№ 1 (2024)

Предложен и реализован способ экспериментального измерения эффективной проводимости ограниченного объема металлического расплава с примесью твердых хорошо проводящих частиц в зависимости от объемной доли примеси в диапазоне от нуля до семи процентов. Проведено сравнение с известными теоретическими зависимостями для эффективной проводимости. Показано, что ни одна из рассмотренных моделей не обеспечивает даже качественного согласия с экспериментом. На экспериментальной кривой можно выделить несколько участков с различными зависимостями проводимости от объемной доли примеси. Экспериментальные данные аппроксимированы аналитическими функциями, позволяющими использовать полученные результаты для численного моделирования МГД-процессов.

В условиях все более возрастающих требований к свойствам сталей одним из путей получения высококачественного продукта является микролегирование такими редкоземельными элементами, как церий, который способен даже при небольших концентрациях значительно влиять на механические свойства стали. Для снижения себестоимости выплавляемой стали рационально его вводить в сталь не за счет присадки ферросплавов, а методом прямого восстановления из оксидных систем. В целях исследования данного процесса проведено термодинамическое моделирование восстановления церия из шлаков системы CaO–SiO₂–Ce₂O₃, содержащих 15% Аl₂O₃ и 8% МgO, алюминием и карбидом кальция при температурах 1 550 и 1 650°С. Моделирование выполнено с использованием программного комплекса HSC 6.12 Chemistry (Outokumpu), основанного на минимизации энергии Гиббса, с применением метода симплексных решеток планирования. Результаты термодинамического моделирования представлены в виде диаграмм состав – свойство (равновесное содержание церия в металле) для температур 1 550 и 1 650°С. При применении металлического алюминия в качестве восстановителя повышение основности шлака (CaO/SiO₂) c 2 до 5 при температуре 1 550°С приводит к повышению равновесного содержания церия в металле от 2 до 20 ppm в области концентрации 0–15% Ce₂О₃, т.е., рост основности шлака благоприятно сказывается на развитии процесса восстановления церия. Рост температуры металла также оказывает положительное влияние на процесс восстановления церия алюминием. С повышением температуры до 1 650°С равновесное содержание церия в металле увеличивается от 4 до 30 ppm в области концентраций 0–15% Ce₂О₃. Применение в качестве восстановителя карбида кальция приводит к увеличению концентрации церия в металле до 30 и 40 ppm при температурах 1 550 и 1 650°С соответственно при основности 5. Подтверждена решающая роль основности шлака, концентрации оксида церия и температурного фактора в развитии процесса восстановления церия алюминием и карбидом кальция.

Расплавленные смеси хлоридов щелочных и поливалентных металлов нашли широкое применение при электролитическом рафинировании целого ряда металлов, например плутония. Выход по току в таких процессах зависит от многих факторов, среди которых наиболее значимыми являются коррозионная устойчивость изделий из керамических материалов, контактирующих с расплавами, а также растворимость очищаемого металла в расплавах, содержащих его хлорид. Так, при проведении рафинировочного электролиза для очистки жидкого церия в расплавленной эквимольной смеси хлоридов натрия и калия с начальной концентрацией трихлорида церия 3 мол. % удалось получить максимальный выход по току 63%. Было показано, что значительная часть потерь объясняется выделением щелочного металла и растворением металлического церия. Сведений о растворимости (поливалентного) металла в расплавленных солевых композициях, содержащих его хлорид, в литературе нет. Поэтому целью данной работы было определение растворимости металлического церия в расплаве (NaCl–KCl)–CeCl₃ при температуре электролиза 850°С. Была создана установка для определения растворимости церия с отбором проб солевого расплава без доступа окислителей. Этого достигали выливанием солевого расплава из стакана, где проходило насыщение расплава церием, во внешний стакан, не вскрывая прибор. Показано, что растворимость церия резко падает с уменьшением концентрации трихлорида церия и может быть аппроксимирована уравнением: N_Ce = 1.67∙10^–5∙x³ – 9.62∙10^–4∙x² + 4.50∙10^–2∙x, где N_Ce – концентрация растворенного церия в мол. %, а х – концентрация трихлорида церия в расплаве в мол. %.

В статье изложены результаты исследований экспериментального покрытия, полученного в процессе плазменного синтеза боридов вольфрама и восстановления металлического вольфрама из смеси, полученной на основе шеелитового концентрата и борной кислоты. Формирование покрытия проводись на подложке из Al₂O₃. В работе изложен поэтапный процесс образования на поверхности подложки боридов и восстановления металлического вольфрама с применением генератора электродуговой плазмы, входящего в конструкцию экспериментальной установки высокотемпературного синтеза. Покрытие на подложке состоит из восстановленного металлического вольфрама и его боридов, полученных в одну технологическую стадию в процессе конденсации из диспергированного парокапельного состояния. Для проведения серии экспериментов разработан прототип плазмотрона косвенного действия с генерацией потока электродуговой плазмы удельной мощностью g > 10⁴–10⁵ Вт/см². В процессе высокотемпературного воздействия плазменным потоком на сложные структуры минерального концентрата и входящий в его состав оксид вольфрама проходят деструктуризация и последующая возгонка смеси в виде парокапельной фазы. Синтез боридов вольфрама идет в процессе химических преобразований при удалении диспергированного материала из потока разогретой плазмы, а также образования зародышевых фаз и конденсации из парокапельной фазы на поверхности подложки. Процесс синтеза также сопровождается значительной возгонкой бора из соединений, что приводит к восстановлению металлического вольфрама. Полученный в ходе плазменного синтеза материал формирует систему W–B и структуры, физико-химические свойства которых зависят от состава смеси, плотности потока, давления и температуры плазмы. Изложены результаты химического анализа частиц, формирующих на поверхности подложки из Al₂O₃ покрытие W–B в виде твердого раствора дендритов. В ходе рентгеноспектрального микроанализа определен фазовый состав проб покрытия, выявлено наличие боридов вольфрама W₂B₅, WB₂, W₂B, WB и металлический вольфрам. Результаты научно-исследовательской работы по получению покрытий или пленок на основе системы W–B с применением минерального многокомпонетного сырья могут быть полезны в различных наукоемких отраслях, гидрометаллургической или химической промышленности.

В работе рассматривается возможность нанесения покрытия Al–Zr–V–Nb в виде порошка с фракцией 0.063 мм и влажностью 0.33%, измеренной с использованием прибора AND MX-50, на подложку из стали 08Х18Н10. Наплавление проводилось при использовании лазерного комплекса в составе источника лазерного излучения ЛС-5 и робота KUKA KR-60 hа в защитной атмосфере аргона. Продувку газом осуществляли перед процессом наплавления 0.3 с и после 1 с. Для надежного скрепления порошка-покрытия (Al–Zr–V–Nb) с поверхностью материала-основы (сталь 08Х18Н10) перед наплавлением на сталь была нанесена смесь порошка с поливиниловым спиртом. Согласно данным, полученным на сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss EVO 40, оптимальный режим наплавления порошка Al–Zr–V–Nb на материал основы соответствует мощности в 250 Вт при скорости обработки 0.5 м/с и толщине покрытия 0.6 мм. При более низкой мощности 230 Вт покрытие не может качественно расплавиться, и в связи с этим, происходит недостаточное проплавление металла основы металлом покрытия (адгезия), вследствие чего наблюдается частичное отслоение. Если же увеличить мощность до в 270 Вт, то металл основы и подложки так же отлично взаимодействуют друг с другом и создают прочный монослой покрытия, как и при оптимальном режиме, но при охлаждении, из-за значительной разницы в скоростях охлаждения (пластинка стали 08Х18Н10 не успевает охлаждаться со скоростью материала покрытия), происходит растрескивание и появление микротрещин. Таким образом, возникает необходимость дальнейшего увеличения числа проходов или же дополнительного оплавления для создания надежного покрытия с отсутствием несплошностей и островков. При этом замеры микротвердости по Виккерсу (HV) при наплавке покрытия Al–Zr–V–Nb показали повышение значений более чем в два раза по сравнению с материалом-основой, что является достаточным основанием для использования порошка Al–Zr–V–Nb в качестве упрочняющего покрытия для стали 08Х18Н10.