CC BY
28
2. Cobain J. Introduction in physics ofvacuum arc / J. Cobain //
Vacuum arcs. Moscow : Mir, 1982. - P. 19-39.
6. Patent of the Russian Federation / [N. Z. Vetrov, A. A. Lisen-kov etc.], - N 2180472 of 07.02.2000, MKI H05H1/50. Vacuum-arc source of plasmas. Published in 2002. B.I. -N 7.
7. Lisenkov A. A. Vacuum technology / A. A. Lisenkov. -
3. Ecker G. Vacuum Arc Theory / G. Ecker // Vacuum arcs. -Moscow : Mir. - 1982. - P. 269-384.
4. Mesjaz G.A. Ectons / G. A. Mesjaz. - Ekaterinburg : UIF Nauka, 1993. - Part 2. - 244 p.
8. Saksagansky G. L. Electrophysical vacuum pumps / G. L. Saksagansky. - Moscow : Energoatomizdat, 1988. -
2004. - Vol. - 14. - N 4. - P. 221-226.
5. Dorodnov A. M. // Letters to the journal of applied physics /
A. M. Dorodnov, A. I. Kuznezov. - 1979. - Vol. 5. -N 16. -P. 1001-1006.
Лисенков А.А., Валуев В.П., Санчугов Е.Л. Исследование вакуумно-дугового разряда на интегральнохолодном катоде при нанесении покрытий
В статье представлен вакуумно-дуговой источник плазмы протяженной конструкции, работающий в импульсно-периодическом режиме и генерирующий направленный ленточный поток плазмы. Проведенные исследования позволили получить дополнительную информацию о развитии катодных пятен вакуумно-дугового разряда. Выявлена зависимость скорости перемещения катодных пятен от температуры катода.
Ключевые слова: плазма, вакуумно-дуговой разряд, катодное пятно, покрытие.
Лисенков А.А., Валуев В.П., Санчугов Є.Л. Дослідження вакуумно-дугового розряду на інтегрально-холодному катоді при нанесенні покриття
У статті надане вакуумно-дугове джерело плазми протяжної конструкції, що працює в імпульсно-періодичному режимі і формує спрямований стрічковий потік плазми. Проведені дослідження дозволили отримати додаткову інформацію про розвиток катодних плям вакуумно-дугового розряду. Виявлено залежність швидкості переміщення катодних плям від температури катода.
Ключові слова: плазма, вакуумно-дуговий розряд, катодна пляма, покриття
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ОКАЛИНЫ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ
Выполнена разработка и оптимизация многофункциональной системы зависимостей техникоэкономических показателей металлизации окалины быстрорежущих сталей. Определены и исследованы оптимальные области технико-экономических показателей и расходных коэффициентов, в результате чего выявлена возможность повышения качества полученного материала с наиболее выгодным содержанием легирующих элементов в нем и снижение себестоимости выплавки стали с его использованием.
Ключевые слова: техногенные отходы, легирование, сталь, легирующие элементы, математическая модель, технико-экономические показатели.
УДК 669.28:519/87
А. С. Петрищев
Национальный технический университет, г. Запорожье
Введение
щих сталей не превышает 80 %, а в процессе выплавки быстрорежущей стали в открытых дуговых печах этот показатель значительно меньше, так как выход годного находится на уровне 36-42 %. Основную долю отходов составляют обрезь, окалина, пыль силовою шлифования товарных заготовок, циклонная пыль и некондиционный порошок. При введении в жидкую ванную мелкодисперсных отходов без предваритель-
Известно, что более 80 % [1], а по данным работы [2], около 95 % тугоплавких редких металлов используется для легирования стали. С этой точки зрения наиболее материалоемким классом являются легированные инструментальные и быстрорежущие стали. Установлено, что степень использования легирующих элементов в порошковом производстве быстрорежу-
© А. С. Петрищев, 2012
ной подготовки угар редких металлов достигает 40 %, а с окалиной при производстве мелкосортных товарных заготовок в лучшем случае теряется 12 % от объемов производимой продукции [3]. Утилизация является резервом снижения их себестоимости [4, 5].
Украина не имеет собственной минерально-сырьевой базы для производства легирующих материалов на основе редких и тугоплавких элементов. Потребность у них удовлетворяется импортными поставками с ближнего и дальнего зарубежья. Особенно эта проблема обострилась в последние года в связи со стремительным ростом цен на них на мировом рынке потребления [6]. Поэтому разработка отечественных ресурсо- и энергосберегающих технологий молибден-и вольфрамсодержащих сплавов и лигатур, тем более с параллельной утилизацией немобильных отходов (окалина быстрорежущих сталей) представляет не только научный, но, прежде всего, практический промышленный интерес [7].
Комплекс исследований и результат внедрения технологий предварительной подготовки техногенных отходов с получением на их основе нетрадиционных легирующих и раскисляющих материалов [7, 8] и последующим использованием при выплавке инструментальных и быстрорежущих сталей позволили установить ряд закономерностей. Выявлено, что наибольшую сложность при возврате в сталеплавильное производство создает группа металлооксидных и мелкодисперсных отходов, отличающихся формой присутствия ведущих легирующих элементов, развитой поверхностью реагирования и высокой степенью загрязнения сопутствующими вредными примесями.
В случае использования мелкодисперсных оксидных отходов, не загрязненных сопутствующими примесями серы и фосфора, экономически целесообразна металлизация в гетерогенной системе без появления жидких фаз [1, 9].
Цель работы - разработка технологии получения металлизованной окалины быстрорежущих сталей и ее использование при выплавке стали, а конкретные задачи данного этапа исследований состояли в построении и оптимизации многофункциональной модели системы зависимостей технико-экономических показателей металлизации окалины быстрорежущих сталей.
Материалы и методика проведения исследований
В работе были использованы материалы активного промышленного эксперимента металлизации окалины быстрорежущих сталей и применение полученного материала для легирования специальных сталей.
Задача комплексного легирования с одновременной утилизацией металлургических отходов достигается тем, что шихта включает окалину быстрорежущих сталей (Р6АМ5, Р6М5К5, Р6М5ФЗ) с углеродным восстановителем с добавлением молибденового, соответственно ТУ 14-5-88-77, и вольфрамового, соот-
ветственно ГОСТ 213-83, оксидных концентратов.
С целью достижения оптимальных свойств целевого продукта с учетом комплексного влияния состава шихты на экономию от использования металлизо-ваннош сырья для легирования сталей использовался регрессионный анализ [10].
Теория и анализ полученных результатов
Факторы, которые исследовались в работе, занесены в таблицу 1.
Исследована взаимосвязь процессов и экспериментально построена функциональная зависимость, что позволило с некоторой достоверностью использовать ее в планировании ожидаемых технико-экономичес-ких показателей. Общее снижение себестоимости, которое зависит от многих факторов, можно описать с помощью нелинейной множественной регрессии. Оценки коэффициентов регрессионной модели находим с помощью МНК (метода наименьших квадратов) в матричной форме. В результате была получена математическая модель, которая имеет следующий вид:
у = -26,3984-0,001 Щ)2 +4,1 Зб21пх2+1,13-10'9(х3)3 -
-0,26291пх4+0,2117х5, (1)
где у - повышение степени усвоения легирующих элементов, %, х1 - массовое соотношение окалины и концентратов Мо и Ш; х2 - скорость нагрева шихты, °С/мин; х3 - температура нагрева шихты, °С ; х4 - время выдержки шихты при температуре тепловой обработки, ч; х5 - степень восстановления оксидов металлов, %.
При построении структуры регрессии, с одной стороны, нужно включить в регрессию все факторы, которые имеют существенное статистическое влияние на показатель, а с другой стороны, нужно, чтобы было выполнено условие линейной независимости между факторами, то есть отсутствие мультиколинеарности для эффективного применения МНК. Методом Фар-рара-Глобера исследуем в модели (1) присутствие мультиколинеарности. Проверка по помощи теста показала, что с надежностью р = 0,95 существует общая мультиколинеарность.
Из вида корреляционной матрицы был сделан вывод, при котором между факторами х2 их4 существует тесная связь. Поскольку влияние на показатель у фактора х2 более значительное (гух2 = 0,70, гух4 = 0,68), то из регрессии исключаем фактор х4 для устранения мультиколинеарности.
С учетом преобразований математическая модель приобретает следующий вид:
у = -25,6379 - 0,00076:, )2 + 3,87231т:. +3,29-10-10(х,)3+ + 0,2166х5, (2)
Проверка при помощи теста ч2 показала, что мультиколинеарность осталась, но значительно уменьшилась: на 27,6 % в сравнении с предыдущим случаем.
Таблица 1 - Исследуемые технико-экономические показатели производства металлизованной окалины быстрорежущих сталей
№ Фактор
Номер шихты Массовое соотношение окалины и концентратов Mo и W Скорость нагрева шихты, °С/мин Температура нагрева шихты, °С Время выдержки шихты при температуре тепловой обработки, ч Степень восстановле ния оксидов металлов, % Повышение степени усвоения легирующих элементов, %
*i *2 *3 х4 *5 У
1 36,5 6 1350 7 99,7 3
2 35,75 6 1335 7 99,7 3
3 35 6 1320 7 99,7 3
4 34,2 6,5 1305 6,8 99,55 3
5 33,4 7 1290 6,6 99,4 3
6 33,35 7,5 1285 6,55 99,2 3,25
7 33,3 8 1280 6,5 99 3,5
В 30,15 8 1250 6 98,8 4
9 27 8 1220 5,5 98,6 4,5
10 24,15 8,5 1185 5 98,5 4,5
11 21,3 9 1150 4,5 98,4 4,5
12 18,85 9 1125 3,75 98,35 4,5
13 16,4 9 1100 3 98,3 4,5
14 13,1 9,5 1075 2,75 98,15 4,5
15 9,8 10 1050 2,5 98 4,5
16 7,7 10,5 1025 2,25 97,85 4,5
17 5,6 11 1000 2 97,7 4,5
1В 4,25 11,5 975 1,75 97,65 5,25
19 2,9 12 950 1,5 97,6 6
20 2,85 12,5 945 1,45 95,9 5,5
21 2,8 13 940 1,4 94,2 5
22 2,75 13,5 920 1,3 92,15 4,75
23 2,7 14 900 1,2 90,1 4,5
24 2,65 14 875 1,2 00 00 со 4
25 2,6 14 850 1,2 87,5 3,5
/-тест на значимость коэффициентов регрессии показал, что все параметры регрессии значимые, то есть ни один из факторов нельзя исключить из регрессии.
Согласно проверки при помощи критерия Фишера, полученная модель адекватная статистическим данным (^= 31,709, =2,87).
4 ? ? крит 7 /
Коэффициенты регрессии с надежностью р = 0,95 находятся в таких границах:
-39,6334 <р0<-11,6424,
- 0,0040 <р1 <0,0027,
0,2111 < р2 <7,5334,
-3,88-10 9 < р3<4,54-10‘9,
0,2100 < |35< 0,2231.
Значение «у» и доверительные интервалы для регрессии указаны на рис. 1, из которого имеем графическое подтверждение расчетных значений, что полученная модель удовлетворительно соответствует практическим данным.
Для наглядного анализа полученной модели построены три наиболее значимых с практической точки зрения частичные зависимости в виде поверхностей на рис. 2-4 с закреплением некоторых параметров:
ух = Дхр х2) -х3= 945 °С, х5 = 95,9 %;
у2 = х3) - х2= 9,5 °С/мин, х5 = 95,9 %;
_у3=Дх3, х5) - х=5,6, х2=\0 °С /мин.
Проведенная работа позволяет выявить оптимальные области технико-экономических показателей и расходных коэффициентов исходных материалов с дальнейшей оптимизацией технологических параметров и состава шихты и снижением потерь легирующих элементов в процессе восстановления и при выплавке сталей с использованием металлизованнош сырья с учетом уже достигнутых результатов данною направления. При этом одновременно учитывается влияние сразу четырех факторов на снижение себестоимости целевого продукта.
Лгшер шихты-
Рис. 1. Практические и расчетные значения общего снижения себестоимости с обозначением верхней и нижней границы
95 % доверительной зоны регрессии
У
■ 6 у
4.5
3;5
1и
х-
.Ш
.10''
■X!
Рис. 2. Зависимость повышения степени усвоения легирующих элементов с использованием металлизован-ного вторичного сырья (у) от массового соотношения окалины и концентратов Мо и¥в шихте (д^) и скорости нагрева шихты (д2)
... 4. У
....- 4,7
....■ 4:5
./......................................... ......... .,
< 7-/'ы. '/■ А
..:....3,9
...... 4; 3
1;1
..■ 3:‘
...- я:-
.............................................
■■■■■.................................................................................................................................................................................... ГГ
' ¿. .">■ ..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
Рис. 3. Зависимость повышения степени усвоения легирующих элементов с использованием металлизован-ного вторичного сырья (у) от массового соотношения окалины и концентратов Мо и¥в шихте (ду) и температуры нагрева шихты (л3)
У:
5.5
А
3.5
100
98
96
34
м--
92
2.5
850
350 1050 1150
X;
9 и
1.150
Рис. 4. Зависимость повышения степени усвоения легирующих элементов с использованием металлизованного вторичного сырья (у) от температуры нагрева шихты (х3) и степени восстановления оксидов металлов (д 5)
С помощью поверхностей, изображенных на рис. 2-4, возможно визуально проследить комплексное влияние факторов и высчитать оптимальные условия для повышения экономии при выплавке стали. Исходя из анализа построенной модели, для обеспечения высокого качества металлизованной окалины с наиболее выгодным содержимым легирующих элементов в ней, что дает значительное снижение себестоимости выплавки стали, оптимальные области техни-ко-экономических показателей принимают следующие значения (табл. 2).
Установленная высокая технико-экономическая эффективность использования исследуемого легирующего материала при выплавке быстрорежущих сталей.
При завалке брикетов из металлизованной окалины россыпью и в капсулах в количестве 150-320 кг/т усвоение легирующих элементов было (в среднем, % масс.): Сг - 95,3; \У- 97,9; Мо - 96,7 соответственно. Наблюдалось некоторое повышенное шлакообразование для переплавного способа получения порошковой быстрорежущей стали, однако в пределах требований технологической инструкции. Повышенное относительно завалки брикетов россыпью усвоение легирующих элементов при введении их в капсулах связано со снижением окислительного потенциала в связи с понижением прямого контакта брикетов с окислительной средой печи [7].
Таблица 2 - Оптимальные области исследуемых технико-экономических показателей получения и использования металлизованной окалины быстрорежущих сталей с добавлением молибденового и вольфрамового оксидных концентратов (хр х2, х3, х5)
Границы оптимальных значений факторов Массовое соотношение окалины и концентратов Мо и W Скорость нагрева шихты, °С/мин Температура нагрева шихты, °С Степень восстановления оксидов металлов, %
*i *2 *5
Min 2,7 9 1100 94
Max 9,8 13 1280 98
Выводы
Построенная математическая модель позволила установить и исследовать оптимальные области тех-нико-экономических показателей и расходных коэффициентов, в результате чего выявлена возможность повышения качества металлизованной окалины быстрорежущих сталей с наиболее выгодным содержимым легирующих элементов в ней и повышения степени усвоения легирующих элементов с использованием металлизованного вторичного сырья. Оптимальное массовое соотношение окалины и концентратов Мо и W в шихте находится в пределах 2,7... 9,8, скорость нагрева шихты - 9... 13 °С/мин, температура нагрева шихты - 1100... 1280 °С, степень восстановления оксидов металлов - 94-98 %, что позволило оптимизировать параметры расходных коэффициентов. Значительная экономия ценных легирующих элементов при выплавке быстрорежущих сталей с применением исследуемого металлизованного сырья подтверждает инновационную целесообразность производства нового легирующего материала в Украине и его использование в металлургии специальных сталей.
Список литературы
1. Гасик М. И. Теория и технология производства ферросплавов / Гасик М. И., Лякишев Н. П., Емлин Б. И. - М. : Металлургия. - 1988. - 784 с.
2. Рысс М. А. Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1975. - 272 с.
3. Григорьев С. М. Извлечение тугоплавких элементов из
окалины быстрорежущей стали / Григорьев С. М. // Сталь. - 1994. - № 3. - С. 63-66.
Пивень А. Н. Экономическая эффективность утилизации редких металлов из окалины быстрорежущих сталей / А. Н. Пивень, С. М. Григорьев II Цветные металлы. - 1993. -№ 3. - С. 10-11.
Григор’єв С. М. Опгимізація показників економіко-ма-тематичної моделі виробництва сплаву для легування та розкиснення швидкорізальних сталей / Григор’єв С. М., Петрищев А. С. // Держава та регіони. - Запоріжжя : КПУ -2011. -№ 1. -С. 39-43.
6. Керкхофф X. Ю. Взрыв цен на сырье - угроза экономическому подъему / X. Ю. Керкхофф II Черные металлы. -2010.-№ Ю.-С. 61-66.
7. Григорьев С. М. Особенности фазовых и структурных превращений при металлизации окалины быстрорежущей стали / Григорьев С. М., Петрищев А. С. II Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. -2011.-№ 1.-С. 31-35.
8. Григорьев С. М. Оптимизация технологических параметров получения и использования сплавов для легирования и раскисления быстрорежущих сталей / Григорьев С. М., Петрищев А. С. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2008. - № 1. -С. 61-66.
9. Восстановление железа из железоуглеродистых брикетов при плавке стали в дуговых электропечах / [Ахметов А. Б., Байсанов С. О., Ахганова Р. Ш. и др.] II Сталь. -2007. - № 8. - С. 39-42.
10. Лук’яненко I. Г. Економетрика / Лук’яненко I. Г, Красикова Л. I. - К. : Товариство «Знання», КОО, 1998. -494 с.
Одержано 29.09.2011
Петрищев А.С. Оптнмізація техніко-економічних показників технології металізації окалини швидкорізальних сталей
Виконано розробку та оптимізацію багатофункціональної системи залежностей техніко-економічних показників металізації окалини швидкорізальних сталей. Знайдено та досліджено оптимальні області техніко-економічних показників та витратних коефіцієнтів, у результаті чого виявлено можливість підвищення якості одержаної сировини з найбільш вигідним вмістом легувальних елементів у ній та зниження собівартості виплавки сталі з його використанням.
Ключові слова: техніко-економічні показники, техногенні відходи, легування, сталь, математична модель, собівартість, легувальні елементи.
Petryshchev A. Optimization of technical and economic indexes of fast-cutting steels scale metallization technologies
Development and optimisation of multipurpose system dependences of technical-and-economic indexes of scale of fast-cutting steels metallization was made. Optimum areas of technical-and-economic indexes and account factors and therefore possibility of improvement in quality of the received raw materials with the most favourable contents of alloying elements in it and lowerings steel smelting cost price with its use was discovered and examined.
Key words: technical-and-economic indexes, technogenic waste, alloying, steel, mathematical model, cost price, alloying elements.
УДК 669.14.018.025 Д-р техн. наук В. Ю. Ольшанецький1, канд. техн. наук О. В. Нестеров1, д-р техн. наук С. I. Гоменюк2, канд. техн. наук С. М. Гребенюк2
1 Національний технічний університет,2 Національний університет;
м. Запоріжжя
АНАЛІТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ФАКТОРІВ ЙОННОГО АЗОТУВАННЯ МАЛОВУГЛЕЦЕВОЇ НЕІРЖАВІЮЧОЇ СТАЛІ НА ПОКАЗНИКИ ЇЇ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ
Проведено кількісний аналіз результатів йонно-плазмового азотування зразків (твердість та ширина поверхневого шару) феритних хромових сталей з метою подальшої оптимізації технології використовуваного процесу хіміко-технічної обробки.
Ключові слова: азотований шар, йонно-плазмовий процес, дифузійне насичення, хромова сталь, поліноми залежностей.
Для виготовлення виробів для згоряння різних видів палив та систем випуску відпрацьованих газів у світовій практиці пропонується ряд листових матеріалів: висо-кохромисті феритні сталі типу 08X18Т1, 15Х25Т, ме-талокомпозитні матеріали, зокрема алюміновані конструкційні вуглецеві сталі. Але світовий досвід розробки матеріалів для використання у техніці показує, що з метою підвищення конкурентоздатно сті є можливість виробництва економнолегованих листових сталей, хімічний склад, структура і комплекс властивостей яких відповідає суто умовам експлуатації таких виробів і систем. Наприклад, у Японії і Німеччині розроблені низь-
ковуглецеві хромисті сталі типу УШ-409В, ШИМ 4512, які додатково леговані алюмінієм, азотом і титаном, що дозволило знизити вміст хрому до 10-12 %. Ці сталі широко використовуються для виготовлення систем випуску відпрацьованих газів автомобілів.
Для отримання підвищення корозійностійко сті ма-ловуглецевої феритної сталі, наприклад з 8 % (мас.) хрому, яка була б здатна забезпечити ресурс експлуатації виробів, не менший за світові аналоги, нами було проведено дослідження можливостей зміни стану поверхні виробів шляхом йонного азотування в атмосфері тлійного розряду маловуглецевої сталі з саме таким вмістом хрому.
© В. Ю. Ольшанецький, О. В. Нестеров, С. І. Гоменюк, С. М. Гребенюк, 2012 76
