Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия

А. С. Мустафаев, профессор, заведующий кафедрой общей и технической физики, докт. физ.-мат. наук, эл. почта: alexmustafaev@yandex.ru

В. Ю. Бажин, профессор, заведующий кафедрой металлургии, докт. техн. наук, эл. почта: bazhin_vyu@pers.spmi.ru
Н. A. Буковецкий, аспирант кафедры общей и технической физики, эл. почта: bukovetn@gmail.com

Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
В. С. Сухомлинов, профессор кафедры оптики, докт. физ.-мат. наук, эл. почта: v_sukhomlinov@mail.ru

Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук, Санкт-Петербург, Россия
А. В. Суров, заведующий лабораторией плазмодинамических систем, канд. техн. наук, эл. почта: avsurov@ieeras.ru

Представлены результаты испытаний плазменной технологии получения сверхчистого белого корунда, широко используемого в качестве абразивного материала, а также в электронной промышленности при производстве микросхем, в оптической промышленности для изготовления ударопрочных стекол. Обоснован выбор параметров технологии, типа плазмотрона, плазмообразующего газа, конструкции установки и тепловой защиты реактора. Основным требованием к разрабатываемой технологии является обеспечение чистоты расплава за счет снижения концентрации примесей при выборе температурных режимов процесса. Для экспериментальной реализации технологии выбран высоковольтный трехфазный плазмотрон с электродами из псевдосплава вольфрама и меди. В рамках модернизации процесса представлена разработанная четырехслойная тепловая защита реактора с покрытием первого слоя листовым молибденом для минимизации его взаимодействия с газом плазмы и предотвращения преждевременной кристаллизации расплава. Эксперименты проводили на базе Института электрофизики и электроэнергетики РАН. Полученные образцы корунда исследовали в лабораториях Центра коллективного пользования Санкт-Петербургского горного университета императрицы Екатерины II. Подтвержден высокотемпературный переход и обоснованы условия перекристаллизации оксида алюминия с полиморфным переходом в α-Al₂O₃, и в результате получены образцы корунда с содержанием оксида алюминия 99,8 % и твердостью до 92 HRC. Содержание примесей в образцах относительно исходного сырья снижено в 4,67 раза, а по отдельным элементам, например крем нию, — в 14 раз. Представленные результаты, полученные с применением плазменного метода, достигнуты впервые.

Исследование выполнено при поддержке Гранта РНФ № 21-19-00139; Гранта № 22-1-1-61-1 Фонда развития теоретической физики и математики «Базис».
Авторы признательны специалистам ИЭЭ РАН, УрО РАН Института твердого тела г. Екатеринбурга, Центра коллективного пользования Горного университета.

1. Materials market data subscription (MMDS). Available at: https://www.semi.org/en/products-services/market-data/mmds
2. Rybkina E. A. The market of synthesized monocrystals (sapphire): reality and prospects. Innovatsii. 2016. Vol. 215, No. 9. pp. 106–110.
3. Esmantovich S. N. Influence of properties of abrasive materials on efficiency of abrasive machining. Equipment and tools for professionals. Metal treatment. 2015. No. 5. pp. 18–22.
4. Fetisov G. P., Karpman M. G., Matyunin V. M. Materials science and technology of metals : textbook. Moscow : GUP Izdatelstvo Vysshaya shkola, 2001. 624 p.
5. Mintsis M. Ya., Polyakov P. V., Sirazutdinov G. A. Electrometallurgy of aluminum. Novosibirsk : Nauka, 2001. 368 p.
6. Nalivayko A. Yu., Lysenko A. P. New technology of producing aluminum oxide suitable for producing artificial corundum crystals. Tsvetnaya metallurgiya. 2014. No. 5. pp. 44–46.
7. Kashcheev I. D., Strelov K. K., Mamykin P. S. Chemical technology of refractory : study guide. Moscow : Intermet Engineering, 2007. 746 p.
8. Ivanova L. I., Grobova L. S., Sokunov B. A., Sarapulov S. F. Induction crucible furnaces : study guide. Yekaterinburg : UGTU – UPI, 2002. 87 p.
9. Shkolnikov E. I., Ivanov P. P. Substantiation of technology for the growth of monocrystalline leucosapphire from technically pure corundum. Teplofizika vysokikh temperatur. 2021. Vol. 59, No. 2. pp. 242–247.
10. Altukhov A. Yu., Ageeva Yu. V., Ageev Yu. V., Novikov Yu. P. Method for producing fine-grained corundum. Patent RF, No. 2664149. Published: 25.09.2017.
11. Verneuil A. Production artificielle du rubis par fusion. Comptes Rendus (Paris). 1902. No. 135. pp. 791–794.
12. Bagdasarov Kh. S. High-temperature crystallization from the melt. Moscow : Fizmatlit, 2004. 160 p.
13. Kyropouls S. Ein Verfahren zur Herstellung groβer Kristall. Z. Anorg. U. Allg. Chem. 1926. Vol. 154, No. 1. pp. 308–313.
14. Balonin N. A., Suzdal V. S., Kozmin Yu. S. Synthesis of controllers of a simple structure for controlling crystallization processes. Bulletin of National Technical University KhPI. 2014. Vol. 1058, No. 15. pp. 3–11.
15. Ovsienko D. E. Nucleation and growth of crystals from the melt. Kyiv : Naukova dumka, 1994. 237 p.
16. Beloglazov I. I., Mustafaev A. S., Sukhomlinov V. S., Savchenkov S. A. et al. Plasma furnace for corundum production. Patent RF, No. 2746655. Published: 19.04.2021.
17. Smirnov A. N., Pilyushenko V. L., Momot S. V. Solidification of molten metal under external effects. Donetsk : VIK, 2002. 169 p.
18. Vasileva N. V., Fedorova E. R. Analysis of the quality of process control. Tsvetnye Metally. 2020. No. 10. pp. 70–76.
19. Boulos M. I., Fauchais P., Fardelle A., Pfender E. Fundamentals of plasma particle momentum and heat transfer. Plasma Spraying: Theory and Applications. 1993. pp. 3–57.
20. Mikheev M. A. Basics of thermal transfer. Moscow–Leningrad : Gose nergoizdat, 1956. 390 p.
21. Zhukov M. F., Zasypkin I. M. Electric arc generators of thermal plasma. Novosibirsk : Nauka. Sib. predpr. RAN, 1999. 712 p.
22. Engelsht V. S., Gurovich V. Ts., Desyatkov G. A. Low-temperature plasma. Vol. 1: Arc column theory. Novosibirsk : Nauka, 1990. 375 p.
23. Landau L. D., Lifshits E. M. Theoretical physics : study guide, in 10 volumes. Vol. VI: Hydrodynamics. Moscow : Nauka. Gl. red. fiz.-mat. lit. 1986. 736 p.
24. Bukhmirov V. V. Calculating a coefficient of convective heat emission (basic dimensionless equations) : methodology guideline. Ivanovo : Lenin Ivanovo State Power Engineering University, 2007. 39 p.
25. Aihara T., Kim J. K., Maruyama S. Effects of temperature-dependent fluid properties on heat transfer due to an axisymmetric impinging gas jet normal to a flat surface. Wärme – und Stoffübertragung. 1990. Vol. 25. pp. 145–153.
26. Korsunov K. A. Calculating parameters of electric arc plasma in the plasma torch channel. Uspekhi prikladnoy fiziki. 2013. Vol. 1, No. 6. pp. 724–733.
27. Galin N. M., Kirillov L. P. Heat-mass exchange (in nuclear power engineering). Moscow : Energoatomizdat, 1987. 376 p.
28. Bukhmirov V. V., Nosova S. V., Rakutina D. V. Transient heat conduction. Reference materials for solving problems : methodology guideline. Ivanovo : Lenin Ivanovo State Power Engineering University, 2005. 32 p.
29. McBride B. J., Zehe М. J., Gordon S. NASA Glenn coefficients for calculating thermodynamic properties of individual species. Report Number: NASA/TP-2002-211556, September 2002. Ohio. 298 p.
30. New reference book for chemists and technologists, chemical equilibrium. Properties of solutions. Zinchenko A. V., Izotova S. G. Saint Petersburg : ANO NPO Professional, 2004. 998 p.
31. Seith W. Diffusion of metals. Moscow : Izd-vo inostrannoy literatury, 1958. 381 p.
32. Halmann M., Frei A., Steinfeld A. Carbothermal reduction of alumina: thermochemical equilibrium calculations and experimental investigation. Energy. 2007. No. 32. pp. 2420–2427.
33. Lacamera A. F. Carbothermic aluminium production using scrap aluminium as a coolant. Patent US, No. 6475260. Published: 05.11.2002.
34. Kruzhilin G. N. Study on a thermal boundary layer. Journal of technical physics. 1936. Vol. 6, No. 3. pp. 205.
35. Cherny G. G. Gas dynamics. Moscow : Nauka, Glavnaya redaktsiya fiz.-mat. literatury, 1988. 424 p.
36. Kison V. E., Mustafaev A. S., Sukhomlinov V. S. Heat exchange between a plasma torch jet and the heated surface of molten aluminum oxide for nitrogen, argon and hydrogen. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatelskiy zhurnal. 2021. Vol. 109, No. 7. pp. 35–42.
37. Concise reference book on chemistry. Rabinovich V. A., Khavin Z. Ya. Leningrad : Knimiya, 1977. 170 p.
38. Volkov A. V., Kazanskiy N. L., Moiseev O. Yu., Poletaev S. D. Thermaloxidative degradation of molybdenum films by laser ablation. Journal of technical physics. 2015. Vol. 85, No. 2. pp. 107–111.
39. Reference book for designers in mechanical engineering. Vol. 3. Anufriev V. I. Moscow : Mashinostroenie, 2001. 859 p.
40. Safronov A. A., Kuznetsov V. E., Dudnik Yu. D., Shiryaev V. N. et al. Study on the electrode erosion in high-power, single-chamber, three-phase alternating-current plasma torches. Teplofizika vysokikh temperatur. 2021. Vol. 59, No. 3. pp. 330–336.
41. Kuznetsov V. E., Safronov A. A., Shiryaev V. N., Vasileva O. V. et al. Study on erosion of electrodes in AC and DC plasma torches. Applied physics. 2019. No. 3. pp. 24–30.
42. Tumanov Yu. N. Plasma, high-frequency, microwave and laser technologies in chemical and metallurgical processes. Moscow : Fizmatlit, 2010. 968 p.
43. Budin A. V., Kolikov V. A., Rutberg F. G. Influence of current and temperature of plasma-forming gas on erosion of electrodes of a discharge chamber of high-power pulse plasma torches. Journal of technical physics. 2007. Vol. 77, No. 8. pp. 49–53.
44. Kuznetsov V. E., Kiselev A. A., Ovchinnikov R. V., Dudnik Yu. D. Electrodes of single-phase AC plasma torches and materials for their manufacturing. Saint Petersburg Polytechnic University Journal: Physics and Mathematics. 2012. No. 2. pp. 100–104.
45. Kison V. E., Mustafaev A. S., Sukhomlinov V. S. Use of plasma torches of higher voltage, when producing ultrapure materials. Collection of research papers of the 3^rd All-Russian Scientific Conference on Advanced Educational Technologies for Training Specialists in the Field of Natural Resources Sector. 2020. Vol. 21, No. 3. pp. 1607–1614.
46. Khomich V. A., Ryabtsev A. V., Didyk E. G., Zhovtyanskiy V. A. et al. Simulation of processes of atomic nitrogen generation in glow-discharge plasma in the nitrogen-argon mixture. Technical physics letters. 2010. Vol. 36, No. 19. pp. 91–99.
47. GOST 30558–98. Smelter grade alumina. Specifications. Introduced: 07.07.2000.
48. Surov A. V., Popov S. D., Popov V. E. Subbotin D. I. et al. Multi-gas AC plasma torches for gasifcation of organic substances. Fuel. 2017. Vol. 203. pp.1007–1014.