СОДЕРЖАНИЕИнституту электросварки – 75! Состояние и перспективы развитияспециальной электрометаллургии .................................................................. 3

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯЦыкуленко А. К., Федоровский Б. Б., Смолярко В. Б., Загоровский П. И.,Медовар Л. Б., Рябинин В. А., Журавель В. М., Ярош В. М. Проблемыразливки жидкой стали с малой скоростью...................................................... 9Полещук М. А., Шевцов В. Л., Пузрин Л. Г., Круцан А. М.,Радкевич А. И., Чучман М. Р. Выбор способа изготовления литыхэлектрошлаковых корпусов фланцевых задвижек высокого давления вкоррозионно-стойком исполнении ................................................................. 15Истомин С. А., Рябов В. В., Пастухов Э. А. Электрохимическоевосстановление ванадия и ниобия из оксидно-фторидных расплавов приэлектрошлаковом переплаве ......................................................................... 19Медовар Л. Б., Саенко В. Я., Рябинин В. А. Получение расходуемыхэлектродов из титановой губки для производства слитков способами ЭШПи ДШП ...................................................................................................... 23

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫКурапов Ю. А., Дидикин Г. Г., Романенко С. М., Литвин С. Е. Наночастицымагнетита, полученные способом конденсации молекулярных пучковв вакууме ................................................................................................... 26Березос В. А., Ерохин А. Г. Рафинирование кремния способомэлектронно-лучевой плавки .......................................................................... 29

ВАКУУМНО-ИНДУКЦИОННАЯ ПЛАВКАШаповалов В. А., Шейко И. В., Никитенко Ю. А. Получениебыстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК ................. 32Егоров С. Г., Червоный И. Ф., Воляр Р. Н. Математическая модельвлияния поля индуктора на коэффициент распределения примесив кремнии................................................................................................... 36

ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВДемчишин А. В., Миченко В. А., Автономов Г. А., Токарев О. А.Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т».......................... 40

ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕШаповалов В. А., Бурнашев В. Р., Биктагиров Ф. К., Украинец А. И.,Брагин М. А., Пудиков В. Н., Константинов В. С., Степаненко В. В.,Пешков А. Н. Переработка стружки жаропрочной стали ЭП609-Шспособом компактирования под электрическим током с последующимэлектрошлаковым переплавом ...................................................................... 43

ИНФОРМАЦИЯИванова Н. Л. 11-я Международная научно-практическая конференция вСанкт-Петербурге........................................................................................ 46Коваленко В. С., Зельниченко А. Т. 4-я Международная конференция полазерным технологиям................................................................................. 47Войнарович С. Г., Хаскин В. Ю. День науки в ИЭС им. Е. О. Патона............. 49Аснис Е. А., Шулым В. Ф., Пискун Н. В., Статкевич И. И. К 25-летиюсварки в открытом космосе .......................................................................... 50Международная компания «АНТАРЕС» ....................................................... 52К 80-летию со дня рождения и 55-летию научной и педагогическойдеятельности Михаила Ивановича Гасика...................................................... 53А. К. Цыкуленко – 70 ............................................................................... 55К 70-летию Г. М. Григоренко ....................................................................... 56Правила оформления рукописей для журнала«Современная электрометаллургия» ............................................................. 57

© НАН Украины, ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, МА «Сварка», 2009

№ 3 (96)2009

Международный научно-теоретический и производственный журнал

Издается с января 1985 г .

Учредители: Национальная академия наук Украины Институт электросварки им. Е. О. Патона Международная ассоциация «Сварка» Выходит 4 раза в год

РЕДАКЦИОННАЯКОЛЛЕГИЯ:

Главный редактор Б. Е. ПатонМ . И. Гасик,

Г. М . Григоренко (зам. гл. ред.),

Д . М . Дяченко (отв. секр.),М . Л . Жадкевич,

В. И. Лакомский, Л. Б. Медовар,Б. А. Мовчан, А. Н. Петрунько,А. С. Письменный, Н. П. Тригуб,А. А. Троянский, А. И. Устинов,

В. А. Шаповалов

МЕЖДУНАРОДНЫЙРЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ:

Д . Аблизер (Франция)Г. М . Григоренко (Украина)

А. А. Ильин (Россия)Б. Короушич (Словения)С. Ф . Медина (Испания)А. Митчелл (Канада)Б. Е. Патон (Украина)Ц. В. Рашев (Болгария)Ж. Фокт (Франция)

Е. Х. Шахпазов (Россия)Т. Эль Гаммаль (Германия)

Адрес редакции:

Украина, 03680, г . Киев-150,ул. Боженко, 11

Институт электросваркиим. Е. О. Патона НАН УкраиныТел./факс: (38044) 528 34 84,

529 26 23Тел.: (38044) 271 22 07

E-mail: journal@paton.kiev.uahttp:/ / www.nas.gov.ua/ pwj

Редактор: В. И. Котляр

Электронная верстка:Д . М . Дяченко,

Л . Н. Герасименко

Свидетельствоо государственной регистрации

КВ 6185 от 31.05.2002

Журнал входит в переченьутвержденных ВАК Украины

изданий для публикации трудовсоискателей ученых степеней

При перепечатке материаловссылка на журнал обязательна.

За содержание рекламныхматериалов редакция журнала

ответственности не несет

Издатель: Международная ассоциация «Сварка»

ИЗДАНИЕ ЖУРНАЛА ПОДДЕРЖИВАЮТГП «Научно-производственный центр «ТИТАН»

КП «Запоржский титано-магниевый комбинат» ООО «Международная компания «АНТАРЕС»

Научно-производственное предприятие «ЭЛТЕХМАШ»

CONTENTSThe E.O.Paton Electric Welding Institute is 75! State-of- the-art andprospects of development of special electrometallurgy ............................... 3ELECTROSLAG TECHNOLOGYTsykulenko A. K. , Fedorovsky B. B. , SmolyarkoV. B. ,Zagorovsky P. I. , M edovar L. B. ,Ryabinin V. A. , Zhuravel V. M .,Yarosh V. M . Problems of molten steel pouring at a low speed.................. 9Poleshchuk M . A. , Shevtsov V. L. , Puzrin L. G. , Krutsan A. M . ,Radkevich A. I. , Chuchman M . R. Selection of method ofmanufacture of electroslag cast bodies of flange high-pressurestop valves in a corrosion- resistant variant ............................................... 15Istomin S. A. , Ryabov V. V. , Pastukhov E. A. Electrochemicalrecovery of vanadium and niobium from oxide- fluoride melts duringelectroslag remelting ............................................................................... 19M edovar L. B. , Saenko V. Ya. , Ryabinin V. A. Manufacture ofconsumable electrodes from spongy titanium for producing ingotsusing ESR and ASR methods ................................................................... 23ELECTRON BEAM PROCESSESKurapov Yu. A. , Didikin G. G. , Romanenko S. M . , Litvin S. E.Nanoparticles of magnetite produced by the method ofcondensation of molecular beams in vacuum............................................ 26Berezos V. A. , Erokhin A. G. Refining of silicon using the methodof electron beam melting ......................................................................... 29VACUUM-INDUCTION MELTINGShapovalov V. A. , Sheiko I. V. , Nikitenko Yu. A. Producing ofrapidly hardened alloys by the method of dispersion duringinduction melting in a sectional mould ...................................................... 32Egorov S. G. , Chervonyi I. F. , Volyar R. N . Mathematical modelof inductor field effect on coefficient of impurity distribution insilicon...................................................................................................... 36VACUUM-ARC REMELTINGDemchishin A. V., M ichenko V. A., Avtonomov G. A., Tokarev O. A.Modified vacuum-arc installation «Bulat-3T» ............................................. 40ENERGY AND RESOURCES SAVINGShapovalov V. A., Burnashev V. R., Biktagirov F. K., Ukrainets A. I.,Bragin M . A., Pudikov B. N., Konstantinov V. S., Stepanenko V. V.,Peshkov A. N. Recycling of chips of heat- resistant steel EP609-Shusing the method of compacting at electric current withsubsequent electroslag remelting ............................................................. 43INFORMATIONIvanova N. L. 11th International Scientific-Practical Conference inSt.-Petersburg ......................................................................................... 46Kovalenko V. S. , Zelnichenko A. T. 4th International Conferenceon laser technologies............................................................................... 47Voynarovich S. G. , Haskin V. Yu. Day of Science at the E. O. PatonElectric Welding Institute .......................................................................... 49Asnis E. A. , Shulym V. F. , Piskun N. V. , Statkevich I. I. Towardsthe 25th anniversary of welding in open space ......................................... 50International company «ANTARES»........................................................... 52Towards the 80th birthday and 55th anniversary of scientific andpedagogical activity of Gasik M. G. .......................................................... 53A. K.Tsykulenko is 70............................................................................... 55G. M. Grigorenko is 70............................................................................. 56Rules of manuscripts preparation for journal «SovremennayaElektrometallurgiya» ................................................................................ 57

№ 3 (96)2009

International Scientific-Theoretical and Production Journal

Published since January, 1985

Founders: The National Academy of Sciences of Ukraine The E. O. Paton Electric Welding Institute International Association «Welding» Is published 4 times a year

© NAS of Ukraine, The E. O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, International Association «Welding», 2009

EDITORIAL BOARD:

Editor- in-Chief B. E. Paton

M. I. Gasik,G. М . Grigorenko (vice-chief ed.),

D. М . Dyachenko (exec. secr.),М . L. Zhadkevich, V. I. Lakomsky,

L. B. Меdоvаr, B. А. Моvchan,А. N. Petrunko, A. S. Pismenny,N. P. Тrigub, A. A. Troyansky,A. I. Ustinov, V. A. Shapovalov

THE INTERNATIONALEDITORIAL COUNCIL:

D. Ablitzer (France)G. М . Grigorenko (Ukraine)

A. A. Iljin (Russia)B. Кoroushich (Slovenia)

S. F. Мedina (Spain)А. М itchell (Canada)B. E. Paton (Ukraine)

Ts. V. Rаshеv (Bulgaria)J. Foct (France)

E. H. Shahpazov (Russia)Т. El Gаmmаl (Germany)

Address:

The E. O. Paton ElectricWelding Institute

of the NAS of Ukraine,11, Bozhenko str., 03680,

Kyiv, UkraineTel./ fax: (38044) 528 34 84,

529 26 23Tel.: (38044) 271 22 07

E-mail: journal@paton.kiev.uattp:/ / www.nas.gov.ua/ pwj

Editor: V. I. Kotlyar

Electron galley:D. М . Dyachenko, L. N. Gerasimenko

State Registration CertificateKV 6185 of 31.05.2002

All rights reserved.This publication and each of the

articles contained here in areprotected by copyright

Permission to reproduce materialcontained in this journal must be

obtained in writing from the Publisher

Publisher: International Association «Welding»

SO VR EM EN N AYAELEKTR O M ETALLU R G I YA

(Electrometallurgy Today)

«Sovremennaya Elektrometallurgiya» journal is published in English under the title of «Advances in Electrometallurgy»

by Camdridge International Science Publishing

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯСПЕЦИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУГИИ

За 75 лет, прошедших со дня основания Института электросварки им. Е. О. Патона НАНУ, созданомножество новейших технологических процессов и образцов уникального оборудования для их реали-зации. Многие из них были первыми в мировой практике, надежно служат и сегодня прогрессу и наЗемле, и под водой, и в космическом пространстве.

Прежде всего это касается различных видов сварочных процессов и оборудования, всего, что связанос ними, качества сварных швов и сварных соединении, прочности и надежности сварных конструкций,методов их диагностики и многого другого.

Борису Евгеньевичу Патону принадлежит особая роль в возникновении, становлении и развитииспециальной электрометаллургии (СЭМ) – важнейшей для технического прогресса отрасли промыш-ленности. Именно Б. Е. Патоном впервые в мире предложена идея использования сварочных источниковнагрева (электрошлаковой ванны, дуговой плазмы, электронного луча) для переплавных процессов раз-личных металлов и сплавов и придания им особо высокого качества и надежности.

К новым процессам СЭМ в первую очередь относится электрошлаковый переплав (ЭШП) расходу-емого электрода в водоохлаждаемую изложницу. Фундаментальные исследования сущности ЭШП, егофизико-химических, металлургических и электротехнических особенностей, выполненные в Институтеэлектросварки в середине 1950-х — начале 1960-х обеспечили на то время институту передовые позициив области разработки и применения электрошлаковой технологии, литья, подпитки и др.

В очень короткие сроки электрошлаковый переплав был внедрен в промышленность. В мае 1958 г.на заводе «Днепрспецсталь» (ДСС) вступила в строй первая в мире промышленная печь ЭШП Р-909,спроектированная и изготовленная в Институте электросварки. Первой промышленной продукцией печейЭШП здесь стала шарикоподшипниковая сталь ШХ-15, а ее первым потребителем – флагман советскойподшипниковой промышленности 1-й Государственный подшипниковый завод в Москве. Затем к немуприсоединился Запорожский моторный завод (головной в составе нынешнего ОАО «Мотор-Сич»).

В тот же период институтом совместно с НКМЗ спроектирована и изготовлена первая в истории ЭШПпромышленная трехфазная печь ЭШП-2, предназначенная для выплавки стальных двухтонных кузнеч-ных слитков. Печь введена в эксплуатацию на НКМЗ в 1958 г. На ней был освоен выпуск крупныхкузнечных слитков массой до 2 т из 12%-й хромистой жаропрочной стали для дисков судовых газовыхтурбин. С этого момента началась эра промышленного использования ЭШП в бывшем СССР и в мире.Работа удостоена Ленинской премии за 1963 г.

Первой из стран Запада, проявивших деловой интерес к ЭШП, стала Франция. После посещенияфранцузскими представителями Института электросварки им. Е. О. Патона и завода «Днепроспецсталь»летом 1963 г. две фирмы (металлургическая «Компани дез ателье э форж де ла Луар» (КАФЛ) иэлектромашиностроительная «Компани электромеканик» (КЭМ) приобрели советскую лицензию на спо-соб ЭШП и оборудование для его реализации.

Летом 1965 г. на заводе фирмы «КАФЛ» в г. Фермини, близ г. Сент-Этьена, введена в эксплуатациюпервая в Западной Европе электрошлаковая печь (типа Р-951). Именно на этой печи впервые успешноосвоен ЭШП шарикоподшипниковых, быстрорежущих, нержавеющих сталей и сплавов типа инконель.Через год заработала печь ЭШП в Шеффилде (Англия). Здесь было начато серийное производствопечей ЭШП. В 1970 г. по советской лицензии запустили первую печь на фирме «Авеста» (Швеция), а в1972—1974 гг. – ряд печей ЭШП в Японии.

В США в конце 1960-х гг. опубликована американская программа исследований в области ЭШП ипоставлена задача догнать русских. Об успехах американцев, купивших в мае 1969 г. первую советскуюлицензию на ЭШП, свидетельствует тот факт, что спустя 8 лет в США годовое производство электрош-лакового металла в слитках достигло 126 тыс. т. Большинство печей ЭШП, работающих в США, построеноамериканской фирмой «Консарк корпорейшн», ранее специализирующейся на производстве только печей ВДП.

Электрошлаковый переплав в бывшем СССР развивался стремительно, поскольку главными потре-бителями металла особо высокого качества стали производители вооружения и различной военной тех-ники: военно-морского судостроения, танкостроения и др. В 1980-х гг. построены прекрасно оснащенныеуникальные цехи ЭШП на НКМЗ (Краматорск), МК «Азовсталь» (г. Мариуполь), заводе «КрасныйОктябрь» (г. Волгоград).

Институту электросварки – 75!

3

Развитию ЭШП способствовала система прямой государственной поддержки ученых и специалистов,плодотворно трудившихся не только в Институте электросварки им. Е. О. Патона, но и во ВНИИЭТО,ЦНИИ «Прометей», ЦНИИЧермет, ВИАМ, ВИЛС, НИИХИМаш и др. Важен и тот факт, что изобре-тения, связанные с новыми технологическими процессами ЭШП и с оборудованием для их осуществления,запатентованы во многих странах мира (Франции, Японии, Швеции, США и др.), причем только Инс-титут электросварки имеет более 600 зарубежных патентов в этой области.

Большие возможности для коренного улучшения структуры заготовительного производства машино-строения в середине 1970-х гг. открылись благодаря разработке в институте под руководством Б. Е.Патона разновидности электрошлаковой технологии – электрошлакового литья (ЭШЛ), которое назаводах тяжелого машиностроения позволяет полностью отказаться от ковки литого электрошлаковогометалла и при этом объединить в машиностроительной заготовке оптимальную форму отливки и высокиемеханические свойства поковки. Примечательно, что высокое качество металла электрошлаковой отливкисочетается в ЭШЛ с чрезвычайно высоким выходом годного, достигающим 85…95 %, и полной ликвидациейбрака в заготовительном производстве. Работа удостоена Государственной премии Украины за 1978 г.

В тяжелом и металлургическом машиностроении ЭШЛ нашло применение при изготовлении заготовокдля горячей и холодной штамповки, цапф и подцапфовых плит к крупнотоннажным сталеразливочнымковшам, валков горячей и холодной прокатки труб, крупных коленчатых валов судовых дизелей, деталейпромышленных тракторов, листосварных баллонов высокого давления.

В конце 1960-х — середине 1970-х гг. в Институте электросварки им. Е. О. Патона совместно с ПО«Ждановтяжмаш» (теперь ОАО «Азовмаш») разработана технология производства литосварных сосудоввысокого давления, используемых для работы на повышенных параметрах. В начале 1980-х гг. там жесоздано специализированное оборудование, разработана и освоена технология ЭШЛ полых цилиндри-ческих заготовок, днищ, патрубков и других деталей из аустенитной стали, а также организовано про-изводство литосварных сосудов, предназначенных для работы в условиях сверхнизких температур ивысоких давлений.

Основное назначение ЭШЛ и его разновидностей (центробежного ЭШЛ и электрошлакового кокиль-ного литья) состоит не только в замене таких традиционных технологических процессов, как литье иковка. Его следует рассматривать в качестве одного из высокоэффективных и металлосберегающих спо-собов заготовительного производства, позволяющего расширить выпуск заготовок и другой продукциис минимальной механической обработкой.

Одним из наиболее ярких примеров эффективного применения ЭШЛ является разработка и внедрениеэлектрошлаковой технологии изготовления заготовок вварных бандажей цементных печей на заводе«Волгоцеммаш» ( г. Тольятти). Данную работу проводили по инициативе Б. Е. Патона, который пред-ложил оригинальную схему ЭШЛ заготовок вварного бандажа цементной печи наружным диаметром 6 м,толщиной 500 мм и массой 33 г. Технология ЭШЛ, разработанная в институте совместно с заводом«Волгоцеммаш», позволила решить проблему получения высококачественных стальных заготовок ввар-ных бандажей обжиговых цементных печей, максимально приближающихся по форме и размерам кконечному изделию, что позволило уменьшить металлоемкость цементной печи на 147 т. Кроме того,значительно повысилась работоспособность, а в результате – производительность печи.

В начале 1970-х гг. в институте под руководством Б. Е. Патона разработан новый способ переплаваметаллического расходуемого электрода электрической дугой, горящей между торцом расходуемого элек-трода и поверхностью жидкой шлаковой ванны, в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе, получив-ший название дугошлакового переплава (ДШП). По сравнению с ЭШП, способ ДШП при выплавкеслитков позволяет в 1,5 раза уменьшить расход электроэнергии, а также почти в 2 раза сократить расходсинтетического флюса на 1 т металла. По качеству металл ДШП практически не уступает металлу ЭШП.Главным достоинством ДШП является возможность легировать металлы азотом из газовой фазы, в томчисле под давлением, при полном исключении из технологического процесса производства высокоазо-тистых сталей и сплавов дорогостоящих азотсодержащих соединений, например нитрида кремния.

В результате проведенных в 1990-е гг. опытно-промышленных работ показано, что ДШП может бытьэффективен при производстве титана и его сплавов и позволяет получать крупные листовые слитки(массой 5 т) с хорошей поверхностью и высокого качества.

В последние годы благодаря разработке в Институте электросварки нового технологического процессаэлектрошлаковой наплавки жидким металлом (ЭШН ЖМ), новой технологической схемы ЭШП с двумяисточниками питания (ЭШП ДС) и использованием токоподводящего кристаллизатора открылись новыевозможности для совершенствования технологии получения биметаллических заготовок и изделий раз-личного назначения, таких как композитные заготовки валков прокатных станов, биметаллическая ар-матура, подовые сталемедные электроды дуговых печей и др.

Безусловным преимуществом процесса ЭШН ЖМ является возможность наплавки материалами са-мого различного химического состава (нержавеющими, инструментальными и быстрорежущими сталями,жаропрочными никелевыми сплавами и др.). При этом высокого качества биметаллических заготовок

4

достигают при их значительно более низкой стоимости, чем при ЭШН с применением расходуемыхэлектродов.

В рамках совместных работ с ЗАО «НКМЗ» выполнен проект соответствующей адаптации печи ЭШПи создан первый в мире промышленный агрегат для производства способом ЭШН ЖМ композитныхзаготовок прокатных валков диаметром до 1000 м, длиной наплавляемой бочки до 2500 мм и массой до25 т, накоплен значительный опыт изготовления композитных заготовок с высокохромистым наплавлен-ным рабочим слоем. Применение таких валков показало, что их стойкость в 2… 3 раза выше, по сравнениюс серийными чугунными валками, использовавшимися ранее. Технология ЭШН ЖМ реализована такжепри изготовлении биметаллических заготовок диаметром 35 мм с коррозионно-стойкой наплавкой изаустенитной стали типа 316L и основным слоем из стали 20ГС для биметаллического арматурного профиля.

Сегодня ЭШП наряду с ВДП, ПДП, ЭЛП является основой специальной электрометаллургии. Поразным оценкам, в мире выплавляют около 1,5 млн т металла ЭШП ежегодно, при этом около половины –в Китае. Ныне ЭШП – это стандартный, хорошо изученный металлургический процесс, однако передметаллургами ЭШП стоят новые сверхсложные задачи – прежде всего получение высококачественныхгигантских сплошных и полых стальных слитков массой до 300 т и более (возможно), а также на порядокменьшей массы слитков жаропрочных сплавов. Казалось бы, что эти задачи известны и более или менееудачно решены почти 30 лет назад, в частности для нужд энергетики. Однако сейчас они значительноусложнились. Их предстоит решить для нового поколения сталей и сплавов.

Не менее сложную задачу предстоит решить применительно к изготовлению литых полых заготовокЭШЛ диаметром 4… .5 м для толстостенных сосудов ответственного назначения, в т.ч. для атомнойэнергетики и нефтехимии.

Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) – один из наиболее эффективных способов повышения слу-жебных характеристик металлов и сплавов, прежде всего при получении особо чистых тугоплавкихметаллов (ниобия, тантала, циркония, молибдена и др.). Благодаря высокой степени рафинирования иформированию более однородных по химическому составу и структуре слитков существенно повышаютсяфизико-механические свойства металлов и сплавов, увеличивается их технологическая пластичность.

В отличие от ВДП, к расходуемой заготовке для ЭЛП предъявляются минимальные требования, чтопозволяет уменьшить расход металла. Одновременно достигают значительного сокращения трудовых(количество операций по переделу) и энергетических затрат.

Первую отечественную промышленную установку ЭЛП разработали и создали в ИЭС, а внедрили наДонецком химико-металлургическом заводе. На Артемовском заводе наладили выпуск холоднокатаноголиста ниобия и тантала электронно-лучевой выплавки. Разработаны технологии переплава ванадия,циркония, меди для электронной промышленности.

Получили развитие способы ЭЛП с применением промежуточной емкости и способ выплавки плоскихслитков в горизонтальном кристаллизаторе. ЭЛП позволяет получать не только особо чистые металлы,но и сплавы с особыми функциональными свойствами. Для электротехнической и аэрокосмической про-мышленности в конце в 1960—1970-х гг. в ИЭС разработан ряд оригинальных сплавов на основе никеля,ниобия, молибдена с повышенной низкотемпературной пластичностью. Особое место в электронно-луче-вых технологиях занимает производство слитков из титана и его сплавов.

Научный и практический подход Б.Е. Патона к решению реальных технических задач для нуждотечественной промышленности позволил в короткий срок разработать технологию, изготовить оборудо-вание для электронно-лучевой плавки, а также создать научно-производственный центр «Титан» с мини-заводом вакуумной металлургии производительностью до 3000 т титановых сплавов в год.

Разработаны новые отечественные сплавы из титана с более высоким уровнем механических и эксп-луатационных свойств, чем существующие в мировой практике, для использования в медицине, химичес-ком машиностроении, автомобилестроении, в авиационной и военной технике (сплавы Т80 и Т90, заме-няющие соответственно сплавы ОТ4-1 и ОТ4 и превосходящие их по уровню свойств и свариваемости,сплавы ТЮО, превосходящие по механическим свойствам широко известный сплав титана ВТ6 (Grade5),и Т-110, который по технологичности, свариваемости и работоспособности в условиях циклических на-грузок превышает широко используемый в авиации сплав ВТ22).

Первый отечественный высокопрочный сплав Т-110 предназначен для использования в самолетостроении(например, лайнерах АН70 и АН148). Для дальнейшего снижения себестоимости и трудоемкости изго-товления слитков титана из первичного сырья в ИЭС им. Е. О. Патона впервые в мире разработанатехнология электронно-лучевого переплава с промежуточной емкостью (ЭЛПЕ) недробленых блоковгубчатого титана массой 0,7...3,8 т, что позволяет исключить из технологического цикла производстваслитков не только этап прессования расходуемого электрода для последующего переплава, но и операциюдробления блоков губчатого титана.

Предложенная технология ЭЛПЕ блоков губчатого титана обеспечивает повышение на 20 % технико-экономических показателей, в сравнении с ЭЛПЕ дробленого губчатого титана. Для реализации данногоспособа в ИЭС им. Е.О. Патона в 2004 г. создали не имеющую аналогов электронно-лучевую установку

5

УЭ5810, позволяющую совместить процессы оплавления боковой поверхности блока на этапе пред-варительного подогрева и плавки в одной вакуумной камере. Использование указанной технологии вусловиях промышленных предприятий позволило организовать в Украине конкурентоспособное намировых рынках производство высококачественных слитков и слитков-слябов титана.Для сокращенияпотерь металла в ИЭС им. Е. О. Патона впервые в мире предложена, вместо механической обработки,технология оплавления электронным лучом боковой поверхности слитков как круглого, так и квадратногосечений, а также слитков-слябов, создано соответствующее оборудование. Разработка удостоена Госу-дарственной премии Украины за 2006 г.

Оплавление таких слитков осуществляется за счет нагрева и расплавления поверхностного слоя слиткаэлектронным лучом вдоль его образующей одновременно по всей длине. У круглых слитков ванна жидкогометалла перемещается по поверхности слитка благодаря его вращению вокруг своей оси, а у слитковквадратного сечения и слитков-слябов – с управлением развертками электронного луча.

Процесс электронно-лучевого оплавления поверхностного слоя слитков характеризуется высокой плот-ностью подводимой энергии, легкостью контроля и управления технологическими параметрами, а такжеэкономией до 15 % металла, в зависимости от массы оплавляемого слитка.

Впервые в мировой практике предложены технология получения горячекатаных труб непосредственноиз литых трубных заготовок (успешно внедрена на Никопольском Южно-трубном заводе в 1998—2000 гг.),а также технология производства полых слитков для изготовления крупногабаритных титановых труб иколец из отечественных титановых сплавов.

Идея плазменно-дугового переплава (ПДП) металлов и сплавов в медном водоохлаждаемомкристаллизаторе полностью принадлежит Б.Е. Патону. Он предложил заняться разработкой этого про-цесса в самом начале 1960-х гг. К тому времени в ИЭС им. Е.О. Патона уже были разработаны ЭШПи ЭЛП. Начав заниматься ПДП, институт тем самым замыкал все три физически возможных случаявзаимодействия с жидким металлом второй фазы – шлака, вакуума и газов – в различных вариантах.

Работы в области плазменного переплава развивались значительно быстрее, чем у двух других способоввторичного передела. Это объясняется тем, что они основывались на опыте, накопленном при разработкеЭШП и ЭЛП. Уже в 1966 г. на Свердловском заводе ОЦМ введена в эксплуатацию первая в мирепромышленная печь для переплава сплавов на основе платины и палладия, используемых при производ-стве стекловолокна, потенциометрических сплавов, приборов слепой посадки самолетов и, наконец,производстве микрочипов.

На этом заводе впервые в мире были получены чистые иридий и осмий в плавленом состоянии. Доэтого их производили только в виде спеченных брикетов. Этому успеху способствовало то, что слиткидрагоценных металлов малогабаритны, и указанному заводу полностью подошла печь на слиток диаметромвсего лишь в 100 мм. Через год на Ижевском металлургическом заводе вошла в строй плазменно-дуговаяпечь на слиток диаметром 150 мм, металл которой с успехом использовался для изготовления некоторыхдеталей всемирно известной автоматической винтовки конструкции Калашникова.

В 1967 г. на электрометаллургическом заводе в г. Электросталь запущена плазменно-дуговая печьновой конструкции для производства специальных сталей и сплавов. На ней выплавляли слитки массой0,5 т и больше. Далее последовали печи не только для переплава прецизионных сплавов, но и дляпроизводства слитков компактного химически чистого титана из губчатого металла (Запорожский титано-магниевый комбинат), а также слитков титановых сплавов различного назначения.

Б. Е. Патон предложил применить плазменную плавку для переработки отходов титана. В короткиесроки в лабораториях ИЭС им. Е. О. Патона проведены исследования процесса плазменной плавки излистовых отходов, стружки и отходов губчатого титана. Руководство Министерства цветной металлургииобратилось к Борису Евгеньевичу с просьбой о создании промышленных печей для этих целей. Такиепечи были спроектированы, изготовлены и совместно с Алчевским металлургическим комбинатом иЗапорожским титано-магниевым комбинатом сданы в эксплуатацию в 1972 г. и 1979 г.

На Алчевском металлургическом комбинате впервые в мире способом плазменной плавки полученыплоские слитки размером 800 120 1300 мм из 100 % листовых отходов титана. После прокатки слитковиз листа изготовляли химическое оборудование, успешно эксплуатируемое на предприятиях химическогокомплекса.Плазменная двухручьевая печь УП-100, установленная на Запорожском титано-магниевомкомбинате, позволяет выплавлять из отходов губчатого титана одновременно два слитка диаметром до300 мм и длиной 2500 мм, а также два плоских слитка размерами 400 200 2500 мм. Уникальность печизаключается в том, что она дает возможность выплавлять как одновременно два слитка, так и попеременнопо одному слитку с переливом из одного кристаллизатора в другой.

Слитки использовали в качестве расходуемых электродов в вакуумно-дуговых литейных печах дляполучения литых изделий.

Тысячи единиц запорной титановой арматуры установлены на предприятиях химической промыш-ленности во многих странах СНГ. Серьезную проблему представляла рациональная переработка отходовтитана, накапливавшихся на авиационных и моторостроительных заводах. На Запорожском моторном

6

заводе (ОАО «Мотор-Сич») существующая промышленная печь ВДЛ-4 была оснащена разработаннымв ИЭС им. Е. О. Патона нерасходуемым электродом с рабочим током до 20 кА для получения отливокответственного назначения из 100 % отходов литья.

Мощность плазменно-дуговых печей постоянно росла и достигла выплавки 3,5-тонного слитка наИжевском металлургическом заводе. В короткие сроки с помощью плазменно-дуговых печей решен рядкрупных экономических задач, в частности, для производства высокопрочных канатов для сверхглубокихшахт (Ижевский металлургический завод); внесен существенный вклад в решение проблемы вторичноготитана; получена биметаллическая сверхтонкая лента для магнитной записи программ спутников Земли,работающих на орбите в длительном автоматическом режиме (Ленинградский сталепрокатный завод) и др.

Поскольку в 1960-х — 1970-х гг. мощности электропечестроения в СССР были развиты слабо, дляскорейшего распространения плазменно-дугового переплава академик Б. Е. Патон предложил собствен-ную идею, которая заключалась в том, чтобы осуществлять процесс ПДП в корпусе вакуумно-дуговойпечи. Этот новый вариант плазменно-дугового переплава получил название переплава расходуемогоплазмотрона (ПРП).

Суть предложенного способа переплава состояла в том, что для переплава вместо сплошного расхо-дуемого электрода использовали расходуемый электрод с осевым отверстием (полый электрод), черезкоторое в процессе плавки в зону дуги подается плазмообразующий газ. Состав газа можно варьироватьв зависимости от требований технологии, т. е. это может быть инертный газ либо газовые смеси, в составкоторых наряду с инертными входят, например азот или водород, взаимодействующие с жидким металлом.

Эта идея базировалась на прекрасном знании процесса вакуумно-дугового переплава и на использо-вании физического явления так называемого эффекта полого катода. При определенных параметрахэлектрического режима внутренняя поверхность электрода может одновременно выполнять роль катодаи стенок сопла плазмотрона. В результате дуговой разряд по своим физическим характеристикам переходитв плазменный.

Переплав расходуемого плазмотрона впервые осуществлен в промышленных масштабах на электро-металлургическим заводе «Днепроспецсталь» (г. Запорожье) в 1973 г. Выплавлены слитки диаметром320 мм (массой до 1 т) из высокопрочной и жаропрочной азотсодержащей стали. Параллельно сувеличением мощности плазменных печей происходило совершенствование и наращивание единичноймощности дуговых металлургических плазмотронов.

Первые плазменно-дуговые печи были оснащены дуговыми плазмотронами постоянного тока, способ-ными в течение продолжительного времени (до 50 ч) работать на токе до 500 А. В дальнейшем наосновании широких исследований создали ряд дуговых металлургических плазмотронов серии ПДМ,способных работать длительное время (достаточное для ведения одной плавки) на токах 5...6 кА.

Переломным этапом в создании мощных металлургических плазмотронов явился переход напринципиально новый способ повышения стойкости электродов – применение плазменных катодов исоздание трехфазных плазменно-дуговых комплексов переменного тока. Работы, связанные с созданиеми исследованием мощных металлургических плазмотронов постоянного и переменного тока с плазменнымэлектродом, проводились по инициативе Б. Е. Патона. Такие плазмотроны мощностью до 2 МВт и сбольшим ресурсом получили признание во многих промышленно развитых странах и защищены патентамиСША, Англии, Германии, Франции, Японии и других стран. Созданные на их основе плазменные на-гревательные комплексы переменного тока (трехфазная группа плазмотронов и источники питания кним) мощностью до 5 МВт закуплены и успешно освоены фирмами «Крупп» (Германия), «Ниппон стил»(Япония) и ОАО «Буммаш» (Россия).

Особого внимания заслуживают работы, посвященные плазменно-дуговым комплексам, поскольку вметаллургии они оказались наиболее приемлемыми как по технически более простому оснащению, таки по технологическим возможностям. Такими комплексами могут оснащаться дуговые сталеплавильныепечи. В этом случае плазменно-дуговой комплекс используется вместо графитовых электродов. Трехфаз-ные комплексы дуговых плазмотронов находят широкое применение при создании переплавных печей сформированием слитка в охлаждаемом медном кристаллизаторе (печи УП100, У600), их можно такжеприменять для интенсификации плавки в индукционных печах открытого типа или вакуумных (комплексПДТУ-300).

Одним из направлений в развитии прогрессивных плазменных технологий стала плазменная внепечнаяобработка стали. Применение плазменных источников тепла в этом процессе позволило избежать недо-статков, присущих ковш-печам с дуговым нагревом, а также достичь более высокого качества стали.Данными разработками заинтересовалась японская фирма «Ниппон стил». В 1988 г. на этой фирме втехнологической цепочке домна—конвертер—плазменная внепечная обработка стали—машина непрерыв-ного литья был введен в эксплуатацию 100-тонный ковш-печь, оборудованный плазменным нагреватель-ным комплексом ИЭС им. Е. О. Патона мощностью до 5 МВт.

7

В 1996 г. на ОАО «Буммаш» (г. Ижевск) успешно ввели в эксплуатацию ковш-печь вместимостьюдо 30 т, оснащенный плазменным нагревательным комплексом ИЭС им. Е. О. Патона мощностью до4 МВт. Скорость нагрева стали в ковше-печи достигает 4... 15 °С/мин.

В 1975 г. Б. Е. Патон предложил коренным образом изменить способы обработки поверхности слитковперед деформацией, основанные на использовании плазменных источников нагрева. Так, в ИЭС им. Е. О.Патона появилось новое направление – плазменно-дуговое рафинирование поверхности (ПДРП), без-отходный способ устранения поверхностных дефектов. Освоению данной технологии предшествовалбольшой объем физико-химических и технологических исследований, включивший изучение теплообмена,газодинамического давления плазмы на металл, локального взаимодействия металла с газом в пятненагрева и т. д.

Указанные исследования были необходимы для управления глубиной проплавления поверхностногослоя, размерами ванны, а также предотвращения слива металла с цилиндрической поверхности враща-ющегося слитка с учетом особенностей ПДП поверхностного слоя заготовок из металлов с высокойтеплопроводностью. Конструкторско-технологические работы выполнялись совместно с организациямиМинчермета, Минцветмета и Минавиапрома СССР.

На заводах «Электросталь», ВСМПО (Россия) и «Днепроспецсталь» (Украина) создалиспециализированные участки, оснащенные многоплазмотронными высокопроизводительными агрегатамиПДРП, предназначенными для обработки плоских заготовок и цилиндрических слитков диаметром до 800 мми длиной до 3 м. Область их применения охватывает жаропрочные дисперсионно-твердеющие сплавы наникелевой основе, нержавеющие стали для тонкостенных труб, магнитно-мягкие сплавы и др. В 1990-е гг. наэтих заводах основную массу слитков специальных сплавов ВДП обрабатывали с применением плазменно-ду-гового нагрева.

Наряду с признанными способами, в свое время составившими основу специальной электрометал-лургии (выплавки, рафинирования и обработки специальных сталей и сплавов), необходимо отметитьразработанный в ИЭС им. Е. О. Патона в начале 1980-х г. процесс выплавки слитков на основеиндукционного нагрева – индукционный переплав в водоохлаждаемом медном секционном кристаллиза-торе (ИПСК). Этот процесс, который использует мягкий нагрев, присущий индукционному источникутепла, позволяет в отсутствие контакта жидкого металла с огнеупорами получать и рафинировать высо-кореакционные металлы и сплавы на их основе.

В ИЭС им. Е.О. Патона разработан ряд установок и технологий, основанных на ИПСК, внедренныхв различных отраслях (утилизация отходов титана – «Киевтрактородеталь», Украина; рафинированиеотходов ванадийсодержащих лигатур – Ленинабадский комбинат редких металлов, Таджикистан;рафинирование черновых редкоземельных металлов – Киргизский горно-металлургический комбинат;утилизация и рафинирование драгоценных металлов платиновой группы – Екатеринбургский завод пообработке цветных металлов, Россия.

Приведем прогнозную оценку перспектив дальнейшего развития СЭМ, которая была дана в статьеБ. Е. Патона, В. И. Лакомского, Г. М. Григоренко, Л. Б. Медовара «Специальная электрометаллургия:полвека в действии. Что дальше?» (Специальная электрометаллургия. – 2003. – № 4. – С. 3—7):«Специальная электрометаллургия с первых дней своего рождения была и, по нашемумнению, надолго останется металлургической базой для таких прогрессивных областейдеятельности человека, как авиация, космическая техника, электроника, медицина,энергетика».

В. Я. Саенко

8

УДК 669.117.56

ПРОБЛЕМЫ РАЗЛИВКИ ЖИДКОЙ СТАЛИС МАЛОЙ СКОРОСТЬЮ

А. К. Цыкуленко, Б. Б. Федоровский, В. Б. Смолярко,П. И. Загоровский, Л. Б. Медовар, В. А. Рябинин,

В. М. Журавель, В. М. Ярош

Рассмотрены проблемы, возникающие при разливке жидкого металла с малой скоростью в некоторых технологи-ческих процессах металлургии. Показано, что эти проблемы можно решить с помощью специального устройства,позволяющего нагревать разливочный стакан током высокой частоты, генерируемым малогабаритным транзисторнымпреобразователем электроэнергии.

Problems, occurring during pouring of molten metal at a low speed in some technological processes of metallurgy, areconsidered. It is shown that these problems can be solved by using a special device allowing heating a pouring nozzleby high-frequency current generated by a small-sized transistor converter of electric power.

Ключевые слова : разливка металла с малой ско-ростью; обогреваемый ковш; донный выпуск индукционный на-грев; разливочный стакан; транзисторный преобразователь

В литейном и металлургическом производстве в не-которых случаях требуется разливать металл малы-ми порциями (несколько килограммов и даже мень-ше) из ковшей (или промежуточных ковшей) срав-нительно большой вместимости. И если для метал-лов с низкой температурой плавления это можноуспешно осуществить разными способами, то, нап-ример, для разливки малыми порциями стали не-обходимо решить ряд проблем.

Одна из основных проблем вызвана снижениямтемпературы жидкого металла в разливочном ковшепри транспортировке и выполнении технологичес-ких операций. Среднее уменьшение температурыметалла в ковше зависит от его вместимости, тем-пературы предварительного подогрева, толщинышлакового покрова и многих других факторов. По-этому сведения по этому вопросу довольно проти-воречивы. Согласно данным работы [1], среднееснижение температуры жидкой стали в ковше вовремя разливки при нормальных условиях (подо-гретый ковш, наличие довольно толстого шлаковогопокрова) составляет для ковшей вместимостью30…50 т 0,7…0,9 град/мин, а для ковшей вмести-мостью свыше 250 т – 0,3 град/мин. Общее умень-шение температуры металла во время разливки дос-

тигает 20…40 °С, продолжительность разливки –30…90 мин. Оптимальным превышением темпера-туры жидкой стали, поступающей, например в крис-таллизатор МНЛЗ, над температурой ликвидусасчитается 10…20 °С. При этом для компенсациитепловых потерь в процессе непрерывной разливкитемпература металла в ковше должна быть вышеликвидуса на 30…60 °С.

Несколько большую скорость снижения темпе-ратуры стали в ковше дает источник [2], в которомдля 200-тонного ковша падение температуры метал-ла равняется приблизительно 1 град/мин. В работе[3] скорость снижения температуры металла в ков-ше вместимостью 10 т оценена в 3 град/мин. Ин-терполируя литературные данные, можно прибли-зительно установить скорость охлаждения жидкогометалла в разливочных ковшах разной вместимос-ти. Принимая общее снижение температуры метал-ла в ходе разливки 20…40 °С, получим допустимоевремя разливки из ковшей разной вместимости(рис. 1). Для разливочных ковшей указанного ди-апазона вместимости (10…250 т) это время состав-ляет ориентировочно 10…100 мин, т. е. диапазонскоростей разливки из разливочных ковшей дости-гает 1,0…2,5 т/мин.

Вместе с тем с развитием металлургии, в част-ности появлением процессов порошковой метал-

© А. К. ЦЫКУЛЕНКО, Б. Б. ФЕДОРОВСКИЙ, В. Б. СМОЛЯРКО, П. И. ЗАГОРОВСКИЙ, Л. Б. МЕДОВАР, В. А. РЯБИНИН, В. М. ЖУРАВЕЛЬ, В. М. ЯРОШ, 2009

9

лургии, потребовалось существенное снижение ско-ростей разливки жидкой стали, что связано с необ-ходимостью распыления струи жидкого металла га-зом под давлением. Сейчас оптимальные условиядля распыления жидкого металла создаются прискорости подачи 1,5…2,0 т/ч через выпускное от-верстие диаметром 6,5…7,0 мм. Такое уменьшениескорости (на порядок по сравнению с обычной) де-лает невозможной разливку сколько-нибудь значи-тельного объема жидкого металла без подогрева вразливочном ковше из-за недопустимого охлажденияжидкого металла и зарастания выпускного отверстия.

В последние годы интенсивно развиваются спо-собы специальной электрометаллургии с использо-ванием жидкого металла. По сути, переплавныепроцессы можно рассматривать как разливку жид-кого металла на малой скорости, когда жидкий ме-талл приготавливается и разливается с одинаковойскоростью. Использование больших объемов жид-кого металла, полученных в высокопроизводитель-ных и экономичных сталеплавильных печах, посравнению с плавлением расходуемых электродовв водоохлаждаемых кристаллизаторах, обеспечива-ет технологические и экономические преимущества.Однако здесь требуется решение проблем, связан-ных с созданием условий для продолжительногохранения жидкого металла и обеспечением малыхскоростей разливки. Установлено, что оптимальнаяпроизводительность выплавки слитков связана с ихдиаметром простым соотношением: производитель-ность (кг/ч) равняется диаметру (мм). Таким образом,основная часть сортамента электрошлаковых слитков(диаметром до 1000 мм) изготовляется при производи-тельности (скорости разливки) до 1 т/ч, что на двапорядка меньше, чем при обычной разливке.

Скорость разливки жидкой стали регулируютпутем изменения диаметра отверстия в стакане раз-ливочного ковша. Более точного регулированиядостигают соответствующим подъемом стопора илираскрытием шибера. Диаметр отверстия в стаканеразливочного ковша или шиберного затвора зависитот вместимости ковша и составляет, как правило,30…80 мм.

Производительность заливки жидкого металламожет быть вычислена по формуле [1]

G = μγS√⎯⎯⎯⎯⎯2gH ,

где μ – коэффициент расхода струи, зависящий отформы сливного отверстия и степени сжатия струи,характеризуемой отношением площади сеченияструи к площади отверстия, обычно μ = 0,96…0,99;γ – плотность жидкости; S – площадь поперечногосечения сливного отверстия; g – ускорение свобод-ного падения; Н – высота уровня жидкого металланад уровнем сливного отверстия.

Рассчитанная по этой формуле скорость разлив-ки жидкой стали через сливные отверстия диамет-ром 30…80 мм составляет от 630…4484 кг/мин (врасчетах приняты следующие параметры: μ = 0,96;γ = 7,0г/см3; Н = 250 мм). Для выполнения техно-логических операций (распыление струи металладля получения порошка, электрошлаковая выплав-ка слитков и/или отливок с малой линейной ско-ростью и пр.) необходимая скорость разливки должнабыть на порядок или два меньше. Зачастую это обес-печивается с применением порционной разливки. Од-нако этот способ далеко не всегда приемлем с учетомусловий непрерывности технологического процесса.

На рис. 2 приведены расчетные диаметры слив-ного отверстия для обеспечения беспрерывной раз-ливки с малой скоростью. Здесь нанесены литера-турные экспериментальные данные по скорости раз-ливки суперсплавов [4], а также результаты собс-твенного физического моделирования путем залив-ки воды через отверстия разного диаметра с учетомплотности жидкой стали.

Приведенные данные показали, что для выплав-ки слитков диаметром 500…1000 мм с линейнойскоростью 2 мм/мин необходимую скорость непре-рывной разливки жидкого металла можно получитьпри диаметре выпускного отверстия 2,0…3,5 мм, адля распыления струи металла с производитель-ностью 1500 кг/ч он должен составлять около 6 мм.

Предполагается, что температура заливаемогожидкого металла неизменна, причем она должнабыть довольно высокой для обеспечения жидкотеку-чести металла. В действительности процесс разливкижидкого металла сопровождается снижением темпе-ратуры металла и ухудшением вследствие этого его

Рис. 2. Зависимость расхода G жидкой стали от площади сеченияS (диаметра) разливочного отверстия: 1 – расчетная зависи-мость; 2 – литературные экспериментальные данные; 3 – дан-ные моделирования

Рис. 1. Ориентировочные значения скорости охлаждения vохл идопустимого времени τд разливки жидкой стали в зависимостиот вместимости разливочного ковша; m – масса жидкого металла

10

жидкотекучести. Кроме того, этот процесс сопро-вождается постепенным зарастанием сливного отверс-тия.

Мы провели эксперименты по разливке жидкогометалла через отверстия разного диаметра и полу-чили следующие результаты. Стальную воронкувместимостью 250 см3 (по стали примерно 2 кг) сотверстиями диаметром 2, 3, 5, 7 и 10 мм нагревалидо температуры светлокрасного свечения (около 800°С) (рис. 3, а) и заполняли с помощью двух четы-рехкилограммовых разливных ложек (рис. 3, б)жидким металлом (углеродистая сталь), приготов-ленным в электрошлаковой тигельной печи. В про-цессе заполнения воронки и разливки жидкий ме-талл естественно охлаждался. При этом фиксиро-валось время зарастания выпускного отверстия ипрекращение разливки из воронки (рис. 3, в). Эк-сперименты показали, что через отверстие диамет-ром 2 мм жидкий металл не потек (рис. 3, в); черезотверстие диаметром 3 мм разливка прекратиласьуже через 10 с; через отверстие диаметром 5 мм –через 40 с. Остаток металла вытек из отверстия ди-аметром 7 и 10 мм.

Непрерывное истечение жидкого металла черезотверстие малого диаметра возможно лишь при хо-рошей жидкотекучести стали, что обеспечиваетсяподдержанием соответствующей температуры ме-таллической струи. Поэтому разливка металла че-рез выпускные отверстия указанных диаметров воз-можна лишь из обогреваемого ковша. Но и в этомслучае нужно обеспечить обогрев сливного стакана,

чтобы предотвратить постепенное зарастание вы-пускного отверстия. К тому же, регулирование ско-рости даже непрерывной разливки металла черезмалые отверстия представляет довольно сложнуютехническую проблему.

С учетом специфики применения устройства дляобогрева разливочного стакана и регулированияскорости разливки (высокая температура окружа-ющей среды, необходимость размещения ковша сустройством непосредственно над объектом, стес-ненность в габаритном пространстве) наиболее це-лесообразным представляется устройство с индук-ционным высокочастотным нагревом стакана с вы-пускным отверстием.

Подобное устройство, названное холоднымпальцем, разработано фирмой «Дженерал элект-рик» для разливки и распыления суперсплавов [4].В этом устройстве разливной стакан является раз-резным по вертикали медным водоохлаждаемымкристаллизатором, помещенным в индуктор высо-кочастотного генератора.

Разделенные через изоляционные прокладкисекции кристаллизатора проницаемы для высоко-частотного электромагнитного поля, с помощью ко-торого осуществляется нагревание струи жидкогометала и предотвращается зарастание выпускногоотверстия. При необходимости струю металла мож-но прервать, выключив высокочастотный нагрев.Для возобновления разливки металла достаточновключить высокочастотный генератор.

Рис. 3. Разливка стали через сливные отверстия разного диаметра: а– нагретая воронка; б – рабочий момент заливки с помощьюразливной ложки; в – истечение струй жидкого металла через сливные отверстия; г – внешний вид донной поверхности воронкипосле заливки

11

Судя по представленным в работе [4] данным,диаметр сливного отверстия варьировали от 4,5 до7,0 мм. Спецификой конструкции разливного ста-кана для использования его в электрошлаковых тех-нологиях является уменьшение диаметра сливногоотверстия до 2,0…3,5 мм и необходимость установ-ки стакана в подине обогреваемого ковша. Прони-цаемость стакана для переменного магнитного полявысокой частоты тем выше, чем больше количествовертикальных секций, изолированных друг от друга.

Кроме того, необходимо обеспечить водяное ох-лаждение этих секций таким образом, чтобы подводи отвод воды осуществлялся с одной стороны с уче-том необходимости введения этого стакана в подинуковша. Указанные требования вступают в противо-речия, еще больше усиливаемые с уменьшением ди-аметра кристаллизатора.

Для оптимизации конструкции стакана и опре-деления необходимой мощности источника индук-ционного нагрева проведены эксперименты по на-греву и плавлению стальных стержней в разрезныхмедных водоохлаждаемых кристаллизаторах раз-ного диаметра.

Нагревание и расплавление стержней в водоох-лаждаемых кристаллизаторах сопровождается иходновременным охлаждением в результате теплоот-

вода в стенку кристаллизатора и потери тепла наизлучение. При этом основными в кристаллизато-рах малого диаметра следует, очевидно, считать по-тери, связанные с теплоотводом в стенки кристал-лизатора, потерями на излучение в атмосферу мож-но пренебречь.

Относительная поверхность охлаждения крис-таллизатора K (т. е. отношение периметра к пло-щади его поперечного сечения) существенно возрас-тает с уменьшением диаметра кристаллизатора. Со-ответственно увеличиваются и относительные поте-ри тепла. Поэтому несмотря на то, что для нагре-вания и расплавления стержня меньшего диаметранужно затратить меньшее количество тепла Q (безучета потерь), необходимая мощность источникапитания W может быть больше, чем для стержнябольшего диаметра.

На рис. 4 представлены зависимости W и K отдиаметра стержня, причем ординаты W и К совме-щены с учетом экспериментальных данных. Изрис. 4 видно, что экспериментальные значениямощности источника питания при индукционномнагреве стержня, расположенного в водоохлаждае-мом кристаллизаторе, довольно точно ложатся накривую K = f(d), а оптимальным диаметром стер-жня с точки зрения минимизации необходимой мощ-ности для его расплавления есть диаметр 25 мм (точ-ка пересечения кривых W = f(d) и K = f(d). По-лученные данные, не являющиеся очень точными,позволяют ориентироваться при конструированииразливочного стакана с малым диаметром выпуск-ного отверстия.

Простейшей конструкцией является разрезнойкристаллизатор, составленный из медных изолирован-ных и тесно прижатых друг к другу трубок (рис. 5).В этом случае получается четырехсекционный крис-таллизатор. Зазор между трубками образует сквоз-ное проходное отверстие, сечение которого опреде-ляется внешним диаметром трубки. Для трубок свнешним диаметром 6 мм сечение сквозного отвер-стия эквивалентно сечению круглого отверстия ди-аметром 3 мм.

Увеличение внутреннего диаметра кристаллиза-тора до 10 мм позволило изготовить двухсекцион-ный кристаллизатор со сверленными панелями(рис. 6). Стержни диаметром 3 мм расплавляли спомощью лампового генератора частотой 66 кГц и

Рис. 6 Внешний вид двухсекционного кристаллизатора (d = 10 мм)в индукторе

Рис. 4. Зависимости относительной поверхности К охлажденияи необходимой мощности W от диаметра стержня: 1 – относи-тельная поверхность охлаждения и необходимая мощность длярасплавления стержня, нагреваемого в водоохлаждаемом крис-таллизаторе; 2 – вычисленная мощность, необходимая для на-грева и расплавления стержня заданного диаметра; 3 – экспе-риментальные данные

Рис. 5. Секционный кристаллизатор (d = 3 мм) в индукторе

12

мощностью 70 кВ⋅А. Для этого потребовалась всяего мощность. Для расплавления стержня диамет-ром 10 мм с помощью генератора частотой 66 кГци мощностью 20 кВ⋅А оказалось достаточно 18 кВ⋅А.

С учетом определенного графически (рис. 4) оп-тимального диаметра кристаллизатора для индук-ционного нагрева стержня изготовлен ступенчатыйшестисекционный кристаллизатор с внутренним ди-аметром 20 мм, донная часть которого высотой 3 ммимела сливное отверстие диаметром 2 мм (рис. 7).Для расплавления стержня диаметром 20 мм в ука-занном кристаллизаторе требовалась мощность10 кВ⋅А, что близко к расчетному значению (рис. 4).

Однако расплавленный металл стержня послесоприкосновения со стенкой кристаллизатора быс-тро терял температуру и не вытекал из отверстия.При этом даже увеличение мощности генератора до20 кВ⋅А не позволяло повысить температуру метал-ла в кристаллизаторе. Указанное явление, очевид-но, связано с шунтированием вихревых токов слоемжидкого металла, соприкасающегося со стенкойкристаллизатора.

Были испытаны покрытия, состоящие из тонких(10…30 мкм) слоев электроизоляционного матери-ала, нанесенных на внутреннюю стенку кристалли-затора. В качестве таких материалов служили раз-личные оксиды, наносимые на стенку кристаллиза-тора с помощью плазменного напыления. Все испы-

танные материалы улучшали ситуацию, однакостойкость напыленного слоя, независимо от мате-риала, оказалась недостаточной: после одно- и дву-кратного расплавления стержня потребовалось пов-торное напыление.

Испытание ступенчатого кристаллизатора с ис-ходным отверстием диаметром 2 мм показало, чторасплавленный в расширенной части кристаллиза-тора (диаметром 20 мм) металл кристаллизуется ввыпускном отверстии, несмотря на то, что полку отстенки кристаллизатора к отверстию не охлаждали(рис. 8). Это свидетельствует о довольно интенсив-ном теплоотводе от сливного отверстия через полкув стенку водоохлаждаемого кристаллизатора. В тоже время расплавление стержня в подобном стака-не, но керамическом, позволило слить весь жидкийметалл через отверстие диаметром 2 мм. Однакостойкость такого стакана оказалась довольно низ-кой – вышел из строя после первого же расплав-ления в нем стержня.

Намного большей оказалась стойкость керами-ческого вкладыша с отверстием диаметром 2 мм(рис. 9), установленного в донной части водоохлаж-даемого кристаллизатора. Хотя и в этом случаеструя металла затвердевала в выпускном канале,образуя пробку длиной около 5 мм. Поэтому необ-ходимо ограничивать высоту вкладыша значением3 мм. В этом случае удается слить всю порцию жид-кого металла, расплавленного в расширенной частикристаллизатора (рис. 10).

Индуктор, охлаждаемый водой, может рассмат-риваться в качестве кристаллизатора. Устройство вэтом случае представляет собой своеобразную ми-ниатюрную индукционную печь с донным выпускомжидкого металла через выпускное отверстие малогодиаметра (рис. 11). Плавильная зона может бытьцилиндрической ступенчатой или конической фор-мы. В последнем случае индуктор также был кони-ческим. Предполагали, что отключение питания та-кой печи должно приводить к быстрому зарастаниювыпускного отверстия и прекращению разливки

Рис. 8. Затвердевший металл на выходе из сливного отверстия

Рис. 9. Внешний вид керамического вкладыша со сливным от-верстием диаметром 2 мм

Рис. 7. Шестисекционный ступенчатый кристаллизатор (d == 20/2 мм) в индукторе

13

жидкого металла, а повторное включение – к рас-плавлению «пробки» и восстановлению разливки.

Эксперименты по расплавлению стержней кони-ческой формы в печи с конической плавильной зо-ной проводили с применением генератора частотой2,5 кГц. Эксперименты показали, что для расплавле-ния такого стержня нужна мощность 45…48 кВ⋅А,причем стержень расплавлялся только в верхнейчасти печи. Положительные результаты полученыпри расплавлении стержней в печи с цилиндричес-кой плавильной зоной.

Таким образом, с целью дальнейших экспери-ментов с применением жидкого металла, получае-мого в обогреваемом ковше, можно рекомендоватьдва типа устройства для разливки металла с малойскоростью: секционный водоохлаждаемый ступен-чатый кристаллизатор с внутренним диаметром20…25 мм с керамическим вкладышем и индук-ционную мини-печь с донным выпуском жидкогометалла.

Представляют интерес испытания указанныхконструкций разливного стакана для использова-ния в обогреваемом электрошлаковом разливочномковше. Обычные ламповые высокочастотные гене-раторы непригодны в данном случае в качестве ис-точника питания индуктора из-за специфическихусловий их эксплуатации. Поэтому для эксперимен-тальных работ решили воспользоваться разработкойИнститута электродинамики НАНУ по конструиро-ванию малогабаритных транзисторных высокочастот-ных генераторов для индукционного нагрева.

Эксперименты по нагреву стрежней в секцион-ных кристаллизаторах дали возможность сформу-лировать технические условия на разработку мало-габаритного транзисторного высокочастотного гене-ратора для индукционного нагрева струи жидкогометалла, вытекающей из ковша с электрошлаковымобогревом через разливной стакан с малым сливнымотверстием. В соответствии с этим заданием в Ин-ституте электродинамики разработали и изготовилипилотный образец малогабаритного транзисторногопреобразователя мощностью 20 кВт, частотой 66 кГц(рис. 11). Этот преобразователь испытан в лаборатор-ных условиях и показал достаточно стабильную работу.

Следующим этапом в разработке разливочногоустройства малой производительности с функциейтакже и порционной разливки жидкого металла бу-дет создание электрошлакового тигля со встроен-ным устройством для разливки.

1. Разливка стали / Под ред. В. И. Баптизманского. – Ки-ев; Донецк: Вищ. шк., 1977. – 200 с.

2. Общая металлургия / Б. В. Челищев, П. П. Арсентьев,В. В. Яковлев, Д. И. Рыжонков. – М.: Металлургия,1971. – 480 с.

3. Europaische Patentanmeldung 0 275 349 A1, Int. Cl. C21C7/00, C21C 5/52. Verfaren zum secundar-metallurgischenBehandein von Metallschmeizen, insbesondere Stahischmei-zen / Gerhard F. et al. – Publ. 27.07.88.

4. Пат. 5160532 США, МКИ С 21 C 1/00. Распылениеэлектрошлакового рафинированного металла. – Опубл.03.11.92.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев

Поступила 08.04.2009

Рис. 11. Внешний вид индукционной мини-печиРис. 10. Вытекание струи жидкого металла через сливное отвер-стие диаметром 2 мм

14

УДК 669.117.56

ВЫБОР СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯЛИТЫХ ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫХ КОРПУСОВ

ФЛАНЦЕВЫХ ЗАДВИЖЕК ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯВ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОМ ИСПОЛНЕНИИ

М. А. Полещук, В. Л. Шевцов, Л. Г. Пузрин,А. М. Круцан, А. И. Радкевич, М. Р. Чучман

Определены механические и антикоррозионные свойства литой электрошлаковой стали 12Х21Н5Т. Показано, что еепрочностные и пластические свойства находятся на уровне свойств толстолистового проката открытой выплавки изначительно превосходят свойства обычного литья. Установлено, что скорость коррозии литой электрошлаковой стали12Х21Н5Т меньше, чем у проката из этой стали обычной выплавки (соответственно 0,10 и 0,14 мм/год). Предложеноиспользовать способ высокотемпературной автовакуумной пайки для получения композиционных корпусов.

Mechanical and anticorrosion properties of cast electroslag steel 12Kh21N5T are determined. It is shown that its strengthand ductile properties are at the level of properties of thick-sheet rolled metal of open melting and are greatly superior tothe properties of a conventional casting. It was found that the rate of corrosion of cast electroslag steel 12Kh21N5T is lowerthan that in rolled stock of this steel of a conventional melting (0.10 and 0.14 mm/year, respectively). It was offered touse the method of high-temperature autovacuum brazing for producing composite bodies.

Ключ е вы е с л о в а : литые электрошлаковые корпуса;сталь 12Х21Н5Т; механические и коррозионные свойства; ав-товакуумная пайка

Одним из главных направлений укрепления энер-гетической безопасности Украины является увели-чение собственной добычи природного газа. Его раз-веданные перспективные месторождения залегаютна больших глубинах. Для их эффективной разра-ботки необходимо специальное оборудование, спо-собное работать при давлении до 35 и даже 70 МПа.В ряде случаев это оборудование должно быть так-же стойким к вредным примесям, содержащимся вдобываемом газе, прежде всего к сероводороду Н2Sи углекислому газу СО2.

В зависимости от содержания этих примесейстандарт [1] предусматривает три исполнения обо-рудования, отличающихся классом используемыхсталей. При содержании в газе до 6 % CO2 исполь-зуется оборудование в исполнении К1, в случае сум-марного содержания Н2S и CO2 до 6 % – К2, апри их содержании до 25 % – К3.

Основой такого оборудования являются задвиж-ки с фланцами на концах патрубков, корпуса кото-рых наиболее нагружены рабочим давлением и от проч-ности которых зависит безопасная работа (рис. 1). Дляобеспечения надежности корпусов задвижек, рабо-тающих при давлении 35 и 70 МПа, их требуетсяизготовлять из металла с высокими прочностнымии пластическими характеристиками, исключающи-ми возможность хрупкого разрушения.

Общепринятая в мировой практике специфика-ция [2] не приводит конкретных марок сталей, ис-пользуемых для изготовления корпусов фланцевыхзадвижек в каждом исполнении, а лишь указываетпредельное содержание легирующих элементов.

Кроме того, для каждого рабочего давления эта спе-цификация предусматривает минимально допусти-мые уровни механических свойств металла, из ко-торого должно изготовляться соответствующее обо-рудование. Производители сами выбирают маркистали, которые при соответствующем рабочем дав-лении и содержании вредных примесей обеспечи-вают необходимую прочность и коррозионную стой-кость изделия.

На украинских газовых промыслах чаще всегоиспользуют задвижки в исполнении К1. Для их изго-товления Институтом электросварки им. Е. О. Патонасовместно с фирмой «ИФ Элтерм» разработана ивнедрена в производство прогрессивная технологияэлектрошлакового литья заготовок корпусов изсреднеуглеродистых легированных сталей. Освоенсерийный выпуск заготовок корпусов с условнымпроходом диаметрами 50, 65 и 80 мм на давление70 МПа и диаметром 65 мм на давление 35 МПа изсталей 38ХМ и 40Х. Корпуса фланцевых задвижекиз электрошлаковых заготовок отличает самое вы-сокое качество при низкой себестоимости [3, 4].

В связи с освоением в Украине ряда газовыхместорождений на морском шельфе, в добываемомпродукте которых содержится примесь Н2S, особуюактуальность приобретает создание отечественногопроизводства фланцевых задвижек высокого дав-ления в коррозионно-стойком исполнении с тем,чтобы отказаться от их дорогостоящего импорта.

При повышенном суммарном содержании CO2и Н2S для изготовления корпусов фланцевых зад-вижек за рубежом применяют высоколегированныехромоникелевые стали. Для работы при высокомдавлении корпуса выполняют из поковок [5]. Сцелью выбора стали, пригодной для изготовления

© М. А. ПОЛЕЩУК, В. Л. ШЕВЦОВ, Л. Г. ПУЗРИН, А. М. КРУЦАН, А. И. РАДКЕВИЧ, М. Р. ЧУЧМАН, 2009

15

способами ЭШЛ заготовок корпусов таких задви-жек, нами исследована феррито-аустенитная стальмарки 12Х21Н5Т, поковки из которой в настоящеевремя применяют для изделий в коррозионно-стой-ком исполнении.

Выплавлялись опытные электрошлаковые слиткидиаметром 120 мм*. Слитки подвергали закалке в водеот температуры 1050 °С и из них изготовляли образцыдля проведения механических и коррозионных испы-таний литого электрошлакового металла.

Для компенсации угара титана при ЭШЛ при-меняли электрод-спутник из титановых проволокдиаметром 5 мм. Результаты спектрального анализавыплавленных слитков приведены в табл. 1. Хими-ческий состав электрошлаковых слитков стали пол-ностью удовлетворяет требованиям стандарта.

Результаты механических испытаний образцовприведены в табл. 2. Там же указаны требованиястандартов на механические свойства сталей в видеобычного литья и толстолистового проката, а такжетребования спецификации [2] к прочности корпусныхизделий, работающих при давлении 35 и 70 МПа.Как видно из табл. 2, литая электрошлаковая сталь12Х21Н5Т по своим механическим свойствам не ус-тупает прокату обычной выплавки и значительно

превосходит обычное литье. Однако ее свойства со-ответствуют лишь требованиям к металлу корпусов,работающих при давлении до 35 МПа.

Для определения возможности изготовления изэтих сталей литых электрошлаковых корпусовфланцевых задвижек в исполнении, стойком противпримеси Н2S и CO2, нами проведены коррозионныеиспытания металла выплавленных слитков, в ходекоторых определяли скорость коррозии сталей в ус-ловиях, максимально приближенных к эксплуата-ционным; стойкость против межкристаллитной кор-розии (МКК); сопротивляемость сероводородномукоррозионному растрескиванию под напряжением(СКРН), что является важнейшей характеристикойкоррозионно-механической прочности, а такжекоррозионно-стойкую и коррозионно-циклическуютрещиностойкость.

Скорость коррозии измеряли массометрическимметодом в специально созданном автоклаве в потокераствора, движущегося со скоростью 6 м/с, при тем-пературе 30 °С и давлении 2 МПа в течение 20 ч [6].Электрохимические измерения проводили по ори-гинальным [7] и общепринятым методикам с ис-пользованием потенциостата IPC-Рro. Склонностьк МКК оценивали согласно ГОСТ 6032—2003 мето-дом АМУ [8]. СКРН изучали способом статическо-

*В работе принимали участие Ф. К. Биктагиров и А. П. Игнатов.

Т а б л и ц а 1 . Химический состав стали 12Х21Н5Т до и после ЭШЛ

ОбразецМассовая доля элементов, %

C Cr Ni Ti Mn Si S P

Исходный металл 0,11 21,3 4,9 0,29 0,40 0,34 0,014 0,021

ЭШЛ 0,12 21,0 5,0 0,30 0,41 0,36 0,010 0,020

ГОСТ 5632—72 0,09…0,14 20,0… 22,0 4,8… 5,8 0,25… 0,50 ≤ 0,8 < 0,8 ≤ 0,025 ≤ 0,035

Рис. 1. Схема фланцевой задвижки высокого давления с цельнолитым электрошлаковым (а) и композиционным (б) корпусом:1 – корпус; 2 – седла; 3 – шибер; 4 – коррозионно-стойкое покрытие канала; 5 – паяный шов

16

го растяжения гладких цилиндрических образцов сдиаметром рабочей части 6,4 мм на базе 720 ч.Циклическую трещиностойкость металла оценивалипо скорости роста трещин при изгибе образцов с час-тотой 5 Гц на воздухе и в коррозионной среде.Статическую трещиностойкость определяли наобразцах с предварительно созданной усталостнойтрещиной, нагруженных консольным изгибом, набазе 720 ч. Во всех опытах испытательной средойявлялся стандартный раствор NACE (5%-й растворNaCl + 0,5 % CH3COOH + H2S, насыщенный, pH3…4, (20±3) °С) [9].

Исследования показали, что скорость коррозиилитой электрошлаковой стали 12Х21Н5Т снижает-ся, по сравнению с исходным прокатом обычнойвыплавки (соответственно 0,10 и 0,14 мм/год). Этиданные согласуются с результатами определенияпотенциала коррозии. У электрошлакового литогометалла он положительнее (Eкор = —575 мВ ), чему исходного (Eкор = —595 мВ), что свидетельствуето более высоких защитных свойствах продуктовкоррозии, образующихся на поверхности электрош-лакового металла. Аналогичные результаты полу-чены при определении скорости коррозии электро-химическим способом. В растворе NACE без пере-мешивания при температуре 20 °С ток коррозии элек-трошлакового металла составлял 0,23 мА/см2, в товремя как для исходного проката обычной выплавкион равнялся 0,30 мА/см2. Испытание литой элект-рошлаковой стали 12Х21Н5Т по методу АМУ пока-зало полное отсутствие у нее склонности к МКК.

Общепринятым критерием по СКРН пригоднос-ти стали к эксплуатации в сероводородной средесчитается значение отношения минимального нап-ряжения, при котором образуются трещины в об-разцах в растворе NACE σsscс, к пределу текучестиσ0,2 не ниже 0,8. Измерения показали, что у литойэлектрошлаковой стали σsscс составляет 300 МПа,т. е. σsscс/σ0,2 равно 0,81. Такое же значение имелаи исходная сталь 12Х21Н5Т. Скорость ростатрещины под циклической нагрузкой у литой элек-трошлаковой стали при испытании на воздухе ока-залась ниже, чем у исходной деформированной (со-ответственно 5,2⋅10—8 и 6,35⋅10—8 м/цикл). Услов-ный пороговый коэффициент интенсивности стати-ческих напряжений в упомянутом растворе длялитой электрошлаковой стали составляет не менее43 МПа⋅м1/2, что превышает минимальные требо-вания для сталей, применяемых для изготовления

нефтегазового оборудования, стойкого против серо-водородной среды (≥ 33 МПа⋅м1/2).

Анализ полученных результатов показал, что изстали 12Х21Н5Т способом ЭШЛ можно успешноизготовлять корпуса задвижек в коррозионнно-стойком исполнении для работы при давлении до35 МПа. Для корпусов, работающих при более вы-соких значениях давления, эта сталь не обеспечи-вает необходимых прочностных характеристик. За-дачу получения высокой прочности одновременнос коррозионной стойкостью можно решить путемсоздания композиционного корпуса задвижки. Вэтом случае требуемую прочность обеспечит корпусиз литой электрошлаковой конструкционной стали,а стойкость стенки канала, непосредственно контак-тирующей с коррозионной средой, – слой высоко-легированной стали, нанесенный на ее поверхность(рис. 1, б).

Мы предлагаем новую технологию получениякомпозиционных корпусов задвижек, использую-щую высокотемпературную автовакуумную пайку(АВП) [10]. Она основана на так называемом ав-товакуумном эффекте, заключающемся в образо-вании вакуума в узком герметизированном зазоремежду деталями при их нагреве для пайки. Вакуумвозникает из-за растворения кислорода и азота го-рячими стенками зазора еще до расплавления при-поя. При этом поверхность стенок зазора очищаетсяот оксидов.

При АВП применяют более широкие зазоры, чемпри капиллярной пайке. В них припой затекает поддействием собственного веса и в результате образо-вавшегося вакуума беспрепятственно проникает набольшую глубину. Припой надежно смачивает сво-бодные от оксидов стенки зазора и образует прочноесоединение. Благодаря этим особенностям способомАВП можно соединять крупные детали. Имеетсяположительный опыт пайки этим способом углеро-дистой и нержавеющей стали [11].

Т а б л и ц а 2 . Механические свойства стали 12Х21Н5Т в различных состояниях

Образец σ0,2, МПа σв, МПа δ, % ψ, % КСU, Дж/см2

ЭШЛ 360,6… 387,3369,6

709,9… 748,0733,4

35,3… 43,038,2

40,0… 48,543,2

86,9… 107,294,3

Толстолистовой прокат* ≥345 ≥588 ≥18 — ≥59

Отливка** ≥300 ≥600 ≥18 ≥22 ≥30

Требования для 35 МПа [2] ≥310 ≥483 ≥19 ≥32 ≥20

Требования для 70 МПа [2] ≥517 ≥655 ≥17 ≥35 ≥20

*Согласно ГОСТ 7350—77. **Согласно ТУ 26-06-066—82.

Рис. 2. Паяный макет рабочего канала композиционного корпусас вырезанной частью

17

Технологию получения композиционного корпу-са задвижки с помощью АВП отрабатывали на ма-кете, имитирующем задвижку с проходным каналомдиаметром 50 мм с отношением диаметра паяного швак его длине примерно 1:7. Основным металлом служилкруглый прокат диаметром 130 мм из стали 40Х.

В качестве коррозионно-стойкого слоя исполь-зовали трубу с внутренним диаметром 50 мм и стен-кой толщиной 5 мм из стали 12Х21Н5Т. Для ееразмещения через всю заготовку на месте будущегорабочего канала путем механической обработки вы-полнили отверстие диаметром около 60 мм. В этоотверстие вставили трубу и соединили ее торцы сзаготовкой герметичными кольцевыми сварнымишвами. В герметизированном зазоре с верхнего кон-ца разместили припой, в качестве которого приме-нили порошок сплава системы никель—хром—крем-ний—бор с температурой плавления около 1000 °С.Нагрев макета производили в термической печи своздушной атмосферой при вертикальном располо-жении рабочего канала и температуре 1050 °С.

При отработке технологического процесса ос-новное внимание уделяли выбору оптимального раз-мера зазора при сборке с учетом разницы в тепловомрасширении трубы и корпуса. Требовалось достичьнадежного заполнения припоем паяльного зазорапри его минимальной ширине с целью получениявысокой прочности паяного соединения.

После пайки макет подвергли закалке с отпускомпо стандартному режиму для стали 40Х. Его внеш-ний вид после вырезки образцов для исследованияприведен на рис. 2. В паяном шве не было обнару-жено непропаев, пор или каких-либо других дефек-тов. Макрошлиф зоны паяного соединения и мик-роструктура этой зоны показаны на рис. 3.

Испытания на срез паяного шва показали, чтоего прочность составляла 295 МПа, что в два разапревышает требования стандарта к двухслойнойстали (ГОСТ 10885—75 «Сталь горячекатаная тол-столистовая двухслойная»). Испытания образцов,вырезанных из основного слоя, подтвердили, чтосвойства стали 40Х в макете полностью соответс-твуют требованиям к прочности корпусных изде-лий, работающих при давлении 70 МПа.

Таким образом, отработанная на макете техно-логия АВП дала возможность определить основныепараметры процесса, необходимые для получениякачественных композиционных корпусов задвижек.Новая технология позволяет простыми средстваминаносить на стенки рабочего канала коррозионно-стойкий слой гарантированной толщины с требуе-мым химическим составом. При этом стенки рабо-

чего канала после пайки не нуждаются в дополни-тельной механической обработке.

Полученные нами результаты дают основаниеиспользовать цельнолитые электрошлаковые кор-пуса фланцевых задвижек из стали 12Х21Н5Т дляработы при давлении до 35 МПа на промыслах сповышенным содержанием коррозионно-активныхпримесей в добываемом природном газе. Для такоготипа промыслов с рабочим давлением до 70 МПамы предлагаем производить композиционные кор-пуса задвижек с использованием новой технологииАВП. Данные корпуса позволяют не только решитьзадачу одновременного обеспечения их прочностии коррозионной стойкости, но и значительно сни-зить стоимость производства, по сравнению с изго-товлением корпусов целиком из дорогостоящих вы-соколегированных сталей.

1. ГОСТ 13846—89. Арматура фонтанная и нагнетательная.Типовые схемы, основные параметры и технические требо-вания к конструкции. – Введ. 01.01.90. – 11 с.

2. Спецификация на устьевое и фонтанное оборудование6API. 17-е изд.-- Введ. 01.02.96.

3. Электрошлаковое литье заготовок корпусов задвижек, ра-ботающих при высоком давлении / М. А. Полещук,Л. Г. Пузрин, В. Л. Шевцов и др. // Современ. электро-металлургия. – 2009. – № 1. – С. 12—17.

4. Электрошлаковое литье заготовок корпусов фланцевыхзадвижек с приплавлением патрубков / М. А. Полещук,Л. Г. Пузрин, В. Л. Шевцов и др. // Там же. –2009. – № 2. – С.

5. Гульянц Г. М. Противовыбросовое оборудование сква-жин, стойкое к сероводороду: Справ. пособие. – М.:Недра, 1991. – 348 с.

6. Пат. 36348 України, МПК G 01 N 17/00. Автоклав длякорозійних досліджень матеріалів у агресивних середови-щах / О. Радкевич, Р. Юркевич, Л. Карвацький, Г. Чу-мало. – Опубл. 27.10.2008; Бюл. № 20.

7. Пат. 25819 України, МПК G 01 N 27/26. Спосіб мікро-електрохімічних вимірювань в рухомій краплі елект-роліту / М. С. Хома, М. Р.Чучман, Г. М. Олійник. –Опубл. 27.08.07; Бюл. № 13.

8. ГОСТ 6032—2003. Межгосударственный стандарт. Стали исплавы коррозионно-стойкие. Методы испытаний на стой-кость к межкристаллитной коррозии. – Введ. 01.01.2005.

9. NACE Standard TM 0177-90. Standard Test Method Labo-ratory of Metals for Resistance to Sulfide Stress CorrosionCracking in H2S Environments. – Houston: Tx. NationalAssociation of Corrosion Engineers (NACE), 1990. – 22 p.

10. Пузрин Л. Г., Бойко Г. А., Атрошенко М. Г. Автовакуум-ная высокотемпературная пайка. – Киев: О-во «Знание»Украинской ССР, 1975. – 16 с.

11. Автовакуумная пайка плакирующего слоя обечаек сосу-дов высокого давления / Л. Г. Пузрин, М. Г. Атрошенко,И. Г. Пещерин и др. // Проектирование технологическо-го процесса пайки – основа повышения качества изделийи эффективности производства. – М.: Машпром,1978. – С. 63—67.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев

Физ.-мех. ин-т им. Г. В. Карпенко НАН Украины, Львов

Поступила 13.07.2009

Рис. 3. Макрошлиф (а) и микроструктура ( 50) (б) паяного соединения

18

УДК 669.046:546.34

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕВАНАДИЯ И НИОБИЯ

ИЗ ОКСИДНО-ФТОРИДНЫХ РАСПЛАВОВПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ*

С. А. Истомин, В. В. Рябов, Э. А. Пастухов

Проведен электрошлаковый переплав электродов из армко-железа на различных электрических режимах для опре-деления закономерностей электрохимического восстановления ванадия и ниобия из расплавленных оксидно-фто-ридных систем CaF2—Al2O3—V2O5 (Nb2O5). Установлено, что благодаря применению асимметричного тока в элект-рошлаковом переплаве существенно улучшаются показатели процесса электролиза. Обнаруженные закономерностиобъяснены изменением концентраций ионов ванадия и ниобия в пульсирующем слое, согласно механизму нестаци-онарной диффузии. Показано, что количеством того или иного восстановленного легирующего элемента можноуправлять путем изменения электрических режимов переплава в зависимости от содержания его оксида в составеоксидно-фторидного расплава.

Electroslag remelting of electrodes of Armco-iron was performed at different electrical parameters to define the regularitiesof electrochemical recovery of vanadium of niobium from molten oxide-fluoride systems CaF2—Al2O3—V2O5 (Nb2O5). Itwas found that characteristics of electrolysis process are greatly improved by using the asymmetric current in electroslagremelting. The revealed regularities were explained by change in concentrations of ions of vanadium and niobium in apulsed layer in compliance with a mechanism of a non-stationary diffusion. It is shown that the amount of either recoveredalloying element can be controlled by changing the electric parameters of remelting depending on the content of its oxidein the composition of oxide-fluoride melt.

К лю ч е в ы е с л о в а : электрошлаковый переплав; флюс;электрохимическое восстановление; легирование; ток пере-менный, постоянный, асимметричный

Процесс электрошлакового переплава (ЭШП) су-ществует уже полвека. В работах [1, 2] описаныэтапы развития и новые технологии ЭШП, исполь-зуемые в производстве. Отмечается устойчивыйрост объемов металла ЭШП. Однако увеличениесебестоимости электроэнергии и ферросплавов припереходе к мировым ценам значительно повысилостоимость металла, получаемого способом ЭШП,что сказалось на производстве и применении дан-ного металла. Для снижения себестоимости предла-гается дополнить процесс ЭШП электрохимичес-ким легированием металла.

При электрохимическом способе ввода легиру-ющих элементов в металл не требуется применениедорогостоящих лигатур и ферросплавов, посколькувосстановление происходит из оксидов и фторидовшлаковой фазы, отличающейся оптимальными фи-зико-химическими свойствами. Кроме того, потен-циал восстановления легирующих элементов дол-жен быть более положительным, по сравнению спотенциалами восстановления компонентов, состав-ляющих основу оксидно-фторидного флюса.

Разработка теории шлаков, выяснение их при-роды проводимости и других физико-химическихсвойств показали, что путем использования оксид-но-фторидных шлаков в качестве электролитов

можно осуществлять электрохимическое легирова-ние, модифицирование и раскисление металлов [3—5].Установлено, что электрошлаковый переплав напостоянном токе несколько отличается от переплавана переменном. Это связано с тем, что жидкая ме-таллическая ванна, образующаяся в результатеплавления расходуемого электрода и являющаясяодним из электродов, а также изменения в ее составепосле переплава, зависят от рода тока и определя-ются суммарным вкладом анодного, катодного идругих сопутствующих химических процессов [4].

Электрошлаковый переплав на переменном илипостоянном токе хотя и фиксирует различия в вос-становлении элементов из флюса, однако не позво-ляет проследить динамику электрохимических про-цессов, поскольку дает лишь начальный и конечныйрезультаты. Кроме того, от обычного электролизаЭШП отличает высокая электродная плотность тока(50…100 А/см2), необходимая для достижения вы-соких значений температуры (1700…2000 °С), обес-печивающих плавление электрода, наличие трехстадий процесса с различной поверхностью реаги-рования. Катодом и анодом в этом случае служатжидкие металлы почти одного химического состава,что может привести к протеканию взаимообратимыхэлектродных реакций и затруднению с организаци-ей и управлением электролизными процессами приЭШП. Одним из способов решения этой проблемыявляется применение при ЭШП асимметричного то-

© С. А. ИСТОМИН, В. В. РЯБОВ, Э. А. ПАСТУХОВ, 2009

*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ-Урал.

19

ка с изменением симметрии его полупериодов дополного выпрямления [5].

В данной работе изучали восстановление вана-дия и ниобия в зависимости от рода и полярноститока при переплаве армко-железа путем введения всостав оксидно-фторидного расплава 70 мас. %CaF2—30 мас. % Al2O3 (флюс АНФ-6) добавки со-ответственно 5 и 10 мас. % V2O5 или Nb2O5. Процесс

осуществляли на переменном, постоянном и асим-метричном токах с изменяющейся долей постояннойсоставляющей (рис. 1).

Из рис. 2, а, б видно, что при переплаве подфлюсом АНФ-6, содержащем 10 мас. % V2O5(линии 2, 2′), на переменном токе восстановилось0,2 мас. % ванадия, постоянном (прямая полярность) –0,32 мас. % и постоянном (обратная полярность)0,42 мас. % ванадия. При переплаве под флюсомАНФ-6, содержащем 10 мас. % Nb2O5 (рис. 2, в, глинии 4, 4′) на переменном токе восстановилось0,32 мас. % ниобия, постоянном (прямая поляр-ность) – 0,58 мас. % и постоянном (обратная по-лярность) – 0,67 мас. % ниобия.

Применение асимметричного тока позволило су-щественно увеличить количество восстановленныхв металл ванадия или ниобия. Теория электрохи-мических процессов, протекающих на электродахпри больших плотностях тока и высоких темпера-турах, пока не разработана. Поэтому для объясне-ния полученных результатов можно принять во вни-мание следующие соображения.

Рис. 1. Осциллограммы тока при следующих значениях постоян-ной составляющей, %: а – 0 (переменный ток); б – 25; в –50; г – 75; д – 100 (постоянный пульсирующий ток)

Рис. 2. Восстановление ванадия и ниобия в процессе ЭШП на переменном, постоянном и асимметричном токах при прямой (а, в)и обратной (б, г) полярностях: 1, 1′ и 2, 2′ – добавки 5 и 10 мас. % V2O5; 3, 3′ и 4, 4′ – добавки 5 и 10 мас. % Nb2O5 к флюсу АНФ-6;штриховыми линиями 5, 6 обозначено заданное количество восстановленного элемента; N – доля постоянной составляющей тока

20

При переплаве на постоянном токе основным то-конесущим катодным процессом, по-видимому, яв-ляется разряд катионов ванадия или ниобия. Рас-плавленный флюс состоит из катионов Ca2+, Al3+,V5+, V3+, V2+ (Nb5+, Nb4+, Nb2+) и анионов F—, O2—.Потенциалы восстановления катионов ванадия(V2+— 1,36 В, V3+—1,39 В, V5+—0,910 В) и ниобия(Nb2+—1,34 В, Nb4+—1,25 В, Nb5+—1,18 В) более по-ложительные, чем у Ca2+— 2,3 В и Al3+— 1,9 В [4].При ЭШП частично восстанавливается кальций, ко-торый хорошо растворяется в оксидно-фторидномрасплаве, образуя приэлектродный слой с электрон-ной проводимостью. При этом электрически актив-ная поверхность электрода смещается в глубь шла-кового расплава, что приводит к снижению восста-новления легирующих элементов.

При переплаве на переменном токе следует рас-сматривать уже не анод и катод, а анодные и катод-ные полупериоды на одном и том же электроде.Электрохимическое взаимодействие металла и шла-ка в основном сводится к перезарядке ионов на гра-нице раздела металл—шлак. Разрядившись на като-де в одном полупериоде, восстановленный элементанодно окисляется в другом и не будет успеватьдиффундировать в металл. Степень его перехода вновую фазу будет почти такой же, как и при пос-тоянном токе. Решающую роль здесь играет поверх-ность реагирования жидкого металла со шлаком.Интенсивное гидродинамическое перемешиваниежидких фаз способствует устранению диффузион-ных затруднений и росту площади взаимодействиямежду металлом и шлаком [6].

Переплав на асимметричном токе характеризу-ется процессами, протекающими при использо-вании как постоянного, так и переменного токов.Так, восстановление ванадия, наиболее электропо-ложительного в системе CaF2—Al2O3—V2O5, лими-тируется диффузией его ионов к катоду. Примерноравное количество восстановленного ванадия присмене полярности свидетельствует о значительнобольшей скорости массопереноса к поверхностиплавящегося электрода, поскольку площадь его в3—4 раза меньше, чем поверхность жидкой метал-лической ванны.

Аналогичные результаты зафиксированы припереплаве на асимметричном токе в системе CaF2—Al2O3—Nb2O5. При этом взаимное движение жидкойметаллической пленки на торце расходуемого элек-трода и оксидно-фторидного расплава, вероятно,резко ускоряет массообмен между фазами, что по-вышает предельную плотность тока, а непрерывноеобновление поверхности металла способствует сни-жению поляризации электрода.

При переплаве на асимметричном токе степеньэлектрохимического восстановления ванадия илиниобия с вводом 25…75 % постоянной составляю-щей в 1,5…2,0 раза выше, чем на постоянном (рис. 2).Очевидно, дискретный характер асимметричноготока позволяет при изменении длительности им-пульсов регулировать расстояние, на которое уда-ляется фронт диффузии разряжающихся ионов.

В приэлектродной области образуется два диф-фузионных слоя: пульсирующий (вблизи электро-да) и стационарный (более удаленный). Изменениеконцентрации ионов в пульсирующем слое проис-

ходит по механизму нестационарной диффузии. Втечение действия импульса tи толщина пульсирую-щего слоя непостоянна и возрастает, достигая мак-симальных значений в конечной стадии его действия(рис. 3).

В первом приближении толщину пульсирующе-го слоя можно оценить следующим образом [7]:

δi = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯π Di tн , (1)

где Di – коэффициент диффузии i-го иона.Скорость (ток) i-го элемента при переходе через

межфазную поверхность в диффузионном режимев этих условиях равна

ii = niFDi Ci

√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯π Di tи,

где Ci – концентрация i-го элемента; F – числоФарадея.

Чем короче импульс, тем ближе располагаетсяфронт диффузии к поверхности электрода, а сле-довательно, выше скорость ii перехода элемента.

Во время паузы тока tп происходит релаксациявыведенной из равновесия системы электрод—элек-тролит. С уменьшением tи и увеличением tп потен-циал электрода становится электроположительнее,что создает условия для более длительного разрядаионов. Пауза и обратный импульс способствуютпредупреждению пассивного состояния металла,повышая тем самым значение тока для переходалегирующего элемента.

Увеличение степени восстановления ванадияили ниобия из оксиднофторидного расплава проис-ходит до следующих параметров асимметричноготока: tи = 0,0025 с; tп = 0,0075 с. В таких условияхзафиксированы максимальные концентрации вана-дия и ниобия в металле (рис. 2) как при прямой

Рис. 3. Распределение концентраций в пределах диффузионныхслоев: C Эi

SK, C Эi

n+SK – поверхностные концентрации соответствен-

но восстановленной и окисленной форм реагента; CЭi, CЭin+ –

концентрации элемента соответственно в металле и шлаке;C Эi

S, C Эi

n+S – поверхностные концентрации реагентов;

C Эin+П, C Эi

П – концентрации элемента в пульсирующем слое;

δЭi, δЭin+ – эффективные толщины диффузионных слоев;

δЭin+П, δЭi

П – толщины пульсирующих слоев

21

(0,68 мас. % ванадия и 0,8 мас. % ниобия), так ипри обратной полярности (0,78 мас. % ванадия и0,86 мас. % ниобия) тока. При сокращении длитель-ности импульса tи продолжительности паузы tп дос-таточно для установления стационарного диффу-зионного потока.

Определяя расстояние, на которое распростра-няется фронт диффузии при tп = 0,0075 с по фор-муле (1), а толщину стационарного диффузионногослоя – по зависимости

δMe5+ =

D(Me5+)

0,5

β,

получим условие равенства толщин пульсирующегои стационарного диффузионных слоев при зна-чении константы конвекции β = 5,88 с—0,5. Согласноданным работы [8], β = 6,17 с—0,5 для аналогичныхусловий (диаметр расходуемого электрода 50 мм,скорость плавления металла 4 г/с), что близко кполученному нами значению, т. е. время паузыасимметричного тока 0,0075 с приблизительно рав-но времени установления стационарного диффу-зионного потока.

С увеличением tп градиент концентрации в диф-фузионном слое уменьшается и, соответственно, по-нижается скорость восстановления ванадия или ни-обия и их концентрации в металле (рис. 2). Присущественном уменьшении значения tи электролизможет прекратиться. Согласно работе [9], процессимпульсного электролиза протекает лишь при ус-ловии, когда длительность импульса превышает не-которое минимальное критическое время для дан-ного электролита tкр. Если tи < tкр, то сопротивлениеэлектролита резко возрастает, а количество актив-ных ионов, характеризующихся избыточной энер-гией и способностью к разряду, уменьшается.

Наибольшей толщины диффузионного слоя дос-тигают при постоянном токе. В таком случае мини-мальному (в рассматриваемых условиях) градиентуконцентрации соответствует меньшая степень вос-становления легирующего элемента.

На рис. 2 линия зависимости количества восста-навливаемого элемента от доли постоянной состав-ляющей имеет два излома (при 25 и 75 % доли пос-тоянной составляющей асимметричного тока). Это,по-видимому, связано с различными скоростямипротекания процессов, происходящих при перепла-ве. Лимитирующим процессом на участке от 0 до25 % является отвод разрядившихся катионов отповерхности раздела в металл, а на участке от 25до 75 % – скорость разряда электроположительныхионов. Свыше 75 % возникают поляризационныеявления, затрудняющие процесс электролиза.

Как следует из приведенного выше, применениеасимметричного тока позволяет повысить показате-ли электролиза при ЭШП. При этом количествовосстановленного ванадия или ниобия в получаемомслитке можно регулировать, изменяя электрическиережимы переплава. Для решения этой задачи нами

разработана феноменологическая модель техноло-гического процесса, позволяющая корректироватьэлектрический режим переплава в зависимости отсодержания V2O5 или Nb2O5 в оксидно-фторидномрасплаве с целью достижения заданной концент-рации ванадия или ниобия в слитке металла (рис. 2,линии 5, 6).

При восстановлении, например 0,6 мас. % нио-бия (рис. 2, в, штриховая линия 6), из флюса сос-тава 90 мас. % АНФ6 – 10 % мас. Nb2O5 (рис. 2,кривая 4) доля постоянной составляющей при пря-мой полярности составляет 20 и 95 %. В случае за-дания шага вариации концентрации Nb2O5 в шлаке0,5 % программа для поддерживания постоянногохимического состава по ниобию в слитке позволитспрогнозировать изменение электрических парамет-ров технологического процесса. В данном случае, впределах уменьшения концентрации Nb2O5 в шлакеот 10 до 5 мас. % программа предлагает для сохра-нения концентрации по ниобию в наплавляемомслитке 0,6 мас. % поддерживать электрические па-раметры технологического процесса в диапазонах20…55 и 77…95 % доли постоянной составляющейтока при прямой полярности. Применение постоян-ного и особенно асимметричного тока в технологи-ческом процессе усиливает электролизные явленияи повышает содержание легирующего элемента вметалле слитка ЭШП.

Следует также отметить, что при электрошлако-вом переплаве на различных электрических режи-мах можно осуществлять электрохимическое вос-становление одновременно нескольких легирующихэлементов с близкими потенциалами процесса присоответствующем подборе оптимальных физико-хи-мических свойств флюсов.

1. Патон Б. Е., Медовар Л. Б. Совершенствование элект-рошлакового переплава сталей и сплавов // Сталь. –2008. – № 12. – С. 70—74.

2. Патон Б. Е., Медовар Л. Б. Электрошлаковому перепла-ву 50 лет // Электрометаллургия. – 2008. – № 11. –С. 32—37.

3. Есин О. А., Гельд П. В. Физическая химия пирометал-лургических процессов. – М.: Металлургия, 1966. –Ч.2. – 713 с.

4. Лепинских Б. М., Манаков А. И. Физическая химия ок-сидных и оксифторидных расплавов. – М.: Наука,1977. – 180 с.

5. Лепинских Б. М, Истомин С. А. Электрохимическое ле-гирование и модифицирование металла. – М.: Наука,1984. – 145 с.

6. Cambell I. Fluid flow and droplet formation in the electros-lag remelting // J. of Metals. – 1970. – № 7. –P. 23—35.

7. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А. Введение в электрохими-ческую кинетику. – М.: Высш. шк., 1975. – 388 с.

8. Шанчуров С. М. Разработка математической моделипрогноза состава металла при электрошлаковом переплавеи сварке: Дис. … канд. техн. наук. – Свердловск: УПИ,1989. – 233 с.

9. Товбин М. В., Товбин А. В. О механизме действия пос-тоянного тока на растворы электролитов // Укр. хим.журн. – 1956. – 22, № 2. – С. 146—152.

Ин-т металлургии УрО РАН, Екатеринбург

Поступила в редакцию 29.04.2009

22

УДК 669.187.56.002.2

ПОЛУЧЕНИЕ РАСХОДУЕМЫХ ЭЛЕКТРОДОВИЗ ТИТАНОВОЙ ГУБКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА

СЛИТКОВ СПОСОБАМИ ЭШП И ДШП

Л. Б. Медовар, В. Я. Саенко, В. А. Рябинин

Рассмотрены особенности и эффективность использования различных способов прессования титановой губки (хо-лодное в глуходонной матрице, изостатическое в контейнере высокого давления, взрывом в металлической оболочкев специальной камере) при изготовлении расходуемых электродов для электро- и дугошлакового переплавов.

Peculiarities and effectiveness of use of different methods of pressing the spongy titanium (cold in a blind-bottom matrix,isostatic in a high-pressure container, explosion in a metal shell using a special chamber) in manufacture of consumableelectrodes for electro- and arc-slag remelting are considered.

Ключ е вы е с л о в а : электрошлаковый и дугошлаковыйпереплавы, губчатый прессованный электрод, изостатичес-кое прессование, прессование взрывом

Главным препятствием на пути к расширению и ис-пользованию титана в отраслях народного хозяй-ства является его высокая стоимость. Это связанопрежде всего с особенностями технологии получе-ния титановой губки, способом и трудоемкостью из-готовления из нее расходуемых электродов, слож-ностью и энергоемкостью оборудования.

В настоящее время основным способом получе-ния слитков из титана и его сплавов является ваку-умно-дуговой переплав (ВДП), предусматриваю-щий два передела. Для первого используют расхо-дуемые электроды, полученные способом полуне-прерывного прессования губки и скрапа в проход-ную матрицу на мощных прессах. Также могут при-меняться комбинированные электроды, изготовлен-ные путем прессования брикетов с последующей ихсваркой между собой. При производстве титановыхсплавов в расходуемый электрод включают различ-ные легирующие добавки. Процесс изготовления та-ких электродов трудоемкий, дорогостоящий, дляего реализации требуются специальные оборудова-ние и оснастка.

Эффективность применения способов электрош-лакового (ЭШП) и дугошлакового (ДШП) пере-плавов для производства слитков из титана и егосплавов, как и других переплавных способов, вомногом определяется и трудоемкостью изготовле-ния расходуемых электродов. В работе [1] описаноприменение расходуемых электродов, прессован-ных из титановой губки, и лигатуры для полученияслитков ЭШП из технического титана и сплава ОТ4.Для выплавки слитков диаметром 130 мм применяликруглые прессованные электроды диаметром 100 мм, адля плоских слитков сечением 175 75 мм – плоскиепрямоугольного сечения 45 135 мм. Электродыпрессовали на вертикальном гидравлическом прессес применением губки различных марок. В качествелегирующих добавок использовали алюминий элек-

тролитический, металлический марганец, металли-ческий ванадий и алюминиево-молибденовую лигатуру.

В результате исследований структуры и механи-ческих свойств установлено, что однократная ЭШПрасходуемых прессованных электродов позволяетполучать технический титан и сплав ОТ4, по качес-тву не уступающие металлу двойного ВДП.

В процессе создания технологического процессавыплавки слитков ДШП из титана и его сплавов вбескамерных печах ЭШП [2—4] проведены специ-альные работы по оценке эффективности примене-ния при ДШП прессованных электродов, получен-ных различными способами. В лабораторных иопытно-промышленных условиях опробованы сле-дующие способы производства расходуемых элект-родов из титановой губки:

холодное прессование губки на лабораторномгидравлическом прессе усилием 200 кН в глуходон-

© Л. Б. МЕДОВАР, В. Я. САЕНКО, В. А. РЯБИНИН, 2009

Рис. 1. Электроды из губчатого титана, полученные способомхолодного прессования в матрице

23

ной матрице, в качестве которой применяли сталь-ную трубу. После прессования трубу разрезали иполученные брикеты (диаметром 40… 80 мм) из-влекали из оболочки (рис. 1). Однако получитьплотные брикеты, а также сварить их между собойв один цельный электрод не удалось;

холодное изостатическое прессование. Для из-готовления губчатых титановых электродов исполь-зовали контейнер высокого давления для холодногоизостатического прессования, применяемый на за-воде «Днепроспецсталь» при производстве высоко-легированной быстрорежущей стали. Общий видустановки для холодного изостатического прессова-ния приведен на рис. 2. Отработку технологии прес-сования осуществляли с применением титановойгубки марки ТГ-ТВ, ТГ-120, находившейся в метал-лической и эластичной оболочке*. Опробовано так-же изостатическое прессование электродов из губкис закладной стальной бобышкой для облегчения ихсварки с инвентарной головкой. Давление на прессехолодного изостатического прессования составляло

160 МПа. Полученные расходуемые электроды ди-аметром 150 и 400 мм (рис. 3) имели правильнуюцилиндрическую форму. После прессования обо-лочка легко отделялась от брикета. Плотность прес-сованного губчатого электрода была одинаковой повсему объему. Следует отметить, что в применяемойдля прессования губчатых электродов эластичнойоболочке в процессе многократного использованияпоявлялись микротрещины. Поэтому перед загруз-кой губки необходимо производить контроль обо-лочки на герметичность для исключения ее возмож-ного разрыва и попадания рабочей жидкости в телоэлектрода при прессовании. Расходуемый электрод ди-аметром 400 мм, полученный способом изостатическогопрессования из губки ТГ-120, использовали для вып-лавки опытного слитка ДШП в кристаллизаторе се-чением 565 565 мм с флюсовым затвором на печиЭШП-5ВГ. Внешний вид слитка показан на рис. 4;

прессование титановой губки осуществлялиспособом взрыва* в специальной камере в усло-виях опытного производства ИЭС им. Е. О. Патона.

*В работе принимали участие С. С. Казаков, Ю. Г. Габуев, В. Н. Макогон (з-д «Днепроспецсталь»).

Рис. 2. Установка холодного изостатического прессования: а – внешний вид; б – схема; 1 – насос высокого давления; 2 –камера; 3 – титановая губка; 4 – эластичная оболочка; 5 – манометр; 6 – крышка

Рис. 3. Электроды длиной 1450 мм, диаметром 400 мм (а, б) и длиной 380 мм, диаметром 150 мм (в, г), полученные способомизостатического прессования: а – губка ТГ-ТВ; б – губка ТГ-120; в – губка ТГ-ТВ; г – губка ТГ-120

24

Титановую губку марки ТГ-120 помещали в металли-ческую оболочку. После взрывной обработки оболочкаотделялась от брикета. Брикеты, полученные способомвзрыва, отличались высокой плотностью. Сварку такихбрикетов при изготовлении составных расходуемыхэлектродов проводили без особых затруднений.

Прессованные способом взрыва губчатые элект-роды использовали для одностадийного производ-ства слитков титана способом ДШП. Переплав про-водили на установке Р-951 в кристаллизаторе сече-нием 200 200 мм, оснащенном флюсовым затво-ром. Для переплава использовали расходуемыйэлектрод, сваренный по длине из трех брикетов дли-ной 300 мм и диаметром 65 мм каждый, собранныхв трехпалый пучок.

Составной электрод крепили к инвентарной го-ловке диаметром 130 мм, проходящей через флю-совой затвор без нарушения герметизации плавиль-ного пространства кристаллизатора. В качестве за-щитного газа использовали аргон, подаваемый подкрышку флюсового затвора.

Процесс ДШП составного электрода из прессо-ванной способом взрыва губки проходил стабильно.Внешний вид торца электрода после окончанияплавки (рис. 5) свидетельствует о равномерностиплавления электрода. Слиток имел хорошую повер-хность, покрытую тонким слоем гарнисажа (рис. 6).Исследование содержания газов в электроде и слит-ке показало, что в процессе ДШП прирост кисло-рода составил всего 0,012, а азота – 0,003 %.

Результаты проведенных механических испыта-ний показали, что литой металл слитка ДШП (σв == 490 МПА, σт = 377 МПа, δ = 18 %, ψ = 25 % –даны средние значения) соответствуют требованиямГОСТ 23755—79 к прокату из металла ВТ1-0 ВДПтолщиной 60… 150 мм (σв ≥ 294 МПа, δ ≥ 10 %;остальные показатели не регламентируются).

Таким образом, расходуемые электроды, полу-ченные из титановой губки путем изостатическогопрессования, а также прессования взрывом, отли-чаются высокой технологичностью и могут быть эф-фективно использованы для выплавки слитков ти-тана способами ЭШП и ДШП.

1. Свойства технического титана и сплавов типа ОТ4, полу-ченных электрошлаковой плавкой / С. М. Гуревич,В. П. Дидковский, Ю. К. Новиков и др. // Автомат.сварка. – 1963. – № 4. – С. 29—33.

2. Переплав губчатых титановых расходуемых электродовметодами ЭШП и ДШП / Б. Е. Патон, Б. И. Медовар,В. Я. Саенко и др. // Пробл. спец. электрометал-лургии. – 1994. – № 3-4. – С. 7—11.

3. Arc-slag remelting of steel and alloys / B. I. Medovar,V. Ja. Saenko, G. M. Grigorenko et al. // Cambridge In-ternational Science Publishing. – 1996. – P. 1—160.

4. Arc-slag remelting – state- of-the-art and prospects of deve-lopment / B. E. Paton, V. Ja. Saenko, Yu. M. Pomarin etal. // Proc. of Intern. symp. on ESR technology & equip-ment (Kyiv, 15—17 May, 2001). – Kyiv, 2001. – P. 177—185.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев

Поступила в редакцию 08.07.2009

*В работе принимали участие Л. А. Волгин, Л. С. Гаврилюк (ИЭС им. Е. О. Патона).

Рис. 4. Слиток из титана, выплавленный способом ДШП в крис-таллизатор 565 мм

Рис. 5. Торец составного электрода диаметром 65 мм, получен-ного способом взрыва после плавки в режиме ДШП

Рис. 6. Слиток из титана, выплавленный способом ДШП в крис-таллизатор 200 мм

25

УДК 539.21:621.39.048

НАНОЧАСТИЦЫ МАГНЕТИТА,ПОЛУЧЕННЫЕ СПОСОБОМ КОНДЕНСАЦИИМОЛЕКУЛЯРНЫХ ПУЧКОВ В ВАКУУМЕ

Ю. А. Курапов, Г. Г. Дидикин, С. М. Романенко, С. Е. Литвин

Приведены результаты исследования структуры конденсатов, фазового состава и размеров наночастиц Fe3O4 взависимости от температуры подложки при осаждении их из паровой фазы с использованием электронно-лучевойтехнологии испарения и конденсации в вакууме. Показана возможность получения стабилизированной коллоиднойсистемы наночастиц магнетита Fe3O4. Исследовано распределение по размерам наночастиц Fe3O4 в водном растворедекстрана.

Results of investigation of structure of condensates, phase composition and sizes of nanoparticles Fe3O4 depending ontemperature of substrate during their deposition from a vapor phase using electron beam technology of evaporation andcondensation in vacuum are given. The feasibility of producing the stabilized colloid system of nanoparticles of magnetiteFe3O4 is shown. Distribution of nanoparticles of Fe3O4 in water solution of dextran was investigated.

Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевое испарение иосаждение; наночастицы; магнетит

Прогресс в области нанотехнологий способствовалразработке наноматериалов для аэрокосмической,автомобильной и электронной отраслей промыш-ленности. Перспективной областью применения на-нотехнологий является также медицина. Большевсего изучены и применяются в электронике и ме-дицине наночастицы оксидов железа—магнетита(Fe3O4) и маггемита (γ-Fe2O3). Магнетит использу-ют для синтеза магнитных жидкостей и магнитныхлекарственных препаратов. В отличие от многихметаллов и их соединений, магнетит практическибезвреден для организма человека. Впервые мето-дику получения стабилизированного коллоидногораствора магнетита предложил В. Элмор [1].

Традиционно для приготовления наночастицприменяют химические способы [2]. Как правило,наночастицы производят путем смешивания водныхрастворов солей соответствующих металлов с вос-становителями, при этом получают растворы, в ко-торых наряду с наночастицами присутствуют при-меси ионов компонентов, участвующих в реакциях.

Физические способы получения наночастиц поз-воляют в большинстве случаев избавиться от пос-торонних примесей, как при эрозионно-взрывныхспособах [3, 4]. Однако их производительность неможет, по-видимому, конкурировать со способоммолекулярных пучков, осуществляемым в элект-ронно-лучевых испарительных установках [5].

В медицине магнетит используют в качестве дис-персной фазы в магнитных жидкостях. Дисперсные

частицы из-за небольших размеров находятся вжидких средах в интенсивном тепловом движении.Непокрытые металлические наночастицы агрегиру-ют в водной среде. При введении в организм жи-вотного они образуют тромбы сосудов, приводят кразрыву и некрозу тканей. Чтобы добиться агрега-тивной стойкости, биосовместимости и снижениятоксичности, наночастицы стабилизируют.

Для создания адсорбционных слоев, препятству-ющих укрупнению частиц вследствие их слипания,в коллоид вводят стабилизатор – поверхностно-ак-тивное вещество (ПАВ), в качестве которого, какправило, используют вещества, состоящие из по-лярных органических молекул, создающих на по-верхности дисперсных частиц адсорбционно-соль-ватные слои [6].

Согласно работе [7], коллоидные частицы маг-нитной жидкости являются агрегатами однодомен-ных частиц. Агрегаты образуются из крупных час-тиц, имеющихся в магнитной жидкости, при отсут-ствии магнитного поля [8, 9]. В стойких коллоидахразмер частиц не превышает 10…15 нм.

Материалы и методика эксперимента. Наночасти-цы получали путем испарения и последующей кон-денсации смешанных молекулярных потоков маг-нетита Fe3O4 (или маггемита γ-Fe2O3) и соли NaClв вакуумной электронно-лучевой установке по ме-тодике, описанной в работе [5]. Температура по-верхности конденсации (стальной или медной под-ложки) составляла 50…200 °С. Конденсат, отделен-ный от подложки, исследовали в исходном состо-янии и в виде коллоидных водных систем.

© Ю. А. КУРАПОВ, Г. Г. ДИДИКИН, С. М. РОМАНЕНКО, С. Е. ЛИТВИН, 2009

26

Кинетику окисления железа, магнетита и магге-мита изучали в атмосферной среде с помощью тер-могравиметрического анализатора TGA7 («PerkinElmer», США) чувствительностью до 0,1 мкг прискорости нагрева/охлаждения 10 °С/мин в диапа-

зоне значений температуры 20…650 °С. Структуруи химический состав конденсатов исследовали нарастровом сканирующем электронном микроскопе«CamScan 4D» в режиме вторичных и упругоотра-женных электронов и энергодисперсионной систе-мы рентгеноспектрального микроанализа «INCA-200Energy». Структуру и фазовый состав частиц ана-лизировали методами просвечивающей электрон-ной микроскопии на микроскопе «Hitachi H-800»при ускоряющем напряжении 100 кВ. Распределе-ние наночастиц по размерам в коллоидной системеопределяли методом фотон-корреляционной спект-роскопии [10, 11] на лазерном корреляционномспектрометре «Zeta Sizer-3» (фирма «Malvern», Ве-ликобритания).

Результаты исследований. Процессы окисленияжелезной стружки, магнетита и маггемита на воз-духе с увеличением температуры исследовали тер-

Рис. 1. Кинетика окисления Fe (1), Fe3O4 (2) и Fe2O3 (3) навоздухе при нагреве и охлаждении

Рис. 2. Микроструктура (а—в) и рентгенограммы (г—е) наночастиц Fe3O4 в зависимости от температуры осаждения конденсатов, °С:а, г – 30; б, д – 100; в, е – 220; 400000, уменьш. 1,125

27

могравиметрическим методом. На рис. 1 приведеныкривые окисления этих материалов. Как видно, про-цесс окисления железа начинается при температуреоколо 350 °С (рис.1, кривая 1). Образец магнетитадоокисляется, увеличивая свою массу, от температу-ры 340 °С и продолжает окисляться до 650 °С; приохлаждении масса образца остается практически не-изменной (рис. 1, кривая 2). Масса образца маггеми-та, высшего оксида железа, в процессе нагрева навоздухе до 650 °С и при последующем охлаждениипрактически не изменяется (рис. 1, кривая 3).

Маггемит в процессе нагрева и расплавления ввакууме разлагается с выделением кислорода и по-следующим переходом в магнетит. Процесс испаре-ния магнетита в вакууме проходит стабильно, поэ-тому исследованные конденсаты были полученыпри использовании магнетита.

Изготовленный на подложке с градиентом тем-пературы конденсат композиции Fe3O4 + NaCl из-меняет свою окраску по мере увеличения темпера-туры подложки от 50 до 200 °С от светло-коричневойдо черной. Химическим анализом установлено при-сутствие железа, натрия, хлора и кислорода, приэтом массовые доли железа и кислорода отвечаютстехиометрическому составу Fe3O4.

В ходе исследования методом просвечивающейэлектронной микроскопии взвеси частиц, получен-ных путем растворения конденсата в воде, зафик-сировано присутствие наноразмерной субстанции(рис. 2, а—в). Средний размер частиц возрастал от3…4 до 15…20 нм при увеличении температурыподложки от 20 до 200 °С (рис. 3). По мере увели-чения размеров частиц дифракционные кольца ста-новятся четкими (рис. 2, г—е). Фазовый состав час-тиц соответствует Fe3O4.

Конденсат с наночастицами магнетита исследо-вали на предмет их стабилизации водным растворомдекстрана. При растворении конденсата с частица-ми магнетита в воде наночастицы слипались в агре-гаты и выпадали в осадок. В случае стабилизациинаночастиц декстраном некоторая доля частиц маг-нетита покрывалась адсорбционным слоем ПАВ изависала в растворе, изменяя его окраску и проз-рачность. Остальные частицы образовали агрегаты,выпадающие на дно сосуда [8, 9].

На рис. 4 показано распределение по размерамнаночастиц Fe3O4 в водном растворе декстрана (сучетом соотношения количества), определенное спомощью фотонкорреляционной спектроскопии.Количественная кривая распределения частиц име-ла один максимум при 18 нм (рис. 4, кривая 1), а

наночастиц с учетом их объема – максимумы при18 и 400 нм (рис. 4, кривая 2). Максимум при 400нм свидетельствует о наличии крупных агрегатов,хотя количество их практически равно нулю, на чтоуказывает функция распределения частиц по количес-тву (рис. 4, кривая 1). Этими крупными агрегатами,по-видимому, могут быть отдельные комплексы,состоящие из молекул самого ПАВ.

Таким образом, синтез наночастиц магнетита спо-собом конденсации молекулярных пучков в вакуумепозволяет производить сухую медицин-скую субстан-цию, исключить обязательную операцию совмещенияпроцесса синтеза со стабилизацией наночастиц приприготовлении коллоидных систем. Этот способ даетвозможность получать, консервировать, сохранять итранспортировать наночастицы. Последующая стаби-лизация наночастиц при помощи ПАВ, в частностидекстраном, открывает перспективы приготовлениядисперсных растворов с заданной фракцией расп-ределения магнетита для нужд медицины.

1. Elmore W. C. Ferromagnetic colloid for studing magneticstructures // The Physical Review. – 1938. – 54,№ 4. – P. 309.

2. Бибик Е. Е., Бузунов О. Е. Достижения в области полу-чения и применения магнитных жидкостей. – М.: ЦНИИ«Электроника», 1979. – 60 с.

3. Каплуненко В. Г., Косинов Н. В., Поляков Д. В. Получе-ние новых биогенных и биоцидных наноматериалов с по-мощью эрозионно-взрывного диспергирования метал-лов// Сб. тр. по материалам науч.-практич. конф. смеждунар. участием. – Новосибирск, 2007. – С. 134—137.

4. Месяц Г. А., Баренгольц С. А. Сильноточная вакуумнаядуга как коллективный многоэктонный процесс // Докл.РАН. – 2000. – 375, № 4. – С. 462-465.

5. Мовчан Б. А. Электронно-лучевая нанотехнология и но-вые материалы в медицине – первые шаги // Вісникфармакології та фармації. – 2007. – № 12. – С. 5—13.

6. Нечаева О. А. Структурная организация магнитных кол-лоидов в электрическом и магнитном полях: Дис. … канд.физ.-мат. наук. – Ставрополь, 2003. – 120 с.

7. Майоров М. М. Измерение вязкости феррожидкости вмагнитном поле // Магнитная гидродинамика. –1980. – № 4. – С. 11—18.

8. Krueger D. A. Theoretical estima tes of equilibrium chainLenghts in Magnetic colloids // Colloid and Interfase Sci-ence. – 1979. – 70, № 3. – P. 558—563.

9. Krueger D. A. Review of agglomeration in ferrofluids //IEEE Transactions of Magnetics. – 1980. – 16, № 2. –P. 251—256.

10. Лазерная корреляционная спектроскопия и биология /А. Д. Лебедев, Ю. Н. Левчук, А. В. Ломакин, В. А. Нос-кин. – Киев: Наук. думка, 1987. – 256 с.

11. Применение лазерной корреляционной спектроскопии дляЭФ биологических объектов в растворах / А. Д. Лебедев,А. В. Ломакин, В. А. Носкин и др. // Инструменталь-ные методы в физиологии и биофизике. – Л.: Наука,1987. – С. 90—95.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев

Поступила в редакцию 19.05.2009

Рис. 3. Изменение среднего размера частиц Fe3O4 в зависимостиот температуры подложки Tп; A – размер частиц Fe3O4

Рис. 4. Количественное (1) и объемное (2) распределения частицв водном растворе декстрана

28

УДК 669.187.526:51.001.57

РАФИНИРОВАНИЕ КРЕМНИЯ СПОСОБОМЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКИ

В. А. Березос, А. Г. Ерохин

Проведен эксперимент по рафинированию кремния способом электронно-лучевой плавки примесей. Измерено со-держание примесей в образцах кремния до и после ЭЛП на установке INA-3 методом масс-спектрометрии вторичныхпостионизированных нейтральных частиц. Показано, что электронно-лучевой переплав может быть эффективнымспособом рафинирования кремния от примесей.

Experiment on silicon refining was made using the method of electron beam melting of impurities. The content ofimpurities was measured in samples of silicon before and after EBM in unit INA-3 by the method of mass spectrometryof secondary post-ionized neutral particles. It is shown that the electron beam remelting can be a rather effective methodof silicon refining from impurities.

Ключ е вы е с л о в а : кремний; примеси; рафинирование;электронно-лучевой переплав

Для развития солнечной энергетики требуется соз-дание новых технологий производства кремния,обеспечивающих радикальное снижение его стои-мости. В настоящее время 80 % солнечных элемен-тов как наземного, так и космического назначенияизготовляют на основе монокристаллического крем-ния. Более половины себестоимости монокристалласоставляет стоимость кремниевого сырья – поли-кристаллического кремния высокой чистоты, про-изведенного по технологии водородного восстанов-ления хлоридов кремния [1].

Полный цикл производства кремния, включаяполучение поликремния, существует лишь в трехстранах: США, Японии и Германии. Всего семь кор-пораций из этих стран контролируют мировой ры-нок, что позволяет им держать цены и прибыль надовольно высоком уровне [2]. Поэтому другие стра-ны крайне заинтересованы в собственном производ-стве кремния.

Возрастающие потребности в фотоэлектричес-ких преобразователях и модулях для солнечныхэлектростанций формируют неудовлетворенныйспрос на поликремний для их производства. Прог-нозируемый дефицит на ближайшую перспективуколеблется от 5 до 15 тыс. т поликремния в год [2].В этих условиях расширение мощностей по произ-водству поликремния имеет хорошую экономичес-кую перспективу.

В настоящее время в целях снижения стоимостисолнечных элементов при их изготовлении исполь-зуются отходы полупроводникового кремния, кото-рые образуются при производстве изделий микро-электроники. Однако количество таких отходов ог-раничено и не сможет удовлетворить растущий

спрос в ближайшем будущем. Кроме того, при по-лучении поликристаллических кремниевых слитковпутем плавления из отходов полупроводниковогокремния возникает проблема загрязнения расплавапримесями из материала тигля.

Избежать этого можно за счет существенногоулучшения качества кристаллического кремния, по-лучаемого способом карботермического восстанов-ления в электродуговых печах, который после пос-ледующей относительно простой и недорогой очист-ки станет пригодным для изготовления солнечныхэлементов. Исключение из цикла производствакристаллического кремния хлорсиланового переде-ла и водородного восстановления позволит сущес-твенно уменьшить его стоимость.

Среди всех современных способов специальнойэлектрометаллургии электронно-лучевая плавка(ЭЛП) является наиболее эффективным способомрафинирования металлов, широко применяемых висследовательской практике и промышленности[3]. Традиционное использование технологии ЭЛПс промежуточной емкостью при выплавке слитковобеспечивает удаление из металлов неметалличес-ких включений, газов и примесей с высокой упру-гостью пара.

В литературе отсутствуют данные о попыткахрафинирования кремния способом ЭЛП.

В данной работе использовали ЭЛП для рафини-рования кристаллического кремния от примесей.

Исследования проводили на электронно-луче-вой установке УЭ-208 [3]. В качестве исходногоматериала использовали кристаллический кремниймарки Кр0 ГОСТ 2169-69, поставленный ООО«Солнечная энергетика» (г. Омск, Россия). Сцелью предотвращения загрязнения расплава крем-ния в ходе экспериментальных плавок изготовилидвухсекционную промежуточную емкость, сливной

© В. А. БЕРЕЗОС, А. Г. ЕРОХИН, 2009

29

лоток и изложницу из кварцевого стекла, в которыхпроисходил процесс плавления, рафинирования икристаллизации (рис. 1, а). Кварцевую двухсек-ционную промежуточную емкость, сливной лоток иизложницу помещали в графитовую форму (рис. 1, б).

Во время экспериментов кремний сплавлялся вкварцевую двухсекционную промежуточную ем-кость электронными лучами, а расплав поддержи-вался в жидком состоянии (рис. 2).

Рафинирование кремния в процессе плавки про-исходило в трех зонах: в первой секции промежу-точной емкости – путем осаждения включений вы-сокой плотности (таких как карбид кремния), вовторой секции – за счет испарения примесных эле-ментов с высокой упругостью пара и в кварцевойизложнице – путем зонной очистки от примесей сразличной растворимостью в твердой и жидкой фазах.

После выдержки расплава при температуре при-мерно 1500 °С в течение 10 мин в кварцевой двух-секционной промежуточной емкости производилислив через сливной кварцевый лоток в изложницуиз кварцевого стекла, где происходила кристалли-зация расплава кремния. Во время формированияслитка по поверхности кристаллизующегося рас-плава производили медленное сканирование элект-ронным лучом в одном направлении вдоль большейстороны кварцевой изложницы со скоростьюдвижения жидкого расплава v = 5 мм/мин. Скани-рование осуществляли от левого борта кварцевойизложницы к правому, причем при достижении пос-леднего луч резко возвращался к противоположно-му краю, в результате чего в каждый момент времени

расплавленной являлась некоторая небольшаячасть образца. Такая расплавленная зона передвига-лась по образцу с помощью электронно-лучевогонагрева, что приводило к перераспределениюпримесей между твердой и жидкой фазами.

Суммарная мощность электронно-лучевого на-грева составляла 50 кВт. Поскольку у большинствапримесей растворимость в жидкой фазе выше, чемв твердой [4], то в зоне кристаллизации примеси вжидком состоянии перемещались в торец слитка,где затем находились в твердом состоянии до окон-чания формирования слитка в изложнице. Осты-вание слитка производилось в вакууме, после чегоон извлекался из кварцевой изложницы. Загрязнен-ный примесями торец слитка отрезали. Из цент-ральной части полученного слитка отобрали образ-цы для количественного элементного анализа.

С этой целью изготовляли образцы с плоскойобластью исследования диаметром 15 мм и шерохо-ватостью поверхности не более 0,2 мм. Попыткиизготовить сколы с необходимыми параметрами дляизмерений были неудачными. Поскольку материалпредставляет собой поликристалл, его скол отлича-ется развитой поверхностью с неоднородностями науровне 0,5…1,0 мм. В неоднородностях скапливаютсяпримеси, которые при измерениях вносят значительныепогрешности. Поэтому для получения ровной поверх-ности перед проведением анализа образцы подвергалисьсухой механической шлифовке с последующим трав-лением анализируемой поверхности.

Измерения образцов кремния до и после ЭЛПпроводили на установке INA-3 (Leybold-Hearues,Германия) методом масс-спектрометрии вторичныхпостионизированных нейтральных частиц (МСВНЧ)при следующих параметрах измерения:

уровень вакуума – 5 10—3 Па;область распыления плазмы – диаметр 8 мм;область сканирования ионного пучка – 2 2 мм;энергия первичных ионов – 1,5 кэВ;первичный ионный ток – 1 мA;рабочий газ – аргон 99,998, %;глубина области анализа – 0,8…1,5 мкм;диапазон исследованных масс – 1,66⋅10—24…

…3,32⋅10—22 г;масс- разрешение – 4,98⋅10—22 (лучше 9,9⋅10—25 г);чувствительность – не более 2⋅10—6 %.Типичный вид спектра образца после ЭЛП при-

веден на рис. 3.

Рис. 1. Двухсекционная промежуточная емкость (1), сливнойлоток (2) и изложница (3) из кварцевого стекла (а) и кварцевогостекла в графитовой форме (б)

Рис. 2. Процесс плавления кремния в электронно-лучевой уста-новке УЭ-208

30

При расчетах концентраций использовались коэф-фициенты элементной чувствительности стандартнойпрограммы обработки данных установки INA-3.

Результаты элементного анализа примесей при-ведены в таблице. Эффективность рафинированияопределяли по следующей формуле:

Cэф = (Cисх — CЭЛП) ⋅ 100 ⁄ Cисх,

где Сэф – эффективность рафинирования, %; Сисх –массовая доля примесей в исходном материале, %;

Сэлп – массовая доля примесей в материале послеЭЛП, %.

Анализ химического состава выплавленныхслитков показал, что в процессе ЭЛП происходитрафинирование кремния от газов и металлическихпримесей. Для большинства примесей в кремниихарактерны очень низкие значения эффективногокоэффициента распределения (Al – 2,8⋅10—3, Ti –2⋅10—6, Fe – 6,4⋅10—6) [5], поэтому при кристалли-зации они переходили из твердой фазы кристалли-зующегося слитка в жидкую зону расплава, пере-мещаемую электронно-лучевым нагревом на торецслитка. Из этого следует, что кристаллизацию мож-но использовать в качестве эффективного способаочистки кремния при ЭЛП. Бор, у которого давле-ние паров меньше, чем у кремния, и коэффициентраспределения составляет 0,8, практически не уда-лялся. Благодаря высокой температуре процесса ра-финирования и наличию вакуума содержание фосфо-ра и алюминия уменьшилось в ходе ЭЛП в два, мышь-яка – в четыре, кальция – в семь, магния – вдевять раз.

Таким образом, процесс ЭЛП может быть эф-фективным способом рафинирования кремния отпримесей.

Выводы

1. Предложено использовать электронно-лучевуюплавку для улучшения качества кристаллическогокремния.

2. Разработана конструкция двухсекционнойпромежуточной емкости из кварцевого стекла дляплавки и рафинирования кремния способом ЭЛП.

3. Установлено, что для рафинирования крем-ния при ЭЛП дополнительно использовали меха-низм зонной очистки.

4. Определено, что при переплаве кремния спо-собом ЭЛП происходит эффективное удаление та-ких примесей, как магний, алюминий, фосфор,кальций, мышьяк и др.

5. Показана необходимость продолжения иссле-дований по интенсификации процессов удалениябора, углерода, никеля, меди из кремния при ЭЛП.

1. Полупроводниковый кремний: Теория, технология произ-водства / Ю. Н. Таран, В. З. Куцова, И. Ф. Червоный идр. – Запорожье: ЗГИА, 2004. – 344 с.

2. Наумов А. В. Производство фотоэлектрических преобра-зователей и рынок кремниевого сырья в 2006—2010 гг. //Технология и конструирование в электронной аппарату-ре. – 2006. – № 4. – С. 3—8.

3. Электронно-лучевая плавка / Б. Е. Патон, Н. П. Тригуб,Д. А. Козлитин и др. – Киев: Наук. думка, 1997. – 265 с.

4. Зонная плавка / Под ред. В. Н. Вигдоровича: Сб. науч.тр. – М.: Мир, 1970. – 366 с.

5. Способы получения особо чистых неорганических веществ /Б. Д. Степин, И. Г. Горштейн, Г. З. Блюм и др. – Л.:Химия, 1969. – 480 с.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАНУ, Киев

Поступила 06.04 2009

Рис. 3. МСВНЧ спектра образца после ЭЛП; I – интенсивность;m – атомная масса элементов

Содержание примесей в кристаллическом кремнии Кр0до и после ЭЛП

ЭлементМассовая доля примесей, % Сэф, %

Сисх Сэлп

B 4,5⋅10—3 4,2⋅10—3 7

Mg 9⋅10—4 1⋅10—4 88

Al 0,30 0,16 47

P 18⋅10—4 9⋅10—4 50

Ca 0,11 0,015 86

Ti 3,1⋅10—2 2,5⋅10—2 19

Cr 8,4⋅10—3 7,4⋅10—3 12

Mn 1,1⋅10—2 0,9⋅10—2 18

Fe 0,62 0,49 20

Ni 8,2⋅10—3 7,6⋅10—3 7

Cu 9,7⋅10—3 9,6⋅10—3 1

As 3,4⋅10—5 0,8⋅10—5 76

31

УДК 669.187.58

ПОЛУЧЕНИЕ БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ СПЛАВОВСПОСОБОМ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ПРИ ИПСК

В. А. Шаповалов, И. В. Шейко, Ю. А. Никитенко

Исследован процесс получения быстрозакаленных высокореакционных и высокотемпературных сплавов способомдиспергирования расплава при индукционной плавке в секционном кристаллизаторе. Отработаны технологии плавкии диспергирования, получены основные закономерности. Исследовано качество быстрозакаленных сплавов.

Process of producing the rapidly hardened highly-reactive and high-temperature alloys by the method of melt dispersionduring induction melting in a sectional mould was investigated. Technologies of melting and dispersion were optimizedand main regularities were obtained. The quality of rapidly hardened alloys was examined.

Ключ е вы е с л о в а : диспергирование; секционный крис-таллизатор; высокореакционные сплавы; металлический рас-плав; диск-холодильник; быстрозакаленные чешуйки

Практически во всех отраслях промышленности ши-рокое применение находят сплавы с аморфной, на-но- и микрокристаллической структурами металли-ческие. В каждом из направлений ставятся свои за-дачи и требования как к чистоте продукции, так ик форме получаемых изделий. Достаточно объем-ные слитки с аморфной структурой изготовляюттолько для определенных систем, не всегда имеющихприменение. Основную массу сплавов получают ввиде покрытий с аморфной или микрокристалли-ческой структурой или изделий, имеющих хотя быодин микроразмер (лента, провод, чешуйки, порошок).

Наиболее производительными способами изго-товления металлов и сплавов с аморфной и микрок-ристаллической структурой являются способы сверх-быстрой закалки из жидкого состояния. Широкораспространен способ экстракции (диспергирова-ния) из расплава быстрозакаленного металла вра-щающимся диском-холодильником (рис. 1) [1]. Врезультате получают продукцию в виде чешуек, иго-лок, коротких лент.

Для накопления объема расплава используют ке-рамический тигель с резистивным или индукцион-ным нагревом. Поскольку экстракцию выполняютсверху, то организовать подпитку ванны и стабиль-ный уровень расплава осуществить достаточносложно, обычно это компенсируют за счет большогопоперечного сечения тигля.

Снижение уровня расплава при экстракции ни-же какого-то критического размера приводит к по-паданию расплава на стенки тигля, а не в накопи-тельный бункер. Это приводит к кратковременностипроцесса, применение керамического тигля такженакладывает ограничения на обрабатываемые сос-тавы сплавов. Взаимодействие расплава с керами-ческим тиглем способствует его загрязнению неме-таллическими соединениями, что делает практичес-ки невозможным обработку сплавов, содержащихвысокореакционные металлы.

В настоящее время возник интерес к получениюсплавов с аморфной и микрокристаллическойструктурой с более высокой температурой плавле-ния и реакционной активностью, для которых плав-ка в керамическом тигле уже недопустима. К ним

© В. А. ШАПОВАЛОВ, И. В. ШЕЙКО, Ю. А. НИКИТЕНКО, 2009

Рис. 1. Традиционная технология диспергирования (экстракции)расплава из керамического тигля

32

относятся сплавы, содержащие титан, цирконий,хром и др. Кроме того, существует проблема умень-шения неметаллических включений в специальныхсплавах для электронной и авиакосмической отрас-лей промышленности. Для решения поставленнойзадачи необходимо создание технологических про-цессов, максимально защищающих расплав от кон-такта с инородными материалами.

В ИЭС им. Е. О. Патона создана лабораторнаяустановка для получения быстрозакаленных метал-лов и сплавов на базе существующей установки дляиндукционной плавки в секционном кристаллиза-торе (ИПСК) с диаметром кристаллизатора 68 мм(рис. 2) [2, 3].

Особенностью реализации процесса диспергиро-вания стало использование при индукционной плав-ке эффекта отжатия расплава от стенок тигля. Впроцессе плавления металлический расплав отдав-ливается от стенок секционного кристаллизаторапод действием электромагнитных сил, обусловлен-ных взаимодействием токов, протекающих в секци-ях кристаллизатора, и токов, индуцируемых в по-верхностном слое расплава.

В результате расплав не имеет контакта со стен-ками кристаллизатора, а ванна своей основой опи-рается на расходуемую заготовку. Отжатие распла-ва и непрерывная подача заготовки снизу приводитк поднятию уровня ванны выше индуктора и крис-таллизатора, что дает возможность осуществлятьпроцесс диспергирования без препятствий.

Такой способ плавки и диспергирования пол-ностью исключает возможность взаимодействиярасплава с любыми инородными материалами. Так-же в процессе плавки возможнорафинирование расплава путемвыдержки металла в жидком сос-тоянии, его перемешивания и ис-пользования активных шлаков.

При проектировании модулядля диспергирования рассматри-вались три следующих варианта:без охлаждения, с охлаждениемпроточной водой и газовым охлаж-дением. Первые два не нашли при-менения из-за технологическихтрудностей при эксплуатации, по-этому последующие опыты прово-

дили на диске с газовым охлаждением, показавшемудовлетворительную работоспособность [4].

Для проведения экспериментов выбраны опыт-ные сплавы, которые сложно, а иногда и невозмож-но, получать с помощью существующих технологий.В первую очередь это касается сплавов, содержа-щих высокореакционные элементы, сплавы с высо-кой температурой плавления, а также модельныесплавы (табл. 1).

Исследования показали, что на форму поверх-ности ванны расплава, отжимающегося от стеноккристаллизатора, влияет мощность и частота токавысокочастотного генератора. В отличие от класси-ческого ИПСК, для осуществления процесса диспер-

Т а б л и ц а 1 . Диспергирование при ИПСК

Марка сплаваМассовая доля элементов, %

Fe Al Ni Cr Ti Mn Tпл, °С

Д16 0,3 Основа Cu = 4,2 — Mg = 1,6 0,7 660

ЭП 648 Mo = 2,4 1,06 Основа 31,6 W = 4,4 0,3 1550

Нитинол — — »» — 49,1 — 1550

ВТ1-0 0,2 — — — Основа — 1660

Nd—Fe—B Основа — Nd = 33,8 — B = 0,9 — 1550

RSR Mo = 13,2 7,50 Основа — W = 3,6 — 1350

Рис. 2. Схема диспергирования при ИПСК: 1 – диск-холодиль-ник; 2 – быстрозакаленные чешуйки; 3 – расплав; 4 – рас-ходуемая заготовка; 5 – индуктор; 6 – секционный кристал-лизатор

Рис. 3. Отжатая часть металлической ванны в секционном кристаллизаторе (а) и еетемпература (б) в зависимости от частоты тока, кГц: 1 – 2,5; 2 – 8; 3 – 66

33

гирования необходимо создание условий для под-нятия уровня расплава над секционным кристалли-затором. В результате дей-ствия электромагнитного по-ля в расплаве возникает интенсивное перемешивание,приводящее к усреднению состава и температуры.

В ходе исследований установлено, что при час-тоте тока 66 кГц и плавке сплава ВТ1-0 ванна рас-плава достигает максимального объема и оптималь-ной формы – купола (рис. 3). Уменьшение частотыспособствует образованию конусообразной формыкупола, усложняющего процесс перемешивания и,как следствие, охлаждения верхней части расплава,что негативно отражается на диспергировании.

Установлено, что для обеспечения процесса дис-пергирования высота купола Δh над секционнымкристаллизатором должна составлять (0,2…0,3) Dкристаллизатора (около 10…18 мм). Повышениевысоты выпуклого мениска приводило к простран-ственной нестабильности положения купола, нару-шающей процесс диспергирования. Минимальнаявысота купола Δh, при которой заканчивают про-цесс диспергирования, составляет (0,1) D кристал-лизатора, что равняется 5…6 мм. Поскольку про-цесс диспергирования происходит непрерывно илициклически в зависимости от сплава, скорость по-дачи заготовки регулируется от 0 до 10 мм/мин.

Тепловые режимы работы оборудования в соз-дании технологии имеют решающее значение, влияяна технологию процесса, экономичность и конструк-цию основных узлов печи. Таким образом, возникланеобходимость их исследования и сравнения с клас-

сическим ИПСК. Передача энергии электромагнит-ного поля, создаваемого током индуктора при ИП-СК, происходит по более сложной схеме, чем обыч-ная индукционная плавка.

Тепловая энергия, выделившаяся в металличес-кой ванне, составляет лишь часть электрическойэнергии, подведенной к индуктору Qинд. Значитель-ная ее часть теряется в секционном кристаллизатореи индукторе в результате протекания электрическо-го тока в указанных элементах. Проведенные опытыпоказали, что потери в самом индукторе составляют16…17 % мощности.

Суммарные потери в секционном кристаллиза-торе являются суммой электрических потерь на пе-редачу энергии и тепла от расплава к стенкам крис-таллизатора, составляющих около 50 % общей мощ-ности. Исследование теплового и электрическогосостояния плавильного модуля показало, что в рас-плаве выделяется около 50 % мощности индуктора.Перераспределение теплоты, выделившейся в рас-плаве Qр, осуществляется между стенками кристал-лизатора Qкр, потерями в глубь расходуемой заго-товки Qс, конвективного и лучистого теплообменас атмосферой камеры Qк (рис. 4). Исследованияпоказали незначительное перераспределение теплав элементах оборудования, по сравнению с класси-ческим ИПСК (табл. 2). За счет поднятия уровнярасплава над уровнем кристаллизатора на 1…3 % уве-личились потери в окружающую атмосферу камеры.

Особенно сложно осуществить диспергированиесплавов, в состав которых входят высокоактивныеэлементы, образующие на поверхности металличес-кой ванны плотную пленку. Наличие пленки в зна-чительной мере усложняет, а иногда делает невоз-можным ведение процесса диспергирования, пос-кольку она предотвращает прямой контакт метал-лического расплава с рабочей дорожкой диска-хо-лодильника.

Т а б л и ц а 2 . Перераспределение тепла в элементах обо-рудования

СплавQинд Qр Qкр Qк Qс

кВт %

Д-16 35… 40 17…18 70… 75 3…5 20… 27ВТ1-0 84… 89 36… 39 80…82 1… 2 16… 19

Рис. 4. Потери тепла из расплава при ИПСК

Рис. 5. Общий вид чешуек, полученных диспергированием при ИПСК: а – ВТ1-0; б – Ni-Ti; в – RSR

34

В результате исследований предложен под-ход для решения технологической про-блемыочистки поверхности расплава Nd—Fe—B от плен-ки оксидов с помощью разработанных легкоп-лавких шлаковых систем на основе фторидов:лития, калия и магния. Для устранения ок-сидной пленки на поверхности металлическойванны во время диспергирования жаро-прочного сплава ЭП 648 и нитинола (Ni—Тi)предложено использование гидрида титана.

Изучение технологических особенностей плавкии диспергирования расплава при ИПСК позволилополучать чешуйки из указанных сплавов (рис. 5).Скорость получения чешуек составляет, г/ч: дляД16 ≈ 140…180, для Nd—Fe—B ≈ 300…350, для RSR ≈≈ 440…450, Ni—Ti ≈ 500…550, ВТ1-0 ≈ 230…300.

В результате диспергирования получены чешуй-ки длиной 5…10 мм, шириной 1…2 мм и толщиной15…50 мкм. Структура чешуек имеет мелкокрис-таллическое строение (рис. 6), которое объясняетсяхимическим составом обрабатываемых сплавов,т. е. отсутствием элементов – аморфизаторов.

Изучение структуры быстрозакаленных чешуекД16 показало наличие микрокристаллическойструктуры с присутствием небольшого количествааморфной фазы. Основу полученных образцов сос-тавляет алюминий. Кроме того, присутствуютAl2Cu, Al2CuMg, Al2Mg и более сложные соедине-ния типа Al5Cu6Mg2 (рис. 7, а).

В процессе исследования чешуек Nd—Fe—B уста-новлено, что в системе непосредственно после сверх-быстрой закалки из расплава также существуетаморфно-кристаллическая структура, вмещающаявместе с аморфной составляющей (около 23 %)кристаллические фазы Nd2Fe14B (рис. 7, б).

В системе Nd—Fe—B возможно формированиемножества равновесных и неравновесных фаз. Из-за неполной симметрии их решетки, а также боль-ших значений ее периодов на рентгенограммах этихфаз присутствует большое количество дифракцион-ных пиков. Кроме того, интенсивность данных ли-ний мала и многие из них смещены. Все это чрез-вычайно усложняет фазовый анализ быстрозака-

ленных сплавов системы Nd—Fe—B, а также опреде-ление средних размеров кристаллитов.

В ходе металлографических исследований не ус-тановлено загрязнение металла посторонними приме-сями и неметаллическими включениями.

Сверхбыстрая закалка положительно повлиялана функциональные параметры материалов. Приизготовлении упругих элементов из прессованогонитинола (сплава с эффектом «памяти» формы) ра-бочая цикличность повысилась почти на 40 %.

Испытание опытных образцов постоянных маг-нитов, изготовленных из молотых и спеченных че-шуек Nd—Fe—B, показало, что уровень их коэрци-тивной силы увеличился более чем в два раза, посравнению с показателями магнитов, полученныхпо традиционной технологии.

1. http://www.ifam- dd.fraunhofer.de/fhg/ifam_dd/EN/ge-biete/faser/schmelz/index.jsp Dresden branch lab powdermetallurgy and composite materials of the fraunhofer institu-te for manufacturing and advanced materials (IFAM).

2. Никитенко Ю. А., Шаповалов В. А., Шейко И. В. Полу-чение аморфных металлов методами специальной электро-металлургии // Современное материаловедение: дости-жения и проблемы: MMS-2005: Матер. междунар. конф.(Киев, сент. 2005 г.). – Киев: ИПМ им. И. Н. Франце-вича, 2005. – С. 650—651.

3. Получение быстрозакаленных металлических материаловс применением процесса индукционной плавки в секцион-ном кристаллизаторе / Б. Е. Патон, Ю. В. Латаш,И. В. Шейко и др. // Пробл. спец. электрометал-лургии. – 1993. – № 2. – С. 50—55.

4. Шаповалов В. А., Шейко И. В., Никитенко Ю. А. Неко-торые особенности создания устройств для диспергирова-ния металлического расплава // Современ. электроме-таллургия. – 2009. – № 2. – С. 35—38.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев

Поступила 01.07.2009

Рис. 6. Микроструктура сечения быстрозакаленных чешуек: а – Д16; б –ВТ1-0

Рис. 7. Рентгенограммы образцов чешуек, полученных при ИПСК: а – Д16; б – Nd—Fe—B; I — интенсивность

35

УДК 669.187.58

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬВЛИЯНИЯ ПОЛЯ ИНДУКТОРА НА КОЭФФИЦИЕНТ

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСИ В КРЕМНИИ

С. Г. Егоров, И. Ф. Червоный, Р. Н. Воляр

Исследован процесс выращивания монокристаллов кремния способом индукционной бестигельной зонной плавки сприменением подогревающего индуктора. При помощи математического моделирования установлены параметрыэлектромагнитного поля подогревающего индуктора и определены условия, при которых электромагнитное полеподогревающего индуктора оказывает влияние на условия выращивания монокристаллов.

Process of growing single crystals of silicon by the method of induction crucible-free zonal melting with use of preheatinginductor was investigated. Using the mathematical modeling, the parameters of electromagnetic field of phreheatinginductor were established and conditions, at which the electromagnetic field of preheating inductor has an influence onthe conditions of single crystal growing, were defined.

Ключ е вы е с л о в а : бестигельная зонная плавка, по-догревающий индуктор, электромагнитное поле, эффектив-ный коэффициент распределения примеси

Введение. Для улучшения условий охлаждениявыращиваемого монокристалла кремния способомбестигельной зонной плавки применяют подогрева-ющий индуктор [1, 2]. Значение тока, подаваемогона подогревающий индуктор, меньше поступающе-го на плавильный индуктор в 5… 17 раз. Какправило, частота тока подогревающего индукторасовпадает с таковой тока плавильного индуктора ипри выращивании монокристаллов кремния большо-го диаметра (≥75 мм) способом бестигельной зонной

плавки составляет 2,8 МГц. Однако для обеспече-ния оптимальных тепловых условий выращиваниямонокристалла частоту тока подогревающего индукто-ра необходимо снижать [3], поскольку проникающаяспособность электромагнитного поля при этом возрас-тает.

Цель. Исследовали электромагнитное поле подогре-вающего индуктора при выращивании монокристал-лов кремния способом индукционной бестигельнойзонной плавки и его влияние на диффузионный слойвблизи фронта кристаллизации, а также эффектив-ный коэффициент распределения примеси.

Основная часть. Подогревающий индуктор обеспе-чивает подогрев монокристаллов кремния, являю-щегося диэлектрическим материалом. Глубину про-никновения тока в диэлектрический материал Δможно определить по следующему уравнению [4]:

Δ = 1

2πf√⎯μ2

√⎯⎯⎯⎯⎛⎜⎝

σтв

2πf

⎞⎟⎠

2 + ε2 — ε,

(1)

где σтв – электропроводность твердого кремния,(Ом⋅м)—1; μ – магнитная проницаемость вещества,μ ≈ 12,56⋅10—7 Гн/м; f – частота электромагнитногополя, Гц; ε – диэлектрическая проницаемость ве-щества, ε = εSiε0 = 1,06⋅10—10 Ф/м; εSi – относительнаядиэлектрическая проницаемость кремния, εSi = 12;ε0 – диэлектрическая постоянная, ε0 = 8,85⋅10—12 Ф/м.

© С. Г. ЕГОРОВ, И. Ф. ЧЕРВОНЫЙ, Р. Н. ВОЛЯР, 2009

Рис. 1. Геометрическая схема математической модели с нанесен-ной сеткой конечных элементов: 1 – исходный поликристалли-ческий стержень; 2 – зона расплава; 3 – фронт плавления;4 – фронт кристаллизации; 5 – монокристалл; 6 – виткиподогревающего индуктора; 7 – плавильный индуктор

36

Для уменьшения радиального градиен-та температуры необходимо обеспечитьпрогрев большей части выращиваемогомонокристалла за счет увеличения про-никновения электромагнитного поля. Вы-полнить эту задачу можно путем снижениячастоты тока подогревающего индуктора.

Однако для создания оптимальныхтепловых условий выращивания монок-ристалла требуется максимум объемнойудельной мощности, зафиксированныйпри отношении диаметра монокристалла кглубине проникновения тока dкр/δ = 3,5[4]. Поэтому для диаметра монокристал-ла dкр = 150 мм значение δ составляет 42,86 мм.Для обеспечения заданной глубины проник-новения δ частота электромагнитного полясогласно формуле (1) должна составлять fр ≈≈ 2,35 кГц (fр – расчетная частота тока).

Для расчета температурного градиента в выра-щиваемом монокристалле и его зависимости от час-тоты тока подогревающего индуктора необходиморассчитать электромагнитное поле, генерируемоеподогревающим индуктором при разных частотах.

С целью изучения электромагнитного поля по-догревающего индуктора построили математичес-кую модель, в основе которой лежат уравненияМаксвелла:

⎧

⎨

⎩

⎪

⎪

∇→

× E→ = — ∂ B

→ ⁄ ∂ t,

∇→

× B→

= μ0 j→,

∇→

× B→

= 0,j→ = σE

→,

(2)

где E – напряженность электрического поля, В/м;B – магнитная индукция, Тл; j – плотность элек-трического тока, А/м2.

Решение системы (2) осуществляли путем вве-дения электрического ф и векторного магнитного Aпотенциалов:

E→

= — ∇ ф — ∂A ⁄ ∂ t,

B→

= ∇→

× A→ .

Расчет мощности, выделяемой в единице объемавыращиваемого монокристалла при воздействии

электромагнитного поля подогревающего индукто-ра, осуществляли по следующей формуле [5]:

Q = 2π f E2 ε ε0 tgα,

где tgα – тангенс угла поглощения. Принимаемtgα = 1.

Для решения поставленной задачи применялиматематический пакет «Femlab», реализующий ме-тод конечных элементов. Схема математической мо-дели представлена на рис. 1.

Физические свойства материалов

ПараметрТвердыйкремний

Расплавкремния

Медь Аргон

Электропроводность,(Ом⋅м)—1

5,0⋅104 1,2⋅106 5,99⋅107 —

Относительная диэлект-рическая проницаемость

12,1 1,0 1,0 1,0

Плотность, кг/м3 2330 2530 8950 1,784

Коэффициент тепло-проводности, Вт/(м⋅К)

22 67 400 0,0164

Теплоемкость,Дж/(кг⋅К)

703 1000 385 523

Рис. 2. Электромагнитное поле подогревающего индуктора при различных час-тотах. Здесь и на рис. 3, 5: а – fпод = fпл = 2,8 МГц; б – fпод = fр = 2,35 кГц;контурные линии соответствуют напряженности электрического поля (В/м)плавильного индуктора, а длина стрелок пропорциональна магнитному полю(А/м) подогревающего индуктора)

Рис. 3. Распределение индукции B магнитного поля подогревающего индуктора вблизи фронта кристаллизации; Rкр – радиусмонокристалла

37

В рассматриваемой области находятся плавиль-ный индуктор и элементы подогревающего индук-тора (рабочая среда – аргон), выращиваемый мо-нокристалл и зона расплава. Ток плавильного ин-дуктора и его частота в расчетах имели следующиезначения: Iпл = 1700 А и fпл = 2,8 МГц. Отношениетока плавильного индуктора к току подогревающегосоставляло Iпл/Iпод = 5 [1, 2]. Частоту тока подогре-вающего индуктора принимали равной fпод = fр. Фи-зические свойства рассматриваемых материаловприведены в таблице [6, 7].

Рассчитано электромагнитное поле подогреваю-щего индуктора (рис. 2), а также распределение егомагнитной индукции вблизи фронта кристалли-зации для различных значений рабочей частоты то-ка (рис. 3).

Согласно работе [8], влияние электромагнитногополя на толщину диффузионного слоя можно оце-нить по следующему выражению:

δВδ

= Ha√⎯⎯⎯Re

,(3)

где δВ – толщина диффузионного слоя при наличииэлектромагнитного поля, м; δ – толщина диффу-зионного слоя без электромагнитного поля, м;Hа – критерий Гартмана

Ha = BRкр√⎯⎯σр

ρν,

(4)

где Rкр – радиус монокристалла, м; σр – элект-ропроводность расплава, для расплава кремния σр == 1,23⋅106 Ом⋅м [6]; ρ – плотность расплава, длярасплава кремния ρ = 2530 кг/м3 [6]; ν – кинема-

тическая вязкость расплава, для расплава кремнияν = 3,5⋅10—7 м2/с [6]; Re – критерий Рейнольдса.

Re = νRкр

vp,

(5)

где vр – скорость потоков расплава, м/с.Распределение скорости движения потоков рас-

плава вблизи фронта кристаллизации показано нарис. 4 [9]. Резкое падение скорости движения рас-плава в средней части объясняется наличием в зонерасплава двух конвекционных ячеек, вращающихсяв противоположные стороны. Именно в области ихвстречи скорость движения расплава уменьшается.

Результаты расчетов, выполненных по форму-лам (3)—(5), представлены на рис. 5. При снижениирабочей частоты тока подогревающего индуктораувеличиваются степень проникновения электромаг-нитного поля в зону расплава и его воздействие надиффузионный слой. Это способствует увеличениютолщины диффузионного слоя (рис. 5, а).

Влияние изменения толщины диффузионногослоя на эффективный коэффициент распределенияпримеси kэф на фронте кристаллизации определялипо следующей формуле [10]:

kэф = k0

k0 = (1 — k0) exp (—f δв ⁄ D),

где k0 – равновесный коэффициент распределенияпримеси, k0 = 0,35; vкр – скорость выращиваниямонокристалла, f = 5⋅10—5 м/с (3 мм/мин); D –коэффициент диффузии, D = 1⋅10—8 м2/c.

Изменение толщины диффузионного слоя нафронте кристаллизации под воздействием электро-

магнитного поля влияет на значение эффек-тивного коэффициента распределения приме-си (рис. 6). В случае равенства рабочей час-тоты тока подогревающего и плавильного ин-дукторов электромагнитное поле не оказыва-ет влияния на эффективный коэффициентраспределения примеси (рис. 6, кривая 1). Приснижении рабочей частоты тока до уровня fробнаружено неравномерное распределениеэффективного коэффициента распределенияпримеси вдоль радиуса монокристалла(рис. 6, кривая 2). Это дает возможность уп-равлять степенью очистки монокристаллов

Рис. 4. Скорость движения расплава вблизи фронта кристалли-зации при выращивании монокристаллов кремния диаметром76 мм способом индукционной бестигельной зонной плавки

Рис. 5. Изменение толщины диффузионного слоя на фронте кристалли-зации при воздействии электромагнитного поля

Рис. 6. Расчетное значение эффективного коэффициента рас-пределения примеси на фронте кристаллизации: 1 – f = 2,8МГц; 2 – f = 2,35 кГц

38

кремния от примесей при выращивании их способоминдукционной бестигельной зонной плавки.

Выводы

1. Проведенные исследования показали, что сниже-ние частоты тока подогревающего индуктора даетвозможность контролировать толщину диффузион-ного слоя на фронте кристаллизации.

2. Появляется возможность управлять эффек-тивным коэффициентом распределения примеси и,следовательно, степенью очистки монокристалловот примесей в процессе их выращивания.

1. Бронникова Л. П., Добровольская В. И., Ратников Д. Г.Определение температурных градиентов в слитках крем-ния при бестигельной зонной плавке // Промышленноеприменение токов высокой частоты: Тр. ВНИИ ТВЧ. –1974. – Вып. 14. – С. 65—74.

2. Добровольская В. И., Ратников Д. Г. Исследование ин-дукционных систем вертикальной бестигельной зоннойплавки // Там же. – 1974. – Вып. 14. – С. 78—85.

3. Егоров С. Г., Червоный И. Ф., Колобов Г. А. Анализ вли-яния магнитного поля подогревающего индуктора на рас-плавленную зону при БЗП // Оборудование и техно-логии термической обработки металлов и сплавов: Сб.

докл. 4-й междунар. науч.-техн. конф. (Харьков, 19—23мая 2003 г.) – Харьков, 2003. – С. 320—323.

4. Глуханов Н. П. Физические основы высокочастотногонагрева. – Л.: Машиностроение, 1979. – 64 с.

5. Высокочастотная электротермия: Справочник / Подред. А. В. Донского. – М.: Машиностроение, 1965. –564 с.

6. Numerical study of transient behavior of molten zone duringindustrial FZ process for large silicon crystal growth // J.Cryst. Growth. – 2004. – V. 266. – P. 54—59.

7. Interface shape, heat transfer and fluid flow in the floatingzone growth of large silicon crystals with the needle-eye tech-nique // Ibid. – 1995. – V. 151. – P. 66—79.

8. Выращивание полупроводниковых монокристаллов с элек-тромагнитным воздействием на расплав / Ю. М. Гель-фгат, В. С. Земсков, М. Р. Раухман, М. З. Соркин //Процессы роста полупроводниковых кристаллов и пле-нок. – Новосибирск: Наука, 1988. – 300 с.

9. Muehlbauer A., Muznieks A., Raming G. System of mathe-matical models for the analysis of industrial FZ-Si-crystalgrowth processes // Cryst. Res. Technol. – 1999. –V. 34. – P. 217—226.

10. Мюллер Г. Выращивание кристаллов из расплава. Кон-векция и неоднородности / Пер. с англ. – М.: Мир,1991. – 143 с.

Гос. инж. акад., Запорожье

Поступила в редакцию 07.10.2008

ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОСВАРКИ им. Е. О. ПАТОНА НАН УКРАИНЫ

Объявляет ежегодный набор по следующим специальностям:

ДОКТОРАНТУРА

сварка и родственные технологии автоматизация технологических процессов металловедение и термическая обработка металлов металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов

АСПИРАНТУРА

сварка и родственные технологии автоматизация технологических процессов металловедение и термическая обработка металлов металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов

Прием документов проводится в сентябре.Контактный телефон: 289-84-11.

Подробная информация на сайте института (раздел аспирантура): www: paton.kiev.ua

Документы направлять по адресу:03680, Украина, Киев-150, ГСП, ул. Боженко, 11,

Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, ученому секретарю

39

УДК 621.793.18.06

МОДИФИЦИРОВАННАЯВАКУУМНО-ДУГОВАЯ УСТАНОВКА

«БУЛАТ-3Т»

А. В. Демчишин, В. А. Миченко,Г. А. Автономов, О. A. Токарев

Представлены данные относительно выполненных изменений в конструкции вакуумно-дуговых испарителей метал-лов, электрической схеме привода вращения подложек, откачном оборудовании установки и улучшении защитыфланцев, смотровых систем от тепловых нагрузок с целью обеспечения осаждения функциональных покрытий надлинномерные изделия и формирования многослойных конденсатов с микро- и наноструктурой общей толщиной до100 мкм и больше.

Data are presented as regards to changes made in the design of vacuum-arc evaporators of metals, electrical diagram ofdrive of substrates rotation, pumping equipment of the installation and improvement of protection of flanges, viewingwindow systems from heat loads to provide the deposition of functional coatings on long products and formation ofmulti-layer condensates with a micro- and nanostructure of total thickness of up to 100 μm and higher.

Ключ е вы е с л о в а : вакуумная дуга; торцевой цилинд-рический катод; планарный катод; привод вращения подло-жек; реле времени; многослойное покрытие

Появление источников низкотемпературной плазмына основе катодной формы вакуумной дуги, разви-вающейся в парах материала эродирующего элект-рода, открыло большие возможности для формиро-вания функциональных покрытий с разными свой-ствами на поверхности подложек. Такая ситуацияпредопределила разработку оборудования с исполь-зованием дугового разряда в вакууме для нанесенияионно-плазменных покрытий на детали ответствен-ного назначения. Анализ серийного вакуумно-дуго-вого оборудования для осаждения покрытий, изго-товляемого ведущими фирмами в области вакуум-ного машиностроения, показал, что наиболее рас-пространенным типом катодно-дугового источникаявляются испарители с цилиндрическими катодами,где дуговой разряд осуществляется на торцевой по-верхности отрицательного электрода. Испарителитакого типа используют в серийных установках«Булат» (Украина), ННВ-6.6, «Пуск», ИЭТ (Рос-сия), ВУ-1БС, ВУ-2МБС (Белоруссия), MR-333,MR-383 (США), BAI-1200 (Лихтенштейн). В дан-ных испарителях внешняя электромагнитная систе-ма удерживает катодные пятна на торцевой повер-

хности катода и вращает их с высокой скоростьюпо круговым орбитам на указанной поверхности.Такие источники генерируют неоднородный, ограни-ченный определенными размерами, плазменный по-ток, что сужает возможности их практического при-менения. В этом случае максимальная скорость осаж-дения пароплазменного потока зафиксирована вблизиоси катода в пределах небольших телесных углов.

Однако для современного машиностроения зачас-тую требуется обработка длинномерных и крупнога-баритных изделий, для чего необходимо получениеравномерного в продольном сечении плазменного по-тока, что не всегда возможно посредством увеличенияколичества отдельных точечных источников катодно-дуговой плазмы. В связи с этим одной из актуаль-ных проблем является создание и использованиепланарных электродуговых испарителей.

Кроме того, целесообразнее изготовлять катодыв виде пластин, вырезаемых из листового проката,а не сплошных цилиндров, особенно при использо-вании катодов больших размеров. Для этого вместоточечных электродуговых испарителей разработа-ны, изготовлены и установлены в установке «Бу-лат-3Т» источники металлической плазмы планар-ного типа с магнитным удержанием катодных пятенна рабочей поверхности катода, испытания которых

© А. В. ДЕМЧИШИН, В. А. МИЧЕНКО, Г. А. АВТОНОМОВ, О. О. ТОКАРЕВ, 2009

40

показали, что катодные пятна перемещаются по эл-липтической траектории вдоль продольной оси ка-тода. Повышение тока дугового разряда способ-ствует увеличению катодных пятен и скорости ихперемещения на рабочей поверхности катода и, врезультате, возрастанию скорости эрозии катодногоматериала.

На рис. 1 представлены фотографии катодныхпятен на поверхности титанового планарного като-да, образовавшихся при разных значениях тока ду-гового разряда. Приведенные данные свидетель-ствуют об увеличении плотности катодных пятен вслучае роста разрядного тока. После полной выра-ботки планарный катод имеет корытоподобнуюформу и высокий коэффициент использования ма-териала катода.

Особенностью указанных испарителей являетсяснижение уровня порогового тока, выше которогообеспечивается стабильная работа дугового разря-да, что подтверждают и другие исследователи [1].

Установка «Булат-3Т» состоит из вакуумной ка-меры, привода вращения стола с подложкодержа-телями, пульта управления, блоков электропитания(выпрямителей тока) и откачного оборудования [2].Вакуумная камера имеет форму горизонтальногоцилиндра с двумя загрузочно-разгрузочными тор-цевыми отверстиями, герметично закрываемымикруглыми крышками с фланцами, на которых ус-тановлены катодные узлы для испарения электро-проводных материалов, смотровые системы и окнадля дистанционного контроля температуры подло-жек с помощью пирометра. В нижней части камерынаходится узел вращения стола, ось которого черезвакуумный ввод соединена с электрическим приво-дом, обеспечивающим скорость вращения 8 об/мин.Указанный стол изолирован от корпуса камеры.

Для получения необходимого вакуума в рабочейкамере использовали комбинированную откачнуюсистему, в которой для начальной откачки воздухаиз камеры задействован форвакуумный механичес-кий насос 2НВР-5Д с масляным уплотнением и вы-соковакуумный паромасляный насос АВП-250-630.Для повышения скорости откачки воздуха из каме-ры на начальной стадии с целью значительного сок-ращения длительности процесса и уменьшения гра-ничного остаточного давления к откачному постудобавлен двухроторный насос ДРН-50 с прифлан-цованным электродвигателем. Использование до-полнительного насоса ДРН-50 значительно повы-шает коэффициент сжатия и снижает до минимумаэффект уменьшения граничного давления механи-ческого насоса с масляным уплотнением даже в слу-чае ухудшения качества масла.

Электрическая система включает источники пи-тания дуговых испарителей и источники высокогои опорного напряжения, подаваемого на подложки.Для получения многослойных конденсатов с микро-и нанокристаллической структурой использовалирежим непрерывного испарения выбранных метал-лов из двух катодов в совокупности с переменным

циклическим вращением подложек. Осаждениеплазменных потоков на подложки с контролируе-мой длительностью их нахождения напротив испаря-емых катодов, обеспечивали путем добавления к элек-трической схеме привода вращения реле времени, чтопозволило получать многослойные конденсаты с тол-щиной субслоев в пределах 10…1000 нм и общейтолщиной до 1⋅105нм.

На рис. 2 приведена типичная структура мно-гослойного TiN/ZrN покрытия с толщиной субсло-ев 100 нм и общей толщиной 15⋅103нм, полученногос помощью указанной техники. Формирование кон-денсатов нитридов титана и циркония осуществлялив азотной газовой среде в диапазоне давлений

Рис. 1. Катодные пятна на поверхности титанового планарногокатода при Iд, A: а – 100; б – 140

Рис. 2. Распределение элементов покрытия по толщине много-слойного конденсата TiN/ZrN (а) и его структура в поперечномсечении (б); I – интенсивность

41

(4…6)10—1Па. Ток разряда составлял 110 А, а от-рицательный потенциал смещения на подложке дос-тигал —150 В. Расстояние между подложками и ка-тодами равнялось 125 мм. Подложками служилитвердосплавные пластинки из ВК6 и Т5К10. Уста-новка коромысла в виде горизонтального молибде-нового стержня на валу механизма вращения поз-волила легко регулировать расстояние между под-ложками и рабочей поверхностью катодов.

Кроме того, разработан, изготовлен и установ-лен стол с подложкодержателями планетарного ти-па, с помощью которого можно осаждать одно- имногослойные покрытия на детали фасонного типа.

На рис. 3 показана четвертая часть держателейосесимметричных подложек, вращающихся вокругсвоей оси и одновременно со столом, крутящимсявместе с вертикальними экранами. Это дает возмож-ность проводить многоразовое последовательноеосаждение разных покрытий на детали цилиндри-ческого типа.

Для равномерного нагрева маломерных и тон-костенных изделий, установленных на подложко-держателях, до и в процессе нанесения на них пок-рытий изготовлен ленточный танталовый электри-ческий нагреватель, крепящийся к верхнему флан-цу рабочей камеры установки с помощью водоох-лаждаемых медных электрических вводов.

Для дополнительного влияния на адгезию,структуру и другие свойства осаждаемых покрытийпредусмотрено использование высоковольтного им-пульсного генератора, обеспечивающего подачу наподложки в ходе нанесения покрытий отрицатель-ных импульсов напряжения с амплитудой до 5 кВ,длительностью импульсов 15, 35, 55 мкс и паузамимежду импульсами соответственно 30, 70, 110 мкс.

В связи с необходимостью осаждения функцио-нальных покрытий толщиной до 1⋅105 нм и больше,для чего требуется длительная работа установки в

условиях функционирования катодно-дуговых ис-парителей при максимальных режимах, значитель-но увеличивается тепловая нагрузка на внутрика-мерные узлы и устройства. Вакуумная камера се-рийной установки охлаждается проточной водой впроцессе нанесения покрытий, в отличие от фланцеви смотровых отверстий камеры, что вызывает пе-регрев последних. В связи с этим внутри камерыустановили металлические экраны напротив проб-лемных мест. Кроме того, реконструирован нижниймеханизм вращения с вакуумным вводом с цельюобеспечения охлаждения его вала проточной водой.Дозированный напуск и поддержка заданного рас-хода аргона и азота осуществляется газовой систе-мой с использованием натекателя игольчатого типапри помощи блока управления натекателя.

Указанные усовершенствования в совокупностипозволили существенно расширить технологичес-кие возможности установки и осаждать функцио-нальные покрытия с контролируемой структурой наподложки широкого профиля.

Выводы

1. Разработанные электродуговые испарители пла-нарного типа, изготовленные из титана и предназ-наченные для осаждения равномерных по толщине пок-рытий на длинномерные подложки, прошли успешныеиспытания в рабочей камере установки «Булат-3Т».

2. Использование реле времени в электрическойсхеме привода вращения подложек дало возмож-ность получать многослойные покрытия с микро- инанокристаллической структурой.

3. Использование поворотного стола планетар-ного типа с подложкодержателями позволило осаж-дать многослойные покрытия на фасонные изделия.

4. Наличие электрического нагревателя ленточно-го типа дало возможность осуществлять радиацион-ный однородный нагрев разнотолщинных изделий.

5. Полученные результаты будут использованыдля разработки новой промышленной вакуумно-ду-говой установки для осаждения функциональныхпокрытий на длинномерные детали ответственногоназначения.

1. Электродуговой испаритель металлов с магнитным удер-жанием катодного пятна / Л. П. Саблев, Ю. И. Долотов,Р. И. Ступак, В. А. Осипов // Приборы и техника экс-периментов. – 1976. – № 4. – С. 247—249.

2. Структура и свойства покрытий из Ti, Ti36Al, Ti/Al,полученных способом вакуумно-дугового испарения /А. В. Демчишин, В. С. Голтвяница, С. К. Голтвяница идр. // Современ. электрометаллургия. – 2009. – № 2. –С. 42—47.

Ин-т проблем материаловедения им. И. Н. Францевича,

НАН Украины, Киев

Поступила 03.02.2009

Рис. 3. Четвертая часть стола с подложкодержателями плане-тарного типа

42

УДК 669.187.526.001.57

ПЕРЕРАБОТКА СТРУЖКИЖАРОПРОЧНОЙ СТАЛИ ЭП609-ШСПОСОБОМ КОМПАКТИРОВАНИЯ

ПОД ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ С ПОСЛЕДУЮЩИМЭЛЕКТРОШЛАКОВЫМ ПЕРЕПЛАВОМ

В. А. Шаповалов, В. Р. Бурнашев, Ф. К. Биктагиров,А. И. Украинец, М. А. Брагин, В. Н. Пудиков,

В. С. Константинов, В. В. Степаненко, А. Н. Пешков

Предложен способ компактирования стружки в проходной матрице в сочетании с электронагревом. Показано, чтоданным способом можно получать длинномерные изделия, пригодные для использования в качестве расходуемыхэлектродов для процессов спецэлектрометаллургии. Установлено, что качество выплавленного из них металла на-ходится в пределах нормы.

Method of compacting in a leading-through matrix in combination with electric heating has been offered. It is shownthat this method allows producing long products, suitable as consumable electrodes for the processes of special electro-metallurgy. It was found that the quality of metal, produced of them, is on the level of standard.

Ключ е вы е с л о в а : компактирование; электронагрев;утилизация; некомпактные металлические отходы; ме-таллическая стружка; расходуемый электрод

Спрос на легированные марки сталей стабильно уве-личивается в среднем на 5… 6 % в год. Согласноразличным литературным источникам, производ-ство нержавеющих марок стали колеблется от 27,8до 28,2 млн т в год.

В среднем коэффициент использования нержа-веющих сталей на металлообрабатывающих пред-приятиях составляет 0,5… 0,7, остальное идет в от-ходы, большую часть которых составляет стружка.

Проблема утилизации металлической стружкидо сих пор полностью не решена, а непосредствен-ное ее использование связано с рядом следующихтрудностей: загрязнением смазывающей охлаждаю-щей жидкостью (СОЖ) – после механической об-работки, большим угаром при переплаве, низкойнасыпной плотностью, отсутствием эффективнойтехники и технологии перегрузки при транспорти-ровании и загрузке переплавных печей. Способ ком-пактирования стружки является очень эффективными позволяет приблизить плотность спрессованного ма-териала до 0,5…0,8 плотности литого металла.

Существует несколько способов компактирова-ния материалов: гидростатическое холодное прес-сование, электроимпульсный способ прессования,взрывной, спекание, штамповка, прокатка. Однако

все они имеют недостатки при прессовании в за-крытой матрице (малая длина полученной прессов-ки, недостаточная прочность заготовки при холод-ном прессовании, невысокая плотность брикета приимпульсивном компактировании [1—4]). Получениепрессовок массой более 15 кг затруднительно и свя-зано с использованием мощных прессов с удельнымдавлением прессования свыше 500 МПа. А это круп-ногабаритное и дорогостоящее оборудование.

Однако существующие способы не позволяютэффективно перерабатывать стружку, особенно этокасается стружки жаропрочных сталей и ряда дру-гих высоколегированных сплавов.

Данная проблема может быть решена путем сов-мещения процесса прессования с нагревом, что поз-волит повысить пластичность стружки и уменьшитьусилия прессования. В ИЭС им. Е. О. Патона раз-работаны способ и опытно-промышленная установ-ка для компактирования шихты способом полуне-прерывного горячего прессования (рис. 1).

Компактирование стружки одновременно с пря-мым электронагревом производят в проходной мат-рице специальной конструкции. В отличие от дру-гих схем ведения процесса, принципиально измене-на схема установки. Она оснащена механизмом вы-тягивания прессовки, а кроме того, разработана но-вая конструкция нижнего токоподвода. Если обыч-но токоподвод в установках по прессованию брике-

© В. А. ШАПОВАЛОВ, В. Р. БУРНАШЕВ, Ф. К. БИКТАГИРОВ, А. И. УКРАИНЕЦ, М. А. БРАГИН, В. Н. ПУДИКОВ, В. С. КОНСТАНТИНОВ, В. В. СТЕПАНЕНКО, А. Н. ПЕШКОВ, 2009

43

тов подсоединяют к днищу матрицы, то в разрабо-танной установке ток подводят непосредственно кбоковой поверхности формируемой заготовки илик затравке (в стартовый период).

Процесс осуществляется при относительно не-высоких усилиях прессования (2,5 МПа), что зна-чительно сокращает стоимость оборудования. Ком-пактирование стружки выполняют следующим об-разом: в матрицу подается стружка стали ЭП609-Шфракции не более 70… 80 мм массой до 1 кг. Затемстружка сжимается пуансоном. Через токоподводыпоступает ток 10… 12 кА при напряжении 7… 12 В.Стружка за счет джоулева тепла, выделяемого при

прохождении тока, разупрочняется. В этот моментпроисходит сдавливание пуансоном стружки до ми-нимального объема. Длительность компактированияодной порции составляет 25 с. Затем загружается сле-дующая порция стружки и процесс повторяется.

При прохождении тока в объеме прессуемойстружки, а также между прессуемой и спрессован-ной порциями возникают микродуги. В моментсдавливания жидкая фаза распространяется пообъему порции и между порциями, замоноличиваяспрессованную заготовку. В течение всего процессапрессования происходит вытягивание спрессован-ной стружки, что позволяет получать длинномер-ные заготовки.

В ходе экспериментов получили заготовки дли-ной 1000 мм, диаметром 100 мм и плотностью об-разца 4,25… 5,00 г/см3 (54,5… 64 % плотности ли-того металла). Исследования влияния грануломет-рического состава стружки на качество спрессован-ной заготовки показали, что с уменьшением разме-ров стружки до 40… 50 мм не только увеличиваетсяплотность спрессованной заготовки, но и повыша-ется ее прочность. Полученные спрессованные за-готовки (рис. 2) использовали в качестве расходу-емых электродов при электрошлаковой выплавкеслитков в агрегате типа А550.

Переплав спрессованной заготовки из стружкиЭП609-Ш производили в глуходонном кристалли-

Рис. 1. Схема установки для компактирования: 1 – гидроци-линдр; 2 – пуансон; 3 – лоток для подачи стружки; 4 –матрица; 5 – токоподводы; 6 – скомпактированная заготовка;7 – шток

Рис. 2. Заготовка, скомпактированная из стружки жаропрочногосплава ЭП609-Ш

Рис. 3. Слиток, выплавленный из скомпактированной стружки

Рис. 4. Макроструктура слитка ЭШП сплава ЭП609-Ш

44

заторе с жидким стартом. В качестве шлака приме-няли смесь АНФ-6 с флюоритовым концентратом.В процессе переплава поддерживали следующий ре-жим: I = 1,5… 2,0 кА, U = 35… 36 В. В результатевыплавлены слитки диаметром 175 мм, высотой175… 250 мм и массой от 32 до 42 кг (рис. 3).

Металлографические исследования темплетов,вырезанных из слитка стали ЭП609-Ш в попереч-ном (рис. 4, а) и продольном (рис. 4, б) направле-ниях показали, что металл плотный и видимых де-фектов не имеет. Исследования механическихсвойств металла проведены в условиях НПО «За-ря-Машпроект», г. Николаев.

Для определения механических свойств выреза-ли образцы из верхней B и средней C частей слиткав поперечном направлении и подвергали их термо-обработке по следующему режиму: закалка(1030±10) °С; 60…80 мин, масло; отпуск (650±20) °С;выдержка 60… 100 мин, воздух. После термообра-ботки провели механические испытания образцовпри комнатной температуре и на длительную проч-ность (табл. 1). Исследования показали, что механи-ческие свойства слитка стали ЭП609-Ш, выплавлен-ного из электродов, спрессованных из 100 % стружки,удовлетворяют требованиям И 255.105.092—87 длясплава ЭП609-Ш. Химический состав выплавлен-ного металла определяли на ударных образцах(табл. 2). Как свидетельствуют данные табл. 2, рас-пределение элементов в поперечном и продольномнаправлениях слитка равномерное и соответствуеттребованиям И 255.105.092—87 для химическогосостава слитков ЭП609-Ш.

Таким образом, установлено, что новая техноло-гия позволяет эффективно утилизировать неком-пактные металлические отходы, способствует повы-шению рентабельности производства.

Кроме того, использование указанного способадает возможность компактировать стружку илишихту различных видов легковесного металлолома(листовая обрезь, проволока, порошки) из разно-образных металлов и сплавов (в том числе и ихсмесей) с целью получения электродов для пере-плавных процессов специальной металлургии [5].

Выводы

1. Показано, что способом компактирования под элек-трическим током можно получать компактные длин-номерные заготовки и использовать их в качествеэлектродов для процессов спецэлектрометаллургии.

2. Разработана технологическая схема получе-ния слитков стали ЭП609-Ш из стружки.

3. Установлено, что качество слитка, получен-ного способом электрошлакового переплава ском-пактированных заготовок из стружки стали ЭП609-Ш,соответствует требованиям И 255.105.092—87.

1. Абрамова К. Б., Самуилов С. Д. Метод брикетированияметаллической стружки // Рынок вторичных метал-лов. – 2005. – 2/28. – С. 50—54.

2. Степанов С. И. Исследование процесса горячего прессо-вания и свойств деталей из стальной стружки: Автореф.дис. … канд. техн. наук. – Киев, 1967. – 22 с.

3. Получение расходуемых электродов компактированием ти-тановой губки под током / М. Л. Жадкевич, В. А. Шапо-валов, В. С. Константинов и др. // Современ. электро-металлургия. – 2005. – № 3. – С. 64—67.

4. Дорофеев Ю. Г. Динамическое горячее прессование по-ристых материалов. – М.: Наука, 1968. – 120 с.

5. Пат. 7997 Україна, МПК С22 В 1/248. Спосіб компакту-вання металевої шихти / Б. Є. Патон, М. Л. Жадкевич,В. О. Шаповалов та інш. – Опубл. 10.08.2007; Бюл. № 12.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев

Поступила в редакцию 18.05.2009

Т а б л и ц а 1 . Механические свойства стали ЭП609-Ш при комнатной температуре

Образец слитка σв, МПа σ0,2, МПа δ5, % ψ, % KCV, Дж/см2

Dотп, мм НВДлительная прочность

Т, °С σ, МПа τ, ч

В 990 862 18 51 71,54… 61,74 3,4 321 400400

657657

100100

С 960 872 18 58 85,26… 96,04 3,3 341 400400

657657

100100

И 255.105.092—87,ЭП609-Ш

≥ 755 ≥ 676 У 6 У 34 У 44,1 3,3… 3,8 341… 255 400 657 У 100

Прим е ч а н и е . Направление вырезки всех образцов – поперечное; Dотп – диаметр отпечатка.

Т а б л и ц а 2 . Химический состав стали ЭП609-Ш

ОбразецМассовая доля элементов, %

C Si Mn P S Cr Mo Ni Nb V

B1 0,084 0,55 0,30 0,03 0,002 10,96 0,39 1,61 0,07 0,22B2 0,088 0,52 0,30 0,03 0,002 10,98 0,39 1,61 0,07 0,22C1 0,088 0,39 0,29 0,03 0,002 10,81 0,4 1,63 0,07 0,21C2 0,086 0,42 0,29 0,03 0,002 10,95 0,4 1,64 0,06 0,22

И 255.105.092—87,ЭП609-Ш

0,09… 0,05 ≥ 0,6 У 0,6 У 0,03 У 0,020 10,5… 12,0 0,35… 0,50 1,4… 1,8 0,05… 0,15 0,15… 0,25

45

11-я МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯКОНФЕРЕНЦИЯ в САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

14—17 апреля 2009 г. в Санкт-Петербурге состоялась11-я Международная научно-практическая конфе-ренция «Ресурсосберегающие технологии ремонта,восстановления и упрочнения деталей машин, ме-ханизмов, оборудования, инструментов и техноло-гической оснастки от нано- до макроуровня», орга-низаторами которой были научно-производствен-ная фирма «Плазмацентр» и Санкт-Петербургскийгосударственный политехнический университет.Эта традиционная ежегодная конференция прово-дится с 1997 г. и является самой крупной в Россиии странах СНГ по данной тематике. Она посвященапромышленным технологиям, способным в моментэкономического кризиса обеспечить максимальноесокращение издержек и повысить эффективностьпроизводства.

В работе конференции приняли участие около450 человек, представляющих различные предпри-ятия и организации России, Белоруссии, Украины,Казахстана, Азербайджана, Молдавии, Армении,Узбекистана, Литвы, Польши, Кореи. Генеральныминформационным спонсором конференции сталоООО «Издательство Машиностроение». Информа-ционную поддержку оказывали более 50 периоди-ческих научно-технических журналов.

Работа конференции велась по четырем следу-ющим направлениям:

технологии восстановления первоначальной (за-данной) геометрии поверхности с использованиемсварки, наплавки, напыления и других процессов(41 доклад);

инженерия поверхности, конструкционные и эк-сплуатационные методы повышения надежности идолговечности, триботехника, обработка поверх-ности изделий (29 докладов);

технологии упрочнения, модификация и восста-новление физико-механических свойств поверхности,нанесение тонкопленочных покрытий (62 доклада);

технологии диагностики, дефектации, мойки иочистки (25 докладов).

Во вступительном слове генеральный директорНПФ «Плазмацентр» П. А. Тополянский отметил,что в России и странах СНГ проводимая в Санкт-Петербурге конференция является наиболее значи-мой и крупномасштабной. На ней присутствуют нетолько специалисты, ученые и преподаватели вузов– разработчики технологий ремонта, восстановле-ния и упрочнения, но и представители промышлен-ности – непосредственные потребители данных

технологий, приезжающие из разных уголковРоссии и стран СНГ. Здесь осуществляется прямоеобщение разработчика и непосредственного потре-бителя инновационных проектов. Именно диалогоми обменом опыта славятся эти конференции, основ-ная цель которых – популяризация технологий,получение новых, способных создавать надежнуюи конкурентоспособную продукцию, пропаганда но-вых знаний, способствующих повышению качества,надежности и долговечности выпускаемых и экс-плуатируемых технических изделий. Особенностьюпроводимых конференций является их практичес-кая направленность, возможность нахождения ис-полнителей для внедрения процессов ремонта, вос-становления и упрочнения, демонстрация и прове-дение вместе с участниками нанесения износостойкихпокрытий на изделия, привезенные с собой. Данная кон-ференция имеет большое воспитательное значение,поскольку на ней присутствуют аспиранты и студен-ты, выбравшие в качестве своей будущей трудовой дея-тельности инженерное творчество.

На конференции заслушано около 50 пленарныхдокладов. Каждая организация, представившаядоклад, отмечена почетным дипломом.

Следует отметить возросший объем исследова-ний и новых эффективных разработок, выполнен-ных в различных вузах и имеющих практическуюнаправленность. Комплексный подход к решениюпроблем может быть проиллюстрирован, например,разработкой Санкт-Петербургского аграрного уни-верситета совместно с Брянской сельскохозяйствен-ной академией технологии дуговой наплавки дета-лей почвообрабатывающих машин с учетом взаимо-действия почвы с наплавленной поверхностью.Наплавка не сплошным слоем, а отдельными поло-сами по определенной схеме дает возможность по-

46

высить качество обработки почвы, снизить износдеталей, а также уменьшить расход наплавляемыхматериалов. Технология может быть использованане только производителями сельхозтехники, но ималыми предприятиями технического сервиса.

Значительное внимание разработчики техноло-гий ремонта и упрочнения уделяют механизации иавтоматизации как собственно технологическихпроцессов, так и информационным системам авто-матизированного выбора материалов для нанесенияпокрытий (например, разработка Военно-техничес-кого университета, г. Балашиха).

Нельзя не отметить активное участие в конфе-ренции представителей отдаленных регионов: Якут-ска, Магадана, Хабаровска, Читы, Новосибирска идр., представивших интересные разработки на ак-туальные темы.

На конференции наибольшее количество докла-дов (62) было посвящено новым ресурсосберегаю-щим технологиям упрочнения поверхности и нане-сения тонкопленочных покрытий. Технологии от-личаются большим разнообразием и эффектив-ностью. Интересные разработки представили спе-циалисты Белоруссии, Иркутска, Москвы и Санкт-Петербурга. На конференции отмечена актуаль-ность создания безвакуумных технологий получе-ния упрочняющих нанопокрытий.

Традиционно для участников конференции ор-ганизовано посещение промышленных участков повосстановлению и нанесению функциональных по-крытий с использованием технологий газотермичес-кого напыления, наплавки и упрочнения. Участни-кам продемонстрировали в работе новый процессфинишного плазменного упрочнения с нанесениемалмазоподобного покрытия, способный за несколькоминут обработки изделий многократно повысить ихстойкость, технологию плазменной наплавки-напыле-ния (PTA-процесс). Во время работы конференциипроизводилось упрочнение привезенного участникамиинструмента и технологической оснастки.

На выставочных площадях участникам конфе-ренции демонстрировали новое поколение оборудо-вания, разработанное специалистами НПФ «Плаз-мацентр», ООО «Мессер Эвтектик Кастолин»,ООО «ОЦПН», ООО «Энергия 3000».

В рамках конференции для представителей про-мышленности одновременно прошли школы-семи-нары: «Все методы повышения стойкости инстру-мента, штампов холодного деформирования, пресс-форм и другой технологической оснастки»; «На-плавка и напыление – выбор технологии, обору-дования и материалов»; «Ремонт, восстановление,упрочнение и контроль качества литейной оснастки,кузнечно-прессового инструмента и штампов»;«Конструирование деталей и узлов трения с повы-шенной долговечностью и износостойкостью».

В процессах обсуждения участники конфе-ренции отметили политические аспекты и сложнос-ти внедрения передовых современных технологийремонта, восстановления и упрочнения. Активновысказывались мнения о целесообразности органи-зации региональных центров реновации техничес-ких средств, активизации работ по применению но-вых наукоемких технологий для ремонта и особеннодля упрочнения ответственных деталей и инстру-мента. Участники конференции отметили широкоеприменение плазменных, лазерных, ультразвуко-вых и других высокоэффективных электрофизичес-ких процессов для продления ресурса работы дета-лей, инструмента и технологической оснастки. На-нотехнологии выходят из исследовательских лабо-раторий и все шире применяются для упрочненияразличных изделий. Активно проводятся совместныеработы ученых и практиков различных стран СНГ.Международные конференции подобного форматаспособствуют развитию практически всех секторовэкономики как России, так и других стран.

Ежегодно проводимая в Санкт-Петербурге кон-ференция, посвященная технологиям ремонта, вос-становления и упрочнения, является важным зве-ном для интеграции науки и производства. К от-крытию конференции издали сборник докладов вдвух томах общим объемом примерно 1000 страниц.Распространялась также «Энциклопедия технологийремонта, восстановления и упрочнения» – компакт-диск всех материалов предшествующих конференций(около 6000 с.) с компьютерной программой поискапо ключевым словам информации для решения науч-но-практических задач.

Н. Л. Иванова

4-я МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯПО ЛАЗЕРНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

26—29 мая 2009 г. в Крыму на базе Дома творчестваученых «Кацивели» состоялась 4-я Международнаяконференция «Лазерные технологии в сварке и об-работке материалов, LTWMP-2009», организован-ная ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ, НИИ лазернойтехники и технологии НТТУ «КПИ» и Международ-ной ассоциацией «Сварка». Сопредседателями ее

Программного комитета являлись академик Б. Е. Па-тон и проф. В. С. Коваленко.

Начиная с 2003 г. конференции по отмеченнойтематике проводятся регулярно и собирают экспер-тов по этой прогрессивной технологии со всего мира.Официальный рабочий язык конференции – анг-лийский. В этом году несмотря на все сомнения ор-

47

ганизаторов относительно целесообразности прове-дения конференции в условиях жесткого глобаль-ного кризиса профессионалы лазерной технологиииз семи стран мира (на предшествующих конферен-циях количество стран-участниц обычно превышало20) успешно преодолели все проблемы своего учас-тия в конференции.

После приветствия пленарную часть конфе-ренции открыл проф. В. С. Коваленко докладом«Современные тенденции развития высоких техно-логий в машиностроении». Речь в нем шла о новойпарадигме развития машиностроения (CompetitiveSustainable Manufacturing – конкуренто-способноепроизводство) и необходимости внедрения в произ-водство инноваций, которые базируются на про-грессивных технологиях и включают автоматиза-цию процессов сборки и разборки в промышленнос-ти, разработки высокоэффективных лазеров – ди-одных, оптоволоконных и др.

Фундаментальный доклад сделал проф. Г. А.Туричин с коллегами из Санкт-Петербургского тех-нического университета – «Лазерная гибриднаясварка трубной стали – моделирование и техноло-гия». Теоретическому анализу гибридных процес-сов также посвящен доклад проф. И. В. Кривцунас коллегами из ИЭС им. Е. О. Патона «Взаимо-действие плотной газоразрядной плазмы с металли-ческой поверхностью, испаряющейся во время плаз-менной и лазерно-плазменной сварки». Др. А. Гу-менюк из Федерального института исследованияматериалов (г. Берлин, Германия) доложил резуль-таты исследований лазерной гибридной сварки тол-стостенных конструкций с использованием воло-конного лазера. Китайские коллеги представилидва доклада из лазерного центра Дзензянского уни-верситета технологий (г. Ханчжоу). В одном из нихрезультаты общих исследований с коллегами изНИИ лазерной технологии НТУУ «КПИ» предс-тавлены проф. Джинхуа Яо – «Изучение остаточ-ных напряжений и механических свойств турбин-ных лопаток из нержавеющей стали, модифициро-ванных лазерным излучением». Проф. А. Н. Грезевиз Института лазерных и информационных техно-логий РАН (Шатура) выступил с докладом «Ла-зерное оборудование и методы лазерной резки,сварки и поверхностной обработки», которые в пос-леднее время разработаны в этом институте для раз-личных предприятий.

В ряде докладов рассмотрена возможность уп-равления локальными термическими деформация-ми с помощью лазерного излучения для того, чтобыизменить форму и жесткость деталей из листовыхматериалов – М. Грден и проф. Ф. Волерстен (Ин-ститут лучевой техники, Бремен, Германия), а мо-лодой исследователь из НИИ лазерной техники и

технологии НТУУ «КПИ» А. Кагляк с коллегамипредставил доклад «Формирование изделий из ме-таллических листовых материалов с помощью ла-зера». Возможности применения лазерного излуче-ния для перфорации и сверления нефтяных и газо-вых буровых скважин обсуждали специалисты изУкраинского государственного геологического ис-следовательского института (Киев). Литовский кол-лега проф. С. Сипявичус (Институт физики АН Лит-вы, Вильнюс) предложил использовать лазерное из-лучение для изготовления наночастиц металлов.

В нескольких докладах из КПИ рассмотренывозможности изготовления стендов для кардиохи-рургических операций (Р. Жук, Н. Анякин и др.).Один из них представлен студенткой И. Вахдати-ния (Иран), которая подготовила магистерскую ра-боту. Среди других тем, вызвавших общий инте-рес, – доклад проф. Л. Ф. Головко из КПИ (из-готовление алмазного режущего инструмента с по-мощью технологии лазерного выращивания изде-лий) и др.

Во время пленарных и стендовых сессий рас-смотрено свыше 50 докладов. По завершению кон-ференции организован круглый стол, где обсужда-лись актуальные проблемы развития лазерных тех-нологий. Серьезная дискуссия посвящена особен-ностям физических явлений, наблюдаемых при вза-имодействии лазерного излучения и плазмы в ходереализации гибридной «лазер + плазма» обработки.

Во время дискуссии по применению в исследо-ваниях различных методов моделирования подчер-кнуто, что разработка физических и математичес-ких моделей процессов целесообразна в тех случа-ях, когда результаты моделирования имеют хоро-шую корреляцию с практическими (эксперимен-тальными) результатами.

К открытию конференции издали сборник тезисови программу конференции. К концу ноября 2009 г.будут изданы труды конференции на английском язы-ке (труды предыдущих конференций LTWMP-03,LTWMP-05, LTWMP-07 можно заказать в редакциижурнала «Автоматическая сварка»).

Доброжелательная, гостеприимная, творческаяобстановка на конференции способствовала разви-тию полезных дискуссий, установлению деловыхконтактов. Участники конференции из разныхстран, учитывая ее безусловный успех, выразилиединодушное одобрение предложению провестиследующую, 5-ю Международную конференцию полазерным технологиям в сварке и обработке мате-риалов (LTWMP-11) в мае 2011 г. – Кацивели,Крым, Украина.

В. С. Коваленко,А. Т. Зельниченко

48

ДЕНЬ НАУКИ В ИЭС им. Е. О. ПАТОНА

В третью субботу мая в Украине отмечается про-фессиональный праздник работников науки –День науки. Целью его является широкое инфор-мирование общественности о практических разра-ботках отечественных научных работников, улуч-шении контактов между научными учреждениямии представителями деловых кругов.

В ИЭС им. Е. О. Патона стало доброй традициейв День науки приглашать студентов-первокурсни-ков на экскурсию по музейному комплексу инсти-тута и ряду отделов. Посещая отделы, молодежьузнает о новых направлениях исследований, разра-батываемом оборудовании и непосредственно можетпообщаться с сотрудниками института.

Обычно инициаторами каждой из таких экскур-сий являются члены Совета научной молодежи ин-ститута (СНМИ). При этом каждый раз устроителистараются учитывать пожелания экскурсантов. Вэтом году их ожидал приятный сюрприз: старостапервого курса сварочного факультета НТУУ«КПИ» Юра Кравченко работает в институте, в от-деле специализированной высоковольтной техникии лазерной сварки (отд. 77). Он-то и помог студентамсориентироваться в выборе мест для посещения, ор-ганизовал группу и приехал с ней. В институте ихвстретили председатель СНМИ канд. техн. наукС. Г. Войнарович и один из членов совета – В. Си-нюк. Студенты посетили музейный комплекс ИЭСим. Е. О. Патона, где и ознакомились со славнойисторией института и его основателем академиком Ев-гением Оскаровичем Патоном.

В отделе физико-механических исследованийсвариваемости конструкционных сталей (отд. 18)молодых людей особенно заинтересовала техноло-гия подводной сварки. Они «вживую» увидели во-долазные костюмы, бассейн, в котором проводятсяэксперименты, переговорное устройство для связис водолазом и непосредственно процесс сварки.

Кроме того, студенты познакомились с техноло-гией и оборудованием для детонационного напыле-ния. После этого их повели в «родной» отдел ста-росты. Там сотрудник этого отдела, зам. председа-теля СНМИ канд. техн. наук В. Ю. Хаскин озна-комил их с конструкцией твердотельных и газовыхлазерных установок, продемонстрировал техноло-гическую оснастку для проведения процессов ла-зерных сварки, резки и наплавки, а также гибрид-ной лазерно-дуговой сварки. Затем студенты посе-тили лабораторию лазерной резки отдела № 77, гдеим продемонстрировали оборудование для преци-зионной резки.

Завершая экскурсию, С. Г. Войнарович пожелалбудущим выпускникам НТУУ «КПИ» найти такоепрофессиональное призвание, которое сможет нетолько материально обеспечить, но и придется им подуше. Ведь одной из составляющих жизненного ус-пеха является влюбленность человека в свою работу.

С. Г. Войнарович, В. Ю. Хаскин

Посещение музейного комплекса ИЭС им. Е. О. Патона

Демонстрация оборудования для подводной сварки

Ознакомление с технологическим CO2 лазером

49

К 25-ЛЕТИЮ СВАРКИ В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ

25 июля 2009 г. исполнилось 25 лет со дня прове-дения в открытом космосе летчиками-космонавтамиСССР Светланой Евгеньевной Савицкой иВладимиром Александровичем Джанибековымпервых в мире экспериментов по сварке, резке,пайке и нанесению покрытий. Это поистинеуникальное событие навсегда войдет в историюразвития космической науки и техники.

С 14 по 16 июля 2009 г. в Киеве прошли тор-жественные мероприятия, посвященные этой дате.

14 июля 2009 г. в Большом конференц-зале Ака-демии наук Украины состоялось торжественное соб-рание, в котором приняли участие дважды ГероиСоветского Союза летчики-космонавты СССР Свет-лана Евгеньевна Савицкая и Владимир Александ-рович Джанибеков, а также бывший руководительотдела РКК «Энергия», ныне Генеральный дирек-тор межотраслевого научно-технического центра«Полезные нагрузки космических объектов»,внесший большой вклад в осуществление данногоэксперимента, Владимир Петрович Никитский. Вработе торжественного собрания участвовали сот-рудники научных учреждений Академии наук,ракетно-космической отрасли и высших учебных за-ведений, готовящих специалистов для ракетно-космической промышленности. В работе торжест-венного собрания приняли также участиеПрезидент Украины (1994 — 2005 гг.) Л. Д. Кучма,Первый космонавт независимой Украины, ГеройУкраины Л. К. Каденюк, министр экономикиУкраины Б. М. Данилишин, Генеральный конст-руктор – Генеральный директор КБ «Южное»С. Н. Конюхов и др. (рис.1)

Открыл торжественное собрание президентНациональной академии наук Украины академикБорис Евгеньевич Патон. Он приветствовал нахо-дящихся в зале «виновников» этого уникальногоэксперимента С. Е. Савицкую, В. А. Джанибекова

и В. П. Никитского, а также всех участников тор-жественного собрания.

С докладом, посвященным 25-летию сварки воткрытом космосе, выступил академик Б. Е. Патон.

Он, в частности, отметил, что успешное выпол-нение уникальных экспериментов по сварке, резке,пайке и нанесению покрытий в условиях космичес-кого пространства показало возможность эф-фективной деятельности космонавтов при выпол-нении сложных работ на борту пилотируемогоорбитального комплекса в открытом космосе. Прог-раммы освоения космического пространства, осу-ществляемые в настоящее время и планируемые набудущее, предусматривают создание крупнога-баритных космических объектов в космосе и наЛуне. Естественно, что эксплуатация таких соору-жений в течение длительного времени потребуетпроведения систематического профилактическогообслуживания, а также ремонтно-восстановитель-ных и монтажных работ как внутри герметичныхотсеков, так и снаружи.

Одним из наиболее перспективных техно-логических процессов для этих целей является сварка.Космонавтам придется работать на разных участкахкосмического аппарата и иметь дело с различнымиконструкционными материалами. Для этих целей вИнституте электросварки им. Е. О. Патона и был создануниверсальный электронно-лучевой ручной инстру-мент (УРИ). Проведенный эксперимент свидетельст-вует о высоком совершенстве сварочной аппаратуры,созданной в результате многолетней напряженнойработы большого коллектива ученых и инженеровИнститута электросварки им. Е. О. Патона в тесномсотрудничестве с Центром подготовки космонавтов им.Ю. А. Гагарина. Космонавты С. Е. Савицкая и В. А. Джа-нибеков проявили подлинный героизм, взяв на себяроль первопроходцев в этих основополагающихкосмических экспериментах. Они буквально сломалилед недоверия у скептиков, сомневающихся в самойвозможности использования в космосе сварочных тех-нологий. Их подвиг навсегда вошел в историюразвития сварочной науки и техники.

Эксперимент показал, что компактные универ-сальные инструменты типа УРИ позволят космо-навтам выполнять работы, связанные с ремонтомили монтажом на внешней поверхности космичес-кого объекта с обеспечением необходимого качествасварных соединений. Космические корабли истанции, а также инфраструктура экспедиционныхпоселений на поверхности Луны, рассчитанные надлительную эксплуатацию в условиях космоса, дол-жны быть оснащены комплектами сварочной аппа-ратуры, позволяющими выполнять монтажные иремонтные работы при строительстве и эксплуа-тации объектов, а экипажи кораблей и экспедиций

Рис. 1. Президиум торжественного собрания.

50

должны быть обучены основам сварочных техно-логий и иметь практические навыки выполненияуказанных работ.

Б. Е. Патон отметил, что сварке и родственнымтехнологиям предстоит в дальнейшем сыгратьзначительную роль в освоении космоса. Электрон-но-лучевые технологии, опробованные в открытомкосмосе, могут найти применение как в различныхфизических экспериментах, так и в производствеуникальных полупроводниковых материалов. Этопозволит перейти от опытов с электронным лучомна орбитальных станциях к созданию реальныхсварных объектов, например при строительствелунных поселений и осуществлению различныхпроизводств на Луне еще в первой половине ХХІ в.

Затем выступили летчики-космонавты СССРС. Е. Савицкая и В. А. Джанибеков, а также В. П. Ни-китский, которые поделились своими вос-поминаниями об этом уникальном событии – подго-товке и проведении эксперимента в открытом космосе.

Министр экономики Украины Б. М. Данилишинзачитал приветствие от Премьер-министра УкраиныЮ. В. Тимошенко торжественному собранию.

От Совета по космическим исследованиям НАНУкраины выступил заместитель председателя, дирек-тор Главной астрономической обсерватории НАНУ,академик НАНУ Я. С. Яцкив, который отметил боль-шое значение этого выдающегося события.

В связи с празднованием 25-летия сварки воткрытом космосе Президиум Академии наукУкраины наградил медалями НАНУ за «Научныедостижения» С. Е. Савицкую, В. А. Джанибековаи В. П. Никитского, которые им вручил академикБ. Е. Патон.

В Институте электросварки им. Е. О. Патонагостей принял директор института академик БорисЕвгеньевич Патон. В ходе беседы обсуждалисьновые разработки Института в области сварки иродственных технологий, а также достижения посварке в области медицины. Со специалистами

института рассмотрены вопросы ремонтно-восста-новительных и монтажных работ в открытом космосе.

Космонавты С. Е. Савицкая и В. А. Джанибеков,а также В. П. Никитский посетили Киевскийполитехнический институт. Здесь состоялась беседас первым проректором, академиком НАН УкраиныЮ. И. Якименко, проректором, чл.-кор. НАН Укра-ины С. И. Сидоренко и др. (рис. 2). В беседе принялиучастие академики НАНУ Л. М. Лобанов и Я. С. Яцкив.Гостям рассказали об истории КПИ и нынешней де-ятельности института.

После беседы гости посетили аудиторию, в кото-рой учился создатель практической космонавтики,выдающийся конструктор советских космическихсистем Сергей Павлович Королев и ознакомились сэкспонатами. С. Е. Савицкая, В. В. Джанибеков иВ. П. Никитский возложили цветы к памятникамиС. П. Королева, Е. О. Патона и И. И. Сикорского,а также посетили аэрокосмический музей КПИ.

Е. А. Аснис,В. Ф. Шулым,Н. В. Пискун,

И. И. Статкевич

Рис. 2. После беседы с сотрудниками КПИ.

51

МЕЖДУНАРОДНАЯ КОМПАНИЯ «АНТАРЕС»

Международная компания «Антарес» основана в 1994 г.в Киеве (Украина).

Последние 10 лет деятельность компании неразрывносвязана с развитием высоких технологий в области элект-ронно-лучевой металлургии. Они включают проектированиеи изготовление специализированного оборудования, созда-ние экологически чистых энергосберегающих технологий.

Нашей компанией разработаны и применяются новей-шие технологии электронно-лучевого переплава в ваку-уме титана, циркония, жаропрочных и специальных спла-вов на их основе. Компания достигла определенных ре-зультатов благодаря слаженной и творческой работе вы-сококвалифицированных инженеров и специалистов. Ихзнания и большой опыт работы являются основой длярешения сложнейших задач по созданию оборудованияи эксплуатации его в процессе производства.

На основе научного потенциала и возможностей ком-пании мы можем предложить потребителям следующее:

разработку и изготовление «под ключ» вакуумныхэлектронно-лучевых печей для переплава различных ме-таллов и сплавов, установок для электронно-лучевойсварки, напыления и других процессов в вакууме;

производство слитков из титана, циркония, жаро-прочных металлов и специальных сплавов – круглыхдиаметром от 370 до 1100 мм и длиной до 4 м; плоских

(слябов) шириной от 1100 до 1350 мм, толщиной180… 425 мм и длиной до 4 м;

широкий спектр услуг по определению химическогосостава металлов и сплавов, наличия в них углерода исеры, а также содержания газов (азота, кислорода, во-дорода) с использованием приборов и установок ведущихмировых фирм.

Техническая характеристика производства

Основу производства компании составляют две вакуум-ные электронно-лучевые печи ВТ01 установленной мощ-ностью по 2,5 МВт и производительностью 2,5 тыс. ттитана в год каждая. В настоящее время заканчиваетсяизготовление и монтаж печи нового поколения ВТ02 сустановленной мощностью 3,2 МВт и с использованиемвысоковольтных инверторных источников питания годо-вой производительностью до 3 тыс. т. Конструкция печипозволит получать круглые слитки и слябы титана и егосплавов массой до 14 т, длиной до 5,5 м.

Технология переплава в указанных электронно-луче-вых печах позволяет следующее:

реализовать холодноподовый плавильный процесс смаксимальным эффектом рафинирования;

осуществлять экономичный процесс плавки привстречной горизонтальной подаче с одновременным плав-лением расходуемых заготовок;

переплавлять некомпактную (губчатый титан, лом),брикетированную или прутковую шихту при минималь-ных затратах на ее предварительную подготовку;

обеспечить высокую производительность процессаплавления химически активных и тугоплавких металловза счет применения электронно-лучевых пушек высоко-вольтного тлеющего разряда, стабильно работающих призначениях давления 1,33… 0,133 Па;

осуществлять получение одновременно двух и болееслитков;

управлять процессом кристаллизации для обеспече-ния заданной структуры слитков.

Разработанные компанией электронно-лучевые печипо ряду показателей превосходят зарубежные аналоги.Их конструктивные особенности и применяемая техноло-гия обеспечивают получение высококачественного титанапри низкой себестоимости. Этому также способствуетприменение ресурсосберегающих технологий (минималь-ное количество отходов, применение губчатого титананизких сортов без подготовительных операций). Исполь-зование новых научных и технических решений при соз-дании электронно-лучевых печей и технологий позволяетснизить стоимость титана по сравнению с вакуумно-ду-говым способом его получения.

52

К 80-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ И 55-ЛЕТИЮНАУЧНОЙ И ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

МИХАИЛА ИВАНОВИЧА ГАСИКА

30 июня 2009 г. исполнилось 80 лет со дня рожденияМихаила Ивановича Гасика, академика НАН Ук-раины, заместителя председателя Приднепровскогонаучного центра НАН Украины, иностранного чле-на Российской академии наук, почетного члена На-циональной академии наук Республики Казахстан,иностранного члена АН Грузии, заслуженного дея-теля науки и техники Украины, доктора техничес-ких наук, профессора, заведующего кафедрой элек-трометаллургии Национальной металлургическойакадемии Украины (НМетАУ).

М. И. Гасик закончил Днепропетровский метал-лургический институт (ныне НМетАУ) в 1954 г. Стех пор вся его научная и педагогическая деятель-ность неразрывно связана с этим высшим учебнымзаведением.

Этапы его научной и педагогической деятельноститакие же, как и у большинства выпускников вузов,посвятивших себя научным исследованиям и подго-товке инженерных и научных кадров высшей квали-фикации. Он последовательно проходил путь работыв качестве младшего научного сотрудника, учебы васпирантуре, защиты кандидатской и докторскойдиссертаций, должностей доцента и профессора.

В 1973 г. М. И. Гасик возглавил кафедру элек-трометаллургии ДМетИ, сменив на этом посту сво-его учителя, видного ученого-электрометаллурга,доктора технических наук, заслуженного деятелянауки и техники Украины профессора СпиридонаИосифовича Хитрика. При активном и непосредс-твенном участии М. И. Гасика в 1976 г. в ДМетИорганизован электрометаллургический факультет,деканом которого он был на протяжении 12 лет.

Начало научной деятельности Михаила Ивано-вича связано с проведением исследований на кафед-ре электрометаллургии и запорожских заводах«Днепроспецсталь», Ферросплавном, Алюминие-вом и Абразивном комбинатах, а также других пред-приятиях региона. В 1957—1960 гг. им разработанытеоретические основы и технологические режимыпринципиально нового процесса производства осо-бо низкоуглеродистого и низкоазотистого ферро-хрома вакуумтермическим способом и на его основевыплавка в дуговых печах особо низкоуглеродис-тых коррозионно-стойких хромоникелевых сталейс бором специального назначения.

Многоплановые теоретические и эксперимен-тальные исследования и опытно-промышленное ос-воение вакуумтермического феррохрома, корро-зионно-стойких сталей для трубной промышленнос-

ти обобщены в кандидатс-кой (1961 г.) и докторской(1969 г.) диссертациях.

М. И. Гасиком самостоя-тельно и в соавторстве вы-полнен ряд эффективныхразработок, по своему значе-нию имевших общеотрасле-вое значение. Результаты ра-бот обобщены в монографиях«Электроды рудовосстано-вительных печей» (1976,1988 гг.), «Электротермия не-органических материалов» (1990 г.), которые в ком-плексе с другими разработками коллектива соавторовотмечены Премией Совета Министров СССР.

При активном участии М. И. Гасика на Днеп-ровском алюминиевом заводе (г. Запорожье) в на-чале 1960-х гг. разработана и освоена эффективнаясквозная технология промышленного производстваэлектротермического силумина в дуговых печах наоснове вовлечения в выплавку первичного кремни-ево-алюминиевого сплава дистенсилиманитовогоконцентрата Верхнеднепровского горно-металлур-гического комбината, за которую ему в соавторствес группой ученых и работников цветной метал-лургии в 1977 г. присуждена Государственная пре-мия УССР.

М. И. Гасик руководил научными разработкамипо совершенствованию технологии производствавысокомарганцевой стали Гадфильда для отливоккрестовин и сердечников стрелочных переводов ма-гистрального железнодорожного транспорта, ре-зультаты которых обобщены в монографии «Метал-лургия высокомарганцевой стали» (1990 г). Под егонаучным руководством выполнены прецизионныеисследования качества ферросплавов, изложенныев коллективной монографии «Структура и качествопромышленных ферросплавов и лигатур» (1975 г.).

В 1988 г. за разработку инновационных техноло-гий производства марганцевых ферросплавов в усло-виях Никопольского горноэлектрометаллургическогокомплекса в соавторстве с Героем социалистическоготруда директором НЗФ Б. Ф. Величко М. И. Гасикуи другим ученым-соисполнителям присуждена Госу-дарственная премия Украины.

В течение многих лет под научным руководствомМ. И. Гасика кафедрой электрометаллургии в сод-ружестве со специалистами Нижнеднепровскоготрубопрокатного завода проводились работы по со-вершенствованию технологии выплавки и внепеч-ной обработки колесной стали для подвижного сос-

НАШ И ПОЗДРАВЛЕНИЯ !

53

тава ИПС, результаты которых получили широкоевнедрение в производство, а авторский коллективво главе с М. И. Гасиком в 2004 г. удостоен Госу-дарственной премии Украины.

В настоящее время М. И. Гасик является научнымруководителем работ по выполнению контракта с ин-дийской фирмой «Jindal Stainlees», заключенногоОАО ВТФ «Термоэкспорт», ОАО «Сибэлектротерм»,НМетАУ и НПФ «Техносплавы», о сооружении круп-ного промышленного цеха и научном сопровождениитехнологии выплавки марганцевых ферросплавов.

В 1982 г. М. И. Гасик избран членом-корреспон-дентом, а в 1990 г. – академиком Национальнойакадемии наук Украины. В 1983 г. вышло первоеиздание учебника «Электрометаллургия ферроспла-вов» в соавторстве с доктором технических наук,профессором Б. И. Емлиным. В 1988 г. с грифомМинвуза СССР издан учебник «Теория и технологияпроизводства ферросплавов». Учебник получил высо-кую оценку коллективов вузов. Научно-техническаяобщественность высоко оценила изданную в Москве иСША Н. П. Лякишевым и М. И. Гасиком монографию«Металлургия хрома» («Metallurgy of chromium»),отмеченную премией им. Ярослава Мудрого Ака-демии наук высшей школы Украины.

М. И. Гасик является членом редколлегии и со-автором фундаментального двухтомного издания«Энциклопедического металлургического словаря».

В 1997 г. за фундаментальную научную моно-графию «Марганец» М. И. Гасик удостоен премииим. Е. О. Патона. Высокую оценку получила мо-нография «Электрометаллургия ферросилиция»,изданная в 2005 г. и отмеченная премией НАН Ук-раины им. 3. И. Некрасова.

В 2005 г. М. И. Гасик и Н. П. Лякишев переиз-дали учебник «Физико-химия и технология элект-роферросплавов» с грифом Министерства образо-вания и науки Российской Федерации и Украины.В 2004 г. вышел учебник «Проектирование и обо-рудование электросталеплавильных и ферросплав-ных цехов». Авторский коллектив учебника в сос-таве докторов технических наук, профессоровВ. А. Гладких, М. И. Гасика. А. Н. Овчарука иЮ. С. Пройдака удостоен премии АН Высшей шко-лы Украины им. Ярослава Мудрого. Библиотекивузов пополнились также содержательным учебни-ком «Ферросплавные эпектропечи» этого же кол-лектива авторов.

Самостоятельно и в соавторстве М. И. Гасикомопубликовано более 600 научных работ, в т. ч. 21 мо-нография, 8 учебников, 11 учебных пособий, защищеноболее 250 авторских свидетельств, а также десятки па-тентов Украины, России США и других государств.

М. И. Гасик являлся членом экспертного советапо металлургии ВАК СССР, членом секции метал-лургии Госкомитета по Ленинским и Государствен-ным премиям, председателем научно-методическойкомиссии по направлению «Металлургия» МинвузаСССР, членом проблемной комиссии «Черная ме-таллургия СССР» при Президиуме АН СССР иГКНТ СССР, в 1999 г. – членом секции Комитетапо Государственным премиям Украины в областинауки и техники. В 1992 г. М. И. Гасик назначензаместителем председателя научно-методическойкомиссии по направлению «Металлургия» Министер-ства образования и науки Украины.

Учитывая большой вклад академика НАН Укра-ины М. И. Гасика в выполнение научных разработоксовместно с научными коллективами стран СНГ, атакже его активное участие в подготовке кадров выс-шей научной квалификации, он избран иностраннымчленом РАН, почетным членом НАН Республики Ка-захстан и иностранным членом АН Грузии. За боль-шой вклад в развитие теории и технологии металлур-гического производства, совершенствование учебногопроцесса, подготовку студентов и специалистов выс-шей квалификации М. И. Гасик в 1999 г. награжденгосударственным орденом Украины «За заслуги IIIстепени». В 1999 г. ему присвоено звание «Заслужен-ный деятель науки и техники Украины».

М. И. Гасик активно участвует в работе научно-технического совета по производству ферросплавовмеждународного Союза металлургов. Он – членредколлегий ряда журналов («Сталь», «Современ-ная электрометаллургия», «Электрометаллургия»«Металлургическая и горнорудная промышлен-ность», «Теория и практика металлургии»), а такжередактор ряда научных сборников.

М. И. Гасик является крупным ученым, внесшимвесомый вклад в развитие мировой науки в областиэлектрометаллургии стали, ферросплавов и электро-термических неорганических материалов, гене-ратором научных идей и организатором научно-педа-гогической деятельности школы электрометаллургов.Он пропагандирует научные знания путем проведе-ния постоянных научно-технических конференций,развивая и приумножая славные достижения извест-ной украинской школы электрометаллургов.

Научная общественность, друзья и товарищипо работе сердечно поздравляют Михаила Ивано-вича с юбилеем, желают ему доброго здоровья,творческого долголетия, счастья и семейного бла-гополучия.

Первый проректор Национальной металлургической

академии Украины, доктор технических наук,

профессор В. П. Иващенко

Коллектив Института электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, редкол-легия и редакция журнала «Современная электрометаллургия» от всей души поздрав-ляя Михаила Ивановича со славным юбилеем, желают ему крепкого здоровья, долго-летия и дальнейших творческих успехов!

54

А. К. ЦЫКУЛЕНКО – 70

2 июля 2009 г. исполнилось 70 лет со дня рожденияведущего научного сотрудника Института электро-сварки им. Е. О. Патона НАН Украины, докторатехнических наук Анатолия Константиновича Цы-куленко – известного ученого в области специаль-ной электрометаллургии. Редколлегия журналапоздравляет юбиляра, являющегося не только дав-ним его автором, но и бессменным рецензентом.

После окончания Киевского политехническогоинститута А. К. Цыкуленко пришел по распределе-нию в Институт электросварки в 1961 г. и поначалузанимался сваркой разнородных сталей. Уже наэтом этапе освоения профессии инженера-исследо-вателя А. К. Цыкуленко проявил присущие ему сме-лость в сочетании с методичностью, целеустремлен-ностью и изобретательностью на пути к решениюнаучно-технических задач различной природы истепени сложности.

С 1966 г. Анатолий Константинович связал своюработу с только зарождавшейся специальной элек-трометаллургией и прежде всего с различными тех-ническими и технологическими применениями элек-трошлакового процесса. С тех пор шаг за шагом онметодично двигался не только к углублению пони-мания сущности физических и химических явлений,сопровождающих протекание электрошлакового про-цесса, но и к созданию новых технологий на его базе.

Все эти годы А. К. Цыкуленко трудился не толь-ко в лабораториях родного института, но и на мно-гих металлургических и машиностроительных заво-дах страны: Краматорска, Мариуполя, Запорожья,Ижоры и др.

На всех этапах жизненного пути юбиляра кол-леги всегда отмечали его порядочность, уверенностьв своих силах в сочетании со скромностью и глубо-кими знаниями, иными словами, подлинную интел-лигентность.

Возможно, в силу именно такого сочетания лич-ностных качеств А. К. Цыкуленко, некоторые его

работы, выполненные 30 иболее лет назад, сегодняопять выходят на переднийкрай. К их числу относитсяи технология электрошла-ковой подпитки с кусковы-ми присадочными матери-алами, реализованная всвое время при литье тан-ковых башен и ставшаястержнем его докторскойдиссертации.

Семидесятилетие не всегда становится отправ-ным пунктом для нового этапа исследований, даль-нейшего поиска. Анатолий Константинович отно-сится как раз к числу приятных исключений.

В последние годы он занялся изысканиями но-вых способов подавления сегрегации в крупных куз-нечных слитках для энергетического машинострое-ния. В этой области, где он проработал практическина протяжении всей карьеры исследователя, импредложены в последнее время интереснейшие под-ходы сочетания классического электрошлаковогопереплава твердых расходуемых электродов с пря-мой подачей жидкого металла.

А. К. Цыкуленко – автор более 300 научныхтрудов, в том числе семи монографий и более 100изобретений. Он примерный семьянин, верный инадежный друг, настоящий патоновец, достойныйпредставитель школы своего учителя – академикаБ. И. Медовара.

От всего сердца желаем Анатолию Констан-тиновичу счастья, здоровья и радости решенияновых задач.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН УкраиныРедколлегия и редакция журнала

«Современная электрометаллургия»

55

К 70-летию Г. М. ГРИГОРЕНКО

В августе исполнилось 70лет Георгию МихайловичуГригоренко – известномуученому в области специ-альной электрометал-лургии и материаловеде-ния, академику НАН Ук-раины, доктору техничес-ких наук, профессору, ла-уреату Государственнойпремии Украины в областинауки и техники.

Родился Григорий Михайлович 24 августа 1939 г.в Киеве. Вся его трудовая и научная деятельностьсвязана с Институтом электросварки им. Е. О. Па-тона, куда он пришел молодым специалистом в 1961 г.после окончания Киевского политехнического ин-ститута. Выполненные им в Институте электросвар-ки работы свидетельствуют о высоком профессио-нализме ученого и организатора.

Глубокие и обстоятельные исследования ученогов области специальной электрометаллургии сниска-ли ему заслуженное признание и высокий научныйавторитет. Г. М. Григоренко известен широкомукругу научной общественности в Украине, ближнеми дальнем зарубежье как выдающийся специалиств области изучения взаимодействия газов с жидкимиметаллами в обычном колебательном состоянии и вслучае дугового и плазменного плавления. В част-ности, его исследования растворимости азота и во-дорода в чистых металлах и сплавах с особымисвойствами при высоких значениях температуры идавления внесли серьезный вклад в теорию метал-лургических процессов.

Г. М. Григоренко рассчитаны термодинамичес-кие константы равновесия систем металл—азот и ме-талл—водород. Установлены температурные зависи-мости растворения и параметры взаимодействияэтих газов с жидкими металлами. Определены осо-бенности поглощения азота из плазмы электричес-кой дуги и коэффициенты пропорциональности дляквазиравновесных условий поглощения азота раз-личными металлическими расплавами. Результатыисследований представлены в виде уравнений и ма-тематических моделей, позволяющих рассчитатьожидаемое содержание азота в расплавах и слитках.

Последние годы Г. М. Григоренко активно за-нимается исследованиями физико-химических

свойств флюсов и шлаков (вязкость, азотопроница-емость, растворимость), используемых при сваркеи специальной электрометаллургии, а также разра-боткой и внедрением дугошлакового переплава вазотсодержащей атмосфере для выплавки слитковвысокоазотистых сталей и сплавов. Эта технологияпрошла широкое промышленное опробование в Ук-раине и во Франции.

С 1984 г. Г. М. Григоренко заведует отделомфизико-химических методов исследования матери-алов. Под его руководством работает более 70 сот-рудников, из которых пять докторов и 17 кандида-тов наук. Отдел занимается исследованиями качес-тва сварных швов, газотермических покрытий, диф-фузионных соединений, слитков и полуфабрикатовиз металлов, полученных способами специальнойэлектрометаллургии, созданием композиционныхматериалов, нанесением газотермических покры-тий, участвует в работах по созданию направленийэлектрошлаковой, плазменно-дуговой и индукцион-ной плавки.

Георгий Михайлович большое внимание уделяетподготовке научных кадров. Под его руководствомподготовлено шесть докторов и девять кандидатовтехнических наук. Он уже более двадцати лет яв-ляется заместителем заведующего базовой кафед-рой «Физическая металлургия и материаловеде-ние» Московского физико-технического института.На этой кафедре в г. Киеве подготовлено более 100инженеров-физиков, из которых 15 защитили кан-дидатские, а два – докторские диссертации.

Г. М. Григоренко с 1993 г. является заместителемглавного редактора международного журнала «Сов-ременная электрометаллургия«. Он автор более 500научных работ, в числе которых пять монографийи более 100 авторских свидетельств и патентов.

Неиссякаемая энергия ученого, целеустремлен-ность помогают ему в поисках новых задач, стоящихперед материаловедами, металлургами и сварщиками.

Сердечно поздравляя юбиляра, желаем емукрепкого здоровья, творческих успехов в научнойи педагогической деятельности, большого челове-ческого счастья.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины

Редколлегия и редакция журнала

«Современная электрометаллургия»

56

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ РУКОПИСЕЙ ДЛЯ ЖУРНАЛА

«Современная электрометаллургия»

В журнале публикуются оригинальные (ранее не опубликованные в других изданиях)материалы.

Рукопись следует представлять в двух экземплярах. Объем обзорной или проблемнойстатьи не должен превышать 20 с. (включая табличный материал, список использован-ной литературы и перечень иллюстраций); оригинальной, связанной с решением научно-технической или производственной задачи – 10 с.; краткой информации – 4 с.машинописного (12-й кегль) текста, напечатанного через два интервала (1 с.машинописного текста соответствует 2 килобайтам). При этом количество иллюст-раций в основном не должно превышать 5—6. Статья должна быть подписана авторами.Список литературы, подрисуночные подписи печатают на отдельных страницах.Статья должна содержать ключевые слова (8—10 слов).

Публикацию статьи ускорит представление ее в электронном виде по E-mail или надискете/CD в формате Word для Windows или в стандартном ASCII файле. Иллюс-трации предоставляются в отдельных файлах в формате *.tiff (grayscale, 300 dpi) длярастровой графики или *.cdr (версии не выше 11.0, 600 dpi) для векторной.

Рукопись следует начинать с УДК в верхнем левом углу страницы, названия статьи,инициалов и фамилий авторов. Затем дают краткий (до 6—8 строк) реферат на русскомязыке и ключевые слова.

Иллюстрации представляют в двух экземплярах на отдельных листах. Они должныбыть четкими и максимально упрощенными (рабочие чертежи не принимаются). Наоборотной стороне рисунка указывают порядковый номер и фамилию первого автора.Отпечатки микро- и макроструктур не должны быть шире колонки (80 мм) на страницежурнала. Надписи чернилами и пастами на микроструктурах не допускаются.

Формулы в первом экземпляре следует размечать карандашом в соответствии собщими правилами: прописные и строчные буквы сходного изображения подчеркиваютдвумя черточками соответственно снизу или сверху, верхние и нижние индексы отме-чают полукольцами под или над индексами, греческие буквы обводят красным каранда-шом. Следует избегать различных символов над буквами. Порядковые номера формул,на которые имеются ссылки в тексте, ставятся справа от формулы в круглых скобках.

Таблицы размещают на отдельных страницах и нумеруют.Цитируемая в статье литература должна быть оформлена следующим образом:

для книг – фамилия, инициалы автора(ов), полное название книги, город, изда-тельство, год издания, общее количество страниц;

для журнальных статей – фамилия, инициалы автора(ов), название статьи, жур-нал, год издания, номер, том, номер выпуска, страницы, на которых помещена статья;

иностранные издания приводятся на языке оригинала.Все упомянутые в статье величины, обозначения элементов схем и чертежей должны

соответствовать стандартам.Размерности величин должны быть приведены в системе СИ.При пересылке материалов просим сообщать следующие данные: фамилия, имя и

отчество автора(ов), домашний и служебный адреса, телефоны, место работы, долж-ность, ученая степень.

57