3 (67), 2012 140 / experimentally found that the effect of nanosecond electromagnetic pulses to melt the charge, while the car- bon thermal recovery of the tin ore, accelerates the forma- tion of the metallic phase. В. Г. КОМКОВ, Тихоокеанский государственный университет, В. В. ГОСТИщЕВ, Институт материаловедения ДВО РАН, хОСЕН РИ, Э. х. РИ, С. В. ДОРОФЕЕВ, Г. А. КНЯЗЕВ, Тихоокеанский государственный университет УДК 669 влияние наносекунДнЫх ЭлектромагнитнЫх имПульсов на Получение олова и свойства его сПлавов Воздействие наносекундных электромагнит- ных импульсов (НЭМИ) на вещества в различном агрегатном состоянии вызывает значительные из- менения их свойств. Влияние НЭМИ на металлы и сплавы является предметом исследования ряда работ, где показано, что физико-механические свойства металлов (плотность, твердость и др.) за- метно изменяются под влиянием излучения [1–4]. Специфическая особенность излучения – большая мощность и малая длительность импульса (0,5 нс), которая приводит к возникновению импульсных электромагнитных полей с напряженностью 108– 1010 В/м в некоторые моменты времени. При этом 80% энергии импульса поглощается средой (на- пример, расплавом металла). Под действием этих полей возможно целенаправленное изменение фи- зико-механических свойств металлов и сплавов. Наряду с этим значительный интерес представля- ет исследование влияния НЭМИ на высокотемпе- ратурное восстановление исходного сырья при по- лучении металла. В частности, целью настоящей работы является изучение влияния НЭМИ на па- раметры углетермического восстановления касси- терита в среде ионного расплава и свойства полу- чаемых сплавов. В качестве исходного сырья в экспериментах использовали касситеритовый концентрат, состав которого приведен в табл. 1. Т а б л и ц а 1. Минералогический состав касситеритово- го концентрата Содержание основных компонентов, мас.% SnO2 FeWО4 SiO2 PbS, CuS Na(Fe, Mg)4Al2 [Si6Al3B3O27OH3] (турмалин) 36 8 23 12 11 Источником энергии излучения служил гене- ратор НЭМИ типа GNP со следующими характе- ристиками: длительность импульса 0,5 нс, ампли- туда более 8 кВ, частота повторения импульсов 1000 Гц. Излучатель коаксиального типа выполнен в виде стальных стержней диаметром 4 мм, поме- щенных в кварцевую пробирку диаметром 6 мм. Длина стержней 300 мм. Восстановительную плавку касситеритового концентрата ведут согласно разработанному мето- ду в среде солевого расплава Na2CO3 – NaNO3 (1:0,3) [5]. Шихта для выплавки олова имеет сле- дующий состав: на одну массовую долю (м. д.) концентрата приходится 0,2 м. д. угля, 0,3 м. д. карбоната натрия, 0,1 м. д. нитрата натрия. Шихту плавят при 850–950 °С в течение 1–1,5 ч и в ре- зультате получают черновое олово, состав которо- го приведен в табл. 2. Восстановительную плавку в условиях облучения ведут, погружая электроды генератора НЭМИ в расплав. Продолжительность облучения меняют от 10 до 30 мин. Опыты пока- зывают, что облучение расплава в процессе вос- становительной плавки ускоряет формирование металлической фазы, максимум выхода которой достигается в течение 30–35 мин с момента рас- плавления шихты (рис. 1). Кроме того, экспери- ментально установлено, что черновое олово, полу- ченное при облучении расплава шихты НЭМИ, имеет элементный состав, отличный от исходного (табл. 2). При этом по мере роста продолжитель- ности облучения от 10 до 30 мин наблюдаются по- вышение содержания олова в черновом сплаве и некоторое снижение содержания примесных эле- ментов (табл. 2). Рентгенофазовый анализ чернового олова, по- лученного при облучении, показал, что олово со- 3 (67), 2012 / 141 держит интерметаллическую фазу FeSn2 (табл. 3). Это несколько усложняет условия дальнейшего передела чернового олова. Например, требует по- вышения температуры переплава до ∼ 500–600 °С. Продукт переплавки чернового олова использова- ли для получения оловянной бронзы (Cu + 6%Sn). Затем исследовали влияние продолжительности облучения расплава оловянной бронзы НЭМИ на физико-механические свойства сплава: плотность, твердость и теплопроводность. Зависимости этих величин от продолжительности облучения распла- ва приведены на рис. 2. Из рисунка следует, что теплопроводность брон- зы, облученной в жидком состоянии НЭМИ в те- чение 15 мин, возрастает в 2 раза, а твердость – в 1,24 раза; максимальная плотность (8,93 г/см3) также наблюдается при 15-минутной обработке жидкой бронзы. Для объяснения возможного механизма про- явления эффекта активации углетермического восстановления касситерита целесообразно рас- смотреть влияние НЭМИ на расплавы с позиции современных представлений о модели жидкого состояния вещества. Квазикристаллическая мо- дель – расплавы, в том числе ионные, как сочета- ние двух составляющих: кластеров (объектов с упо- рядоченным расположением частиц структуры ближнего порядка) и разделяющей кластеры раз- упорядоченной зоны с хаотичным расположени- ем частиц. Кластеры и бесструктурная зона тер- модинамически мало устойчивы и способны ло- кально перерождаться друг в друга [6]. Под воз- действием НЭМИ возможно возникновение в рас- плаве энергетических флуктуаций, изменение струк- туры ближнего порядка, уменьшение размеров кластеров, сокращение продолжительности их жизни. Уменьшение доли кластеров приводит к изменению свойств расплавов: снижению вязко- сти, поверхностного натяжения, повышению рас- творимости элементов в жидкой фазе. Изменение энергетического состояния расплава под воздей- ствием НЭМИ уменьшает поверхностную энер- гию на границе раздела фаз расплав – кристалл. Это обусловливает формирование дополнитель- ных центров кристаллизации и ускоряет образова- ние металлической фазы [7], что наблюдается Рис. 1. Зависимость выхода металла от времени плавки: 1 – без облучения, 2 – с облучением Т а б л и ц а 2. Элементный состав чернового олова Условия получения чернового олова Состав металлической фазы, мас.% Sn Pb Cu Fe Si Без облучения 92,5 0,20 0,52 2,97 1,12 Облучение НЭМИ в течение 10 мин 94,35 0,1 0,43 2,50 – Облучение НЭМИ в течение 30 мин 95,20 0,1 0,36 2,10 – Рис. 2. Зависимость физико-механических свойств бронзы от продолжительности облучения расплава НЭМИ Т а б л и ц а 3. Рентгенографические характеристики оло- ва, полученного при облучении Межплоскостное расстояние d1, Å Относительная интенсивность J/J0 Фазовый состав 2,8961 16,4 Sn 2,7744 100 Sn 2,6446 1,7 FeSn2 2,5471 4,2 FeSn2 2,294 1,6 FeSn2 2,0528 17,1 Sn 2,0082 71,6 Sn 1,6531 19,9 Sn 1,5107 1,6 FeSn2 1,4796 39,3 Sn 1,4538 4 Sn 1,4377 19,5 Sn 1,3278 0,6 FeSn2 1,3009 5 Sn 1,2894 10,8 Sn 1,202 27,7 Sn 1,181 0,7 FeSn2 1,0932 5,7 Sn 1,0418 1,9 Sn 1,0384 2,5 Sn 1,0237 2,2 Sn 3 (67), 2012 142 / в эксперименте по получению олова в ионном рас- плаве. Выводы Экспериментально установлено, что воздей- ствие наносекундных электромагнитных импуль- сов (НЭМИ) на расплав шихты в процессе угле- термического восстановления касситерита уско- ряет формирование металлической фазы. При этом по мере роста продолжительности облуче- ния, до 30 мин, содержание олова в черновом сплаве повышается до ∼95%. Выявлено влияние облучения расплава бронзы на ее плотность, твердость и теплопроводность. Показано, что воз- действие НЭМИ на расплав бронзы в течение 10– 15 мин повышает плотность сплава до 8,92 г/см3, твердость – в 1,24 раза, теплопроводность – в 2 раза. Литература 1. Б е л к и н В. С. Наносекундные электромагнитные импульсы и их применение. Челябинск: Татьяна Лурье, 2001. 2. З н а м е н с к и й Л. Г. Электроимпульсные нанотехнологии в литейных процессах. Челябинск: Изд-во ЦНТИ, 2003. 3. К р ы м с к и й В. В. // Доклады Российской академии наук. 2002. Т. 385. № 6. С. 786. 4. Р и Э. Х. // Металлургия машиностроения. 2006, № 4. С. 18. 5. Пат. 2333268 (РФ). Способ получения олова из касситеритового концентрата / В. В. Гостищев, Э. Х. Ри, С. В. Дорофеев, В. Г. Комков, Ри Хосен, 2008. 6. Л а д ь я н о в В. И. // Физика металлов и металловедение. 1972. Т. 34. Вып. 5. С. 1060. 7. Ф р е н к е л ь Я. И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, 1975.