Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования
Проведена серия численных экспериментов по определению оптимальных режимов плавки молибденовых слитков в водоохлаждаемый кристаллизатор. Проанализировано влияние технологических параметров плавки (мощность и распределение электронно-лучевого нагрева металла в кристаллизаторе, частота и температура п...
Saved in:
| Published in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96282 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования / В.О. Мушегян // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 4 (105). — С. 9-12. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859814883357360128 |
|---|---|
| author | Мушегян, В.О. |
| author_facet | Мушегян, В.О. |
| citation_txt | Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования / В.О. Мушегян // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 4 (105). — С. 9-12. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Проведена серия численных экспериментов по определению оптимальных режимов плавки молибденовых слитков в водоохлаждаемый кристаллизатор. Проанализировано влияние технологических параметров плавки (мощность и распределение электронно-лучевого нагрева металла в кристаллизаторе, частота и температура перегрева заливки) на характеристики затвердевания слитка. Установлена степень влияния каждого из параметров в технологически допустимых интервалах.
Series of numerical experiments have been made for determination of optimum conditions of melting the molybdenum ingots into a water-cooled mould. The effect of technological parameters of melting (power and distribution of electron beam heating of metal in mould, frequency and temperature of charge overheating) on characteristics of ingot solidification was analyzed. The degree of effect of each of parameters in technologically allowable intervals was established.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:21:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.526:51.001.57
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКИ МОЛИБДЕНА
МЕТОДОМ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
В. О. Мушегян
Проведена серия численных экспериментов по определению оптимальных режимов плавки молибденовых слитков
в водоохлаждаемый кристаллизатор. Проанализировано влияние технологических параметров плавки (мощность
и распределение электронно-лучевого нагрева металла в кристаллизаторе, частота и температура перегрева заливки)
на характеристики затвердевания слитка. Установлена степень влияния каждого из параметров в технологически
допустимых интервалах.
Series of numerical experiments have been made for determination of optimum conditions of melting the molybdenum
ingots into a water-cooled mould. The effect of technological parameters of melting (power and distribution of electron
beam heating of metal in mould, frequency and temperature of charge overheating) on characteristics of ingot solidification
was analyzed. The degree of effect of each of parameters in technologically allowable intervals was established.
Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевой переплав; мо-
либден; слиток; математическая модель; теплопередача;
центральный и периферийный нагрев; время охлаждения;
градиент температур
Применяемый при ЭЛП способ нагрева металла
позволяет достаточно гибко за счет фокусировки
электронного луча и сканирования им нагреваемой
поверхности перераспределять плотность теплового
потока в широком диапазоне значений независимо
от производительности плавления металла. Это да-
ет возможность целенаправленно воздействовать на
тепловое состояние жидкой ванны в кристаллиза-
торе для формирования плоского фронта затверде-
вания [1].
С целью реализации указанной возможности в
центральной зоне зеркала металлической ванны
создается равномерный тепловой поток с локаль-
ным сосредоточением вблизи стенки кристаллиза-
тора [2]. При этом центральный обогрев компенси-
рует потери тепла металлом за счет излучения и
испарения на свободной поверхности, а периферий-
ный обогрев – теплоотвод в стенки водоохлажда-
емого кристаллизатора.
Для определения оптимальных параметров
плавки молибдена в электронно-лучевой установке
с промежуточной емкостью, соответствующих ми-
нимальной глубине жидкой ванны и плоскому
фронту затвердевания использовали модель элект-
ронно-лучевой плавки молибдена в водоохлаждае-
мый проходной кристаллизатор [3]. Моделировали
процесс плавки в кристаллизаторы диаметром 70 и
100 мм, в ходе которой жидкий металл периодичес-
ки подают из промежуточной емкости в кристалли-
затор с временными паузами между заливками оче-
редных порций. Базовым при расчетах принят ре-
жим электронно-лучевой плавки, реализованный
экспериментально [3] (табл. 1).
В качестве основных параметров распределения
электронно-лучевого теплового потока выделим
DR – участок вдоль радиуса зеркала ванны, на
который приходится 90 % мощности периферийного
обогрева W2, распределенной по закону Гаусса; dR –
смещение DR на стенку кристаллизатора; W1 –
мощность центрального обогрева, равномерно рас-
пределенная на участке 0… (DR - dR) поверхности
зеркала ванны (рис. 1).
На рис. 2 представлена геометрия жидкой ванны
к моменту окончания паузы между заливками для
© В. О. МУШЕГЯН, 2011
Т а б л и ц а 1 . Технологические параметры базового (1) и
расчетного (2) режимов при диаметре слитка D = 7 cм,
глубине ванны lz(r = R) = 0,2 см
№ режима
W1 W2 Wоб
lz (r = 0)
кВт
1 8,4 49,2 60,0 0,60
2 7,4 51,2 56,6 0,38
Пр и м е ч а н и е . Здесь Wоб – общая мощность.
9
двух вариантов обогрева зеркала ванны (табл. 1):
базового (1) и полученного при варьировании па-
раметров W1, W2 (2).
Кривые рис. 2 показывают, что путем варьиро-
вания значений W1, W2 можно сформировать более
плоский фронт, чем в базовом варианте, при более
низкой тепловой мощности обогрева (табл. 1). Это-
го результата можно достичь за счет снижения плот-
ности обогрева в центральной части ванны и ее по-
вышения вблизи стенки кристаллизатора (рис. 3).
Зона максимального температурного перегрева по-
верхности зеркала ванны смещается из осевой части
ванны на периферийную, а перегрев металла над
температурой плавления, согласно расчетам, повы-
шается на 60 °С. Для слитка диаметром 100 мм за-
фиксирована аналогичная качественная картина.
Проведена серия численных экспериментов с из-
менением смещения dR электронного луча на стенку
кристаллизатора. На рис. 3 показаны результаты
расчетов для слитка диаметром 7 cм при различных
значениях dR.
Как следует из рисунка, увеличение значения
dR позволяет создавать более плоский фронт зат-
вердевания, но при этом, как показали расчеты,
большее смещение периферийного обогрева на стен-
ку кристаллизатора приводит к необходимости по-
вышения мощности тепловложения Wоб в 1,5 раза.
С учетом этих особенностей для дальнейших опти-
мизационных расчетов приняты параметры dR сог-
ласно табл. 2, позволяющие создавать достаточно
плоский фронт затвердевания при умеренном по-
вышении тепловой мощности обогрева зеркала ванны.
Для оценки влияния общей мощности обогрева
зеркала ванны Wоб на параметры затвердевания жид-
кого металла задан диапазон значений lz (r = R) сог-
ласно табл. 2. Значения W1, W2 подбирали таким
образом, чтобы фронт был плоским и без перегибов.
На рис. 4 показана геометрия ванны и область
с установленным перегревом металла (TX — TL, где
TX = 2637; TL = 2617 °С – температуры соответс-
твенно перегретого металла и точки плавления. В
табл. 3 приведены данные расчетов, свидетельству-
ющие о том, что повышать интенсивность обогрева
зеркала ванны нерационально, поскольку увеличе-
ние мощности тепловложения не способствует росту
Рис. 2. Геометрия жидкой ванны к моменту окончания паузы
между заливками (D = 7 см): z – расстояние до поверхности
ванны
Рис. 3. Геометрия ванны к моменту окончания паузы между
заливками при различных значениях dR: 1 – 0; 2 – 0,2; 3 – 0,4;
4 – 0,6; 5 – 0,9 см
Т а б л и ц а 2 . Оптимизированные режимы нагрева слитка
молибдена в кристаллизаторе диаметром 70 и 100 мм
D dR Wоб W1 W2
cм кВт
7 0,6 50,808 6,562 44,245
10 0,4 77,694 17,273 60,420
Рис. 4. Интервал TX — TL при различных значениях мощности Wоб
обогрева зеркала ванны, кВт: 1 – 55,4; 2 – 56,8; 3 – 59,6; 4 –
62,4; 5 – 67,4; 6 – 7,3; 7 – 78,2; 8 – 83,8 кВт); D = 7 cм
Рис. 1. Схема распределения мощности нагрева металла q на
поверхности зеркала ванны в полости кристаллизатора
10
показателей затвердевания жидкого металла. Нап-
ротив, при уменьшении мощности обогрева жидкого
металла в кристаллизаторе улучшаются теплофи-
зические характеристики процесса кристаллизации
молибдена: несколько увеличивается градиент тем-
ператур G вдоль движения фронта кристаллизации
и уменьшается временной интервал охлаждения dt
(соответственно повышается скорость охлажде-
ния). Аналогичные зависимости зафиксированы
для слитка диаметром 100 мм.
Исследовано влияние периодичности заливки и
перегрева поступающего в полость кристаллизатора
металла выше температуры плавления на тепловое
состояние слитка. Моделировали заливку металла
с периодом 120 с, при которой время собственно
заливки изменяли в пределах 20…120 с, а пауза
между заливками составляла 0…100 с.
На рис. 5 приведены средние по периоду чис-
ленные данные, показывающие влияние соотноше-
ния времени литья и паузы на параметры затверде-
вания жидкой ванны. Из представленных данных
следует, что при соотношении времени литья и па-
узы 20:100 и 120:0 (непрерывное литье) время пре-
бывания в заданном температурном интервале и
градиент температуры перед фронтом затвердева-
ния изменяются на 13 %, наилучшие показатели
отмечены при минимальном времени литья 20 с.
Данные расчетов (табл. 4) также показывают,
что изменение ΔT (перегрев поступающего в по-
лость кристаллизатора металла над температурой
ликвидус) в пределах 0…140 °С не приводит к су-
щественному колебанию параметров жидкометал-
лической ванны, следовательно, повышение пере-
грева сливаемого металла нерационально, посколь-
ку при этом увеличиваются энергозатраты на стадии
промежуточной емкости.
Выводы
1. Расчетным путем установлено, что применение
центрального и периферийного нагревов металла в
кристаллизаторе при плавке слитков молибдена ди-
аметром 7 и 10 см в электронно-лучевой печи позволяет
при минимальной глубине жидкой ванны добиться
практически плоского фронта кристаллизации.
2. Определены основные параметры, влияющие
на процесс кристаллизации молибдена при ЭЛПЕ, –
Т а б л и ц а 3 . Технологические и теплофизические харак-
теристики различных режимов плавки (кристаллизатор
D = 7 cм)
lz (r = R),
см
Wоб W1 W2 G,
°С/см
dt, с
lz (r = 0),
смкВт
0,1 55,387 7,374 48,012 230,48 2,314 0,28
0,2 56,860 7,475 49,386 229,01 2,329 0,40
0,4 59,620 7,642 51,979 227,37 2,350 0,61
0,6 62,414 7,780 54,634 226,92 2,346 0,82
1,0 67,385 7,723 59,661 222,70 2,390 1,22
1,5 72,974 7,020 65,953 221,90 2,400 1,71
2,0 78,215 6,867 73,347 220,10 2,450 2,28
2,3 83,805 6,165 79,639 217,00 2,500 2,64
Рис. 5. Зависимость градиента температуры перед фронтом затвердевания и времени пребывания металла tf в заданном темпера-
турном интервале (2637… 2617 °С) от времени литья (период подачи металла 120 с) при D: а – 7; б – 10 cм
Т а б л и ц а 4 . Зависимость параметров кристаллизации от
температуры перегрева ΔT
ΔT, °С lz (r = 0), см lz (r = R), см dt, с G, °С/см
D = 7 см
0 0,76 0,20 5,19 256,70
40 0,76 0,20 5,19 257,02
80 0,76 0,20 5,19 256,97
140 0,76 0,20 5,19 256,85
D = 10 см
0 0,370 0,099 3,389 202,36
40 0,371 0,099 3,389 202,33
80 0,373 0,099 3,391 202,22
140 0,375 0,099 3,393 202,07
11
УДК 669.187.826
ОЧИСТКА КРЕМНИЯ ОТ ФОНОВЫХ
И ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ
ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ
БЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ ПЛАВКЕ
Е. А. Аснис, Н. В. Пискун, И. И. Статкевич
Приведены данные о влиянии стерильности вакуумной плавильной камеры на содержание фоновых и легирующих
примесей в монокристаллах кремния, полученных способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки.
Data are given about the effect of sterility of vacuum melting chamber on content of background and alloying impurities
in silicon single crystals produced by electron beam crucibleless zonal melting.
Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевая зонная плавка;
вакуум; кремний; гелий; кислород; фосфор
Проблема очистки кремния от примесей, особенно
кислорода, является актуальной при использовании
его в качестве радиационно-стойкого материала, в
частности для создания высокоэффективных счет-
чиков ядерных излучений, солнечных батарей, при-
боров, расположенных на внешней поверхности
станции и подвергаемых жесткому облучению час-
тицами высоких энергий. Наличие кислорода в
кремнии уменьшает быстродействие электронных
приборов и служит причиной невоспроизводимости
параметров таких приборов, как импульсные и пе-
реключающие диоды, диоды СВЧ и др. [1].
В некоторых случаях при получении монокрис-
таллов кремния с р-проводимостью необходимо осу-
ществлять очистку также и от легирующих приме-
сей, например фосфора.
В настоящее время чистота кремния по легиру-
ющим примесям доведена до 1⋅1013…1⋅1014 ат/см3,
а содержание фоновой примеси – кислорода в
кристаллах, выращенных разными способами, –
до 1⋅1017…1⋅1018 ат/см3.
В процессе электронно-лучевой бестигельной
зонной плавки происходит очистка кремния от ле-
гирующих и фоновых примесей [2] как вследствие
отгонки, вызываемой зонной перекристаллизацией,
так и десорбции примесей с поверхности образца
при значениях температуры, близких к таковым
кристаллизации. Причем по этой схеме из расплава
будут удаляться примеси с упругостью пара выше,
чем у кремния [3].
На содержимое примесей в кремнии влияет ос-
таточная атмосфера плавильной вакуумной каме-
ры, в которой проводится зонная электронно-луче-
вая плавка, причем одним из главных параметров
является степень вакуума в камере.
Для определения возможности очистки кремния
от кислорода выполнили расчет концентрации кис-
лорода в остаточной атмосфере вакуумной камеры:
P = nkТ, (1)
где P – парциальное давление кислорода, Па; n –
количество атомов кислорода, см3; k – постоянная
Больцмана, 1,38⋅10—23 Дж/град; T – температура
в камере, К. Остаточное давление в камере, подго-
товленной для плавки кремния, обычно составляет
2⋅10—5 торр (2,7⋅10—3 Па) при температуре 300 К.
Можно допустить, что отношение парциального
© Е. А. АСНИС, Н. В. ПИСКУН, И. И. СТАТКЕВИЧ, 2011
мощность электронно-лучевого нагрева, смещение
луча на кристаллизатор, соотношение времени
литья и паузы. Вместе с тем, перегрев сливаемых
порций над температурой ликвидус влияет не столь
существенно.
1. Электронно-лучевая плавка / Б. Е. Патон, Н. П. Тригуб,
Д. А. Козлитин и др. – Киев: Наук. думка, 1997. – 265 с.
2. Жук Г. В. О влиянии распределения мощности нагрева
металла в кристаллизаторе в процессе ЭЛПЕ на структуру
титановых слитков // Современ. электрометаллургия. –
2008. – № 2. – С. 17—20.
3. Мушегян В. О. Математическое моделирование электронно-
лучевой плавки молибдена // Там же. – 2011. – № 3. –
С. 13—16.
ГП НТЦ «Патон-Армения» ИЭС им. Е. О. Патона
НАН Украины, Киев
Поступила 26.10.2011
12
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96282 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:21:23Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Мушегян, В.О. 2016-03-13T19:28:10Z 2016-03-13T19:28:10Z 2011 Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования / В.О. Мушегян // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 4 (105). — С. 9-12. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96282 669.187.526:51.001.57 Проведена серия численных экспериментов по определению оптимальных режимов плавки молибденовых слитков в водоохлаждаемый кристаллизатор. Проанализировано влияние технологических параметров плавки (мощность и распределение электронно-лучевого нагрева металла в кристаллизаторе, частота и температура перегрева заливки) на характеристики затвердевания слитка. Установлена степень влияния каждого из параметров в технологически допустимых интервалах. Series of numerical experiments have been made for determination of optimum conditions of melting the molybdenum ingots into a water-cooled mould. The effect of technological parameters of melting (power and distribution of electron beam heating of metal in mould, frequency and temperature of charge overheating) on characteristics of ingot solidification was analyzed. The degree of effect of each of parameters in technologically allowable intervals was established. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования Optimizing the technology of electron beam melting of molybdenum using method of mathematical modeling Article published earlier |
| spellingShingle | Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования Мушегян, В.О. Электронно-лучевые процессы |
| title | Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования |
| title_alt | Optimizing the technology of electron beam melting of molybdenum using method of mathematical modeling |
| title_full | Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования |
| title_fullStr | Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования |
| title_full_unstemmed | Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования |
| title_short | Оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования |
| title_sort | оптимизация технологии электронно-лучевой плавки молибдена методом математического моделирования |
| topic | Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet | Электронно-лучевые процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96282 |
| work_keys_str_mv | AT mušegânvo optimizaciâtehnologiiélektronnolučevoiplavkimolibdenametodommatematičeskogomodelirovaniâ AT mušegânvo optimizingthetechnologyofelectronbeammeltingofmolybdenumusingmethodofmathematicalmodeling |