СОДЕРЖАНИЕ95-летие Национальной академии наук Украины и ее президентаБориса Евгеньевича Патона .......................................................................................... 3Патон Б.Е. Исследования и разработки ИЭС им. Е.О. Патона для современнойэнергетики* ..................................................................................................................... 12

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Назарчук А.Т., Протоковилов И.В., Порохонько В.Б. Особенности созданияимпульсных магнитных полей для магнитоуправляемой электрошлаковойплавки ............................................................................................................................. 21

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Устинов А.И., Мельниченко Т.В., Шишкин А.Е. Деформационное поведениемногослойных вакуумных конденсатов Ti/Al при нагреве в условиях постояннодействующих нагрузок .................................................................................................. 27Ахонин С.В., Северин А.Ю., Березос В.А., Ерохин А.Г. Математическоемоделирование процессов испарения при выплавке слитков многокомпонентныхтитановых сплавов в электронно-лучевой установке с промежуточнойемкостью ......................................................................................................................... 34

ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Цветков Ю.В., Николаев А.В., Самохин А.В. Плазменные процессы вметаллургии и технологии неорганических материалов* .......................................... 40Цыкуленко К.А., Шаповалов В.В., Степаненко В.В., Жиров Д.М. Вихревойэффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона ........................................... 47

ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ

Жарди А. Численное моделирование и экспериментальные исследованияпроцессов переплава* .................................................................................................... 54

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Григоренко Г.М., Адеева Л.И., Туник А.Ю., Степанюк С.Н., Полищук М.А.,Зеленин Е.В. Особенности структуры биметаллических соединений разнородныхметаллов, полученных способом сварки трением с перемешиванием ....................... 60Ивану Васильевичу Шейко — 70 лет! ........................................................................... 69Новая книга .................................................................................................................... 69Памяти Александра Георгиевича Шалимова .............................................................. 70Указатель статей, опубликованных в 2013 .................................................................. 71Указатель авторов ......................................................................................................... 72Правила для авторов журнала ...................................................................................... 73

© НАН Украины, ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, МА «Сварка», 2013

№ 4 (113)2013

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. Патон

С. В. Ахонин, М . И . Гасик,Г. М . Григоренко

(зам. гл. ред.),Д. М . Дяченко (отв. секр.),

В. И. Лакомский, Л. Б. Медовар,Б. А. Мовчан, А. Н. Петрунько,

А. С. Письменный, А. Д. Рябцев, А. А. Троянский,

А. И . Устинов,В. А. Шаповалов

МЕЖДУНАРОДНЫЙРЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ:

Д. Аблизер (Франция)Г. М . Григоренко (Украина)К . В. Григорович (Россия)

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)

Т. Эль Гаммаль (Германия)

Адрес редакции:

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

Институт электросваркиим. Е. О. Патона НАН УкраиныТел./факс: (38044) 200 82 77;

200 54 84Тел.: (38044) 205 22 07

E-mail: journal@paton.kiev.uawww.patonpublishinghouse.com

Редактор: В. И . Котляр

Электронная верстка:Л. Н . Герасименко,Т. Ю. Снегирева

Свидетельствоо государственной регистрации

КВ 6185 от 31.05.2002

ISSN 0233-7681

Журнал входит в переченьутвержденных МОН Украины изданий для публикации трудовсоискателей ученых степеней

При перепечатке материаловссылка на журнал обязательна

За содержание рекламныхматериалов редакция журнала

ответственности не несет

Цена договорная

Издатель: Международная ассоциация «Сварка»

Журнал переиздается в полном объеме на английском языке под названием«Advances in Electrometallurgy» ( ISSN 1810-0384)

издательством «Camdridge International Science Publishing», Великобританияwww.cisp-publishing.com

*По материалам докладов, представленных на Международной конференции «Сварка и род-ственные технологии – настоящее и будущее», 25—26 ноября 2013 г., Киев, ИЭСим. Е.О. Патона НАНУ

CONTENTS95th Birthday Anniversary of the National Academy of Sciences of Ukraine andBoris Evgenievich Paton, its President ............................................................... 3

Paton B.E. Research and developments of the E.O. Paton Electric WeldingInstitute for nowadays power generation* ........................................................ 12

ELECTROSLAG TECHNOLOGY

Nazarchuk A.T., Protokovilov I.V., Porokhonko V.B. Features of inducingpulsed magnetic fields for magnetically-controlled electroslag melting .............. 21

ELECTRON BEAM PROCESSES

Ustinov A.I., Melnichenko T.V., Shishkin A.E. Deformational behaviour ofmultilayer Ti/Al foils at heating under the conditions of continuously appliedloads .............................................................................................................. 27

Akhonin S.V., Severin A.Yu., Berezos V.A., Erokhin A.G. Mathematicalsimulation of the processes of evaporation in melting ingots of multicomponenttitanium alloys in electron beam cold hearth installations .................................. 34

PLASMA-ARC TECHNOLOGY

Tsvetkov Yu.V., Nikolaev A.V., Samokhin A.V. Plasma processes inmetallurgy and technology of inorganic materials* ............................................ 40

Tsikulenko K.A., Shapovalov V.A., Stepanenko V.V., Zhirov D.M. Eddyeffect and gas dynamics in plasmatron hollow electrode .................................. 47

VACUUM-ARC REMELTING

Jardy A. Numerical simulation and experimental investigation of remeltingprocesses* ..................................................................................................... 54

NEW MATERIALS

Grigorenko G.M., Adeeva L.I., Tunik A.Yu., Stepanyuk S.N., PolyshchukM.A., Zelenin E.V. Features of structure and properties of bimetal joints ofdissimilar metals produced by friction stir welding process ............................... 60

Ivan Vasiljevich Sheiko is 70 ............................................................................ 69

New book ....................................................................................................... 69

In memory of Aleksandr Grigorievich Shalimov ................................................. 70

Index of Papers Published in 2013 ................................................................... 71

Author Index .................................................................................................... 72

Rules for contributing authors .......................................................................... 73

№ 4 (113)2013

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, International Association «Welding», 2013

EDITORIAL BOARD:

Editor-in-Chief B. E. Paton

S.V. Akhonin, M. I. Gasik,G. М. Grigorenko (vice-chief ed.),D. М. Dyachenko (exec. secr.),

V. I. Lakomsky,L. B. Меdоvаr, B. А. Моvchan,А. N. Petrunko, A. S. Pismenny,A. D. Ryabtsev, A. A. Troyansky,A. I. Ustinov, V. A. Shapovalov

THE INTERNATIONALEDITORIAL COUNCIL:

D. Ablitzer (France)G. М. Grigorenko (Ukraine)K. V. Grigorovich (Russia)

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

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

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

Т. El Gаmmаl (Germany)

Address:The E. O. Paton Electric

Welding Instituteof the NAS of Ukraine,

11, Bozhenko str., 03680,Kyiv, Ukraine

Tel./fax: (38044) 200 82 77;200 54 84

Tel.: (38044) 205 22 07E-mail: journal@paton.kiev.ua

www.patonpublishinghouse.com

Editor: V. I. Kotlyar

Electron galley:L. N. GerasimenkoT. Yu. Snegiryova

State Registration CertificateKV 6185 of 31.05.2002

ISSN 0233-7681

All rights reserved.This publication and each of thearticles contained here in are

protected by copyrightPermission to reproduce materialcontained in this journal must be

obtained in writing from thePublisher

Publisher: International Association «Welding»

SOVREMENNAYAELEKTROMETALLURGIYA

(Electrometallurgy Today)

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

by Camdridge International Science Publishing, United Kingdomwww.cisp-publishing.com

*Base on materials of presentation made at International Conference «Welding and RelatedTechnologies. Present and Future», 25—26 November 2013, PWI, Kiev, Ukraine.

95-ЛЕТИЕ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУКУКРАИНЫ И ЕЕ ПРЕЗИДЕНТАБОРИСА ЕВГЕНЬЕВИЧА ПАТОНА

Борис Евгеньевич Патон – выдающийся украинский ученый в области сварки, металлургии и тех-нологии материалов, материаловедения, видный общественный деятель и талантливый организаторнауки, академик Национальной академии наук Украины, Академии наук СССР, Российской академиинаук, профессор, заслуженный деятель науки и техники УССР, лауреат Ленинской и Государственныхпремий СССР и Украины, дважды Герой Социалистического Труда, Герой Украины, участник ВеликойОтечественной войны, ликвидатор аварии на Чернобыльской атомной электростанции.

Вместе со своим отцом – Евгением Оскаровичем Патоном – он создал всемирно известнуюпатоновскую научную школу.

Мировой авторитет Б.Е. Патону принесли разносторонняя и чрезвычайно плодотворная научнаяи инженерная деятельность, стремление направить фундаментальные научные исследования нарешение проблем общества.

Б.Е. Патон более 60 лет возглавляет всемирно признанный научно-технологический центр –Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины – и уже более 50 лет является бессменнымпрезидентом Академии наук УССР (ныне Национальной академии наук Украины).

Борис Евгеньевич Патон родился 27 ноября 1918 г. в Киеве. Он выходец из известного дворянскогорода Патонов, семейной традицией которого было служение Отечеству и военная служба. Его прадед,Петр Иванович Патон, был зачислен в армию М.И. Кутузова шестнадцатилетним юношей и учас-твовал в Отечественной войне 1812 г., награжден орденом, завершил службу генералом от инфантериии сенатором Российской империи. Дед, Оскар Петрович, – военный инженер, гвардейский полковник,консул Российской империи. Отец, Евгений Оскарович Патон, – выдающийся ученый и инженер,основатель и руководитель Института электросварки, человек высокого гражданского долга, ГеройСоциалистического Труда, участник Великой Отечественной войны 1941—1945 гг., внес большой вкладв победу над фашизмом, награжден боевыми орденами. Мать Бориса Евгеньевича, Наталья ВикторовнаБудде, происходила из старинного дворянского рода. Она – воспитанница Фребелевского женскогопедагогического института. Во времена революции, в тяжелые годы гражданской войны и становлениянового государства, в годы Великой Отечественной войны она была ближайшим другом и помощникомЕвгения Оскаровича.

Производственная и научная деятельность Б.Е. Патона началась на Уралвагонзаводе в НижнемТагиле в 1942 г. С тех пор в течение одиннадцати лет Борис Евгеньевич работал вместе с отцом –это были годы его становления как ученого, исследователя, а затем и как руководителя большогонаучного коллектива.

Борис Евгеньевич оказался одним из наиболее одаренных учеников и достойным последователемсвоего отца. Он продолжил и блестяще развил дело, начатое Е.О. Патоном.

Наряду с большой и напряженной работой на оборонных заводах коллектив института продолжалвести научные исследования. В 1942 г. В.И. Дятлов обнаружил явление саморегулирования плавленияэлектрода при электродуговой сварке под флюсом. Последующее изучение этого явления Б.Е. Патономсовместно с A.M. Макарой, П.И. Севбо, М.Н. Сидоренко послужило основой для создания простогои надежного сварочного автомата. Применение сварочных автоматов позволило многократноувеличить производительность работ при изготовлении танков.

Крупносерийное производство на Уралвагонзаводе и других заводах страны танка Т-34, которыйбыл признан специалистами лучшим средним танком Второй мировой войны, в значительной мерепредопределил нашу победу над фашизмом. Благодаря надежной сварной броне были спасены жизнимногих тысяч танкистов.

За достижения в механизации и автоматизации сварочных работ при изготовлении боевой техникиБ.Е. Патон в 1943 г. был награжден орденом Трудового Красного Знамени.

В годы войны Борис Евгеньевич выполнил ряд важных исследований статических свойств автоматовдля сварки под флюсом, ставших основой его кандидатской диссертации, которую он защитил в 1945 г.В последующих трудах он показал, что оптимальные характеристики имеют автоматы с постояннойскоростью подачи проволоки, укомплектованные источниками питания с быстродействующим регу-лятором напряжения.

3

За разработку полуавтоматов для сварки под флюсом Б.Е. Патону, специалистам Институтаэлектросварки, а также Ленинградского завода «Электрик» была присуждена в 1950 г. Сталинскаяпремия в области науки и техники. Позже этот принцип управления был положен в основу созданияполуавтоматов для сварки в защитных газах.

Б.Е. Патон плодотворно работал над завершением исследований, связанных с условиями ус-тойчивого горения дуги и ее регулирования. Он успешно защитил докторскую диссертацию и былизбран в 1951 г. членом-корреспондентом Академии наук УССР.

В эти годы под руководством Б.Е. Патона выполнены исследования сварочных источников питания.Актуальность этих работ была обусловлена тем, что автоматическая сварка под флюсом была однимиз самых высокопроизводительных процессов и промышленность остро нуждалась в новых разработкахв этой области. В институте развернулись исследования металлургических процессов сварки подфлюсом. За короткое время были созданы основы теории металлургии сварки и наплавки под флюсом,разработана гамма флюсов различного назначения. Созданы новые технологии и мощное производствоплавленых флюсов.

На основе этих разработок на Харцызском трубном заводе налажено первое в стране производствовысококачественных труб большого диаметра. Б.Е. Патон – один из его создателей. Эта работабыла основополагающей в организации и развитии современного массового производства труб большогодиаметра для мощных газотранспортных систем СССР на Харцызском, Челябинском, Волжском,Выксунском и других заводах.

В институте был создан новый процесс дуговой сварки под флюсом швов, расположенных вразличных пространственных положениях. Впервые он был применен на монтаже пролетных строенийкиевского моста через Днепр, названного именем главного идеолога сварного мостостроения, техничес-кого руководителя проектирования и строительства этого уникального сооружения Е.О.Патона.Позднее был разработан способ дуговой сварки порошковой проволокой с принудительнымформированием шва, который был широко использован при сооружении пролетных строений Москов-ского и Южного мостов через Днепр в Киеве и через Волгу в Саратове, сооружении магистральныхтрубопроводов, металлургических агрегатов, химических аппаратов, корпусов судов.

После кончины Евгения Оскаровича Патона в 1953 г. директором Института электросварки им.Е.О. Патона Академии наук УССР был избран Борис Евгеньевич Патон.

Борис Евгеньевич развил плановый характер в организации научных исследований института. Онустанавливает деловые связи с руководителями предприятий, совнархозов, министерств, ГоспланаСССР, организует и возглавляет подготовку предложений о развитии сварки в СССР. В июне 1958 г.ЦК КПСС и Совет Министров СССР приняли постановление «О дальнейшем внедрении в производствосварочной техники», которое предусматривало развитие фундаментальных исследований сварочныхпроцессов, разработку оборудования, материалов, технологий, создание новых НИИ и заводских ла-бораторий, строительство специализированных заводов по производству сварочного оборудования,материалов, сварных конструкций. В течение последующих пятилеток был принят еще ряд подобныхпостановлений, выполнение которых предопределило развитие сварочной науки и техники во второйполовине XX в. не только в СССР, но и в ряде зарубежных стран. СССР стал ведущей страной мирав области сварки, а наши американские коллеги назвали Киев столицей сварщиков мира.

Борис Евгеньевич отличается исключительным умением работать с коллективом. Он всегда готовподдержать интересную идею, по достоинству оценить выполненную работу. Его энтузиазм, редкос-тная трудоспособность и внимание к каждому сотруднику создают в коллективе института здоровуютворческую атмосферу. Примером тому является развитие электрошлаковой сварки. Сотрудникинститута Г.З. Волошкевич обнаружил, что источником нагрева свариваемого металла можетслужить расплавленный шлак, по которому протекает электрический ток. Этот процесс был названэлектрошлаковым. Борис Евгеньевич сумел предвидеть большое будущее этого процесса. Он сосредо-точил силы коллектива на решении наиболее важных проблем электрошлаковой сварки. В кратчайшиесроки был создан новый перспективный способ сварки металла большой толщины, проверенный впроизводственных условиях и готовый к широкому внедрению.

Применение электрошлаковой сварки внесло коренные изменения в технологию производства такихизделий, как барабаны котлов высокого давления, станины тяжелых прессов и прокатных станов,колеса и валы гидротурбин и т. д. Вместо литых и кованых крупногабаритных деталей появилисьзначительно более экономичные – сварные и сварнокованые.

В 1957 г. Б.Е. Патон и Г.З. Волошкевич были удостоены Ленинской премии за создание процессаэлектрошлаковой сварки и производства на его основе крупногабаритных ответственных изделий.Это достижение было отмечено в 1958 г. Большим призом на Всемирной выставке в Брюсселе. Рядфирм развитых стран мира приобрели лицензии на использование этого высокопроизводительногоспособа сварки.

В ноябре 1958 г. Б.Е. Патон был избран действительным членом Академии наук Украинской ССР.

4

По мнению Бориса Евгеньевича, в обозримом будущем основой сварочного производства останетсядуговая сварка. Дальнейшему совершенствованию и развитию этого процесса он уделяет большоевнимание и направляет коллектив института на решение актуальных проблем в этой области.

По инициативе Б.Е. Патона были исследованы процессы образования сварочных аэрозолей и созданоновое поколение низкотоксичных сварочных электродов. Построены мощные цеха и заводы по производ-ству электродов. Широкое внедрение этой разработки позволило коренным образом улучшить условиятруда, во много раз снизить профессиональные заболевания сварщиков. В 1950-х годах в Институтеэлектросварки начало развиваться новое направление работ – автоматизация и механизация про-цессов наплавки различных материалов на поверхности рабочих органов машин и оборудования горно-металлургического комплекса с целью повышения их износостойкости. Проведены фундаментальныеисследования процессов наплавки под флюсом, в защитных газах, самозащитной порошковой проволо-кой, плазменной струей. Созданы уникальные наплавочное оборудование, материалы и технологии.Организовано промышленное производство наплавочных порошковых проволок. Это направление ока-залось чрезвычайно перспективным, оно до сих пор развивается в институте и широко используетсяв различных отраслях промышленности и строительства.

В 1958 г. Б.Е. Патон выступил с инициативой создания новых способов механизированной сваркиконструкций в полевых условиях, на монтаже, на стапелях, под водой и предложил использовать дляэтих целей порошковую проволоку. Выполнен большой комплекс исследований металлургических итехнологических особенностей этого способа сварки. Создан ряд само- и газозащитных порошковыхпроволок различного назначения, организовано производство порошковой проволоки. Это направлениесейчас является одним из ведущих в мировой сварочной науке и технике.

Исследовательские работы и создание способа полуавтоматической сварки порошковой проволокойпод водой открыли новые возможности в освоении континентального шельфа, возведении и ремонтепортовых сооружений, трубопроводных переходов через реки и других объектов.

Большой вклад внес Борис Евгеньевич в развитие контактной стыковой сварки. Впервые изученовлияние сопротивления короткого замыкания машин для контактной сварки на стабильность плав-ления и свариваемость металла. Установлена высокая эффективность обратной связи по сварочномутоку. Предложены оригинальные конструкции трансформаторов, разработаны теоретические основыих расчетов. Под руководством Б.Е. Патона и при его непосредственном участии впервые в мировойпрактике были созданы системы многофакторного управления процессом контактной сварки оплав-лением. Разработано несколько поколений оригинальных машин, которые эксплуатируются в течениедесятков лет во многих странах мира. Среди них – машины для сварки рельсов, уникальные комплексывнутритрубных контактных машин «Север», машины для сварки узлов ракет из алюминиевых сплавови многие другие.

Применение электронного луча оказалось перспективным при сварке различных толстостенныхсосудов из сталей, высокопрочных сплавов на основе алюминия и титана, а также других материалов.Решены сложные задачи обеспечения устойчивости электронного луча в атмосфере металлическихпаров, выявлены особенности формирования узких и глубоких швов, найдены способы управления,обеспечивающие воспроизводимость оптимальных режимов сварки. Все это позволило создать совре-менное оборудование и технологии, получившие международное признание. Способ дуговой сваркивольфрамовым электродом по слою активированного флюса-пасты, получившей впоследствии названиеА-ТИГ, был разработан в Институте электросварки им. Е.О. Патона в середине 1960-х годов.Благодаря испарению флюса-активатора удается сжать столб дуги, в несколько раз увеличитьглубину провара, повысить производительность сварки и улучшить форму швов. В последние годыБ.Е. Патоном были инициированы исследования, направленные на создание теоретических основ про-цессов дуговой сварки, с использованием активирующих флюсов. Были установлены основные законо-мерности влияния сжатия дуги на характеристики теплового и динамического воздействия на сва-рочную ванну, объяснен механизм глубокого проплавления металла. Эта оригинальная технологияполучила развитие в СССР и СНГ. Патоновская технология ПАТИГ нашла признание также в странахдальнего зарубежья.

В конце 1980-х годов в Институте электросварки под руководством Б.Е. Патона начались иссле-дования гибридных (лазерно-дуговых и лазерно-плазменных) процессов сварки и обработки материалов.Предложены конструкции лазерно-дуговых плазмотронов прямого и косвенного действия, создан рядплазмотронов различного технологического назначения. Разработаны новые процессы гибридной ла-зерно-плазменной сварки и наплавки, в том числе процесс гибридной лазерно-микроплазменной сваркиметаллов малых толщин.

В 1960-е годы под руководством Б.Е. Патона начаты исследования технологий получения различныхпокрытий и композиционных материалов путем электронно-лучевого испарения компонентов и кон-денсации паров на поверхностях изделий или специальных подложек. Электронно-лучевая технология

5

нанесения покрытий, получившая применение в ряде областей техники, позволяет многократно повы-шать эксплуатационный ресурс многих изделий, в частности, лопаток газовых турбин.

В 1980-е годы по инициативе Б.Е. Патона в институте проводятся исследования способов термичес-кого нанесения покрытий с использованием газокислородного пламени и дуговой плазмы; создаютсяаппаратура и материалы, обеспечивающие получение защитных слоев с различными свойствами.

В 1969 г. под руководством Бориса Евгеньевича была осуществлена первая космическая сварочнаятехнология – сварка в околоземном пространстве. На пилотируемом корабле «Союз-6» космонавтВ.Н. Кубасов провел эксперименты по электронно-лучевой, плазменно-дуговой сварке и сварке пла-вящимся электродом. Были изучены особенности формирования сварных швов в условиях невесомости,доказано, что при работе в космическом пространстве можно получать плотные и хорошосформированные швы.

В 1979 г. успешно проверена идея нанесения различных металлических покрытий на поверхностиэлементов космической станции и приборов. Разработан специальный аппарат «Испаритель», создануниверсальный ручной инструмент, предназначенный для сварки, пайки и нанесения покрытий. В1984 г. космонавты С.Е. Савицкая и В.А. Джанибеков провели его испытания в открытом космосе.Затем последовал цикл систематических многоцелевых экспериментальных исследований по отработ-ке конструкционных элементов и технологии сооружения крупногабаритных орбитальных конст-рукций и объектов. В 1986 г. в космосе построена конструкция в виде разборной фермы (эксперимент«Маяк»). В 1991 г. впервые была проведена пайка узлов ферменных конструкций, создан агрегат дляраскрытия и разворачивания солнечных батарей многократного использования орбитальной станции«Мир».

Результаты многолетних исследований в области космических технологий опубликованы в моно-графии Б.Е. Патона и В.Ф. Лапчинского «Welding in Space and Related Technologies», изданной в1997 г. в Великобритании, а также обобщены в сборнике «Космос: технологии, материаловедение,конструкции», изданном в 2000 г. под редакцией Б.Е. Патона.

Бывший Генеральный конструктор ракетно-космических комплексов НПО «Энергия» академикРАН Ю.П. Семенов, многие годы работавший вместе с С.П. Королевым, так оценивал вклад Б.Е.Патона в развитие космической программы СССР: «Б.Е. Патон входит в великую плеяду советскихученых и конструкторов, благодаря которым СССР в годы своего существования был могучей и великойдержавой... Б.Е. Патон – выдающийся ученый XX столетия. Его характерная особенность –уникальное качество претворять идеи в жизнь...».

В начале 1970-х годов под руководством Б.Е. Патона были созданы первые образцы систем, исполь-зующих экспериментально-статистические модели сварочных процессов. Интенсивное развитие этихработ привело к созданию автоматических систем управления сварочными процессами, установкамии механизированными линиями с использованием микропроцессорной техники.

Под его руководством выполнен большой комплекс фундаментальных и прикладных исследованийв области статической и циклической прочности сварных соединений, их сопротивления хрупким иусталостным разрушениям, работоспособности в условиях низких температур. Создан ряд выда-ющихся сооружений. К ним прежде всего относится уникальный цельносварной мост имени Е.О.Патона через Днепр. Принципы, подходы и конструктивно-технологические решения, отработанныепри его проектировании и сооружении, открыли дорогу широкому использованию сварки в мостост-роении. Этот мост получил признание Американского сварочного общества как выдающаяся сварнаяконструкция XX столетия. Опыт строительства моста им. Е.О. Патона был использован при пос-тройке мостов через Днепр в Киеве (Южного, Московского, Гаванского, Подольско-Воскресенского,автодорожного и железнодорожного), в Днепропетровске и в Запорожье, а также моста через рекуСмотрич в Каменец-Подольском.

Ярким примером нового подхода к возведению сварных конструкций высокой заводской готовностистало создание технологии разворачивания рулонированных резервуаров для хранения нефти и не-фтепродуктов, благодаря которой в короткие сроки была решена проблема восстановления резерву-арного парка страны, разрушенного в годы Второй мировой войны.

Совместно с Научно-исследовательским и проектным институтом Укрпроектстальконструкцииразработаны проекты и технологии строительства, которые успешно реализованы при возведенииуникальных телевизионных башен в Киеве, Санкт-Петербурге, Ереване, Тбилиси, Витебске, Харькове.К выдающимся сварным конструкциям следует отнести и монумент «Родина-мать» в Киеве.

Б.Е. Патон является инициатором и научным руководителем целевой научно-технической прог-раммы «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации конструкций, сооружений и машин», к выпол-нению которой привлечены многие академические и отраслевые институты, вузы и большое количествопромышленных предприятий. Получены весомые научно-технические и практические результаты посозданию методических основ, технологий, методов и способов оценки, а также продления ресурсаконструкций. В планах академии предусматривается дальнейшее развитие этих работ.

6

Большое внимание уделяется развитию методов неразрушающего контроля качества и диаг-ностики. Созданы автоматизированные установки для ультразвукового контроля сварных соединенийтруб большого диаметра, корпусов буровых долот, узлов энергетических установок, сварныхсоединений из легких сплавов и неметаллических материалов. Развиваются исследования с применениемнизкочастотных ультразвуковых волн и использованием бесконтактного введения акустических волнв объекты.

Впервые в Украине созданы системы непрерывного мониторинга сварных конструкций, к которымпредъявляются повышенные требования безопасности эксплуатации.

Созданы методики прогнозирования механических свойств, ресурса безопасной эксплуатации свар-ных соединений и узлов при наличии в них трещиноподобных дефектов и деградации материалов впроцессе эксплуатации.

В институте на протяжении многих лет проводятся исследования по материаловедению. Разра-батываются новые конструкционные материалы, технологии их производства, исследуется связь«состав—структура—свойства» применительно к материалам различного назначения. Институт элек-тросварки стал крупным материаловедческим центром, в котором работают и проводят самыесложные материаловедческие исследования высококвалифицированные специалисты по физике метал-лов, металловедению, электронной микроскопии, масс-спектроскопии, Оже-спектрометрии, анализугазов в металлах и сварных швах, рентген-спектральному элементному анализу и другим специаль-ностям.

В 1954 г. Б.Е. Патон возглавил исследование по использованию электрошлакового процесса дляулучшения качества металлов и сплавов. В итоге возникло принципиально новое направление в ме-таллургии – электрошлаковый переплав, который в короткие сроки нашел широкое применение иполучил мировое признание. Он используется для улучшения свойств жаропрочных, нержавеющих,инструментальных, шарикоподшипниковых и других сталей и специальных сплавов. Металл элект-рошлакового переплава применяется в настоящее время при производстве роторов мощных турбин,валков прокатных станов, сосудов высокого давления, запорной арматуры тепловых и атомныхстанций, литого штампового инструмента и других ответственных изделий.

Еще в 1959 г. были начаты работы по рафинированию металлов и сплавов с помощью электронноголуча. Электронно-лучевая плавка оказалась эффективным способом повышения качества специальныхсталей и сплавов на основе никеля и железа, эффективным технологическим процессом полученияособочистых ниобия, титана и многих сплавов на их основе.

В последние годы успешно развивается электронно-лучевая технология получения слитков титана.Разработаны новые высокопрочные титановые сплавы, легированные алюминием, цирконием, ниобием,железом, конструкции промышленных электронно-лучевых установок с промежуточной емкостью.Многие из них не имеют аналогов в мировой практике.

Развиты способ, оборудование и технологии плазменно-дугового переплава металлов и сплавов.Возможности применения плазменно-дуговой технологии особенно расширились после разработки плаз-мотронов переменного тока, что позволило существенно повысить надежность конструкцийплавильных агрегатов и источников питания.

В последние годы в мировой металлургической практике широко используется внепечная обработкаметаллургических расплавов. В Институте электросварки им. Е.О. Патона созданы новые типыпорошковых проволок, которые содержат высокоактивные элементы для микролегирования,модификации и десульфурации сталей и чугуна. Разработаны технология и оборудование для изго-товления порошковых проволок большого диаметра. Эти исследования получили дальнейшее развитиев Институте проблем материаловедения им. И.Н. Францевича, Донецком политехническоминституте и других институтах и предприятиях. Сегодня метод инжекционной металлургии широкоприменяется на металлургических заводах Украины и России. С его помощью обработаны десяткимиллионов тонн стальных расплавов.

В Институте электросварки успешно развиваются исследования в области пайки металлов исплавов. Новые материалы и технологии пайки широко используются при изготовлении решетчатыхкрыльев ракет и деталей авиационных двигателей, космической и буровой техники.

В послевоенные годы в СССР были открыты гигантские месторождения нефти и газа. В основномони находятся в Средней Азии, Западной Сибири, на Северном Урале и в других отдаленных районах.Для транспортировки нефти и газа в западные районы СССР и за границу предусматривалосьстроительство мощных магистральных газо- и нефтепроводных систем.

Под руководством Б.Е. Патона проведен комплекс работ по разработке технологий для сваркитрубопроводов. Были созданы уникальные оригинальные технологии и оборудование для контактнойсварки неповоротных стыков труб – комплексы «Север». С помощью контактной сварки сваренобольше 70 тыс. км трубопроводов, в том числе около 6 тыс. км газопроводов большого диаметра вусловиях Крайнего Севера.

7

Создана оригинальная технология дуговой автоматической сварки неповоротных стыков трубсамозащитной порошковой проволокой с принудительным формированием шва – комплекс «Стык».С помощью этой технологии построено свыше 10 тыс. км магистральных газо- и нефтепроводов:«Дружба», «Средняя Азия—Центр», «Уренгой—Помары—Ужгород», «Хива—Бейнеу», «Шебелинка—Измаил», «Ямал—Западная граница», «Ямал—Поволжье» и др.

Профессор Н. К. Байбаков, крупнейший авторитет в нефтегазовом комплексе страны, отмечал,что «Борис Евгеньевич Патон как президент Академии наук Украины, как директор Институтаэлектросварки им. Е.О. Патона оказал огромное влияние на прогресс нефтегазового строительства,на развитие нефтяной и газовой промышленности бывшего Советского Союза...».

Борис Евгеньевич уделяет большое внимание реализации достижений современной науки и техникив практической медицине. В 1990-х годах он предложил использовать методы сварки для соединенияживых тканей и организовал творческий коллектив с участием сотрудников ИЭС им. Е.О. ПатонаНАН Украины, Института хирургии и трансплантологии им. А.А. Шалимова НАМН Украины,Центрального госпиталя СБУ и других медицинских учреждений. Это сотрудничество привело ксозданию нового способа соединения (сварки) мягких тканей, который позволяет быстро и почтибескровно разрезать и соединять биологические ткани, сохраняя их жизнеспособность. Заживлениеран при этом происходит значительно быстрее, чем при использовании традиционных хирургическихметодов, существенно сокращается продолжительность операций, уменьшаются кровопотери, сок-ращается период послеоперационной реабилитации больных. Способы электросварки живых тканейприменяют более чем в 50 клиниках Украины, а также в клиниках России и Беларуси. Успешновыполнено свыше 100 тыс хирургических операций различного профиля: в общей, торакальной и детскойхирургии, онкологии, урологии, гинекологии, отоларингологии, офтальмологии, лечении травм внут-ренних органов и других направлениях хирургии. В ИЭС им. Е.О. Патона разработано современноеоборудование для сварки живых тканей и налажено его производство. Разработаны и применяютсяна практике более 130 хирургических методик.

В 2004 г. комплекс работ по сварке живых тканей, выполненный под руководством и при активномтворческом участии Бориса Евгеньевича Патона, был удостоен Государственной премии Украины вобласти науки и техники.

Плодотворно сотрудничество института с Национальным институтом хирургии и трансплан-тологии им. А.А. Шалимова, Донецким областным противоопухолевым центром, Национальноймедицинской академией последипломного образования им. П.Л. Шупика, Национальным медицинскимуниверситетом им. А.А. Богомольца, Военно-медицинским управлением СБУ, Киевским городскимцентром электросварочной хирургии и новых хирургических технологий при Киевской городскойклинической больнице № 1, Институтом болезней глаза и тканевой терапии им. В.П. Филатова,Национальным институтом сердечно-сосудистой хирургии им. Н.М. Амосова, Институтом не-йрохирургии им. акад. А.П. Ромаданова, киевскими городскими клиническими больницами № 1, 12, 17,18 и многими другими медицинскими учреждениями Украины.

Б.Е. Патон уделяет большое внимание международной деятельности института и его ученых.Институт электросварки является постоянным членом Международного института сварки и Евро-пейской сварочной федерации. Под руководством Бориса Евгеньевича издаются и переводятся наанглийский язык журналы «Автоматическая сварка», «Современная электрометаллургия», «Техничес-кая диагностика и неразрушающий контроль». Это позволяет донести до мировой научно-техническойобщественности информацию о результатах исследований и новых разработках института.

В институте выросли десятки и сотни талантливых ученых и инженеров. Среди патоновцев многоакадемиков и членов-корреспондентов НАН Украины. Сотрудники института защитили 138 до-кторских и 716 кандидатских диссертаций. Много работ, о которых говорилось выше, – труд боль-шого и дружного коллектива, сплочению которого в большой мере способствуют личные качества егоруководителя – Бориса Евгеньевича Патона.

Одним из основных принципов, заложенных Е.О. Патоном при создании института и развитыхБ.Е. Патоном, является проведение целенаправленных фундаментальных исследований и тесная связьнауки с производством. Этот принцип настойчиво воплощается в жизнь на протяжении 80-летнейистории института.

Научные отделы института, конструкторский отдел, экспериментальные мастерские, опытноеконструкторско-технологическое бюро, инженерные центры, экспериментальные производства, опыт-ные заводы создавались на протяжении всей истории института – это неотъемлемые звенья системыорганизации исследований и внедрения их результатов в производство. Реализация этой системыпозволила создать уникальные конструкции, оборудование, материалы, технологии, внедрение кото-рых оказало большое влияние на развитие многих отраслей промышленности: машиностроение, су-достроение, ракетно-космический комплекс, авиастроение, энергетику, горнопромышленный комплекс,

8

металлургию и химическое производство, систем трубопроводного транспорта, строительнуюиндустрию и др.

Самоотверженный труд коллектива института высоко оценен государством. Институт награж-ден орденами Ленина, Октябрьской Революции, Трудового Красного Знамени, многие сотрудникиинститута награждены орденами и медалями СССР и Украины.

Девять работ, в выполнении которых участвовали сотрудники института, удостоены Ленинскихпремий в области науки и техники, 24 работы – Государственных премий СССР, 34 работы –Государственных премий УССР и Украины.

Многолетний самоотверженный труд коллектива института под руководством Бориса Евгень-евича Патона получил мировое признание.

В 1962 г. Б.Е. Патон был избран действительным членом (академиком) Академии наук СССР. Вэтом же году ученые Академии наук УССР избрали Б.Е. Патона президентом Академии наук УССР(ныне Национальной академии наук Украины). Глубокое понимание роли науки в обществе, ее целейи задач, высокий международный авторитет ученого, преданность науке, неиссякаемая энергия ивысокие моральные качества, общественно-политическая деятельность, опыт руководства большимнаучным коллективом стали решающими аргументами при избрании Бориса Евгеньевича на постпрезидента Академии наук Украины. В соответствии с уставом академии выборы ее президентапроводятся каждые пять лет и Борис Евгеньевич девять раз переизбирался на эту должность. Наэтом ответственном посту еще шире раскрылся его талант организатора науки. Под его руководствомразработана новая структура академии, новый устав, направленный на наиболее рациональное исполь-зование научных сил и средств, концентрацию их на решении важнейших фундаментальных проблемнауки, которые имеют решающее значение для экономики страны.

По инициативе Б.Е. Патона и при его активной поддержке в системе Академии наук УССР созданыдесятки новых институтов и организаций, расширяющих и углубляющих исследования в наиболееважных научных направлениях. Так, 1965 г. по инициативе Б.Е. Патона в Донецке создан ака-демический научный центр и открыт университет, позднее другие научные центры АН УССР –Западный (Львов), Южный (Одесса), Северо-Восточный (Харьков), Приднепровский (Днепропет-ровск) и Крымский (Симферополь), которые выполняют функции региональных межотраслевых орга-нов координации научной деятельности. Он постоянно добивается четкого определения научногопрофиля каждого института, заботится о том, чтобы каждый из них стал ведущим в своем направ-лении в республике, государстве, в мире.

Академия наук является главным научным центром страны, где широким фронтом проводятсяисследования по актуальным проблемам естественных, технических, социогуманитарных наук. Уч-реждения академии занимают достойные позиции в отдельных разделах математики, теоретическойфизики, физики твердого тела и низких температур, в радиофизике и радиоастрономии, материало-ведении, кибернетике и вычислительной технике, нейрофизиологии, молекулярной биологии, микро-биологии и вирусологии, генной инженерии и в ряде других областей знаний.

В академии создается опытно-производственная база, получают развитие новые формы связинауки с производством.

В 1963 г. Б.Е. Патон избирается членом Президиума АН СССР. Работа на этом посту позволилаему ознакомиться с работой институтов АН СССР, изучить опыт работы Президиума академии иее отделений.

Тесное сотрудничество между АН УССР, АН СССР, ГКНТ, РАН, академиями наук союзныхреспублик способствовало развитию в УССР многих новых научных направлений, созданию новыхинститутов, инженерных центров, укреплению международного авторитета академии.

Борис Евгеньевич инициировал создание крупных комплексных научно-технических программ поотдельным отраслям промышленности, транспорта, связи и сельского хозяйства. Выполняя эти прог-раммы, ученые академии внесли весомый вклад непосредственно в решение актуальных проблемразвития экономики страны. Эта форма организации научной деятельности получила всеобщеепризнание.

Б.Е. Патон организовал Научный совет при Президиуме АН СССР по проблеме «Новые процессыполучения и обработки металлических материалов», который объединил ученых академических уч-реждений со специалистами многих других ведомств и способствовал развитию науки о материалахв АН СССР, РАН и НАН Украины. Многие ученые-материаловеды и металлурги, активно работавшиев этом совете, по рекомендации Бориса Евгеньевича были избраны в Академию наук СССР и Российскуюакадемию наук и внесли большой вклад в развитие науки о материалах.

Борису Евгеньевичу присуще глубокое понимание роли и места науки в решении гуманитарныхпроблем развития общества. Уделяя огромное внимание разработке и внедрению современных техно-логий в производство, он одновременно добивается осуществления обоснованных научных оценок ихвлияния на окружающую среду и человека. Под его руководством большими коллективами ученых

9

академии были выполнены прогнозные оценки негативных экологических и социально-экономических пос-ледствий крупномасштабной осушительной и оросительной мелиорации в УССР, интенсивной химизациисельского хозяйства, переброски части стока рек Дунай и Днепр. Принципиальную позицию Б.Е. Патонзанял и в вопросе строительства атомной электростанции в районе Чернобыля. К сожалению, известныевсему миру события 1986 г. на ЧАЭС полностью подтвердили его предостережения.

Выдающиеся способности Бориса Евгеньевича Патона как лидера, ученого и организатора раск-рылись в памятные дни Чернобыльской трагедии. Коллективы многих институтов Академии наукУССР, ее Президиума уже с первых дней включились в работу по ликвидации последствий катастрофы.К выполнению этой работы были привлечены сотни ученых, специалистов Академии наук, мини-стерств, ведомств, предприятий республики. Б.Е. Патон руководил подготовкой предложений длядирективных органов УССР и Правительственной комиссии СССР. Позже, в сентябре 1997 г., Б.Е.Патон возглавил вновь созданный при Президенте Украины Консультативный совет независимыхэкспертов по комплексному разрешению проблем Чернобыльской атомной станции.

В 2004—2005 гг. Издательским домом «Академпериодика» НАН Украины был издан двухтомник«Чернобыль 1986—1987 гг.». Приведенные в этом капитальном труде документы объективно и доста-точно полно отражают роль Академии наук УССР и самоотверженный труд коллективов институтовакадемии под руководством ее президента.

После развала Советского Союза и образования независимой Украины в условиях длительногоэкономического и финансового кризиса, который затронул академию, президент НАН Украины сумелсохранить академию, ее основные научные школы. Удалось на законодательном уровне закрепитьстатус академии как высшей научной государственной организации, сохранить принципы ее ака-демического самоуправления, осуществить перестройку ее структуры в соответствии с новымиусловиями, направить фундаментальные и прикладные исследования на решение неотложных задачстроительства государства.

Определены новые приоритеты в области естественных, технических и социогуманитарных наук.Создан ряд новых институтов и центров социогуманитарного профиля.

По ряду направлений математики, информатики, механики, физики и астрономии, материалове-дения, химии, молекулярной и клеточной биологии, физиологии удалось сохранить мировой уровеньисследований. Растет вклад ученых академии в развитие фундаментальных и прикладных исследо-ваний в Украине. Созданы новые технологии, материалы, вычислительная техника, найдены новыеместорождения полезных ископаемых и др.

Созданы и успешно работают институты экономики и прогнозирования, экономико-правовых иссле-дований, проблем рынка и экономико-экологических исследований, региональных исследований, демог-рафии и социальных исследований, украиноведения, востоковедения, политических и этнонациональ-ных исследований, социологии, украинской археографии и источниковедения, украинского языка и ряддругих отделений, институтов и центров.

Институты академии принимают активное участие в разработке инновационных программразвития экономики Украины, в исследовании ее истории, культуры, языка.

Совершенствуется организация фундаментальных и прикладных исследований, определеныприоритеты в развитии отдельных научных направлений и междисциплинарных исследований. Срединих программа «Наносистемы, наноматериалы и технологии», «Сенсорные системы», «Интеллекту-альные информационные технологии», «Водородная энергетика», «Энергосбережение», «Проблемыдемографии и развития человечества» и др.

Много усилий Б.Е. Патон прилагает для сохранения и развития международного научного сот-рудничества, внешнеэкономических связей с деловыми партнерами зарубежных стран.

Ученые Украины участвуют в выполнении многих международных программ. Проводятся совмес-тные конкурсы научных проектов с Украинским научно-технологическим центром, Российским фондомфундаментальных исследований, Российским гуманитарным научным фондом, Сибирским отделениемРоссийской академии наук.

Б.Е. Патон – один из инициаторов создания и сохранения общего научного пространства в рамкахСНГ. В 1993 г. была создана Международная ассоциация академий наук (МААН), объединившаянациональные академии 15-ти стран Европы и Азии. Борис Евгеньевич уже 20 лет – бессменныйпрезидент этой ассоциации. Под его руководством работает Научный совет МААН по новымматериалам.

Академик Б.Е. Патон – почетный президент Международной инженерной академии, член Ака-демии Европы, почетный член Римского клуба, Международной академии технологических наук, почет-ный член Международной академии наук, образования и искусств, Международной астронавтическойакадемии, иностранный член академий и научно-технических обществ многих стран. Десятки оте-чественных и зарубежных университетов избрали академика Б.Е. Патона почетным доктором, в ихчисле – Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Киевский национальный

10

университет имени Тараса Шевченко, Санкт-Петербургский государственный технический уни-верситет, НТУУ «Киевский политехнический институт», Московский государственный физико-технический университет и др.

Б.Е. Патон вел и продолжает вести большую общественную работу. Его многократно избиралидепутатом Верховного Совета СССР и УССР, заместителем Председателя Совета Союза ВерховногоСовета СССР, членом Президиума Верховного Совета УССР, членом Центрального Комитета КПССи Коммунистической партии УССР, он был руководителем и членом различных высоких комитетови комиссий. Перечень его должностей поражает. Он успешно работает на этих должностях благодаряглубокому чувству личной ответственности перед государством, народом, собственной совестью.

Кроме того, его отличают выдающаяся организованность, деловитость, редкая способностьбезошибочно схватывать главное, мгновенно принимать правильное решение.

Бывший президент Российской академии наук академик Ю. С. Осипов, характеризуя Бориса Ев-геньевича, сказал: «Жизнь Б.Е. Патона – в науке, в сфере организаций научных исследований ипрактической реализации научных достижений, его общественная и государственная деятельность –воистину великий подвиг во имя расцвета науки, во имя будущего».

За огромные заслуги перед наукой и государством Б.Е. Патон удостоен высоких званий дваждыГероя Социалистического Труда, Героя Украины. Он – кавалер четырех орденов Ленина, орденовОктябрьской Революции, Трудового Красного Знамени, Дружбы народов, Свободы, князя ЯрославаМудрого I, IV и V степени, орденов «За заслуги перед отечеством» I и II степени и «Почета» (РФ),ордена «Дружбы» (КНР), Франциска Скорины и Дружбы народов (Республика Беларусь), «ОрденаЧести» (Грузия), «Достык» (Республика Казахстан), «Шикрет» (почета) (Республика Азербайд-жан) и многих других наград стран СНГ. Б.Е. Патон – лауреат Ленинской и Государственныхпремий СССР и Украины в области науки и техники. Ему присуждена Международная премия «Гло-бальная энергия». Он награжден золотыми медалями им. М.В. Ломоносова, С.И. Вавилова, С.П.Королева, серебряной медалью им. А. Эйнштейна ЮНЕСКО и многими другими наградами и знакамиотличия.

Борис Евгеньевич безгранично предан Науке, Институту, Академии, Отечеству.Сегодня нельзя представить Институт электросварки и Национальную академию наук Украины

без Б.Е. Патона. Его житейская мудрость, огромный опыт, международный авторитет в науке иобществе позволили сохранить научный потенциал Украины.

Борис Евгеньевич Патон – лидер, боец, творческая личность, глубоко порядочный и добрый человек,с фантастической энергией и трудоспособностью, огромным опытом, глубокими знаниями во многихобластях, способностью постоянно учиться. У него широкая натура, острый аналитический ум, ондемократичен, доброжелателен, открыт для общения, доступен, всегда готов поддержать человекав беде, помочь ему.

Символично, что Борис Евгеньевич родился в день основания Национальной академии наук Украиныв 1918 г. В 1998 г. при праздновании восьмидесятилетия академии и ее президента огромный зал дворца«Украина» овацией встретил сообщение о присвоении Б.Е. Патону, первому в государстве, званияГероя Украины.

Таков наш дорогой Борис Евгеньевич!Пожелаем ему от всей души новых успехов, доброго здоровья и большого счастья.

Академик HAH Украины И.К. ПОХОДНЯ

11

УДК 621.791:62-112.81].001.13

ИССЛЕДОВАНИЯИ РАЗРАБОТКИ ИЭС им. Е.О. ПАТОНАДЛЯ СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Б.Е. ПатонИнститут электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.

03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua

Представлен ряд разработок ИЭС им. Е.О. Патона для энергетики, в частности, технологии сварки крупногабаритныхроторов турбин, электронно-лучевой сварки заготовок большой толщины из высокопрочных сталей, технологии сваркипод флюсом и контактной сварки пульсирующим оплавлением труб для магистральных газопроводов большого диамет-ра, технология и оборудование для создания энергосберегающих теплообменных устройств. Отмечены разработки,направленные на повышение коррозионной стойкости твэлов и безопасной эксплуатации АЭС благодаря применениюжаропрочной износостойкой механизированной наплавки коррозионностойкими сплавами трубопроводной арматуры.Представлены практические рекомендации по ремонту магистральных трубопроводов без вывода их из эксплуатации.Выполнены исследования, показавшие возможность применения акустической эмиссии для мониторинга сварных кон-струкций, работающих при высоких температурах. Разработан способ для предотвращения катастрофического выте-кания нефти из разрушенных труб скважин нефтедобывающих платформ. Рис. 20.

Ключ е вы е с л о в а : сварка под флюсом; контактная сварка пульсирующим оплавлением; электронно-лу-чевая сварка; защитные покрытия твэлов; оребренные плоскоовальные трубы; ультразвуковой контроль сварныхшвов; акустическая эмиссия; износостойкая наплавка; техническая диагностика

Развитие энергетики во многом определяет масшта-бы и темпы роста мировой экономики. По самымосторожным оценкам, в XXI в. общее энергопот-ребление на планете удвоится. Наиболее интенсив-но будет расти производство электроэнергии(рис. 1), которое к 2030 г. достигнет 40 % мировогоспроса на энергоресурсы. Уголь, нефть и газ оста-нутся главным источником энергии в ближайшиедесятилетия. Однако их месторождения исчерпы-ваются, а разведка новых требует значительных ин-вестиций. При этом экологические последствия отиспользования ископаемого топлива становятся всебольше угрожающими: атмосферные выбросы ве-дут не только к загрязнению окружающей среды и

ухудшению здоровья населения, но и к глобальнымизменениям климата.

Сегодня усилия мирового сообщества направле-ны на:

• повышение эффективности энергопотребления;• развитие экономически обоснованных источни-

ков энергии;• снижение вредных выбросов с помощью приме-

нения новых технологий и более экологичных видов

Рис. 1. Рост мирового производства электроэнергии Рис. 2. Рынок сварочной техники по состоянию на 2011—2012 гг.

© Б.Е. ПАТОН, 2013

12

топлива, таких как природный газ, атомная энергияи возобновляемые источники. Решение этих слож-ных задач, направленных на создание энергетикибудущего, более чем когда-либо зависит от резуль-татов научных исследований, их быстрого и эффек-тивного использования.

Весомый вклад в создание энергоэффективных,экологически чистых технологий и продуктов вно-сят ученые и специалисты-сварщики. Современноесварочное производство является одной из науко-емких, межотраслевых составляющих мировой эко-номики. В развитых странах с применением свароч-ных технологий производится более половины на-ционального валового продукта. Рынок сварочнойтехники, несмотря на кратковременные спады в пе-риод мировых кризисов, продолжает уверенно ра-сти. В 2012 г. объем мирового рынка сварочнойтехники составил 17 млрд дол. США и, по оценкеэкспертов, в ближайшие пять лет возрастет до22 млрд дол. США. Наибольшую его долю состав-ляет рынок сварочной техники в энергетике (рис. 2).Прогнозируется, что в ближайшие три года он уве-личится на 30 %.

Сегодня имеется мощный арсенал технологий,которые позволяют получать неразъемные соедине-ния различных конструкционных и функциональ-ных материалов. Сварочные технологии дают воз-можность создавать уникальные конструкции энер-гетического оборудования – турбин, энергетичес-ких котлов, корпусов реакторов АЭС и др.

Институт электросварки им. Е.О. Патона вы-полняет большой комплекс работ в области сваркии родственных технологий для энергетической от-расли. Применительно к турбостроению разработа-на и внедрена в производство технология и специа-лизированное оборудование для сборки и автомати-ческой сварки под флюсом в узкую разделку круп-ногабаритных роторов мощных паровых турбин длятепловых и атомных электростанций на одном сбо-рочно-сварочном стенде. При этом роторы цилинд-ров низкого и среднего давления изготавливаютсяиз отдельных дисков, что исключает достаточносложную проблему получения крупногабаритныхтяжелых цельнокованых заготовок для роторовмассой до 200 т и длиной более 10 м. Установка

сборки и сварки укомплектована четырьмя аппара-тами для автоматической сварки под флюсом с прог-раммным управлением процесса раскладки валиковв узкой разделке и системой слежения электродаза дном и стенками разделки кромок (рис. 3).

Для производства изделий энергетического ма-шиностроения необходимо сваривать заготовки извысокопрочной стали большой толщины. Весьмаэффективна для этого электронно-лучевая сварка(ЭЛС), которая обеспечивает высокую производи-тельность сварочного процесса, высокое качествосоединений и минимальные деформации. В ИЭСим. Е.О. Патона выполнены исследования и разра-ботки по созданию технологий и оборудования для

Рис. 3. Автоматическая сварка под флюсом ротора паровой турбины мощностью 1000 МВт для АЭС (а) и макрошлиф металласварного шва ротора паровой турбины (б)

Рис. 4. Макрошлифы поперечного сечения кольцевых швов низ-колегированной стали большой толщины, выполненных много-слойной дуговой сваркой под флюсом (а) и однопроходнойЭЛС (б)

13

ЭЛС конструкционных сталей толщиной до 210 мм(рис. 4). Стабильное формирование сварных соеди-нений и предотвращение дефектов в металле глу-боких швов достигается с помощью развертки лучас его параллельным переносом вдоль и поперек на-правления сварки.

Задача получения сварных соединений высокогокачества значительно усложняется на участке замы-кания кольцевого шва, где возникают корневые де-фекты. Она решена с помощью применения раз-вертки луча, фокусировки пучка в плоскости на10 мм выше середины шва и наклона плоскостистыка и сварочного пучка на угол 10° относительногоризонта. На рис. 5 хорошо видно качественноеформирование закругления в корне шва и полноеотсутствие дефектов.

Созданы новое поколение крупногабаритных ва-куумных камер, технологии их сборки и ЭЛС(рис. 6). Основной отличительной чертой этих ка-мер является использование двух вакуумно-плот-ных и прочных оболочек, соединенных между собойребрами жесткости. Высокая геометрическая точ-ность стенок камеры обеспечивает новые возможно-сти построения высокоточных манипуляторов пуш-ки и изделия. Для управления манипуляторами ивсем процессом сварки разработано программное

обеспечение с удобным графическим интерфейсомоператора.

Разработанная технология ЭЛС высокопрочныхсталей большой толщины имеет перспективы при-менения при изготовлении корпусов реакторовАЭС. Как показывает практика, продолжитель-ность дуговой сварки кольцевых швов в корпусереактора составляет сотни часов, тогда как ЭЛСтакого шва – нескольких часов. Принципиальнаясхема предлагаемой промышленной установки длясварки кольцевых швов корпуса реактора ВВР-1000показана на рис. 7.

Развитие атомной энергетики неразрывно связа-но с повышением безопасности атомных реакторови снижением затрат на их эксплуатацию. Причинойаварийной ситуации на атомной станции Фукусима-1стало химическое взаимодействие циркониевыхоболочек твэлов с паром. Пароциркониевая реакцияпривела к генерации водорода, вследствие чего ипроизошел взрыв. Одним из путей снижения затратна эксплуатацию АЭС является увеличение циклаперезагрузки ядерного топлива, что также требуетповышения коррозионной стойкости циркониевыхсплавов в воде в штатном режиме работы реактора.Поэтому разработка методов и технологии изготов-ления твэлов, обеспечивающих повышение корро-зионной стойкости циркониевых оболочек в воде ипаре в штатном и аварийном режимах работы реак-тора, является актуальной.

Одним из путей решения этой задачи являетсясоздание на поверхности циркониевой оболочкитвэлов защитных покрытий, которые должны обес-печить ей более длительный срок эксплуатации вштатном режиме, а в случае аварийной ситуациисущественно снизить вероятность возникновенияпароциркониевой реакции.

Для решения поставленной задачи были прове-дены исследования, направленные на разработкуметода осаждения толстых покрытий на основе кар-бида кремния на циркониевые оболочки твэлов.Предлагаемый метод основан на использовании раз-работанного в институте высокоскоростного элек-тронно-лучевого осаждения толстых покрытий не-органических материалов. Использование мощныхэлектронно-лучевых пушек в стационарном режимепозволяет испарять в вакууме с большой скоростьюметаллические и керамические вещества и форми-ровать на их основе покрытия с заданной структу-рой. Этот метод может обеспечить осаждение по-крытий на основе карбида кремния со скоростями5...10 мкм/мин и получить покрытия на длинно-мерных оболочках твэлов со скоростью порядка1 м/мин. Отличительной особенностью разрабо-танного метода является возможность совмещенияпроцесса осаждения покрытий с другими процес-сами, которые необходимы для обеспечения высо-кой прочности сцепления подложки и покрытия,модифицирования структуры покрытия и т. п.

Общий вид фрагментов циркониевых оболочектвэлов без покрытия и с покрытием представлен на

Рис. 5. Макрошлифы участка замыкания кольцевого шва приЭЛС стали 15Х2НМФА толщиной 150 мм

Рис. 6. Оборудование ЭЛС, изготавливаемое в ИЭС им. Е.О.Патона

14

рис. 8. Разработанная методика осаждения обеспе-чивает получение однородного по поверхности без-дефектного покрытия с малой шероховатостью ивысокой адгезионной прочностью, с высокой твер-достью, без дефектов как в самом покрытии, так ина границе раздела покрытие-подложка (рис. 9).

ИЭС им. Е.О. Патона совместно с ВНИИНМим. А.А. Бочвара проведены исследования корро-зионной стойкости покрытий при высоких темпера-турах (аварийный режим работы твэлов), которыепоказали их стойкость к окислению. Как видно изрис. 10, в процессе испытания покрытие сохраняетцелостность и хорошее сцепление с подложкой,тогда как образцы без покрытия при тех же усло-виях испытывают интенсивную коррозию в непо-крытой области циркониевого образца.

ИЭС им. Е.О. Патона совместно с Киевским по-литехническим институтом разработал технологиюи оборудование для поперечного оребрения плоско-

Рис. 7. Принципиальная схема промышленной установки для ЭЛС кольцевых швов корпуса реактора ВВР-1000 (а) и схема корпусареактора (б)

Рис. 8. Общий вид фрагментов циркониевых оболочек без по-крытия (а) и с покрытием (б) на основе карбида кремния

Рис. 9. Микроструктура покрытий на основе карбида кремния

Рис. 10. Общий вид циркониевых образцов до (а) и после (б)испытания на коррозионную стойкость покрытий при высокойтемпературе

15

овальных труб способом контактной сварки и созда-ния на их основе широкой номенклатуры энергос-берегающих теплообменных устройств (рис. 11).Поперечное оребрение плоскоовальных труб спосо-бом контактной сварки имеет ряд неоспоримых пре-имуществ: высокую технологичность без примене-ния расходуемых материалов; практически идеаль-ный термический контакт между ребрами и трубой;высокую интенсивность конвективного теплообме-на; низкое аэродинамические сопротивление. Примодернизации котлов средней и малой мощностивесьма эффективным способом экономии топливаявляется применение экономайзеров с плоскооваль-ными оребренными трубами. При этом достигаетсябольшой экономический эффект.

В связи с возрастающей потребностью мировойэкономики в энергоресурсах задача обеспечения на-дежной транспортировки углеводородного топлива израйонов его добычи к основным потребителям явля-ется чрезвычайно актуальной. Несмотря на развитиеальтернативных способов (перевозка сжиженногогаза танкерами или компримированного газа в спе-циальных сосудах), трубопроводный транспорт по-прежнему остается преимущественным средством до-ставки природного газа к потребителям.

Исследована новая многодуговая технологиясварки под флюсом с комбинированным питаниемдуг для улучшения качественных показателей свар-ных соединений за счет оптимизации фазировкидуг, режимов их горения и установочных парамет-ров электродов. Для заводского изготовления трубразработаны 4- и 5-дуговые процессы сварки с по-

вышенным до 1900 А током передней дуги, что по-зволило уменьшить размеры разделки кромок, по-высить скорость сварки и снизить расходы свароч-ных материалов (рис. 12). Дополнительным пре-имуществом в этом случае является благоприятнаяконфигурация линии сплавления, что улучшает ре-зультаты испытания на ударный изгиб металласварных соединений, особенно толстостенных труб.Технология рекомендована для сварки труб с тол-щиной стенки от 25 до 50 мм.

При изготовлении труб с небольшой и среднейтолщиной стенки можно применять многодуговуюсварку с электродом меньшего диаметра (3,2 мм)на первой дуге, отличающуюся глубоким проваром,достаточно благоприятным формированием швов инекоторым cнижением погонной энергии.

Для обеспечения высоких показателей вязкостив институте разработана система управления хими-ческим составом и структурой металла шва труб.Она основана на использовании многодуговой свар-ки под флюсом, при которой на отдельных дугахустанавливаются сварочные проволоки разного хи-мического состава, что позволяет дозированно сбольшой точностью регулировать содержание леги-рующих элементов в металле шва в зависимости отсостава применяемой трубной стали, режимов свар-ки и других факторов. При изготовлении труб наи-большее распространение получило сочетание агло-мерированного алюминатного флюса небольшой ос-новности и сварочных проволок, содержащих мар-ганец, молибден, или марганец, никель, молибден,или марганец, молибден, титан, бор. Требуемый хи-

Рис. 11. Плоскоовальные трубы с поперечным оребрением для энергосберегающих теплообменных устройств: а – схема потокатеплоносителя; б – элементы труб; в – секция экономайзера-утилизатора мощностью 0,2 МВт; г – автоматизированная установкадля контактной сварки плоскоовальных труб

16

мический состав шва достигается путем измененияколичества дуг со сварочной проволокой той илииной системы легирования и различной скорости ееподачи на отдельных дугах. Управление химичес-ким составом металла шва труб обеспечивает полу-чение наиболее благоприятной его структуры. Нарис. 13, в показана микроструктура металла про-дольного шва газо- и нефтепроводной трубы диа-метром 1420 мм с толщиной стенки 25 мм из сталикласса прочности К60 (категории Х70), состоящейиз 85...90 % игольчатого феррита и менее 1 % меж-зеренного полигонального феррита. Такая структу-ра гарантирует высокие вязкие характеристики ме-талла шва, например, ударную вязкость в пределах180...200 Дж/см2 на образцах с острым надрезомпри температуре —30 °С.

Разработанное сочетание сварочных материалови новые процессы многодуговой сварки под флю-сом, в том числе с повышенным током переднейдуги, включая рекомендации по оптимизации режи-мов и установочных параметров, реализованы наразличных трубосварочных заводах Украины иРоссийской Федерации при изготовлении труб столщиной стенки от 16 до 40 мм из стали классапрочности К60-К65 (категории Х70-Х80) для маги-стральных трубопроводов.

При строительстве магистральных трубопрово-дов ИЭС им. Е.О. Патона совместно с организация-ми ОАО «Газпром» накопил большой опыт исполь-зования контактной стыковой сварки неповоротныхстыков трубопроводов в полевых условиях в раз-личных климатических зонах, в частности в рай-онах Крайнего Севера. Комплексами «Север»(рис. 14) и другими сварочными машинами контак-тным способом было сварено более 70 тыс. км раз-личных трубопроводов, в том числе больших диа-метров, которые успешно эксплуатируются.

В настоящее время институт разрабатывает но-вый процесс контактной сварки труб, получившийназвание «пульсирующее оплавление» (КСО). Но-визна заключается в том, что благодаря примене-

нию быстродействующих систем управления сва-рочной машиной и новых алгоритмов управлениявозможна значительная интенсификация нагревапри одинаковой установленной мощности источни-ка электрического питания.

Процесс пульсирующего оплавления имеет рядпреимуществ по сравнению с непрерывным оплав-лением. Так, режим сварки с использованием пуль-сирующего оплавления уменьшает время сваркикольцевого стыка по сравнению с непрерывным с3,5...4 мин до 2 мин, а припуск на оплавление сок-ращается почти в 2 раза. Последнее весьма сущес-твенно, так как при этом снижаются соответственно

Рис. 13. Микроструктура (×500) металла швов труб из стали класса прочности К60, выполненных с применением различныхсварочных материалов: а – Mn—Mo система легирования, кислый плавленый флюс, полигонального феррита 20...25 %; игольчатого35...45 %; KV—30 = 27...30 Дж/см

2; б – Mn—Ni—Mo система легирования, алюминатный агломерированный флюс небольшой

основности, полигонального феррита 3...5 %, игольчатого 75...80 %; KV—30 = 80...100 Дж/см2; в – Mn—Mo—Ti-B система

легирования, алюминатный агломерированный флюс небольшой основности, полигонального феррита менее 1 %, игольчатого 85......90 %; KV—30 = 180...200 Дж/см

2

Рис. 12. Многодуговая сварка под флюсом трубы диаметром1420 мм с толщиной стенки 40 мм: а – 5-дуговая сварка на-ружного шва, скорость 110 м/ч; б – 4-дуговая сварка внутрен-него шва, скорость 100 м/ч; в – макрошлиф сварного соеди-нения трубы

17

потери металла. Благодаря использованию системавтоматического регулирования скорости оплавле-ния удалось получить качественную сварку применьших удельных мощностях, чем при сварке трубкомплексами «Север». Поэтому при сварке трубдиаметром 1420 мм с толщиной стенки 27 мм приме-ним источник с установленной пиковой мощностьюдо 1300 кВ⋅А.

В соответствии с требованиями международныхстандартов АРІ1104 и DNV-OS-F101 были опреде-лены механические свойства сварных соединений всостоянии после сварки и после термообработки.Так, в состоянии после сварки предъявляемым тре-бованиям удовлетворяют показатели прочности(σв = 516,0...523,6 МПа) и угол загиба (180° приотсутствии трещин), а ударная вязкость ниже нор-мативных требований (KCV+20 = 13,3...17,1; KCV—20 == 6,1...9,7 Дж/см2) из-за наличия в зоне термичес-кого влияния крупнозернистой структуры с повы-шенным содержанием феррита.

Для увеличения ударной вязкости разработанатехнология термообработки соединений, выполнен-ных КСО, с использованием локального индук-ционного нагрева после сварки. Механическиесвойства сварных соединений в состоянии послетермообработки следующие: σв = 550,6......561,4 МПа, угол загиба 180°, Па, KCV+20 == 147,9...219,5, KCV—20 = 86,8...171 Дж/см2. Ус-тановлено, что наиболее высокие показатели удар-

ной вязкости сварных соединений, выполненныхКСО на стали класса прочности К56, могут бытьполучены при температурах нормализации 950......1000 °С и длительности нагрева в пределах 2,5......3,0 мин (рис. 15), а охлаждение после нагрева до-лжно проводиться со скоростью не меньше 8 °С/с.

При испытаниях контрольной партии соедине-ний, сваренных на оптимальном режиме с последую-щей термической обработкой, качество соединенийполностью удовлетворяет требованиям стандартов.

Одновременно с разработкой технологии сваркибыли определены алгоритмы выявляемости дефек-тов соединений, выполненных КСО с использова-нием средств современной ультразвуковой дефек-тоскопии. Разработаны также системы и алгоритмыоперационного компьютеризированного контроляпараметров сварки, позволяющего оценивать качест-во соединений сразу же после окончания сварки.При этом автоматическая система дает в печатномвиде документ на каждый стык, в котором указы-ваются реальные значения всех параметров процес-са сварки, их отклонения от заданных программойзначений и оценка качества соединений.

Разработана технология неразрушающего конт-роля кольцевых швов толстостенных труб, выпол-ненных КСО. Технология базируется на использо-вании эхозеркального метода ультразвукового кон-троля, который реализуется с помощью преобразо-вателей, включенных по схеме тандем.

Характерно, что дефекты при КСО расположе-ны в одной плоскости соединения. При КСО толс-тостенных труб эта плоскость всегда перпендику-лярна оси трубы, что облегчает локацию дефектов,при которой можно не учитывать все сигналы отструктурной неоднородности металла, поступаю-щие от участков, которые расположены за преде-лами плоскости соединения. Выделены две кате-гории дефектов, которые могут быть выявлены уль-тразвуковым контролем: дефекты, связанные с хи-мической неоднородностью металла, и дефекты,вызванные нарушениями режима сварки. Опреде-лены алгоритмы оценки дефектов соединений, вы-полненных КСО, которые гармонизированы с эта-лонами при ультразвуковом контроле соединений,выполненных электродуговыми способами сварки.

В результате этих исследований сертифицирова-на технология неразрушающего контроля соедине-ний труб, полученных КСО, требуемая в соответст-вии с нормативами как обязательная операция.

В результате выполненных исследований ИЭСим. Е.О. Патона совместно с заводом «Псковэлек-тросвар» разработал комплекс оборудования дляКСО морских трубопроводов диаметром 1219 мм столщиной стенки 27 мм для использования на тру-боукладочной барже (рис. 16). Комплекс изготов-лен и проходит испытания.

Эксплуатационная надежность работы тепло-вых и атомных электростанций в значительной мерезависит от герметичности и высокой износостойко-сти уплотнительных поверхностей трубопроводнойарматуры. Эрозионный и коррозионный износ, тре-

Рис. 14. Комплекс «Север» для сварки труб магистральных неф-те- и газопроводов

Рис. 15. Зависимость средних значений ударной вязкости от вре-мени выдержки при температуре термической обработки 1000 °С

18

щины термической усталости, а также появлениезадиров на трущихся поверхностях – основныепричины выхода трубопроводной арматуры изстроя.

Разработаны материалы, технология и оборудо-вание для механизированной наплавки деталейэнергетической трубопроводной пароводяной арма-туры высоких параметров всех типоразмеров. Ши-роко используется наплавка жаропрочными износо-и коррозионностойкими сплавами, что позволилосущественно продлить срок службы арматуры иповысить ее надежность. Совершенствование про-цессов наплавки уплотнительных поверхностей ар-матуры будет идти по пути ее автоматизации и соз-дания новых износостойких сплавов.

В институте разработаны практические рекомен-дации по ремонту сваркой магистральных трубоп-роводов без вывода их из эксплуатации. Они вклю-чают комплекс методик и инженерных руководствпо оценке состояния магистральных трубопроводовс обнаруженными дефектами, а также по планиро-ванию ремонта сваркой под давлением. Примени-тельно к типичным дефектам магистральных трубо-проводов (локальные и общие коррозионные по-вреждения металла, трещины, дефекты формы)предложены критерии для оценки их допустимостис позиций степени снижения несущей способноститрубопровода как при эксплуатации, так и во времяремонта (рис. 17). Особое внимание уделено вопро-сам планирования ремонтных работ с использова-нием различных усиливающих конструкций: свар-ных бандажей, герметичных муфт, муфт с компа-ундным наполнителем.

Поскольку оборудование для тепловых и атом-ных электростанций работает при высоких темпе-

ратурах и давлениях, то применение традиционныхсредств неразрушающего контроля в процессе экс-плуатации невозможно. Поэтому необходимо созда-

Рис. 16. Комплекс для контактной стыковой сварки оплавлениемморских трубопроводов диаметром 1219 мм с толщиной стенки27 мм

Рис. 17. Зависимость критической длины дефекта типа локально-го утонения sкр от минимальной допустимой толщины δmin стенкитрубы 1420×20 мм из стали 17Г1С при различном внутреннемдавлении: 1 – 4,5; 2 – 5,25; 3 – 6,0; 4 – 7,5 МПа

Рис. 18. Сопоставление сигналов акустической эмиссии в растя-гиваемых образцах из стали 15Х1М1Ф при комнатной темпера-туре (а) и 500 °С (б) (А – амплитуда; Av – амплитуда непре-рывной эмиссии; Р – нагрузка)

19

ние методов и средств для мониторинга техническо-го состояния энергетических объектов. Были про-ведены исследования, которые впервые показаливозможность применения метода акустическойэмиссии для этой цели.

На рис. 18 приведены графики испытаний нарастяжение образцов из стали 15Х1М1Ф при ком-натной температуре и 500 °С. Как видно, сохраня-ется акустическая активность на всех стадиях де-формирования материала при высокой температу-ре, что позволяет прогнозировать разрушающие на-грузки с достаточной достоверностью.

Разработана и реализуется «Программа работнепрерывного акустико-эмиссионного мониторингана оборудовании ТЭЦ «Киевэнерго». На первомэтапе исследованы диагностические контрольныепараметры трубопроводов горячего промежуточно-го перегрева, подогревателей высокого давления идеаэратора, создана и смонтирована система непре-рывного мониторинга трубопроводов промежуточ-ного перегрева.

Система запущена в опытную эксплуатацию(рис. 19). Принято решение по внедрению средстви технологии непрерывного акустико-эмиссионногомониторинга оборудования других ТЭЦ.

Как известно, к тяжелым экологическим послед-ствиям приводят аварии на нефтегазовых промыс-лах. Одна из таких аварий произошла в 2010 г. вМексиканском заливе на нефтедобывающей плат-

форме, где из поврежденной скважины на глубине1500 м произошло неконтролируемое вытеканиенефти. Специалисты института разработали способсоединения разрушенных труб скважин во времявытекания нефти. Был разработан и изготовлен сое-динительный модуль, который успешно прошел ис-пытания (рис. 20). Функциональная схема его ра-боты заключается в следующем. С помощью грузо-подъемных механизмов опускается модуль к по-врежденной части скважины. Он захватываетсятехнологическими устройствами, которые удержи-вают модуль в вертикальном положении и не даютвозможности вытекающему потоку сбросить его в сто-рону. При этом не происходит динамического удараи срыва модуля с места закрепления благодаряимеющимся в конструкции модуля необходимымотверстиям, которые обеспечивают свободное выте-кание интенсивного потока нефти в окружающуюсреду. Затем эти отверстия модуля перекрываются.Для этого используются гидроцилиндры и специаль-ные шторки, предусмотренные конструкцией модуля.После завершения работы гидроцилиндров и перек-рытия отверстий модуля нефть направляется в нуж-ном направлении по трубопроводу.

Таковы разработки института, предназначенныедля современной энергетики. Исследования и со-здание новых технологий продолжаются.

A number of developments of E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine for power generation arepresented, in particular, technologies of welding large-sized turbine rotors, electron beam welding of thick billets fromhigh-strength steels; technologies of submerged-arc and pulsed flash-butt welding of pipes for large-diameter main gaspipelines, technology and equipment for manufacturing energy-saving heat exchangers. Developments are noted, whichare aimed at improvement of corrosion resistance of fuel elements and safe operation of NPP due to application of heat-and wear resistant mechanized cladding of pipeline fittings by corrosion-resistant alloys. Practical recommendations aregiven on main pipeline repair without taking them out of operation. Research has been performed to demonstrate thepossibility of acoustic emission application for monitoring welded structures exposed to high temperatures in service. Amethod has been developed to prevent catastrophic outflow of oil from broken pipes of oil platform wells. Figures 20.

K e y w o r d s : submerged-arc welding; pulsed flash-butt welding; electron beam welding; protective coatings of fuelelements; finned plane-oval pipes; ultrasonic testing of welds; acoustic emission; wear-resistant cladding; technicaldiagnostics

Поступила 01.07.2013

Рис. 20. Модуль для соединения разрушенных труб скважин

Рис. 19. Одна из точек измерения акустико-эмиссионной актив-ности трубопровода промежуточного перегрева пара КиевскойТЭЦ-6

20

УДК 669.187.56.001.3

ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ДЛЯ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМОЙ

ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ ПЛАВКИ*

А.Т. Назарчук1, И.В. Протоковилов1, В.Б. Порохонько1,Ю.П. Ивочкин2, И.О. Тепляков2

1Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.03680, г. Киев, ул. Боженко 11. E-mail: office@paton.kiev.ua.

2Объединенный институт высоких температур РАН.125412, г. Москва, ул. Ижорская, д. 13, стр. 2. E-mail: vortex@iht.mpei.ac.ru.

Рассмотрены некоторые особенности создания импульсных магнитных полей для воздействия на кристаллизациюметалла в процессе магнитоуправляемой электрошлаковой плавки. Предложены способы интенсификации элект-ромагнитного воздействия на металлургическую ванну, основанные на использовании энергии электрических раз-рядов емкостных накопителей на внешний магнитный контур. Разработана экспериментальная аппаратура, вклю-чающая источник питания для генерирования электрических разрядов энергией до 1850 Дж, и магнитный контурв виде соленоида с дисковыми обмотками, охватывающими кристаллизатор. Изучены характеристики электрическихразрядов при различном количестве витков магнитного контура. Показана целесообразность комплексного подходак интенсификации электромагнитного воздействия посредством оптимизации параметров как источника разрядов,так и соответствующих магнитных контуров. Проведены экспериментальные исследования влияния импульсныхмагнитных полей на режимы плавки и кристаллизацию металла в процессе выплавки слитков титановых сплавов.Показана возможность при достаточной энергии разрядов и оптимальном количестве витков магнитного контурауправлять порционными тепловложениями в процессе плавки, а также кристаллизацией металла слитков. При этомдля улучшения качества поверхности слитков предложено воздействие осуществлять сериями импульсов, череду-ющихся с паузами. Библиогр. 6, табл. 1, ил. 8.

Ключ е вы е с л о в а : магнитоуправляемая электрошлаковая плавка; импульсное магнитное поле; емкостныйнакопитель энергии; электрический разряд; магнитный контур; соленоид; макроструктура

Перспективным направлением интенсификацииэлектромагнитного воздействия на гидродинамикуэлектрошлакового процесса является использова-ние импульсных магнитных полей [1—3]. Возмож-ность такой интенсификации при магнитоуправля-емой электрошлаковой плавке (МЭП) с помощьюимпульсного магнитного поля впервые была пока-зана в работе [1]. Однако здесь для создания им-пульсных магнитных полей использовали тради-ционные источники питания магнитных контуров.

В данном случае обеспечение эффективных им-пульсных воздействий затруднено из-за необходи-мости создания высоких значений магнитной ин-дукции в зоне плавки (0,2...0,5 Тл). Данная тен-денция усугубляется с увеличением диаметра вы-

плавляемого слитка, что связано с необходимостьюсоздания магнитных контуров с чрезмерными мас-согабаритными показателями, обеспечивающимитребуемые значения магнитной индукции.

Для интенсификации импульсного влияния маг-нитных полей на гидродинамику процесса плавкиизучали использование энергии электрических раз-рядов емкостных накопителей на внешний магнит-ный контур или непосредственно на зону плавки[2, 3]. Создано экспериментальное оборудование,необходимое для исследований с применением раз-личных способов гидродинамического воздействияна металлургический расплав за счет использованияэнергии электрических разрядов. Установлена прин-ципиальная возможность воздействия электрически-

© А.Т. НАЗАРЧУК, И.В. ПРОТОКОВИЛОВ, В.Б. ПОРОХОНЬКО, Ю.П. ИВОЧКИН, И.О. ТЕПЛЯКОВ, 2013

*Работы выполнены при поддержке Государственного фонда фундаментальных исследований Украины (проект № Ф53.7/027) иРоссийского фонда фундаментальных исследований (проект Укр_ф_а № 13-08-90444).

21

ми разрядами емкостных накопителей на кристал-лизацию металла слитков [2].

В ходе исследований показана необходимостьпроведения комплексной разработки и совершен-ствования источника генерирования электричес-ких разрядов и соответствующих магнитных кон-туров для создания мощных импульсных магнит-ных полей.

Цель настоящей работы заключалась в совер-шенствовании магнитогидродинамических (МГД)устройств для создания импульсных магнитных по-лей, в том числе соответствующих магнитных кон-туров и оптимизации режимов воздействия на про-цессы плавки и кристаллизации металла.

Остановимся на следующем. Первоначально дляуправления структурообразованием слитков приМЭП использовали поперечное магнитное поле [4,5]. Для его создания применяли магнитные контурыс металлическими магнитопроводами, массогаба-ритные показатели которых повышались с увели-чением магнитных зазоров, определяемых типо-размерами кристаллизаторов. Именно эти конст-руктивные особенности магнитных контуров непозволяли создавать поля с уровнем магнитнойиндукции, необходимым для управления кристал-лизацией металла.

Переход на использование продольных магнит-ных полей с применением магнитных контуров ввиде соленоидов, охватывающих кристаллизатор,

позволил существенно уменьшить массогабаритныепоказатели контуров (по сравнению с контурамидля поперечного магнитного поля) и повысить маг-нитную индукцию в зоне плавки до 0,35 Тл, осо-бенно при использовании импульсных магнитныхполей [1]. Однако для обеспечения таких значениймагнитной индукции потребовалось создание мно-говитковых водоохлаждаемых магнитных конту-ров, что опять-таки привело к увеличению массо-габаритных показателей последних (рис. 1).

Выход может быть найден, как отмечалось и вработах [2, 3], посредством использования им-пульсных электромагнитных полей. Основной ак-цент здесь сделан на получении больших значенийпиковых токов, формирующих импульсные маг-нитные поля, с помощью неохлаждаемых низко-омных и, по возможности, маловитковых маг-нитных контуров в виде соленоидов, охватыва-ющих кристаллизатор.

Методика работы предусматривала создание исовершенствование экспериментального источникапитания для генерирования электрических разря-дов и магнитного контура в виде соленоида с диско-выми обмотками.

В ходе испытаний нового экспериментальногооборудования основное внимание уделяли оценкевозможности повышения эффективности МГД воз-действия за счет импульсных магнитных полей, обе-спечивающих порционное тепловложение в процес-се плавки.

Обсуждение результатов разработок, представ-ленных на рис. 2—8, сводится к следующим поло-жениям.

Принципиальная электрическая схема экспери-ментального источника питания для генерированияэлектрических разрядов (рис. 2) разработана наоснове использования двухполупериодного накоп-ления электрических зарядов двумя синхронно уп-равляемыми цепями, разряды которых на магнит-ный контур могут осуществляться как последова-тельно, так и одновременно. Для увеличения энер-гии разрядов отдельных импульсов их необходимопроизводить одновременно.

Генерирование энергии осуществляется двумяблоками емкостных накопителей общей емкостью0,07 Ф при рабочем напряжении до 350 В. Дляуправления продолжительностью заряда и разрядаиспользуют логический модуль SRB1218D. Зарядыи разряды соответствующих контуров осуществля-ются тиристорными ключами. С целью управленияразрядами тиристорные ключи выбраны с учетомтаких характеристик в открытом состоянии, какударный ток (примерно 21 кА), критическая ско-рость нарастания тока (320 А/мкс) при максималь-но допустимом действующем токе 1960 А. С учетомвозможности одновременного разряда двухконтур-ного накопителя уровень максимального тока можетдостигать 3920 А. Такие характеристики обеспечи-вают тиристоры Т143-1250-12.

Рис. 1. Кристаллизатор с водоохлаждаемым магнитным контуром

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема эксперименталь-ного источника генерирования электрических разрядов с исполь-зованием емкостных накопителей: 1, 2 – клеммы соответственноисточника питания и нагрузки

22

Магнитный контур выполнен в виде соленоидас дисковыми обмотками (рис. 3), охватывающегокристаллизатор с внутренним сечением 80×80 мм.Общее количество витков медной шины сечением25×3 мм составляло 63. При этом конструкция со-леноида предусматривала возможность измененияколичества витков, включенных в цепь магнитногоконтура.

Указанные параметры источника питания и маг-нитного контура требуются для обеспечения макси-мально возможных пиковых токов разрядов. Приэтом количество витков магнитного контура необ-ходимо выбирать исходя из условий обеспечениятребуемой индукции магнитного поля в зоне плавкипри минимально возможном полном сопротивлении(импедансе) обмоток контура. Без учета этих заме-чаний использовать энергию разряда на магнитныйконтур малоэффективно.

Результаты измерений характеристик разрядапри различном количестве витков магнитного кон-тура приведены в таблице и на рис. 4, 5. Указанныеданные позволяют оптимизировать количество вит-ков магнитного контура. Для используемого крис-

таллизатора оно составляет 50...60 витков (5-6 дис-ковых обмоток). При меньшем количестве витковнесмотря на существенное увеличение пиковыхтоков уровень разряда (определяемый площадьюимпульса тока на рис. 4) снижается. Возрастаниеколичества витков свыше 53 не приводит к по-вышению уровня разряда отдельного импульса, вто же время габариты магнитного контура уве-личиваются.

Следует отметить, что экспериментальные зна-чения пиковых токов несколько отличаются от рас-четных, что, вероятно, связано с погрешностями ме-тодики измерений либо недостаточно эффективнымприменением тиристорных ключей в разрядныхцепях для получения требуемых пиковых токов.

Важное влияние на кристаллизацию металласлитков имеет уровень энергии разрядов отдельныхимпульсов, который зависит от емкости накопителяэнергии и напряжения заряда [6]. В проведенныхэкспериментах значения напряжения заряда не пре-вышали 225...230 В (до 1850 Дж). В настоящеевремя ведутся работы по использованию повышен-ных напряжений заряда ( 310 В).

Установлено, что положительных результатовпо измельчению кристаллической структуры слит-

Рис. 3. Принципиальная схема соленоида с дисковыми обмотка-ми: Н, К – начало и конец обмотки; I—III – контактные пере-мычки; 1—20 – витки соленоида

Рис. 4. Экспериментальные зависимости разрядных токов от времени разряда при различном количестве витков n магнитногоконтура (напряжение разрядного контура 225...230 В)

Результаты измерений характеристик разряда при разномколичестве витков магнитного контура

Количество витков

Пиковыйток, А

Количествоампер-витков

Длительность разряда, с

Разряд, А⋅с

10 8150 81500 0,0155 42

20 5350 107000 0,030 50

30 4000 120000 0,040 57

43 2920 125560 0,066 62

53 2500 132500 0,078 64

63 2200 138600 0,091 64

Примечание. Во всех случаях энергия электрических заря-дов составляла 1770...1850 Дж.

23

ков достигали только в том случае, когда импуль-сное воздействие внешнего магнитного поля вызы-вало циклические пульсации тока плавки, приво-дящие в свою очередь к порционным тепловложе-ниям в процессе плавки [1, 2].

Экспериментально определено, что эффектив-ное управление процессом кристаллизации слитковвозможно лишь в том случае, если импульсное маг-нитное поле, достигая определенного уровня, обе-спечивает ощутимое падение тока плавки (до 50 %его номинального значения и более). В условияхМЭП такое взаимодействие зависит от тока плавки(плотности тока в расплаве) и магнитной индукцииполя, определяемой количеством ампер-витков маг-нитного контура.

При использовании в процессе плавки импуль-сных магнитных полей для оценки эффективностиМГД воздействия применяли уровень энергии раз-

рядов отдельных импульсов. При этом учиты-вали, что с увеличением поперечного сечения со-леноида магнитного контура (при прочих неиз-менных параметрах) эффективность МГД воздей-ствия уменьшается.

На рис. 6 представлены регистрограммы процес-сов плавки в кристаллизаторах диаметрами 60 и120 мм, характеризующие возможность управлятьзначениями рабочих токов плавки в зависимости отэнергии разрядов и поперечного сечения соленоидамагнитного контура, определяемого сечением крис-таллизатора. Приведенные данные показывают, чтос помощью изменения уровня энергии разрядовпредставляется возможным управлять порционны-ми тепловложениями в процессе МЭП и кристал-лизацией металла. О недостаточном влиянии энер-

Рис. 6. Регистрограммы процессов плавок в кристаллизаторах диаметром 60 (а) и 120 мм (б) с использованием электрическихразрядов на магнитные контуры (плавки № 749 и 775)

Рис. 5. Экспериментальные зависимости пиковых токов (1) изначений ампер-витков (2) от количества витков магнитного кон-тура N

Рис. 7. Характер изменения тока плавки при воздействии серия-ми разрядов на внешний магнитный контур: а – продолжитель-ность заряда и разряда соответственно 0,8 и 0,1 с; б – про-должительность заряда и разряда соответственно 0,2 и 0,1 с

24

гии разрядов на процесс плавки свидетельствуютрегистрограммы тока, представленные на рис. 7.

Соответствующие макрошлифы слитков как впервом, так и во втором случаях показаны на рис. 8.Очевидно, что уровень энергии разряда, необходи-мый для управления кристаллизацией металла, су-щественно зависит не только от количества виткови поперечного сечения соленоида, но и от попереч-ного сечения выплавляемого слитка (на рис. 8, аколичество витков соленоида равняется 40, попе-речное сечение слитка – 2826 мм2; на рис. 8, бколичество витков соленоида составляет 60, попе-речное сечение слитка – 6400 мм2). Представлен-ные на рис. 8, б результаты свидетельствуют о не-достаточном МГД воздействии на кристаллизациюслитка, что, по-видимому, следует связывать с не-достаточной энергией разрядов. С целью повыше-ния эффективности МГД процессов для различныхкристаллизаторов, соответствующих им магнитныхконтуров и используемых энергий разрядов требу-ются дополнительные исследования.

Для повышения эффективности МГД воздейст-вия разрядные импульсы целесообразно осуществ-лять отдельными сериями (3...7 импульсов на про-тяжении 1,0...3,5 с, чередующиеся с паузами 5......15 с, когда упомянутые разряды не действуют –рис. 7). При оптимально выбранной продолжитель-ности периодов зарядов и разрядов эффективностьвоздействий будет выше при большей частоте ихследования в отдельных сериях (рис. 7, б). Опти-мизацию упомянутых параметров следует исполь-зовать преимущественно для улучшения поверхно-

сти слитков в условиях интенсивного порционноготепловложения. Такое тепловложение может бытьобусловлено применением требуемых значенийэнергии разрядов и соответствующим количествомвитков магнитных контуров в зависимости от типо-размеров кристаллизаторов.

В целом анализ накопленных результатов и ихиспользование позволяют упростить выбор и опти-мизацию основных параметров источника электри-ческих разрядов и магнитных контуров, создающихимпульсные магнитные поля при МЭП, с учетомрационального сочетания их взаимного влияния.

Выводы

1. Разработаны МГД устройства для создания им-пульсных магнитных полей при МЭП, включающиеисточник генерирования электрических разрядов имагнитный контур в виде соленоида с дисковымиобмотками.

2. Определяющими параметрами МГД воздей-ствия являются уровень энергии разрядов отдель-ных импульсов для источника электрических разря-дов и количество витков соленоида (для магнитногоконтура), его конструктивные особенности при ус-ловии обеспечения минимально возможного общегоэлектрического сопротивления соленоида.

3. Показана возможность эффективного управ-ления кристаллизацией металла посредством воз-действия импульсным магнитным полем при доста-точной энергии разрядов и оптимальном количествевитков магнитного контура.

Рис. 8. Макроструктура титановых слитков, выплавленных с использованием электрических разрядов на внешний магнитныйконтур: а – слиток диаметром 60 мм, энергия разряда 1134 Дж (плавка № 749); б – слиток сечением 80х80 мм, энергия разряда1746 Дж (плавка № 805)

25

4. Для улучшения поверхности слитков в усло-виях порционного тепловложения, вызванноговнешним импульсным магнитным полем, воздейст-вие целесообразно осуществлять сериями импуль-сов, чередующихся с паузами.

1. Компан Я.Ю., Назарчук А.Т., Протоковилов И.В. К во-просу интенсификации электромагнитного воздействияпри магнитоуправляемой электрошлаковой плавке титано-вых сплавов // Современ. электрометаллургия. –2007. – № 4. – С. 3—7.

2. Возможности использования импульсных электромагнит-ных воздействий в электрошлаковых процессах /

Я.Ю. Компан, А.Т. Назарчук, И.В. Протоковилов,Д.А.Петров // Там же. – 2012. – № 2. – С. 8—13.

3. Пат. 9777 Україна, МПК Н 05 В 3/60; С 22 В 34/12.Спосіб магнітокерованої електрошлакової плавки титано-вих сплавів / Я.Ю. Компан, А.Т. Назарчук, И.В. Прото-ковилов. – Опубл. 12.03.2012, Бюл. № 5.

4. Компан Я.Ю., Щербинин Э.В. Электрошлаковая сваркаи плавка с управляемыми МГД-процессами. – М.: Ма-шиностроение, 1989. – 272 с.

5. Протоковилов И.В, Компан Я.Ю. Вибрация расплавапри магнитоуправляемой электрошлаковой плавке (МЭП)в поперечном магнитном поле // Сварка и смежные тех-нологии: Мат. II всеукр. науч.-техн. конф. молодых уче-ных и специалистов. – Киев, 2003. – С. 58.

6. Электротехника / Под ред. В.С. Пантюшина. – М.;Л.: Гос. энергетич. изд-во, 1960. – 632 с.

Some features of inducing pulsed magnetic fields for acting on metal solidification during magnetically-controlledelectroslag melting are considered. Methods of intensification of electromagnetic impact on metallurgical bath areproposed, which are based on application of energy of capacitive storage electric discharges to external magnetic circuit.Experimental system has been developed, including a power source for generation of electric discharges with up to 1850 Jenergy, and a magnetic circuit in the form of a solenoid with disc windings enclosing the mould. Characteristics ofelectric discharges at different number of magnetic circuit turns have been studied. The paper shows the rationality ofan integrated approach to electromagnetic impact intensification through optimization of parameters of both the dischargesource and the respective magnetic circuits. Experimental investigations of the influence of pulsed magnetic fields onmetal melting and solidification modes during melting of titanium alloy ingots have been performed. Ability to controldiscrete heat input during melting, as well as ingot metal solidification at sufficient discharge energy and optimumnumber of magnetic circuit turns, is demonstrated. To improve ingot surface quality, it is proposed to apply the impactin the form of series of pulses alternating with pauses. Ref. 6, Table 1, Figures 8.

K e y w o r d s : magnetically controlled electroslag melting; pulsed magnetic field; capacitive storage; electric disc-harge; magnetic circuit; solenoid; macrostructure

Поступила 19.06.2013

26

УДК 539.234+536.4

ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕМНОГОСЛОЙНЫХ ВАКУУМНЫХ КОНДЕНСАТОВ Ti/Al

ПРИ НАГРЕВЕ В УСЛОВИЯХ ПОСТОЯННОДЕЙСТВУЮЩИХ НАГРУЗОК

А.И. Устинов1, Т.В. Мельниченко1, А.Е. Шишкин21Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.

03680, г. Киев, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua2Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины.

03680, г. Киев-142, бульв. Акад. Вернадского, 36. E-mail: shiskin@imp.kiev.ua.

Показано, что многослойные фольги Ti/Al при нагреве в условиях постоянно действующей растягивающей нагрузки,не превышающей предел текучести, могут пластически деформироваться. Установлено, что фазовые превращенияпри нагреве и структура многослойной фольги оказывают существенное влияние на механические свойства, чтопроявляется в немонотонном изменении степени пластической деформации при постоянной нагрузке в зависимостиот температуры. Обнаружено два температурных интервала, в которых происходит интенсивная пластическаядеформация фольги – низко- (350...650 °С) и высокотемпературный (выше 700 °С). Немонотонное влияние нагревана пластическое течение многослойных фольг Ti/Al под действием постоянно приложенных нагрузок в низкотем-пературной области их пластической деформации связывается с протеканием в них фазовых превращений, сопро-вождаемых порообразованием, а в высокотемпературной области обусловлено реализацией в сформированной интер-металлидной фольге механизма сверхпластической деформации, который становится возможным при столь низкихтемпературах из-за субмикронного и наномасштабного размеров зерен интерметаллида TiAl и наличия в фольгепор. Особенности деформационного поведения многослойной фольги Ti/Al влияют на возможность их практичес-кого использования при диффузионной сварке давлением. Библиогр. 13, табл. 1, ил. 9.

Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевое осаждение; многослойная фольга; титан; алюминий; структура;фазовые превращения; сверхпластичность; объемный эффект; пористость

Многослойные фольги (МФ) на основе интерме-таллидообразующих элементов, например Ti/Al,Ni/Al и т.п., являются термически нестабильнымии при нагревании их слоистая структура транс-формируется в однородную интерметаллидную, со-ответствующую диаграмме фазовых равновесий длясистем на основе этих элементов. Если нагрев МФпроизводить медленно, то образование равновеснойинтерметаллидной структуры может осуществлять-ся через ряд промежуточных структурных состоя-ний, сменяющих друг друга по мере повышениятемпературы МФ [1—3]. При импульсном разогревеМФ в ней можно инициировать реакцию саморас-пространяющегося высокотемпературного синтеза(СВС), в результате которой образование равно-весной интерметаллидной структуры сопровожда-ется интенсивным выделением тепла и протекает свысокой скоростью [4].

Способность таких МФ трансформироваться винтерметаллидную структуру при подогреве позво-ляет применять их в качестве исходного материаладля получения тонких интерметаллидных фольг ипокрытий при относительно низких температурах,использовать фольгу как промежуточные прослой-ки при сварке давлением [5] или локальный источ-ник тепла при скоростной пайке [6]. При реализа-ции подобных технологических процессов необхо-димо иметь возможность прогнозировать как фазо-вые и структурные изменения, протекающие вфольге при нагреве, так и деформационное поведе-ние под действием внешних нагрузок.

Закономерности протекания фазовых и струк-турных превращений в МФ при нагреве исследова-лись во многих работах, тогда как влияние нагревана изменение механических свойств таких материа-лов до настоящего времени остается малоизучен-ным. Вместе с тем в ряде технологических процес-

© А.И. УСТИНОВ, Т.В. МЕЛЬНИЧЕНКО, А.Е. ШИШКИН, 2013

27

сов МФ могут подвергаться постоянно действую-щим нагрузкам, например при сварке давлениемчерез МФ, а также в результате контакта с мате-риалами с отличающимися механическими свойст-вами, в частности при контакте c подложкой.

Таким образом, на примере МФ Ti/Al исследо-вали деформационное поведение таких материаловпри нагреве в условиях постоянно действующих на-грузок. Установлено, что фазовые превращения иструктура фольги оказывают существенное влияниена ее механические свойства, что проявляется в не-монотонном изменении степени ее пластической де-формации при постоянной нагрузке в зависимостиот температуры.

МФ Ti/Al получали способом послойного элек-тронно-лучевого осаждения паровых потоков чис-тых элементов на горизонтально вращающуюся

подложку по методике, описанной в работе [7]. Дляреализации процесса формирования фольги (рис. 1)вакуумную камеру разделяли непроницаемым эк-раном таким образом, чтобы испарители, в которыхразмещались слитки титана и алюминия, находи-лись по разные стороны разделительного экрана, аподложка, закрепленная на вертикальной оси, привращении в горизонтальной плоскости последова-тельно проходила над испарителями.

При испарении слитков на вращающуюся под-ложку на ней поочередно осаждаются слои алюми-ния и титана. В соответствии с данной схемой полу-чения многослойной структуры соотношение тол-щин слоев элементов определяется соотношениеминтенсивностей паровых потоков этих элементов, апериод чередования слоев (сумма толщин слоев наоснове титана и алюминия) при заданной интенсив-ности испарения слитков зависит от скорости вра-щения подложки. Варьируя параметры осаждения(скорость вращения подложки, интенсивность ис-парения элементов и время осаждения), можно по-лучать МФ общей толщиной 10...200 мкм с перио-дом чередования слоев от 30 до 1000 нм.

Образцы фольги для металлографических ис-следований готовили по стандартной методике с ис-пользованием шлифовально-полировального стан-ка Abramin фирмы «Struers». Для выявления струк-туры фольги использовали способ селективного хи-мического травления. Структуру и химический сос-тав фольги анализировали с использованием скани-рующего микроскопа CamScan-4, оснащенногоэнергодисперсионной системой локального анализаEnergy 200, и просвечивающего электронного мик-роскопа Hitachi H-800 при ускоряющем напряже-нии 200 кВ.

Исследовали деформационное поведение МФпри нагреве под действием растягивающей нагрузкипо специально разработанной методике с использо-ванием вакуумного кварцевого дилатометра, осна-щенного автоматизированной системой управленияпроцессом нагружения и индукционным датчикомперемещений, подключенным через АЦП к компью-теру. Образец фольги в виде полоски размером30,0×5,0×0,05 мм (рис. 2) крепили одним концом ккварцевому толкателю, другим – к неподвижномудержателю (кварцевая трубка) измерительной час-ти дилатометра. Часть измерительного блока, в ко-тором находился образец, размещали между нагре-вателями. Температуру фольги контролировали спомощью прикрепленной к ней хромель-алюмеле-вой термопары толщиной 0,2 мм. Нагрев и охлаж-дение фольги осуществляли в инертной атмосферегелия со скоростью 20 °С/мин.

Для изучения изменения длины фольги ΔL принагреве или охлаждении в условиях постоянно дей-ствующей растягивающей осевой нагрузки исполь-зовали наборы пружин, с помощью которых обе-спечивали постоянно действующую растягиваю-щую нагрузку около 2...5 МПа. Деформацию фоль-

Рис. 1. Схема процесса электронно-лучевого осаждения МФ

Рис. 2. Блок измерения удлинения МФ под действием одноосе-вых растягивающих нагружений в условиях непрерывного на-грева с заданными скоростями: 1 – образец МФ; 2 – под-вижная часть; 3 – неподвижные части измерительного блока;4 – индуктивный датчик перемещений, установленый на под-вижной платформе; 5 – пружина

28

ги ε определяли из соотношения ΔL/L0, где L0 –исходная длина образца.

Способом послойного электронно-лучевого оса-ждения паровых потоков титана и алюминия полу-чены МФ Ti/Al состава, близкого к эквиатомному,с периодом чередования слоев 60, 300 и 800 нм притемпературе осаждения примерно 150 °С. На рис. 3представлены характерные микроструктуры попе-речного сечения МФ Ti/Al с субмикронным (800и 300 нм) и наноразмерным (60 нм) периодом че-редования слоев. В исходном состоянии структурафольги представляет собой чередующиеся слои ти-тана и алюминия с резкими границами между ними.Границы раздела между слоями имеют некоторую«шероховатость», возникающую как из-за форми-рования в слоях титана желобков в области пере-сечения границ зерен титана с такой границей(рис. 3, б, А), так и в результате их пересечения сграницами кристаллитов столбчатой формы, сос-тоящих из чередующихся слоев алюминия и титана(рис. 3, г, Б).

Из рис. 4, а видно, что в случае непрерывногонагрева субмикрослойных фольг реакция синтезаинтерметаллического соединения титана с алюми-нием начинается при температурах выше 450, за-вершается при 600...650 °С и сопровождается вы-делением тепла. Причем выделение тепла происхо-дит дискретно, что приводит к появлению отдель-

ных пиков на кривой дифференциального терми-ческого анализа (ДТА) и свидетельствует о много-стадийном характере фазовых превращений.

Рентгенографические исследования показали[2], что независимо от химического состава МФ напервом этапе реакционной диффузии элементовформируется интерметаллическое соединениеAl3Ti. Если содержание титана в фольге больше,чем в интерметаллическом соединении Al3Ti, то придальнейшем повышении температуры или увеличе-нии времени выдержки образуются интерметалли-ды с более высоким содержанием титана [2]. В МФэквиатомного состава фазовые превращения при не-прерывном нагреве фольги можно представить в видепоследовательности* фазовых превращений [2]:

Al + Ti → Al3Ti → Al5Ti2 → Al2Ti → AlTi,

из которой видно, что первая и вторая стадии пре-вращения характеризуются образованием соедине-ний Al3Ti и Al5Ti2, а на третья и четвертая – соот-ветственно Al2Ti и AlTi. Этим стадиям фазовыхпревращений на диаграмме ДТА (рис. 4, а) соот-ветствуют пики тепловыделения: первый и вто-рой – I и II стадиям превращений, а третий раз-мытый – III и IV.

На рис. 4, б представлена температурная зависи-мость деформации фольги при нагреве в условияхпостоянно действующей растягивающей нагрузки,

Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение поперечного сечения образцов МФ Ti/Al эквиатомного состава с периодомчередования слоев 800 (а, б), 300 (в) и 60 нм (г) после осаждения

*Согласно рентгенографическим исследованиям структуры МФ после нагрева до определенных температур [2] наряду с представ-ленной схемой возможна реализация фазовых превращений и по другому пути: Al + Ti → AlTi3 → AlTi. Об этом свидетельствовалидифракционные пики AlTi3 слабой интенсивности, появление которых отмечено в области температуры формирования интерме-таллидной фазы Al5Ti2. При дальнейшем повышении температуры эти пики исчезали, что могло быть следствием реакции AlTi3 →→ AlTi. Поскольку объемная доля фазы Ti3Al значительно уступает объемной доле промежуточных фаз Al3Ti, Al5Ti2 и Al2Tiпри расчете объемных эффектов, будем пренебрегать возможностью образования фазы Ti3Al и изменением соотношения элементов,обусловленных ее образованием.

29

составляющей 4 МПа. Необходимо отметить, чторастягивающую нагрузку выбирали таким образом,чтобы она была существенно ниже предела текуче-сти МФ при комнатной температуре. Предел теку-чести МФ оценивали исходя из измерений ее мик-ротвердости. Установлено, что их предел текучестиувеличивается при уменьшении периода чередова-ния слоев и для исследованных фольг находитсяна уровне 1000...4000.

Из рис. 4, б следует, что деформация фольгипод действием постоянно приложенной нагрузкинемонотонна в зависимости от температуры: отме-чены два температурных интервала, в которых де-формация существенно возрастает. Первый (низко-температурный интервал интенсивной деформацииМФ) совпадает с температурным интервалом, накотором, по данным ДТА (рис. 4, а), зафиксирова-ны два первых максимума тепловыделения, соот-ветствующих протеканию в этом температурном ин-тервале I и II стадий фазовых превращений. Второй(высокотемпературный интервал деформации МФ),

не сопровождается выделением тепла, что видно изкривых ДТА.

Поскольку образование конечных продуктов впроцессе реакции между алюминием и титаном про-исходит через промежуточные фазы, проведем оцен-ку уровня деформации образца, обусловленногообъемными изменениями из-за протекания в немфазовых превращений. При расчете исходили из того,что первый этап реакции с образованием соединенияAl3Ti завершается после полного исчерпания атомовалюминия, а последующие этапы – после полногоперехода интерметаллида с меньшим содержаниемтитана в интерметаллид с большим его содержанием.При этом на всех промежуточных стадиях фазовыхпревращений в избытке находится титан.

В таблице представлены результаты расчета из-менения объема образца при реализации указанныхреакций с учетом всех атомов, принимающих учас-тие в процессе формирования равновесной интерме-таллидной фазы TiAl. При определении измененияобъема образца в процессе фазовых превращениийисходили из удельного объема, приходящегося наодин атом элементов, вступающих в реакцию, иобъема, отнесенного к одному атому этих же эле-ментов, находящихся в структуре интерметаллида,рассчитанного по параметрам его кристаллическойрешетки при комнатной температуре. Как следуетиз расчетов, изменение объема имеет знакоперемен-ный характер.

Следовательно, если бы изменение объема об-разца при нагреве в низкотемпературной областибыло обусловлено объемными эффектами за счетфазовых превращений, то в эксперименте произо-шло бы знакопеременное изменение длины образца:на I стадии – сокращение, на II – удлинение, напоследующих (III и IV) – сокращение. Причем врезультате реализации всех этапов синтеза интер-металлида AlTi длина образца должна была быуменьшиться, как показано на рассчитанной дила-тограмме (рис. 5). Из сравнения рассчитанной ди-латограммы и экспериментального удлинения об-разца при нагреве можно увидеть, что они качест-венно отличаются – вместо сокращения образцапосле прохождения всех реакций в МФ Ti/Al наэкспериментальной кривой зафиксировано его уд-линение. Такое расхождение может быть следстви-ем того, что на изменение длины образца за счет

Изменение удельного объема и удлинение фольги Ti/Al при образовании интерметаллидов в результате диффузионноговзаимодействия компонентов

Тип реакцииСтадии фазовыхпревращений

Изменение удельного объема,ΔV/V, %

Удлинение, Δl/ l ≈ 13 ΔVV

, %

30Al + 30Ti = 10Al3Ti + 20Ti I —0,117 —0,039

10Al3Ti + 20Ti = 6Al5Ti2 + 18Ti II 0,7 0,23

6Al5Ti2 + 18Ti = 15Al2Ti +15Ti III —2,33 —0,78

15Al2Ti +15Ti = 30AlTi IV —4,76 —1,6

Al + Ti = TiAl —6,4 —2,1

Рис. 4. Кривые ДТА (а) и степени деформации (б) при нагревеМФ Ti/Al эквиатомного состава с субмикронным периодом че-редования слоев в условиях постоянно действующей растягива-ющей нагрузки

30

объемных эффектов, обусловленных фазовымипревращениями, накладываются процессы, связан-ные с ее пластическим деформированием. Причемпластическая деформация образцов в низкотемпе-ратурной области значительно превышает таковую,обусловленную объемными эффектами фазовыхпревращений.

Если пластическая деформация образцов в низ-котемпературной области инициирована фазовымипревращениями, протекающими в МФ при нагреве,то можно предположить, что при снижении темпе-ратуры начала фазовых превращений пластичностьфольги проявится также при более низких темпе-ратурах. Как установлено в работе [2], на темпера-туру начала фазовых превращений оказывает влия-ние период чередования слоев, при уменьшении ко-торого температура начала фазовых превращенийснижается.

На рис. 6, а представлены кривые ДТА, полу-ченные при нагреве МФ с нанослойной структурой.На них, как и в случае субмикрослойной фольги,зафиксированы три пика тепловыделения. Однакопри сравнении температурных интервалов тепловы-деления в нано- (рис. 6) и субмикрослойной(рис. 4) фольгах обнаружено, что начало и конецфазовых превращений в первой сместились в об-ласть более низких температур (соответственно 350и 625 °С), соотношение интенсивностей первого ивторого пиков тепловыделения увеличилось, посравнению с МФ с субмикронным периодом чере-дования слоев, а температурный интервал сместил-ся в область более низких температур и стал про-тяженнее. Как следует из рис. 6, б, смещение тем-пературного интервала протекания I и II стадийфазовых превращений в область низких температурсопровождается снижением температурного интер-вала низкотемпературной пластической деформа-ции фольги. При этом температура высокотемпера-турной области пластической деформации фольгиостается неизменной.

Пластическая деформация материалов под дей-ствием приложенных нагрузок, уровень которыхниже предела текучести, в процессе протекания фа-зовых превращений ранее отмечали в сплавах, ис-пытывающих фазовые превращения сдвигового ти-па [8]. Такое деформационное поведение сплавовсвязывают как со снижением их предела текучестивблизи температуры начала фазового перехода, таки с образованием вытянутых в направлении прило-женных нагрузок зерен новой фазы.

В случае фазовых превращений, контролируе-мых реакционной диффузией элементов, можнопредположить, что поскольку рост зерен новых фазпроисходит в поле внешних нагрузок, это можетспособствовать их удлинению в направлении прило-женных нагрузок и «пластической» деформации об-разцов. Кроме того, подобные фазовые превраще-ния будут сопровождаться генерацией дефектов ва-кансионного типа, способствующей развитию про-цессов микропластической деформации в зернах и

на их границах, а также снижению предела текуче-сти материала.

Исследования микроструктуры фольг, нагретыхдо промежуточных температур, показали, что про-цесс фазообразования сопровождается возникнове-нием пор. Диффузионное взаимодействие слоев ти-тана и алюминия в процессе нагрева МФ с субмик-ронным периодом чередования слоев не приводитк разрушению ее слоистой структуры (рис. 7). Так,структура фольги после завершения I и II стадийфазовых превращений (нагрев до 550 °С) остаетсяслоистой. Однако в отличие от исходной структурыфольги, для которой характерно чередования слоевна основе титана и алюминия, структура фольгипосле завершения I и II стадий фазовых превра-щений характеризуется чередованием слоев на ос-нове Al3Ti и титана (рис. 7, а).

При дальнейшем повышении температуры вфольге начинаются III и IV стадии фазовых пре-

Рис. 5. Расчетное удлинение Δl/l МФ Ti/Al в результате про-хождения фазовых превращений при ее нагреве без учета терми-ческого расширения образца

Рис. 6. Кривые ДТА (а) и деформации (б) МФ Ti/Al эквиатом-ного состава с наноразмерным периодом чередования слоев приее нагреве в условиях постоянно действующей растягивающейнагрузки

31

вращений, и в структуре фольги появляются поры(рис. 7, б). По виду и характеру расположения порв фольге их условно можно разделить на два типа:вертикально пересекающие фольгу и вытянутыевдоль слоев. Предположительно, появление порявляется результатом коалесценции избыточныхвакансий, которые образовались в фольге, как впроцессе конденсации паровой фазы, так придиффузионном взаимодействии слоев (эффектФренкеля).

На рис. 8 показана микроструктура нанослойнойфольги, сформированной на разных стадиях фазо-вых превращений. Формирование структуры нано-слойной фольги качественно отличается от субмик-

рослойной. Большое количество пор появляетсяуже на первой стадии фазовых превращений(рис. 8, а). С увеличением температуры отжига по-ристость фольги существенно увеличивается. Кро-ме того, слоистость фольги исчезает на III и IVстадиях фазовых превращений (рис. 8, б, в).

Из сопоставления интенсивности порообразова-ния в процессе нагрева фольг с субмикронным инаноразмерным периодами чередования слоев вид-но, что в случае нанослойной фольги порообразо-вание смещено в область более низких температур.На этом основании можно предположить, что напластичность фольги оказывает влияние не толькопроцесс фазообразования, но и формирование по-ристой структуры.

Механизм влияния порообразования на пласти-ческую деформацию материалов при низких темпе-ратурах в настоящее время недостаточно развит.Однако известно, что при повышенных температу-рах зернограничная пористость способствует зерно-граничному проскальзыванию, что обеспечиваетреализацию механизма сверхпластической дефор-мации материалов [9, 10].

На температурные условия реализации сверх-пластичного механизма деформирования материа-лов существенное влияние оказывает также и раз-мер зерен [11]. Так, например, при уменьшенииразмера зерна от 5,0 до 0,4 мкм температура сверх-пластичного течения сплава TiAl снижается от 1200[12] до 850 °С [13].

На электронно-микроскопическом изображениимикроструктуры нанослойной фольги, нагретой до

Рис. 7.Электронно-микроскопическое изображение поперечного сечения МФ Ti/Al с периодом чередования слоев 300 нм послеотжига в установке ДТА при 550 (а), 650 °С (б, в)

Рис. 9. Электронно-микроскопическое изображение поперечногосечения МФ Ti/Al с наноразмерным периодом чередованияслоев после отжига при температуре >500 °С (ТЭМ, режим тем-ного поля)

Рис. 8. Электронно-микроскопическое изображение поперечного сечения МФ Ti/Al с периодом чередования слоев 80 нм послеотжига при 500 (а) и 650 °С (б, в)

32

температуры свыше 500 °С (рис. 9), видна фраг-ментация слоев с формированием зерен интерметал-лидных фаз наноразмерного масштаба.

На основании изложенного можно предполо-жить, что повышенная пластичность фольги принагреве до температур более 700 °С (высокотемпе-ратурная область пластической деформации фоль-ги) также является следствием перехода ее в сверх-пластическое состояние. Реализация сверхпласти-ческого течения фольги при столь низких темпера-турах может быть обусловлена совместным дейст-вием двух факторов: образованием интерметаллид-ной структуры с размерами зерен субмикронного инаноразмерного масштаба и наличием в такойструктуре пор.

Таким образом, немонотонное влияние нагревана пластическое течение многослойных фольгTi/Al под действием постоянно действующих на-грузок в низкотемпературной области их пластичес-кой деформации связано с протеканием в них фазо-вых превращений, сопровождаемых порообразова-нием, а в высокотемпературной области обусловле-но реализацией в сформированной интерметаллид-ной фольге механизма сверхпластической дефор-мации, который становится возможным при стольнизких температурах из-за субмикронного и нано-масштабного размера зерен интерметаллида TiAl иналичия в фольге пористой структуры.

1. Ustinov A., Olikhovska L., Melnichenko T. Effect of ove-rall composition on thermally induced solid-state transfor-mations in thick EB PVD Al/Ni multilayers // Surfaceand coatings technology. – 2008. – 202, № 16. –P. 3832—3838.

2. Твердофазные реакции при нагреве многослойных фольгAl/Ti, полученных методом электронно-лучевого осаж-дения / А.И. Устинов, Л.А. Олиховская, Т.В. Мельни-ченко и др. // Современ. электрометаллургия. –2008. – № 2. – С. 19—26.

3. Фазовые превращения при нагреве многослойной фольгиAl/Cu, полученной способом электронно-лучевого осаж-дения / Л.А. Олиховская, Т.В. Мельниченко, А.И. Усти-нов и др. // Там же. – 2009. – № 2. – C. 27—31.

4. Рогачев А.С. Волны экзотермических реакций в много-слойных нанопленках // Успехи химии. – 2008. –№ 77. – С. 22—38.

5. Ustinov A.I., Falchenko Yu.V., Ishchenko A.Ya. Diffusionwelding of γ-TiAl based alloys through nano-layered foil ofTi/Al system // Intermetallics. – 2008. – 16, № 8. –P. 1043—1045.

6. Wang J., Besnoin E., Duckam A. Room-temperature solde-ring with nanostructured foils // Appl. Phys. Lett. –2003. – 83, № 19. – P. 3987—3989.

7. Paton B.E., Movchan B.A. Composite materials depositedfrom the vapour phase in vacuum // Soviet technology re-views; Section C, Welding and surfacing reviews. –1991. – V. 2. – P. 43—64.

8. Эстрин Э.И. О природе пластичности при полиморфныхпревращениях // ФММ. – 2006. – 102, № 1. –С. 123—128.

9. Yang H.S., Lee W.B.,Mukherjee A.K. Superplasticity inTiAl and Ti3Al alloys // Structural intermetallics. –1993. – Р. 69—76.

10. Кузнецова Р.И., Брюховецкий В.В., Пойда В.П. Меха-низмы развития зернограничных пор и локальная неодно-родность деформации в условиях сверхпластического те-чения // Металлофизика и новейшие технологии. –1995. – 17, № 8. – С. 64—72.

11. Nieh T.G., Wadsworth J., Sherby O.D. Superplasticity inmetals and ceramics. – New York:Cambridge UniversityPress, 1997. – 287 р.

12. Lutfullin. R.Ya., Imayev R.M., Kaibyshev O.A. Superplasti-city and solid state bonding of the TiAl intermetallic compo-und with micro- and submicrocrystalline structure // ScriptaMet. et Mater. – 1995. – 33, № 9. – Р. 1445—1449.

13. Nakao Y., Shinozaki K., Hamada M. Diffusion Bonding ofIntermetallic Compound TiAl // ISIJ Intern. – 1991. –31, № 10. – Р. 1260—1266.

It is shown that multilayer Ti/Al foils can undergo plastic deformation at heating under the conditions of continuouslyapplied tensile load not exceeding the yield limit. It is established that phase transformations at heating and multilayerfoil structure have an essential influence on mechanical properties that is manifested in nonmonotonic change of theextent of plastic deformation at continuous load, depending on temperature. Two temperature intervals, in whichintensive plastic deformation of the foil proceeds: low-temperature (350—650 °C) and high-temperature (above 700 °C)one, are determined. Nonmonotonic influence of heating on plastic flow of multilayer Ti/Al foils under the impact ofcontinuously applied loads in the low-temperature range of their plastic deformation is associated with running of phasetransformations in them that are accompanied by pore formation, and in the high-temperature range it is due to realizationof suplerplastic deformation mechanism in the formed intermetallic foil that becomes possible at such low temperaturesdue to submicron and nanoscale size of TiAl intermetallic grains and presence of pores in the foil. Features of deformationalbehaviour of multilayer Ti/Al foil influence the possibility of their practical application in diffusion pressure welding.Ref. 13, Table 1, Figures 9.

K e y w o r d s : electron beam deposition; multilayer foil; titanium; aluminium; structure; phase transformations;superplasticity; volume effect; porosity

Поступила 18.07.2013

33

УДК 669.187.526:669.295

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВИСПАРЕНИЯ ПРИ ВЫПЛАВКЕ СЛИТКОВ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ УСТАНОВКЕ

С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЕМКОСТЬЮ

С.В. Ахонин, А.Ю. Северин, В.А. Березос, А.Г. ЕрохинИнститут электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.

03680, г. Киев, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua

Построена математическая модель, устанавливающая зависимость концентрации алюминия и других легирующих элементовв слитке многокомпонентного титанового сплава, получаемого способом электронно-лучевой плавки с промежуточнойемкостью, от технологических параметров плавки, химического состава исходной шихты и физико-химических константтитанового сплава. Проверена адекватность построенной математической модели и проанализировано влияние техно-логических параметров плавки и химического состава исходной шихты на химический состав выплавляемых слитков напримере процесса получения слитка сплава алюминида титана Ti—29Al—12Nb—3Cr—3Zr способом электронно-лучевой плавкис промежуточной емкостью. Показано, что построенная математическая модель с достаточной степенью точности описываетреальный процесс испарения при электронно-лучевой плавке алюминида титана. Относительная погрешность расчетныхрезультатов в сравнении с экспериментальными данными составляет от 3,2 для алюминия до 7,3 % для циркония. Созданнаяматематическая модель испарения позволяет прогнозировать химический состав выплавляемых слитков многокомпонентныхтитановых сплавов и может быть использована в производстве для получения слитков способом электронно-лучевой плавкис гарантированным химическим составом. Библиогр. 12, табл. 1, ил. 7.

Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевая плавка; слиток; испарение; математическое моделирование; ско-рость плавки; титановые сплавы; алюминид титана; легирующие элементы

Последние достижения на пути к увеличению про-изводительности электронно-лучевых установок(ЭЛУ) с промежуточной емкостью и повышениюнадежности их работы [1] позволили снизить себе-стоимость выплавки титановых слитков до уровнясебестоимости получения титановых слитков спосо-бом вакуумно-дугового переплава (ВДП) [2]. Этоспособствует все большему применению технологииэлектронно-лучевой плавки (ЭЛП) с промежуточ-ной емкостью при выплавке слитков титана и егосплавов [3].

Однако при выплавке слитков титановых спла-вов способом ЭЛП возникает проблема в обеспече-нии заданного химического состава металла. Этовызвано тем, что плавка в ЭЛУ осуществляется вболее высоком вакууме, чем при ВДП, и легирую-щие элементы с упругостью пара, превышающейупругость пара титана, испаряются интенсивнее. Ктаким элементам относятся алюминий, хром, мар-ганец и др. Но прежде всего эта проблема касаетсяалюминия, поскольку он является легирующим эле-ментом практически во всех титановых сплавах.

Цель настоящей работы заключается в оценкевлияния технологических параметров ЭЛП на со-

держание алюминия и других легирующих компо-нентов титановых сплавов в слитке на основе мето-дов математического моделирования. Разработан-ная математическая модель позволит определятьпараметры ЭЛП многокомпонентных титановыхсплавов, которые обеспечат получение слитков га-рантированного химического состава.Математическая модель процесса испарения

при ЭЛП. В процессе ЭЛП с промежуточной емко-стью (рис. 1) испарение алюминия и других ком-понентов сплава из расплава происходит с оплав-ляемого торца расходуемой заготовки, а также изпромежуточной емкости и кристаллизатора. Приэтом длительность переноса жидкого металла с оп-лавляемого торца расходуемой заготовки в проме-жуточную емкость и из промежуточной емкости вкристаллизатор незначительна и на процессы испа-рения влияния практически не оказывает.

Для построения математической модели процес-сов испарения легирующих элементов при ЭЛПмногокомпонентных титановых сплавов запишемуравнения материального баланса легирующих эле-ментов и титана для каждой зоны, где металл на-ходится в расплавленном состоянии, а связи между

© С.В. АХОНИН, А.Ю. СЕВЕРИН, В.А. БЕРЕЗОС, А.Г. ЕРОХИН, 2013

34

зонами представим в виде массопотоков. Рассмот-рим электронно-лучевую плавку расходуемой заго-товки из титанового сплава Ti—X1—X2—...—Xn с пло-щадью поперечного сечения S0 через промежуточ-ную емкость в кристаллизатор. При этом будем по-лагать, что жидкий металл поступает в промежу-точную емкость и кристаллизатор непрерывным по-током. Пусть массовая доля легирующих элементовв расходуемой заготовки составляет [Xi]0, а тита-на – [Ti]0.

Уравнения материального баланса легирующихэлементов и титана будут иметь следующий вид:

∂

∂t ∫ Vj

ρ[Xi]jdV = mj — 1[Xi]j — 1 — Sjπji — mj[Xi]j;

∂

∂t ∫ Vj

ρ[Ti]jdV = mj — 1[Ti]j — 1 — SjπjTi — mj[Ti]j,

(1)

где i = 1, 2, ... n – легирующие элементы; j = 1,2, 3 – зоны плавки (пленка жидкого металла наторце расходуемой заготовки, ванны жидкого ме-талла в промежуточной емкости и в кристаллиза-торе); Vj – объем жидкого металла в j-той зонеплавки; ρ – плотность расплава; [Xi]j – массоваядоля i-того легирующего элемента в j-той зоне плав-ки; [Ti]j – массовая доля титана в j-той зоне плав-ки; Sj – площадь свободной поверхности жидкогометалла в j-той зоне плавки; πj

i и πjTi – удельные

потоки легирующих элементов и титана через меж-фазную поверхность в паровую фазу в j-той зонеплавки; mj — 1 – массовая скорость поступлениярасплава в j-тую зону плавки; mз – массовая ско-рость затвердевания расплава в кристаллизаторе.

Согласно работе [4], время выхода процессаплавки на стационарный режим, при котором коли-чество расплава в трех зонах плавки и его составостаются неизменными, составляет от одной до трехдесятков минут в зависимости от объема расплава.При стационарных условиях плавки должны вы-полняться следующие равенства:

∂

∂t ∫ Vj

ρ[Xi]jdV = ∂

∂t ∫ Vj

ρ[Ti]jdV = 0. (2)

Поскольку для каждой зоны плавки выполняет-ся условие

∑ i = 1

n

[Xi]j + [Ti]j = 1,(3)

где j = 1, 2, 3 – зоны плавки, то при установив-шихся режимах, согласно уравнениям (1) и (2),массовые потоки металла между зонами плавки бу-дут связаны следующими соотношениями:

mj = mj — 1 — Sj ⎛⎜⎝

⎜⎜∑ i = 1

n

πji + πj

Ti⎞⎟⎠

⎟⎟. (4)

Определение скоростей испарения компонентовсплава из расплава в условиях его нагрева концент-рированным источником нагрева является достаточ-но сложной задачей для математического описанияи требует учета градиентов давлений и температурв паровой фазе, а также степени ионизации метал-лического пара [5]. Однако в камере плавки ЭЛУдавление остаточных газов составляет 0,01......0,1 Па. При таком давлении длина свободногопробега атомов λ больше характерного размера ва-куумной камеры, поэтому столкновением атомов впаровой фазе можно пренебречь и, как показано вработах [6, 7], в этом случае удельная массоваяскорость испарения легирующих элементов и тита-на с поверхности расплава Jev с хорошей степеньюточности будет определяться уравнением Ленгмюра[8, 9]:

Jev = αcpi0γiNi√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯Mi/2πRT , (5)

где αc – коэффициент конденсации; Ni – мольнаядоля i-того элемента в расплаве; pi

0 – равновеснаяупругость пара i-того элемента; γi – коэффициентактивности i-того элемента; Mi – атомная массаi-того элемента; R – универсальная газовая посто-янная; Т – температура расплава.

Мольная доля i-того элемента в расплаве тита-нового сплава связана с его массовой концентрацией[Xi] следующим соотношением:

Ni = [Xi]/Mi

[Ti]/MTi + ∑ i = 1

n

[Xi]/Mi

. (6)

С учетом выражения (3) уравнение (6) можнозаписать в виде

Ni = kc MTiMi

[Xi], (7)

где kc – коэффициент, значение которого зависитот химического состава расплава и определяетсяследующим выражением:

Рис. 1. Схема электронно-лучевой плавки с промежуточной ем-костью

35

kc = 1

1 + ∑ i = 1

n

[Xi] ⎛⎜⎝

MTi

Mi — 1

⎞⎟⎠

. (8)

Например, для титанового сплава ВТ6 числен-ное значение коэффициента kc можно принять рав-ным 0,958, а для титанового сплава ВТ3-1 – kc ≈≈ 0,964.

Исходя из уравнений (5) и (7) и принимая зна-чение коэффициента конденсации αc равным едини-це, удельные потоки i-того компонента сплава (заисключением алюминия) и титана через межфаз-ную поверхность в паровую фазу в j-той зоне плавкиможно выразить следующим образом:

πji = kj

i[Xi]j; (9)

πjTi = kj

Ti[Ti]j, (10)

где kji = kcpi

0(Tj)γji

MTi

√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯2πRMiTj

, kjTi = kcpTi

0 (Tj)γjTi ×

× √⎯⎯⎯⎯MTi

2πRTj

– являются константами скорости ис-

парения i-того компонента сплава и титана в j-тойзоне плавки; Tj – температура расплава в j-тойзоне плавки.

Упругость пара алюминия гораздо выше упру-гости паров титана и других легирующих компо-нентов сплава. Например, для температуры 2000 Купругость пара ниобия составляет 1⋅10—6, пара цир-кония – 3,5⋅10—4, титана – 1, хрома – 114, алю-миния – 642 Па. Поэтому алюминий испаряетсянамного интенсивнее, чем титан и другие легирую-щие компоненты сплава. Вследствие этого концен-трация алюминия на поверхности расплава стано-вится гораздо меньше концентрации алюминия вобъеме расплава и возникает градиент концентра-ции алюминия в приповерхностном слое расплава.В работе [10] получено кинетическое уравнениепроцесса испарения легирующих элементов, кото-рое одновременно учитывает массоперенос в рас-плаве и физико-химические реакции десорбции споверхности расплава. Для расплава титана удель-ный поток алюминия из жидкого металла опреде-ляется следующим выражением:

πjAl = ρTiβj[Al]j,

(11)

где βj = ⎛⎜⎝

1βAl

+ ρTi

kjAl

⎞⎟⎠

—1

– суммарный коэффициент

массопереноса алюминия в жидком металле в j-тойзоне плавки; βAl – коэффициент массопереноса

алюминия в расплаве титана; kjAl =

pAl0 γj

AlMTi

√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯2πMAlRTj

–

константа скорости испарения алюминия в j-той зо-не плавки; [Al]j – массовая доля алюминия в j-тойзоне плавки; pAl

0 – упругость пара чистого алюми-

ния; γjAl – коэффициент активности алюминия в

растворе в j-той зоне плавки.С учетом формул (2), (4), (9) (11) уравнения

материального баланса легирующих элементов и ти-тана для стационарных условий плавки будут иметьследующий вид:

mj — 1[Xi]j — 1 = Sjkji[Xi]j + mj[Xi]j;

mj — 1[Ti]j — 1 = SjkjTi[Ti]j + mj[Ti]j;

mj — 1[Al]j — 1 = Sjβj[Al]j + mj[Al]j;

mj = mj — 1 — Sj ⎛⎜⎝

⎜⎜∑ i = 2

n

kji[Xi]j + kj

Ti[Ti]j + βj[Al]j⎞⎟⎠

⎟⎟,

(12)

где i = 2, ... n – легирующие элементы (кромеалюминия); j = 1, 2, 3 – зоны плавки.

Построенная математическая модель (12) уста-навливает зависимость массовой доли алюминия идругих компонентов титанового сплава в слитке,полученном способом электронно-лучевой плавки спромежуточной емкостью, от технологических па-раметров плавки, химического состава исходнойшихты и физико-химических констант титановогосплава. Данная модель позволяет прогнозироватьхимический состав выплавляемых слитков титано-вых сплавов и может быть использована в производ-стве для получения слитков с гарантированным хи-мическим составом.Проверка адекватности математической моде-

ли. Для проверки адекватности построенной мате-матической модели и анализа влияния технологи-ческих параметров плавки и химического составаисходной шихты на химический состав выплавляе-мых слитков рассмотрим процесс получения слиткасплава алюминида титана Ti—29Al—12Nb—3Cr—3Zrспособом электронно-лучевой плавки с промежу-точной емкостью. В этом случае математическая мо-дель процессов испарения при ЭЛП будет иметьследующий вид:

mj — 1[Al]j — 1 = (SjρβjAl + mj)[Al]j;

mj — 1[Cr]j — 1 = (SjkjCr + mj)[Cr]j;

mj — 1[Nb]j — 1 = (SjkjNb + mj)[Nb]j;

mj — 1[Zr]j — 1 = (SjkjZr + mj)[Zr]j;

mj — 1[Ti]j — 1 = (SjkjTi + mj)[Ti]j;

mj — 1 = mj + Sj(ρTiβjAl[Al]j + kj

Cr[Cr]j +

+ kjNb[Nb]j + kj

Zr[Zr]j + kjTi[Ti]j),

(13)

где j = 1, 2, 3.Коэффициент массопереноса алюминия βAl в

расплаве титана в условиях электронно-лучевойплавки составляет 6,6⋅10—6 м/с [11]. Оценка чис-ленных значений коэффициентов активности тита-на и легирующих элементов в рамках модели Ред-лиха—Кистера [12] показала, что коэффициенты ак-тивности титана и ниобия могут быть приняты рав-ными единице, хрома – 0,8, а алюминия – 0,3.

36

Построенная математическая модель (13) пред-ставляет собой систему 18 нелинейных алгебраичес-ких уравнений которую решали численными мето-дами, а именно методом секущих.

Для повышения точности математической моде-ли испарения при ЭЛП алюминида титана необхо-димо учитывать влияние содержания алюминия натемпературу плавления алюминида титана. Приэтом из-за испарения алюминия в процессе плавкиего массовые доли в расплаве на оплавляемом торцезаготовки, в промежуточной емкости и кристалли-заторе будут разными и, как следствие, разной бу-дет и температура плавления. Согласно диаграммесостояния титан—алюминий (рис. 2), зависимостьтемпературы ликвидус TL от содержания алюминияв расплаве в диапазоне концентраций алюминия от20 до 35 мас. % (область вертикальной линии) впервом приближении можно описать следующимуравнением:

TL = 1670 + 7,074[Al] — 0,3580[Al]2.

С целью проверки адекватности построенной ма-тематической модели проведена опытная плавкаслитка двухфазного (α2 + γ) алюминида титана наэлектронно-лучевой установке УЭ-208М, оснащен-ной промежуточной емкостью с внутренними разме-

рами 50×230×380 мм, в кристаллизатор диаметром165 мм. Массовая скорость плавки составляла30 кг/ч. Химический состав исходной шихты, атакже расчетного и фактического составов опытногослитка представлены в табл. 1.

Рис. 2. Область диаграммы состояния титан—алюминий

Т а б л и ц а 1 . Фактический и расчетный химический сос-тав интерметаллида системы TiAlNbCrZr

Характеристикаметалла

Содержание элементов, мас. %

Al Nb Zr Cr Ti

Исходная шихта 32,76 11,42 2,74 3,60 Ос-таль-ное

Слиток ЭЛП:эксперимент 28,82 11,72 3,16 3,51расчет 27,9 12,3 2,93 3,39

Рис. 3. Зависимость массовой доли алюминия в слитке алюмини-да титана от скорости плавки m при различном содержании алю-миния в переплавляемой шихте [Al]0, %: 1 – 36; 2 – 32; 3 – 28

Рис. 4. Зависимость содержания хрома в слитке алюминида тита-на от скорости плавки m при различной массовой доле хрома висходной шихте [Cr]0, %: 1 – 2; 2 – 3; 3 – 4; 4 – 5

37

Анализ полученных результатов показал, чтопостроенная математическая модель достаточно хо-рошо описывает реальный процесс испарения приэлектронно-лучевой плавке алюминида титана: от-носительная погрешность расчетных результатов посравнению с экспериментальными данными соста-вляет, отн. %: 3,2 для алюминия; 4,9 для ниобия;7,3 для циркония; 3,4 для хрома.Анализ процессов испарения при ЭЛП алюми-

нида титана. С использованием математической мо-дели процессов испарения в условиях ЭЛП длясплава Ti—29Al—12Nb—3Cr—3Zr построим зависимо-сти содержания алюминия, хрома, ниобия и цирко-ния в слитке диаметром 165 мм от скорости плавки

m при различных массовых долях легирующих эле-ментов в исходной шихте (рис. 3—6).

Характер полученных зависимостей позволяетсделать вывод о том, что при фиксированном сос-таве исходной шихты увеличение скорости плавкиприводит к уменьшению потерь алюминия (рис. 3)и хрома (рис. 4), т. е., к увеличению их содержанияв слитке. При этом следует отметить, что при ско-ростях плавки свыше 40...50 кг/ч потери алюминияи хрома из-за испарения практически не меняются.

Массовые доли ниобия и циркония в слитке сувеличением скорости плавки монотонно уменьша-ются (рис. 5, 6), что обусловлено меньшей скоро-стью испарения ниобия и циркония из расплава, по

Рис. 5. Зависимость массовой доли ниобия в слитке алюминидатитана от скорости плавки m при различном содержании ниобияв исходной шихте [Nb]0, %: 1 – 10; 2 – 12; 3 – 14

Рис. 6. Зависимость содержания циркония в слитке алюминидатитана от скорости плавки m при различной массовой доле цирко-ния в исходной шихте [Zr]0, %: 1 – 4; 2 – 3; 3 – 2

Рис. 7. Зависимость массовых долей алюминия (а), хрома (б), ниобия (в) и циркония (г) в слитке алюминида титана от ихсодержания в исходной шихте при скорости плавки m = 30 кг/ч

38

сравнению с остальными компонентами сплава.При низких скоростях плавки суммарные потериалюминия и хрома превышают 10 абс. %, что вы-зывает повышение содержания ниобия и цирконияна 2...3 абс. %. С увеличением скорости плавкипотери алюминия и хрома уменьшаются, в резуль-тате чего снижаются массовые доли ниобия и цир-кония в слитке.

Следует отметить, что при скоростях плавки40...50 кг/ч содержание ниобия и циркония вслитке лишь незначительно увеличивается, посравнению с их массовой долей в исходной шихте,что связано с минимальными потерями алюминия,хрома и основы сплава (титана) при этих скорос-тях плавки.

На основании построенных зависимостей можносделать вывод о том, что оптимальной скоростьюплавки слитков двухфазного алюминида титанадиаметром 165 мм является скорость 40...50 кг/ч.Применение этого режима плавки обеспечивает ми-нимальное испарение легирующих компонентовсплава с высокой упругостью пара и предотвращаетповышение содержания элементов с низкой упруго-стью пара.

Наиболее значимым фактором, влияющим наконцентрацию легирующих элементов в слитке,является их исходное содержание в расходуемойзаготовке.

На основе расчетов по математической моделибыли также построены зависимости массовых долейлегирующих компонентов алюминида титана –алюминия (рис. 7), хрома, ниобия и циркония –в выплавленном слитке ЭЛП от их содержания висходной шихте при различных скоростях плавки.Полученные графики позволяют определить необ-ходимое содержание легирующего элемента сплавав исходной шихте для достижения требуемой кон-центрации этого элемента в слитке при заданнойскорости плавки.

Выводы

1. Разработана математическая модель процессовиспарения легирующих элементов из титановыхсплавов при ЭЛП с промежуточной емкостью, ко-торая устанавливает зависимость массовых долей

легирующих элементов в слитке от технологическихпараметров плавки и содержания легирующих эле-ментов в исходной шихте.

2. На примере ЭЛП двухфазного алюминида ти-тана показана высокая сходимость расчетных дан-ных с результатами экспериментальных плавок.

3. Построены зависимости содержания алюминия,хрома, ниобия и циркония в слитке двухфазногоалюминида титана Ti—29Al—12Nb—3Cr—3Zr от ско-рости плавки и массовых долей этих элементов висходной шихте, которые позволяют прогнозироватьхимический состав выплавляемых слитков алю-минида титана и могут быть использованы для полу-чения слитков с требуемым химическим составом.

1. Патон Б.Е., Тригуб Н.П., Ахонин С.В. Электронно-луче-вая плавка тугоплавких и высокореакционных метал-лов. – Киев: Наук. думка, 2008. – 306 с.

2. Technological aspects of designing of electron beam unit formelting of titanium / A.I. Amelin, V.I. Kostenko,M.P. Kondratii, P.A. Pap // Proc. of the 12th Worldconf. on Titanium (Beijing, China, June 19-24 2011). –Beijing: Science Press, 2011. – P. 91—95.

3. Электронно-лучевая плавка титана / Б.Е. Патон,Н.П. Тригуб, С.В. Ахонин, Г.В. Жук. –Киев: Наук.думка, 2006. – 246 с.

4. Мовчан Б.А., Ахонин С.В. Математическое моделирова-ние процессов электронно-лучевого испарения многоком-понентного сплава на основе никеля из расплаваниобия // Пробл. cпец. электрометаллургии. –1996. – № 3. – С. 20—24.

5. Modeling of binary alloy (Al—Mg) anode evaporation in arcwelding / I. Semenov, I. Krivtsun, V. Demchenko et.al. // Modelling and Simulation in Materials Science andEngineering. – 2012. – 20. – P. 1—12.

6. Bellot J.P., Duval H., Ablitzer D. Validity of the KineticLangmuir’s law for the volatilization of metallic elements invacuum metallurgy // Proc. symp.of gas interections innonferrous metals processing (Anaheim, USA, May1996). – Anaheim, 1996. – P. 109—124.

7. The use of mathematical models to determine parameters mi-nimizing the volatilization losses in the electron beam mel-ting process / J.P. Bellot, H. Duval, M. Ritchie, D. Ablit-zer // Proc. of the 9th World сonf. on Titanium (Sanct-Petersburg, Russia, 07—11 June 1999). — V. 1. – Sanct-Pe-tersburg: CSIICM «Prometey», 1999. – P. 1442—1449.

8. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая хи-мия. – М.: Металлургия, 1976. – 543 с.

9. Шиллер 3., Гайзинг У., Панцер 3. Электронно-лучеваятехнология. – М.: Энергия, 1980. – 528 с.

10. Тихоновский А.Л., Ахонин С.В. Кинетика процессов мас-сообмена в системе реальный раствор—паровая фаза //Пробл. спец. электрометаллургии. – 1992. – № 2. –С. 61—64.

11. Mathematical modeling of aluminum evaporation duringelectron-beam cold-hearth melting of Ti—6Al—4V ingots /S.V. Akhonin, N.P. Trigub, V.N. Zamkov, S.L. Semia-tin // Metallurgy and Materials Transactions B. –2003. – 34B, August. – P. 447—454.

12. Иванченко Н.В., Устинов А.И., Мохорт В.А. Термоди-намический анализ испарения в вакууме титана и никеляиз расплава Ti—Ni // Современ. электрометаллургия. –2003. – № 3. – C. 15—18 с.

A mathematical model was constructed, which correlates concentration of aluminium and other alloying components inan ingot of multicomponent titanium alloy, produced by electron beam cold-hearth melting, with technological parametersof meting, initial charge composition and physico-chemical constants of the titanium alloy. Adequacy of the constructedmathematical model has been verified, and influence of technological parameters of melting and initial charge compositionon chemical composition of the produced ingots is analyzed in the case of producing an ingot of titanium aluminidealloy Ti—29Al—12Nb—3Cr—3Zr by the process of electron beam cold-hearth melting. It is shown that the constructedmathematical model quite accurately describes the actual evaporation process in electron beam melting of titaniumaluminide. Relative error of calculation results, compared to experimental data, is from 3.2 for aluminium up to 7.3 %for zirconium. Developed mathematical model of evaporation allows prediction of chemical composition of producedingots of multicomponent titanium alloys, and can be used in production to manufacture ingots of a guaranteed compositionby EBM process. Ref. 12, Table 1, Figures 7.

K e y w o r d s : electron beam melting; ingot; evaporation; mathematical simulation; melting rate; titanium alloys,titanium aluminide; alloying elements

Поступила 25.09.2013

39

УДК 669.187.58

ПЛАЗМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛУРГИИИ ТЕХНОЛОГИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Ю.В. Цветков, А.В. Николаев, А.В. СамохинИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (Россия).

119991, Москва, Ленинский пр-т, 49. E-mail: tsvetkov@imet.ac.ru

Сформулирована аппаратурно-технологическая классификация плазменных процессов в металлургии и при обра-ботке материалов, позволившая оценить перспективы их практического применения и пути оптимизации конст-руктивно-технологического оформления. Оборудование для шахтных печей с плазменным нагревом и процессывоздействия плазмы на металлургические расплавы имеют близкие прототипы в классической металлургии. Струй-но-плазменные процессы, ориентированные на получение веществ в дисперсном состоянии, требуют созданияоригинального оборудования. Авторами реализованы процессы плазменно-водородного восстановления оксидовтугоплавких металлов, плазменной восстановительной плавки оксидов группы железа, получения соединений ме-таллов (карбиды, нитриды, оксиды и др.), позволяющие производить продукты в виде дисперсных порошков. Ониотличаются возможностью энерго- и ресурсосбережения, получения продуктов с особыми эксплуатационными свой-ствами и совместимостью с окружающей средой. Предложена концепция модульного энерготехнологического ком-плекса, объединяющего на базе плазменной техники производство энергии и химико-металлургическое изготовлениеметаллов, сталей и сплавов из природного и техногенного сырья. Такой экологически чистый комплекс позволитснизить энерго- и ресурсозатраты. Библиогр. 15, ил. 10.

Ключ е вы е с л о в а : струйно-плазменные процессы; дисперсные порошки; плазмохимическая установка;вольфрам; энерго- и ресурсосбережение; энерготехнологический комплекс; плазменно-дуговое жидкофазное вос-становление железа

Исследования физикохимии и технологии воздей-ствия термической плазмы на вещество в различныхагрегатных состояниях, направленные на разработ-ку экологически чистых энерго- и ресурсосберегаю-щих процессов производства материалов с особымисвойствами, в том числе наноматериалов, основанына научной теории о воздействии высококонцентри-рованных источников энергии на вещество [1, 2].

В результате систематических исследований тер-модинамики, кинетики и механизма восстановленияоксидных систем с использованием современныхметодов исследования топохимических реакций,положений гетерогенного катализа, теории абсо-лютных скоростей реакций создана теория процес-сов восстановления металлов в различных агрегат-ных состояниях, в том числе при воздействии пото-ков термической плазмы [3, 4].

Разработана методология исследования плаз-менных процессов, основанная на высокотемпера-турном термодинамическом анализе, математичес-ком моделировании и экспериментальных кинети-ческих исследованиях, с использованием специаль-но разработанной аппаратуры [5].

В ходе струйно-плазменных процессов выявленаопределяющая роль тепломассообмена для распре-деленного в плазменном потоке диспергированногообрабатываемого вещества и его перехода в газовуюфазу, т.е. степени гомогенизации процесса [3, 5—8].

Сформулирована аппаратурно-технологическаяклассификация плазменных процессов в металлур-гии и обработке материалов, позволившая оценитьперспективы их практического применения, а такжепути оптимизации конструктивно-технологическо-го оформления [7] (рис. 1). Отечественные работыв области применения плазменной техники прово-дились в ряде организаций, но, к сожалению, неполучили существенного развития. Однако исполь-зование электродуговых плазмотронов мегаватноймощности способствует успешному применениюплазмы в промышленных шахтных агрегатах (на-пример, в плазменных вагранках в США) или впроцессах плазменной переработки цинксодер-жащих пылей на заводе фирмы «SKF Steel»(Швеция).

Процессы воздействия плазмы на металлурги-ческие расплавы, конструктивно оформленные в

© Ю.В. ЦВЕТКОВ, А.В. НИКОЛАЕВ, А.В. САМОХИН, 2013

40

виде плазменных печей, в ряде вариантов получилидостаточно широкое применение в рафинирующеми легирующем переплавах, плазменном подогревеметалла перед непрерывной разливкой. Отечест-венные разработки, реализованные на Челябинскомметаллургическом заводе, перенесены на завод воФрайтале (бывшая ГДР), где успешно производилидо 150 марок качественных сталей и сплавов. Впо-следствии по лицензии завода использовались в Авст-рии (50-тонная плазменная печь фирмы «FEST-Alpi-ne»). Нами разработан и внедрен на комбинате «Ю-журалникель» процесс плазменной восстановительнойплавки оксидного сырья применительно к производст-ву металлического кобальта (рис. 2, 3), впоследствиииспользованный для получения никеля.

Анализ процессов четвертого класса не являетсяпредметом рассмотрения настоящей статьи, однакоследует отметить их распространение в промышлен-ности, например процессов плазменной резки, плаз-менного напыления. Весьма перспективным явля-ется также плазменная обработка поверхности.

В отличие от процессов первых двух классов, укоторых плазменное оборудование имеет аналогич-ные прототипы в классической металлургии, дляпроцессов третьего класса (струйно-плазменных)требуется создание оригинального оборудования.

Как правило, струйно-плазменные процессыориентированы на получение веществ в дисперсномсостоянии. Плазменные процессы получения по-рошков отличаются универсальностью (рис. 4).При введении вещества в любом агрегатном состоя-

нии в плазму, генерируемую различными источни-ками, которые отличаются химическим составом,мы с помощью физических и физико-химическихпроцессов получаем сфероидизированные, плаки-рованные порошки, а также порошки элементов исоединений различной дисперсности, в том численаноразмерные.

Нами впервые в мировой практике реализованпромышленный процесс плазменно-водородноговосстановления оксида вольфрама с получениемультрадисперсного порошка вольфрама. На его ос-нове созданы материалы с особыми эксплуата-ционными свойствами [9]. Продемонстрировано,что плазменные металлургические процессы, приусловии рационального выбора объекта и оптими-зации конструктивно-технологического оформле-ния, являются энерго- и ресурсосберегающими вобеспечении совместимости с окружающей средой.

Для ультрадисперсных продуктов плазменноговосстановления оксидов вольфрама продемонстри-рован ряд практических применений, основанныхна особенностях ультрадисперсного состояния(снижение температуры и энергоемкости компакти-рования, интенсификация процессов спекания и

Рис. 1. Аппаратурно-технологическая классификация плазмен-ных процессов в металлургии и при обработке материалов

Рис. 3. Промышленная плазменная печь восстановительнойплавки оксидного сырья

Рис. 2. Плазменная печь для восстановительной плавки оксид-ного сырья

41

сварки, получение на их основе твердых сплавовповышенной твердости и износостойкости).

Разработана и запатентована конструкция плаз-мохимической установки для получения нанопо-рошков металлов и химических соединений привзаимодействии дисперсного и парообразного сы-рья в струе термической плазмы, генерируемойэлектродуговым плазмотроном (рис. 5).

Исследован ряд плазмохимических процессовполучения нанодисперсных порошков металлов исоединений. Установлены термодинамические и ки-нетические закономерности, а также управляющиепараметры, обеспечивающие получение порошковзаданного химического и дисперсного составов.Разработаны методы управления средним размеромчастиц получаемых порошков при изменении эн-тальпии плазменной струи, расхода сырья, конст-руктивных особенностей реактора, а также при ис-пользовании газовой закалки продуктов плазмохи-мического взаимодействия. В качестве преимуществпредлагаемой технологии продемонстрированы по-

лучаемые нанопорошки (металлы, карбиды, нитри-ды, карбонитриды, оксиды и др.), небольшая про-должительность плазменных процессов (<0,01 c) ивысокая производительность оборудования, воз-можность использования традиционной сырьевойбазы без предварительной подготовки, значитель-ный диапазон производительности (0,1......n⋅10 кг/ч) [10—13].

Разработаны физико-химические основы ипринципы конструктивно-технологического офор-мления процесса получения путем синтеза в угле-водородсодержащей плазме нанопорошков системывольфрам—углерод (рис. 6), используемых для по-лучения нанопорошков монокарбида вольфрама вкачестве основы для производства наноструктур-ных твердых сплавов со значительно повышеннымиэксплуатационными свойствами (рис. 7). Актуаль-

Рис. 4. Схема плазменной технологии производства порошков

Рис. 5. Плазмохимическая установка синтеза нанопорошковРис. 6. Принципиальная схема получения нанопорошков воль-фрама и {W-C} в струе термической плазмы дугового разряда

42

ность этой проблемы для отечественной порошко-вой металлургии определяется следующими факто-рами. В настоящее время российская промышлен-ность потребляет около 3000 т твердых сплавов (при-мерно 10 % мирового потребления). Треть этого ко-личества приобретают за рубежом, 1200 т/год про-изводит КЗТС, 300 т – завод «Победит», 100 т –фирма «АЛГ», остальное – другие мелкие произ-водители. Российские предприятия в настоящеевремя выплавляют только средне- и крупнозер-нистые (более 1 мкм) твердые сплавы. Задача повы-шения качества твердых сплавов во всем мире реша-ется путем их наноструктурирования.

Рассмотрены и частично опробованы виды пер-спективного практического использования нанопо-рошков для создания материалов с особыми свой-ствами, например для модифицирования литейныхсплавов, создания эффективных композитов и пок-рытий, в том числе наноструктурные мишени длянанесения покрытий, порошки для нанесения на-ноструктурных покрытий, компоненты для компо-зиционных материалов, компоненты модификато-ров литых сплавов, компоненты наноструктурныхизносостойких покрытий, нанопористые металли-ческие и керамические фильтры.

В настоящее время наш коллектив предлагает кпрактической реализации следующие научно-тех-нологические разработки [14, 15]:

технологические процессы получения нанораз-мерных порошков элементов (вольфрам, тантал,ниобий, молибден, никель, кобальт, железо, медь)и их соединений (оксидов, карбидов, нитридов), атакже композиций с заданным дисперсным, хими-ческим и фазовым составами в термической плазмедугового электрического разряда. Средний размерполучаемых нанопорошков изменяется в диапазоне20...100 нм;

основы технологии создания наноструктурныхтвердых сплавов карбид вольфрама—кобальт с резкоповышенной твердостью и износостойкостью для

применения в изготовлении режущего инструмента.Предусмотрено получение твердых сплавов в диа-пазоне концентраций от ВК-1 до ВК-15 с введениемкомплексных ингибиторов роста зерна (рис. 7);

изготовление плазмохимических установок син-теза нанопорошков металлов и соединений мощно-стью 30, 100, 300 кВт (производительностью 0,5......1,0; 5...10; 30...50 кг/ч) с использованием элек-тродуговых генераторов плазмы;

проектирование производственных участков на-нопорошков на базе плазмохимических установок;

исследования, направленные на разработку ма-териалов для создания высокоемких электролити-ческих конденсаторов на основе нанопорошков тан-тала и ниобия, нанопорошковых модификаторовчугуна, стали и сплавов, обеспечивающих умень-шение размеров кристаллической структуры метал-ла при массовой доле 0,05...0,1 %;

композиционных материалов с использованиемнанопорошков;

нанопорошковых пигментов;наноструктурных покрытий способом плазмен-

ного напыления материалов, приготовленных с ис-пользованием нанопорошков;

наноструктурных металлических и компози-ционных проводников с особыми электромагнитны-ми свойствами;

катализаторов топливных элементов.Для обеспечения безопасной работы с наност-

руктурными объектами исследовали токсикологи-ческие свойства нанопорошковых материалов. Оце-нивали риск и возможность обеспечения безопас-ности производства, использования и утилизациинаноматериалов. Создали базу данных по биобезо-пасности существующих наноматериалов. Разрабо-тали методологические подходы к гигиеническомунормированию и сертификации производств, това-ров и услуг в сфере нанотехнологии.

Изучены некоторые процессы при воздействиитермической плазмы на газовые среды, расплавы и

Рис. 7. Стадии получения наноструктурного твердого сплава

43

растворы, в том числе применительно к процессампереработки техногенного сырья, среди которыхплазменно-каталитический риформинг углеводо-родного сырья для получения водородсодержащихгазов и окисление органических примесей в воде.

Современное производство стали, осуществляе-мое по аппаратурно-технологической схеме домна—конвертер (рис. 8) имеет ряд существенных недо-статков, определяемых необходимостью соответст-вия высоким требованиям к сырью и его специаль-ной подготовке, поскольку специфика доменногопроцесса требует от поступающего в домны мате-риала высокого уровня механических свойств в со-четании с обеспечением газопроницаемости. Агло-мерация и коксохимическое производство, где при-меняют дорогой и дефицитный коксующийся уголь,не только удорожают производство в целом, но инаносят существенный ущерб окружающей среде,который по ценностной оценке может достигать25 % себестоимости производства стали. Предлага-емые альтернативные процессы, в частности способпрямого восстановления, нашедший промышленноеприменение и в отечественной металлургии, по рядупричин, в том числе из-за значительных энергети-ческих расходов, не смог существенно потеснитьтрадиционную технологию производства стали, воснове которой лежит доменный процесс. Предста-вляется, что положительную роль в возможнойтрансформации сталеплавильного производства мо-

жет сыграть применение плазменной техники какна стадии получения восстановителя и топлива дляэкологически чистой ТЭЦ из низкосортного органи-ческого сырья путем его газификации, так и в вос-становительном агрегате.

Нами развивается концепция энерготехнологиибудущего, основанная на создании по модульномупринципу экологически чистого энерготехнологи-ческого комплекса, объединяющего на базе плаз-менной техники производство энергии и химико-металлургическое производство металлов, сплавови соединений из природного и техногенного сырья(рис. 9). При этом прогнозируется значительноесокращение энергозатрат, по сравнению с тради-ционными и альтернативными способами.

Создание плазменного энергометаллургическо-го комплекса позволит снизить в 1,5...2,0 раза энер-гоемкость производства стали; в качестве первич-ного источника энергии использовать энергетичес-кий уголь и углеводородсодержащие отходы; сни-зить вредное воздействие на окружающую средувследствие отсутствия коксохимического и агломе-рационного производств; расширить сырьевую ба-зу, комплексно использовать рудное сырьё, создатьмноготоварное металлургическое производство, втом числе наноструктурных материалов; создатьзамкнутую экосистему комплекс—жилой массив.

Применительно к целевой задаче оптимизацииконструктивно-технологического оформления вос-

Рис. 8. Схемы (I—III) производства стали

44

Рис. 9. Принципиальная схема энергометаллургического комплекса

Рис. 10. Схема прогнозируемой металлургии будущего: 1 – газоочистка; 2 – сера; 3 – восстановительный газ; 4 – железорудныйконцентрат; 5 – компрессор; 6 – газовая турбина; 7 – генератор; 8 – подача электроэнергии; 9 – отработанный газ; 10 –плазмотрон (восстановление); 11 – плазмотрон (очистка); 12 – плазмотрон (легирование); 13 – газификатор; 14 – бойлер;15 – вода; 16 – уголь; 17 – СО, Н2, Н2О, СО2; 18 – железо; 19 – сталь; 20 – металлургический блок; 21 – прокат; 22 –кислород; 23 – пар; 22 – теплообменник; 25 – насос; 26 – зола; 27 – паровая турбина; 28 – теплица

45

становительного модуля комплекса разработаныфизико-химические и энергофизические основыпостроения процессов бескоксового плазменно-ду-гового получения металлов группы железа из дис-персного оксидного сырья. Продемонстрированаприменимость процесса плазменного жидкофазноговосстановления к сложному рудному сырью типатитаномагетита. Выработаны рекомендации для со-ставления технического задания на разработку иизготовление опытно-промышленной плазменно-дуговой жидкофазной печи мощностью 3...5 МВтдля восстановления железа из титаномагнетитовогоконцентрата.

На основе развиваемой концепции расчетных иэкспериментальных исследований, нацеленных насоздание оптимального конструктивного оформле-ния энерготехнологических процессов на базе плаз-менной техники, надеемся предложить для реализа-ции перспективную схему металлургии будущего(рис. 10).

Работы проводились при поддержке Российско-го фонда фундаментальных исследований (гранты№ 11-08-00516-а, № 13-03-00733, грант Президен-та РФ по поддержке ведущих научных школ НШ-854.2012.3).

1. Рыкалин Н.Н. Тепловые основы сварки. – М.: Изд-воАН СССР, 1947. – 271 с.

2. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при свар-ке. – М.: Машгиз, 1951. – 296 с.

3. Цветков Ю.В., Панфилов С.А. Низкотемпературнаяплазма в процессах восстановления. – М.: Наука,1980. – 360 с.

4. Цветков Ю.В. Пути интенсификации процессов восстано-вления в свете адсорбционно каталитических представле-ний. Физическая химия окислов металлов. – М.: Наука,1981. – С. 9—15.

5. Цветков Ю.В. Особенности термодинамики и кинетикиплазменно-металлургических процессов // Физика и хи-мия плазменных металлургических процессов. – М.:Наука, 1985. – С. 9—15.

6. Tsvetkov Yu.V. Plasma metallurgy. Current state, problemsand prospects // Pure and Applied Chemistry. – 1999. –71, № 10. – P. 1853—1862.

7. Цветков Ю.В., Николаев А.В., Панфилов С.А. Плазмен-ная металлургия. – Новосибирск: Наука, 1992. – 265 с.

8. Цветков Ю.В. Физикохимия плазменной металлургии //Технология металлов. – 2006. – № 4. – С. 7—14.

9. Каламазов Р.У., Цветков Ю.В. Высокодисперсные по-рошки вольфрама и молибдена. – М.: Металлургия,1988. – 193 с.

10. Цветков Ю.В. Термическая плазма в нанотехнологи-ях // Наука в России. – 2006. – № 2. – С. 4—9.

11. Самохин А.В., Алексеев Н.В., Цветков Ю.В. Плазмохи-мические процессы создания нанодисперсных порошко-вых материалов // Химия высоких энергий. – 2006. –40, № 2. – С. 120—126.

12. Цветков Ю.В., Самохин А.В. Плазменная нанопорошко-вая металлургия // Автомат. сварка. – 2008. – Hо-ябрь. – С. 171—175.

13. Тепломассоперенос в плазменном реакторе с ограничен-ным струйным течением в процессах получения нанопо-рошков / А.Г. Асташов, А.В. Самохин, Ю.В. Цветков,Н.В. Алексеев // Химия высоких энергий. – 2012. –46, № 4. – С. 327—330.

14. Цветков Ю.В., Николаев А.В. Плазменные процессы всоставе энергометаллургического комплекса (некоторыепроблемы металлургии будущего) // Ресурсы. Техно-логия. Экономика. – 2006. – № 2. – С. 20—26; №3. –С. 38—42.

15. Энергоэффективное применение плазменной печи привосстановлении титаномагнетитового концентрата /А.В. Николаев, Д.Е. Кирпичёв, А.А. Николаев,Ю.В. Цветков // Главный энергетик. – 2012. –№ 3. – С. 26—36.

Equipment-technology classification of plasma processes in metallurgy and in material processing has been establishedthat allowed evaluation of the prospects for their practical application and means of optimization of design-technologicalcharacteristics. Equipment for shaft furnaces with plasma heating and processes of plasma action on metallurgical meltshave close prototypes in classical metallurgy. Plasma-jet processes oriented to production of materials in the dispersedstate, require development of original equipment. The authors have implemented processes of plasma-hydrogen reductionof refractory metal oxides, plasma reducing smelting of iron group oxides, producing metal compounds (carbides, nitrides,oxides, etc.), allowing manufacturing products in the form of dispersed powders. They feature the capability of energyand resource saving, making products with special service properties and environmental compatibility. A concept ofmodular energy technological complex is proposed, which combines generation of energy and chemico-metallurgicalproduction of metals, steels and alloys from natural and technogenic raw materials on plasma technology base. Such anon-polluting complex will allow lowering energy and resource consumption. Ref. 15, Figures 10.

K e y w o r d s : plasma-jet processes; dispersed powders; plasma-chemical installation; tungsten; energy and resourcesaving; energy technological complex; plasma-arc liquid-phase reduction of iron

Поступила 11.07.2013

46

УДК 669.187.58

ВИХРЕВОЙ ЭФФЕКТ И ГАЗОДИНАМИКАВ ПОЛОМ ЭЛЕКТРОДЕ ПЛАЗМОТРОНА

К.А. Цыкуленко, В.А. Шаповалов, В.В. Степаненко, Д.М. ЖировИнститут электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.

03680, г. Киев, ул. Боженко 11. E-mail: office@paton.kiev.ua.

Работа направлена на изучение основных газодинамических характеристик плазмотрона с полым катодом, что, вконечном итоге, должно привести к созданию высокоресурсного металлургического плазмотрона. Показана взаимо-связь вихревого эффекта и газодинамики полого электрода плазмотрона. Дано описание физической модели плаз-мотрона с полым электродом для исследования распределения в нем газовых потоков. Показано, что на выходе иззавихрителя пристеночный поток представляет собой несколько отдельных спирально закрученных жгутов, направ-ленных как в электрод, так и в сопло. В результате в центральной части полости формируется область пониженногодавления. Определено изменение давления пристеночного вихревого потока на стенку полого электрода по мереудаления этого потока от камеры завихрителя в зависимости от глубины полости электрода и давления газа,подаваемого в камеру завихрителя. Исследовано распределение давления выходящего потока газа по сечению сопламодели плазмотрона. На основании анализа литературных данных и собственных предварительных экспериментовпредложена гипотетическая схема движения потоков газа в плазмотроне с полым электродом. Библиогр. 13, ил. 7.

Ключ е вы е с л о в а : ресурс работы плазмотрона; полый электрод; вихревой эффект; модель плазмотрона;давление потока газа; область пониженного давления; схема движения газовых потоков

Газодинамические характеристики плазмотрона сполым электродом (чаще всего катодом) определя-ют надежность его работы и существенно влияютна срок службы. Повышение ресурса работы плаз-мотронов, особенно металлургических с токовой на-грузкой 1...10 кА, продолжает оставаться актуаль-ной задачей [1, 2]. Эта работа посвящена изучениюуказанных характеристик.

Ресурс работы полого электрода плазмотронаопределяется износом его внутренней поверхности,который в свою очередь (при прочих равных усло-виях) зависит от площади подвергаемой износу по-верхности и тепловых условий работы. Привязкадуги может быть диффузной и контрагированной.С целью повышения ресурса работы, особенно сучетом относительно небольшой толщины стенкиполого электрода, целесообразно обеспечить при-вязку дуги к ней в диффузном виде, что представ-ляет основную задачу специалистов, работающихнад созданием новых конструкций высокоресурс-ных металлургических плазмотронов [1, 2]. Покаеще нет четких критериев, позволяющих предви-деть тип привязки дуги. В числе влияющих факто-ров называются форма, материал и интенсивностьохлаждения электрода; значение и плотность тока;состав и давление плазмообразующего газа; харак-тер распределения и скорость газовых потоков, обу-словливающих образование локальных зон пони-женного давления, в которых может образовывать-

ся объемный разряд [1—8]. В случае формированияконтрагированной привязки перемещением пятнадуги по внутренней поверхности полого электродаможно целенаправленно управлять с помощью раз-лично направленных, в том числе вихревых, газо-вых потоков. При быстром перемещении пятна дугиуменьшается тепловая нагрузка и, следовательно,износ внутренней поверхности электрода [1, 9].Кроме того, с помощью газовых потоков можно соз-давать дополнительное (наряду с водяным) охла-ждение стенки электрода [1, 10].

Изучение характера распределения и динамикивихревых газовых потоков в полом электроде тако-го плазмотрона по существу является исследовани-ем вихревых потоков в трубках Ранка—Хилша. Придвижении вихревого потока газа по внутренней по-верхности трубки (полого электрода) у стенки обра-зуется область повышенных, а в центре полости –область пониженных значений температуры и дав-ления [11, 12].

Вихревой эффект несмотря на довольно про-должительный срок исследований до сих пор неимеет научного объяснения. Несмотря на это со-здаются различные конструкции и аппараты, осно-ванные на вихревом эффекте. Применительно к ус-тройствам для плазменной техники в высокочастот-ных плазмотронах используются газовихревая изо-ляция стенки камеры и стабилизация плазмы наоси, разработаны конструкции дуговых плазмотро-

© К.А. ЦЫКУЛЕНКО, В.А. ШАПОВАЛОВ, В.В. СТЕПАНЕНКО, Д.М. ЖИРОВ, 2013

47

нов с полым катодом и различные способы вихревойподачи газа [1, 9, 10, 13], однако ресурс работыдуговых плазмотронов, предназначенных для плав-ки металлов, все еще недостаточно высок.

Рассматривая множество существующих теорий,объясняющих эффект Ранка—Хилша [11, 12], мож-но заключить следующее. В настоящее время уженикто не подвергает сомнению (как это было приего открытии) существование самого эффекта, сос-тоящего в разделении подаваемого потока газа напериферийную (горячую) и центральную (холод-ную) закрученные спирали. Однако некоторые ис-следователи отмечают, что вращение центральногои периферийного потоков, происходит в одну и туже сторону, другие – в разные стороны, что, по-видимому, связано с условиями проведения экспе-риментов (скоростью подачи газа в трубку, геоме-трическими размерами и профилем самой трубки,степенью дросселирования и пр.).

Применительно к работе дугового плазмотронаотметим, что основное отличие газодинамики плаз-мотрона с полым электродом и вихревой трубкиРанка—Хилша состоит в том, что в дуговом плаз-мотроне имеется только один канал для выхода га-зов – сопло. Если в процессе закрутки и происхо-дит разделение потоков газа, то при выходе из соплаэти потоки должны каким-то образом смешиваться.Кроме того, само сопло можно рассматривать каквторую (хотя и более короткую) трубку Ранка—Хилша, установленную в обратном направлении кпервой трубке (полому электроду). Подключениетакого плазмотрона к источнику питания и создание

плазменно-дугового разряда еще больше усложняеткартину течения газовых потоков.

С учетом приведенных соображений для разра-ботки высокоресурсного металлургического плаз-мотрона с полым электродом необходимо опреде-лить распределение газовых потоков и его газоди-намические характеристики. Представляет интересизучение возможности управления перемещениемпятна привязки дуги по внутренней поверхностиполого электрода, а также создания условий дляформирования диффузионного типа привязки.

Определенные исследования в этом направле-нии проведены в Новосибирском институте теорети-ческой и прикладной механики СО РАН [1, 9],которые, однако, содержали довольно много неяс-ностей и противоречий.

В Институте электросварки им. Е.О. Патона дляизучения распределения газовых потоков в поломэлектроде плазмотрона были проведены собствен-ные исследования. Для них изготовили модельплазмотрона, где с целью имитации различной дли-ны полого электрода предусмотрено перемещениеспециального поршня (рис. 1).

В завихритель газ (сжатый воздух) поступаетпо двум диаметрально расположенным патрубкампри одинаковом давлении в каждом (рис. 2, а). Иззавихрителя в камеру (в полость электрода и сопло)газ подается через восемь тангенциально направ-ленных каналов диаметром 3 мм. Расход газа и об-щая площадь входных отверстий в вихревой камеревлияют на протяженность первой циркуляционнойзоны. В плазмотронах с полым катодом, в отличиеот трубок Ранка—Хилша, как правило, предусмот-рена подача газа не через один, а через несколькотангенциальных каналов для более равномерногораспределения пристеночного потока. Однако про-стое увеличение количества каналов в завихрителене может обеспечивать равномерное распределениеэтого потока на внутренней поверхности пологоэлектрода плазмотрона.

На выходе из завихрителя пристеночный поток,по всей видимости, представляет собой несколько(в соответствии с количеством тангенциальных ка-налов) отдельных спирально закрученных жгутов.Скорость потока в каждом из них определяется привсех прочих равных условиях давлением газа навыходе из канала. На рис. 2 представлена схемыдвижения потоков в используемом завихрителе идиаграмма давлений в направляющем кольцевом за-зоре напорного коллектора. Применение завихри-теля подобной конструкции предполагало обеспе-чение равномерного распределения подаваемого по-тока газа по внутренней поверхности полого элек-трода. Однако, как показали эксперименты, дажепри давлении подаваемого газа до Р0 = 4,9⋅105 Пав направляющем кольцевом зазоре зафиксировананекоторая неравномерность вихревого потока, вы-званная двумя факторами – существованием от-дельных вихревых жгутов и возможной разницейзначений давления в них.

Рис. 1. Схема модели плазмотрона и измерения давления в ней:1 – полый электрод; 2 – сопло; 3 – поршень; 4 – датчикипристеночного давления; 5 – направление перемещения изме-рительной трубки; 6 – измерительная трубка; 7 – вакуумныйшланг; 8 – водяной манометр; 9 – область пониженного дав-ления; 10 – затягивание компактных предметов; 11 – вращениелегких длинномерных предметов; P1...Pi – давление у стенки

48

Наличие вихревых жгутов обусловлено спосо-бом подачи газа через отдельные тангенциальныеканалы. Теоретически такие жгуты будут существо-вать до тех пор, пока по мере продвижения присте-ночного вихревого потока вдоль оси полого элек-трода, снижения давления и расширения диаметрасамого жгута они не сольются в один поток равнойплотности. Чем меньше диаметр тангенциальногоканала завихрителя, а также меньшее количество та-ких каналов и большее расстояние между ними, темпозже при прочих равных условиях сформируетсяравномерный пристеночный поток. Разница значе-ний давления газа в отдельных жгутах обусловленарасположением того или иного тангенциального ка-нала относительно внешних подводящих газ пат-рубков. Как правило, вихревая камера плазмотронаимеет один или два таких патрубка. В условияхэксперимента чем ближе к внешнему патрубку рас-полагали тангенциальный канал завихрителя, темвыше поднималось давление в нем. Причем при оди-наковом расстоянии от внешнего патрубка давлениевыше в сонаправленном с потоком канале. Возмож-но, при более высоком давлении подаваемого газа,когда потери давления в кольцевом зазоре за счетрасхода через тангенциальные каналы будут незна-чительны, удастся обеспечить более равномерноераспределение потоков газа и добиться примерноравных значений давления в каждом жгуте.

При выходе из кольцевого зазора напорного кол-лектора завихрителя происходит разделение газо-вого потока. Одна часть формирует пристеночныйвихревой поток в полом электроде диаметром 45 мм(d2), другая – в сопле диаметром 41 мм (d1). Обаэтих вихревых потока из-за высоких скоростейвращения создают в центральной части полостиразряжение и формируют общую область пони-женного давления (рис. 1). Именно существова-ние этой области может обеспечить диффузнуюпривязку дуги к электроду, что повысит ресурсработы плазмотрона.

Небольшие легкие и компактные предметы(клочки бумаги, щепки), размещенные на оси моде-

ли плазмотрона, в области выхода и разделениягазовых потоков под действием центробежных силмгновенно затягиваются в щелевой зазор. Если этипредметы разместить на оси, но вне этой области(в условиях эксперимента протяженность указан-ной области по оси модели плазмотрона составила15...20 мм), то они смещались к стенке и уносилисьсоответствующим вихревым потоком (в сопло илиполость электрода). Длинномерные легкие предме-ты, например карандаш, размещенные на оси моде-ли таким образом, что их центр тяжести расположенв области А (рис. 1), под действием разнонаправ-ленных вихревых потоков зависают внутри моделии вращаются вокруг оси у стенок полого электродаи сопла. Если центр тяжести такого предмета выхо-дит за пределы указанной области, то предмет под-хватывается и перемещается соответствующим по-током. Регулируя давление подаваемого газа, мож-но управлять положением (высотой расположения)предмета в полости электрода. Чтобы оценить уро-вень подъемной силы вихревого пристеночного по-тока, в полость электрода вместо запирающего то-рец поршня помещали шайбу из оргстекла, котораяпод воздействием потока газа могла свободно пере-мешаться внутри. При давлении газа на входе взавихритель 3,2⋅105 Па вихревой поток, направлен-ный в полость электрода, удерживал шайбу с уста-новленной на ней гирькой, общая масса которыхсоставила 185 г, у верхнего торца полого электродана высоте h = 420 мм.

Пристеночный вихревой поток, направленный вполость электрода, стремясь под действием центро-бежных сил расшириться, оказывает давление наего стенку. Для оценки его значения по всей высотеполого электрода установили датчики давления.Изменение давления пристеночного вихревого по-тока на стенку полого электрода по мере удаленияэтого потока от камеры завихрителя определяли взависимости от глубины полости электрода(рис. 3).

При небольшой глубине полости электрода hэ,примерно 0,5d2, изменение уровня пристеночного

Рис. 2. Схема потоков газа в завихрителе (а) и диаграмма давлений в направляющем кольцевом зазоре напорного коллектора (б);N – номера каналов

49

давления не зафиксировано. В случае увеличенияглубины полости электрода до 2d2 и более по мерепродвижения вихревого потока к торцу электродаотмечено снижение давления потока на стенку. При-чем наиболее резкое изменение давления в условияхэксперимента происходило на высоте 20...30 мм.Можно предположить, что профиль указанных зна-

чений давления в какой-то мере отражает профильзоны разряжения в осевой полости электрода.

Учитывая, что в полости электрода, как и в труб-ке Ранка—Хилша, возможно разделение вихря нагорячий и холодный потоки, с помощью пирометразамеряли температуру поверхности стального элек-трода, которая перед продувкой по показаниямпирометра составляла 18 °С, а подаваемого в зави-хритель газа – 19...20 °С. На рис. 4 представленырезультаты замеров температуры различных участ-ков наружной поверхности полого стального элек-трода (толщина стенки 1,5 мм) в зависимости отдавления газа, подаваемого в завихритель и време-ни продувки.

Полученные данные свидетельствуют о том, чтопристеночный вихревой поток по мере его продви-жения к торцу полого электрода ослабевает, уро-вень оказываемого давления на стенку снижается.Потеря энергии потоком объясняется потерями натрение о стенку полого электрода, а также сниже-нием плотности потока за счет расширения газа ирезким сокращением (или вообще исчезновением)области пониженного давления. Чем выше давлениеподаваемого в завихритель газа, тем больше давле-ние вихревого пристеночного потока на стенку элек-трода, температура поверхности электрода увели-чивается. Сопоставляя графики давления и темпе-ратуры (рис. 3, 4) отметим, что температура повер-хности электрода возрастает не только из-за повы-шения времени продувки, но и по мере продвиже-ния пристеночного вихревого потока к его торцу.Снижение давления потока на стенку должно былобы приводить к уменьшению сил трения и, следо-вательно, к снижению температуры поверхности.Конечно, в процессе совместного трения нагрева-ются оба тела (поверхность электрода и газ присте-ночного вихревого потока). Однако такое заметноеповышение температуры поверхности по мере про-движения потока к торцу электрода вряд ли можнообъяснить только одним ростом температуры самогопристеночного потока.

Снижение температуры поверхности у торца элек-трода (на расстоянии 350 мм от среза сопла) объя-сняется влиянием массивного стального поршня,контактирующего с тонкой стенкой электрода и вы-полняющего в данном случае роль холодильника.

Пока нет единого мнения о том, каким образомформируется возвратный поток. Одним из вариан-тов является отражение пристеночного потока отторцевой поверхности полости электрода (этот ме-ханизм вероятен при сравнительно небольшой глу-бине полости электрода), другим – возникновениеосевого градиента давления (этот механизм возмо-жен при большой глубине полости электрода). Повсей видимости, в общем случае имеется совместноевлияние обоих этих факторов, степень которого оп-ределяется давлением подаваемого газа и геометри-ческими размерами полости электрода.

Практически все исследователи вихревого эф-фекта в трубках Ранка—Хилша изображают воз-

Рис. 3. Изменение давления пристеночного вихревого потока взависимости давления газа, подаваемого в камеру завихрителя,и удаления от камеры завихрителя (глубина полости электродаhэ равна 108 (а) и 390 мм (б) при P0⋅10

5, Па: 1 – 4,9; 2 – 4,8;

3 – 4,6; 4 – 4,4; 5 – 3,85; 6 – 3,0; 7 – 2,0

Рис. 4. Изменение температуры полого электрода при подавае-мом давлении 4,8⋅10

5 Па и времени продувки 420 (1); 180 (2);

60 с (3) (а); при времени продувки 180 с и подаваемом давлении4,8⋅10

5 (4); 3,85⋅10

5 (5); 2,0⋅10

5 Па (6) (б)

50

вратный поток, как вихревой осевой [11, 12]. Приисследовании газодинамики плазмотронов с полымкатодом возвратный поток также является осевым[1, 9], однако не ясен его характер – прямоточныйили вихревой. При анализе схемы распределениягазовых потоков в полом катоде плазмотрона во-зникает вопрос, что происходит с возвратным осе-вым потоком, когда он проходит сквозь область по-ниженного давления.

В общем случае пониженное давление должноспособствовать расширению этого потока и его рас-пределению по всему сечению электрода. Однакоследует учитывать следующее. Область пониженно-го давления не равномерна, формируется под дейст-вием центробежных сил вихревого пристеночногопотока, а максимальное разрежение достигаетсяна оси плазмотрона. Если возвратный потоксформировался под воздействием осевого гра-диента давления и имеет прямоточный характер,то именно туда должен быть направлен возврат-ный поток газа. Если принять, что осевой воз-вратный поток имеет вихревой характер движе-ния, то как и в случае пристеночного потока цен-тробежные силы должны растягивать его к стен-кам электрода. Другими словами, возвратный по-ток должен иметь форму не цилиндра, располо-женного на оси плазмотрона, а конуса.

Для оценки расположения возвратного потокапроведено исследование распределения давлениявыходящего потока газа по сечению сопла моделиплазмотрона. Измеряли давление на локальныхучастках с помощью водяного манометра в радиаль-ном направлении непосредственно у среза сопла.На рис. 1 представлена схема измерений, а нарис. 5 – график значений давления в относитель-ных единицах (по положению водяного столба вманометре). Внутренний диаметр трубки, исполь-зуемой для замеров локального давления, состав-лял 2 мм.

Из полученных данных следует, что при холод-ных продувках весь поток выходящего из соплаплазмотрона газа сосредоточен у стенки сопла. Тол-щина пристеночного слоя газа составляла всего не-сколько миллиметров. Во всей остальной областизафиксировано разрежение. Возвратного осевогопотока (т. е. потока газа, идущего из полости элек-трода) на выходе из сопла не обнаружено. При не-большом давлении подаваемого в завихритель газаво всей центральной области сопла фиксировалипримерно одинаковое разрежение. Только при3⋅105 Па удалось обнаружить в осевой области не-которое снижение уровня разрежения.

Отсутствие осевого потока, выходящего из соплаплазмотрона, объясняется тем, что сопло такжепредставляет собой трубку Ранка—Хилша, установ-ленную в обратном направлении к полому электро-ду. Как и в полости электрода, в сопле из частигаза, поступающего из завихрителя, формируетсяпристеночный вихревой поток (рис. 6), которыйсоздает разрежение в центральной части сопла и

способствует образованию встречного возвратногопотока газа, втягиваемого в сопло из окружающейатмосферы. Зафиксированное в осевой области не-которое снижение уровня разрежения объясняетсявлиянием возвратного потока газа, поступающего изполости электрода. Для оценки взаимодействиядвух встречных возвратных потоков необходимопровести более тщательные исследования распре-

Рис. 5. Эпюра значений давления потоков газа на выходе изсопла модели плазмотрона с полым электродом

Рис. 6. След от вихревого пристеночного потока, оставленныйвлажным загрязненным воздухом на выходе из направляющегокольцевого зазора напорного коллектора и в сопле модели плаз-мотрона

51

деления давления по сечению на уровне камеры за-вихрителя и полости электрода.

В целом на данном этапе работ схема распреде-ления газовых потоков в плазмотроне с полым элек-тродом в общем случае может быть представленаследующим образом. Газ, выходящий из направляю-щих каналов завихрителя, разделяется на два пото-ка, один из которых направлен в полость электрода,а другой – в сопло. Вначале каждый из потоковпредставляет собой несколько отдельных жгутов(по количеству направляющих каналов завихрите-ля), расположенных у стенок и закрученных поспирали в соответствующую полость. Шаг междувитками спирали определяется соотношением зна-чения давления в направляющем канале и геоме-трическими размерами полости.

Поток газа, направленный в сопло, практическисразу выносится за пределы плазмотрона. Из-за вы-сокой скорости этого потока под действием центро-бежных сил в осевой области образуется разряже-ние, что приводит к формированию возвратного по-тока сопла (рис. 7). Поток газа, движущийся в по-лость электрода, имеет более сложный характерраспределения. По мере продвижения этого потокавдоль электрода оказываемое им давление на стенкуослабевает. Это может быть результатом как повы-шения скорости потока за счет раскручивания ввихре, так и естественного расширения газа в от-дельных жгутах и постепенного слияния их в общийпристеночный поток.

Расширение газа и постепенное выравниваниеплотности потока может происходить не только поповерхности электрода, но и внутрь – к оси элек-трода. В зависимости от давления подаваемого газаи глубины полости (при всех прочих равных усло-виях) у глухого торца полого электрода может обра-зовываться вращающийся поток с равной по всемусечению полости электрода плотностью. Если жепадение давления связано преимущественно с повы-шением скорости пристеночного потока, то возврат-ный осевой поток электрода может быть сформи-рован за счет отражения от торцевой поверхностии в начале его продвижения к соплу вообще не со-прикасаться с пристеночным потоком.

Оставляя пока открытым вопрос о том, где икак формируется возвратный поток полого элект-рода, отметим лишь, что такой поток существует иимеет, по всей видимости, вихревой характер дви-жения. В проведенных на модели плазмотрона экс-периментах на торцевой поверхности поршня заме-чены следы потоков, свидетельствующие о формиро-вании именно вихревого возвратного потока.

Если принять, что возвратный поток пологоэлектрода имеет вихревой характер движения, топо мере продвижения к завихрителю, как и присте-ночный поток под действием центробежных сил, ондолжен расширяться и стремиться к стенкам элек-трода. Здесь происходит взаимное проникновениепристеночного и возвратного потоков. Возможныесрывы потоков и возникающие турбулентности мо-гут не оказывать существенного влияния на харак-тер потоков в целом, если учитывать наличие от-дельных жгутов, неравномерность плотности пото-ков, а также допустить, что вращение возвратногопотока происходит в обратном направлении к при-стеночному потоку. Именно в этом случае пересече-ние двух встречных вихревых потоков и возникаю-щие в результате их столкновений турбулентностибудут минимальными.

Сразу за электродом при входе возвратного по-тока электрода в сопло расположена еще одна об-ласть пересечения встречных потоков (рис. 7, об-ласть 7). Здесь происходит пересечение не толькопристеночного и возвратного потоков, но и двухвстречных (в сопло и электрод) потоков. По всейвидимости, оба возвратных потока затягиваются вкольцевой зазор напорного коллектора между от-дельными вихревыми жгутами, где происходит ихперераспределение. Одна часть возвратного пото-ка электрода может подхватываться пристеноч-ным потоком и снова уноситься в электрод, а дру-гая (рис. 7, область 8) – смешиваться с присте-ночным потоком сопла и выноситься за пределыплазмотрона.

Правомочность предложенной гипотетическойсхемы распределения газовых потоков в плазмот-роне с полым электродом без учета влияния плаз-менно-дугового разряда предстоит проверить, ис-пользуя различные способы визуализации газовыхпотоков.

Рис. 7. Гипотетическая схема распределения газовых потоков вплазмотроне с полым электродом: 1 – полый электрод; 2 –сопло; 3, 4 – пристеночные (соответственно в электрод и сопло);5, 6 – возвратные (соответственно электрода и сопла); 7 –область пересечения встречных потоков; 8 – смешение потоков

52

Следует отметить, что проведенные исследова-ния являются предварительными, оценочными.Они должны быть продолжены, что позволит со-здать мощный, надежный, с высоким ресурсом ме-таллургический плазмотрон с полым электродом.

Выводы

1. Показано, что газ, поступающий из завихрителяплазмотрона с полым электродом, разделяется напристеночные вихревые потоки сопла и пологоэлектрода. В осевой зоне полого электрода фор-мируется возвратный поток газа. В осевой зонеот сопла до завихрителя образуется область по-ниженного давления, в результате чего возникаетпоток газа, втягиваемый в сопло из окружающейатмосферы.

2. Установлено, что возвратный поток пологоэлектрода имеет форму конуса и проникает в при-стеночный поток. Возвратные потоки как пологоэлектрода, так и сопла затягиваются в кольцевойзазор напорного коллектора и перераспределяютсяв пристеночные потоки.

3. Для повышения ресурса плазмотрона даль-нейшие исследования должны быть направлены насоздание благоприятных условий для увеличенияпротяженности зоны пониженного давления и сте-пени ее разрежения, которая сможет обеспечитьконтролируемую диффузионную привязку пятнаплазменной дуги.

1. Электродуговые генераторы термической плазмы /М.Ф. Жуков, И.М. Засыпкин, А.Н. Тимошевский идр. – Новосибирск: Наука, 1999. – 712 с.

2. Кривцов В.С., Планковский С.И. Проблемы создания вы-сокоресурсных сильноточных электродуговых плазмотро-нов // Авиационно-космическая техника и техноло-гия. – 2005. – № 7. – С. 7—20.

3. Митрофанов Н.К., Школьник С.М. Две формы привяз-ки атмосферной дуги постоянного тока в аргоне к термо-эмиссионному катоду // Журн. техн. физики. –2007. – 77, № 6. – С. 34—44.

4. Атаманюк В.И. Разработка путей и средств повышениястабильности формирования швов при сварке непла-вящимся электродом: Автореф. дис. ... канд. техн.наук. – Волгоград, 2008. – 19 с.

5. Мухаева Д.В. Электро- и энергоперенос в прикатоднойобласти дугового разряда: Автореф. дис. ... канд. техн.наук. – М., 2011. – 20 с.

6. Меркулов В.В. Исследование тепловых и электрическиххарактеристик плазмотрона с самоустанавливающейсядлиной дуги: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Улан-Удэ, 2005. – 20 с.

7. Гриценко А.А. Разработка и обоснование характеристикплазмотрона косвенного действия для обработки биотка-ни: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. – М., 1992. –16 с.

8. А.с. 1748616 СССР, МПК Н 05 В 7/22. Анодный узелэлектродугового плазмотрона / М.Ф. Жуков, С.П. Ва-щенко, Г.-Н.Б. Дандарон, Х.Ц. Заятуев. – Опубл.10.09.95; Бюл. № 25.

9. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Прикладнаядинамика термической плазмы. – Новосибирск: Наука,1975. – 298 с.

10. ВЧ- и СВЧ-плазмотроны / С.В. Дресвин, А.А. Бобров,В.М. Лелевкин и др. – Новосибирск: Наука, 1992. –319 с.

11. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в тех-нике. – М.: Машиностроение, 1969. – 182 с.

12. Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, С.В. Иванов,А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижиков. – М.: Машинострое-ние, 1985. – 256 с.

13. Мощный неравновесный вихревой СВЧ разряд большогообъема на воздухе атмосферного давления / А.А. Бобров,И.К. Киселев, В.М. Лелевкин и др. // Плазмохимия-91. – М.: ИНХС АН СССР, 1991. – С. 88—118.

The work is aimed at studying the main gasdynamic characteristics of hollow cathode plasmatron that should eventuallylead to development of metallurgical plasmatron with longer service life. Interrelation between the eddy effect and gasdynamics of plasmatron hollow electrode is shown. The paper gives a description of physical model of a plasmatron witha hollow cathode for investigation of gas flow distribution in it. It is shown that the near-wall flow at vortex exitconsists of several separate spirally twisted braids, directed both into the electrode, and into the nozzle. As a result, alower pressure area forms in the central part of the cavity. Change of pressure of near-wall eddy flow on the hollowelectrode wall at this flow moving away from the vortex chamber is determined, depending on the depth of electrodecavity and pressure of gas fed into the vortex chamber. Distribution of pressure of gas outflow across the section ofplasmatron model nozzle is determined. Proceeding from published data analysis and our own preliminary experiments,a hypothetic scheme of gas flow motion in the plasmatron with a hollow electrode is proposed. Ref. 13, Figures 7.

K e y w o r d s : plasmatron service life; hollow electrode; eddy effect; plasmatron model; gas flow pressure; lowerpressure area; schematic of gas flow motion

Поступила 12.07.2013

53

УДК 621.793.18.06

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССОВ ПЕРЕПЛАВА

А. ЖардиИнститут Жана Ламура (UMR CNRS – Университет Лотарингии 7198)

ПАРК ДЕ СОРЮТ, CS 50840, F-54011 Нанси, ФранцияLaboratoire d’Excellence DAMAS. E-mail: alain.jardy@univ-lorraine.fr.

Численное моделирование процессов переплава позволяет объединить локальные условия кристаллизации и рабочиепараметры процесса. Рассмотрены последние исследования, направленные на разработку отдельных аспектов,например распределение переменного тока при ЭШП сталей и сверхпрочных сплавов, совокупное движение дугив печи ВДП и влияние электромагнитного перемешивания на макросегрегацию в переплавленных слитках. Биб-лиогр. 27, ил. 5.

Ключ е вы е с л о в а : слиток; переплав; численное моделирование; металлическая ванна; сегрегация; дуга;распределение электрического тока

Процессы переплава расходуемого электрода созда-ны с целью получения высококачественных спла-вов, предназначенных для ответственных конструк-ций, где требуются слитки высокого металлурги-ческого качества. Таким образом, процессы первич-ного переплава не являются достаточными. Они по-зволяет получить такие важные параметры, как

мелкозернистая структура, ограничение образова-ния кристаллизационных дефектов, низкий уро-вень микро- и макросегрегации, а также высокоекачество слитков.

Процесс вакуумно-дугового переплава (ВДП)(рис. 1, а) заключается в переплаве расходуемогометаллического электрода требуемой марки в высо-

Рис. 1. Схематическое изображение процессов ВДП (а) и ЕШП (б): 1 – вакуумная камера; 2 – электрод; 3 – электрическаядуга; 4 – электрические катушки; 5 – жидкая ванна; 6 – полужидкая зона; 7 – охлаждающий контур; 8 – зазор; 9 – твердыйслиток; 10 – затравка; 11 – охлажденный слиток; 12 – жидкая ванна; 13 – шлак; 14 – переплавляемый слиток; 15 – зоназазора; 16 – вода

© А. ЖАРДИ, 2013

54

ком вакууме с целью получения качественного слит-ка с хорошей структурой [1]. Во время переплавадля обеспечения плавления электрода (катод) элек-трическая дуга поддерживается между концом элек-трода и металлической ванной. Жидкий металлпроходит сквозь плазму дуги и наполняет ванну,из которой формируется слиток в водоохлаждаемоммедном кристаллизаторе. Для стабилизации дугиее можно ограничить при помощи осевого магнит-ного поля, создаваемого посредством внешней ин-дукционной катушки. Процесс взаимодействияэлектромагнитного поля катушки с собственнымполем металлической ванны вызывает орторадиаль-ное вращение металла ванны. Периодически варьи-руя ток катушки, можно менять направление пере-мешивания.

При электрошлаковом переплаве (ЭШП) источ-ником тепла для расплавления является шлак наоснове фтористого кальция. Он располагается меж-ду расходуемым электродом и металлической ван-ной формируемого слитка, через него проходитэлектрический ток [2]. Энергия передается какэлектроду для плавки, так и формируемому слитку.Расплавленный металл от расходуемого электродак формируемому слитку переносится в виде капель,контактирующих со шлаком, которые улучшают ка-чество металла слитков (рис. 1, б). Переплавляе-мыми материалами чаще всего являются специаль-ные стали и сверхпрочные сплавы на основе никеля.

Процесс ВДП представляет собой конечный этапв цикле плавки таких химически активных метал-лов, как цирконий и титан. Стратегическая важ-ность этих изделий и их очень высокая стоимостьсвидетельствуют о необходимости детального пони-мания процессов плавки. Математическое модели-рование позволяет связать такие рабочие парамет-ры, как скорость плавки, диаметр слитка, условияохлаждения с условиями получения качественногослитка. Данная работа является частью программы,начатой приблизительно двадцать лет назад инсти-тутом Жана Ламура (ИЖЛ), по разработке прог-раммного обеспечения для моделирования процес-сов переплава и, следовательно, их оптимизации.

Первую версию численной модели SOLAR (за-твердевание при дуговом переплаве) применялидля моделирования процесса ВДП химически ак-тивных металлов [3]. С тех пор ее постоянно совер-шенствовали. В начале столетия модель адаптиро-вали для сверхпрочных сплавов на никелевой осно-ве и специальных сталей [4, 5]. Недавно подобнуюмодель создали для процесса ЭШП [6]. Разработкуначали в 2004 г. с построения основной гидродина-мической модели шлака, которую усложняли по-этапно. Последняя модель имеет несколько общихбаз с кодом SOLAR, поскольку рост слитка и егозатвердевание в процессах ЭШП и ВДП происходятаналогично.

Общее описание обеих моделей, т. е. SOLAR иSOLECS (полное моделирование процесса ЭШПпо типу SOLAR), и подтверждение их достоверно-сти представлено в сообщении на международной

конференции «Сварка и родственные технологии втретьем тысячелетии» [7]. Остановимся на трех ис-следованиях, направленных на разработку некото-рых аспектов фактических процессов переплава.Распределение тока при электрошлаковом пе-

реплаве. На протяжении последних лет проведенонесколько исследований с целью нестационарногомоделирования всего процесса или более детально-го изучения электромагнитных полей при ЭШП [8—13]. Для этих моделей разработано программноеобеспечение с целью моделирования SOLECS. Приувеличении слитка ЭШП шлак контактирует с во-доохлаждаемым кристаллизатором, что приводит кобразованию слоя затвердевшего шлака на границераздела. В процессе роста формируемого слиткаэтот слой частично подплавляется и становится бо-лее тонким. Он выполняет роль изоляции и обеспе-чивает формирование слитков ЭШП с гладкой бо-ковой поверхностью [2].

В статье [6] высказано предположение о том,что затвердевшая шлаковая пленка изолирует элек-трически шлак и слиток от кристаллизатора, кото-рое, однако, сомнительно и требует подтверждения.В некоторых случаях модель предполагает наличиесплошной твердой пленки, которая окружает шла-ковую «шапку», предотвращая возможный электри-ческий контакт между жидким шлаком и кристал-лизатором.

Несмотря на традиционность указанного пред-положения [14, 15] иногда встречается мнение отом, что определенное количество тока проходит вмедный кристаллизатор [16, 17]. Это явление можетизменить термогидродинамическое поведение шла-ка и жидкой ванны и, таким образом, повлиять напроцесс затвердевания. Следовательно, целью на-шего исследования является количественная оценкаданного явления и определение воздействия толщи-ны твердого слоя и электропроводности затвердев-шего шлака на распределение тока при ЭШП.

Ток плавки, подаваемый к электроду или жид-кому шлаку, на пути к водоохлаждаемому кристал-лизатору или поддону может проходить через ваннуслитка или непосредственно через затвердевшуюшлаковую пленку. Распределение тока зависит отсопротивления на этом этапе, т. е. проводимоститвердого шлака и толщины пленки. Представляемпроцесс расчета электромагнитного явления с упро-щенной геометрией. Предполагается, что толщиназатвердевшей шлаковой пленки однородна и задан-ные значения электропроводности являются расчет-ными. Основные параметры, используемые при мо-делировании, следующие:

ток плавки (максимальное значение), кА ................... 10частота переменного тока, Гц .................................... 50радиус электрода, см ................................................ 26внешний диаметр кристаллизатора, см ....................... 30толщина стенки кристаллизатора, см ........................ 2,5глубина погружения электрода, см .............................. 1электропроводность, Ом—1⋅м—1:

металла .......................................................... 1⋅106

жидкого шлака ................................................. 400твердого шлака ...................................... 1⋅10—3...400

толщина затвердевшего слоя шлака, мм .................. 4...6

55

Оценено влияния изменения двух параметров(электропроводности и толщины затвердевшего слояшлака) на распространение и значение электрическо-го тока. Допускали изменение электропроводности вдиапазоне 1⋅10—3...400 Ом—1⋅м—1 (1⋅10—3 Ом—1⋅м—1 соот-ветствует полной изоляции, тогда как 400 Ом—1⋅м—1 –это проводимость жидкого шлака). Толщина за-твердевшего слоя шлака составляет 4 или 6 мм. Вы-численное распределение тока наиболее часто пред-ставляют посредством визуализации величины век-тора плотности тока (т. е. максимального значениядля каждого компонента плотности тока), что, какправило, приводит к выводу о важности эффектапленки в электроде и слитке [6, 11, 14, 18]. Насамом деле, распространение тока связано с толщи-ной слоя шлака в различных материалах: если пос-ледняя больше, чем фактические размеры области,распространение тока будет однородным, напримерв жидком шлаке.

Однако в этом исследовании мы отобразим мгно-венное распределение тока в определенный моментв переменном периоде t = 0. В дополнение к визуа-лизации эффекта слоя такое представление такжеподчеркивает локальное варьирование угла фазы,вызванное изменением индуцированного магнитно-го поля в металлических проводниках [13].

Первый этап исследования заключается в под-тверждении вероятности прохождения части токаплавки через затвердевший слой шлака и попаданиянепосредственно в кристаллизатор.

На рис. 2 показаны расчеты, полученные в слу-чае, если твердый слой выступает в качестве иде-альной изоляции (электропроводность меньшеили равна 1⋅10—3 Ом—1⋅м—1) или когда электропро-водность составляет 15 Ом—1⋅м—1. Затвердевшийслой шлака предположительно имеет толщину 4 мм.Очевидно, что если электропроводность твердогошлака равна 15 Ом—1⋅м—1, то часть тока фактическипроходит через слой и попадает в кристаллизатор.Затвердевший слой шлака не является идеальнойизоляцией, и это меняет характер распределениятока в системе. Наши результаты подтверждают не-

которые утверждения работ [16, 17] и поднимаютновые вопросы, касающиеся влияния таких потерьтока на эффективность процесса.

На рис. 3 показано влияние изменений электро-проводности и толщины твердого шлака, отображе-но значение общего электрического тока. Электро-проводность твердого шлака является ключевым па-раметром процесса, поэтому необходимы фактичес-кие измерения. Толщина затвердевшего слоя шлакатакже влияет на распределение тока в системе. Од-нако в рамках рассматриваемых значений влияниеуказанного фактора вторично.

В модели учитывают слой равномернойтолщины вдоль всей границы шлак/кристаллиза-тор. Однако толщина может меняться от небольшо-го значения до нескольких миллиметров в ходереального переплава. Для учета такого варьирова-ния, а также оценки влияния процесса распростра-нения электрического тока на затвердевание слиткаполностью объединим эту модель с численным мо-делированием всего процесса ЭШП. Полученныерезультаты сравним с экспериментальными дан-ными.Совокупное движение дуги при вакуумно-дуго-

вом переплаве. Данные о поведении электрическойдуги в процессе ВДП базируются на исследованиях,выполненных впервые в Sandia national laboratories[19] при переплаве стали или cверхпрочных спла-вов на основе никеля. Аналогичные экспериментыдля циркония описаны в работе [20]. В результатеустановлено, что поведение дуги аналогично режи-му рассеивания дуги в вакууме, создаваемой междухолодными электродами сплошного сечения.

Дуга состоит из нескольких рассеянных класте-ров катодных пятен, движущихся по всей поверхно-сти катода, что свидетельствует об общей энергии,передаваемой от дуги к катоду, равномерном ихраспределении. Поскольку отсутствовало преиму-щественное азимутальное направление, на макро-скопическом уровне предполагается осесимметрич-ное поведение, совместимое с плоскопараллельно-стью конца катода при полномасштабной плавке.

Однако недавно появилось опровержение о том,что дуга часто на макроскопическом уровне ведетсебя не осесимметрично. Основываясь на измере-ниях яркости и напряженности магнитного поля,создаваемого дугой, предположили [21, 22], что

Рис. 2. Распределение плотности электрического тока, рассчи-танное для двух значений электропроводности затвердевшегослоя шлака: а – 1⋅10

—3; б – 1⋅15 Ом⋅м

—1

Рис. 3. Выделение общего резистивного тепла в шлаке в соответ-ствии с электропроводностью и толщиной затвердевшей шлако-вой пленки: 1—4; 2 – 6 мм

56

большую часть времени (в усредненном по временизначении) электрический центр дуги вращался во-круг центральной линии слитка с постоянной ско-ростью (от 20...40 с, если электрод из сверхпрочно-го сплава плавился в условиях номинального рас-сеивания). Согласно другому мнению, распределе-ние потока электрического тока и тепловложениесоответствовали распределению в этом месте, частьдуги поглощена слабосфокусированной вращаю-щейся точкой, радиально смещенной от централь-ной линии слитка. Модель 3D ванны слитка с уче-том этого представления в качестве граничного ус-ловия [23] позволяет заключить, что такое совокуп-ное движение дуги на макроскопическом уровнеоказывает значительное влияние на гидродинамикурасплавленной ванны и процесс затвердеванияслитка.

Исследовали динамическое поведение дуги впромышленной печи ВДП. Для съемки кольцевогозазора между электродом и стенкой кристаллизато-ра использовали две синхронизированные видеока-меры, установленные напротив диаметрально рас-положенных сверху камеры печи смотровых окон.Видеоизображения записывали в процессе плавкислитка Zircaloy 2 с различными условиями пере-мешивания.

Для расшифровки записей создана методика об-работки изображения, аналогичная предложеннойв работе [21]. Сначала каждую запись разделялина ряд изображений. Затем для погашения колеба-ний частоты, связанных с индивидуальным поведе-нием катодного пятна, 2 с использовали скользящеесреднее, а частоту выборки сократили до 5 кад-ров/с. В каждом изображении выделяли опреде-ленный участок и все результаты располагали другза другом для того, чтобы построить временнуюпоследовательность (рис. 4, а). На последнем этапевыполнена количественная оценка яркости выбран-ной области и проведен анализ Фурье для опреде-ления частоты колебаний.

На рис. 4, б дан пример двух последовательно-стей, соответствующих диаметрально противопо-ложным областям. График нарастания яркости дляобеих последовательностей также представлен наэтом рисунке. Яркость изменяется довольно равно-мерно, с чередованием между очень яркими и дру-гими временными периодами, где она значительноменьше. Колебания яркости в диаметрально проти-воположных областях происходят в противофазе.Анализ частоты указывает на то, что эти колебаниявключают несколько периодов с доминирующимпримерно в 30 с, одинаковым для двух камер.

Колебания могут быть связаны с поведением ду-ги. Можно предположить, что уровень яркости ко-леблется из-за роста пространственного распрост-ранения дуги, центр гравитации которой проходитчерез поверхность электрода, с частотой около 30 с.Это явление отмечено для всех иследуемых условийплавки. Основной период колебаний имел амплиту-ду одного порядка для всех видов плавки (включаяплавку без перемешивания). В частности, он не свя-зан с обратным периодом магнитного поля. Такимобразом, совокупное движение дуги существует привсех технологических режимах и не зависит от на-личия внешнего осевого магнитного поля.

Данная работа дает возможность подтвердитьвыводы, полученные в публикации [22], о значениипостоянной времени движения дуги. Наличие не-большого движения центра дуги (с временным пе-риодом около 30 с) может иметь важное значениепри моделировании процесса ВДП.Электромагнитное перемешивание и макросе-

грегация при ВДП циркониевых слитков. Несмот-ря на применение электромагнитного перемешива-ния в процессе затвердевания металла образуютсяхимические неоднородности. Одной из главных за-дач для производителей циркония и титана являет-ся освоение процесса ВДП для контроля макросе-грегации в получаемых слитках. Макросегрега-ция – результат объединения микросегрегации и

Рис. 4. Временная последовательность, используемая для изучения изменений уровня яркости над образцом (а) и типичныевременные последовательности, полученные для двух диаметрально противоположных областей (б); Le – яркость; τ – время

57

явлений переноса. Последнее происходит в основ-ном из-за наличия потока в жидких и полужидкихучастках. Гидродинамика жидкометаллической ван-ны зависит от совместного действия следующих фак-торов: тепловой и концентрационной конвекции, са-мовозбуждающихся электромагнитных сил и перио-дических центробежных сил, вызванных угловым пе-ремещением, которое создается в результате переме-шивания [24, 25]. Целью данного раздела являетсячисленное исследование действия этих факторов намакросегрегацию ВДП слитков Zircaloy 4.

Для усовершенствования процесса кристаллиза-ции и соответсвующей макросегрегации в системуSOLAR внедрена многоступенчатая модель процес-са кристаллизации слитков ВДП из многокомпо-нентного сплава, основанная на двухэтапной поста-новке задачи (по Эйлеру) [26, 27], усредненной пообъему. На макроскопическом уровне проницае-мость полужидкой зоны описывается законом Кар-мана—Козени в зависимости от размера микрострук-туры, как правило, расстоянием между вторичнымиосями дендрита (SDAS). Макроскопическая k-ε мо-дель, учитывающая действие как тепловой, так иконцентрационной конвекции, а также влияниевторичной фазы в полужидкой зоне используетсядля моделирования турбулентного характера пото-ка. Фазовое изменение описывается локально намикроскопическом уровне либо в соответствии справилом рычага, либо с учетом роста зерна, кон-тролируемого конечной диффузией легирующихэлементов в жидкой и в твердой фазах.

Электрод Zircaloy 4 переплавляли в производ-ственной печи. Применяли два последовательныхпроцесса перемешивания: сильное прерывистое, закоторым следует слабое продолжительное. К тому

же, временно использовали сильное и продолжи-тельное перемешивание для обозначения несколь-ких жидкометаллических ванн в слитке. Зареги-стрированные фактические рабочие параметры про-цесса стали входными данными модели.

Явления тепловой и концентрационной конвек-ции моделировали благодаря приближению Бусси-неска. Тепловой и концентрационный коэффициен-ты расширения для циркониевого сплава не пред-ставлены в литературе. Тем не менее тепловой ко-эффициент расширения βT рассчитан на основанииданных о чистом жидком цирконии. Для изучениявлияния концентрационной конвекции, вызваннойперепадами концентрации олова (основной леги-рующий элемент в Zircaloy 4), мы смоделироваличетыре случая:

βТ = 0, βSSn = 0; (1)

βТ > 0, βSSn = 0; (2)

βТ > 0, βSSn < 0; (3)

βТ > 0, βSSn > 0. (4)

Положительное значение коэффициента кон-центрационного расширения βS

Sn (4) рассчитывалииз предположения об аддитивности объема. Другоезначение (3) было намерено отрицательным. Выра-жение (1) соответствует отсутствию любой концен-трационной и тепловой конвекции, поскольку тече-ние вызвано исключительно электромагнитным пе-ремешиванием.

На рис. 5 представлены окончательные картысегрегации, рассчитанные по модели для четырехвыражений. Благодаря применению двух последо-вательных процессов перемешивания по высотеслитка можно зафиксировать две основные моделисегрегации. Кроме того, имеется две обедненныеполосы, появившиеся в результате маркировки ван-ны. Обогащенная область на вершине слитка обра-зовалась в результате затвердевания последнейжидкометаллической ванны. Средняя концентра-ция олова в жидкой ванне возросла с увеличениемслитка, поскольку коэффициент его распределенияменьше единицы.

Если тепловая и концентрационная конвекциине учитываются (1), модель прогнозирует обогаще-ние олова в центральной зоне слитка независимо отспособа перемешивания. Фактически центробеж-ная сила благодаря наклонному потоку являетсяпревалирующей и генерирует поток против часовойстрелки. Следовательно, жидкость, обогащеннаяоловом, собирается на дне жидкометаллическойванны и в полужидкой зоне, вызывая положитель-ную сегрегацию у оси. Переменное перемешиваниеприводит к более слабой радиальной макросегре-гации, чем однонаправленное.

В обоих способах перемешивания учет тепловойконвекции (1) незначительно увеличивает радиаль-

Рис. 5. Карта распределения сегрегации в слитке ВДП из Zirca-loy 4 для четырех изученных случаев (1—4)

58

ную макросегрегацию центральной части слитка,поскольку тепловая конвекция усиливает центро-бежную силу. В полужидкой зоне получаем болееинтенсивное движение, которое способствует тран-спортированию большего количества обогащеннойжидкости к центральной линии.

Влияние концентрационной конвекции на цент-ральную линию макросегрегации можно обнару-жить на рис. 5, 3, 4. На рис. 5, 3 радиальная сегре-гация, прилегающая к центральной линии, значи-тельно усиливается из-за действия всех объемныхсил. И наоборот, на рис. 5, 4 концентрационнаяконвекция является противодействующей и обрат-ной потоку в полужидкой зоне на дне ванны. Поток,направленный против часовой стрелки в полужид-кой зоне, сокращает сегрегацию в центральной об-ласти. Если перемешивание переменное (нижняяполовина слитка), концентрация олова примерноодинакова, тогда как постоянное перемешивание(верхняя половина слитка) приводит к положитель-ной зоне сегрегации, расположенной у r/R ~ 0,25(R – радиус слитка). Эта полоса формируется из-за небольшого потока против часовой стрелки, вы-званного концентрационной конвекцией, котораяуносит жидкость, обогащенную оловом, от центрав радиальном направлении к периферии.

Шаблоны сегрегации олова, которые прогнози-рует модель, четко демонстрируют, что тепловая иконцентрационная конвекции влияют на макросег-регацию только в центральной области. Химичес-кий анализ показал, что содержание олова постоян-но увеличивается во внутренней части слитка. Срав-нение с прогнозом модели показывает, что такоеповедение характерно для выражения (4), где учи-тываются тепловая и концентрационная конвекции,а βS

Sn > 0. Это свидетельствует о том, что поток,направленный вверх и приводимый в действие яв-лением концентрационной конвекции, частично от-вечает за макросегрегацию в слитках ВДП из Zirca-loy 4. Во внешней части, где превалирует центро-

бежная сила, модель и экспериментальные резуль-таты находятся в хорошем соответствии.

1. Choudhury A. Vacuum Metallurgy // A.S.M. Int., 1990.2. Hoyle G. Electroslag Processes // Principles and Practice.

Applied Science Publishers Ltd. – 1983.3. Jardy A., Hans S., Ablitzer D. // Proc. MCWASP-VII,

TMS. – 1995. – P. 205.4. Quatravaux T. et al. // J. of Materials Science. –

2004. – 39. P. 7183.5. Jardy A., Hans S. // Proc. MCWASP-XI, TMS. –

2006. – P. 953.6. Weber W. et al. // Metall. Trans. B. – 2009. –

40B. – P. 271.7. Jardy A., Ablitzer D. // The Paton Welding J. –

2008. – № 11. – P. 153.8. Kelkar K.M., Patankar S.V., Mitchell A. // Proc.

LMPC. – 2005. – ASM Int. – P. 137.9. Kharicha A. et al. // Ibid. – 2009. – TMS. – P. 235.

10. Patel A.D. // Ibid. – 2011. – SF2M. – P. 49.11. Krane M.J.M. et al. // Ibid. – 2011. – SF2M. –

P. 65.12. Kharicha A. et al. // CFD Modeling and Simulation of

Materials Processing. – 2012. – Wiley/TMS. – P. 139.13. Li B., Wang F., Tsukihashi F. // ISIJ International. –

2012. – 52. – P. 1289.14. Jardy A., Ablitzer D., Wadier J.F. // Metall. Trans.

B. – 1991. – 22B. – P. 111.15. Hernandez-Morales B., Mitchell A. // Ironmaking and

Steelmaking. – 1999. – 26. – P. 423.16. Mitchell A. // Materials Science and Engineering A. –

2005. – 413—414. – P. 10.17. Kharicha A. et al. // Proc. LMPC. – 2007. –

SF2M. – P. 113.18. Dilawari A.H., Szekely J. // Metall. Trans. B. –

1977. – 8B. – P. 227.19. Zanner F.J. // Metall. Trans. B. – 1979. – 10B. –

P. 133.20. Chapelle P. et al. // High Temperature Materials Proces-

sing. – 2000. – 4. P. 493.21. Ward R.M., Jacobs M.H. // J. of Materials Science. –

2004. – 39. – P. 7135.22. Ward R.M., Daniel B., Siddall R.J. // Proc. LMPC. –

2005. – ASM Int. – P. 49.23. Yuan L. et al. // Int. J. of Modern Physics B. –

2009. – 23. – P. 1584.24. Jardy A., Ablitzer D. // Rare Met. Mat. Eng. –

2006. – 35. – P. 119.25. Venkatesh V. et al. // J. Miner. Met. Mater. Soc. –

2009. – 61. – P. 45.26. Wang C.Y., Beckermann C. // Metall. Trans. A. –

1996. – 27 A. – P. 2754.27. Zaloznik M., Combeau H. // Comput. Mater. Sci. –

2010. – 48. – P. 1.

Numerical simulation of remelting processes allows correlating local solidification conditions and working parametersof the process. Recent research is considered, aimed at development of individual aspects, for instance, distribution ofalternating current in ESR of steels and super alloys, aggregate motion of the arc in ESR furnace, and influence ofelectromagnetic stirring on macrosegregation in remelted ingots. Ref. 27, Table 1, Figures 5.

K e y w o r d s : ingot; remelting; numerical simulation; metal pool; segregation; arc; electric current distribution

Поступила 09.10.2013

59

УДК 669.187.2

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫБИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ РАЗНОРОДНЫХМЕТАЛЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ СПОСОБОМ СВАРКИ

ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

Г.М. Григоренко, Л.И. Адеева, А.Ю. Туник,C.Н. Степанюк, М.А. Полищук, Е.В. Зеленин

Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины.03680, г. Киев, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua

Приведены результаты исследования структуры и свойств биметаллических соединений разнородных металлов,полученных способом сварки трением с перемешиванием (СТП). Исследованы системы с неограниченной раст-воримостью (Ni—Cu) и ее отсутствием (Al—Fe) в твердом состоянии. В результате СТП меди с никелем полученокачественное биметаллическое соединение со взаимным проникновением одного металла в другой на глубинупримерно 3 мм. Ведущую роль в процессе СТП играет массоперенос металлов, процессы диффузии незначительны.В полосах массопереноса происходит измельчение структуры вследствие прохождения процессов перекристал-лизации. Диффузия меди и никель по границам зерен происходит на глубину до 15 мкм с образованием прослоектвердого раствора этих металлов. В результате СТП алюминия с железом образовалась зона соединения значитель-ного объема с проникновением алюминия в железо на глубину до 2,5 мм. При этом происходит взаимодействиеметаллов – массоперенос прежде всего алюминия и последующее образование соединений FeAl3, Fe2Al7, FeAl2.Наиболее твердые участки зоны соединения состоят из интерметаллидов в матрице алюминия. Такая структураимеет твердость (2870± 410) МПа, что более чем в 3 раза ниже твердости алюминидов железа. Результаты прове-денных исследований структуры и фазового состава позволяют рекомендовать способ СТП для получения биме-таллических соединений из металлов как с неограниченной растворимостью, так и без нее в твердом состоянии.Библиогр. 20, табл. 3, ил. 11.

Ключ е вы е с л о в а : сваркой трением с перемешиванием; биметаллы; растворимость в твердой фазе;массоперенос; микроструктура; рентгеноспектральный микроанализ; элементный состав; микротвердость

Сварка трением с перемешиванием (СТП) являетсяодним из новейших способов соединения металлови сплавов [1]. Интенсивное изучение этого процессас целью совершенствования технологии и созданиянового оборудования позволило найти его эффек-тивное применение при производстве высокотехно-логичных изделий во многих отраслях промышлен-ности, прежде всего в авиастроении и аэрокосмичес-кой технике [2—6]. Способ СТП является разновид-ностью сварки давлением – сварное соединениеобразуется в результате совместного пластическогодеформирования соединяемых деталей в твердойфазе [2, 3]. От других видов сварки давлением онотличается способом нагрева, точнее, способом вве-дения тепла в свариваемые детали. При СТП кине-тическая энергия непосредственно преобразуется втепловую, причем генерирование тепла происходит

строго локализовано в тонких приповерхностныхслоях металла.

Большинство исследователей указывают на сле-дующие преимущества СТП по сравнению с други-ми способами получения неразъемных соединений[7, 8]: сохранение в значительной степени свойствосновного металла в зоне сварки, по сравнению соспособами сварки плавлением; отсутствие вредныхиспарений и ультрафиолетового излучения в про-цессе сварки; возможность получения бездефект-ных швов на сплавах, которые при сварке плав-лением склонны к образованию горячих трещин ипористости в металле швов; отсутствие необходимо-сти в применении присадочного материала и защит-ного газа, удалении поверхностных оксидов накромках перед сваркой, а также шлака и брызг

© Г.М. ГРИГОРЕНКО, Л.И. АДЕЕВА, А.Ю. ТУНИК, C.Н. СТЕПАНЮК, М.А. ПОЛИЩУК, Е.В. ЗЕЛЕНИН, 2013

60

после сварки; отсутствие потерь легирующих эле-ментов в металле шва.

В качестве недостатков способа СТП в работе[8] отмечается образование в конце шва отверстия,равного диаметру наконечника, из-за чего требуетсявыведение шва за пределы рабочего сечения заго-товки или заполнение отверстия после сварки с по-мощью других способов – вварки специальныхпробок. Существует также ограничение в примене-нии данного способа сварки в портативном вариантеиз-за необходимости закрепления заготовок намощной подложке. Совершенствование технологиии оборудования позволяет преодолеть существую-щие недостатки, а также расширить области приме-нения способа.

В настоящее время большой интерес представ-ляет возможность применения способа СТП для сое-динений разнородных металлов. В работах [9—11]продемонстрированы успехи в соединении разнород-ных металлов, таких как алюминй и сталь. Примениеспособа СТП для получения соединений Al—Mgзафиксировано в работах [12, 13]. Информация освариваемости и механических свойствах разнород-ных соединений Al—Cu приведена в статьях [14,16]. Как показано в этих работах, решающее влия-ние на свариваемость разнородных металлов оказы-вает металлургическая совместимость, определяе-мая взаимной растворимостью соединяемых метал-лов как в жидком, так и в твердом состояниях, атакже образованием хрупких химических соедине-ний – интерметаллидов.

Цель работы заключалась в исследовании струк-туры и свойств биметаллических соединений раз-нородных металлов, полученных способом СТП.

Авторами настоящей работы способом СТП по-лучены и исследованы два вида сварных соедине-ний: система Ni—Cu, элементы которой отличаются

неограниченной растворимостью, а также системаAl—Fe с отсутствием растворимости соединяемыхматериалов в твердом состоянии.

На рис. 1 приведены установка и схема сое-динения нахлесточного типа СТП разнородныхметаллов.

Пластификация и перемешивание металла двухплит происходит в замкнутом объеме специальныминструментом, движущимся с определенной скоро-стью. Полученный сварочный шов отличается высо-кой плотностью, отсутствием пор, трещин и другихдефектов.

Поскольку формирование шва происходит вбли-зи температур рекристаллизации, металл шва ха-рактеризуется отсутствием значительных напряже-ний. Кроме того, за счет измельчения структурывозрастают показатели механических свойств. Приэтом не происходят изменение химического состава,выгорание элементов, порообразование и другие по-добные дефекты.

Режимы процесса СТП и характеристики свари-ваемых материалов даны в табл. 1.

В процессе исследований применяли комплекс-ную методику, включающую металлографию (оп-тический микроскоп «Неофот-32» с приставкой дляцифрового фотографирования, дюрометрическийанализ – твердомер М-400 фирмы «LECO» принагрузке 0,249 и 0,496 Н). Электронное микроско-пическое исследование структуры и определение ееэлементного состава методом рентгеноспектрально-го микроанализа (РСМА) выполнили на базе ана-литического комплекса, состоящего из сканирую-щего электронного микроскопа (CЕМ) JSM-35 CFфирмы JEOL (Япония) и рентгеновского спектро-метра с дисперсией по энергии рентгеновских кван-тов (модель INCA Energy-350 фирмы «Oxford In-struments» (Великобритания). Характерной осо-

Рис. 1. Установка (а) и схема процесса СТП (б): 1 – изделие; 2 – заплечник; 3 – пин-инструмент со специальным профилем;vсв – скорость сварки; vвр – скорость вращения

Т а б л и ц а 1 . Режимы СТП и характеристики свариваемых материалов

Марка материалаТип биметаллического

соединенияТолщина слоев, мм

Глубина погруженияпин-инструмента, мм

Скорость сварки,мм/мин

Скорость вращенияпин-инструмента,

об/мин

Н1/М0 Ni/Cu 4/10 4,5 40 1250

АМг6/008ЖР Al/Fe 5/3 6,0 60 1250

Примечание. В числителе указаны характеристики верхнего слоя, в знаменателе – нижнего.

61

бенностью данного анализа является локальность –минимальная область возбуждения составляет 1 мкм.Одно из преимуществ энергодисперсионного спек-трометра заключается в возможности одновремен-ного анализа примерно 50 элементов при одновре-менном отображении всего найденного спектра.Изображение структуры получали в режиме вто-ричных электронов при U = 20 кВ.

Для выявления структуры исследуемых соеди-нений использовали химические реактивы, приве-денные в табл. 2.

С целью создания биметаллических соединенийпроанализировали диаграммы состояния системCu—Ni, Fe—Al [17—19]. Исследовали микрострукту-ры поперечного и продольного сечений сварныхсоединений, полученных способом СТП. Изучалиявления массопереноса металлов, диффузию эле-ментов и условия образования интерметаллидныхфаз, определяли их состав и микротвердость.

Медь и никель – два металла, образующие не-прерывный ряд твердых растворов (рис. 2) и отве-чающие необходимым условиям для получениясварного соединения разнородных металлов, по-скольку имеют однотипные кристаллические решет-ки. Они относятся к смежным группам периодичес-кой системы элементов (атомные радиусы отлича-ются менее чем на 10...15 %) и не образуют хрупких

интерметаллидных соединений. При сварке такихметаллов получают соединения с наиболее однород-ными свойствами.

Диаграмма состояния Сu—Ni характеризуетсяобразованием в процессе кристаллизации непре-рывного ряда твердых растворов (медь, никель) сгранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой.Диаграмма состоит из трех областей: в верхнейчасти – из жидкого раствора меди и никеля, всредней – из жидкой и твердой фаз, состав кото-рых может быть вычислен с помощью правила «ры-чага». В нижней области Cu—Ni является твердымраствором замещения, где атомы меди и никеля вза-имозаменяемы в кристаллической решетке. Твер-дый раствор замещения образуется в системе Cu—Ni,потому что медь и никель кристаллизуются в ГЦКрешетке, имеют схожие атомные радиусы, электро-отрицательную валентность [17, 18]. Однако медьи никель отличаются разными физико-механичес-кими характеристиками. Медь – мягкий, пластич-ный материал с высокой электропроводимостью,который плавится при температуре 1085 °C, в товремя как никель является относительно твердым,устойчивым к коррозии металлом, плавящимся при1455 °C.

Биметаллическое соединение Ni/Cu с неограни-ченной растворимостью элементов друг в друге по-лучено при использовании концентрированноготермомеханического действия пин-инструмента. Вкачестве никелевого материала использован нике-левый сплав марки Н1 с микротвердостью (2880±±170) МПа и медь марки М0 с микротвердостью(1160±80) МПа. Толщина пластины никеля, черезкоторую воздействовали пин-инструментом, равня-лась 4 мм, а толщина медной пластины – 10 мм(табл. 1). Микроструктура исходных материаловприведена на рис. 3.

Были исследованы металлографические шлифыв поперечном и продольном сечении данного соеди-нения. При СТП в поперечном сечении зоны соеди-нения образовалось ядро округлой формы размером4×6 мм (рис. 4), расположенное в меди и представ-ляющее собой концентрические деформационныекольца с вкраплениями никелевых частиц, содержа-

Т а б л и ц а 2 . Реактивы для металлографического травления

Маркаматериала

Состав реактива Способ применения Примечание

Cu (М0) Азотная кислота (50 мл),вода (50 мл)

Химическое травление приинтенсивном перемешиванииреактива, τ = 5...30 с, T = 20 °C

Удаление оксидной пленки:cоляная кислота (80 мл),вода (20 мл), τ = 1...3 с,T = 20 °C

Ni (Н1) Сернокислый аммоний (20 г),вода (100 мл)

Электролитическое травлениеU = 6...15 В, τ = 3...10 с

—

Al (АMг6) Едкий натрий (10 г),вода (100 мл)

Химическое травление,τ = 5...30 с, T = 20 °C

Удаление оксидной пленки:плавиковая кислота (50 мл),вода (50 мл), τ = 1...3 с, T = 20 °C

Fe (008ЖР) Азотная кислота (4 мл),этиловый спирт (100 мл)

Химическое травление,τ = 5...30 с, T = 20 °C

Промывка образцов в этиловомспирте

Рис. 2. Диаграмма состояния Сu—Ni [17]

62

ние никеля примерно 10 об. %. В верхней части яд-ра образовалась область массопереноса никеля вмедь вследствие погружения пин-инструмента черезникель. Область неправильной формы размером1,7×2,5 мм, в ней отмечен захват меди, содержаниепоследней достигает 15 об. %.

При исследовании продольного сечения сварно-го соединения в зоне соединения никеля и медипроисходит взаимное проникновение этих металловна глубину до 3 мм. Массоперенос металлов отмеченв виде взаимопроникающих чередующихся полос,направленных в сторону движения пин-инструмен-та (рис. 5, а, б). Полосы из меди и никеля имеютразную толщину (соответственно 0,3...0,6 и 0,03......0,30 мм). Вследствие перекристаллизации в этихполосах происходит измельчение структуры. В медиразмер зерна колеблется от 5 до 20, а в никеле – от5 до 40 мкм. Микротвердость полос никеля составляет(1270±40), а меди – (1140±50) МПа. Над участкоммассопереноса в никеле фиксируется участок термо-механического влияния толщиной до 3 мм с направ-ленными полосами деформации (рис. 5, а, в) и раз-мером зерна 20...70 мкм. Темные полоски деформи-

рованного никеля отличаются более высокой твер-достью – (1610±160) МПа по сравнению со свет-лыми промежутками между ними (1290± ±110 МПа).Краевой участок никеля – зона термическоговлияния, находящаяся выше зоны термомеханичес-кого влияния, – имеет более крупное зерно.

В меди под участком массопереноса обнаруженучасток перекристаллизации шириной до 0,6 мкм смелким зерном размером 15...20 мкм и участок тер-момеханического влияния шириной до 0,1 мм сослегка деформированным зерном, переходящим восновной металл (рис. 5, г). В обоих этих участкахзафиксированы включения никеля в виде вытяну-тых (веретенообразных) фрагментов с микротвер-достью (1300±170) МПа.

Края полос зоны массопереноса (рис. 5, б) иучастки никеля, непосредственно контактирующиес медью (рис. 5, д, е, 6, табл. 3), растравливаютсясильнее и имеют пониженную микротвердость(1100±60) МПа. Это можно объяснить взаимодиф-фузией меди и никеля по границам зерен с образо-ванием прослоек твердого раствора этих металлов(рис. 5, д, е). Методом РСМА изучен химический

Рис. 4. Микроструктура биметаллического соединения Ni/Сu (поперечный шлиф), полученного СТП: а – общий вид; б –область массопереноса никеля в медь

Рис. 3. Микроструктура исходных металлов: а – меди; б – никеля; в – алюминия; г – железа (травлено)

63

состав зоны контакта двух металлов. Установлено,что по границам зерен происходит диффузия медив никель.

При исследовании зоны соединения в характе-ристическом излучении значительная диффузияэлементов в глубь чередующихся полос никеля имеди не обнаружена. На рис. 7 и в табл. 3 приведенырезультаты картрирования зоны массопереноса сое-динения Ni/Cu.

Таким образом, в результате исследования свар-ных соединений никеля c медью установлено, чтоведущую роль в процессе СТП играет массопереносметаллов, в значительно меньшей степени – ихвзаимодиффузия.

Возможность соединения металлов, нераствори-мых друг в друге в твердом состоянии способомСТП, изучена на примере соединений Fe/Al.

Диаграмма состояния системы Fe—Al приведенана рис. 8. Препятствием к получению сварных сое-

Рис. 6. Микроструктура зоны контакта Ni/Cu, снятая во вто-ричных электронах

Рис. 5. Микроструктура сварного соединения (продольное сечение), полученного СТП Ni/Сu: а, б – зоны массопереноса Ni/Cu;в – зона термомеханического влияния в никеле; г – зона термомеханического влияния в меди; д, е – зоны взаимодиффузиимеди в никель

64

динений алюминия и его сплавов с железом явля-ется химическое взаимодействие этих металлов,приводящее к необратимому образованию интерме-таллидов по зоне контакта двух металлов [19—20].

В соответствии с диаграммой состояния системыFe—Al образуются твердые растворы, интерметал-лические соединения и эвтектики. В твердом состо-янии растворимость железа в алюминии весьма не-значительна, при температурах 225...600 °С состав-ляет 0,01...0,022 %. Растворимость железа в алюми-нии при эвтектической температуре (654 °С) рав-няется 0,053 %, а при комнатной железо совсем нерастворяется. При затвердевании сплава алюминия сжелезом уже при незначительном количестве железав структуре появляются кристаллы FeAl3. При мас-совой доле до 1,8 % Fe и 654 °С образуется эвтектикаAl + FeAl3. В случае дальнейшего увеличения содер-жания железа в сплавах появляются химическиесоединения Fe2Al7, Fe2Al5, FeAl2, FeAl и др.

В данной работе алюминиевый сплав АМг-6 былподвергнут СТП с армко-железом (008ЖР). Тол-щина пластин алюминиевого сплава и железа сос-тавила 5 и 3 мм, а их микротвердость – соответ-ственно (552±23) и (1260±60) МПа. Пин-инстру-мент воздействовал через алюминиевый сплав на

глубину 6 мм. При СТП этих металлов в поперечномсечении зоны соединения образуется ядро размером8,2×5,4 мм и происходит клинообразное внедрениежелеза на глубину 2 мм с двух сторон от ядра(рис. 9, а). Структура ядра неоднородная, состоя-щая из трех зон (рис. 9, б—г). Ядро образовалосьпрежде всего в результате массопереноса алюми-ния, поскольку все зоны, по данным РСМА, имеюталюминиевую матрицу (рис. 10, а, табл. 4). В верх-ней части расположена зона со структурой на основеалюминия с включениями интерметаллидов FeAl3и Fe2Al7 (содержание алюминия соответственно 59и 63 мас. %) (рис. 9, б, 10, а, табл. 4). Микро-твердость этой зоны составляет 980...1168 МПа.Средняя часть ядра отличается наибольшей неод-нородностью (рис. 9, в, 10, б, табл. 4). В алюминие-вой матрице расположены продолговатые частицыжелеза разного размера и скопления интерметалли-дов Fe2Al7 и FeAl2. В продолговатых частицах же-леза диффузия алюминия не обнаружена, но твер-дость их повышена (1360±2740 МПа), очевидно, врезультате деформации при массопереносе. Интер-металлид FeAl2 с содержанием 49 мас. % алюминиянаходится в непосредственной близости, образуяокантовку частиц железа, а алюминид Fe2Al7 хао-тично расположен в алюминиевой матрице, повы-шая ее микротвердость до 1260...1930 МПа.

В зоне ядра, непосредственно контактирующейс железом, основной структурной составляющей яв-ляются алюминиды Fe2Al7 и FeAl2, которые обра-зуют языкообразные внедрения в структуру железа(рис. 9, а, г, 10, в, табл. 4). Алюминиды железа

Т а б л и ц а 3 . Химический состав исследуемых участковсоединения Ni/Cu, мас./ат. %

№ исследуе-мого участка

Ni Cu

Рис. 6

1 100 0

2 100 0

3 0,30/0,32 99,70/99,68

4 0,37/0,40 99,63/99,60

5 75,46/76,90 24,54/23,10

6 91,64/92,22 8,36/7,78

7 83,92/84,95 16,08/15,05

Рис. 7

1 99,23/99,29 0,77/0,71

2 99,18/99,24 0,82/0,76

3 4,03/4,35 95,97/95,65

4 5,96/6,42 94,04/93,58

Рис. 7. Изображение зоны массопереноса соединения Ni/Cu, выполненное во вторичных электронах (а), в характеристическомизлучении меди (б), никеля (в)

Рис. 8. Диаграмма состояния системы Fe—Al

65

Рис. 9. Микроструктура поперечного шлифа биметаллического соединения Fe/Al, полученного СТП: а – общий вид; б – верхняя;в – средняя; г – нижняя части ядра

Т а б л и ц а 4 . Химический состав исследуемых участков соединения Al/Fe, мас./ат. %

№ исследуе-мого участка

O Mg Al Mn Fe

Рис. 10, a

1 7,97/15,06 1,41/1,76 59,06/66,12 0,28/0,15 31,27/16,91

2 7,59/14,03 2,24/2,72 62,71/68,71 0,28/0,15 27,18/14,39

3 6,70/12,32 2,26/2,74 65,53/71,49 0,68/0,36 24,83/13,09

4 0,79/1,33 5,65/6,22 92,68/92,03 0,00/0,00 0,87/0,42

5 1,22/2,06 5,59/6,20 90,43/90,41 0,00/0,00 2,76/1,33

6 0,60/1,02 5,51/6,20 89,08/90,41 0,32/0,16 4,50/2,21

7 0,55/0,94 5,35/5,94 91,99/92,10 0,00/0,00 2,11/1,02

8 0,62/1,05 5,76/6,43 90,28/90,89 0,37/0,18 2,98/1,45

9 0,79/1,35 5,27/5,93 89,25/90,43 0,20/0,10 4,48/2,20

Рис. 10, б

1 1,05/3,56 0,26/0,57 0 0 98,69/95,87

2 0,88/2,78 0 8,36/15,56 0,34/0,31 90,42/81,36

3 5,93/10,90 2,75/3,32 66,97/72,95 1,07/0,57 23,28/12,25

4 9,03/16,65 2,61/3,17 59,31/64,83 0,37/0,20 28,67/15,14

5 0 4,47/4,98 93,73/94,08 0 1,03/0,50

6 0. 4,94/5,46 94,56/94,30 0 0,50/0,24

Рис. 10, в

1 — 0 0,24/0,49 0 99,76/99,51

2 — 4,03/5,01 74,26/83,23 0,52/0,29 21,19/11,47

3 — 4,41/5,61 70,05/80,25 0,38/0,21 25,17/13,93

66

расположены в алюминиевой матрице, поэтомумикротвердость этой структуры невелика – 2340......3220 МПа в сравнении с микротвердостью самихинтерметаллидов (около 10000 МПа). В структуреядра обнаружена микропористость, очевидно, обус-ловленная образованием интерметаллидных фаз(рис. 10, табл. 4). По данным РСМА в алюминиевомсплаве и в железе на расстоянии 10...15 мкм от ядравзаимодиффузия элементов не зафиксирована.

Таким образом, в результате исследования биме-таллического соединения алюминиевого сплава сжелезом при воздействии пин-инструмента черезалюминий установлено, что в процессе СТП проис-ходит взаимодействие металлов – массоперенос,прежде всего алюминия, и последующее образова-ние соединений FeAl3, Fe2Al7, FeAl2. Повышенноесодержание кислорода в местах скопления интер-металлидов (табл. 4), очевидно, свидетельствует отом, что одновременно с их формированием обра-зуется небольшое количество оксидов. Наиболеетвердые участки зоны соединения, состоящие из ин-терметаллидов в алюминиевой матрице, более чемв 3 раза мягче алюминидов железа.

При исследовании продольного сечения зонысоединения (рис. 11) обнаружено, что она сплош-ная, не содержит дефектов и носит волнообразныйхарактер, изменяясь по ширине от 3,4 до 6,9 мм.Ее структура состоит из участков, аналогичных опи-санным при анализе поперечного сечения данногосварного соединения.

Выводы

1. В результате СТП Cu/Ni получено качественноебиметаллическое соединение со взаимным проникно-вением одного металла в другой на глубину пример-но 3 мм. Вследствие прохождения процессов пере-

кристаллизации в полосах массопереноса происхо-дит измельчение структуры. Участки никеля, не-посредственно контактирующие с медью, имеют по-ниженную микротвердость – (1100±60) МПа исильнее подвергаются травлению, что объясняетсявзаимодиффузией меди и никеля по границам зеренс образованием прослоек твердого раствора этихметаллов. Ведущую роль в процессе СТП играетмассоперенос металлов, в меньшей степени – ихвзаимодиффузия.

2. В результате СТП Al/Fe образовалась зонасоединения значительного объема с проникновени-ем алюминия в железо на глубину до 2,5 мм. Приэтом происходит взаимодействие металлов – мас-соперенос прежде всего алюминия и последующееобразование соединений FeAl3, Fe2Al7, FeAl2. Наи-более твердые участки зоны соединения (2340±±3220 МПа) состоят из интерметаллидов, располо-женных в алюминиевой матрице, поэтому микро-твердость этой структуры невелика, в сравнении смикротвердостью самих интерметаллидов.

3. Результаты проведенных исследований струк-туры и фазового состава позволяют рекомендоватьдля получения биметаллических материалов из ме-таллов как с неограниченной растворимостью, так ине растворимых в твердом состоянии способом СТП.

1. Pat. 9125978.8 J.В., МПК PCTrGB92. Friction stir buttwelding / W.M. Thomas. – Publ. 01.12.91.

2. Вилль В.И. Сварка трением металлов. – Л.: Машино-строение, 1970. – 176 с.

3. Сварка трением: Справочник / В.К. Лебедев, И.А. Чер-ненко, Р. Михальски и др. – Л.: Машиностроение. Ле-нингр. отд-ние, 1987. – 236 с.

4. Mishraa R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and proces-sing // Mat. Sci and Engineering. – 2005. – 50. –Р. 1—78.

5. Эрикссон Л. Г., Ларссон Р. Ротационная сварка трени-ем – научные исследования и новые области примене-

Рис. 10. Микроструктура верхней (а), средней (б) и нижней частей ядра соединений Al/Fe, полученных СТП, снято в отраженныхэлектронах (а)

Рис. 11. Структура продольного сечения сварного соединения Al/Fe, полученного СТП: а – общий вид; б – микроструктураверхнего; в – среднего участков

67

ния // Технология машиностроения. – 2003. –№ 6. – C. 81—84.

6. Людмирский Ю.Г., Котлышев P.P. Сварка трением с пе-ремешиванием алюминиевых сплавов в строительстве //Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитекту-ра. – 2010. – № 3. – С. 15—22.

7. Okamura H., Aota K., Ezumi M. Friction stir welding ofaluminum alloy and application to structure // J. of Jap. In-stitute of Light Metals. – 2000. – 50, № 4. – P. 166—172.

8. Arbegast W.J. Friction stir welding. After a decade of deve-lopment // Welding J. – 2006. – 85, № 3. – P. 28—35.

9. Watanabe H., Takayama H., Yanagisawa A. Joining of alu-minum alloy to steel by friction stir welding // J. of ma-terials proc. technology. – 2006. – 178. – P. 342—349.

10. Influence of friction stir welding parameters on grain sizeand formability in 5083 aluminum alloy / T. Hirata,T. Oguri, H. Hagino et al. // Materials Sci. and Enginee-ring. – 2007. – A456. – P. 344—349.

11. Interfacial reaction in steel-aluminum joints made by fricti-on stir welding / W.-B. Lee, M. Schmuecker, U.A. Mercar-do et al. // Scripta Mater. – 2006. – 55. – 355—358.

12. Microstructure of friction stir welding of aluminium alloyto magnesium alloy / A. Kosta, R.S. Coelho, J. dos Santosb,A.R. Pyzallac // Ibid. – 2000. – 66. – P. 953—956.

13. Kwon Y.J., Shigematsu I., Saito N. Dissimilar friction stirwelding between magnesium and aluminium alloys // Ma-terials Letters. – 2008. – 62. – Pd 3827—3829.

14. Effest of friction stir welding parameters on the microstruc-ture and mechanical properties of the dissimilar Al—Сu jo-ints / P. Xue, D.R. Ni, D. Wang et al. // Materials Sci.and Engineering. – 2011. – 528. – P. 4683—4689.

15. Saeida T., Abdollah-Zadehb A., Sazgarib B. Weldabilityand mechanical properties of dissimilar aluminum-copper lapjoints made by friction stir welding // J. of alloys andCompounds. – 2010. – 490. – 652—655.

16. Effect of friction stir welding parameters on the microstruc-ture and mechanical properties of the dissimilar Al—Cu jo-ints / P. Xue, D.R. Ni, D. Wang et al. // Materials Sci.and Engineering A. – 2011.– 528. – P. 4683—4689.

17. Хансен М., Андерко К. Структура двойных сплавов. –М.: Металлургиздат, 1962. – Т. 1; Т. 2. – 1488 с.

18. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди:Справочник /Под ред. Н.Х. Абрикосова. – М.: Наука,1979. – 248 с.

19. Рабкин Д.Н. Рябов В.Р. Гуревич С.М. Сварка разнород-ных металлов. – Киев: Техника, 1975. – 206 с.

20 Диаграммы состояния двойных металлических систем. –М.: Машиностроение, 1996—2000. – Т. 1; Т. 2 и Т. 3.

The paper presents the results of studying the structure and properties of bimetal joints of dissimilar metals producedby friction stir welding (FSW). Systems with unlimited solubility (Ni—Cu) or absence of solubility (Al—Fe) in the solidstate have been studied. FSW of copper to nickel resulted in making a sound bimetal joint with interpenetration of onemetal into another one to approximately 3 mm depth. Metal mass transfer plays a leading role in FSW process, diffusionprocesses being negligible. Structure refinement takes place in mass transfer bands as a result of recrystallization processes.Copper diffusion into nickel along grain boundaries occurs to the depth of up to 15 μm with formation of interlayersof solid solution of these metals. FSW of aluminium to iron resulted in formation of a joint zone of a considerablevolume with aluminium penetration into iron to the depth of up to 2.5 mm. Here metal interaction takes place: masstransfer, primarily, of aluminium and subsequent formation of FeAl3, Fe2Al7, FeAl2 compounds. The hardest sections ofthe joint zone consist of intermetallics in aluminium matrix. Hardness of such a structure is (2870± 410) MPa that is 3times lower than that of iron aluminides. Results of performed investigations of structure and phase composition allowrecommending FSW process for producing bimetal joints of metals both with unlimited solubility, and without it inthe solid state. Ref. 20, Tables 4, Figures 11.

K e y w o r d s : friction stir welding;, bimetals; solid-phase solubility; mass transfer; microstructure; X-ray spectrummicroanalysis; elemental composition; microhardness

Поступила 18.07.2013

68

ИВАНУ ВАСИЛЬЕВИЧУ ШЕЙКО – 70 ЛЕТ!

Седьмого августа 2013 г.исполнилось 70 лет ведуще-му научному сотруднику от-дела плазменно-шлаковойметаллургии доктору техни-ческих наук И.В. Шейко.

Иван Васильевич родил-ся в тяжелое военное времяв г. Старобельск Луганскойобласти в семье потомствен-ного кузнеца. После оконча-ния средней школы он по-

ступил в Киевский политехнический институт намеханико-технологический факультет (специаль-ность «Литейное производство черных и цветныхметаллов») и в 1967 г. получил диплом инженера-металлурга.

После непродолжительной работы в Институтепроблем литья И.В. Шейко поступил в аспирантуруИЭС им. Е.О. Патона, которую закончил в 1975 г.

Вот уже почти 40 лет И.В. Шейко плодотворноработает в ИЭС им. Е.О. Патона. В 1975 г. он за-щитил кандидатскую диссертацию, а в 2003 г. –докторскую.

И.В. Шейко были созданы научные и технологи-ческие основы процесса переплава расходуемогоплазмотрона и индукционной плавки в секционномкристаллизаторе. Под его руководством и при не-посредственном участии разработаны ряд техноло-гических процессов и плавильных агрегатов с ин-дукционным нагревом, а также плазменно-дуговыхнагревателей для интенсификации плавки в индук-

ционных открытых и вакуумных печах, которыевнедрены на предприятиях металлургического и ма-шиностроительного комплексов бывшего Советско-го Союза и Украины (ПО «Киевтрактордеталь»,заводы «Днепроспецсталь», «Электросталь», Сверд-ловский завод по переработке цветных металлов,Ленинабадский комбинат редких металлов и др.).Характерной особенностью всей научной деятель-ности Ивана Васильевича является сочетание вы-сокого научного уровня проводимых исследова-тельских работ с мастерским практическим испол-нением.

Иван Васильевич Шейко самостоятельно «вы-ковал» свой нынешний статус в коллективе. В на-стоящее время он является ведущим научным сот-рудником, членом специализированного ученого со-вета по защите диссертаций. На его счету более 200научных трудов, в том числе две монографии, учеб-ник для металлургических вузов, свыше 70 автор-ских свидетельств и 15 патентов на изобретения.

Он отличается усердием и трудоспособностью,требователен к себе и окружающим, в то же времядоброжелателен и готов незамедлительно помочьсоветом и делом. Иван Васильевич пользуется за-служенным авторитетом у сотрудников отдела иколлег из научных подразделений ИЭС им. Е.О.Патона.

Дорогой Иван Васильевич! Искренне поздрав-ляем Вас со славным юбилеем! Желаем Вам новыхтворческих свершений, крепкого здоровья, покоре-ния новых вершин!

НАШИ ПОЗДРАВЛЕНИЯ

НОВАЯ КНИГА

69

ПАМЯТИАЛЕКСАНДРА ГЕОРГИЕВИЧА ШАЛИМОВА

12 октября 2013 г. едва пе-решагнув 75-летие ушел изжизни замечательный чело-век и известный ученый-электрометаллург, доктортехнических наук, профес-сор, действительный членРоссийской инженернойакадемии, лауреат Государ-ственной премии СССРШалимов Александр Геор-гиевич.

Основная трудовая дея-тельность А.Г. Шалимова

связана с ЦНИИчерметом им. И.П. Бардина, кудаон пришел работать в 1960 г. после окончания Мос-ковского института стали. Это были годы станов-ления и широкого развития специальной электро-металлургии в нашей стране: процессов ВДП,ЭШП, ВИП и др. Молодой научный сотрудникА.Г. Шалимов принимал самое активное и непо-средственное участие в исследовании процессов ра-финирования расплавов при вакуумной индукцион-ной плавке и вакуумном дуговом переплаве, внед-рении разработанных технологий выплавки высо-колегированной стали и сплавов на заводах качес-твенной металлургии.

Позднее, заведуя лабораторией вакуумной ме-таллургии, а затем возглавляя Институт новой ме-таллургической технологии ЦНИИчермета, Алек-

сандр Георгиевич вместе с коллективом сотрудни-ков профессионально и творчески решали научные,производственные и государственные задачи по раз-работке и внедрению технологий получения спосо-бами спецэлектрометаллургии высококачественнойстали и сплавов для авиакосмической, судострои-тельной, химической, оборонной отраслей промыш-ленности, атомной энергетики, приборостроения.

Широко известна научно-общественная деятель-ность А.Г. Шалимова: он играл важную роль в рабо-те президиума секции «Металлургия» РИА, в прав-лении Ассоциации сталеплавильщиков РФ, всекции «Металлургия» Межведомственного советапо присуждению премий Правительства РФ в об-ласти науки и техники. В течение многих лет онсотрудничал с редакциями журналов «Сталь» и«Металлург», а в апреле этого года Александр Геор-гиевич стал работать заместителем главного редак-тора журнала «Электрометаллургия».

Александр Георгиевич пользовался огромнымавторитетом и уважением специалистов металлур-гической отрасли в странах СНГ и за рубежом. Онбыл добрым другом сотрудников Института элект-росварки им. Е.О. Патона НАНУ.

Светлая память об Александре Георгиевиче Ша-лимове – обаятельном человеке яркой судьбы,многогранной творческой личности с высокими ду-шевными качествами – надолго сохранится в сер-дцах тех, кто его знал и с ним работал.

70

Автор(ы) и название статьи№

журнала

Яковчук К. Ю., Рудой Ю. Э., Нероденко Л. М.,Оноприенко Е. В., Микитчик А. В. Исследованиесопротивления слоя ZrO2—8 % Y2O3 конденсацион-ных покрытий против воздействия оксидов каль-ция, магния, алюминия и кремния (СМАS) 3

ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Дабижа Е. В., Лещук А. А,, Бондарь И. В.,Борисова Н. Н. Получение эрозионно- и жаростой-ких многослойных покрытий для лопаток ГТДспособом микро-электродугового ионно-плазмен-ного вакуумного распыления материалов 1

Жиров Д. М. Влияние основности шлаковогорасплава на процесс плазменно-дугового жидко-фазного восстановления железа газами 2

Коледа В. Н., Шаповалов В. А., Биктагиров Ф. К.,Бурнашев В. Р. Оптимизация плазменно-дуговойвыплавки ферросплавов из отходов тугоплавких ивысокореакционных металлов на дисперснойподложке

3

Литвиненко А. И., Жудра А. П., Белый А. И.Анализ и кинетика процесса 2

Петров С. В. Плазменный процесс получения«солнечного» кремния 3

Туник А. Ю. Структура и фазовые превращения вкомпозиционных частицах, происходящие приплазменном напылении 2

Шаповалов В. А., Жиров Д. М., Бурнашев В. Р.Исследование стабильности дуги плазмотрона сзаглубленным катодом 2

Цветков Ю. В., Николаев А. В., Самохин А. В.Плазменные процессы в металлургии и техноло-гиинеорганических материалов 4

Цыкуленко К. А., Шаповалов В. А., Степаненко В. В.,Жиров Д. М. Вихревой эффект и газодинамика вполом электроде плазмотрона 4

ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ

Жарди А. Численноне моделирование и экспери-ментальные исследования процессов переплава 4

ВАКУУМНО-ИНДУКЦИОННАЯ ПЛАВКА

Григоренко Г. М., Шаповалов В. А., Шейко И. В.,Никитенко Ю. А., Якуша В. В., Степаненко В. В.Рафинирование кремния при плавке во взвешен-ном состоянии 1

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ

Григоренко Г. М., Костин В. А. Прогнозированиетемператур фазовых превращений в высокопроч-ных низколегированных сталях 1

Задорожнюк О. М., Капитанчук Л. М., Смиян О. Д.,Буткова Е. И. Новые возможности для проведе-ния металловедческих исследований основногометалла и сварных соединений 2

Крикент И. В., Кривцун И. В., Демченко В. Ф.,Пиптюк В. П. Численное моделирование сильноточ-ного дугового разряда в установке ковш—печьпостоянного тока

3

Мельниченко Т. В. Структурообразование в много-слойной реакционной системе Ti/Al 2

УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ, ОПУБЛИКОВАННЫХ В 2013 г.Автор(ы) и название статьи

№журнала

95-летие Национальной академии наук Украины иее президента Бориса Евгеньевича Патона 4

Патон Б. Е. Исследования и разработки ИЭС им.Е. О. Патона для современной энергетики 4

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Биктагиров Ф. К., Шаповалов В. А., Гнатушен-ко А. В., Игнатов А. П. Электрошлаковая плавка сиспользованием кислых шлаков 2

Ивочкин Ю. П., Тепляков И. О., Протоковилов И. В.Физическое моделирование электровихревыхтечений при ЭШП 1

Махненкo В. И. , Медовар Л. Б., Саенко В. Я.,Полишкo А. А., Федоровский Б. Б., Григоренкo С. Г.,Зайцев В. А. Моделирование процесса изготовлениякрупных полых слитков из высоколегированныхсталей и сплавов способом ЭШН ЖМ 3

Медовар Л. Б., Стовпченко А. П., Головачев А. Н.,Федоровский Б. Б. ЭШП и современные подходы куправлению затвердеванием крупного кузнечногослитка

3

Назарчук А. Т., Протоковилов И. В., Порохонько В. Б.Особенности создания импульсных магнитныхполей для магнитоуправляемой электрошлаковойплавки

4

Протоковилов И. В., Петров Д. А., Порохонько В. Б.,Бабич Л. М. Изготовление расходуемых электро-дов для магнитоуправляемой электрошлаковойплавки титана

3

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Ахонин С. В., Северин А. Ю., Березос В. А.,Ерохин А. Г. Математическое моделирование про-цессов испарения при выплавке слитков много-компонентных титановых сплавов в электронно-лучевой установке с промежуточной емкостью 4

Березос В. А. Электронно-лучевая очистка кристал-лического кремния 3

Мушегян В. О. Влияние параметров ЭЛПЕ насвойства слитков молибдена и сплавов на его основе 1

Мушегян В. О. Новая технология получения мо-либденового прутка с использованием электронно-лучевой плавки 2

Пузрин А. Л., Северин А. Ю. Способ электронно-лучевой плавки низколегированного титановогосплава Grade 12 1

Собко-Нестерук О. Е., Третяк Н. Г., Чайка Н. В.,Горгуль С. И., Медведев М. И., Беспалова Н. А.Производство горячепрессованных и холодноде-формированных труб из литой полой заготовкититанового сплава ВТ1-0, изготовленной способомэлектронно-лучевой плавки 1

Стельмах Я. А., Крушинская Л. А., Курапов Ю. А.,Литвин С. Е., Оранская Е. И. Композиционныйнаноматериал системы Al2O3—Ag, полученныйспособом электронно-лучевого осаждения в вакууме 2

Устинов А. И., Мельниченко Т. В., Шишкин А. Е.Деформационное поведение многослойныхвакуумных конденсатов Ti/Al при нагреве вусловиях постоянно действующих нагрузок

4

71

Автор(ы) и название статьи№

журнал

Шаповалов В. А., Цыкуленко К. А. Качествокрупнотоннажных слитков, отливаемых в изложни-це (Аналитический обзор) 1

ИНФОРМАЦИЯ

Ахонин С. В., Березос В. А. XI Международнаяконференция «Тi—2013 в СНГ» 3Б. А. Мовчану – 85 1В. Я. Саенко – 75 2Диссертации на соискание ученой степени 1, 2Ивану Васильевичу Шейко – 70 лет! 4Календарь конференций и выставок на 2013 г. 1Клочков И. Н. VII научно-техническая конферен-ция молодых ученых и специалистов «Сварка иродственные технологии»

3

Новые книги 1,4Н. Т. Шевченко – 75 3Памяти Александра Георгиевича Шалимова 4Памяти В. И. Махненко 1Правила для авторов журнала «Современнаяэлектрометаллургия» 1Рефераты отчетов по трехгодичным темам, завер-шенным в 2012 году, по направлению «Металлур-гия и материаловедение» 2Рябцев И. А. Научно-техническая конференция«Проблемы ресурса и безопасности эксплуатацииконструкций, сооружений и машин» 1Рябцев И. А. Сессия Научного совета по новымматериалам при Комитете по естественным наукамМеждународной ассоциации академий наук 2Указатель статей, опубликованных в 2013 г. 4Указатель авторов 4Юбилейная сессия общего собрания Национальнойакадемии наук Украины 2

Автор(ы) и название статьи№

журнал

ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ

Гнатушенко А. В. Поведение магния при электро-шлаковой плавке отходов алюминиевых магнийсо-держащих сплавов

1

Никитюк Ю. Н., Григоренко Г. М., Зеленин В. И.,Зеленин Е. В., Полещук М. А. Технология восста-новительного ремонта слябовых кристаллизаторовМНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием 3Шаповалов В. А., Биктагиров Ф. К., Бурнашев В. Р.,Степаненко В. В., Рейда Н. В. Переработка про-мышленных отходов металлопроизводства 1

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Белявин А. Ф., Федотов Д. А., Куренкова В. В.,Хомич Д. П. Восстановление монокристальныхрабочих лопаток с применением аргонодуговойнаплавки и нанесения теплозащитного покрытия.Часть 1

1

Белявин А. Ф., Федотов Д. А., Куренкова В. В.,Хомич Д. П. Восстановление монокристальныхрабочих лопаток с применением аргонодуговойнаплавки и нанесения теплозащитного покрытия.Часть 2

2

Григоренко Г. М., Адеева Л. И., Туник А. Ю.,Степанюк С. Н., Полещук М. А., Зеленин Е. В.Особенности структуры биметаллических соедине-ний разнородных металлов, полученных способомсварки трением с перемешиванием

4

Григоренко Г. М., Таранова Т. Г., Ахонин С. В.,Задорожнюк О. М., Сабокарь В. К. Поведениесилицидов системы Ti—Zr—Si и их влияние на свой-ства сварных соединений жаропрочных титановыхсплавов, полученных способом прессовой сварки 3

РЕЦЕНЗИИ И НАУЧНЫЕ ДИСКУССИИ

Цыкуленко К. А. Электрошлаковые технологиивыплавки слитков. Жидкий металл или расхо-дуемый электрод

2

Адеева Л. И., №4Ахонин С. В., №3 (2),4

Бабич Л. М., №3Белый А. И., №2Белявин А. Ф., №1,2Березос В. А., №3 (2),4Беспалов Н. А., №1Биктагиров Ф. К., №1,2,3Бондарь И. В., №1Борисова Н. Н., №1Бурнашев В. Р., №1,2,3Буткова Е. И., №2

Гнатушенко А. В., №1(2)Головачев А. Н., №3Горгуль С. И., №1Григоренко Г. М., №1(2),3(2),4Григоренко С. Г., №3

Дабижа Е. В., №1Демченко В. Ф., №3

Ерохин А. Г., №4

Жарди А., №4Жиров Д. М., №2(2),4Жудра А. П., №2

Задорожнюк О. М., №2,3Зайцев В. А., №3Зеленин В. И., №3Зеленин Е. В., №3,4

Игнатов А. П., №2Ивочкин Ю. П., №2

Капитанчук Л. М., №2Клочков И. Н., №3Коледа В. Н., №3Костин В. А., №1Кривцун И. В., №3Крикент И. В., №3Крушинская Л. А., №2Курапов Ю. А., №2Куренкова В. В., №1,2

Лещук А. А., №1Литвин С. Е., №2Литвиненко А. И., №2

Махненко В. И., №3Медведев М. И., №1Медовар Л. Б., №3(2)Мельниченко Т. В., №2,4Микитчик А. В., №3Мушегян В. О., №1,2

Назарчук А. Т., №4Нероденко Л. М., №3Никитенко Ю. А., №1Никитюк Ю. Н., №3Николаев А. В., №4

Оноприенко Е. В., №3Оранская Е. И., №2

Патон Б. Е., №4Петров Д. А., №3Петров С. В., №3Пиптюк В. П., №3Полещук М. А., №3,4Полишко А. А., №3Порохонько В. Б., №3,4Протоковилов И. В., №1,3,4Пузрин А. Л., №1

Рейда Н. В., №1Рудой Ю. Э., №3Рябцев И. А., №1,2

Сабокарь В. К., №3Саенко В. Я., №3Самохин А. В., №4Северин А. Ю., №1,4Смиян О. Д., №2

Собко-Нестерук О. Е., №1Стельмах Я. А., №2Степаненко В. В., №1(2),4Степанюк С. Н., №4Стовпченко А. П., №3

Таранова Т. Г., №3Тепляков И. О., №2Третяк Н. Г., №1Туник А. Ю., №2,4

Устинов А. И., №4

Федоровский Б. Б., №3(2)Федотов Д. А., №1,2

Хомич Д. П., №1,2

Цветков Ю. В., №4Цыкуленко К. А., №2,4

Чайка Н. В., №1

Шаповалов В. А., №1(3),2(3),4

Шейко И. В., №1Шишкин А. Е., №4

Яковчук К. Ю., №3Якуша В. В., №1

УКАЗАТЕЛЬ АВТОРОВ

72

ПРАВИЛА ДЛЯ АВТОРОВ ЖУРНАЛА«Современная электрометаллургия»*

1. Стандартный объем статьи 8–10 страниц текста (включая таблицы, библиографический список,рефераты, 5-6 рисунков; объем обзорной статьи может быть увеличен до 12–14 страниц). Текстпечатается через 2 интервала шрифтом Times New Roman, 12 кегль.

Материал должен быть изложен кратко, без повторений в тексте данных таблиц и рисунков.На литературу, таблицы и рисунки давать ссылки в тексте.

Рисунки не следует перегружать второстепенными данными. Физические единицы и обозначе-ния необходимо давать в Международной системе единиц СИ .

Публикацию статьи ускорит представление ее в электронном виде по e-mail в формате Word forWindows. Иллюстрации представляются в отдельных файлах в формате *.tiff (300 dpi) для растро-вой графики или *.cdr (версии не выше 11.0, 600 dpi) для векторной.

2. В статье должно быть не более 5 авторов (других, принимавших участие в работе, можноуказать в сноске). В сведениях об авторах следует указывать место работы, должность, ученуюстепень, домашний адрес, телефон, адрес электронной почты (если такой есть). Кроме того, следуетуказать почтовый адрес организации, в которой работает автор на русском и английском языках(взять с официального сайта) и адрес электронной почты.

3. Статья должна включать реферат (объем 1400–1600 знаков с одним пробелом между словами)и ключевые слова (от 7 до 10 слов) на русском и английском языках. Реферат должен достаточнополно раскрывать содержание статьи. В нем должны быть четко поставлены цели и задачи, приве-дены методы, результаты, область применения и выводы.

4. Каждая статья должна содержать библиографический список, включающий не менее 8–10ссылок (ссылки на собственные работы авторов и организацию, в которой работает автор, должнысоставлять не более четверти списка; ссылки на источники от 2000 г. обязательны).

Упоминаемую в статье литературу следует оформлять в следующем порядке:для книг — фамилия, инициалы автора(ов), полное название, город, издательство, год издания,

общее количество страниц;для журнальных статей — фамилия, инициалы автора(ов), название статьи, журнал, год изда-

ния, том, номер или выпуск, страницы (иностранные издания приводятся на языке оригинала);для статей в сборнике — название статьи, авторы, название сборника, номер выпуска или тома,

место издания, издательство (или издающая организация), страницы начала и конца статьи;для интернет-ссылок — название ресурса, режим доступа.5. Рукопись статьи должна быть подписана всеми авторами (или одним автором от имени ав-

торского коллектива). К рукописи прилагается лицензионный договор по передаче авторских правредакции журнала на публикацию статьи. Форма договора на сайте www.paton.kiev.ua или можетбыть выслана редакцией по электронной почте (по запросу).

Несоответствие подаваемых в редакцию материалов по пп. 1–5 настоящих правил можетслужить поводом для отказа в публикации.

Коллектив авторов опубликованной статьи имеет право получить без оплаты один экземплярсоответствующего номера журнала (при наличии запроса).

Публикация статей в журнале бесплатная, гонорар не выплачивается.

Украина, 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины

Тел./факс: ( 38044) 200 82 77; 200 54 84; тел.: ( 38044) 205 22 07E-mail: journal@paton.kiev.ua; www.patonpublishinghouse.com; www.rucont.ru

*Международный научно-теоретический и производственный журнал «Современная электрометаллургия» издается ИЭС

им. Е. О. Патона НАНУ ежеквартально с 1985 г. на русском языке (с 1985 по 2002 гг. издавался под названием «Проблемы специальной электрометаллургии»), ISSN 0233-7681, подписной индекс 70693. Английская версия журнала переиздается под названием «Advances in Electrometallurgy» с 2009 г. (ISSN 1810-0384) издательством «Camdridge International Science Publishing» (Великобритания).

73

ПОДПИСКА — 2014 на журнал «Современная электрометаллургия»

Украина Россия Страны дальнего зарубежья

на полугодие на год на полугодие на год на полугодие на год

160 грн 320 грн 900 руб. 1800 руб. 30 дол. США 60 дол. США

В стоимость подписки включена доставка заказной бандеролью.

Реклама публикуется наобложках и внутренних вклей-ках следующих размеров• Первая страница обложки(190 190 мм)• Вторая, третья и четвертаястраницы обложки(200 290 мм)• Первая, вторая, третья, чет-вертая страницы внутреннейобложки (200 290 мм)• Вклейка А4 (200 290 мм)• Разворот А3 (400 290 мм)

Технические требования к рекламным материалам• Размер журнала после обрези 200 290 мм• В рекламных макетах длятекста, логотипов и другихэлементов необходимо отступать открая модуля на5 мм с целью избежания потеричасти информации

Все файлы в формате IBM PC• Corell Draw, версия до 10.0• Adobe Photoshop, версия до 7.0• QuarkXPress, версия до 7.0• Изображения в формате TIFF,цветовая модель CMYK,разрешение 300 dpiСтоимость рекламы и оплата• Цена договорная

• По вопросам стоимости разме-щения рекламы, свободной пло-щади и сроков публикации просьбаобращаться в редакцию• Оплата в гривнях или рубляхРФ по официальному курсу• Для организаций-резидентовУкраины цена с НДС и налогомна рекламу• Для постоянных партнеровпредусмотрена система скидок• Стоимость публикации статьина правах рекламы составляетполовину стоимости рекламнойплощади• Публикуется только профильнаяреклама• Ответственность за содер-жание рекламных материаловнесет рекламодатель

Подписано к печати 01.11.2013. Формат 60 84/8. Офсетная печать.Усл. печ. л. 8,4. Усл. кр.-отт. 7,3. Уч.-изд. л. 9,4.Печать ООО «Фирма «Эссе». 03142, г. Киев, пр. Акад. Вернадского, 34/1.

© Современная электрометаллургия, 2013

РЕКЛАМА в журнале «Современная электрометаллургия»

Подписку на журнал «Современная электрометаллургия» можно оформить непосредственночерез редакцию или по каталогам подписных агентств «Пресса», «Идея», «Саммит», «Пресс-центр», «Информнаука», «Блицинформ», «Меркурий» (Украина) и «Роспечать», «ПрессаРоссии» (Россия).

Контакты:тел./факс: (38044) 200-82-77;200-54-84; 205-22-07E-mail: journal@paton.kiev.ua

Подписка на электронную версию журнала «Современная электрометаллургия»доступна на сайте: http://www.rucont.ru.

Подписка возможна как на отдельные выпуски журналов, так и на весь архив,включающий все выпуски, начиная с 2009 в формате *.pdf.

Доступна физическим и юридическим лицам.

74