Исследования выполнены с целью установления закономерностей сернокислотного растворения сульфидов металлов с участием экологически безопасных окислителей – озона и ионов Fe(III), определения параметров и режимов интенсификации извлечения металлов в раствор, уменьшения расхода окислителей и направлены на разработку наименее экологически напряженных, рентабельных способов извлечения цветных металлов из сульфидных руд, продуктов обогащения и техногенных отходов. Объектами изучения были сульфидный медный концентрат флотационного обогащения руды Удоканского месторождения крупностью 90 % –0,074 мм с содержанием меди 24,5 % и озон концентрацией 80–180 мг/л в газовой смеси с кислородом (ОКС), подающийся в реактор со скоростью 1–5 мл/с. Закономерности изучены в диапазоне концентраций серной кислоты 20–100 г/л и ионов Fe(III) 7,8–29,2 г/л при температуре 18–60 °С в реакторах с перемешиванием и соотношении Т : Ж = 1,1÷1,5. Установлено, что использование ионов Fe(III) и озона позволяет значительно интенсифицировать излечение меди из сульфидов в раствор серной кислоты. Извлечение меди из сульфидов повышается пропорционально увеличению содержания Fe(III) с 7,8 до 29,25 г/л – в 2,4 раза. Озон эффективно окисляет Fe(II) и регенерирует ионы Fe(III). При повышении температуры и концентрации железа расход озона на окисление возрастает: на 1 моль Fe расходуется 0,22 моль О3, что больше теоретического значения 0,17. Повышение скорости извлечения меди из сульфидов с использованием озона достигается при увеличении температуры с 20 до 50 °С (в 1,4 раза), концентрации озона с 85 до 180 мг/л (в 3 раза), скорости подачи ОКС с 1 до 5 мл/с (в 2,7 раза при 20 °С, в 3,9 раза при 50 °С), добавлении ионов Fe(III) (в ~1,5 раза при 50 °С, [Fe(III)] = 10 г/л). Наибольшую окислительную активность в растворе серной кислоты обеспечивают продукты разложения озона при температуре 50 °С, когда его растворимость снижается. Коэффициент использования озона и его удельный расход на извлеченную медь снижаются при увеличении скорости подачи ОКС с 1 до 5 мл/с (при 20 °С в 1,42 раза, при 50 °С в 1,16 раза) и повышаются при росте температуры и концентрации ионов Fe(III) вследствие быстрого разложения озона и его непроизводительного использования на окисление железа.

Предложен механизм совместного восстановления оксидов из многокомпонентных медеплавильных шлаков при их продувке восстановительными смесями СО–СО₂ и разработан алгоритм для его реализации в форме математической модели. Первой особенностью предложенного механизма является положение о том, что суммарная скорость всего процесса восстановления определяется расходованием СО при его взаимодействии с ионами кислорода, образованными при диссоциации оксидов шлака. Второй особенностью является положение о достижении равновесия между шлаком, сплавом и газовой фазой в соответствии с достигнутым в каждый момент времени окислительным потенциалом системы. Показано удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных данных, полученных при восстановлении промышленных медеплавильных шлаков при температуре 1300 °С и значениях отношения СО/СО₂ = 4, 6 и 156, и использовании кинетического уравнения первой степени относительно разности между исходным и равновесным содержаниями СО в газовой фазе. Рассчитана обобщенная константа скорости реакций восстановления многокомпонентного шлака, составляющая k = 2,6·10^–7 моль _CO /(см² · с·%) при температуре 1300 °С. Показано, что при восстановлении промышленного многокомпонентного шлака скорости восстановления оксида меди и магнетита высоки и близки к максимальным уже в самом начале продувки шлака восстановительным газом, в то время как для оксидов двухвалентного железа, цинка и свинца в первые минуты процесса они незначительны и возрастают постепенно, достигая максимума, после чего снова снижаются вплоть до близких к нулю значений при приближении к равновесию между подаваемым газом и расплавом. В целом скорость восстановления оксидов закономерно падает при приближении к равновесию исходного газа и жидких фаз, что необходимо учитывать при организации непрерывных процессов обеднения шлаков.

Представлена новая нестационарная трехмерная математическая модель алюминиевого электролизера, позволяющая выполнять сопряженные термоэлектрический и магнитогидродинамический расчеты с учетом образования гарнисажа и настыли. В модели учитывается нелинейная зависимость коэффициентов электропроводности и теплопроводности материалов от температуры, а для ферромагнитных материалов – нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. Коэффициенты теплоотдачи на наружных поверхностях включали лучистую и конвективную составляющие теплообмена и являлись функциями температуры окружающей среды и локальной температуры поверхности. В уравнении энергии учитывались внутренние источники теплоты, обусловленные протеканием электрического тока, экзотермическими реакциями и дополнительными тепловыми эффектами, связанными с загрузкой сырья и фазовыми переходами. Для получения численного решения был применен метод контрольного объема. Экспериментальная апробация разработанной математической модели выполнялась на электролизере С8БМЭ. В работе представлены расчетные и экспериментальные данные магнитных, электрических, тепловых и гидродинамических полей. Сопоставление результатов расчета с данными, полученными при проведении промышленных экспериментов, показало, что разработанная модель с достаточной для инженерных расчетов точностью отражает физические процессы, протекающие в алюминиевом электролизере. Расчетные значения электрического напряжения, магнитной индукции и температуры практически совпадают с измеренными. Полученные путем расчета направления скоростей в металле и форма рабочего пространства имеют незначительные отличия от экспериментальных значений. Разработанная модель может быть использована для оценки режимных и конструктивных параметров работы новых и модернизированных алюминиевых электролизеров. Дальнейшие исследования будут направлены на уточнение расчетных результатов при помощи совершенствования разработанной математической модели.

Проанализированы основные задачи, связанные с обработкой расплава латуни. Приведено сравнение традиционных методов обработки с предложенным способом повышения качества сплава. Рассмотрены условия равновесия реакций разложения карбонатов при обработке расплава в открытом и закрытом ковшах. Сформулированы условия протекания реакции разложения карбонатов. Показана возможность одновременного флотационного воздействия образующегося газообразного продукта разложения карбонатов на процесс рафинирования расплава латуни от растворенных газов и неметаллических включений. Проведен анализ термодинамических условий ошлаковывания примесей путем введения карбонатов щелочных и щелочно-земельных металлов (ЩЗМ) посредством взаимодействия их оксидов с оксидами кремния и алюминия в расплаве. Исследована возможность повышения физико-механических свойств отливок из латуни за счет модифицирующего эффекта, обусловленного образованием оксидов кальция, стронция, бария и натрия в результате диссоциации их карбонатов. Описаны примененная технология обработки расплава латуни карбонатами ЩЗМ в разливочном ковше, а также методы исследования полученных результатов с точки зрения микроструктурного анализа и показателей механических испытаний. Установлено, что использование карбонатов при обработке расплава латуни способствует уменьшению среднего условного размера зерна, повышению его однородности и снижению вероятности формирования укрупненной α-фазы. Проведены исследования параметров структуры образцов при различных вариантах обработки расплавов карбонатами. Оценены механические свойства образцов латуни до и после обработки расплава различными комбинациями карбонатов ЩЗМ. Определены составы карбонатных смесей, оказывающих наиболее благоприятное комплексное воздействие на прочность латуни с одновременным увеличением показателей пластичности. Экспериментальным путем подобран оптимальный состав карбонатной смеси. Эффективность обработки подтверждена промышленными испытаниями. Отмечены простота и другие положительные особенности предложенной технологии рафинирующе-модифицирующей обработки расплава латуни смесями карбонатов щелочно-земельных металлов.

Выполнено исследование свободной линейной усадки ненаполненных (ПС50-50, МВС3-Т, Romocast 105, Romocast 152) и наполненных (Romocast 252, Romocast 325) модельных составов в зависимости от температуры окружающей среды. Полученные результаты выявили следующие основные особенности в изменении указанного технологического параметра. Установлено, что наибольшей свободной линейной усадкой обладают ненаполненные модельные составы, а наименьшей – наполненные. При этом процессы, связанные со свободной линейной усадкой, протекали в образцах в течение длительного времени (до 24 ч). Это, вероятно, связано с продолжительностью процессов полимеризации и низкой теплопроводностью модельных составов. Изменение температуры окружающей среды в интервале от –5 до +35 °С оказывает существенное влияние на величину изменения линейных размеров образцов из исследованных модельных составов. Изменение длины образцов из ненаполненных модельных составов варьируется в диапазоне от +0,3 до –0,4 %, а из наполненных – от +0,2 до –0,15 %. При охлаждении до –5 °С и последующем нагреве до +20 °С образцов из ненаполненных составов их исходная длина уменьшается в среднем на 0,2 мм, а при нагреве до +35 °С и последующем охлаждении до +20 °С она увеличивается в среднем на 0,2–0,3 мм. При аналогичных изменениях температуры окружающей среды у образцов из наполненных модельных составов изменение размеров составляет не более 0,1 мм. Для устранения растрескивания огнеупорных керамических форм предложено проводить захолаживание системы «выплавляемая модель – огнеупорная керамическая форма», что обеспечивает гарантированный зазор между моделью и формой и нивелирует негативное влияние расширяющегося модельного состава.

Приведены результаты исследований технологии получения длинномерных деформированных полуфабрикатов методами листовой прокатки и бесслитковой прокатки–прессования из алюминиево-магниевого сплава с низким содержанием скандия. В ходе работы были применены методы компьютерного и физического моделирования, а полученные результаты проверены путем опытно-промышленных испытаний. Выбор данных материалов в качестве объектов исследования обусловлен тем, что алюминиевые сплавы системы Al–Mg, легированные скандием, наряду с высокой прочностью имеют повышенную стойкость к коррозии. В связи с этим в настоящей работе была поставлена задача получения длинномерных деформированных полуфабрикатов в виде листового проката, прутков и сварочной проволоки из экономнолегированного Al–Mg-сплава. Для компьютерного моделирования был применен программный комплекс DEFORM-3D, с помощью которого определяли рациональные условия горячей прокатки крупногабаритных слитков и режимы деформации процесса совмещенной обработки по методу бесслитковой прокатки–прессования прутков из исследуемого сплава. Установлены и обоснованы технологические и силовые параметры этих процессов и закономерности их изменения. Полученные экспериментальные результаты позволили при физическом моделировании изучаемых процессов выявить предельные значения силовых параметров, а также изучить структуру и свойства деформированных, отожженных и сварных полуфабрикатов из исследуемого сплава. Кроме того, были определены свойства металла в достаточно широком диапазоне изменения температурно-скоростных и деформационных параметров. На основании результатов экспериментальных исследований и моделирования даны рекомендации для промышленного освоения технологии горячей прокатки слитков большой толщины из алюминиево-магниевых сплавов. При этом разработаны технологические решения, регламенты и условия на деформированные полуфабрикаты из исследуемого сплава и получены партии листового проката с требуемым уровнем механических и коррозионных свойств.

В работе изучены экспериментальные антифрикционные алюминиевые сплавы на основе системы Al–5%Si–4%Cu с добавлением легкоплавких компонентов Bi, Pb, In и Cd. Подобран оптимальный режим термообработки, включающий закаливание при температуре 500 °С с дальнейшим старением при 175 °С. Проведены трибологические испытания по схеме колодка–ролик (исследуемый материал – Сталь 45) при давлениях 0,5, 1,0 и 2,0 МПа, моделирующие работу подшипникового узла. Показано, что все экспериментальные сплавы обладают близкими трибологическими свойствами, однако их механические характнристики, в частности показатели твердости, различаются. Наибольшее ее значение имеет сплав, содержащий кадмий. Электронно-микроскопическим методом исследованы поверхности колодки и ролика из этого материала до и после трибологических испытаний: изучена топография и определен элементный состав. Выявлен процесс активного массопереноса в контактной зоне при трении. При этом на ролике обнаружено формирование пленки вторичных структур и определены ее параметры: неравномерный характер расположения на поверхности и развитый рельеф, максимальная толщина которого достигает 200 мкм. Показано, что при использованных режимах трения такая пленка способствует образованию задира. Установлено, что задир для всех экспериментальных сплавов наступает после испытаний при давлении выше 1 МПа. Проведенное наноиндентирование колодки (с нагрузками от 10 до 100 мН) показало увеличение твердости в приповерхностном слое толщиной около 30 мкм. Это может быть связано с упрочнением материала в результате возникновения пластических деформаций в зоне трения.

Методами термического анализа изучены переохлаждения сплавов в системе галлий–олово в нормальных условиях. Для этого были исследованы следующие образцы: Ga (I ); два доэвтектических сплава – 95 % Ga + 5 % Sn (II ) и 90 % Ga + 10 % Sn (III ); эвтектический сплав 96,3 % Ga + 13,7 % Sn (IV ); пять заэвтектических сплавов с содержанием Sn 20 % (V ), 35 % (VI ), 50 % (VII ), 80 % (VIII ) и чистое олово (IX ). Построена неравновесная диаграмма состояния этой системы. При этом состав эвтектики не меняется, а эвтектическая температура уменьшается до 5,5 °C, т.е. на 26 град ниже температуры трехфазного эвтектического равновесия. Эвтектическая температура практически не меняется при изменении скоростей охлаждения эвтектектического сплава в пределах от 0,06 до 60 °C/мин. Установлено, что в доэвтектической области намечается небольшое понижение переохлаждений, тогда как в заэвтектической области – их увеличение при приближении состава сплава к эвтектическому. Рассчитаны активности и коэффициенты активностей компонентов на линиях равновесного и неравновесного ликвидуса. Показано, что активности компонентов как на линии равновесного, так и на линии неравновесного ликвидуса в целом закономерным образом уменьшаются, а коэффициенты активностей возрастают по мере приближения состава к эвтектическому. На диаграммах состояния показаны концентрационные пути равновесной и неравновесной кристаллизации.

Методами термического анализа изучены переохлаждения сплавов в системе галлий–олово в нормальных условиях. Для этого были исследованы следующие образцы: Ga (I ); два доэвтектических сплава – 95 % Ga + 5 % Sn (II ) и 90 % Ga + 10 % Sn (III ); эвтектический сплав 96,3 % Ga + 13,7 % Sn (IV ); пять заэвтектических сплавов с содержанием Sn 20 % (V ), 35 % (VI ), 50 % (VII ), 80 % (VIII ) и чистое олово (IX ). Построена неравновесная диаграмма состояния этой системы. При этом состав эвтектики не меняется, а эвтектическая температура уменьшается до 5,5 °C, т.е. на 26 град ниже температуры трехфазного эвтектического равновесия. Эвтектическая температура практически не меняется при изменении скоростей охлаждения эвтектектического сплава в пределах от 0,06 до 60 °C/мин. Установлено, что в доэвтектической области намечается небольшое понижение переохлаждений, тогда как в заэвтектической области – их увеличение при приближении состава сплава к эвтектическому. Рассчитаны активности и коэффициенты активностей компонентов на линиях равновесного и неравновесного ликвидуса. Показано, что активности компонентов как на линии равновесного, так и на линии неравновесного ликвидуса в целом закономерным образом уменьшаются, а коэффициенты активностей возрастают по мере приближения состава к эвтектическому. На диаграммах состояния показаны концентрационные пути равновесной и неравновесной кристаллизации.

Приведены результаты сравнительного исследования коррозионной стойкости алюмоматричного композита, полученного методом продувки кислородом предварительно гидрогенизированного расплава на основе сплава Al–Si–Fe с содержанием железа более 1 %, предназначенного для литья под давлением, и сплава Al–7Si с 0,3 % Fe, модифицированного лигатурой 5Al–Ti в количестве 2 %. Коррозия в алюминиевых сплавах обусловлена нарушением сплошности оксидной пленки на некоторых фазах, прежде всего на фазе Al5SiFe. Пары образцов из композита и сплава сравнения диаметром 15 мм и длиной 50 мм подверглись испытаниям в 7 %-ном растворе солевого тумана NaCl в камере КСТ-1 на подвесках при температуре 22 °С в течение 300 ч. Полученные результаты показали близкие значения убыли массы образцов, несмотря на значительно более высокое содержание железа в материале, поскольку сформировавшиеся в расплаве при продувке кислородом частицы Al₂O₃ размером 100–200 нм, осаждаясь на границах фаз, снижают площадь поверхности взаимодействия с коррозионной средой. Литературные данные показывают существенное отличие сопротивления коррозионному воздействию композитов ex situ от in situ вследствие различий в размерах и расположении в матрице упрочняющей фазы. Исследованный композиционный материал может быть рекомендован как коррозионно-стойкая альтернатива сплавам с повышенным содержанием железа, используемым для литья под давлением.