Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013, № 7. Часть 2

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение  
высшего профессионального образования  
 
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 7 
 
 
 
Часть 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2013 

ISSN 2071-6168 
 
 
УДК 621.86/87 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 7. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Ч. 2. 
412 с. 
 
Рассматриваются научно-технические проблемы машин, технологий и моделирования сварочных производств, технологии и оборудования 
обработки металлов давлением, управления, вычислительной техники и 
информационных технологий, машиностроения и машиноведения, транспорта, охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов, информационной безопасности и информационных 
технологий, подготовки кадров высшей квалификации, материаловедения.  
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике 
технических наук. 
 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, 
Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, В.С. КАРПОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), А.Н. Карпов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора),  
С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь),  
И.Е. Агуреев, А.Н. Иноземцев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс,  
А.Э. Соловьев 
 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных 
журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, 
в которых должны быть опубликованы научные результаты 
диссертаций на соискание учёной степени доктора наук 
 
 
© Авторы научных статей, 2013 
© Издательство ТулГУ, 2013 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 7. Ч. 2 
 

 
8

Список литературы 
 

1. Колмогоров В. Л. Напряжения. Деформации. Разрушения. М.: 

Металлургия, 1970. 229 с. 

2. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. 

М.: Машиностроение, 1975. 400 с. 

3. Кроха В. А. Упрочнение металлов при холодной пластической 

деформации: справочник. М.: Машиностроение, 1980. 157 с. 

4. Пластичность и разрушение / В. Л. Колмогоров [и др.]. М.: Ме
таллургия, 1977. 336 с. 
 
Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, проф., valter.alex@rambler.ru, 
Россия, Тула, Тульский государственный университет, 
 
Протопопов Александр Анатольевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, pro
topopov@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет, 
 
Маленко Павел Игоревич, канд. техн. наук, доц., malenko@tsu.tula.ru, Россия, 
Тула, Тульский государственный университет 
 
ANALYSIS OF DEFORMATION ABILITY SEAMLESS SHELL FLUX-CORED WELDING 
WIRE DRAWING 
 
А.I.Walter, А.А.Protopopov, P.I.Маlenko, E.А.Protopopov 

 
The results of research on the process of drawing powder-wire ladle with a seamless 
shell of austenitic steel 20H23N18. The preparation shown calculated formula to determine 
the plasticity resource shell material, depending on the geometry of the tool, the friction 
factor and the type of material. 
Key words: drawing surfacing flux cored wire with the seamless top shell, a resource 
of plasticity, the degree of deformation, the friction coefficient, the influx in trim-cored wire 
with a seamless shell. 
 
Walter Alexander Igorevich, doctor of technical sciences, professor, val
ter.alex@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University, 
 
Protopopov Aleksandr Anatolevich, doctor of technical sciences, professor, the head 
ofchair, protopopov@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University, 
 
Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical sciences, docent, malen
ko@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University 
 
 
 
 
 
 

Машины, технологии и моделирование сварочных производств 
 

 
9

УДК 658.512.011; 519.711.3; 669.18 
 
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НОВОГО 
ЭНЕРГОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА (ПРОЦЕСС ORIEN) 
В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ 
 
А.А. Арсеньева, В.А. Ерофеев, Г.А. Дорофеев, 
А.А. Протопопов, П.И. Маленко 
 
Разработаны основы построения компьютерной модели для анализа сложных 
физико-химических явлений процесса ORIEN в электродуговой сталеплавильной печи 
(ДСП) непрерывного действия, являющейся основным агрегатом энергометаллургического комплекса. Создана математическая модель физико-химических процессов, протекающих в ДСП при одновременном получении жидкого железа прямого восстановления и газификации угля на базе уравнения термодинамического состояния веществ. 
Модель позволяет выполнить полный энергетический анализ процесса ORIEN с учетом 
тепловыделения электрических дуг, основных химических реакций, а также тепломассопереноса расплава и паров металла. 
Ключевые слова: процесс ORIEN, физико-математическое моделирование, 
электродуговая сталеплавильная печь, железо прямого восстановления, газификация 
угля. 
 
Процесс ORIEN относится к новому виду энергометаллургических 
технологий и представляет собой комбинированный жидкофазный одностадийный процесс, реализующий высокоэффективную комбинированную 
технологию совместного получения железа прямого восстановления и газообразного топлива из угля для последующей выработки на его основе 
электрической и тепловой энергии. 
В качестве металлургического агрегата для реализации процесса 
ORIEN рассматривается электродуговая печь сталеплавильного типа непрерывного действия (ДСП). Исходными материалами процесса являются 
железорудное сырьё в виде концентрата или порошкообразной руды, порошкообразный уголь и газообразный кислород. 
Принципиальной основой технологии ORIEN является совместное 
протекание следующих процессов: 
1) восстановление оксидов железа, подаваемых внутрь ванны железоуглеродного расплава, углеродом, растворённым в железе и присутствующим в нём в атомно-дисперсном состоянии. Удельная скорость восстановления при этом оценивается значениями более 5 кг/(м³·с), что на два 
порядка превышает аналогичный показатель в доменных и шахтных печах; 
2) получение газообразного топлива из находящегося в растворе с 
железом угля, подаваемого внутрь ванны железоуглеродного расплава и 
реагирующего с расплавленными оксидами железа, поступающими в ДСП 
из железной руды, и жидкими оксидами железа, образующимися при по

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 7. Ч. 2 
 

 
10

даче газообразного кислорода внутрь объема железоуглеродного расплава. 
Отличительной чертой предложенной технологии ORIEN является 
не доступная в других способах возможность переработки некоксующихся 
углей и неокускованного железорудного сырья в дефицитные и ценные товарные продукты с повышенной добавленной стоимостью. 
Процесс ORIEN способен решить задачу пирометаллургического 
обогащения ряда не используемых в настоящее время по экономическим 
соображениям природнолегированных руд, содержащих оксиды хрома, титана, ванадия, марганца.  
Учитывая сложность физического моделирования процесса ORIEN 
и неприменимость теории подобия к разномасштабным металлургическим 
агрегатам, единственным методом исследования является метод компьютерного моделирования. 
ДСП для гибридного процесса одновременного получения железа 
прямого восстановления и газификации углерода (рис. 1) имеет корпус, в 
котором наводится металлическая и шлаковая ванны, три графитовых 
электрода, три донные фурмы для подачи шихты (железорудного концентрата) и три донные фурмы для подачи порошкообразного угля. Порошкообразный уголь подается в большом количестве для осуществления реакции восстановления железа из поступающего в ДСП железорудного концентрата. Три кислородные фурмы ориентированы для подачи кислорода в 
объем железоуглеродистого расплава. 
В ходе плавки железная руда и порошкообразный уголь подаются 
питателями непрерывного действия через донные фурмы. Железная руда и 
уголь, перемещаясь к поверхности металлической ванны, создают конвективное течение расплава. Углерод интенсивно растворяется в расплаве. 
Течение перемешивает расплав, что обеспечивает распределение оксидов 
железа и углерода по объёму металлической ванны и возможность реакции 
между ними. При восстановлении оксидов железа выделяется значительное количество монооксида углерода, что совместно с воздействием струй 
кислорода усиливает конвективное течение и перемешивание расплава. 
По мере подачи железной руды и угольного порошка уровни металлической и шлаковой ванн поднимаются. В ходе гибридного процесса положение графитовых электродов регулируют, поддерживая постоянную 
длину (напряжение) электрических дуг. 
Конечной целью физико-математического моделирования гибридного процесса одновременного получения железа прямого восстановления 
и газификации углерода в ДСП является определение оптимального режима ведения данного процесса. Критериями оценки качества процесса являются термодинамическое состояние материалов в ДСП, их химический 
состав и стабильность массового потока генерируемого в ДСП монооксида 
углерода. 
Так как гибридный процесс протекает во времени и пространстве,