Ученый. Металлург. Человек.

(Светлой памяти и 95-летию со дня рождения первого главного редактора журнала «Расплавы», академика РАН Н.А. Ватолина посвящается…)

 О.В. Поспелова

ведущий документовед научного архива ИМЕТ УрО РАН

     В ноябре прошлого года научная общественность отметила юбилей академика РАН, доктора технических наук, профессора, одного из крупнейших ученых-металлургов России, известного и выдающегося специалиста в области физической химии металлургических процессов, изучения строения, структуры и свойств жидких металлических и оксидных систем, металлургических расплавов, комплексного использования неорганического сырья – Николая Анатольевича Ватолина, которому 13 ноября 2021 г. исполнилось 95 лет со дня рождения.

     Открывая страницы профессиональной биографии академика РАН Н.А. Ватолина, можно четко и с уверенностью сказать, что он был ученым яркой, наполненной и счастливой научной судьбы. Он родился 13 ноября 1926 г. в г. Свердловске в семье инженеров-строителей Уральского завода тяжелого машиностроения. Несмотря на то, что в детские годы пережил смерть отца, подростком и юношей перенес всю тяжесть военных и послевоенных лет, Н.А. Ватолин смог пройти путь от обычного уралмашевского мальчишки до академика и крупного ученого мирового научного уровня. В 1949 г. после окончания металлургического факультета Уральского политехнического института им. С.М. Кирова он по распределению направляется на Уралмашзавод и начинает работать инженером-исследователем Центральной заводской лаборатории. Стремление к науке подвигло будущего академика еще во время работы на заводе к сдаче вступительных экзаменов в аспирантуру Уральского филиала Академии наук СССР. С честью и успешно выдержав экзамены, добившись через суд увольнения с завода, молодой аспирант Н.А. Ватолин в 1950 г. приходит в Институт химии и металлургии УФАН СССР (в настоящее время – Институт металлургии УрО РАН), с которым неразрывно до последних дней свяжет свою долгую трудовую жизнь и пройдет все ступени научного роста.

     В 1954 г. Н.А. Ватолин защищает диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук под руководством профессора О.А. Есина – создателя уральской научной физико-химической школы. Олег Алексеевич Есин был не только учителем и другом Н.А. Ватолина, но и главным человеком в его творческой судьбе, Проникшись еще с аспирантских лет идеями своего учителя и наставника, Н.А. Ватолин выбрал предметом своих научных предпочтений изучение структуры, строения и физико-химических свойств металлургических расплавов при высоких температурах, развитие теории металлургических процессов. После защиты диссертации Н.А. Ватолин работал в должностях старшего лаборанта и младшего научного сотрудника Института металлургии УФАН СССР, в период с 1956 по 1961 год занимал должность ученого секретаря, с 1961 по 1963 год – старшего научного сотрудника лаборатории физической химии металлургических расплавов. На протяжении более тридцати лет, с 1963 по 1998 год Н.А. Ватолин являлся заведующим лабораторией фазового состава – одного из ведущих научных подразделений Института металлургии УрО РАН, проводившего изучение фазовых составляющих исходного сырья и продуктов черной и цветной металлургии, участвовавшего в изучении структуры и свойств жидких металлических и шлаковых расплавов, оксидных систем. В 1967 г. Н.А. Ватолин защищает диссертацию на соискание ученой степени доктора технических наук, в 1969 г. утверждается в ученом звании профессора, в 1970 г. избирается членом-корреспондентом АН СССР, а в 1981 г. становится действительным членом.

     Академик РАН Н.А. Ватолин, являясь на протяжении тридцати лет – с 1967 по 1998 год бессменным директором Института металлургии УрО РАН, внес огромный и неоценимый вклад в его становление и развитие, как одного из ведущих и передовых академических учреждений России. В этот период была сформирована научная тематика лабораторий, проведен широкий круг актуальных исследований фундаментального и прикладного характера, организована систематическая подготовка молодых научных кадров, приобретено новое оборудование и построено современное здание Института, в строительство и запуск которого академик Н.А. Ватолин вложил большое количество энергии, сил и частицу своей души. Среди личных выдающихся заслуг академика РАН Н.А. Ватолина на посту директора является создание на базе Института металлургии УрО РАН отечественной научной школы «Экспериментальные и теоретические исследования структуры и физико-химических свойств металлических и оксидных расплавов», пользующейся признанием отечественного и зарубежного научных сообществ, а также организация в 1974 г. конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (МиШР), руководителем и идейным вдохновителем которой он был на протяжении более сорока лет. Долгие годы академик Н.А. Ватолин был председателем Диссертационного совета при Институте металлургии УрО РАН, руководил работой Ученого совета.

     Большое место в его жизни занимала научно-организационная работа и общественная деятельность. В течение многих лет академик Н.А. Ватолин являлся председателем Научного совета РАН по физико-химическим основам металлургических процессов, председателем Объединенного ученого совета по металлургии, неорганической и физической химии УрО РАН, в период с 1983 по 1988 год занимал пост первого заместителя председателя УНЦ и УрО АН СССР. В 1987 г. организовал издание академического журнала «Расплавы» и являлся его бессменным главным редактором, а также членом редколлегии журнала «Металлы». Был прекрасным лектором и педагогом, являясь, около сорока лет, профессором Уральского государственного горного университета.

       Академик РАН Н.А. Ватолин оставил огромное научное наследие – является автором и соавтором около 800 научных трудов, среди которых 23 монографии и более 100 авторских свидетельств и патентов. Результаты его научных исследований публиковались в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, научные работы получали широкое международное признание, что подтверждалось высоким индексом цитирования. Его научные идеи получали дальнейшее развитие в работах его многочисленных учеников – под руководством академика Н.А. Ватолина выполнено и защищено 29 кандидатских и 14 докторских диссертаций. За большой вклад в развитие отечественной и мировой металлургической науки, обширную научную и научно-организационную деятельность академик РАН Н.А. Ватолин удостоен многочисленных наград и почетных званий – является лауреатом Государственной премии СССР (1982), двух Государственных премий РФ (1991,2000), премии Правительства РФ (1998), научной Демидовской премии (1997), премии им. И.П. Бардина (2007), награжден орденами Трудового Красного Знамени (1975), Ленина (1986), Почета (1997), В.И. Вернадского (2016), золотой медалью им. Н.С. Курнакова РАН (1995), золотой медалью им. С.В. Вонсовского УрО РАН (2005), носит почетное звание члена Американского металлургического общества и заслуженного Соросовского профессора.

       Несмотря на то, что академическая наука понесла большую утрату и невосполнимую потерю в связи с уходом из жизни академика РАН Н.А. Ватолина Институт металлургии УрО РАН, в стенах которого прошла его творческая жизнь, сохраняет благодарную память о своем выдающемся ученом и талантливом руководителе. Накануне 95-летия со дня рождения Николая Анатольевича 12 ноября 2021 г. в Институте прошли торжественные мероприятия по случаю юбилея ученого и состоялось открытие первых экспозиций музея академика Н.А. Ватолина. 

      Горячо любимой металлургической науке, подготовке и воспитанию высококвалифицированных научных кадров посвятил большую часть своей сознательной жизни академик Н.А. Ватолин. Красной нитью через всю жизнь этого ученого проходил неустанный, каждодневный самоотверженный труд и исключительная добросовестность в работе, неподдельный интерес к науке, пытливость, жажда научного знания, поиска и творческих открытий. Неиссякаемая работоспособность, внутренняя организованность, непреклонность и настойчивость в достижении целей явились залогом его научных побед и высот. Н.А. Ватолин старался прожить жизнь насыщенно и полно, был всесторонне развитым и увлеченным человеком. Он не любил отдыхать в привычном смысле этого слова. Для него отдыхом была смена видов деятельности. Любил пешие и лыжные прогулки, участвовал в туристических походах и увлекался сплавами по рекам России (особенно любил Южный Урал и Башкирию), читал произведения русской классической литературы. Сколько бы ни было сказано слов об этом выдающемся ученом и удивительном человеке, перед глазами всех тех, кто его знал, имел честь быть его другом, коллегой, учеником всегда будет стоять образ человека высокой культуры и профессионализма, природного ума и блестящей эрудиции, невероятной силы духа, стремления и воли, отличавшегося доброжелательностью, скромностью, честностью и порядочностью, чуткостью и отзывчивостью, а главное, редчайшей ныне подлинной интеллигентностью. Именно таким академик РАН Н.А. Ватолин останется и должен остаться в памяти навсегда…

С О Д Е Р Ж А Н И Е 

А. В. Кайбичев, И. А. Кайбичев. 

АННОТАЦИЯ

Электрическое поле, воздействуя на поверхность расплава, способствовало образованию ионов разной атомности. Атомность ионов определена по изменению веса расплава Fe-Al в опыте при отрицательной и положительной полярности. Учтено влияние температуры, прошедшего количества электричества, полярности и межэлектродного напряжения. Атомность ионов переносимого элемента рассчитана по массе одноатомного. Она определена по необходимому для его переноса количеству электричества и соответствующей доли ионов. Необходимое количество электричества представляло часть прошедшего. Оно рассчитано по отношению произведения доли ионов в электричестве и атомного веса элемента к сумме их значений всех участников переноса. Сумма произведений масс одноатомных ионов на определяемое число атомов в многоатомных ионах соответствовала переносу массы в опыте. Полученные линейные уравнения позволили определить число атомов и массу ионов. Их изменение прослежено в периоды проведения опыта при различных полярностях расплава. При отрицательной полярности элементы удалялись из расплава, при положительной – с поверхности молибденового электрода. Атомность и масса ионов при удалении элементов из расплава в период проведения опыта понижались. В начале удалялись ионы Al₇⁺, Fe₃⁺, FeAl⁺, в конце Al⁺, Fe⁺. Перенос элементов в расплав связан с образованием MoAl₃ и отсутствием стабильности в составе поверхностного слоя молибденового электрода. В начале переносились ионы Al₃⁺, Fe₅⁺, FeAl⁺ и MoAl₃⁺. В остальное время переносились ионы без MoAl₃ с меньшим различием в атомности. Стабильность состава поверхностного слоя повышалась. Расхождение рассчитанных масс ионов переносимых элементов в гелии при отрицательной и положительной полярности и полученных в опыте было меньше процента.

 КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

 количество электричества, напряжение, скорость, электрон, ион, атомность, масса.

DOI: 10.31857/S0235010622020037

Н. И. Сидоров, С. Х. Эстемирова, Э. Д. Курбанова, В. А. Полухин. 

АННОТАЦИЯ

Проведен анализ кинетических характеристик – диффузии D и проницаемости Ф водорода в мембранных сплавах, созданных на основе бинарных сплавов Fe-Ni, Nb-Ni, V-Ni. Были изучены различные структурные модификации мембранных сплавов – аморфная, нанокристаллическая и дуплексная, определена эффективность процессов селективности в каждой из этих модификаций. Выявлено влияние термодинамических параметров – температуры и давления на проницаемость, диффузию водорода и его поток (J_H ~ D•Ф) в указанных сплавах. Проведен анализ результатов расчетов и экспериментальных измерений для гидрированных и легированных титаном мембранных сплавов на основе бинарных композиций Nb₈₅Ni₁₅ и V₈₅Ni₁₅ как альтернативных по отношению к известным на основе Pd_1-xAg_x. Установлено, что интенсивное образование гидридов в этих альтернативных мембранных сплавах столь же нежелательно, как и для традиционных сплавов на основе Pd. Легированные титаном кристаллические сплавы Nb-Ti-Ni и V-Ti-Ni представляют собой комбинацию твердых растворов: первичной фазы с ОЦК-структурой [Nb(V), Ti] и эвтектической фазы {ОЦК – [Nb(V), Ti) + B2 – TiNi}. При этом эвтектическая фаза, как часть дуплексной матричной структуры, предотвращает водородную хрупкость сплавов Nb-Ti-Ni и V- Ti-Ni.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

мембранные сплавы, аморфная структура, межатомные связи, кластеры, гидрирование, стеклование, сорбция, диффузия, проницаемость, интерметаллиды, гидриды, водородная энергетика, молекулярная динамика.

DOI: 10.31857/S0235010622020086

Э. А. Карфидов, Б. А. Русанов, В. Е. Сидоров, Е. В. Никитина, Д. Яничкович, П. Швец Ст. 

АННОТАЦИЯ

Аморфные и нано-кристаллические сплавы на основе алюминия с переходными и редкоземельными металлами обладают повышенными механическими характеристиками и высокой химической устойчивостью. В работе изучено влияние соотношения компонентов материала на коррозионно-электрохимическое поведение аморфных сплавов состава алюминий-никель-кобальт-неодим, полученных методом спиннингования из металлических расплавов. По данным гравиметрического и химического анализа установлено, что сплав Al₈₆Ni₄Co₄Nd₆ демонстрирует большую коррозионную стойкость в исследуемых условиях, чем Al₈₆Ni₆Co₂Nd₆ (скорость коррозии 0.635 и 2.1 мг/м²·ч, соответственно). С увеличением концентрации никеля в составе исходного сплава потенциал коррозии сдвигается в электроотрицательную область. Исследуемые сплавы обладают широкой областью пассивации за счет формирования на поверхности устойчивого слоя оксида алюминия, что обуславливает их стойкость в исследуемых условиях. Они могут рассматриваться как перспективные составы для изготовления защитных покрытий на основе алюминия.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

кристаллизация, коррозия, алюминиевые сплавы, аморфные сплавы

DOI: 10.31857/S0235010622010054

И. Ж. Саттыбаев, В. Г. Постовалов, В. П. Кондратьев. 

АННОТАЦИЯ

Систематические экспериментальные данные о плотности и объемных свойствах бинарных расплавов крайне немногочисленны, хотя необходимы для точного измерения теплофизических свойств расплавов и оптимизации производственных процессов в металлургии. В работе изложена оригинальная методика расчета плотности и объемных свойств бинарных расплавов. В случае системы алюминий-медь она использована для вывода эмпирических уравнений, позволяющих достаточно точно рассчитать плотность, молярный и избыточный объемы расплавов, содержащих от 0 до 100% меди, в интервале температур от ликвидуса до 1730-1900 К. Адекватность результатов расчета плотности и объемных свойств показана путем сравнения их с экспериментальными данными. Кроме того, они вполне соответствуют данным об избыточной энергии Гиббса и диаграмме состояния системы алюминий-медь.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

расплавы алюминий-медь, плотность, молярный объем, избыточный объем.

DOI: 10.31857/S0235010622020074

А. С. Вусихис, Е. Н. Селиванов, Л. И. Леонтьев. 

АННОТАЦИЯ

Для описания процессов совместного восстановления железа и меди из оксидного расплава (1273–1773 К) системы B₂O₃-CaO-FeO-CuO монооксидом углерода и водородом применена методика термодинамического моделирования в приближении к открытым системам, с дробным введением СО (Н₂) и периодическим выводом металлической фазы и газов из состава рабочего тела. Расчеты проведены с учетом диспропорционирования FeO на Fe и Fe₃O₄. Для рассмотренных составов расплава, имеющих соотношение FeO/CuO равное 10, диспропорционирование низшего оксида железа и его взаимодействие с СuO позволяет при низких температурах перевести медь в металлическое состояние на 20–80%. 

Выявлены взаимосвязи содержаний оксидов железа и меди в оксидном расплаве, степеней их восстановления и состава образующегося сплава от температуры и количества введенного восстановителя. Показано, что необходимое количество водорода на восстановление металлов до фиксированной степени металлизации меди существенно ниже, чем монооксида углерода. Полученные сведения полезны для прогнозирования термоэкстракционных процессов, протекающих при извлечении полезных компонентов из шлаков цветной металлургии.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

термодинамическое моделирование; оксидный расплав; восстановление; газ; водород; монооксид углерода, металл, железо, медь

DOI: 10.31857/S0235010622020104

В. А. Полухин, Н. И. Сидоров, Э. Д. Курбанова, Р. М. Белякова. 

АННОТАЦИЯ

Проведен анализ сплавов и методов их синтеза для мембранных технологий получения сверхчистого водорода. Рассмотрены как традиционные сплавы на основе Pd, так и сплавы на основе на основе более дешевых металлов V и VIII группы на примере бинарных Nb-Ni, V-Ni, Ta-Nb легированных Тi, Zr, Mo, Hf и W. Рассмотрены достижения кинетических, прочностных характеристик, термостабильности, износостойкости и устойчивой функциональности мембранных аморфных и нанокристаллических сплавов с альтернативными составами на основе элементов V группы. Рассмотрены проблемы интерметаллидного водородного охрупчивания при длительных процессах водородной селективности. Предложено решение этих проблем с помощью разработки новых сплавов на основе металлов V и VIII группы, легированных элементами Ti, Mo, Hf, W; ограничение температурного диапазона от 473 до 673 К; ограничение предельно допустимых концентраций водорода H/M – менее 0.22. Проанализированы также мембранные сплавы твердых растворов составов Nb(V, Ta)–Ti–Ni с дуплексной матричной структурой – эвтектических фаз и первичных фаз соответственно {ОЦК-(Nb, Ti) + TiNi} + {Nb(V, Ta), Ti} и соединений NiTi и NiTi₂, стабилизирующих и предохраняющих матричную структуру от хрупкого разрушения. Рассматриваемые альтернативные сплавы действительно позволяют получить газообразный водород высокой чистоты с применением новых составов взамен дорогостоящих мембран на основе сплавов Pd-Au/Ag/Cu.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

аморфные и нанокристаллические сплавы, никель, титан, цирконий, ниобий, структуризация, мембранное разделение газов, очистка водорода, растворимость, проницаемость водорода, аккумуляция, термостабильность, хрупкость, кристаллизация, моделирование, диффузия, нанофазы, гидриды Me-H, охрупчивание, дуплексная матричная микроструктура.

DOI: 10.31857/S0235010622020050

Ю. Г. Михалев, Н. Ю. Жаринова. 

АННОТАЦИЯ

Работа является продолжением исследований нестационарных зависимостей (кривых включения) при катодной поляризации жидких электродов из свинца, висмута, кадмия, алюминия в хлоридных расплавах, когда в диапазоне от потенциала без тока до потенциала нулевого заряда у межфазной границы доминируют структуры в виде вихрей – циркуляционных ячеек (ЦЯ), обусловленные микроэффектом Марангони. В этом случае зависимости перенапряжения η и плотности тока i от времени при ступенчатом задании тока в гальваностатических условиях или потенциала в потенциостатических условиях (кривые включения) имеют экстремумы тока или перенапряжения, убывающие по величине вплоть до установления стационарного состояния. Значения η и i в первом экстремуме h_экстр и i_экстр всегда имеют наибольшую амплитуду. Время t_экстр достижения h_экстр и i_экстр и сами значения h_экстр и i_экстр характеризуют процесс формирования ЦЯ. Величина t_экстр является наиболее удобной для анализа, поскольку практически не зависит от концентрации электрохимически активных частиц. Предположено, что формирование циркуляционных ячеек тем медленнее, а величина t_экстр тем больше, чем больше интенсивность массообменных процессов на границе электрода с электролитом, которая определяется условиями поляризации.

В работе показано, что при увеличении температуры t_экстр увеличивается, а значит формирование ЦЯ протекает медленнее. При наложении внешнего магнитного поля, которое способствует замедлению массопереноса, t_экстр уменьшается. При погружении электрода в кварцевую обойму t_экстр также уменьшается. Эти результаты в целом свидетельствуют о правильности предположения о факторах, влияющих на скорость формирования ЦЯ.

При последовательном наложении импульсов тока на уже поляризованный электрод на кривых включения отчетливо виден экстремум перенапряжения, величина которого уменьшается в последовательности импульсов. Значения t_экстр также снижаются. Существование экстремумов перенапряжения может быть связано с энергетическими затруднениями встраивания вновь образующихся ЦЯ в структуру существующих.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

расплавленные соли, жидкие металлические электроды, циркуляционные ячейки, время формирования циркуляционных ячеек, плотность тока, перенапряжение, кривые включения.

DOI: 10.31857/S0235010622020049

Р. М. Белякова, Э. Д. Курбанова, Н. И. Сидоров, В. А. Полухин. 

АННОТАЦИЯ

Мембранное выделение сверхчистого водорода сейчас считается одной из наиболее эффективных технологий во многом благодаря альтернативной замене дорогих мембранных сплавов Pd-Ag более дешевыми на основе ОЦК-металлов 5 группы (VB: V, Nb, Ta и др.) с аморфной, нанокристаллической структурой с проницаемостью, превосходящей таковую сплавов палладия с ГЦК-структурой. Однако водородоселективные мембранные сплавы из ОЦК-металлов Co, V, Cr, Ta, Nb, хотя и демонстрируют очень высокую водородопроницаемость, но подвержены хрупкому разрушению из-за чрезмерного поглощения водорода. Проведен сравнительный анализ кинетики водорода в легированных титаном мембранных бинарных сплавов Nb-Ni и V-Ni, по таким критериям, как прочностные характеристики, термостабильность и устойчивость к водородному охрупчиванию. Растворение Ni и Ti в фазах ниобия и ванадия повышает критическую температуру образования β-гидридов от 473 до 673 K. Кроме того, соединения Ni-Ti и NiTi₂ стабилизируют матричную структуру мембранных сплавов и предотвращают гидридообразования.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

мембранные сплавы, легирование, ниобий-титан-никель, ванадий-титан-никель, матричная микроструктура, гидрирование, абсорбция, диффузия, водородопроницаемость, фазообразования, гидриды Me-H, охрупчивание, дуплексная структура.

DOI: 10.31857/S0235010622020025