Анотація до роботи:

Ахонин С.В. Процеси рафінування у вакуумі та оптимізація режимів електронно-променевої плавки високореакційних та тугоплавких металів. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.07 - Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів. - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2002 р.

Дисертація присвячена визначенню кінетичних закономірностей видалення домішок і випаровування легуючих елементів під час ЕПП високореакційних і тугоплавких металів і розробці на цій основі оптимізованих режимів плавки. Отримано кінетичні рівняння десорбції водню, азоту, кисню і вуглецю з рідких металів у вакуумі, які описують процеси видалення газів з мінливою під час рафінування ланкою, що лімітує швидкість реакції. Встановлено залежність швидкості розчинення включень нітриду титану в рідкому титані від їхніх розмірів, вмісту азоту і температури розплаву в умовах ЕПП. Побудовано математичні моделі процесів видалення газів з тугоплавких металів, а також десорбції водню й алюмінію з титану і його сплавів під час ЕПП, які визначають концентрацію домішкових і легуючих елементів в злитках в залежності від технологічних режимів плавки. Визначено чисельні значення кінетичних констант десорбції азоту з розплавів тугоплавких металів, а також водню й алюмінію з розплаву титану. Розроблено оптимізовані технологічні режими ЕПП тугоплавких металів, титану і сплавів на його основі, які забезпечують при одержанні високоякісних злитків високу економічну ефективність процесу ЕПП.

1. Аналіз застосування технології електронно-променевої плавки для виробництва злитків тугоплавких металів, титану і сплавів на його основі показав, що, поряд із якісними показниками, велике значення має зниження собівартості технології ЕПП. Це завдання може бути вирішено шляхом оптимізації технології ЕПП, що потребує вивчення кінетичних закономірностей процесів дегазації і випаровування металів у вакуумі в умовах нагрівання поверхні розплаву електронним променем.

2. Методи математичного моделювання дозволяють ефективно здійснювати оптимізацію технологічного процесу ЕПП. Розробляти математичні моделі процесів рафінування під час ЕПП необхідно при одночасному врахуванні масопереносу домішок і легуючих елементів в розплаві і газовій фазі, а також фізико-хімічних реакцій і температурних умов на поверхні розплаву.

3. Отримано кінетичні рівняння десорбції водню, азоту, кисню і вуглецю з рідких металів у вакуумі, а також випаровування легуючих елементів з розплавів сплавів без припущень щодо ідеальності розчину. Показано високу збіжність отриманих розрахункових кінетичних залежностей з експериментальними даними. Встановлено, що побудовані кінетичні рівняння дозволяють описувати процеси видалення газів з мінливою під час рафінування ланкою, що лімітує швидкість реакції, а також процеси, які протікають в проміжній області реакції.

4. Побудовано математичну модель процесу розчинення неметалевих включень титану, які містять азот (тверді частки a-титану, насиченого азотом, або нітрид титану), в рідкому титані в умовах ЕПП. Встановлено залежності часу повного розчинення таких включень від їхніх розмірів, вмісту азоту і часу перебування включення в розплаві. Показано, що включення a-титану, що містять азот, розчиняються в 1,6...1,7 разу швидше, ніж включення нітриду титану, а залежність часу існування включення в розплаві від його розмірів має практично лінійний характер.

5. Встановлено закономірності процесів видалення азоту, кисню і вуглецю з тугоплавких металів під час ЕПП, а також десорбції водню з титану під час ЕПП з проміжною ємністю, і визначено залежності ефективності рафінування і виходу придатного металу від технологічних режимів і параметрів плавки.

6. Створено математичну модель процесу випаровування легуючих елементів з високою пружністю пару (наприклад, алюмінію) з титанових сплавів під час ЕПП, що одночасно враховує масоперенос в розплаві і фізико-хімічні реакції випаровування з поверхні розплаву і визначає концентрацію легуючих елементів в злитках в залежності від технологічних режимів і параметрів плавки. Показано, що відповідно до критерію Фішера, побудована математична модель адекватна процесам, що описуються.

7. Для досліджуваних діапазонів технологічних параметрів ЕПП експериментально визначено чисельні значення коефіцієнтів масопереносу: азоту в рідкому танталі - 2.49Ч10^-4 м/с, водню в рідкому титані - 3.110^-3 м/с і алюмінію в рідкому титані - 1.110^-4 м/с. Встановлено, що в умовах електронно-променевого нагрівання для розплавів тугоплавких металів константи швидкості хімічної реакції молізації азоту на міжфазній поверхні складають (1.1...1.2) 10⁴ м/(%Чс), а водню на поверхні рідкого титану - 0.60 м/(%с).

8. Розроблено оптимізовані високоефективні технології багаторазового переплаву тугоплавких металів з використанням електронно-променевих установок з радіальним нагріванням і вертикальною подачею заготовок при питомій потужності нагрівання розплаву в кристалізаторі 10...18 МВт/м² і лінійними швидкостями витягування злитка (1.0...2.4) 10^-4Чм/с, які забезпечують одержання високоякісних злитків при максимальних техніко-економічних показниках. Для танталу оптимізована технологія ЕПП підвищує вихід придатного металу на 3.7% (абс.), збільшує продуктивність електронно-променевих установок на 17%, а також зменшує питомі витрати електроенергії на 23%.

9. Експериментально встановлено, що технологія ЕПП губчатого титану марок ТГ-90...ТГ-130 за рахунок проведення плавок при тиску залишкових газів в камері плавки 0.01…0.1 Па забезпечує одержання злитків титану і його сплавів, які за вмістом домішок відповідають вимогам стандартів.

10. Розроблено методику вибору технологічних режимів ЕПП сплавів на основі титану для використання у промислових цілях, яка визначає лінійну швидкість витягування злитка (1.4...2.0)10^-4 м/с, питому потужність електронно-променевого нагрівання розплаву в кристалізаторі - 0.8...1.0 МВт/м² і питому потужність електронно-променевого нагрівання розплаву в проміжній ємності - 1.3...1.6 МВт/м² і забезпечує одержання високоякісних злитків, що відповідають вимогам стандартів по хімічному складу. Механічні властивості титанових поковок, листа і труб, виготовлених з металу ЕПП, цілком відповідають вимогам стандартів.

11. Вирішено важливе народногосподарське завдання виробництва на підприємствах України методом електронно-променевої плавки конкурентноспроможних якісних злитків високореакційних і тугоплавких металів з високими техніко-економічними показниками.

Публікації автора:

1. Zhadkevich M.L., Akhonin S.V., Boronenkov V.N. Mathematical Simulation of the Refining Processes in Special Electrometallurgy -Amsterdam: Harwood academic publishers, Welding and Surfacing Rev., 1996, Vol.6, Part 2. -137p.

2. Электронно-лучевая плавка / Б.Е. Патон, Н.П. Тригуб, Д.А. Козлитин, С.В. Ахонин, А.Я. Дереча, П.А. Пап -Киев: Наукова думка, 1997. -265с.

3. Тихоновский А.Л., Ахонин С.В., Никифоров М.С. Кинетическое уравнение процесса десорбции кислорода и углерода из жидкого металла // Физико-химические основы металлург. процессов. Ч.2. -М.: Черметинформация, 1991. -С. 26 - 29.

4. Тихоновский А.Л., Ахонин С.В. К вопросу о смене лимитирующего звена реакции дегазации жидкого металла в процессе рафинирования // Физико-химические основы металлург. процессов. Ч.2. -М.: Черметинформация, 1991. -С. 16 - 18.

5. Ахонин С.В., Тихоновский А.Л., Никифоров М.С. Кинетика процесса десорбции кислорода и углерода из жидкого металла // Пробл. спец. электрометаллургии. -1991. -№4, -С. 40 - 44.

6. Тихоновский А.Л., Ахонин С.В. Расчетный метод обеспечения заданного состава сплавов при ЭЛП. Физико-химические основы металлург. процессов. Ч.2. -М.: Черметинформация, 1991. -С. 16 - 18.

7. Тихоновский А.Л., Ахонин С.В. Смена лимитирующего звена реакции деазотации жидкого металла в процессе рафинирования // Пробл. спец. электрометаллургии. -1992. -№1. -С. 68 - 71.

8. Электронно-лучевая установка УЭ-208 / А.Л. Тихоновский, А.А. Тур, А.Н. Кравец, П.В. Потапенко, С.В. Ахонин, А.В. Туник // Пробл. спец. электрометаллургии. -1992. -№1. -С. 71 - 74.

9. Ахонин С.В., Тихоновский А.Л. Кинетика процессов массообмена в системе реальный раствор - паровая фаза // Пробл. спец. электрометаллургии. -1992. -№2. -С. 61 - 64.

10. Ахонин С.В., Тихоновский А.Л. Математическое описание процесса десорбции кислорода и углерода при ЭЛП расходуемой заготовки // Пробл. спец. электрометаллургии. -1992. -№3. -С. 58 - 62.

11. Ахонин С.В., Тихоновский А.Л., Перевезенцев Б.Ф., Фёдоров А.Л. Межфазное взаимодействие расплава медь - цинк с парами цинка // Пробл. спец. электрометаллургии. -1992. -№4. -С. 57 - 65.

12. Тихоновский А.Л., Ахонин С.В., Тур А.А., Туник А.В. Электронно-лучевой переплав титановой губки - новый способ получения титановых слитков и слябов // Пробл. спец. электрометаллургии. -1993. -№1. -С. 66 - 70.

13. Ахонин С.В. К вопросу создания системы автоматического регулирования процесса ЭЛП тугоплавких металлов // Пробл. спец. электрометаллургии. -1994. -№1-2. -С. 49 - 52.

14. Electron beam technology in the automotive industry / B.E. Paton, N.P. Trigub, S.V. Akhonin, P.А. Pap, А.N. Kalinuk // Automotive manufacturing International, 94. -London: Sterling Publications Limited, 1994. -P. 135 - 137.

15. Тригуб Н.П., Ахонин С.В., Дереча А.Я. Электронно-лучевая плавка - технология получения металлов и сплавов особо высокого качества // Пробл. спец. электрометаллургии. -1994. -№3-4. -С. 33 - 41.

16. Ахонин С.В., Тригуб Н.П., Калинюк А.Н., Цвелодуб С.В. Математическое моделирование процессов рафинирования металлов от газов при электронно-лучевом переплаве с промежуточной емкостью // Пробл. спец. электрометаллургии. -1995. -№2. -С. 36 - 42.

17. Бороненков В.Н., Жадкевич М.Л., Саламатов А.М., Ахонин С.В. Математическая модель расчета состава металла при электронно-лучевом переплаве жаропрочных сплавов на основе никеля // Пробл. спец. электрометаллургии. -1995. -№2. -С. 24 - 35.

18. Бороненков В.Н., Жадкевич М.Л., Саламатов А.М., Ахонин С.В. Исследование влияния режимов тепловой обработки металлических расплавов при электронно-лучевой технологии на свойства и состав сплавов // Пробл. спец. электрометаллургии. -1995. -№3. -С. 37 - 49.

19. Ахонин С.В., Жадкевич М.Л. К вопросу о механизме удаления азота из ниобия в процессе электронно-лучевой плавки // Доповіді НАНУ. -1995. -№10. -С. 68 - 70.

20. Утилизация отходов благородных металлов методом электронно-лучевой плавки / Н.П. Тригуб, С.В. Ахонин, А.Я. Дереча, Г.В. Плющ, Л.А. Синчук, О.А. Медведева // Пробл. спец. электрометаллургии. -1995. -№4. -С.48 - 50.

21. Ахонин С.В., Жадкевич М.Л. Электронно-лучевая плавка тугоплавких металлов как объект автоматического регулирования // Труди Другої українськ. конфер. з автоматичного керування (Автоматика-95). -Львів 26-30 вересня 1995. Т.5. –Львів: НВЦ “ІТІС”, 1995. -С. 29 - 30.

22. Некоторые тенденции развития металлургического передела титана / Б.Е. Патон, Н.П. Тригуб, С.В. Ахонин, А.Я. Дереча, А.Н. Калинюк // Пробл. спец. электрометаллургии. -1996. -№1. -С. 25 - 31.

23. Тригуб Н.П., Ахонин С.В. Оптимизация выплавки слитков сталей и сплавов в электронно-лучевой установке с промежуточной емкостью // Пробл. спец. электрометаллургии. -1996. -№2. -С. 12 - 17.

24. Ахонин С.В., Мовчан Б.А. Некоторые закономерности электронно-лучевого испарения металлов из “горячего источника” // Пробл. спец. электрометаллургии. -1996. -№2. -С.17 - 25.

25. Ахонин С.В., Мовчан Б.А. Математическое моделирование процессов электронно-лучевого испарения многокомпонентного сплава на основе никеля из расплава ниобия // Пробл. спец. электрометаллургии. -1996. -№3. -С. 20 - 24.

26. Ахонин С.В., Жадкевич М.Л. Кинетика процесса десорбции кислорода и углерода из расплава тугоплавких металлов // Известия РАН. Металлы. -1997. -№5. -С.17 - 19.

27. Испарение алюминия из сплавов на основе титана в процессе электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью / И.Ю. Варич, С.В. Ахонин, Н.П. Тригуб, А.Н. Калинюк // Пробл. спец. электрометаллургии. -1997. -№4. -С. 15 - 21.

28. Тригуб Н.П., Ахонин С.В. Рынок титана: текущее состояние и перспективы // Пробл. спец. электрометаллургии. -1998. -№4. -С.74 - 77.

29. Ахонин С.В., Варич И.Ю. Электронно-лучевая плавка с промежуточной ёмкостью сплавов системы железо – хром - алюминий // Пробл. спец. электрометаллургии. -1999. -№2. -С. 51 - 53.

30. Paton B.E., Trigub N.P., Akhonin S.V. Electron beam melting of titanium // Proc. of the Ninth World Conf. on Titanium, Saint-Petersburg, Russia, 7-11 June 1999. - Saint Petersburg: CRISN “Prometey”. -1999. -P. 1372 - 1384.

31. Ахонин С.В. Анализ температурного состояния поверхности слитка при ЭЛП титановых сплавов // Збірник наук. праць ДГМА «Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні». -Краматорськ: ДГМА. -2000. -С. 195 - 198.

32. Ахонин С.В., Жадкевич М.Л. Математическое моделирование процессов теплопереноса при электронно-лучевом переплаве // Збірник наук. праць ДГМА «Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні». -Краматорськ: ДГМА. -2000. -С. 190 - 194.

33. Ахонин С.В. Расчет температуры расплава при электронно-лучевой плавке титановых сплавов // Процессы литья. -2000. -№4. -С. 78 - 82.

34. Развитие технологии электронно-лучевой плавки титана / Б.Е. Патон, Н.П. Тригуб, С.В. Ахонин, В.Н. Замков, О.М. Ивасишин // Пробл. спец. электрометаллургии. -2000. -№2. -С. 34 - 40.

35. Ахонин С.В. Эффективность рафинирования и потери на испарение при электронно-лучевой плавке тантала // Пробл. спец. электрометаллургии. -2000. -№3. -С.33 - 37.

36. Ахонин С.В., Ахонин В.И. Влияние технологических параметров электронно-лучевой плавки на содержание алюминия в слитках титановых сплавов // Наук. праці ДонДТУ. Металургія. Випуск 18. -Донецьк: ДонДТУ. -2000. -С. 48 -52.

37. Ахонин С.В. Математическое моделирование процесса растворения включений TiN в расплаве титана при ЭЛП // Пробл. спец. электрометаллургии. -2001. -№1. -С.20 - 24.

38. Zamkov V.N., Akhonin S.V. New methods for welding titanium and manufacture of unique large-sized titanium semi-finished products // The Paton Welding Journal. -2001. -№9. -С. 33 - 39.

39. Калинюк А.Н. Козловец О.Н., Ахонин С.В. Производство полуфабрикатов из титановых сплавов, полученных методом электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью // Пробл. спец. электрометаллургии. -2002. -№2. -С. 25 - 28.

40. Ахонин С.В. Процессы рафинирования титана при электронно-лучевой плавке с промежуточной емкостью // Специальная металлургия: вчера, сегодня, завтра: Материалы Межд. научно-техн. конф. (8-9 октября 2002г., г. Киев). -Киев: ІВЦ “Видавництво «Політехніка»”, 2002. -С. 239 - 243.

41. Жадкевич М.Л., Ахонин С.В. Математическое моделирование рафинирования металлов технологией электронно-лучевой плавки // Специальная металлургия: вчера, сегодня, завтра: Материалы Межд. научно-техн. конф. (8-9 октября 2002г., г. Киев). -Киев: ІВЦ “Видавництво «Політехніка»”, 2002. -С. 279 - 283.

42. Патент України 18896А С22В9/22 Спосіб електронно-променевої плавки титанової губки. Ахонін С.В., Дереча О.Я., Прозоровський А.І. (Україна) -№93005469, Зареєстровано 22.07.1993 р. Опубл. Бюл. №6 від 25.12.97.

43. Патент України 17544А, В22Д 23/00. Спосіб одержання зливків з відходів титану в електронно-променевій печі з проміжною ємністю. М.П. Тригуб, 0.Я. Дереча, С.В. Ахонін та ін. (Україна) -№94020544, Зареєстровано 16.07.92 р.; Опубл. Бюл. №5 від 31.10.97.

44. Патент України 14828А, С21С 5/56, С22Б 9/04, Установка електронно-променевого рафінування та розливки метаталу у вакуумі. М.Л. Жадкевич, М.П. Тригуб, С.В. Ахонін, 0.Я.Дереча (Україна) -№94117620, Зареєстровано 18.02.97 р. Опубл. Бюл. №3 від 30.06.97р.

Особистий внесок у роботах, опублікованих в співавторстві:

[1, 2] - розроблено математичні моделі процесів рафінування під час ЕПП, проведено обробку результатів експериментальних плавок і визначено чисельні значення кінетичних констант, розроблено методику і проведено оптимізацію технологічних процесів ЕПП; [3 - 7, 9, 11, 19, 20, 24 - 26] - отримано кінетичні рівняння процесів рафінування рідкого металу від домішок і газів; [2, 8, 44] - запропоновано нові технічні рішення щодо електронно-променевих установок; [10, 16, 17, 21, 23, 27, 29, 36] - розроблено математичні моделі процесів рафінування під час ЕПП, проведено обробку результатів експериментальних плавок і визначено чисельні значення кінетичних констант; [12, 14, 22, 30, 34, 38, 39, 42, 43] -вивчено вплив складу початкової шихти і технологічних параметрів ЕПП на якість злитків титану і його сплавів, запропоновано оптимальні схеми і режими плавки; [15, 41] - вивчено вплив технологічних параметрів ЕПП на якість злитків тугоплавких металів, запропоновані оптимальні схеми і режими плавки; [18, 32] - вивчено теплові умови на поверхні рідкого металу під час ЕПП і їх вплив на процеси рафінування; [28] - виконано аналіз перспектив розвитку титанової індустрії.