Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування
The paper presents a detailed analysis of solid oxidized waste formed after electroerosion processing of nickel alloy parts. The main types (electrospark, electro-pulse, electrocontact and anodic-mechanical) and characteristics of electroero- sion processing are considered. It is indicated that all...
Збережено в:
| Дата: | 2026 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2026
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/329 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Metal and Casting of Ukraine |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1870287587529195520 |
|---|---|
| author | Мезенцев, С.М. Пономаренко, О.І. Мезенцева, І.О. Євтушенко, Н.С. |
| author_facet | Мезенцев, С.М. Пономаренко, О.І. Мезенцева, І.О. Євтушенко, Н.С. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "С.М. Мезенцев",
"institution": "Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» (Харків, Україна)"
},
{
"author": "О.І. Пономаренко",
"institution": "Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» (Харків, Україна)"
},
{
"author": "І.О. Мезенцева",
"institution": "Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» (Харків, Україна)"
},
{
"author": "Н.С. Євтушенко",
"institution": "Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» (Харків, Україна)"
}
] |
| author_sort | Мезенцев, С.М. |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-09T11:02:55Z |
| description | The paper presents a detailed analysis of solid oxidized waste formed after electroerosion processing of nickel alloy parts. The main types (electrospark, electro-pulse, electrocontact and anodic-mechanical) and characteristics of electroero- sion processing are considered. It is indicated that all types of electroerosion processing of metals are based on the use of the phenomenon of electrical erosion.
The chemical and phase composition of the waste is shown. X-ray fluorescence analysis of the waste showed that the waste contains such non-ferrous metals as nickel, chromium, molybdenum, aluminum, tungsten and titanium. Electron mi- croscopic and petrographic studies have allowed us to establish that the waste consists of two phases: metallic and oxide. For the most complete extraction of metals from the waste, a high-temperature reduction process is proposed.
Thermodynamic calculations were performed, based on which it was determined that the greatest probability of reduc- tion of metal oxides occurs with solid carbon. It was described that the process of reduction with solid carbon proceeds with the formation of not only pure metals, but also metal carbides. The justification for the formation of metal carbides along with pure metals during the reduction process was provided. The temperatures of the beginning of reduction of metal oxides with carbon were determined based on the chemical affinity of the metal being reduced and solid carbon to oxygen.
It was proposed to conduct a fractional factorial experiment with variable parameters. The temperature and time of the reduction process, the amount of reducing agent and the thickness of the waste layer were selected as variable parameters. The proposed mechanism of metal base formation at different values of the initial parameters is considered. Conclusions were presented regarding the need to process solid waste from electrical discharge machining. |
| doi_str_mv | 10.15407/steelcast2026.02.037 |
| first_indexed | 2026-07-10T01:00:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
37ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 37-45
ПРОЦЕСИ, ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕРІАЛИ ЛИВАРНОГО ВИРОБНИЦТВА
PROCESSES, TECHNOLOGIES AND MATERIALS IN FOUNDRY
_____________________________________________________________________________________
Стаття опублікована на умовах відкритого доступу за ліцензією CC BY license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026, № 2 (345), 37-45
https://doi.org/10.15407/steelcast2026.02.037
УДК 621.74 + 583.3
С.М. Мезенцев, аспірант кафедри «Ливарне виробництво»,
e-mail: Serhii.Mezentsev@mit.khpi.edu.ua, https://orcid.org/0009-0004-4914-6614
О.І. Пономаренко, д-р техн. наук, проф., зав. кафедри «Ливарне виробництво»,
e-mail: 21ponomarenko@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-3043-4497
І.О. Мезенцева, канд. техн. наук, доц., проф. кафедри «Безпека праці та навколишнього середовища»,
e-mail: mezencevairen@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-7695-7982
Н.С. Євтушенко, канд. техн. наук, доц., проф. кафедри «Безпека праці та навколишнього середовища»,
e-mail: natalya0899@ukr.net, https://orcid.org/0000-0003-0217-3450
Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» (Харків, Україна)
Отримання комплексних легуючих добавок
металургійним способом із відходів машинобудування
В статті наведено детальний аналіз твердих окислених відходів, що утворилися після електроерозійної об-
робки деталей із нікелевих сплавів. Розглянуто основні різновиди (електроіскрова, електроімпульсна, електро-
контактна та анодно-механічна) та характеристики електроерозійної обробки. Вказано, що всі різновиди елек-
троерозійної обробки металів засновані на використанні явища електричної ерозії.
Показано хімічний, а також фазовий склад відходів. Рентгенофлуоресцентний аналіз відходів показав, що до
складу відходів входять такі кольорові метали, як нікель, хром, молібден, алюміній, вольфрам і титан. Електро-
нно-мікроскопічні і петрографічні дослідження дозволили встановити, що відходи складаються із двох фаз: ме-
талевої і оксидної. Задля найбільш повного вилучення металів із відходів запропоновано високотемпературний
процес відновлення.
Проведено термодинамічні розрахунки, на підставі яких визначено, що найбільша ймовірність відновлення
оксидів металів відбувається твердим вуглецем. Описано, що процес відновлення твердим вуглецем протікає
з утворенням не тільки чистих металів, а й карбідів металів. Надано обґрунтування утворення карбідів металів
поряд із чистими металами при проведенні процесу відновлення. Визначено температури початку відновлення
оксидів металів вуглецем на підставі хімічної спорідненості металу, що відновлюється, та твердого вуглецю до
кисню.
Запропоновано проведення дробного факторного експерименту із змінними параметрами. У якості змінних
параметрів обрано температуру та час проведення процесу відновлення, кількість відновника і товщину шару від-
ходів. Розглянуто припущений механізм утворення металевої основи при різних значеннях вихідних параметрів.
Представлено висновки щодо необхідності переробки твердих відходів електроерозійної обробки.
Ключові слова: відходи, процес відновлення, оксиди металів, твердий вуглець, термодинамічні розрахунки,
легуючі добавки.
Вступ. Відомо, що найбільш ефектив-
ним методом комплексного покра-
щення експлуатаційних характеристик
залізовуглецевих сплавів є легування. Для
отримання якісних чавунів та сталей використовують
різні легуючі добавки та лігатури. Оскільки в Україні
практично немає сировинної бази багатьох кольо-
рових металів, стає актуальним питання викори-
стання відходів сплавів кольорових металів у якості
вторинної сировини. Метали, що можуть входити до
38 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 37-45
С.М. Мезенцев, О.І. Пономаренко, І.О. Мезенцева, Н.С. Євтушенко
складу відходів, такі як нікель, хром, молібден, титан,
алюміній, вольфрам, ніобій є основними легуючими
елементами в сталях і чавунах [1–5].
На підприємствах машинобудівного комплексу од-
ним із методів обробки деталей зі складнолегованих
сталей та сплавів є електроерозійна обробка. Цей вид
обробки заснований на використанні перетворюваної
в тепло енергії електричних розрядів, що виникають
між інструментом (електродом) і заготовкою. За-
лежно від виду електричного розряду (іскри, дуги),
параметрів імпульсу струму, напруги та інших умов
електроерозійна обробка включає чотири основні
різновиди: електроіскрову, електроімпульсну, елек-
троконтактну та анодно-механічну. Кожна з цих
обробок відрізняється вихідними технологічними
характеристиками, обладнанням та має свою га-
лузь промислового застосування. Проте, всі
різновиди електроерозійної обробки металів
засновані на використанні явища електричної ерозії.
Електроерозійний метод застосовують при обробці
порожнин кувальних, вирубних, формувальних та
інших штампів, прес-форм, ливарних форм, висад-
кового та фасонного металорізального інструменту,
деталей паливної апаратури, газотурбінних двигунів,
різних приладів та виробів тощо [6, 7].
Проведення технологічних процесів з викори-
станням електроерозійної обробки неминуче при-
зводить до утворення відходів (продуктів ерозії),
що містять значну кількість легуючих елементів. До
складу відходів входять сполуки таких елементів, як
нікель, вольфрам, молібден, алюміній, хром, титан
та інші. Хімічний склад продуктів ерозії визначається
матеріалом заготовки та матеріалом електрода.
Більшість сполук зазначених елементів є токсич-
ними й чинять шкідливий вплив у разі потрапляння
в ґрунт на територіях, прилеглих до промислових
підприємств [8, 9]. Продукти ерозії накопичують-
ся на підприємствах та забруднюють територію.
Підприємства змушені відшкодовувати збитки від за-
бруднення ґрунтів.
Представляло інтерес дослідити відходи, що
містять сполуки кольорових металів, які утворились
після електроерозійної обробки деталей із нікелевих
сплавів. Переробка даних відходів є дуже актуальним
завданням: по-перше, це дозволить здійснити повер-
нення цінних елементів у виробництво, по-друге, зни-
зити екологічне навантаження на довкілля.
Мета даної роботи є дослідження відходів, що
містять сполуки кольорових металів, з подальшим
наданням пропозицій щодо способу їх переробки.
Методи дослідження. Для визначення хімічного
складу відходів використовували рентгенофлуорес-
центний аналіз, який полягає у неруйнівному елемент-
ному аналізі матеріалів за спектрами рентгенівської
флуоресценції.
Фазовий склад відходів, що формуються в процесі
електроерозійної обробки деталей зі складнолегова-
них сталей, мають вигляд гранул і були досліджені
із застосуванням електронно-мікроскопічного та
петрографічного методів.
Електронно-мікроскопічний аналіз є одним із су-
часних методів вивчення мікроструктури твердих тіл,
їх електричних і магнітних полів, а також локального
хімічного складу з використанням комплексу елек-
тронно-зондових методик.
Петрографічний метод ґрунтується на
порівняльному аналізі речовинного складу, структур-
них і текстурних особливостей, кольору та наявності
характерних мінералів. Фазовий склад продуктів
ерозії досліджували на полірованих шліфах за до-
помогою металографічного мікроскопа. Для цьо-
го відбирали різні ділянки відходів та готували
відповідні поліровані зразки. У результаті проведених
досліджень були отримані мікрофотографії відходів,
які згодом проаналізовано та описано з використан-
ням спеціалізованих довідкових даних.
Для підвищення точності та зменшення обсягу
експериментальних досліджень було застосовано
математичне планування експерименту. Був викори-
станий метод найменших квадратів, який є основним
математичним апаратом визначення моделей.
Під час створення математичної моделі задава-
лись вхідними змінними (факторами), які впливають
на досліджуваний об’єкт. Для вибору факторів були
виконані такі вимоги: фактор має бути регульова-
ним, точність вимірювання та управління факторів
має бути відома та досить висока. Окрім цього,
фактори повинні мати області визначення, задані
технологічними або принциповими обмеженнями.
Експериментальні результати. На першому
етапі проведено детальне вивчення відходів. Вони
представляють собою неоднорідну пористу масу з
частинок сірого кольору із включенням металевого
блиску. При розгляді зламу видно частинки коричне-
во-рудого кольору, імовірно, оксиди заліза.
Хімічний склад відходів був виконаний за до-
помогою рентгенофлуоресцентного аналізатора
«СПРУТ». Відсотковий розподіл кольорових металів,
що входять у відходи, наведено в табл. 1.
З табл. 1 видно, що до складу відходів входять
Таблиця 1
Хімічний склад відходів
Елементи Ni Cr Fe Mo Al Ti W Nb
Хімічний склад, % 62,35 17,56 6,34 5,27 3,07 2,87 1,35 1,16
елементи, які мають розповсюджене використання у
якості легуючих добавок до чавунів і сталей.
В результаті електронно-мікроскопічних
досліджень було встановлено, що у відходах
містяться частинки, які мають кулясту або близь-
ку до неї форму (рис. 1). На рис. 1 спостерігається
39ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 37-45
Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування
чітко виражена межа переходу від однієї ділянки до
іншої. Зустрічаються частинки великих розмірів 10-2 –
10-1 см, переважно частинки 10-4 – 10-3 см і дуже дрібні
частинки (10-6 – 10-5 см), які утворюють як би пухку
пористу масу.
Наявність оксидної фази у відходах, утворених при
електроерозійній обробці нікелевого сплаву, а також
встановлення кількісного вмісту оксидів було про-
ведено за допомогою петрографічних досліджень.
Фазовий склад відходів (продуктів ерозії) вивчали на
полірованих шліфах за допомогою металографічного
мікроскопа NU – 2Е. Зразки для аналізу готували на-
ступним чином: вибирали різні ділянки відходів та го-
тували полірований шліф. Дослідження проводилось
на зразках відходів із хімічним складом, зазначеним у
табл. 1. Петрографічні дослідження під мікроскопом
наведено на рис. 2.
Після проведення петрографічних досліджень бу-
Знімок частинок у відходах, що утворені після електроерозійної обробки нікелевих сплавів: а — збільшення 200; б — збільшення
50
Рис. 1.
а б
а б
Петрографічні дослідження окислених відходів під мікроскопом (×80): 1 — металева фаза; 2 — неметалоподібна (оксидна) фа-
за; 3 — пори, тріщини
Рис. 2.
ло визначено, що відходи складаються із металевої
фази, оксидної фази, пор та тріщин. На рис. 2а мета-
лева фаза представлена різними за розмірами і фор-
мою частинами світлого кольору. Оксидні утворення
спостерігаються як по краях округлої металевої фа-
зи, так і у вигляді включень неправильної форми.
У деяких місцях частинки металевої фази щільно
прилягають одна до одної. Розподіл оксидної фа-
зи нерівномірний: у більш щільних ділянках зраз-
ка — 5–7 %, менш щільних (пористих) — 15–20 %.
Металеву фазу на рис. 2б найбільше видно у правій
частині рисунка і спостерігається у вигляді округлих,
40 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 37-45
С.М. Мезенцев, О.І. Пономаренко, І.О. Мезенцева, Н.С. Євтушенко
витягнутих, неправильної форми утворень. Оксидну
фазу чітко видно в лівій частині знімка та по краях
металевої фази. Темні ділянки малюнка це є по-
ри і тріщини, розміри яких сягають 300 мкм. Оксид-
на фаза розташована за межами металевої фази.
Розмір частинок металевої фази становить від 20 до
200 мкм, максимально — 500 мкм.
Оксидна фаза у відходах представлена оксидами,
зазначеними у табл. 2.
Перерахунок оксидів у твердих відходах на 100 %
представлено на рис. 3.
Встановлено, що у відходах знаходяться пере-
Таблиця 2
Вміст оксидів у відходах, %
Оксиди металів NiO Cr2O3 FeO MoO2 Al2О3 TiO2 WO2 Nb2О5
Вміст у твердих відходах, % 9,4 4,6 4,8 0,5 0,28 0,2 0,1 0,12
Розподіл оксидів у твердих відходах на 100 %Рис. 3.
важно фази твердих металевих сполук, а саме близь-
ко 80 % і оксидні сполуки у кількості 20 %. Поверхні
утворених частинок покриті оксидною плівкою різної
товщини.
Обговорення результатів. На підставі проведе-
них досліджень відходів можна зробити висновок,
що переважна більшість гладких оплавлених форм
свідчить про значну роль теплових факторів у процесі
електроерозійної обробки. Ймовірно, великі частин-
ки та частинки середніх розмірів утворені з рідкого
стану, а дрібні частинки найімовірніше сформовані з
пароподібного стану, які здебільшого складаються з
оксидів металів. У деяких місцях відбулося спікання
частинок внаслідок особливостей обробки, що при-
звело до утворення конгломератів [6].
Основне завдання переробки полягає у найбільш
повному відновленні оксидів металів, що містяться у
твердих відходах. Відповідно до цього можна запро-
понувати високотемпературний процес відновлення
[10, 11]. Були розглянуті відновлювальні проце-
си з такими відновниками: оксид вуглецю, водень
та твердий вуглець. Термодинамічна ймовірність
відновлення оксидів металів, які містяться у твер-
дих відходах, газами менше, ніж твердим вугле-
цем. Необхідно більш досконало розглянути про-
цес вуглетермічного відновлення оксидів металів.
Автори робіт [12—14] вказують на те, що процес
відновлення твердим вуглецем протікає з утворен-
ням не тільки чистих металів, а і карбідів металів.
Реакції відновлення оксидів, кількість яких більша у
відходах, твердим вуглецем та його термодинамічні
характеристики представлено у табл. 3.
На підставі термодинамічних характеристик,
що представлені у табл. 3, видно, що у процесі
відновлення оксидів металів, що містяться у твердих
відходах, твердим вуглецем утворюються не тільки
чисті метали, а й карбіди металів.
Зокрема автор роботи [12] вказує на те, що при
41ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 37-45
Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування
використанні у якості відновника твердого вугле-
цю (разом із газом СО, який є супутнім продуктом
хімічних реакцій з використанням твердого вуглецю)
відновлене із вюститу залізо завжди є високовугле-
цевим, тобто відновлюється до стану чавуну (карбіду
заліза Fe3C). Відновлення магнетиту відбувається
з утворенням вюститу, а потім відновлення вюсти-
ту може йти за двома напрямками — з утворенням
карбіду заліза (Fe3C) і з утворенням чистого заліза,
але константа рівноваги карбіду заліза більша, ніж
заліза КрFe3C>КрFe, тому розрахунки підтверджують
ймовірність утворення карбіду заліза.
При відновленні Cr2О3 термодинамічні розра-
хунки показують, що більш ймовірно утворення
Cr3C2 ніж Cr, оскільки КрCr3C2>КрCr. В роботі [13] також
надається термодинамічне обґрунтування комплекс-
ного відновлення хроммістких матеріалів в області
помірних температур з утворенням карбідів хрому.
Можна зробити висновок, що і оксид вольфраму
(WO2) буде відновлюватися з утворенням карбіду
вольфраму (WC), тому що константи рівноваги
карбіду вольфраму і чистого вольфраму перебува-
ють у співвідношенні КрWC>КрW.
Для проведення високотемпературного процесу
відновлення необхідно визначити температуру про-
ведення процесу, яка повинна бути у межах, що до-
зволить провести відновлення оксидів.
Температури початку відновлення оксидів металів
вуглецем визначені за методом, який заснова-
ний на тому, що температура початку відновлення
оксиду металу твердим вуглецем відповідає
температурі, при якій хімічна спорідненість металу,
що відновлюється, до кисню і хімічна спорідненість
вуглецю до кисню будуть однаковими [12, 15]. Поруч
із процесом відновлення оксидів відбувається про-
цес сплавлення твердих сполук металів. Оскільки у
відходах нікель основний елемент, то для досягнен-
ня в процесі відновлення рідкої фази вибирається
температура 1773 К.
Для збільшення площі контакту твердих відходів з
відновлювачем відходи бажано подрібнити. У якості
відновника можна використати вуглець у вигляді
подрібненого електродного бою. Процес відновлення
твердих відходів можна провести при температу-
рах 1773 К та 1823 К протягом 30—120 хвилин з
інтервалом в 30 хвилин. Товщина шару твердих
відходів у зразку — від 6 до 12 мм.
Для підвищення точності та зменшення обсягу
експериментальних досліджень застосуємо матема-
тичне планування експерименту. Проведено дроб-
ний факторний експеримент. План моделі описаний
поліномами першого порядку. Лінійна модель проце-
су відновлення у загальному випадку має вигляд, що
представлений у формулі 1:
y (х, а) = a0 + a1x1 + … + an xn, (1)
де у — вихідна функція процесу відновлення; ai —
оцінки коефіцієнтів моделі; хi — фактори, що вплива-
ють на процес відновлення.
У плані кожен чинник значимий лише з двох рівнів,
які можна позначити +1 і –1.
Безліч точок, розташованих у n-вимірному просторі
з координатами +1 (+) або –1 (–), називається по-
вним факторним планом типу 2n. Число точок у плані
N = 2n.
Зі збільшенням факторного простору n зростає
кількість дослідів N = 2n повних факторних планів.
Відповідно, при великих значеннях n ці плани вияв-
ляються практично неприйнятними. Дробний фактор-
ний план (ДФП) відрізняється від повного факторно-
го плану (ПФП) тим, що дозволяє суттєво скоротити
кількість дослідів. ДФП становить частину ПФП 2n. Як
фактори в ДФП обрані: температура, час, кількість
відновника і товщина шару твердих відходів у зразку.
Побудова математичної моделі проводилась
шляхом найменших квадратів. У якості незалеж-
них змінних обрані: температура, К (x1), кількість
відновника, % (x2), товщина шару твердих відходів у
зразку, мм (x3). Загальний вигляд моделі — лінійний:
y = a0 + a1 x1 + a2 x2 + a3x3, (2)
де ai — оцінка коефіцієнтів моделі, що розраховують-
ся на підставі реалізації плану дробного факторного
експерименту 23-1; у — вихід продукту реакції протя-
гом часу, %.
Можна припустити можливі механізми утворення
Таблиця 3
Реакції відновлення оксидів твердим вуглецем та їх термодинамічні характеристики
Реакції відновлення оксидів ∆G0
Т = ∆(Т), Дж/моль
lgK = a/T + b
∆G0
1773, кДж/моль
а b
NiO + С = Ni + CO 129180 – 183,71Т -6743,93 9,59 -196,53
FeO + C = Fe + CO 154280 – 158,2Т -8054,29 8,26 -126,21
3FeO + 4C = Fe3C + 3CO 162660 – 165,95Т -8491,78 8,66 -131,57
Cr2O3 + 3C = 2Cr + 3CO 809000 – 541,5Т -42234,4 28,26 -151,07
3Cr2O3 + 13C = 2Cr3C2 + 9CO 735800 – 543,63Т -38412,95 28,38 -228,06
MoO2 + 2C = Mo + 2CO 368060 – 365,72Т -19214,83 19,09 -280,36
WO2 + 2C = W + 2CO 367060 – 413,52Т -19162,62 21,59 -366,11
WO2 + 3C = WC + 2CO 328960 – 369,12Т -17173,58 19,27 -373,36
TiO2 + 2C = Ti + 2CO 723710 – 363,7Т -37781,78 18,98 78,87
42 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 37-45
С.М. Мезенцев, О.І. Пономаренко, І.О. Мезенцева, Н.С. Євтушенко
металу у відновлювальній атмосфері за різних темпе-
ратур. При температурі 1620 К процесу відновлення
рідка фаза не буде утворюватися. Відбувається
взаємодія твердого вуглецю, що знаходиться на
дні тигля, із твердими відходами. Йде часткове
відновлення оксидної плівки на поверхні частинок
металу. Вуглець створює відновлювальну атмосфе-
ру та перешкоджає подальшому окисленню металу.
При 1770 К утворюється рідка фаза (темпера-
тура плавлення нікелю — 1720 К, системи нікель-
хром — 1445 К, системи нікель-залізо — 1708 К
[15]). Відбувається руйнування оксидної плівки, що
покриває частинки металу, і метал починає плави-
тися. Крапельки металу укрупнюються та стікають
у нижню частину тигля. У верхній частині тигля
залишається шлак, що не розплавився.
Можливо, за даної температури метал, що зна-
ходиться в оксидній плівці, починає плавитися,
збільшується в об’ємі і руйнує оксидну плівку. Твер-
дий вуглець реагує з киснем оксидів твердих відходів
та з киснем зовнішнього середовища (атмосфе-
ри). Оксид вуглецю, що утворюється, бере участь
у процесі газового відновлення. Поруч із процесом
відновлення йде процес навуглецювання металу, що
підтверджується термодинамічними розрахунками.
За підвищених температур 1920—1970 К шлак
спікається та закриває тверді відходи від контакту з
газовою фазою. Ускладняється доступ кисню, і в не-
великому обсязі тигля під спеклим шаром оксидів
починає працювати вуглець, при цьому швидкість
процесу збільшується. Підвищення температури
обмежується технологічними можливостями устатку-
вання.
Математична модель дозволила визначити
оптимальні умови отримання легуючої добавки, що
містить переважно Ni (54—64 %), а також Cr (13—
17 %), Mo (3—5 %), AL (2—3 %), Ti (2—3 %), W (~1 %),
Nb (0,5—1 %), інше — залізо. Дану добавку можна
використовувати при легуванні чавуну та сталі [16].
Висновки
Використання відходів як вторинної сировини
має важливе значення для подальшого розвитку на-
родного господарства України. Переробка твердих
відходів електроерозійної обробки дозволить:
— отримати комплексну легуючу добавку, яку
можна використовувати при легуванні чавуну;
— виключити зберігання токсичних відходів на
територіях промислових підприємств;
— знизити собівартість чавуну завдяки застосуван-
ню отриманої легуючої добавки замість феросплавів,
що традиційно використовуються.
ЛІТЕРАТУРА
1. Руденко Л.Ф., Говорун Т.П. Леговані сталі та сплави: навч. посіб. Суми: СумДУ, 2012. 171 с. URL: https://essuir.sumdu.
edu.ua/items/e6da141f-6087-4e34-ac46-9dbb11942689 (дата звернення: 20.04.2026).
2. Куцова В.З., Ковзель М.А., Носко О.А. Леговані сталі та сплави з особливими властивостями. Підручник. Дніпропетровськ:
НметАУ, 2008. 348 с.
3. Бубликов В.Б., Ясинський О.О., Ясинська О.О., Берчук Д.М., Бачинський Ю.Д. Особливості впливу легування на струк-
туроутворення і механічні властивості високоміцного чавуну у виливках. Процеси лиття. 2024. № 158(4). С. 25—35.
https://doi.org/10.15407/plit2024.04.025
4. Пахаренко В.Л., Марчук М.М., Пахаренко О.В. Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (обробка
металів різанням). Навчальний посібник. 2-е вид., перероб. і доповн. Рівне: Національний університет водного госпо-
дарства та природокористування (НУВГП), 2018. 252 с.
5. Ящук С.М., Люльченко В.Г. Виробництво та обробка конструкційних матеріалів (технологія виробництва конструкційних
матеріалів): навч. посіб. Умань: Візаві, 2020. 199 с.
6. Мезенцева І.О., Мезенцев С.М. Вплив на продукти ерозії фізичних процесів електроерозійної обробки деталей із склад-
нолегованих сталей. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Технології в машинобудуванні.
2025. № 1 (11). С. 83—88. https://doi.org/10.20998/2079-004X.2025.1(11).10
7. Носуленко В.І., Шмельов В.М., Пащенко А.А. Вплив характеру течії робочої рідини на якість обробки в умовах розмірної
обробки металів електричною дугою. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Інноваційні
технології та обладнання обробки матеріалів у машинобудуванні та металургії. 2019. № 11 (1336). С. 53—57. URL:
https://repository.kpi.kharkov.ua/items/c194876c-2fcb-42a8-8868-22e9ebd97990 (дата звернення: 20.04.2026).
8. Постанова від 20.10.2023 № 1102 Про затвердження Порядку класифікації відходів та Національного переліку відходів.
URL: https://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page.html?id_doc=105393 (дата звернення: 20.04.2026).
9. Зеркалов Д.В. Екологічна безпека: управління, моніторинг, контроль: посібник. Київ: КНТ: Дакор: Основа, 2007. 412 с.
10. Мезенцев С.М., Пономаренко О.І., Мезенцева І.О. Доцільність пірометалургійного способу переробки окисленої
вторинної сировини. Теоретичні та практичні дослідження молодих вчених: зб. тез доп. 19-ї Міжнар. наук.-практ.
конф. магістрантів та аспірантів, 19—21 листопада 2025 р. / гол. Є.І. Сокол; оркгом.: Р.П. Мигущенко, О.С. Кулик,
М.Д. Годлевський [та ін.]; Нац. техн. ун-т «Харків. політехн. ін-т» [та ін.]. Харків: НТУ «ХПІ», 2025. C. 714—715. URL:
https://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/96400 (дата звернення: 20.04.2026).
43ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 37-45
Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування
1. Rudenko, L. F., & Govorun, T. P. (2012). Lehovani stali ta splavy: navch. posib. [Alloy steels and alloys: tutorial]. SumDU.
https://essuir.sumdu.edu.ua/items/e6da141f-6087-4e34-ac46-9dbb11942689 [in Ukrainian].
2. Kutsova, V. Z., Kovzel, M. A., & Nosko, O. A. (2008). Lehovani stali ta splavy z osoblyvymy vlastyvostiamy. Pidruchnyk [Alloy
steels and alloys with special properties: Textbook]. NmetAU [in Ukrainian].
3. Bublikov, V. В., Yasynskyi, О. O., Yasynska, О. O., Berchuk, D. M., & Bachynskyi, Yu. D. (2024). Features of alloying influence
on ductile cast iron structure formation and mechanical properties in castings. Casting Processes, 158(4), 25-35. https://doi.
org/10.15407/plit2024.04.025 [in Ukrainian].
4. Pakharenko, V. L., Marchuk, M. M., & Pakharenko, O. V. (2018). Tekhnolohiia konstruktsiinykh materialiv ta materialoznavstvo
(obrobka metaliv rizanniam). Navchalnyi posibnyk. 2-e vyd., pererob. i dopovn. [Technology of structural materials and
materials science (metalworking by cutting). Preliminary work. 2nd ed., revised and supplemented]. National University of
Water Management and Natural Resources [in Ukrainian].
5. Yashchuk, S. M., & Lyulchenko, V. G. (2020). Vyrobnytstvo ta obrobka konstruktsiinykh materialiv (tekhnolohiia vyrobnytstva
konstruktsiinykh materialiv): navch. posib. [Production and processing of structural materials (technology of production of
structural materials): textbook]. Vizavi [in Ukrainian].
6. Mezentseva, I. O., & Mezentsev, S. M. (2025). The influence of physical processes of electric erosion machining of complex
alloyed steels on erosion products. Bulletin of the National technical university “Kharkiv Polytechnic Institute”. Series:
Techniques in a machine industry, 1(11), 83-88. https://doi.org/10.20998/2079-004X.2025.1(11).10 [in Ukrainian].
7. Nosulenko, V. I., Shmelev, V. M., & Pashchenko, A. A. (2019). Vplyv kharakteru techii robochoi ridyny na yakist obrobky
v umovakh rozmirnoi obrobky metaliv elektrychnoiu duhoiu [Influence of the character of the flow of the working liquid on
the quality of processing in the conditions of dimensional processing of metals by an electric arc]. Bulletin of the National
Technical University “KhPI”. Series: Innovative technologies and equipment handling materials in mechanical engineering and
metallurgy, 11(1336), 53-57. https://repository.kpi.kharkov.ua/items/c194876c-2fcb-42a8-8868-22e9ebd97990 [in Ukrainian].
8. Postanova vid 20.10.2023 № 1102 Pro zatverdzhennia Poriadku klasyfikatsii vidkhodiv ta Natsionalnoho pereliku vidkhodiv
[Resolution No. 1102 of October 20, 2023, on the Approval of the Waste Classification Procedure and the National Waste List].
https://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page.html?id_doc=105393 [in Ukrainian].
9. Zerkalov, D. V. (2007). Ekolohichna bezpeka: upravlinnia, monitorynh, kontrol: posibnyk [Environmental safety: management,
monitoring, control: manual]. KST: Dakor: Osnova [in Ukrainian].
10. Mezentsev, S. M., Ponomarenko, O. I., & Mezentseva, I. O. (2025). Dotsilnist pirometalurhiinoho sposobu pererobky okyslenoi
vtorynnoi syrovyny [The feasibility of the pyrometallurgical method of processing oxidized secondary raw materials]. Theoretical
and practical research of young scientists: collection of abstracts of the 19th International Scientific and Practical Conference
of Masters and PhD Students, 714-715. https://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/96400 [in Ukrainian].
11. Sokolov, V. M., Gorbenko, V. V., Vinnik, I. A., & Mekhed, O. M. (2006). Processing the Ni- And Cr-bearing oxidized scarfing
granulates with liquid cast iron. TMS Fall Extraction and Processing Division: Sohn International Symposium, (1), 453-462.
12. Soldatkina, L. M. (2012). Khimichna termodynamika v skhemakh, tablytsiakh, formulakh, rysunkakh [Chemical thermodynamics
in diagrams, tables, formulas, figures]. Odesa National University [in Ukrainian].
13. Panteykov, S. P. (2026). Termodynamichnyi analiz protsesiv vidnovlennia zaliza z viustytu tverdym vuhletsem [Thermodynamic
analysis of the processes of iron reduction from wüstite with solid carbon]. Science, Technology and Global Challenges:
Proceedings of 7-th International Scientific and Practical Conference, 203-212 [in Ukrainian].
REFERENCES
11. Sokolov V.M., Gorbenko V.V., Vinnik I.A., Mekhed O.M. Processing the Ni- And Cr-bearing oxidized scarfing granulates with
liquid cast iron. TMS Fall Extraction and Processing Division: Sohn International Symposium. 2006. № 1. P. 453—462.
12. Солдаткіна Л.М. Хімічна термодинаміка в схемах, таблицях, формулах, рисунках. Одеса: «Одеський національний
університет», 2012. 101 с.
13. Пантейков С.П. Термодинамічний аналіз процесів відновлення заліза з вюститу твердим вуглецем. Science, Technology
and Global Challenges: Proceedings of 7-th International Scientific and Practical Conference (March 05–07, 2026, Tokyo,
Japan). Tokyo: CPN Publishing Group. 2026. P. 203—212.
14. Дзюзюра Р.О., Селівьорстова Т.В. Розробка ПЗ для визначення енергії Гіббса та дослідження термодинаміки реакцій
відновлення хрому. Молодий вчений. 2018. № 5 (57). С. 369—372.
15. Охотський В.Б., Костьолов О.Л., Симонов В.К. та ін. Теорія металургійних процесів. Київ: ІЗМН, 1997. 512 с.
16. Мезенцев С.М., Пономаренко О.І., Мезенцева І.О., Євтушенко Н.С. Шляхи отримання феросплавів із відходів
машинобудівних підприємств. Литво. Металургія. 2024: матеріали 20-ї Ювілейної Міжнар. наук.-практ. конф., 28—
30 травня 2024 р. Нац. техн. ун-т «Харків. політехн. ін-т» [та ін.]; заг. ред. О.І. Пономаренко. Харків; Київ, 2024. С. 160—
162. URL: https://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/78067 (дата звернення: 20.04.2026).
44 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 37-45
С.М. Мезенцев, О.І. Пономаренко, І.О. Мезенцева, Н.С. Євтушенко
14. Dzyuzyura, R. O., & Seliverstova, T. V. (2018). Rozrobka PZ dlia vyznachennia enerhii Hibbsa ta doslidzhennia termodynamiky
reaktsii vidnovlennia khromu [Development of software for determining the Gibbs energy and studying the thermodynamics of
chromium reduction reactions]. Young Scientist, 5(57), 369-372 [in Ukrainian].
15. Okhotsky, V. B., Kostyolov, O. L., Symonov, V. K., Kovalyov, D. A., & Taranov, A. K. (1997). Teoriia metalurhiinykh protsesiv
[Theory of metallurgical processes]. IZMN [in Ukrainian].
16. Mezentsev, S. M., Ponomarenko, O. I., Mezentseva, I. O., & Yevtushenko N. S. (2024). Shliakhy otrymannia ferosplaviv
iz vidkhodiv mashynobudivnykh pidpryiemstv [Ways of obtaining ferroalloys from waste of machine-building enterprises].
Foundry. Metallurgy. 2024, 160-162. https://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/78067 [in Ukrainian].
Надійшла/Received 23.04.2026
Прийнята/Accepted 22.05.2026
Опублікована/Published 29.05.2026
45ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 37-45
Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування
Summary
S.M. Mezentsev, Graduate Student of the Department of Foundry,
e-mail: Serhii.Mezentsev@mit.khpi.edu.ua,
https://orcid.org/0009-0004-4914-6614
O.I. Ponomarenko, Dr. Sci. (Engin.), Professor, Head of the Department of
Foundry, e-mail: 21ponomarenko@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0002-3043-4497
I.О. Mezentseva, PhD (Engin.), Associate Professor, Professor of the
Department of Occupational and Environmental Safety,
e-mail: mezencevairen@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-7695-7982
N.S. Yevtushenko, PhD (Engin.), Associate Professor, Professor of the
Department of Occupational and Environmental Safety,
e-mail: natalya0899@ukr.net, https://orcid.org/0000-0003-0217-3450
National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” (Kharkiv,
Ukraine)
Obtaining Complex Alloying Additives by Metallurgical Method from Engineering Waste
The paper presents a detailed analysis of solid oxidized waste formed after electroerosion processing of nickel alloy
parts. The main types (electrospark, electro-pulse, electrocontact and anodic-mechanical) and characteristics of electroero-
sion processing are considered. It is indicated that all types of electroerosion processing of metals are based on the use of
the phenomenon of electrical erosion.
The chemical and phase composition of the waste is shown. X-ray fluorescence analysis of the waste showed that the
waste contains such non-ferrous metals as nickel, chromium, molybdenum, aluminum, tungsten and titanium. Electron mi-
croscopic and petrographic studies have allowed us to establish that the waste consists of two phases: metallic and oxide. For
the most complete extraction of metals from the waste, a high-temperature reduction process is proposed.
Thermodynamic calculations were performed, based on which it was determined that the greatest probability of reduc-
tion of metal oxides occurs with solid carbon. It was described that the process of reduction with solid carbon proceeds with
the formation of not only pure metals, but also metal carbides. The justification for the formation of metal carbides along with
pure metals during the reduction process was provided. The temperatures of the beginning of reduction of metal oxides with
carbon were determined based on the chemical affinity of the metal being reduced and solid carbon to oxygen.
It was proposed to conduct a fractional factorial experiment with variable parameters. The temperature and time of the
reduction process, the amount of reducing agent and the thickness of the waste layer were selected as variable parameters.
The proposed mechanism of metal base formation at different values of the initial parameters is considered. Conclusions were
presented regarding the need to process solid waste from electrical discharge machining.
Keywords
Waste, reduction process, metal oxides, solid carbon, thermodynamic calculations, alloying
additives.
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-329 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-10T01:00:36Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/2d/a287e0ccbe250cbea281d9922d64f62d.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-3292026-07-09T11:02:55Z Obtaining Complex Alloying Additives by Metallurgical Method from Engineering Waste Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування Мезенцев, С.М. Пономаренко, О.І. Мезенцева, І.О. Євтушенко, Н.С. Waste reduction process metal oxides solid carbon thermodynamic calculations alloying additives відходи процес відновлення оксиди металів твердий вуглець термодинамічні розрахунки легуючі добавки The paper presents a detailed analysis of solid oxidized waste formed after electroerosion processing of nickel alloy parts. The main types (electrospark, electro-pulse, electrocontact and anodic-mechanical) and characteristics of electroero- sion processing are considered. It is indicated that all types of electroerosion processing of metals are based on the use of the phenomenon of electrical erosion. The chemical and phase composition of the waste is shown. X-ray fluorescence analysis of the waste showed that the waste contains such non-ferrous metals as nickel, chromium, molybdenum, aluminum, tungsten and titanium. Electron mi- croscopic and petrographic studies have allowed us to establish that the waste consists of two phases: metallic and oxide. For the most complete extraction of metals from the waste, a high-temperature reduction process is proposed. Thermodynamic calculations were performed, based on which it was determined that the greatest probability of reduc- tion of metal oxides occurs with solid carbon. It was described that the process of reduction with solid carbon proceeds with the formation of not only pure metals, but also metal carbides. The justification for the formation of metal carbides along with pure metals during the reduction process was provided. The temperatures of the beginning of reduction of metal oxides with carbon were determined based on the chemical affinity of the metal being reduced and solid carbon to oxygen. It was proposed to conduct a fractional factorial experiment with variable parameters. The temperature and time of the reduction process, the amount of reducing agent and the thickness of the waste layer were selected as variable parameters. The proposed mechanism of metal base formation at different values of the initial parameters is considered. Conclusions were presented regarding the need to process solid waste from electrical discharge machining. В статті наведено детальний аналіз твердих окислених відходів, що утворилися після електроерозійної обробки деталей із нікелевих сплавів. Розглянуто основні різновиди (електроіскрова, електроімпульсна, електроконтактна та анодно-механічна) та характеристики електроерозійної обробки. Вказано, що всі різновиди електроерозійної обробки металів засновані на використанні явища електричної ерозії. Показано хімічний, а також фазовий склад відходів. Рентгенофлуоресцентний аналіз відходів показав, що до складу відходів входять такі кольорові метали, як нікель, хром, молібден, алюміній, вольфрам і титан. Електронно-мікроскопічні і петрографічні дослідження дозволили встановити, що відходи складаються із двох фаз: металевої і оксидної. Задля найбільш повного вилучення металів із відходів запропоновано високотемпературний процес відновлення. Проведено термодинамічні розрахунки, на підставі яких визначено, що найбільша ймовірність відновлення оксидів металів відбувається твердим вуглецем. Описано, що процес відновлення твердим вуглецем протікає з утворенням не тільки чистих металів, а й карбідів металів. Надано обґрунтування утворення карбідів металів поряд із чистими металами при проведенні процесу відновлення. Визначено температури початку відновлення оксидів металів вуглецем на підставі хімічної спорідненості металу, що відновлюється, та твердого вуглецю до кисню. Запропоновано проведення дробного факторного експерименту із змінними параметрами. У якості змінних параметрів обрано температуру та час проведення процесу відновлення, кількість відновника і товщину шару відходів. Розглянуто припущений механізм утворення металевої основи при різних значеннях вихідних параметрів. Представлено висновки щодо необхідності переробки твердих відходів електроерозійної обробки. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2026-05-29 Article Article application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/329 10.15407/steelcast2026.02.037 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 34 No. 2 (2026): Metal and Casting of Ukraine; 37-45 Метал та лиття України ; Том 34 № 2 (2026): Метал та лиття України; 37-45 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/329/322 Авторське право (c) 2026 С.М. Мезенцев, О.І. Пономаренко, І.О. Мезенцева, Н.С. Євтушенко https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | відходи процес відновлення оксиди металів твердий вуглець термодинамічні розрахунки легуючі добавки Мезенцев, С.М. Пономаренко, О.І. Мезенцева, І.О. Євтушенко, Н.С. Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування |
| title | Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування |
| title_alt | Obtaining Complex Alloying Additives by Metallurgical Method from Engineering Waste |
| title_full | Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування |
| title_fullStr | Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування |
| title_full_unstemmed | Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування |
| title_short | Отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування |
| title_sort | отримання комплексних легуючих добавок металургійним способом із відходів машинобудування |
| topic | відходи процес відновлення оксиди металів твердий вуглець термодинамічні розрахунки легуючі добавки |
| topic_facet | Waste reduction process metal oxides solid carbon thermodynamic calculations alloying additives відходи процес відновлення оксиди металів твердий вуглець термодинамічні розрахунки легуючі добавки |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/329 |
| work_keys_str_mv | AT mezencevsm obtainingcomplexalloyingadditivesbymetallurgicalmethodfromengineeringwaste AT ponomarenkooí obtainingcomplexalloyingadditivesbymetallurgicalmethodfromengineeringwaste AT mezencevaío obtainingcomplexalloyingadditivesbymetallurgicalmethodfromengineeringwaste AT êvtušenkons obtainingcomplexalloyingadditivesbymetallurgicalmethodfromengineeringwaste AT mezencevsm otrimannâkompleksnihleguûčihdobavokmetalurgíjnimsposobomízvídhodívmašinobuduvannâ AT ponomarenkooí otrimannâkompleksnihleguûčihdobavokmetalurgíjnimsposobomízvídhodívmašinobuduvannâ AT mezencevaío otrimannâkompleksnihleguûčihdobavokmetalurgíjnimsposobomízvídhodívmašinobuduvannâ AT êvtušenkons otrimannâkompleksnihleguûčihdobavokmetalurgíjnimsposobomízvídhodívmašinobuduvannâ |