Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама
Рассмотрено влияние технологических параметров на условия формирования монокристаллов. Предложено использование крупных профилированных монокристаллов вольфрама в качестве исходных заготовок для широкоформатного проката. Показано преимущество технологической цепочки получения листового проката из мо...
Saved in:
| Published in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96568 |
| 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: | Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама / В.А. Шаповалов, В.В. Якуша, А.Н. Гниздыло, Ю.А. Никитенко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 3 (108). — С. 26-30. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859661617070866432 |
|---|---|
| author | Шаповалов, В.А. Якуша, В.В. Гниздыло, А.Н. Никитенко, Ю.А. |
| author_facet | Шаповалов, В.А. Якуша, В.В. Гниздыло, А.Н. Никитенко, Ю.А. |
| citation_txt | Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама / В.А. Шаповалов, В.В. Якуша, А.Н. Гниздыло, Ю.А. Никитенко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 3 (108). — С. 26-30. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Рассмотрено влияние технологических параметров на условия формирования монокристаллов. Предложено использование крупных профилированных монокристаллов вольфрама в качестве исходных заготовок для широкоформатного проката. Показано преимущество технологической цепочки получения листового проката из монокристаллов вольфрама перед традиционной.
The effect of technological parameters on conditions of formation of single crystals is considered. The use of large profiled tungsten single crystals as initial billets for wide-plate rolled metal is offered The advantage of technological operation of producing plate rolled metal of tungsten single crystals as compared with traditional operation is shown.
|
| first_indexed | 2025-11-30T10:03:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.826
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ПЛАЗМЕННО-ИНДУКЦИОННОГО ВЫРАЩИВАНИЯ
КРУПНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМА
В. А. Шаповалов, В. В. Якуша,
А. Н. Гниздыло, Ю. А. Никитенко
Рассмотрено влияние технологических параметров на условия формирования монокристаллов. Предложено исполь-
зование крупных профилированных монокристаллов вольфрама в качестве исходных заготовок для широкофор-
матного проката. Показано преимущество технологической цепочки получения листового проката из монокристаллов
вольфрама перед традиционной.
The effect of technological parameters on conditions of formation of single crystals is considered. The use of large profiled
tungsten single crystals as initial billets for wide-plate rolled metal is offered The advantage of technological operation
of producing plate rolled metal of tungsten single crystals as compared with traditional operation is shown.
Ключ е вы е с л о в а : вольфрам; монокристалл; плазмен-
но-индукционная зонная плавка; широкоформатный прокат
Монокристаллы тугоплавких металлов, особенно
вольфрам и молибден, находят широкое примене-
ние в приборах электронной и других областей тех-
ники (электровакуумных, газоразрядных прибо-
рах, термометрах сопротивления и пр.) [1]. Иногда
это детали из монокристаллов, непосредственно вы-
ращенных из расплава, но зачастую – продукты
их пластической деформации.
Наибольший прогресс в области пластической
деформации тугоплавких металлов и производстве
фасонных изделий из них достигнут в ламповой
промышленности при производстве вакуумных га-
зоразрядных изделий. Весомую долю изделий из
вольфрама при этом составляют всевозможные эле-
менты из фольг и лент.
Фольги и ленты – продукты широкоформатно-
го проката тугоплавких металлов. Традиционно в
промышленности под деформацию используют ли-
бо заготовки вольфрама, полученного способом либо
порошковым, либо плавления в вакууме. Для опера-
ций широкоформатного плоского проката производят
сутунки размером 20 (60…70) (100…120) мм [2].
Порошковый способ получения исходных заго-
товок (сутунок) – очень энергоемкий процесс, сос-
тоящий из стадий прессования порошка вольфрама,
предварительного спекания, сварки и ковки. На
каждой стадии происходит изменение удельного ве-
са заготовок вольфрама (рис. 1) [3]. Как правило,
после операции ковки заготовки по удельному весу
уже пригодны для последующей прокатки.
Многостадийностью процесса характеризуется и
способ получения исходных сутунок из слитков
электронно-лучевой плавки. Согласно этой схеме,
сначала получают цилиндрические слитки воль-
© В. А. ШАПОВАЛОВ, В. В. ЯКУША, А. Н. ГНИЗДЫЛО, Ю. А. НИКИТЕНКО, 2012
Рис. 1. Изменение плотности ρ вольфрама в процессе обработки
[3]: 1 – порошок; 2 – предварительное спекание; 3 – сварка;
4 – ковка; 5 – волочение
26
фрама диаметром 70…80 мм, которые в дальней-
шем подвергают прессованию в прямоугольные за-
готовки шириной 50…60 мм и толщиной 20…25 мм
[4]. В последующем прокатку поковок ведут на
двухвалковых или более мощных станах. При этом
на первой стадии выполняют горячую прокатку при
температуре 1400…1000 °С, затем холодную про-
катку с промежуточными отжигами заготовок при
значениях температуры 900…950 °С.
Сократить стадийность процесса получения ши-
рокоформатного проката и тем самым повысить эф-
фективность производственного цикла можно, ис-
пользуя исходную литую плавленую заготовку,
максимально приближенную по геометрии к требу-
емой. В этой связи рациональным технологическим
решением при получении полуфабрикатов из воль-
фрама с улучшенными физико-химическими свойс-
твами может стать применение в качестве исходных
заготовок под прокатку крупных профилирован-
ных монокристаллических слитков вольфрама, вы-
ращиваемых по способу плазменно-индукционной
зонной плавки [5]. Они являются идеальной заго-
товкой под широкоформатный прокат, характери-
зуются плотностью металла, приближенной к тео-
ретической, а также геометрической формой, не
требующей механической обработки.
Высокая технологическая пластичность воль-
фрама в монокристаллическом состоянии, в срав-
нении с поликристаллическим, позволяет гаранти-
рованно получать качественные полуфабрикаты и
конечные продукты.
Исследования, выполненные на образцах мо-
нокристаллов вольфрама и молибдена, показыва-
ют, что они выдерживают без разрушения большие
степени деформации в широком температурном ди-
апазоне, по сравнению с поликристаллическими об-
разцами технической и даже высокой чистоты [6].
Монокристаллы при термоциклировании прояв-
ляют более высокую стабильность структуры и ис-
пытывают меньшее необратимое формоизменение,
чем соответствующие поликристаллы [7]. Стой-
кость геометрических форм монокристаллических
деталей связана с более совершенной структурой и
высокой чистотой.
В соответствии с разработанной схемой процесса
плазменно-индукционного выращивания тугоплав-
ких монокристаллов [5] при помощи дуговой плаз-
мы, генерируемой плазмотроном постоянного тока,
производится расплавление мерных расходуемых
прутков и наведение локальной металлической ван-
ны. Индукционный источник нагрева способствует
более равномерному распределению температур в
верхней области монокристалла, уменьшению гра-
диента температур на границе жидкой и твердой
фаз, а также удержанию жидкого металла на торце
монокристалла. Применение комбинированного
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика плазменной дуги
Рис. 3. Временное изменение тока и напряжения на дуге в краевой зоне монокристалла
27
(плазменно-дугового и индукционного) источника
нагрева существенно расширяет технологические
возможности данного процесса, однако в то же вре-
мя требует более глубоких знаний о взаимосвязи
технологических параметров процесса и их влиянии
на качество получаемых монокристаллов.
Цель данной работы заключается в определении
влияния основных технологических параметров
процесса на формирование и свойства монокристал-
лов как исходных заготовок для широкоформатного
проката. Экспериментальные исследования прове-
дены на установке УП-122М Института электрос-
варки им. Е. О. Патона при выращивании ориен-
тированных плоских монокристаллов вольфрама
размерами 20 175 150 мм. Анализ изменений па-
раметров процесса выполнен на основе мониторин-
говой базы данных аналогово-цифровой системы за-
писи параметров процесса выращивания монокрис-
таллов в реальном масштабе времени [8].
На основании экспериментальных данных опре-
делена вольт-амперная характеристика плазменной
дуги при переплаве прутков технически чистого
Рис. 4. Характер изменения тока и напряжения на дуге при разной высоте монокристалла, мм: а – 25; б – 90
28
вольфрама с использованием плазмообразующей
смеси газов, состоящей из 30 % аргона и 70 % гелия
(рис. 2). Данные вольт-амперной характеристики
плазменной дуги позволили более точно установить
изменение вкладываемой плазмотроном тепловой
мощности в краевых зонах монокристалла.
В работе [5] установлено, что для обеспечения
постоянства геометрии выращиваемых монокрис-
таллов в краевых зонах слитка из-за изменения теп-
ловых условий формирования необходимо снижать
мощность плазменной дуги при вхождении в них
(рис. 3). На основании данных прямых измерений
определено, что в краевой зоне снижение мощности
плазмотрона составляет в среднем от 35 до 42 %
мощности в средней части слитка. Выявлено, что
для формирования краевых зон монокристалла без
грубых наплывов и проливов металлической ванны
следует снижать мощность дуги при достижении
передним фронтом локальной ванны жидкого ме-
талла расстояния от края слитка, равного его радиусу.
В работе [9] на основании результатов матема-
тического моделирования теплового состояния мо-
нокристаллов определено, что при достижении
кристаллом высоты, равной более чем трем его тол-
щинам (так называемый характерный размер), нас-
тупает квазистационарное тепловое состояние в мо-
нокристаллическом слитке. Исследования, выпол-
ненные в данной работе, показывают, что при этом
происходит и стабилизация капельного переноса
(рис. 4). В частности, при высоте монокристалла
25 мм капельный перенос характеризуется ампли-
тудой колебаний тока и напряжения соответственно
15 А и 1,5 В. При достижении монокристаллом вы-
соты 90 мм капельный перенос является устойчи-
вым и характеризуется амплитудой колебаний тока
и напряжения дуги 10 А и 0,6…1,0 В. При холостых
проходах плазмотрона (без переплава прутков) ко-
лебания напряжения на дуге составляют 0,1 В.
Путем совмещения данных цифровой съемки
процесса плавления и временных зависимостей из-
менения тока и напряжения плазменной дуги можно
установить стадии плавления присадочного прутко-
вого материала (рис. 5).
Качество боковой поверхности монокристаллов
зависит от стабильности поддержания заданных
технологических параметров процесса. Отклонение
того или иного параметра (например, тока дуги) от
заданного значения сказывается на качестве фор-
мирования как структуры, так и боковой поверх-
ности монокристалла. Наиболее гибким парамет-
ром процесса плазменно-индукционного выращива-
ния плоских монокристаллов вольфрама, показы-
вающим отклонение от квазистационарности про-
цесса, может быть частота капельного переноса.
Любое изменение в рассматриваемой системе, т. е.
изменение тока дуги, процентного соотношения га-
зов в плазмообразующей смеси, пространственного
положения переплавляемого прутка относительно
плазменной дуги и наплавляемой поверхности вли-
Рис. 5. Осциллограмма напряжения на дуге с последовательными этапами процесса плавления прутка
Рис. 6. Профилированный монокристалл вольфрама плазмен-
но-индукционной зонной плавки
29
яет на частоту капельного переноса. При нарушении
соосности положения прутка относительно оси
плазменной дуги уменьшается частота капельного
переноса. Визуально происходит отклонение в гео-
метрии монокристалла. На его боковой поверхности
формируются либо наплывы, либо утяжины.
В ходе исследований и отработки технологичес-
ких режимов был выращен монокристалл вольфра-
ма (рис. 6). Поверхность слитков формировалась
под действием сил поверхностного натяжения, дав-
ления дуги на ванну и сил левитации, возникающих
в результате взаимодействия токов, индуцирован-
ных в монокристалле и в индукторе.
На боковой поверхности слитков видны искаже-
ния в виде наплывов и бороздок, расположенных
параллельно наплавляемым на затравочный крис-
талл слоям. Их количество соответствует количес-
тву наплавленных слоев. Вид поверхности несет ин-
формацию о характерных геометрических размерах
расходного материала (диаметре прутка), размере
капель, подпитывающих ванну расплава, высоте
наплавленного слоя и степени перегрева металли-
ческой ванны.
Глубина впадин по отношению к выступам сос-
тавляет 0,8…1,0 мм. В случае возникновения отк-
лонений параметров процесса от заданных значений
на боковой поверхности могут образовываться либо
более глубокие впадины между соседними слоями,
либо наплывы верхних слоев на нижние. Причиной
отклонения формы монокристалла от заданной служат
нарушения в технологическом процессе, прежде всего
связанные с нестабильностью работы плазмотрона.
В зависимости от глубины впадин и высоты об-
разовавшихся наплывов кристалл может быть ис-
пользован без дополнительной механической обра-
ботки или (при необходимости) подвергаться до-
полнительной механической обработке перед основ-
ными операциями по изготовлению изделия или по-
луфабриката. При глубине впадин менее 1 мм мо-
нокристалл не подвергается механической обработ-
ке перед прокаткой. Таким образом, мы получаем
заготовку (сутунку) вольфрама, наиболее подходя-
щую для широкоформатного проката.
1. Неорганическое материаловедение: Энциклопедическое
издание. В 2 т. / Под. ред. Г. Г. Гнесина, В. В. Скорохо-
да. – Киев, 2008. – С. 712—726.
2. Обработка давлением тугоплавких металлов и сплавов /
Н. И. Корнеев, С. Б. Певзнер, Е. И. Разуваев, В. Б. Емель-
янов. – М.: Металлургия, 1975. – 440 с.
3. Металлы и сплавы для электровакуумных приборов /
А. С. Гладков, В. М. Амосов, Ч. В. Копецкий, А. М. Ле-
вин. – М.: Энергия, 1969. – 600 с.
4. Зеликман А. Н., Никитина Л. С. Вольфрам. – М.: Ме-
таллургия, 1978. – 273 с.
5. Исследование процесса выращивания плоских монокрис-
таллов вольфрама и молибдена / В. А. Шаповалов, А. А. Ко-
валенко, Ю. В. Латаш и др. // Пробл. спец. метал-
лургии. – Киев, 1993. – № 1. – С. 79—82.
6. Савицкий Е. М., Бурханов Г. С., Кузмищев В. А. О ха-
рактере деформации и разрушения моно- и бикристаллов
вольфрама // Металлические монокристаллы: получе-
ние, исследование, свойства / Под ред. Е. М. Савиц-
кого. – М.: Наука, 1967. – С. 194—204.
7. Савицкий Е. М., Бурханов Г. С. Монокристаллы туго-
плавких и редких металлов. – М.: Наука, 1972. – 257 с.
8. Микропроцессорный пульт оператора-технолога АСУ ТП
выращивания монокристаллов / Ф. Н. Киселевский,
В. А. Шаповалов, В. В. Долиненко и др. // Современ.
электрометаллургия. – 2003. – № 1. – С. 25—27.
9. Шаповалов В. А., Якуша В. В., Гниздыло А. Н. Тепловое
поле монокристалла при комбинированном нагреве //
Там же. – 2003. – № 1. – С. 22—24.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
Поступила 03.07.2012
Ukrudprom.ua
ПАО «Евраз-Днепропетровский металлургический завод им. Петровского» в январе-июле 2012 г.
нарастило производство готового проката, по оперативным данным, на 4,1 % по сравнению с ана-
логичным периодом 2011 года – до 458 тыс. т, передает «Интерфакс-Украина».
Как сообщил представитель предприятия, за этот период завод увеличил выплавку стали на 4,1%
(до 530 тыс. т), но снизил чугуна – на 4,5 % (до 504 тыс. т).
В июле метзавод произвел 74 тыс. т готового проката, 85 тыс. т стали и 82 тыс. т чугуна.
Завод специализируется на выпуске стали, чугуна, проката и изделий из них.
Предприятие входит в группу Evraz.
30
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96568 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T10:03:47Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Шаповалов, В.А. Якуша, В.В. Гниздыло, А.Н. Никитенко, Ю.А. 2016-03-18T13:06:44Z 2016-03-18T13:06:44Z 2012 Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама / В.А. Шаповалов, В.В. Якуша, А.Н. Гниздыло, Ю.А. Никитенко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 3 (108). — С. 26-30. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96568 669.187.826 Рассмотрено влияние технологических параметров на условия формирования монокристаллов. Предложено использование крупных профилированных монокристаллов вольфрама в качестве исходных заготовок для широкоформатного проката. Показано преимущество технологической цепочки получения листового проката из монокристаллов вольфрама перед традиционной. The effect of technological parameters on conditions of formation of single crystals is considered. The use of large profiled tungsten single crystals as initial billets for wide-plate rolled metal is offered The advantage of technological operation of producing plate rolled metal of tungsten single crystals as compared with traditional operation is shown. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Плазменно-дуговая технология Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама Technological features of plasma- induction growing of large single crystals of tungsten Article published earlier |
| spellingShingle | Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама Шаповалов, В.А. Якуша, В.В. Гниздыло, А.Н. Никитенко, Ю.А. Плазменно-дуговая технология |
| title | Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама |
| title_alt | Technological features of plasma- induction growing of large single crystals of tungsten |
| title_full | Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама |
| title_fullStr | Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама |
| title_full_unstemmed | Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама |
| title_short | Технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама |
| title_sort | технологические особенности плазменно-индукционного выращивания крупных монокристаллов вольфрама |
| topic | Плазменно-дуговая технология |
| topic_facet | Плазменно-дуговая технология |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96568 |
| work_keys_str_mv | AT šapovalovva tehnologičeskieosobennostiplazmennoindukcionnogovyraŝivaniâkrupnyhmonokristallovvolʹframa AT âkušavv tehnologičeskieosobennostiplazmennoindukcionnogovyraŝivaniâkrupnyhmonokristallovvolʹframa AT gnizdyloan tehnologičeskieosobennostiplazmennoindukcionnogovyraŝivaniâkrupnyhmonokristallovvolʹframa AT nikitenkoûa tehnologičeskieosobennostiplazmennoindukcionnogovyraŝivaniâkrupnyhmonokristallovvolʹframa AT šapovalovva technologicalfeaturesofplasmainductiongrowingoflargesinglecrystalsoftungsten AT âkušavv technologicalfeaturesofplasmainductiongrowingoflargesinglecrystalsoftungsten AT gnizdyloan technologicalfeaturesofplasmainductiongrowingoflargesinglecrystalsoftungsten AT nikitenkoûa technologicalfeaturesofplasmainductiongrowingoflargesinglecrystalsoftungsten |