Отчет по работе «Разработка научных и технологических аспектов производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей», проводимой в рамках ФЦП, этап №1

Отчётные материалы этапа № 1 «Выбор направления
исследований» Соглашения с Министерством образования и науки Российской Федерации о предоставлении субсидии от «23» июня 2014 г. №14.574.21.0054, уникальный идентификационный номер RFMEFI57414X0054, по теме «Разработка научных и технологических аспектов производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей»

Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет).

Индустриальный партнер: ООО «Завод Стройтехника»

    В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 23 июня 2014 года № 14.574.21.0054 по теме «Разработка научных и технологических аспектов производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей» с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 23 июня 2014 года по 23 июня 2014 года выполнялись следующие работы:

   1. Выполнение аналитического обзора современной научно-технической, нормативной и методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009–2013 гг..
   2. Выполнение патентных исследований в соответствии с ГОСТ 15.011 по направлению «Легкообрабатываемые стали различных классов».
   3. Теоретические исследования изучения процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
   4. Разработка программы и методики экспериментальных исследований процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
   5. Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец установки для исследования процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
   6. Изготовление экспериментального образца установки для исследования процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
   7. Проведение экспериментальных исследований процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
   8. Теоретические исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах железе.
   9. Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец установки для исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах железа..
   10. Разработка программы и методики экспериментальных исследований экспериментального образца установки для исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах железа.
   11. Изготовление экспериментального образца установки для исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах железа.
   12. Разработка математической модели и программы для моделирования поведения легкоплавких и легкоиспаряющихся легирующих добавок при введении в расплав.
   13. Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию результатов ПНИ (участие не менее чем в 1 конференции с докладом о моделировании поведения висмутового шарика в стальном расплаве).
   14. Аренда, закупка или создание необходимого технологического и контрольно-измерительного оборудования для изготовления экспериментального образца установки для исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах железа, экспериментального образца установки для исследования процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа и разработки математической модели и программы для моделирования поведения легкоплавких и легкоиспаряющихся легирующих добавок при введении в расплав.

    При этом были получены следующие результаты:

   1. В рамках работы выполнен аналитический обзор, результат которого показали актуальность выбранной тематики.
   2. Выполнено патентное исследование и оформлен отчет в соответствии с ГОСТ 15.011 по направлению «Легкообрабатываемые стали различных классов». После проведения патентного поиска были поданы заявки на изобретения на легкообрабатываемые конструкционные стали, легированные висмутом и кальцием типа АВЦ19ХГН, АВЦ20ХГНМ, АВЦ40ХГНМ, АВЦ12ХН, АВЦ35Г2, АВЦ13Г2, АВЦ40Х
   Проведены теоретические исследования изучения процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
   Разработана программа и новая уникальная методика исследования поведения легирующих добавок, внедряемых в жидкую сталь в виде шариков, диаметром 5-10 мм.
   Наблюдение осуществляли с помощью просвечивающей рентгеновской установки РУП 150/300 с записью изображения, передаваемого высокочувствительной матричной телевизионной камерой со скоростью 30 кадров в секунду. Размер видимой области на объекте 47х36 мм, размер элемента изображения 0,13 мм с 256 градациями серого.
   Необходимым условием реализации методики является разница плотностей стали и добавки, не менее 3-4 %. Для повышения качества изображения использовали специальный тигель прямоугольной формы шириной 13-14 мм в направлении проникающего излучения и ряд дополнительных методических приемов.
   Сбрасыванием шариков в расплав управляли дистанционно из соседнего помещения, не прерывая наблюдения и не нарушая герметичности печи.
   5. Исследовано внедрение висмутовых и оловянных шариков в расплавленную сталь 40Х при температуре 1550-1570°С в атмосфере гелия под давлением 1 атм. Проведена серия опыта, в каждом из которых сбрасывали в стальной расплав 7-8 висмутовых и оловянных шариков. Визуально наблюдали временами весьма интенсивное расплавление висмута и олова, а также кипение висмута, находящегося под слоем стали.
   6. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец установки для исследования процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
   7. Получен экспериментальный образец и составлен акт получения экспериментального образца на установке для исследования процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа. Полученные после опытов слитки подвергали оценке качества (проводили химический анализ, оценку характера и формы неметаллических включений, осуществляли контроль по макро- и микроструктуре). Содержание висмута и олова в стали контролировали по высоте и сечению слитка на атомно-эмиссионном спектрометре Perkin-Elmer Optima 2100 DV на кафедре физической химии ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ), г. Челябинск. Состав неметаллических включений изучали при увеличении 100..2 000 с помощью растрового электронного микроскопа с термополевой эмиссией Jeol JEM7001F с энергодисперсионным анализатором Oxford INCA X-Max 80.
   Полученные теоретические и практические данные позволят прогнозировать поведение легкоплавких элементов в расплаве, разрабатывать и корректировать технологию разливки легкообрабатываемой стали, легированную оловом и висмутом.
   9. Проведены теоретические исследования растворимости висмута в жидких и твёрдых сплавах на основе железе. В литературе имеется материал по влиянию висмута на свойства стали и ее обрабатываемость резанием, но почти не изучены физико-химические условия растворения висмута в твердом, жидком железе и его сплавах.
   Сложность определения растворимости связана с физико-химическими свойствами висмута (низкая температура плавления 271°С, температура кипения ниже температуры выплавляемой стали – 1560°С, высокая упругость пара, высокая плотность – 9,750 кг/м3). Для проведения экспериментов необходимо создать следующие условия: герметизация рабочего пространства, создание и поддержание высокой температуры (1500…1700 ºС) в течение определенного периода времени, получение высокого давления в реакционной зоне, получение закаленного слитка после опыта, автоматическое регулирование продолжительности эксперимента.
 

Эскиз установки
 


 

Готовая установка
 

Краткие технические характеристики печи

Установленная мощность трансформатора  
Напряжение/частота питающей сети               380 В, 50 Гц      
Охлаждение                                                        водяное      
Габариты:
диаметр                                                             360 мм
высота                                                                680 мм      
Масса                                                                 26,2 кг      
Максимальная температура                          1700 °С      
Атмосфера                                                          защитная (аргон, гелий)      
Давление                                                            0,6 до 60 атм.      
Управление                                                         программное      
Точность поддержания температуры                 не менее 2 град      
Регулирование температуры                             плавное

   10. Поэтому для проведения опытов была спроектирована (разработана ЕСКД) и создан экспериментальный образец установки для исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах железа в ЮУрГУ, на кафедре общей металлургии.
   11. Разработана программа и методика экспериментальных исследований экспериментального образца установки для исследования растворимости висмута в жидких и твёрдых сплавах железа.
Насыщение жидкого железа висмутом будет проводится через газовую фазу в закрытом молибденовом контейнере с притертой крышкой, помещенном в графитовый тигель с завинчивающейся крышкой. Опыты проводятся в атмосфере аргона в интервале температур 1550…1650 ºС. Продолжительность эксперимента составляет 1 час.
   Изучение растворимости висмута в сплавах железа с хромом, марганцем, кремнием, никелем, вольфрамом, ванадием, оловом, кобальтом, фосфором, серой, алюминием, углеродом и рядом других элементов будет проводится при температуре 1550…1650 ºС с шагом 25 ºС по методике аналогичной для определения растворимости висмута и свинца в жидком железе. Влияние многих элементов на растворимость висмута в железе и его сплавах будет исследовано впервые. Получение новых результатов позволит прогнозировать химические составов новых легкообрабатываемых экологически чистых марок стали.
   12. На основании теоретических и практических данных разработана математическая модель и написана программа для моделирования поведения легкоплавких и легкоиспаряющихся легирующих добавок при введении в расплав на языке программирования С++. Методом конечных разностей в пакете электронных таблиц LibreOffice.Calc решили задачу о нагреве висмутового шарика (начальная температура 25°С) мгновенно внедренного в расплав стали 40Х при температуре 1600°С. Программная реализация вычислений осуществлялась в макросе, написанном в LibreOffice.Basic.
   Полученные теоретические и практические данные позволят прогнозировать поведение легкоплавких элементов в расплаве, разрабатывать и корректировать технологию разливки легкообрабатываемой стали, легированную оловом и висмутом.
   13. В рамках проекта принимали очное и заочное участие на 5 конференциях, в том числе за счет средств индустриального партнера: ХIII Международный конгресс сталеплавильщиков (г. Полевской, Свердловская область, 12-18 октября 2014 г.), Российская конференция "Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов" (г. Курган), Международная научная конференция молодых ученых «Электротехника. Энергетика. Машиностроение» (г. Новосибирск), Научно-техническая конференция и выставка инновационных проектов, выполненных вузами и научными организациями Уральского федерального округа в рамках участия в реализации федеральных целевых программ и внепрограммных мероприятий, организованной при участии Министерства образования и науки (г. Екатеринбург).
   14. Произведена покупка за счет средств индустриального партнера: контроллера мощности (аналоговый) Dansoff ACI 50-1 для установки для исследования растворимости висмута в жидких и твёрдых сплавах железа, 2 персональных компьютеров, аренда оборудования ЦКП "Южно-Уральский центр коллективного пользования по исследованию минерального сырья".

    Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом»

Прикрепленный файлРазмер
Отчетные материалы этапа №1.doc1.46 Мб