диска. Установлены режимы протекания и определены детали механизма изученных процессов. Результат. Кинетические параметры ( W ·10-6, г-ат/дм2·с; K ·10-6, с-1; D ·10-11, м2/с) процесса цементации селена/ ртути имеют тенденцию к возрастанию при увеличении следующих параметров системы: концентрация компонентов Se/Hg, Сi = (10-100)/(0,003-0,2) г/дм3: W = (4,7-180)/(0,008-1,4); K = (1,9-7,6)/(28,6-73,5); D = (1,5-89)/(0,006-1,0); скорость перемешивания растворов Se/Hg, ω = 17-73 рад/с: W = (156-180,)/(1,2-1,4); K = (6,6-7,6)/(29-73); D = (69-89)/(0,9-1,1); температура растворов Se/Hg, Т = 293-323оС: W = (156-208)/(0,8-3,1); K = (6,6-8,7)/(42-174); D = (69-125)/(0,6-2,3). Практическая значимость. Получены исходные данные для оптимизации режима цементации: при достижении условий стационарного процесса уравновешиваются скорости восстановления селена, образования селенида ртути, формирования элементной ртути и алюминиевой соли селеновой/селенистой кислоты. Информация по кинетике цементационного осаждения на алюминии позволяет разработать технологические рекомендации по извлечению селена из технологических растворов.

Актуальность и цель исследования. Россия является одним из крупнейших производителей и экспортеров угля. На экспорт отправляется около половины добываемой продукции, при этом большая часть вывозимого из страны угля отгружается через морские порты. Вместе с увеличением объемов добычи и транспортировки угля растет отрицательная нагрузка на окружающую среду, важной экологической проблемой является загрязнение атмосферного воздуха угольной пылью, которая может находиться в воздухе долгое время и перемещаться на значительные расстояния. Угольная мелочь интенсивно выдувается при транспортировке и хранении угля, что приводит к потерям полезного ископаемого, а также загрязнению территорий, кроме того, наличие мелких фракций в угле снижает его качество и рыночную стоимость. Цель работы. Обоснование технико-технологического решения, обеспечивающего снижение пыления при добыче и перегрузках угля за счет удаления мелких фракций непосредственно во время выемочно-погрузочного процесса с применением модернизированного стрелового комбайна, а также сокращение количества специальных транспортных средств, осуществляющих аккумулирование и перевозку просеянной угольной мелочи. Результаты. В статье предлагается конструкция модернизированного стрелового комбайна, обеспечивающего отделение угольной мелочи в процессе добычи, и технология его применения. Стреловой комбайн снабжен скребковым конвейером с классификационной решеткой и аспирационным устройством. Отбитый фрезерным рабочим органом уголь попадает на погрузочный стол, откуда нагребающими лапами подается на скребковый конвейер, который перемещает уголь над классификационной решеткой, мелкие фракции угля просеиваются сквозь щели решетки и собираются в накопителе, для интенсификации процесса на классификационной решетке установлен вибратор. Из накопителя угольная мелочь перемещается системой пневмотранспортирования в контейнер, установленный на поверхности рабочей площадки, специальным транспортным средством производится обмен контейнеров и их доставка к месту переработки. Крупные фракции угля разгрузочным конвейером перемещаются в автосамосвал. Выводы. Предлагаемое решение позволит обеспечить удаление угольной мелочи в процессе добычи, что повысит качество угля и снизит отрицательное влияние горных работ на окружающую среду. Существенно уменьшится пыление при загрузке автосамосвала, ведении транспортных и перегрузочных операций, снизятся потери от выдувания и просыпания угля. Использование сменных контейнеров для аккумулирования угольной мелочи позволит сократить количество специальных транспортных средств, осуществляющих перевозку мелких фракций, и повысит их производительность.

Постановка задачи. При обогащении упорных золотосодержащих руд уменьшение выхода концентрата, направляемого на вскрытие золота и последующее цианирование, значительно сокращает капитальные затраты и эксплуатационные расходы, что обеспечивает решение актуальной задачи повышения экономической эффективности производства товарной продукции. Цель работы. Повышение технико-экономических показателей переработки руд за счет уменьшения выхода концентрата, направляемого на биоокисление сульфидов, путем применения аэрации пульпы смесью воздуха с горячим водяным паром - флотации паровоздушными пузырьками. Новизна. С опорой на данные о зависимости сил гидрофильного отталкивания и гидрофобного притяжения, обусловленных отличием структуры воды в граничных слоях минералов от структуры воды в объеме, сделан вывод о возможности изменения результатов флотации за счет повышения температуры смачивающей пленки, например путем использования теплоты конденсации водяного пара. С этой целью аэрацию пульпы осуществляют смесью воздуха с горячим водяным паром. Повышение температуры смачивающей пленки является причиной роста сил гидрофильного отталкивания, стабилизирующих пленку, а потеря устойчивости смачивающей пленки связана с ростом сил гидрофобного притяжения. Результат. С использованием разработанного стенда и методики проведены измерения коэффициента теплоотдачи при различной концентрации пара в пузырьке воздуха и выявлено, что при массовой доле пара в паровоздушной смеси более 0,30 кг∙кг-1 за счет теплоты его конденсации температура воды в граничном слое всплывающего пузырька увеличивается на 11-14°С, что приводит к снижению толщины смачивающей пленки, отвечающей смене знака структурной составляющей расклинивающего давления. Практическая значимость. На пробе упорной золотосодержащей руды проведена экспериментальная апробация разработанной технологии и показано, что при ее применении содержание золота в концентрате флотации увеличивается в 1,8 раза при уменьшении выхода флотоконцентрата на 39,5% отн. и извлечение золота от операции повышается с 76,8 до 89,9%.

Стратегией повышения эффективности горнодобывающей отрасли России может быть диверсификация производства на технологии выщелачивания металлов как альтернатива традиционным технологиям с потерей некондиционного сырья. Исследование эффективности подземного выщелачивания осуществляется комплексным методом, включающим оценку качества дробления руды и параметров извлечения металлов из руд в продукционный раствор с проходкой контрольных выработок для количественного подтверждения. Промышленными многолетними экспериментами доказана возможность извлечения металлов из некондиционного сырья не только с уменьшением потерь, но и с приращением запасов за счет металлосодержащего сырья. Рассмотрены вопросы диверсификации горного производства на технологии выщелачивания металлов на основе систематизации и детализации опыта практики применения технологий с выщелачиванием металлов в подземных шахтных блоках. Сделан вывод, что для расширения диапазона применения технологии выщелачивания традиционная технология подготовки руды к извлечению металлов на месте залегания нуждается в обеспечении нужного гранулометрического состава, равномерной плотности размещения руд в магазине, создании условий для фильтрации потоков выщелачивающих растворов и предупреждения потерь продукционных растворов. Полученные закономерности физико-химических процессов выщелачивания в подземных блоках, штабелях на земной поверхности и в активаторах цехов гидрометаллургических производств могут быть применены при добыче металлов из химически вскрываемого металлосодержащего сырья. Конверсия и диверсификация горного производства нуждаются в разработке научных основ выщелачивания, включающих повышение извлечения из руд, обеспечение нужного гранулометрического состава, интенсификацию процесса и др. Для этого могут быть востребованы результаты обобщения ранее выполненных в России и дальнем зарубежье теоретических и экспериментальных исследований.

Постановка задачи (актуальность работы). В последнее время стали широко внедряться эмульсионные взрывчатые вещества (ВВ) отечественного производства. Они являются более безопасными в эксплуатации и превосходят по своим энергетическим характеристикам тротилосодержащие ВВ. Это является актуальной задачей на современном этапе развития горнодобывающих предприятий мира. Используемые методы. Описана технология нового технологического решения по обоснованию и выбору рациональных параметров буровзрывных работ с использованием эмульсионных ВВ при проведении подготовительных выработок. Они включали анализ горно-геологических условий залегания залежи и отработки очистных камер с помощью камерных систем разработки и закладкой выработанного пространства, применяемой технологии буровзрывных работ (БВР) при проведении горизонтальных и наклонных (до 12°) горных выработок и теоретические исследования, которые выполнялись с помощью математического метода моделирования. Новизна. Разработана концепция обоснования и выбора рациональных параметров БВР для проведения горизонтальных горных выработок с помощью высокопроизводительного самоходного оборудования и применения эмульсионных ВВ, а также учета их энергетических характеристик и физико-механических свойств пород. Результат. Применение эмульсионного ВВ типа «Украинит-П-СА» позволит уменьшить количество шпуров в забое выработки до 12% по сравнению с использованием ВВ типа «Аммонит № 6 ЖВ». Расходы взрывчатых материалов при использовании паспорта БВР при применении ВВ «Украинит-П-СА» уменьшится до 6%. Эти показатели свидетельствуют о необходимости применения эмульсионного ВВ типа «Украинит-П-СА» при проведении подготовительных и нарезных выработок буровзрывным способом, а также применение на проходческих работах высокопроизводительного проходческого оборудования. Ожидаемый экономический эффект, полученный в результате технико-экономического сравнения по основным статьям калькуляции расходов, свидетельствует о целесообразности внедрения разработанного технологического решения. Практическая значимость. Результаты проведенных исследований позволяют снизить себестоимость проведения 1 м выработки до 11%, а также осуществить ресурсосбережение при производстве горнопроходческих работ и увеличить скорость проведения выработок в условиях Частного акционерного общества «Запорожский железорудный комбинат» (ЧАО «ЗЖРК») до 200 м в месяц. Повышается также эффективность добычи рудного сырья для черной и цветной металлургии.

Постановка задачи (актуальность работы). При обработке деталей высокой точности в машиностроении сталкиваются с длительной отладкой технологического процесса, после его проектирования и диагностики причин брака. Обработка точных и глубоких отверстий создает особые трудности инженерам-технологам при проектировании технологических процессов. Но, несмотря на затраченные усилия после отладки технологической системы, не удается избежать частого появления брака по точности обработки. Диагностика причин брака занимает длительное время. Анализ технологии обработки точных и глубоких отверстий на современных предприятиях показал, что основной причиной продолжительной обработки являются трудности назначения технологических параметров операций и переходов на начальных стадиях обработки, к которым относятся сверление и зенкерование. Назначаемые технологические параметры обработки, такие как режимы резания, геометрия режущего инструмента, на эти операции мало соответствуют требованиям достижения точности расположения оси, а больше соответствуют требованиям достижения точности диаметрального размера, а также требованиям наибольшей производительности и стойкости инструмента. Повысить качество прогнозов точности обработки отверстий возможно на основе разработки математических моделей формообразований отверстий и компьютерных моделей расчета точности, учитывающих особенности зенкеров с многогранными неперетачиваемыми пластинами. Используемые методы. В данном исследовании использовались методы математического моделирования, теория резания, а также основные положения теории механизмов и машин. Новизна. Разработана математическая модель расчета увода оси отверстия при обработке зенкером с многогранными неперетачиваемыми пластинами, учитывающая новые переменные - осевое смещение вершин режущих кромок многогранных неперетачиваемых пластин τ друг от друга и различие главных углов в плане j, которые ранее не использовались в уже имеющихся аналогичных математических моделях. Результат. Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать увод оси отверстия при обработке зенкером с многогранными неперетачиваемыми пластинами, варьируя режимами резания, тем самым снижая трудоемкость обработки отверстий. Практическая значимость. Разработана методика выбора параметров операции, при обработке зенкерами с многогранными неперетачиваемыми пластинами, обеспечивающих заданную точность. Достигнуто повышение экономической и технологической эффективности при обработке отверстий зенкером с многогранными неперетачиваемыми пластинами, при использовании разработанной математической модели на основе уменьшения числа переходов и повышения агрегатируемости операций.

Прогнозирование точности обработки на стадии проектирования операции шлифования с ЧПУ в цифровой среде является актуальной задачей в силу отсутствия у различных производителей САПР инструмента, позволяющего контролировать управляющие программы на возможность обеспечения заданной точности обработки при изготовлении партии деталей. Для решения данной задачи предложено использовать цифровой двойник формообразования обрабатываемой поверхности, который позволяет прогнозировать погрешности обработки по расчетным значениям радиусов в конце цикла круглого врезного шлифования с учетом влияния переменных технологических факторов. В данной статье представлена модель формообразования радиусов шлифуемой поверхности, позволяющая вести расчет переменной глубины резания на всех участках обрабатываемой поверхности на каждом обороте заготовки в зависимости от податливости каждого участка вала по всей длине шлифования с учетом колебания припуска и затупления шлифовального круга. Внедрение цифрового двойника позволит решить задачу прогнозирования точности обработки на стадии проектирования операции шлифования с ЧПУ. Представленные в статье модели получены на основе имитационного моделирования с использованием аналитических методов математического моделирования, базирующихся на фундаментальных физических законах и основных положениях механики резания и теории пластической деформации металла в зоне стружкообразования. Научная новизна приведенных в данной статье исследований заключается в разработке цифрового двойника формообразования обрабатываемой поверхности нежесткого вала с эллипсным профилем, который впервые учитывает взаимосвязь и влияние на точность обработки глубины резания, режимов резания, физико-механических свойств обрабатываемого металла, силы резания, упругих деформаций технологической системы, кинематики процесса круглого врезного шлифования, геометрии зоны резания, колебания припуска, затупления круга, переменной жесткости вала по длине обработки. В результате в статье представлена часть разработанного впервые методологического и математического обеспечения для цифрового двойника формообразования обрабатываемой поверхности. Применение цифрового двойника формообразования обрабатываемой поверхности в производстве имеет большую практическую значимость, так как позволяет вести автоматизированный контроль управляющих программ для станков с ЧПУ на возможность обеспечения достижимой точности обработки при изготовлении партии деталей.