close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

249.Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Техника и технологии №2 2009

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Журнал Сибирского федерального университета
Journal of Siberian Federal University
2009
2 (2)
Техника и технологии
Engineering & Technologies
Редакционный совет
академик РАН Е.А.Ваганов
академик РАН К.С.Александров
академик РАН И.И.Гительзон
академик РАН В.Ф.Шабанов
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат.наук
А.Г.Дегерменджи
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.Л.Миронов
чл.-к. РАН, д-р техн. наук
Г.Л.Пашков
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.В.Шайдуров
чл.-к. РАО, д-р физ.-мат. наук
В.С. Соколов
Editorial Advisory Board
Chairman:
Eugene A. Vaganov
Members:
Kirill S. Alexandrov
Josef J. Gitelzon
Vasily F. Shabanov
Andrey G. Degermendzhy
Valery L. Mironov
Gennady L. Pashkov
Vladimir V. Shaidurov
Veniamin S. Sokolov
Editorial Board:
Editor-in-Chief:
Mikhail I. Gladyshev
Founding Editor:
Vladimir I. Kolmakov
Managing Editor:
Olga F. Alexandrova
Executive Editor for Engineering &
Technologies:
Vitaly S. Biront
Contents / СОДЕРЖАНИЕ
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev,
Igor N. Kapitonov, Elena V. Adamskaya,
Nikolay A. Goltsin and Torsten Vennemann
Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled
Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS): a Case Study for
Agates from Nowy Kościoł, Poland
– 123 –
В.С. Биронт, Т.Н. Дроздова, И.В. Блохин,
Е.Н. Лындина, И.С. Якимов, С.В. Пономарева,
А.О. Гусев, Д.А. Симаков
Особенности окисления трехкомпонентных сплавов на основе
системы железо-никель-кобальт
– 139 –
T.N. Patrusheva and G.N. Shelovanova
Photoactive Oxide Films and Heterostructures Preparation
– 151 –
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov,
Sergey S. Dobrosmislov, Alexandr O. Gusev
and Dmitry A. Simakov
Investigation of Electric Characteristics of Contact Assemblages
with a Powder Damping Interlayer
– 160 –
С.В. Беляев
Расчет контактных напряжений при совмещенной прокаткепрессовании
– 167 –
Редактор А.А. Назимова Корректор И.А. Вейсиг
Компьютерная верстка И.В. Гревцовой
Подписано в печать 17.06.2009 г. Формат 84х108/16. Усл. печ. л. 8,4.
Уч.-изд. л. 8,2. Бумага тип. Печать офсетная. Тираж 1000 экз. Заказ 1/103.
Отпечатано в ИПК СФУ. 660041 Красноярск, пр. Свободный, 79.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Editorial board for Engineering &
Technologies:
Yury D. Alashkevich
Viktor G. Anopchenko
Sergey M. Geraschenko
Gennadiy I. Gritsko
Lev V. Endjievsky
Sergey V. Kaverzin
Valery V. Kravtsov
Vladimir A. Kulagin
Sergey A. Mikhaylenko
Vladimir V. Moskvichev
Anatoli M. Sazonov
Vasiliy I. Panteleev
Sergey P. Pan’ko
Peter V. Polyakov
Viktor N. Timofeev
Galina A. Chiganova
Oleg Ostrovski
Harald Oye
Свидетельство о регистрации СМИ
ПИ № ФС77-28-722 от 29.06.2007 г.
В.И. Гнатюк
Оптимальное управление электропотреблением техноценоза
методами рангового анализа
– 177 –
В.И. Пантелеев, Л.Ф. Поддубных
Структурное проектирование информационно-технологической
подсистемы многоцелевой оптимизации управления качеством
электроснабжения
– 194 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2009 2) 123-138
~~~
УДК 551.1
Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively
Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS):
a Case Study for Agates from Nowy Kościoł, Poland
Robert Möckela, Jens Götzea, Sergey A. Sergeevb,
Igor N. Kapitonovb, Elena V. Adamskayab,
Nikolay A. Goltsinb and Torsten Vennemannc*
a
TU Bergakademie Freiberg, Institute of Mineralogy,
14 Brennhausgasse, Freiberg, D-09596 Germany
b
A.P. Karpinsky All Russian Geological Research Institute (VSEGEI),
74 Sredny Prospekt, St.-Petersburg, 199106 Russia
c
Institut de Minéralogie et Géochimie, Université de Lausanne,
UNIL-BFSH2, CH-1015 Lausanne, Switzerland 1
Received 6.05.2009, received in revised form 27.05.2009, accepted 17.06.2009
Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) was applied to detect
trace elements in agate from Permian volcanics (Nowy Kościoł, Poland) in low concentrations and
with high spatial resolution. The used LA-ICP-MS system consists of a DUV 193 laser ablation system
linked to a Thermo Finnigan Element 2 mass spectrometer. The use of a 193 nm ArF excimer laser
(50-200 mJ energy output) and the standards NIST 611 and NIST 612 enables to produce and analyse
small crater diameters down to 5 μm.
Trace-element profiles have been analyzed for the elements Ti, Ge, Al, Fe, Mn, U, Th, Ba, Sr, Rb, Cs,
and Y in the ppm- and sub-ppm level. The concentrations of the REE are sometimes below the detection
limit of the method. Almost all elements (except Cu) display higher contents in chalcedony than in the
macrocrystalline quartz. Fe, for instance, shows a 100 times higher concentration in agate bands
compared to quartz, which may be due to finely distributed iron oxide particles in the chalcedony
which probably act as colour pigments.
The trace elements in agate are released simultaneously with Si during alteration of the surrounding
volcanic rocks. Oxygen isotope data indicate that silica accumulation and agate formation took place
at temperatures below 120°C. The characteristic trace-element distribution patterns in agate result
from a “self-purification” process during crystallization of chalcedony and quartz from a silica gel.
Keywords: agate, quartz, trace elements, LA-ICP-MS, oxygen isotopes, CL, Nowy Kościόł.
1. Introduction
Agates are banded forms of microcrystalline α-quartz (chalcedony) and often form spectacular,
multicoloured geodes or veins. These forms of SiO2 can be found all over the world (Zenz 2005).
Despite the intense research concerning the conditions of agate formation during the last 150 years,
*
1
Corresponding author E-mail address: sazonov_am@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 123 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
detailed theories and suggestions are widespread and still controversely discussed (e.g., Godovikov et
al. 1987; Blankenburg 1988). During the last decades, modern analytical methods such as fluid inclusion
studies, oxygen isotope and traceelement analysis or luminescence microscopy and spectroscopy have
been more involved into agate research (e.g., Blankenburg et al. 1982; Godovikov et al. 1987; Fallick et
al. 1987; Harris 1988; Blankenburg et al. 1990; Strauch et al. 1994; Götze et al. 1999; Götze et al. 2001a;
Moxon & Reed 2006). Nevertheless, many of the genetic problems are still unresolved and specific
aspects have not been studied yet.
For instance, up to now only few information exist about the spatial distribution of trace elements
in agates. Pilot studies by Heaney & Davis (1995) or Götze et al. (2001a) revealed that the trace element
patterns of chalcedony and macrocrystalline quartz can be different in the same agate. On the other
hand, rhythmic banding of agate layers can result in variations of the trace-element distribution. The
detailed knowledge about the trace-element behaviour may provide further information about the
physico-chemical conditions during agate formation.
The method of laser ablation inductively coupled plasma mass spectroscopy (LA-ICPMS) is
available since the mid-1980s (Gray 1985) and seems to suit perfectly to determine a spatial resolved
trace-element distribution in agates. During the last two decades, the method was brought to perfection
with detection limits down to a few ppb, depending on analytical conditions (e.g. spot size) and sample
material (Günther 2001). Recently, LA-ICP-MS is a widely accepted powerful analytical method in
science and technology, including geoscientific research. An overview about requirements and recent
technical developments is given in Flem et al. (2002), Heinrich et al. (2003) or Günther & Hattendorf
(2005). In the present study, LA-ICP-MS was firstly applied to the study of agate to answer the questions:
(1) is LA-ICP-MS applicable for very low trace-element contents expected in quartz (agate), and (2) is
it possible to detect trace-element variations with high spatial resolution along a profile perpendicular
to the agate banding.
2. Materials and Methods
The agate material investigated in the present study originates from occurrences in the vicinity
of Nowy Kościόł (Lower Silesia, Poland). The agate outcrops occur at the bottom part of Permian
rhyolites and rhyodacites close to the contact with Middle Rotliegend tuffs and Upper Permian
claystones (Gaweda and Rzymełka 1992). Porphyric nodules are mostly spherical shaped and can
reach sizes of 2–70 cm in diameter. The agates from Nowy Kościoł show both chalcedony bandings
and macrocrystalline quartz zones. They are typically multicoloured fortification agates with shades of
white, reddish, green, brown and yellow (Fig. 1). Several accessoric phases have been detected in the
agates including hematite, sulphide minerals and monazite (Gaweda and Rzymełka 1992, DumańskaSłowik et al. 2008). A specific feature is the occurrence of organic matter (aliphatic and subordinately
aromatic compounds), which has been related to the postgenetic alteration of the volcanic rocks
(Dumańska-Słowik et al. 2008).
The phase composition of the volcanic host rocks was determined by X-ray diffraction (XRD)
studies. Therefore, material from the surrounding adjacent host rock of the agates was separated
and grinded to <20 μm grain size. An URD 6 XRD device (Seifert/Freiberger Präzisionsmechanik)
with CoKα radiation was used and the irradiated area was kept constant at 15 mm 2. Samples
were scanned with 2θ-steps of 0.03° in the range from 5–80° at step times of 5 seconds per step.
– 124 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
Quantification of powder diffraction patterns was carried out using the Rietveld algorithm BGMN
(Taut et al. 1998).
Polished thin sections of agates and surrounding host rocks were prepared for microscopic
studies (ZEISS Axio Imager A1m) to get information about internal agate structures. In addition, CL
measurements on carbon coated thin sections were performed using a “hot cathode” CL microscope
HC1-LM (Neuser et al. 1995). The system was operated at 14 kV accelerating voltage and a current
density of about 10 μA/mm2. Luminescence images were captured “on-line” during CL operations using
a peltier cooled digital videocamera (KAPPA 961-1138 CF 20 DXC). CL spectra in the wavelength range
380 to 900 nm were recorded with an Acton Research SP-2356 digital triple-grating spectrograph with a
Princeton Spec-10 CCD detector that was attached to the CL microscope by a silica-glass fibre guide.
Oxygen isotopic studies on macrocrystalline quartz and chalcedony were performed by a
microanalytical laser-based method at the University of Lausanne, Switzerland. Small samples free of
visible microinclusions were placed on a nickel sample holder and were heated with a 20 W CO2 laser,
while fluorinating due to BrF5 atmosphere. The released oxygen was converted to CO2 by combustion
with a hot carbon rod after passing over a cold trap and through a hot mercury fluorine-getter and then
admitted on-line to the mass spectrometer. The precision and accuracy of the method is ± 0.1 ‰ for <
100 μg samples (Sharp 1992).
For trace-element analysis by LA-ICP-MS, a section perpendicular to the agate banding was cut,
polished and fixed with epoxy resin in a 1 inch diameter ring, which fits in the sampling cell of the
LA-ICP-MS device (see marked area in Fig. 2). Measurements were performed at the VSEGEI (St.
Petersburg, Russia) on a system with a Thermo Finnigan Element 2 mass spectrometer, linked to
a DUV 193 laser ablation system including optics and viewing by New Wave Research/Merchantek
Products. A principle sketch of a LA-ICP-MS system is given in Fig. 3. The ArF excimer laser operates
with a wavelength of 193 nm and an energy output of 50–200 mJ. This constellation enables to produce
and analyse small craterdiameters down to 5 μm. The two accredited standards NIST 611 and NIST
612 were used for calibration procedures (Hollocher & Ruiz, 1995). Calibration procedures were made
at the beginning and at the end of the measuring cycle and after analysing five spots, mainly in order
to minimize memory effects. The parameters of the system are given in Table 1.
Trace elements were classified concerning possible overlapping of their mass/charge ratio
and first measured with low resolution (LR, R=300) and medium resolution mode (MR, R=4000),
respectively. Table 2 shows the modes for the measured isotopes. Isotopes were selected considering
natural abundances. However, the higher resolution mode is opposite to intensity and therefore, to the
detection limit, which is around 0.01 ppm and 1 ppm for LR and MR, respectively. The given values are
approximate values, since the detection limit is typically three times the standard deviation of the noise
level (blank). Strictly speaking, the detection limit has to be calculated for each element and analyzing
spot, resulting in varying detection limits depending on the specific trace element concentration.
Because of this limitation, the approximate values as stated above were set after all measurements
and proved to be adequate. The same strategy was applied for the error of measurements, which is
estimated to be below 5–10% for all values given below. In order to lower the analytical error, the
measurements of all elements was repeated 20 times on each spot.
As can be seen in Fig. 4, a typical signal of LA-ICP-MS measurement for a single element
during ablation of material consists of three phases. In the first phase, the blank from the carrier gas
– 125 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fig. 1. Multi-coloured volcanic agates from Novy Kościόł (Poland) with typical fortification banding
Figure 1
Multi-coloured volcanic agates from Novy KoĞciȩá (Poland) with typical
fortification banding
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fig. 2. Selected agate from Novy Kościόł (Poland) for detailed LA-ICP-MS investigations; the rectangle represents the prepared area for the trace-element profile
Figure 2
Selected agate from Novy KoĞciȩá (Poland) for detailed LA-ICP-MS
investigations; the rectangle represents the prepared area for the trace-element
profile
Fig. 3. Schematic sketch of the LA-ICP-MS device
Figure 3
Schematic sketch of the LA-ICP-MS device
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Table 1. Technical parameters of the LA ICP-MS system
Excimer Laser Compex
Energy output
50–200 mJ
pulse duration/repetition frequency
15 ns/ 1–20 Hz
beam diameter
5–300 μm
carrier
gas
Thermo Finnigan Element 2
type
sector field mass spectrometer
auxiliary gas flow
approx. 1 l/min (optimized automatically)
cooling gas flow
approx. 15 l/min (optimized automatically)
power
approx. 1 kW
Table 2. Selected isotopes for LA-ICP-MS measurements (LR low resolution mode, MR medium resolution
mode). Distributions of trace elements printed in bold letters are displayed in Fig. 7 and 8.
Li, 27Al, 28Si, 29Si, 44Ca, 60Ni, 69Ga, 71Ga, 72Ge, 74Ge, 85Rb, 88Sr, 89Y, 133Cs, 138Ba, 139La, 140Ce, 141Pr,
Nd, 146Nd, 147Sm, 151Eu, 153Eu, 155Gd, 157Gd, 159Tb, 161Dy, 163Dy, 165Ho, 166Er, 167Er, 169Tm, 172Yb, 173Yb,
175
Lu, 232Th, 238U
7
LR
142
MR
Na12 , 29Si, 30Si, 47Ti, 55Mn, 56Fe, 57Fe, 59Co, 60Ni, 62Ni, 63Cu, 65Cu
Fig. 4. A simplified diagram of a typical LA-ICP-MS signal for one element displaying three different phases
Figure 4
A simplified diagram of a typical LA-ICP-MS signal for one element
displaying three different phases
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
is recorded, where no laser action takes place and no sample material is introduced into the ICP-MS.
The initiation of the laser is marked by rapid increase of the signal, followed by a stable plateau phase
during which sample material is constantly carried to the ICP-MS (phase two). The proper value of
intensity is averaged from this stable plateau. Of course the length of this plateau depends on the
volume of ablated material and therefore, on laser parameters (laser pulse, repetition rate etc.) and not
least on the material. Phase three is characterized by a steady decrease of the intensity down to the
blank level, after ablation ended.
Measuring points were chosen to be located in both agate and macrocrystaline quartz areas, with an
average distance of 870μm. Since the amount of ablated material from one “shot” is insufficient for operating
20 analyses, there had to be done several “laser shots” arranged in a row in order to avoid fractionating
processes in the crater (Fryer et al. 1995; Günther & Hattendorf 2005; Fernández et al. 2007).
3. Results and discussion
Agate formation and structure
The XRD analyses provided first results concerning the mineral composition of the adjacent host
rocks of the agates (Table 3). The fresh material is dominated by quartz and K-feldspar and represents
a rhyolitic composition. Alteration processes resulted in a loss of amorphous material (glassy matrix)
and feldspar, respectively and the formation of clay minerals (especially illite). The illitization of the
volcanic host rocks can be one of the processes providing silica for the agate formation.
For the estimation of formation temperatures, δ18O values were measured for the silica matrix.
The δ18OSMOW data of the analyzed agate range from 29.36 ‰ (quartz) to 30.25 ‰ (chalcedony) (Table
4). Because of the unknown origin of the participating fluids, the temperatures were calculated for
different sources according to Méheut et al. (2007) (see Table 4). The calculations point to relatively low
temperatures between 20°C and 120°C. These results are in accordance with measured homogenization
Table 3. Phase composition of adjacent host rocks of the investigated agates determines by XRD analysis (contents in weight-%)
Fresh host rock
(greyish brown)
Altered host rock
(greenish)
Quartz
35 ± 2
35 ± 1
Monoclinic K-feldspar
40 ± 2
38 ± 2
Plagioclase
6±1
5±1
Kaolinite
2±1
4±1
Illite
2±1
9±1
Amorphous
15 ± 4
10 ± 3
Table 4. Oxygen isotope data of agate and quartz with calculated temperatures according to Méheut et al. (2007);
the temperatures are calculated for fractionation with meteoric water (-10‰), oceanic water (±0‰) and magmatic
water (+8‰)
Sample
quartz
agate
δ18OSMOW(‰)
29.36
30.25
Tmet (°C)
31
28
– 129 –
Toc (°C)
70
66
Tmag (°C)
115
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
Fig. 5. Polarized light (Pol) and cathodoluminescence (CL) micrograph pairs of the investigated agates from Novy
Kościόł
(Poland);
(a)
alternate light
bedding
of chalcedony
bands and macrocrystalline
quartz layers
Figure
5
Polarized
(Pol)
and cathodoluminescence
(CL) micrograph
pairs showing
of the varying
CL colours; (b) spherulitic
chalcedony
growth
with
distinct
internal
structure;
(c)
strongly
zoned
investigated agates from Novy KoĞciȩá (Poland); (a) alternate beddingmacrocrystalof
line quartz
chalcedony bands and macrocrystalline quartz layers showing varying CL
colours; (b) spherulitic chalcedony growth with distinct internal structure; (c)
strongly zoned macrocrystalline quartz
temperatures of primary fluid inclusions in quartz, which scatter between 100 and 215°C (Kozłowski
1985).
The agates itself are typically banded with alternate bedding of chalcedony bands and
macrocrystalline quartz layers (Fig. 5a). Isolated spherulitic silica growth is common (Fig. 5b), and
areas with macrocrystalline quartz have formed in the central and marginal parts of the agates (Fig.
5c). In some cases, the transition from quartz to chalcedony is sharp. Iron oxides are often interbedded
– 130 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
14000
intensity [counts]
12000
chalcedony
10000
8000
6000
4000
2000
0
300
400
500
600
700
800
900
800
900
wavelength [nm]
800
intensity [counts]
700
quartz
600
500
400
300
200
100
0
300
400
500
600
700
wavelength [nm]
Fig. 6. Typical CL spectra from chalcedony and macrocrystalline quartz; the CL spectrum of quartz shows two
broad emission bands at 450-500 nm and ca. 650 nm; the CL of chalcedony is dominated by a strong emission
band at 650 nm Figure
and shows
three additional
bands
(shoulders)
at 580,and
500macrocrystalline
and 450 nm
6 at least
Typical
CL spectra
from
chalcedony
quartz; the CL
spectrum of quartz shows two broad emission bands at 450-500 nm and ca. 650
nm; the CL of chalcedony is dominated by a strong emission band at 650 nm
andofshows
at least probably
three additional
bands
(shoulders)
at 580, 500 and
450 nm
along the crystallization front
chalcedony,
resulting
from
a “self-purification”
process
of
originally iron-rich silica.
CL imaging revealed several differently coloured zones within the agates. The chalcedony layers
display reddish, rose and orange colours (Fig. 5). Phanerocrystalline quartz may exhibit similar CL
colours as the surrounding chalcedony, but sometimes more bluish CL colours and distinct complex
zoning (both sector and concentric zoning) (Fig. 5). The comparison of the differently luminescent
agate bands and macrocrystalline quartz (Fig. 6) illustrates that the CL spectra generally consist
of the same emission bands. The different CL colours and intensities, respectively, are a result of
– 131 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
varying intensity ratios of the main CL emission bands. The most common and most intense CL
emission band occurs around 650 nm (Fig. 6) and is related to the so called non-bridging oxygen hole
centre (NBOHC; Siegel and Marrone 1981). This defect type may result from several precursors such
as silanol groups, peroxy linkage (oxygen-rich samples) or strained Si-O bonds (Stevens Kalceff et
al. 2000). In the case of agates we have high contents of silanol groups (Si-OH), which are common
in microcrystalline quartz (Flörke et al. 1982; Götze et al. 1999; Moxon and Reed 2006). The lower
intensity of the 650 nm emission in macrocrystalline quartz is a result of the lower density of this
defect type.
Other emission bands (450 nm, 580 nm) appear only subordinately, partly as shoulder of the main
CL emission (Fig. 6). The yellow CL emission (580 nm), which can be related to the E’ centre (electron
defect on an oxygen vacancy), was up to now only observed in agates, silicified wood and hydrothermal
quartz (Götze et al., 1999, 2001b; Moxon and Reed 2006). The emission band around 450 nm, which is
especially present in macrocrystalline quartz, is due to the recombination of the so-called self-trapped
exciton (Stevens Kalceff et al. 2000), an electron hole pair on an oxygen vacancy and a peroxy linkage.
The oxygen vacancies may indicate crystallization under conditions with oxygen deficit.
The results of the microscopic studies indicate that the agate crystallized in a continuous process
from a silica-rich precursor. Crystallization started with spherulitic growth and the formation of
chalcedonic quartz, later changing into well developed crystals. Accordingly, the phanerocrystalline
quartz seems to be the prosecution of chalcedony “fibres”. The high defect density and the occurrence
of sector zoning in quartz may result from rapid crystallization under non-equilibrium conditions.
Except for the outermost layer of chalcedony, CL colours and spectra are almost the same in both quartz
and chalcedony and display a similar local defect structure, which implies the origin from a single
ongoing crystallization process. The sometimes observed repeated change between chalcedony and
macrocrystalline quartz layers may result from changes in the silica concentration of the mineralizing
fluids or from several mineralization stages.
Trace element studies by LA-ICP-MS
The results of the present study show that most of the measured trace-elements are present in
very low concentrations. Because of the specific analytical conditions, the limits of detection vary
for different elements (Table 5). Therefore, the strategy of the analytical procedure was to lower the
limits of detection by repeated “laser shots” (more sample material) and valuable standard materials.
Nevertheless, concentrations of some elements were below the detection limits. For example, the
contents of the rare earth elements (REE) did not provide important data in terms of REE distribution
patterns.
Problems during measurements appeared with Ca and Ni. Ni is part of the cone material of the
skimmer technology of the mass spectrometer. Ni was measured in LR as well as MR mode (see
Table 2), mostly in order to avoid overlapping with other isotopes (e.g. 44Ca16O, 24Mg36Ar). However,
measured values differed sometimes more than 50% and therefore, have been not reliable. The 44Ca
values were mostly unreliable as well due to overlapping with 28Si16O, which is basic matrix material.
A higher resolution mode for Ca or the use of another inert gas instead of argon (40Ar overlaps
40
Ca), respectively, may prevent this problem. In the present study, the problem was tried to solve
by an afterwards calculation of a 28Si16O-blank. Although the measured Ca contents are similar to
– 132 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
Table 5. Average trace-element contents and variation limits (in ppm) of the investigated profile perpendiculat to
the agate banding (see Fig. 2) (quartz: measunring points 1–7; agate: measuring points 8–12)
quartz
agate
average
max
min
average
max
min
Li
1.01
2.77
0.03
2.73
4.69
0.84
Na
24.0
59.2
1.35
192.3
294.1
106.7
Al
13.7
47.2
2.71
325.4
640.8
58.0
Ge
0.63
1.06
0.32
12.12
20.42
7.42
Rb
0.12
0.17
0.07
1.60
3.05
0.66
Sr
0.07
0.09
0.03
3.29
7.58
0.48
Ba
1.40
0.37
0.03
5.00
6.38
0.19
Y
0.01
0.02
0.01
0.20
0.62
0.03
La
0.09
0.09
0.08
–
–
–
Ce
0.10
0.12
0.08
0.04
0.12
0.01
Nd
0.03
0.03
0.03
0.05
0.05
0.05
Sm
0.02
0.02
0.01
–
–
–
Eu
–
–
–
0.01
0.01
0.01
Gd
–
–
–
0.03
0.04
0.01
Dy
–
–
–
0.04
0.08
0.01
Ho
–
–
–
0.03
0.03
0.03
Er
–
–
–
0.03
0.04
0.01
Tm
–
–
–
0.01
0.01
0.01
Yb
–
–
–
0.06
0.06
0.06
Th
0.37
0.37
0.37
0.02
0.03
0.01
U
0.15
0.02
0.52
2.39
3.37
1.81
Ti
<1
<1
<1
1.20
3.40
<1
Mn
<1
<1
<1
0.61
1.39
<1
Fe
0.95
2.62
<1
90.4
119.8
69.3
(-) below detection limit
concentrations (330–634 ppm) reported by Dumańska-Słowik et al. (2008), there was still some doubt
on the reliability of these corrected values and therefore, they will not be presented here.
A number of trace-elements could be analyzed with high precision. The results of the traceelement analyses are given in Table 5 (average values and limits of variation). The spatial distribution of
selected element contents is presented in Fig. 7 and 8. The comparison of the data from Nowy Kościόł
with trace element contents of agates from different regions (e.g., Blankenburg 1988, Götze et al. 2001)
revealed that concentrations presented here are slightly below other published values, but more or less
in the same order of magnitude. In general, it is obvious that a number of elements is accumulated
in agate. Besides the common elements Al, Fe, and Na, also Ba, Sr, U and Ge show relatively high
concentrations. These elements may be mobilized together with Si during the alteration of the volcanic
host rocks. The decomposition of volcanic glass and feldspar provides high amounts of Si, Al, Ca, Na
and K. The mobility of U during the alteration of volcanic rocks was reported by Zielinski (1979) who
observed the parallel accumulation of Si and U. In the case of Ge, the identical geochemical character
– 133 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
Fig. 7. Distribution profiles of selected trace elements (Ba, Sr, Rb, Cs, Cu, U) in the investigated agate from Novy
Kościόł (Poland)
with Si promotes the common transport and the incorporation of Ge into the quartz structure (e.g.,
Walenzak 1969, Götze et al. 2004). Therefore, high concentrations of Ge are typical for agates from
acidic host rocks (Blankenburg 1988).
One characteristic feature of the trace-element distributions is that almost all elements show higher
contents in chalcedony compared to macrocrystalline quartz (Fig. 7 and 8). Aluminium, for instance,
has an average concentration of 325.4 ppm in chalcedony and 13.7 ppm in quartz. Fe shows a hundred
Figure 7
Distribution profiles of selected trace elements (Ba, Sr, Rb, Cs, Cu, U) in the
times higher concentration in chalcedony parts (average 90.4 ppm) than in the quartz centre (average
investigated agate from Novy KoĞciȩá (Poland)
0.95 ppm). The only exception for this is Cu, which is slightly enriched in quartz (average of 0.07 ppm)
compared to chalcedony (average 0.04 ppm). Moreover, elements which behave geochemically similar
such as Ba and Sr or Rb and Cs display comparable patterns (Fig. 7). These similar patterns suggest a
simultaneous mobilization and precipitation of the elements.
The differences in most element concentrations between chalcedony and quartz can probably be
explained by a “self-purification” process during the crystallization of the agate. The trace elements
are firstly precipitated together with the primary silica gel and are finely dispersed in the silica matrix.
Starting spherulitic growth of the chalcedony may initially incorporate high contents of trace elements.
During further growth, the concentration of impurities drops, which is macroscopically detectable in
the changing visible colour of the agate bands. In general, deeply coloured parts of the agate inherit
– 134 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
Fig. 8. Distribution profile of selected trace elements (Al, Li, Na, Ge, Ga, Fe) in the investigated agate from Novy
Kościόł (Poland)
higher trace-element concentrations than colourless parts. For example, the outermost measuring
points are situated in a dark reddish band and reveal in almost all cases higher element contents,
whereas the colour gets more and more light towards the inner core.
Heaney (1993) stated that the high trace-element contents in silica can cause the formation
of frequent defects, Brazil twinning and typical twisting in chalcedony. He concluded that
chalcedony fibres in agates may be the result of dislocation growth. This statement would explain
why macrocrystalline
quartz can profile
only grow
after removing
most(Al,
of the
impurities.
Theintransition
Figure 8
Distribution
of selected
trace elements
Li, Na,
Ge, Ga, Fe)
the
zone between chalcedony
and quartz
is characterized
by a (Poland)
characteristic drop of most trace-element
investigated
agate
from Novy KoĞciȩá
contents. On the other hand, the higher defect density in chalcedony was also detected by CL
spectroscopy.
The kind of incorporation of various trace elements into quartz can be different (Götze et al. 2004).
Whereas Al, Ti, Ge, Fe, Na or Li are often substitute for Si or placed at interstitial lattice positions,
elements such as Ba, Sr, Rb, Cs or U may be concentrated in fluid and mineral inclusions or at grain
boundaries. However, the incorporation into the quartz structure is limited as is visible for iron. The
occurrence of high iron contents and sometimes iron oxides within the agate matrix is an indication for
high iron contents of the silica-bearing mineralizing medium. The accumulation of hematite spheres
along the banding of the next chalcedony layers may be a result of the “self-purification” of chalcedony
during crystallization. The iron was removed from the silica during crystallization, moved with the
– 135 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
crystallization front and accumulated forming iron oxide spheres. Especially the coloured agate bands
exhibit high concentrations of iron emphasizing that iron is mostly concentrated in fine iron oxide
particles within the chalcedony layers acting as colour pigments.
4. Conclusions
The results of the present study clearly demonstrate that LA-ICP-MS is a suitable analytical
method for the detection of trace elements in very low concentrations. Although the element contents
of most of the elements in quartz are in the ppm and sub-ppm level, the method enables to realize a
spatially resolved analysis. Therefore, the method provides valuable data for genetic interpretations in
samples with marked micro- and/or macro-textures. Only for a few elements (especially the REE), the
concentrations are often too low to be detected by LAICP-MS.
The trace-element analysis with high spatial resolution enabled to monitor the distribution of
specific elements during proceeding agate formation. One characteristic feature is the release of
elements (e.g., Al, Fe, Ge) together with Si from the volcanic host rocks due to the ongoing alteration,
and the subsequent accumulation within the silica matrix during agate formation. Elements showing
a similar geochemical behaviour (e.g., Ba-Sr or Rb-Cs) display identical spatial distribution pattern
within the agate texture. Most of the impurities precipitate at the beginning of the agate formation,
whereas further growth and crystallization of the silica matrix results in lower impurity concentrations.
Within the last-stage macrocrystalline quartz in the agate centre, trace-element contents are very low
or even not detectable. These facts point to a “self-purification” process of the silica matrix during
ongoing crystallization, sometimes resulting in the admixture of impurity phases (e.g. iron oxides/hydroxides).
Acknowledgement: We gratefully acknowledge providing of agate samples from Novy Kościόł by
Marek Stepisiewicz (Warsaw). We also thank Dmitry Sergeev for helping a lot to overcome language
barriers at the VSEGEI St. Petersburg.
References
Blankenburg, H.-J., Pilot, J., Werner, C.D. (1982) Erste Ergebnisse der
Sauerstoffisotopenuntersuchungen an Vulkanitachaten und ihre genetische Interpretation. Chemie
Erde 41: 213–217.
Blankenburg, H.-J. (1988) Agate. VEB deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig (in
German)
Blankenburg, H.-J., Thomas, R., Klemm, W., Leeder, O. (1990) Interpretation der Ergebnisse von
Einschlußuntersuchungen an den Quarzinkrustaten aus Vulkanitachaten. Zeitschrift für geologische
Wissenschaften 18: 81–85.
Dumańska-Słowik, M., Natkaniec-Nowak, L., Kotarba, M.J., Sikorska, M., Rzymetka, J.A.,
Loboda, A., Gaweł, A. (2008) Mineralogical and geochemical characterization of the “bituminous”
agates from Nowy Kościół (Lower Silesia, Poland). Neues Jahrbuch für Mineralogie, Abhandlungen
184(3): 255–268.
Fallick, A. E., Jocelyn, J., Donnelly, T., Guy, M., Behan, C. (1985) Origin of agates in volcanic
rocks from Scotland. Nature 313: 672–674.
– 136 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
Fallick, A. E., Jocelyn, J., Hamilton, P. J. (1987) Oxygen and Hydrogen stable isotope systematics
in brazilian agates. In: Rodriguez-Clemente, R. and Tardy, Y. (Eds.), Geochemistry and mineral
formation in the earth surface, 99–117.
Fernández, B., Claverie, F., Pécheyran, C., Donard, O. (2007) Direct analysis of solid samples by
fs-LA-ICP-MS. Trends in Analytical Chemistry 26(10): 951–966.
Flem, B., Larsen, R.B., Gromstvedt, A., Mansfeld, J. (2002) In situ analysis of trace elements in quartz
by using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. Chemical Geology 182: 237-247.
Flörke, O.W., Köhler-Herbertz, B., Langer, K., Tönges, I. (1982) Water in microcrystalline quartz
of volcanic origin: agates. Contributions to Mineralogy and Petrology, 80, 324-333.
Fryer, B.J., Jackson, S.E., Longerich, H.P. (1995) The design, operation and role of the laserablation
microprobe coupled with an inductively coupled plasma-mass spectrometer (LAM-ICP-MS) in the
earth sciences. The Canadian Mineralogist 33: 303–312
Gaweda, A. and Rzymełka, J.A. (1992) Bituminous agates from rhyolites in the environs of Nowy
Kościół, Lower Silesia. Mineralogia Polonic 23(1): 72–84
Godovikov, A.A., Ripinen, I.I., Motorin, S.G. (1987) Agates. Izd. Nedra, Moscow (in Russian).
Götze, J., Plötze, M., Fuchs, H., Habermann, D. (1999) Defect structure and luminescence
behaviour of agate - results of electron paramagnetic resonance (EPR) and cathodoluminescence (CL)
studies. Mineralogical Magazine 63: 149-163.
Götze, J., Tichomirowa, M., Fuchs, H., Pilot, J., Sharp, Z.D. (2001a) Geochemistry of agates: a
trace element and stable isotope study. Chemical Geology 175: 523–541.
Götze, J., Plötze, M., Habermann, D. (2001b) Origin, spectral characteristics and practical applications
of the cathodoluminescence (CL) of quartz – a review. Mineralogy and Petrology 71: 225–250.
Götze, J., Plötze, M., Graupner, T., Hallbauer, D.K., Bray, C. (2004) Trace element incorporation
into quartz: a combined study by ICP-MS, electron spin resonance, cathodoluminescence, capillary
ion analysis and gas chromatography. Geochimica et Cosmochimica Acta 68: 3741-3759.
Günther, D. and Hattendorf (2005) Solid sample analysis using laser ablation inductively coupled
plasma mass spectrometry. Trends in Analytical Chemistry 24(3): 255–265
Gray, A.L. (1985) Solid sample introduction by laser ablation for inductively coupled plasma
source mass spectroscopy. Analyst 110: 551–556
Heaney, P. J. (1993) A proposed mechanism for the growth of chalcedony. Contributions to
Mineralogy and Petrology 115: 66 – 74.
Heaney, P. J. & Davis, A. M. (1995) Observation and origin of self-organized textures in agates.
Science 269: 1562 – 1565.
Harris, C. (1988) Oxygen isotope Geochemistry of a Quartz-Agate Geode from northwestern
Namibia. Communs geol. Surv. S.W. Africa Namibia 4: 43–44.
Heinrich, C.A., Pettke, T. Halter, W.E. Aigner-Torres, M., Audétat, A., Günther, D., Hattendorf,
B., Bleiner, D., Guillong, M., Horn, I. (2003) Quantitative multi-element analysis of minerals, fluid
and melt inclusions by laser-ablation inductively-coupledplasma mass-spectrometry. Geochimica et
Cosmochimica Acta 67(18): 3473–3496
Hollocher and Ruiz (1995) Major and trace element determinations on NIST glass standard
reference materials 611, 612, 614 and 1834 by inductively coupled plasma-mass spectrometry.
Geostandards Newsletter 19(1): 27–34
– 137 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Robert Möckel, Jens Götze, Sergey A. Sergeev… Trace-Element Analysis by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma…
Kozłowski, A. (1985) Studies of fluid inclusions in agates from Plόczki Górne and Nowy Kościόł,
Poland. Fluid Inclusion Research – Proceedings of COFFI, Michigan University Press, Ann Arbor,
USA, 18: 221-222.
Méheut, M., Lazzeri, M., Balan, E., Mauri, F. (2007) Equilibrium isotopic fractionation in the
kaolinite, quartz, water system: Prediction from first-principles density-functional theory. Geochimica
et Cosmochimica Acta 71: 3170–3181.
Moxon, T. and Reed, S.J.B. (2006) Agate and chalcedony from igneous and sedimentary hosts
aged from 13 to 3480 Ma: a cathodoluminescence study. Mineralogical Magazine 70: 485–498
Möckel, R. and Götze, J. (2007) Agates from volcanics of the Erzgebirge Basin, Saxony (in
German). Veröffentlichungen des Museums für Naturkunde Chemnitz 30: 25-60.
Neuser, R.D., Bruhn, F., Götze, J., Habermann, D., Richter, D.K. (1995) Kathodolumineszenz:
Methodik und Anwendung. Zentralblatt für Geologie und Paläontologie, Teil I, H. 1/2: 287-306.
Sharp, Z.D. (1992) In situ laser microprobe techniques for stable isotope analysis. Chemical
Geology 101: 3-19.
Siegel, G. H. and Marrone, M. J. (1981) Photoluminescence in as-drawn and irradiated silica
optical fibers: An assessment of the role of nonbridging oxygen defect centres. Journal of Noncrystalline
Solids 45: 235–247.
Stevens Kalceff, M.A., Phillips, M.R., Moon, A.R., Kalceff, W. (2000) Cathodoluminescence
microcharacterisation of silicon dioxide polymorphs. In: Pagel, M., Barbin, V., Blanc, P., Ohnenstetter,
D. (eds.) (2000) Cathodoluminescence in geosciences. Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York,
193-224.
Strauch, G., Nitzsche, H.-M., Holzhey, G. (1994) Isotopenuntersuchungen an Rhyolithen und
Achatbildungen. N. Jb. Mineral., Abh. 165: 103–104.
Taut, T., Kleeberg, R., Bergmann, J. (1998) Seifert Software: The new Seifert Rietveld program
BGMN and its application to quantitative phase analysis. Materials Structure 5(1): 57–66.
Walenzak, Z. (1969) Geochemistry of minor elements dispersed in quartz (Ge, Al, Ga, Fe, Ti, Li
and Be). Archiwum Mineralogiezne 28: 189-335.
Zenz, J. (2005) Agate. Bode Verlag, Haltern.
Zielinski, R.A. (1979) Uranium mobility during interaction of rhyolitic obsidian, perlite and felsite
with alkaline carbonate solution: T=120°C, P=210 kg/cm 2. Chemical Geology 27: 47-63.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2009 2) 139-150
~~~
УДК 669.295
Особенности окисления трехкомпонентных сплавов
на основе системы железо-никель-кобальт
В.С. Биронта,*, Т.Н. Дроздоваа, И.В. Блохина,
Е.Н. Лындинаа, И.С. Якимова, С.В. Пономареваа,
А.О. Гусев б, Д.А. Симаков б
а
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный,79
б
ИТЦ филиала ООО «РУС-Инжиниринг»,
Россия 660111, Красноярск, ул. Пограничников, 37 1
Received 6.05.2009, received in revised form 27.05.2009, accepted 17.06.2009
В статье рассмотрены закономерности процессов окисления трехкомпонентных сплавов
системы Fe – Ni – Co. Показано, что состав оксидов определяется преимущественно химическим
составом сплавов. В меньшей степени состав оксидов зависит от температурно-временных
режимов окислительной обработки. Установлен состав сплава и режим его окисления,
обеспечивающие получение в составе оксидов 97,5 % оксида типа NiFe2O4. Показано, что в
присутствии в составе сплавов кобальта в пределах исследованной области составов сплавов
уменьшается вероятность формирования оксида никеля NiO. При этом никель в составе
сплавов преимущественно расходуется на образование оксидов с железом и кобальтом типа
NiFe2O4, NiCo2O4 и некоторых других.
Ключевые слова: система железо-никель-кобальт, оксиды, окислительный отжиг, фазовые
переходы, условия окисления.
Введение
Высокотемпературная коррозионная стойкость (жаростойкость) многокомпонентных
сплавов в существенной степени определяется природой оксидных пленок, формирующихся на их поверхности как при предварительном окислительном отжиге, так и при эксплуатационных нагревах в окислительных средах. Роль наносимой оксидной пленки в качестве
фактора, определяющего стойкость к высокотемпературному коррозионному разрушению
поверхности, существенным образом зависит от ее строения, плотности, пористости, химического состава, предыстории образца, методов механической обработки поверхности и других обстоятельств.
Такими обстоятельствами, например, могут стать: химический состав окисляемого материала, а следовательно, химический состав пленки и технология ее получения, в том числе
температурно-временные режимы окислительной обработки.
*
1
Corresponding author E-mail address: biront@gold.sfu-kras.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 139 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, Т.Н. Дроздова, И.В. Блохин… Особенности окисления трехкомпонентных сплавов на основе…
Рис.1. Диаграмма фазового равновесия в системе Fe-O [2]
Имеющиеся сведения об использовании жаростойких многокомпонентных сплавов в качестве малорасходуемых металлических конструкций в металлургических агрегатах, например
инертных металлических анодов, свидетельствуют о том, что в поверхностных слоях таких изделий самообновляющиеся оксидные слои могут формироваться в ходе окислительных процессов,
в т.ч. анодных электрохимических реакций, протекающих на поверхности сплавов. Формирующиеся непрерывно в процессах эксплуатации оксидные пленки фактически и являются рабочей
поверхностью таких конструкций. В таком случае задача поиска новых конструкционных материалов для коррозионно-стойких конструкций сводится к задаче поиска таких металлических
систем, окисление которых в условиях эксплуатации будет приводить к формированию на поверхности оксидных пленок такого состава и строения, которые обеспечивали бы оптимальную
скорость окисления и наименьшую возможную скорость разрушения металлической основы.
Управлять процессами формирования оксидных пленок можно лишь после установления объективных закономерностей процессов окисления, включая фазовые превращения в оксидных пленках, и определения количественных соотношений в сложных смесях образующихся оксидов, в зависимости от состава окисляемых сплавов и температурных условий окисления. При этом важно
знать, при каких соотношениях основных компонентов в сплавах будут создаваться условия для
формирования оксидных пленок заданного состава и строения, например, пленок типа NiFe2O4,
которые, как известно [1], характеризуются наибольшей устойчивостью в электролитных расплавах. Одной из перспективных систем для создания жаростойких сплавов для сложных условий
эксплуатации является система железо-никель-кобальт.
Формирование оксидных фаз на основе отдельных чистых компонентов этой системы достаточно полно исследовано, что выражается наличием построенных диаграмм со– 140 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, Т.Н. Дроздова, И.В. Блохин… Особенности окисления трехкомпонентных сплавов на основе…
стояния металл-кислород. Наиболее подробно исследовано окисление в системе железокислород (рис. 1).
В соответствии с приведенной фазовой диаграммой, фазовые превращения в оксидных
фазах на основе железа протекают при 570, 580, 688 °С и других значениях температуры. Аналогичные сведения можно получить из анализа диаграмм никеля и кобальта с кислородом.
Известны оксиды никеля NiO, кобальта: CoO, Co2O3, Co3O4, которые могут иметь различные
кристаллографические модификации. Формирование оксидов в трех и более многокомпонентных системах происходит более сложно, поскольку, кроме двойных оксидов, в этом случае образуются комплексные двух-, трехкомпонентные оксиды, смеси оксидных частиц [3; 4].
При этом количественные соотношения между металлическими компонентами в оксидах
определяются не только соотношением этих компонентов в сплаве, но и различной способностью их к взаимодействию с кислородом (различным сродством к кислороду).
Фазовые переходы в оксидах
Наиболее объективные сведения о критических точках фазовых переходов в оксидах и
металлической основе можно получить экспериментальными методами, которыми в первую
очередь являются методы термического анализа и, в частности, методы дифференциальной
сканирующей калориметрии (ДСК), термогравиметрии (ТГА). Для систем, содержащих ферромагнитные составляющие, существенные результаты могут быть получены при сочетании
термогравиметрии с магнитным анализом таких систем (ТГМА). На первом этапе исследований этими методами проведено изучение процессов образования оксидных пленок на поверхности чистых металлов и фазовых переходов в них при непрерывном изменении температуры,
а также при изотермических выдержках.
Исследования проведены на установке STA 449 Jupiter, позволяющей в режиме синхронных измерений определять изменение массы вещества с разрешающей способностью 0,1 мкг,
измерять температуру с точностью до 0,1 °С, с возможностью оценки первой и второй производных, а также с абсолютной точностью отслеживать развивающиеся превращения с выделением или поглощением теплоты и изменением массы.
На рис. 2 приведены кривые ДСК и ТГА компактных микрообразцов (масса 200 мг) из чистого железа, никеля и кобальта, снятые при нагреве в интервале температур от 100 до 1000 °С
в воздушной среде при атмосферном давлении.
Наименьшие экзотермические эффекты, относящиеся к образованию оксидов при взаимодействии металлов с кислородом, имеет никель (верхняя сиреневая ДСК-кривая). Это характеризует наибольшую коррозионную устойчивость никеля по сравнению как с железом, так и с
кобальтом. Наиболее высокую коррозионную стойкость никеля подтверждает также сравнение термогравиметрических кривых (ТГ-кривых). В отличие от кобальта и железа, у никеля во
всем интервале температур от 100 до 700 °С прироста массы не наблюдается.
При температурах 700 - 1000 °С прирост массы не превышает одного процента. Наименьшей коррозионной стойкостью из трех сравниваемых металлов характеризуется железо. Кобальт занимает промежуточное положение. Наиболее сложный характер ТГ-кривой для железа
связан со сложной последовательностью окислительных процессов, включающих как экзотермические, так и эндотермические стадии. Характерные на ДСК-кривой для железа температу– 141 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, Т.Н. Дроздова, И.В. Блохин… Особенности окисления трехкомпонентных сплавов на основе…
Рис. 2. Кривые ДСК (верхние линии) и ТГА (нижние) микрообразцов железа, никеля и кобальта
ры 336, 439, 588 и 877 °С, отвечающие различным стадиям развития окислительных процессов.
Причины появления этих температурных точек еще требуют дальнейшего изучения, однако
можно полагать, что их наличие обусловлено как взаимодействием железа в различных аллотропических формах (α или γ) с кислородом, так и фазовыми превращениями в оксидных пленках, которые могут иметь строение вюстита (FeO), магнетита (Fe3O4) или гематита (Fe2O3).
Нами изучен фазовый переход в оксидной пленке малоуглеродистой стали в области
прямого и обратного эвтектоидного превращения в системе железо-кислород при температуре 570 °С.
Показано (рис.3), что в условиях переохлаждения (565 °С) эвтектоидное превращение высокотемпературного оксида FeO сопровождается появлением ферромагнитных свойств исследуемой микропробы, что связано с образованием кристаллов свободного железа в результате
развития указанного превращения:
FeO → Fe + Fe3O4.
Кобальт проявляет ряд критических точек, аналогично железу, поскольку ему присущи
аналогичные три формы оксидов. Однако их проявление сдвинуто относительно точек железа
в сторону более высоких температур.
Использование термогравиметрического анализа позволило установить значения критических точек, соответствующих фазовым превращениям в оксидных пленках, образованных
на поверхности сплавов различного химического состава (табл. 1).
Множественность значений критических точек для каждого из исследованных составов сплавов (особенно при охлаждении) обусловлена присутствием в составе оксидных
пленок, образующихся на их поверхности, разного количества оксидов различного химического состава.
– 142 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Кривые ДСК (синяя линия) и ТГМА (зеленая) микрообразцов оксидов железа, отобранных
от пленки (окалины), которая получена при высокотемпературном окислительном отжиге (950 °С)
малоуглеродистой стали (Ст3)
Таблица 1. Значения температур критических точек превращений в оксидах сплавов системы Fe – Ni – Co
№ сплава
Химический состав сплава
1
80Fe – 16Ni – 4Co
3
71Fe – 14Ni – 15Co
6
60Fe – 20Ni – 20Co
7
50Fe – 42Ni – 8Co
9
50Fe – 24Ni – 26Co
11
33Fe – 33Ni – 34Co
13
15
16
10Fe – 10Ni – 80Co
55Fe – 28Ni – 15Co – 3Sn
44Fe – 46Ni – 10Co
Температура превращений в оксидных пленках, ºС
При нагреве
При охлаждении
336
866,4
842,1 – 852,9
857
874,4 – 874,6
833,5
857,2
489
848,3
881,3 – 882,6
828,1
447,6
847
834
531 – 536
859,8
845,5 – 847,5
840,1
770,2 – 774,2
810,1
301 – 347
811 – 836
828,9 – 830,9
821,3 – 822,2
815,1 – 841,7
845,7
-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, Т.Н. Дроздова, И.В. Блохин… Особенности окисления трехкомпонентных сплавов на основе…
Фазовый состав оксидов в сплавах
Изучение фазового состава оксидов, образующихся при термическом окислении, проведено на сплавах 16 составов системы Fe-Ni-Co, распределенных на концентрационном треугольнике системы. Для исследования выбраны сплавы от высокожелезистых до высококобальтовых,
с различным содержанием никеля. Химический состав исследованных сплавов представлен в
табл. 2.
В этой же таблице представлены режимы термического окисления выбранных для изучения сплавов.
Для реализации порошковой методики количественного рентгенофазового анализа образцы готовились путем предварительного получения опилок металлических образцов сплавов
каждого химического состава с помощью мелкого напильника. Размер частиц от 50 до 200
мкм. Режимы термического окисления подбирались таким образом, чтобы при использовании
максимальных температур и длительностей обработки внутри частиц сохранялось некоторое
количество металлической основы. При этих условиях анализируемые оксиды могут моделировать составы оксидных слоев, формирующихся на поверхности изделий в виде пленок.
Для окисления опилки на керамической подставке помещались в печь с окислительной
атмосферой, нагретой до температуры окисления. В первой серии экспериментов все сплавы окислялись при 650 °С с длительностью 180 мин., во второй – по разным температурновременным схемам: от 650 до 870 °С с длительностью от 180 до 60 мин., в третьей – все сплавы
по единой методике: 950 °С с длительностью 30 мин. Кроме того, сплавы № 12 и 13 окисляли
при 1100 °С с длительностью выдержки 15 мин. После завершения выдержки образцы быстро
охлаждались на воздухе путем извлечения подставки с оксидами из печи. Таким образом, обеспечивались условия, исключающие развитие фазовых превращений в оксидах, что позволяет
судить о составах оксидов, непосредственно образующихся в результате окисления при заданных температурных режимах эксперимента. Полученные крупнопорошковые пробы не подвергались тщательному перетиранию (размолу), что позволило уменьшить долю вторичного
рентгеновского излучения от металлической основы порошков и увеличить вклад отражений
от оксидных пленок, образованных на поверхности частиц порошка.
Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре Шимадзу. Дифрактограммы расшифровывали полуавтоматическим компьютерным методом с использованием известных банков эталонных дифрактограмм.
Систематические сведения о составе оксидных фаз, образующихся в результате окисления при указанных выше температурно-временных условиях в зависимости от химического
состава сплавов, приведены на рис. 4-6. Все сведения о количестве индивидуальных оксидов
в оксидных продуктах, полученные рентгенофазовым методом и представленные на рис. 4-10,
выражены в массовых процентах.
Температурные режимы изменяют не только количественные соотношения между оксидами, соответствующими тому или иному химическому составу сплавов, но также в ряде случаев
изменяют состав и кристаллографическую форму образующихся оксидов.
Сравнение сведений о составе оксидных фаз, образующихся в сплавах тройной системы
Fe-Ni-Co, показывает, что формирование тройного оксида типа NiFe2O4 происходит преимущественно в области составов сплавов 8,9,10, где количество этого оксида превышает 80 %. При
– 144 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2. Температурные режимы окислительного нагрева опилок из сплавов системы Fe – Ni – Co
для изучения фазового состава оксидов, образующихся при различных температурах и разном составе
сплавов
№ сплава
Температура и длительность термообработки образцов опилок
в трех сериях эксперимента
Состав сплава
1-я серия
2-я серия
3-я серия
1
80Fe – 16Ni – 4Co
650 °С, 180 мин.
710 °С,120 мин.
950 °С, 30 мин.
2
76Fe – 15Ni – 9Co
650 °С, 180 мин.
710 °С,120 мин.
950 °С, 30 мин.
3
71Fe – 14Ni – 15Co
650 °С, 180 мин.
650 °С, 180 мин.
950 °С, 30 мин.
4
60Fe – 33Ni – 7Co
650 °С, 180 мин.
800 °С, 90 мин.
950 °С, 30 мин.
5
60Fe – 27Ni – 13Co
650 °С, 180 мин.
750 °С, 90 мин.
950 °С, 30 мин.
6
60Fe – 20Ni – 20Co
650 °С, 180 мин.
650°С, 180 мин.
950 °С, 30 мин.
7
50Fe – 42Ni – 8Co
650 °С, 180 мин.
800 °С, 90 мин.
950 °С, 30 мин.
8
50Fe – 33Ni – 17Co
650 °С, 180 мин.
800°С, 90 мин.
950 °С, 30 мин.
9
50Fe – 24Ni – 26Co
650 °С, 180 мин.
750°С, 90 мин.
950 °С, 30 мин.
10
40Fe – 40Ni – 20Co
650 °С, 180 мин.
870 °С, 60 мин.
950 °С, 30 мин.
11
33Fe – 33Ni – 34Co
650 °С, 180 мин.
870 °С, 60 мин.
950 °С, 30 мин.
12
20Fe – 20Ni – 60Co
650 °С, 180 мин.
870 °С, 60 мин.
950 °С, 30 мин.
13
10Fe – 10Ni – 80Co
650 °С, 180 мин.
870 °С, 60 мин.
950 °С, 30 мин.
14
61Fe – 31Ni – 6Co – 2Sn
650 °С, 180 мин.
800 °С, 90 мин.
950 °С, 30 мин.
15
55Fe – 28Ni – 15Co – 3Sn
650 °С, 180 мин.
750 °С, 90 мин.
950 °С, 30 мин.
16
44Fe – 46Ni – 10Co
650 °С, 180 мин.
800 °С, 90 мин.
950 °С, 30 мин.
Fe
90
10
49,03% Ni Fe2 O4
50,97% Fe2 O3
1
59,23%Ni Fe2 O4
40,77%Fe2 O3
30
74,56% Ni Fe2 O4
17,67% Fe2 O3
7,76% Co Fe2 O4
57,56% Ni Fe2 O4
35,99% Fe2 O3
6,44% Ni3 Sn
50
53,46%Ni Fe2 O4
46,54%Fe2 O3
83,71% Ni Fe2 O4 9
6,73% Fe2 O3
7,54% Co Co2 O4
2,02% Co Co2 O4 (ɞɪ)
11
70
34,71% Ni Fe2 O4 12
33,29% Ni Fe2 O4
65,29% Co O
(ɨɬɠɢɝ ɩɪɢ Ɍ=1100ɨɋ)
31,64% Co O
35,07% Co Co2 O4
7,41% Ni Fe2 O4
3,87% Fe2 O3
3,54% Fe3 O4
77,88% Co O
7,30% Co Co2 O4
13
(ɨɬɠɢɝ
ɩɪɢ Ɍ=1100ɨɋ)
Co
3
6
10
46,54% Ni Fe2 O4
40,48% Fe2 O3
12,99% CoFe2O4
2
5
8
15
14
45,24% Ni Fe2 O4
48,50% Fe2 O3
6,26% Ni3 Sn
70
64,62% Ni Fe2 O4
35,38% Fe2 O3
4
7
82,90% Ni Fe2 O4
17,10% Fe2 O3
16
10
50
85,77% Ni Fe2 O4
4,97% Fe2 O3
9,25% Co Co2 O4
54,76% Ni Fe2 O4
14,60% Co O
30,63% Co Co2 O4
68,85% Ni Fe2 O4
31,15% Fe2 O3
71,19% Ni Fe2 O4
28,81% Fe2 O3
30
15,62% Ni Fe2 O4
46,74% Co O
37,64% Co3 O4
30
10
50
70
90
Ni
Рис. 4. Состав оксидных фаз, образующихся в результате окисления при 650 ºС, 3 ч (первая серия
экспериментов), в зависимости от химического состава сплавов. Для сплавов 12 и 13, кроме того,
приведены сведения об оксидах после нагрева до 1100 ºС, 10 мин.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fe
ɨ
(710 ɋ;
2ɱ)
68% Fe2 O3
8,8% Fe2 O3
2,5% Fe O
20,7% Ni Fe2 O4
ɨ
(710 ɋ;
2ɱ)
63% Fe2 O3
10,9% Fe2 O3
26,1% Ni Fe2 O4
90
10
(650 ɋ;
3ɱ)
36,4% Fe2 O3
63,6% Ni Fe2 O4
2
3
30
ɨ
(750 ɋ;
1,5ɱ)
49,3% Fe2 O3
50,7% ( Ni, Fe) Fe2 O4
ɨ
(750 ɋ;
1,5ɱ)
37,4% Fe2 O3
60,8% ( Ni, Fe) Fe2 O4
1,8% Sn O2
50
ɨ
1
ɨ
7
11
Co
ɨ
10
30
ɨ
(800 ɋ;
1,5ɱ)
42% Fe2 O3
58% ( Ni, Fe) Fe2 O4
ɨ
(870 ɋ;
1ɱ)
2,7% Fe2 O3
97,3% ( Ni, Fe) Fe2 O4
ɨ
(800 ɋ;
1,5ɱ)
26,1% Fe2 O3
(870 ɋ;
9,7% Fe2 O3
34,5% Ni Fe2 O4
32,6% Ni Co2 O4
15,4% Co Ni O2
7,9% Co O
(870 ɋ;
1ɱ)
6,7% Fe2 O3
9,7% Fe3 O4
10,2% ( Ni, Fe) Fe2 O4
15,7% Co Ni O2
20,9% Co O
37% Co Co2 O4
13
10
ɨ
12
ɨ
(870 ɋ;
1ɱ)
0,7% Fe2 O3
1,1% ( Ni, Fe) Fe2 O4
25,1% Ni Co2 O4
23,2% Co O
42% Co Co2 O4
8% Co3 Fe7
50
16
ɨ
70
ɨ
(800 ɋ;
1,5ɱ)
48,2% Fe2 O3
51,8% ( Ni, Fe) Fe2 O4
4
8
(800 ɋ;
1,5ɱ)
22,8 % Fe2 O3
77,2 % ( Ni, Fe) Fe2 O4
ɨ
62,3% Fe2 O3
36,2% ( Ni, Fe) Fe2 O4
1,5% Sn O2
70
14
ɨ
(750 ɋ;
1,5ɱ)
6,3% Fe2 O3
81,4% ( Ni, Fe) Fe2 O4
12,3% Co Co2 O4
57,8% Fe2 O3
40,6% ( Ni, Fe) Fe2 O4
1,6% Sn O2
ɨ
15
9
(800 ɋ; 1,5ɱ)
61,4% Fe2 O3
37% ( Ni, Fe) Fe2 O4
1,6% Sn O2
(870 ɋ; 1ɱ)
5
6
(750 ɋ; 1,5ɱ)
30 73,9% ( Ni, Fe) Fe2 O4
10
50
70
Ni
90
Рис. 5. Состав оксидных фаз, образующихся в результате окисления при температурах от 650 до 870 ºС
(вторая серия экспериментов) в зависимости от химического состава сплавов
Fe
Ɉɬɠɢɝ ɩɪɢ Ɍ=950 ɨɋ;
IJ = 30 ɦɢɧ
28% (Ni,Fe)Fe2 O4
58% Fe2 O3
8,8% Fe2 O3
5,2% Ni O
56,4% (Ni,Fe)Fe 2 O4
31,5% Fe2 O3
7,5% Fe2 O3
4,6% Ni O
30
90
10
9
11
70
Co
12
13,9% (Ni,Fe)Fe2 O4
4% Fe2 O3
75,1%
Co O
13
7% Co Co2 O4
7,5% (Ni,Fe)Fe 2 O4
6,8% Fe2 O3
79,4% Co O
6,3% Co Co2 O4
10
5
15
70
14
4
7
8
43,8% (Ni,Fe)Fe2 O4
41,3% Fe2 O3
6,3% Fe2 O3
3,0% Ni Co2 O4
5,7% Ni O
50
16
89,4% (Ni,Fe)Fe2 O4
10,6% Fe2 O3
85,7% Ni0.6Fe2.4O4
6,9% Fe2 O3
7,4% Co O
56,5% CoO
43,5% Co3 O4
2
3
6
50
59% (Ni,Fe)Fe2 O4
29,9% Fe2 O3
3,9% Fe2 O3
36,9% (Ni,Fe)Fe 2 O4
7,2% Ni O
51% Fe2 O3
7,6% Fe2 O3
4,4% Ni O
1
76,9% (Ni,Fe)Fe2 O4
17,9% Fe2 O3
3% Ni O
2,2% Co O
76,2% (Ni,Fe)Fe2 O4
17,8% Fe2 O3
4,2% Ni O
1,9% Co O
18,7% (Ni,Fe)Fe2 O4
59,6% Fe2 O3
12,7% Fe2 O3
5,3% Co Fe2 O4
3,7% Ni O
30
50
10
7_26
31,1%Ni Fe2 O4
27,5%Fe.942 O
19,1%Fe3 O4
16%Ni O
6,3%CuO
70,2%(Ni,Fe)Fe2O4
19,2%Fe2O3
2,8%NiO
7,8%CoO
87,3% (Ni,Fe)Fe2 O4
4,3% Fe2 O3
8,5% Co O
42,8% (Ni,Fe) Fe2 O4
19,3% Fe2 O3
4,8% Fe2 O3
33% Co O
30
76,0 % (Ni,Fe)Fe2 O4
8,3 % Fe2 O3
10,9 % Ni O
4,8 % Co O
10
70
90
Ni
Рис. 6. Состав оксидных фаз (третья серия экспериментов), образующихся в результате окисления при
температуре 950 ºС 30 мин, в зависимости от химического состава сплавов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, Т.Н. Дроздова, И.В. Блохин… Особенности окисления трехкомпонентных сплавов на основе…
температуре окислительного отжига 870 ºС в сплаве 10 количество такого оксида достигает
97,3 %.
При приближении к концентрационным углам диаграммы (при увеличении количества
того или иного компонента в сплавах) нарастает количество индивидуальных оксидов на основе этих компонентов. Такими основными оксидами являются: для железа – Fe2O3, для кобальта
– CoO, для никеля – NiO. С повышением температуры окисления увеличивается количество таких индивидуальных оксидов вблизи соответствующих углов диаграммы. При температурах
окислительного отжига ниже 870 ºС ни в одном из исследованных сплавов не образуется оксид
никеля (NiO). Этот оксид обнаруживается только после отжига 950 ºС. Причем даже в самом
высоконикелевом из исследованных сплавов (16-м) количество NiO составляет только 10,9 %.
Таким образом, в присутствии кобальта в системе основными оксидными фазами становятся тройные оксиды типа NiFe2O4 с различным соотношением между железом и никелем
(NixFe2-xO4). Такие оксиды присутствуют во всех исследуемых сплавах, окисленных при всех
изученных температурных режимах, количество которых уменьшается по мере отклонения
от составов, отвечающих сплавам 8, 9 и 10 во всех направлениях изменения концентраций на
концентрационном треугольнике.
В порядке возрастания способности сплавов к формированию оксидов типа NiFe2O4 сплавы можно выстроить в ряд: 1-2-14-3-4-15-5-6-7-16-8-9-10. Дальнейшее продолжение этого ряда:
10-11-12-13, определяет уменьшение количества оксида NiFe2O4 и рост количества оксида кобальта CoO (рис. 7, 10).
Рис. 7. Изменение процентного содержания оксида NiFe2O4 в составе оксидных фаз в ряду сплавов 1 – 16
согласно табл. 2. Несколько точек для каждого сплава, последовательно для каждого сплава слеванаправо – образцы серий 1 – 3
– 147 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 8. Изменение процентного содержания оксида Fe2O3 в составе оксидных фаз в ряду сплавов 1 – 16
согласно табл. 2
Рис. 9. Изменение процентного содержания оксида NiO в составе оксидных фаз в ряду сплавов 1 – 16
согласно табл. 2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, Т.Н. Дроздова, И.В. Блохин… Особенности окисления трехкомпонентных сплавов на основе…
Рис. 10. Изменение процентного содержания оксида CoO в составе оксидных фаз в ряду сплавов 1 – 16
согласно табл. 2
С повышением температуры окислительного отжига выше 650 ºС существенно возрастает
в составе оксидных фаз количество оксида на основе железа, преимущественно гематита. Причем его содержание становится заметным даже в высококобальтовых сплавах (11, 12, 13) после
окисления при температурах 870 и 950 ºС (рис. 8).
В присутствии кобальта в сплавах существенно снижается содержание образующегося оксида никеля NiO (рис.9) или вообще исключается его образование при относительно невысоких
температурах (до 870 ºС) окислительной обработки.
В высококобальтовых сплавах с увеличением содержания кобальта резко возрастает доля
оксида кобальта CoO, особенно после высокотемпературной окислительной обработки при
950 – 1100 ºС (рис. 10).
Выводы
Установлены закономерности влияния химического состава сплавов на изменение фазового и химического составов оксидов, образующихся при термическом методе окисления поверхности сплавов системы Fe – Ni – Co. Экспериментально определены значения критических
точек фазовых превращений в оксидах, которые несколько отличаются при нагреве и охлаждении. Установлены области сплавов, на поверхности которых возможно получение оксида
NiFe2O4 в количестве более 80 – 85 %; показано, что в сплаве 40Fe – 40Ni – 20Co при температуре окислительной обработки 870 ºС достигается 97,5 % этого оксида; образование оксида
кобальта CoO в количестве до 75 – 80 % достигается в высококобальтовых сплавах в случае использования высокотемпературного окисления при температурах 950 – 1100 ºС; при более низких температурах образуются различные кристаллографические формы оксида типа Co3O4.
– 149 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, Т.Н. Дроздова, И.В. Блохин… Особенности окисления трехкомпонентных сплавов на основе…
Список литературы
1. Vittorio de Nora, Thinh Nguen. Inert anode: Challenges From fundamental research to
Industrial application / Light Metals 2009, Edited by: Geoff Bearne, TMS (The Minerals, Metals &
Materials Society), 2009. – p. 417 – 421.
2. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3 т. Т. 2 / под общ.
ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1997. 1024 с.
3. Окисление металлов: справочник / под ред. Бенара. М.: Металлургия, 1964. 448 с.
4. Лайнер В. И. Защитные покрытия металлов. М.: Металлургия, 1974.
Features of the Oxidation of Three-components Alloys
on the Basis of the Iron-nickel-cobalt System
Vitaly S. Bironta, Tatyana N. Drozdovaa, Ivan V. Blohina,
Elena N. Lyndinaa, Igor S. Yakimova, Svetlana V. Ponomarevaa,
Alexander O. Gusevb and Dmitry A. Simakovb
a
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
b
Engineering & Technology Center,
“RUS-Engineering” LLC Krasnoyarsk Office,
37 Pogranichnikov st., Krasnoyarsk, 660111 Russia
The article deals with characteristics of oxidation of three-component alloy of the Fe – Ni – Co system.
We demonstrate that the oxides composition is determined by the chemical composition of alloys
primarily. To a lesser extent, oxides composition depends on the temperature-time profiles of oxidative
treatment. Identified alloys composition and of oxidation Technology its, to obtain in the composition
of oxides 97.5% oxide type NiFe2O4. It has been shown that the presence of cobalt in the alloys, within
the investigated area of the alloy, decreases the likelihood of forming of nickel oxide NiO. This nickel
in the alloys composed mainly spent on formation with iron oxide and cobalt-type NiFe2O4, NiCo2O4
and some others.
Key words: The iron-nickel-cobalt system, oxides, oxidation annealing, phase transitions, the
conditions of oxidation.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2009 2) 151-159
~~~
УДК 66.048.6-542.41
Photoactive Oxide Films and Heterostructures Preparation
Tamara N. Patrusheva* and Galina N. Shelovanova
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia 1
Received 6.05.2009, received in revised form 27.05.2009, accepted 17.06.2009
The nanotechnology and molecular design should be used for the Dye Solar Cells (DSC) preparation.
In this paper, we present the extraction-pyrolysis technique for the photoactive oxide TiO2, Ti2ZnO4 and
conductive oxide InSnO films sensible by Ru-extract on glass substrate preparation. It is a low cost and
large-scale technique for nanosize oxide films obtaining. The attempts to use the photoactive oxides
TiZnO for the protection and enhancement of the Si photovoltaic cells were made. The properties of
heterostructures shown that the thin oxide film on the porous Si improve the photovoltaic performance
and long time stability of solar cells.
Keywords: oxide solar cells, nanostructure films, solution technique.
Introduction
High expenses for the manufactory restrain the development of solar cells power engineering.
The production cost of dye-sensitized solar cell (DSC) devices is low due to low cost material and
low energy demanding production methods [1-4]. The suitable technique for a big surface coating is
necessary to develop for the large-scale preparation of oxide electrodes. This problem can solve by
usage of the solution technique, which additionally provides the nanostructure materials obtaining.
The accumulation of the charge is more effective with the nanocrystalline oxide and the big surface
area of oxide film. The usage of solution techniques provides the creation of nanosize structure and the
homogeneity of oxide materials. The composite oxides of Ti, Zn, Sn, In are considered as a perspective
photoactive materials. But same elements are reduced the photo effect. The diffusion of Cu in TiO2
leads to the change of Shottky barrier [5]. Therefore, it is important to develop the technology for
obtaining pure homogeneous and nanosize oxide films on big surfaces.
O’Regan and Gratzel developed dye-sensitized solar cells in 1991. The coefficient of efficiency of
oxides solar cells is about 2 – 2,5 %. DSC provides the transformation of the solar energy to the electric
energy with less efficiency than silicon solar cells. The oxide elements have same advantages: the
protective properties of oxides increase the long time stability; the DSC reaction on a changing of the
light intensity and the angle of rays is low; DSC works effective by the low light and in shade. Finally,
dye-sensitized solar cells are more cheap and simple in preparation.
DSC is the photoelectric element in which the division of charges takes place on the boundary
of a semiconductor with the wide band gap and an electrolyte. The TiO2 films after the adsorption of
*
1
Corresponding author E-mail address: pat55@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 151 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara N. Patrusheva and Galina N. Shelovanova. Photoactive Oxide Films and Heterostructures Preparation
a dye show the high ability to the light adsorption and the high velocity of the electrons transit. The
solar light at the beginning is adsorbing by dye. The energy of dye molecules is carrying away to the
semiconductor oxide. The appeared current carriers are going through the electrolyte to the conductive
electrode.
The construction of DSC consists of two electrodes: a TiO2 film deposited on the ITO-coated
glass and the ITO-coated glass and electrolyte.. Usually a liquid electrolyte restricts the time of solar
elements existence due to the leak of electrolyte. Solid electrolytes on the base of conductive polymers
replace the traditional liquid electrolyte to overcome the problems of leakage and dye desorption [6,7].
In the planar construction of DSC the elements are located consecutively on the conductive glass [8].
Method and materials
TiO2 is one of the most studied oxide semiconductor materials in this regard because of its stability
in electrolytes. However, the band gap of TiO2 (3,2 eV) limits the absorption of sunlight to the highenergy portion (UV) of the solar spectrum. It reported earlier that attempts have been made to improve
the absorption of the visible light by the incorporation of substitution atoms into the lattice of TiO2
[9].
For the large-scale preparation of solar cells, the solution techniques are more suitable. We
are developing the extraction-pyrolysis technique for the elements of the DSC preparation by one
technology. The distinctive peculiarity of the extraction-pyrolysis technique is in the usage of the
extraction for the precursor’s synthesis. After mixing the solutions of extracts and deposition on the
substrate and thermal decomposition the homogeneous oxide material with set content and without
impurities is obtained.
The photoactive films TiO2, Ti2ZnO4 we obtained by the extraction-pyrolysis technique. The
carboxylic acids (C5 –C9) used as an extragent. The mixture of carboxylic acids is the second product
of the oil remaking and has the low cost. Individual metal extracts obtained from inorganic salts and
the following mixture carried out in the necessary proportion in solution that provides the homogeneity
of composite oxides. The concentration of extracts defined more precisely by Atomic Adsorption
measurements (AAS).
The liquid extracts deposited on transparent conducting ITO-glass sheets prepared by the same
technique. Thin films deposition on glass substrates carried out by spin coating and spray techniques.
After the heat treatment in air at 450 °C during 1 - 3 min the nanostructure film electrode was
obtained.
The film microstructure studied using an atomic force microscope Solver P47 (NT-MDT, Russia).
XRD pattern was recorded with a Rigaku RINT2400 X-ray diffraction. The photo response was
measured in the dark and by using the electric lamp of 50 – 100 Wt.
The dye adsorption of the nanostructure Ti2ZnO4 electrode carried out by the soaking of the film
in a 0.5 mM solution of Ru-extracts.
Results and discussion
Thermal investigations have shown that metal carboxylates obtained by extraction are decomposed
at 300 – 450 °C without loosing elements. The pyrolysis of the wetting film leads to the porous oxide
layer formation. The following deposition of extracts fills pores and the continuous layer is formed.
– 152 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara N. Patrusheva and Galina N. Shelovanova. Photoactive Oxide Films and Heterostructures Preparation
Fig. 1. XRD diagram of ZnTi2O4 film, prepared by extraction-pyrolysis technique after annealing at 550 °C during 10 min
After the 10-15 layers deposition the annealing at 500 – 650 °C during 5 – 30 min was made. The
counter electrode InSnO prepared by the extraction-pyrolysis technique as was described above [10].
Films thicknesses were determined by the surface tension of the solution and one layer of oxide
film was evaluated as about 15 – 17 nm and hence 10-layers films was about 100 nm.
Thin films TiO2 and Ti-Zn-O obtained by the extraction-pyrolysis technique were able to
photocurrent produce by the lightning with electric lamp. The composite oxide Ti2ZnO4 showed higher
quantum yield than TiZnO3 TiZn2O4 and TiO2.
The process of the phase formation of the composite oxide Ti2ZnO4 was investigated by the X-ray
diffraction. It was determined the crystalline phase of ZnTi2O4 is formed after annealing at 550 °C
during 10 min (Fig. 1).
The structure of the material and the size of crystallites
have a great influence on the efficiency of functional
materials. Nanosize structures usually show high efficiency.
The solution technique allows to obtain the nanostructure
materials. Microstructure of ZnTi 2O4 film, prepared by
extraction-pyrolysis technique, show the round grains
uniformed by size and form. Assemblies of grains with
diameter 100 nm consist of smaller grains with diameter
abour30 nm (Fig. 2).
Photocurrent–voltage characteristics of Ti 2ZnO 4
film showed the photo activity of the obtained material. Fig.2. Microstructure of Ti2ZnO4 film
The quantity of carriers is growing under the inf luence
of light (Fig. 3).
The optimal conditions of TiO2 films annealing and the optimal thickness of films were established.
The maximal efficiency of In0,9Sn0,1O - TiO2 – Ru-extract multilayer coating on the glass was found at
the annealing temperature 600 °C (Fig. 4). The increase of films thickness from 100 to 300 nm leads
to increase of photocurrent.
The change of the TiO2 active material to Ti 2ZnO 4 leads to improving of photocells
characteristics (Fig. 5). Previous results of photocurrent measurements of TiO2 and Ti-Zn-O films
– 153 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara N. Patrusheva and Galina N. Shelovanova. Photoactive Oxide Films and Heterostructures Preparation
Fig. 3. Photocurrent–voltage characteristics of Ti2ZnO4 film on glass
Fig. 4. Dependence of the photo response from the annealing temperature and the thickness of films in the system
In0,9Sn0,1O- TiO2–Ru-extract
on the glass showed that Ti 2ZnO 4 composition has the maximal photo activity and exceed TiO2 by
40 - 50 %. The efficiency of the solar cell with Ti 2ZnO 4 films exceeds the efficiency of solar cell
with TiO2 films by 45 %.
The thickness of Ti-oxide film has a big influence on the photocurrent. By the lighting of thicker
film the quantity of executed electrons is increased and more electrons are able to go across the potential
barrier and the photocurrent is increased. However, the increase of the photocurrent with growing of
the film thickness is accomplished with the slowing down due to the increase of the mechanical tension
of the film on the substrate.
The lighting by lamps of 40, 60, 100, 120 and 140 Wt is carried out during the experiment. At the
low intensity of the beam, the value of the photocurrent is in the direct dependence of the light power.
The sufficient power of the light for curries receive necessary energy for getting over of the potential
barrier and the photocurrent appearing is about 30 - 40 Wt . The photocurrent was absent at the
– 154 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara N. Patrusheva and Galina N. Shelovanova. Photoactive Oxide Films and Heterostructures Preparation
Fig. 5 Dependence of the photocurrent from the annealing temperature in the system In0,9Sn0,1O–Ti2ZnO–Ruextract films on the glass
Fig. 6. Dependence of the photocurrent from the power of lighting in The solar cell element In0,9Sn0,1O–Ti2ZnO–
Ru-extract
darkness. At the increase of lamp power, the photocurrent increased too. The growing of photocurrent
lowered when the power of light had reached 100 Wt (Fig. 6).
The solar cell contained two electrodes from glass coated with In0,9Sn0,1O3 and In0,9Sn0,1O3/Ti2ZnO4
sensitized by the Ru-extract and LiOCl in the polycarbonate electrolyte was constructed. The photo
current value in In0,9Sn0,1O3/Ti2ZnO4/Ru hetero-stricture reached 1,5 mkA/cm 2 an the power of the
lamp 100 Wt.. The efficiency of the solar cell was about 2,5 %. The efficiency of the solar cell depends
on the lightening intensity and electrolyte concentrations.
– 155 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara N. Patrusheva and Galina N. Shelovanova. Photoactive Oxide Films and Heterostructures Preparation
In the oxide solar cells comparison with silicon solar sells the changing of light intensity leads
to less change of photocurrent value. For the improving of the efficiency of solar cells the additional
reflectors and accumulated light lenses are used.
Heterostructure solar cell
An alternative approach to effective solar cells is the Heterostructure cells creation. Scientists
from Ioffe-FTI, Sankt Petersburg developed the first hetero transition in the thin internal layers.
Heterostructure solar cells include the combination of crystalline and amorphous Si, the wide band
gap window from AlGaAs on Si, multilayer structures with 2 – 5 p-n transitions and materials with
different width of the band gap. Such heterostructures can increase the efficiency to the theoretical
value.
One of the advantage material of solar cells energetic is porous silicon (Si-por). Si-por has a big
surface area that is an important factor of the battery efficiency.
We investigated the processes of the porous Si formation by two techniques: electrochemical and
electro-erosion.
The reproduction and the porosity of porous silicon\ depend on numerous factors such as the density
of current, the type of semiconductor conductivity, the level of alloying of material, the composition
of electrolyte and etc. For the reproductive formation of the porous silicon, we propose the electrical
erosion technique in the flash regime. The properties of as prepared matrix depend only on the specific
resistance of the semiconductor and the energy of discharge. The degradation of such porous matrix
is significantly lower (Fig. 7). The diameter of pores formed by electro-erosion method is significantly
more (0,1 – 0,5 mkm) than diameter of pores formed by electrochemical method ( 0,01-0,1 mkm)
We found that at the electrochemical formation of porous Si the obtained surface area and the
photocurrent density are more than by the electro-erosion preparation (Fig. 8).
We used the porous Si formed by electrochemical method for the following experiment. The
stability of the photocurrent in Si and Si-por is low (fig 8). The velocity of the degradation is increased
by lowering of the pores diameter. Therefore, it is necessary to provide the protection from external
factors. It is expediency to use the photoactive oxide films as protective coatings.
Fig. 7. The dependence of current density (Jc) from time (T) for porous Si a) EC, b) EE
– 156 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara N. Patrusheva and Galina N. Shelovanova. Photoactive Oxide Films and Heterostructures Preparation
Fig. 8. Photocurrent–voltage characteristics of Si-por/Si (1) and Si (2)
Fig. 9. Efficiency of photoactive heterostructures Si-por and Si-por/Ti2ZnO4
We tried to create the hetero structure of the photoactive oxide thin films with porous silicon.
The surface solution process can prepare an ultrathin metal oxide film on the substrate. This process
is consists of tree steps: chemisorptions of Ti,Zn-carboxilates, drying and annealing. Uniform metal
oxide films can be prepared with reproducible thickness by this process. In the present study, we applied
this process to Si porous as a substrate. Extracts of Ti and Zn mixture were selected as precursor.
We can expect the increase of the system Si-por/TiO2 efficiency. The width of the band gap of
TiO2 is 3,2 eV. The barrier for electrons on the Si/TiO2 boundary is 1,0 eV. The difference of band gaps
between Si and TiO2 provides the light transition from the wide band gap window without adsorption,
and the total conductivity of system is increased.
Photoactive oxide films Ti2ZnO4 with a protective function was deposited on the porous Si by
extraction-pyrolysis technique. The prepared extracts of Ti and Zn was mixed in the solution in the
proportion Ti:Zn = 2:1 and deposited on the Si-por by the drop rotation.
The thickness of the oxide film evaluated by the surface tension of the solution and the pressure in
the wetting film. The optimal thickness of the oxide film was determined as 30 – 50 nm. The increase
of oxide film thickness decreases the photocurrent of the heterosystems Sipor/Ti2ZnO4.
The main role in the curriers generation belongs to Si. The charge transition brings about injected
electrons and holes from Si and photoelectrons from the Ti2ZnO4 film.
– 157 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara N. Patrusheva and Galina N. Shelovanova. Photoactive Oxide Films and Heterostructures Preparation
The thickness and the resistivity of porous Si layer is important in Si-por/Ti2ZnO4 heterostructures.
The dependence of the current density on the thickness of the porous Si layer (Fig. 10) shown that the
optimal thickness of the porous Si layer is 3,5 mkm and resistivity 10 Om/cm.
The optimal temperature of annealing of Si-por/Ti2ZnO4 heterostructures was determined as 450
°C because the increase of annealing temperature leads to lowering of photocurrent.
The photo response of the heterostructure “porous Si – photoactive oxide” have been evaluated as
8,5 % by usage of pressing contacts what is more than values of the porous matrix (Fig.9).
Conclusions
For the mass production and in order to provide the quickly grow of solar power endineering the
reducing of materials cost is necessary. The micro- and nano-electronic devices demand simple and
low power courses of energy. Our investigations show that solar cell In0,9Sn0,1O – Ti2ZnO4 sensitized by
Ru-extract allows to obtain the photocurrent 2,3 mV at the thickness of films 100 nm and the optimal
temperature of annealing 550 °C.
The possibility to increase of solar cells efficiency is shown by the example of heterostructures Sipor/Ti2ZnO4. Because the main role in the curriers generation belongs to Si, the thickness of oxide film
should be low. The optimal thickness of Ti2ZnO4 film with protection properties is found as 50 nm.
This work was supported by Russian Federal Found on Investigations and Krasnoyarsk
Fond of Science 07-03-96803.
References
1. O’Regan B. Solar cell on the base of TiO2 / O’Regan B., Gratzel M // Nature. – 1991 – V. 335.
С. 737.
2. Miyasaka Tsutomu. Efficient nonsintering type dye-sensitized photocells / Miyasaka Tsutomu,
Kijitori Yujiro, Murakami Takurou N. // Chem. Lett. 2002. – № 12. – С. 1250 – 1251.
3. Rahman M. Y. A. Effect of ionic conductivity of a PVC-LiClO4 based solid polymeric electrolyte on the performance of solar cells of ITO/TiO2/PVC-LIClO4/graphite / Rahman M. Y. A., Salleh M.
M., Talib I. A., Yahaya M. // J. Power Sources. 2004. – 133. – № 2. – С. 293–297.
4. Hao Sancun. The influence of acid treatment of TiO2 porous film electrode on photoelectric
performance of dyesensitized solar cell / Hao Sancun, Wu Jihuai, Fan Leqing, Huang Yunfang, Lin
Jianming, Wei Yelin // Sol. Energy. 2004. – 76, – № 6. – С. 745 – 750.
5. Luo Xin-lian. Two zones conductivity of Ti oxide / Luo Xin-lian, Lan Ding, Wan Fa-rong, Long
Yi, Zhou Hai-ying, Ye Ya-ping // Gongneng cailiao yu gijian xuebao = J. Funct. Mater. and Devices.
2003. – v.9. – № 4. – С. 385 – 390.
6. Kang J. Gel polymer electrolytes based on a novel quaternary ammonium salt for dye-sensitized solar cells / Kang J., Li W., Wang X., Lin Y., Li X., Xiao X., Fang S. // J. Appl. Electrochem.
2004. – 34, № 3 – С. 301-304.
7. Komiya Ryoichi. High efficient quasi-solid state dye sensitized solar cell with ion conducting polymer electrolyte / Komiya Ryoichi, Han Liyuan, Yamanaka Ryohsuke, Mitate Takehito // 21 International Conference on Photochemistry, Nara, July 26-31, 2003 : ICP 21. Nara,
2003. – С. 558.
– 158 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Tamara N. Patrusheva and Galina N. Shelovanova. Photoactive Oxide Films and Heterostructures Preparation
8. Mardare Diana. On the structure of titanium oxide thin films / Mardare Diana, Rusu G. I. // An.
~Esti. Univ. Ia~Esi. Fiz. star. condens. 1999-2000. – v. 45-46. – С. 201–208.
9. Pichot F. Low-temperature sintering of TiO2 colloids: application to flexible dye-sensitized solar
cells / Pichot F., Pitts J. R., Gregg B. A. // Langmuir: The ACS Journal of Surfaces and Colloids. 2000.
– v. 16 – № 13 С. 5626–5630.
10. Патрушева Т.Н., Виноградов С.А., Махновская Н.В., Романченко А.Н., Коловский Ю.В., Шелованова Г.Н., Холькин А.И. Проводящие прозрачные оксидные пенки,
полученные экстракционно-пиролитическим методом // Химическая технология. – 2007.
– № 5. – С. 197 – 200.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2009 2) 160-166
~~~
УДК 621.315.5
Investigation of Electric Characteristics of Contact Assemblages
with a Powder Damping Interlayer
Vladimir I. Kirkoa*, Egor I. Stepanova,
Sergey S. Dobrosmislova,
Alexandr O. Gusevb and Dmitry A. Simakovb
a
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
b
Engineering & Technology Center,
“RUS-Engineering” LLC Krasnoyarsk Office,
37 Pogranichnikov st., Krasnoyarsk, 660111 Russia 1
Received 6.05.2009, received in revised form 27.05.2009, accepted 17.06.2009
In our work there were investigated thermal electrophysical characteristics of coaxial contact
assemblages, made of a steel current carrying rod, steel or cermet sleeve and filled with an iron or
nichrome powder. As a result of heating up to 950 ºС the iron powder was shown to be sintered and
develop a highly conductive and damping medium that can be used for making contact junctions of
materials having very different linear expansion coefficients.
Key words: resistance, contact assemblage, cermet.
Introduction
Nickel ferrite-based cermets and SnO2-based ceramics are perspective materials to create nonconsumable anodes for aluminium electrolysis [1]. The materials have high electrical conductivity at
the electrolysis temperatures (900-1000°С), sufficient thermal shock resistance as well as sufficient
chemical resistance to electrolyte.
One of the problems of utilizing cermet and ceramic materials as the anodes is the electrical
contact between a metal current carrying rod and the anode bulk because materials which they are
made of have as a rule different linear expansion coefficients (LECs). Conventional methods of making
the contact junction by heating may lead to cracking.
In papers [2-4] different engineering solutions are considered on making high temperature
electrical contacts of materials having very diverse linear expansion coefficients. There was suggested
to use different discrete conducting mediums such as metal balls, conducting powders and foam
metals as compensators of the thermal linear expansion. Quality and high temperature stability of the
electric contact greatly depends not only on the degree of interelectrode space filling with the discrete
conducting medium, but also on the mutual interaction between the medium and electrode material.
*
1
Corresponding author E-mail address: director.nifti@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 160 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov… Investigation of Electric Characteristics of Contact Assemblages with…
The aim of our paper is to investigate high temperature electrical characteristics of the contact
assemblages with metal powder damper as well as interaction zones between the damping powder and
current carrying rod materials.
Experimental
The experimental setup layout is presented in Fig. 1.
4
A
5
V
2
1
‡6
‡12
‡2
3
35
50
35
Fig. 1. Experimental setup layout for measuring electric contact properties of materials with very diverse linear
expansion coefficients: 1 - cylindrical steel current carrying rod (anode), 2 - cylindrical sleeve (cathode), 3 – iron,
nichrome powder, 4 – amperemeter, 5 - microvoltmeter, 6 - sealer. The cylindrical sleeve material is steel, cermet
of the composition is NiFe2O4 – 18%NiO – 17% Cu
Cylindrical steel current carrying rod 1 (anode) was put into the cylindrical steel sleeve 2 (cathode).
The space between the sleeve and rod was filled with the iron or nichrome powder. A direct current (DC)
between the anode 1 and cathode 2 was applied with a DC source and registered with the amperemeter
4. The voltage drop between them was measured with microvoltmeter 5. The contact assemblage was
put into a muffle furnace. Measuring was carried out within a temperature range 20 – 950 ºС.
After the experiments had been finished the contact assemblages were crosscut and contact zones
were observed with raster electron microscope.
Results and discussion
The overall contact resistance can be calculated according to the following formula:
R = R1 + R 2 + R3 ,
(1)
where R1, R3 – contact resistances on the rod-medium and medium-sleeve interfaces, respectively, R 2resistance of the discrete medium layer which in turn can be calculated by the formula:
r
U
R2
ln 1 , (2)
2S L r2
where ρ – the discrete medium resistivity, r2, r1 – external and internal radii of the rod and sleeve,
respectively.
r1
1 § 1
1 ·
U
ln the
,
R1 R2 assemblage
R3
¨can be determined
¸
Thus, the overall resistance of the contact
by
¨
¸
2S L © V R1 r1 V R3 r2 ¹ 2S L r2 following
formula:
– 161 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
r
U
ln 1 ,
S
2
L
r
2
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov… Investigation
of Electric Characteristics of Contact Assemblages with…
R2
R1 R2 R3
r
1 § 1
1 ·
U
ln 1 ,
¨
¸
¨
¸
2S L © V R1 r1 V R3 r2 ¹ 2S L r2 (3)
where σR1- a conductivity of the discrete medium-steel contact, σR3 - a conductivity of the discrete
medium-sleeve material contact, L- generatrix length of the sleeve.
Conductivities of a contact between the discrete and continuous mediums in a closed volume as
well as that of the discrete medium alone depend on a pressure applied to the contact and on an internal
pressure inside the medium, respectively. In turn, the both pressures above depend on a degree of the
thermal volume change of the material between the sleeve and rod, as well as on the thermal increase
degree of a specific volume of the powder.
The volume change between the internal volume of the sleeve and the volume of the rod is
determined by the formula:
V2 – V1 = π L [ r1 2 – r2 2 + 2 (T – T0)• ( α1r1 2 – α2 r2 2) ],
(4)
where α2 and α1 – linear expansion coefficients of the rod and sleeve materials, respectively, Т –
temperature.
From the formula 4 it follows that the discrete medium contraction and therefore the decrease of
the contact resistance will take place when r22 ⁄r12 > α1 ⁄α2.Otherwise, the discrete medium density will
be decreasing with increasing the contact resistance. To the latter there will be proceeding a concurrent
process of the volumetric thermal expansion of the medium itself in the confined space which naturally
will be leading to increasing the internal pressure and decreasing the resistivity of the medium and
contact resistance.
Resistance data of the contact assemblage filled with the iron and nichrome powder versus
temperature is presented in Fig. 2. Here the sleeve material was steel.
Fig. 2. Resistance data of the steel sleeve contact assemblage filled with the iron (А1- first heating, А2 and А3 –
second and third heating) and nichrome powder (В1- first heating, В2 и В3 – second and third heating) versus
temperature
– 162 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov… Investigation of Electric Characteristics of Contact Assemblages with…
As can be seen from the figure the curves can be divided into several parts. Part 1 (up to 250 ºС
for Fe powders and 450 ºС for NiCr ones) is characterised with a slight decrease of the resistance that
may be associated with a densification of the powder at its thermal expansion. Part 2 (250 - 450 ºС for
Fe powders and 450 - 650 ºС for NiCr ones) is characterised with a rapid decrease of the resistance with
temperature. Regardless of the volume increase between the rod and internal surface of the sleeve the
resistance decrease can be explained with the following reasons:
- further thermal expansion of the powder and increase of the overall contact spot number both
between its particles and at the powder-metal interface;
- semiconductor temperature dependence of the oxide film resistance on surfaces of powder
particles and current carrying rods.
In case of the assemblage filled with nichrome powder compared to that with the iron powder filling
a temperature shift of the beginning of the contact resistance decrease toward a higher temperature
region is explained with a higher thermal stability of nichrome oxide films in comparison with those
of iron.
Part 3 (450 - 750 ºС for Fe powders and 650 - 900 ºС for NiCr ones) is characterised as a thermal
resistance stabilisation that seems to be caused by a deficiency of the internal powder pressure to
further increase contact spot areas due to the thermal increase of the internal volume.
For the iron powder there exists one more region at Т>750 ºС where the curve has a break and the
resistance decreases steadily. This is associated with the beginning of the iron transition from α- to
γ-phase.
Further measurements of the iron filler resistance versus temperature (curves A 2 and A3) exhibited
a stable metallic dependence that means sintering of the powder in the assemblage.
As to the nichrome powder at the repeated heating the character of the temperature dependence
of the resistance is the same both at first and further treatments (curves B2 and B3). This witnessed to
an absence of sintering that was confirmed by the specimen opening.
In case of the nichrome powder at repeated heating the feature of the resistance dependence
versus temperature is that the initial resistance of the contact assemblage at temperatures up to 550ºC
is lower than at first heating. And at higher temperatures it is higher. This can be explained as follows.
At cooling after first heating the overall contact spot area in the nichrome powder and at the contact
powder-steel interface remains partly unchanged providing hysteresis behaviour of the resistance. The
shift of the temperature dependence toward higher temperatures can be caused by the powder being
densified enough after first heating. And there are necessary higher temperatures for the pressure to
reach a value at which extra contact spots appear.
In Fig. 3 there is presented a SEM image of the contact zone between sintered Fe powder and the
central current carrying rod as well as one of the sintered powder region.
As can be seen from the image quite a good contact was created between the sintered Fe powder
and the surface of the rod that provides a gradient junction of the solid metal to the damping porous
structure.
The porous structure was made as a result of sintering initial Fe particles of several microns in size.
There is also seen from Fig. 3 that some corrosion of the rod surface occurred to a depth of 50 μm.
To investigate the interaction of the Fe powder medium with the cermet material at sintering
experiments were carried out where as the sleeve material the cermet NiFe2O4- 18%NiO-17%Cu was
– 163 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov… Investigation of Electric Characteristics of Contact Assemblages with…
2
1
(ɚ)
(b)
Fig. 3. a - SEM image of the contact zone between sintered Fe powder (1) and the central current carrying rod (2);
b - sintered powder region
Fig. 4. Temperature dependences of the contact assemblage resistance: 1 – first heating, 2 – second heating, 3 - third heating. The contact assemblage is filled with the Fe powder, the sleeve is made of the cermet
NiFe2O4- 18 % NiO-17 % Cu
used. The linear expansion coefficient of the cermet was α = 11-13•10 -6 1⁄deg, that is, it was equal to
the iron’s one [5].
Resistance data versus temperature at triple heating and cooling is presented in Fig. 4.
In Fig. 4 the character of the temperature dependence of contact resistance is the same as in case
of the Fe sleeve at first heating. Here however the resistance decrease within the temperature range
up to 500ºС is associated first of all with decreasing the resistivity of the cermet itself and the contact
resistance of the cermet-Fe powder interface. This is confirmed by temperature dependences of the
contact assemblage resistance being practically the same both at first and further heat treatments when
the Fe powder had sintered. At temperatures higher 600ºС the cermet resistance reaches the value
of the sintered powder one that is confirmed with the curve breaks caused by ferromagnetic and α-γ
transitions in iron.
– 164 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov… Investigation of Electric Characteristics of Contact Assemblages with…
1
2
3
4
(ɚ)
(b)
Fig. 5. SEM image of a cross section of the steel rod − Fe powder − cermet contact assemblage (a) and the image
of the sintered Fe powder-cermet interface (b). 1 – a region of the rod, 2 – a region of the sintered powder, 3 transitional cermet zone, 4 - the cermet region
In Fig. 5a there is presented the SEM image of a cross section of the contact assemblage made
of the steel current carrying rod, Fe powder and the cermet after the triple heating up to 950 ºС. In
Fig. 5a there is also presented the X-ray spectrum analysis data of the element distribution along
its radius.
The image of the sintered Fe powder-cermet interface after the triple heat treatment with
intermediate coolings is given in Fig. 5b.
In the contact interface image there are areas of the powder that have sintered with the cermet
material and also those that haven’t. But in spite of triple increase of the internal volume during heating
leading to tension cracks were found neither in the sintered powder nor in the cermet. This is evidenced
a rather good damping ability of the sintered Fe powder. Moreover a brighter region 3 was found at
the sintered Fe powder–cermet interface. It doesn’t differ in elemental composition from the cermet
itself.
Conclusions
In our work there were investigated thermal electrophysical characteristics of coaxial contact
assemblages, made of a steel current carrying rod, steel or cermet sleeve and filled with an iron or
nichrome powder. As a result of heating up to 950 ºС the iron powder in the contact assemblage was
shown to be sintered and develop a highly conductive and damping medium that can be used for
making high temperature and conductivity contact junctions of materials having very different linear
expansion coefficients.
Acknowledgments
The authors wish to thank “RUSAL Engineering Co Ltd” for the assistance in the preparation of
this paper as well as Bukaemsky A.A. for electron microscopy investigations.
– 165 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov… Investigation of Electric Characteristics of Contact Assemblages with…
References
1. I.Galasiu. Inert Anodes for Aluminium Electrolysis ⁄ R.Galasiu, J.Thonstad ⁄⁄ 1st edition,
Aluminium – Verlag , Marketing&Kommunikation.
2. Latvaitis J.D. Nickel foam pin connector for inert anodes /J.D.Latvaitis, R.M.Dunlap,K.
Butcher//Patent USA No: 7,316,577 B2, Jan.8.2008.
3.E.D., Astolfo LeRoy.Inert anode electrical connection / LeRoy, E.D,Astoflo, R.Lee Troup//
Patent USA No : 7,169,270 B2. Jan.30.2007.
4. E.D.,Astolfo Leroy. Mechanical attachment of electrical current conductor to inert anodes ⁄
Lower Burrel ⁄⁄ Patent USA №‫ ׃‬6,805,777 B1.Oct.19,2004.
5. Ivanov V. V. Thermal properties of ferrite-Cu cermets⁄⁄ Perspectivnie materiali, tehnologii,
konstrukcii, 5th issue, Krasnoyarsk, 1999, pp. 99-102.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2009 2) 167-176
~~~
УДК 621.777: 621.777:22
Расчет контактных напряжений
при совмещенной прокатке-прессовании
С.В. Беляев*
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 6.05.2009, received in revised form 27.05.2009, accepted 17.06.2009
В статье представлена методика расчета контактных напряжений процесса совмещенной
прокатки-прессования с учетом асимметрии и реологии деформируемого металла. Приведен
пример расчета энергосиловых параметров для процесса СПП. Выполнено сравнение
энергосиловых параметров двух разновидностей СПП - с одним и двумя приводными валками.
Ключевые слова: совмещенная прокатка-прессование, контактные напряжения, энергосиловые
параметры.
Введение
В теории совмещенной прокатки-прессования (СПП), как и в теории других процессов
ОМД, важное практическое значение имеет определение контактных напряжений. От величины и характера распределения контактных напряжений по длине очага деформации зависят
энергосиловые параметры процесса СПП, которые служат основными критериями при разработке технологии и проектировании оборудования для процесса СПП.
В настоящее время одним из наиболее распространенных методов определения контактных напряжений является совместное решение уравнений равновесия и пластичности, в частности решение дифференциального уравнения прокатки с определенными граничными условиями и упрощающими допущениями.
Впервые математический анализ контактных напряжений при прокатке проведен Т. Карманом [1], а затем А.И.Целиковым [2], который рассмотрел более общий случай, когда прокатываемая полоса при входе в валки и выходе из них подвергается натяжению, и получил
следующее уравнение:
dp X
( E LV S r
W dhX )
,
tgM X hX
(1)
где знак плюс – для зоны опережения, а знак минус – для зоны отставания; β L = 1,15 –
E L 1,15
коэффициент вида напряженного состояния
Лоде; σ S – сопротивление металла деформации;
τ – напряжение трения; hX и ϕ X – текущая высота и центральный угол очага деформации.
VS
*
1
Corresponding author E-mail address: 244812@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights hreserved
X
– 167 –
MX
W
PV S ,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С.В. Беляев. Расчет контактных напряжений при совмещенной прокатке -прессовании
Конкретные решения уравнения (1) могут быть разными в зависимости от выбора закона
трения, изменения геометрических характеристик очага деформации ϕ X , hX и других условий.
Методика расчета давления и силы прокатки в прямоугольных (ящичных) калибрах разработана В. М. Клименко [3]. В работах В.Н. Выдрина и Л.М. Агеева [4], В.М. Салганика и
А.М. Песина [5] представлены методики, расчетные алгоритмы и результаты численного исследования на ЭВМ контактных напряжений при асимметричной прокатке. Однако формулы
для определения энергосиловых параметров, полученные для условий прокатки в гладких и
сортовых валках, не применимы для процесса СПП.
Теоретические исследования контактных напряжений для процесса СПП в работах Н.Н.
W dhX
dp X ( E L[7]
)
,
V S rбыли получены
Довженко и С.Б. Сидельникова [6], В.Н. Корнилова
на основе математиtgM X hX
ческой модели симметричного очага деформации, что требует проведения дополнительного
анализа и создания новой методики для их определения.
E 1,15
L
Методика расчета контактных
напряжений
VS
для процесса совмещенной прокатки-прессования
hX для процесса СПП примем, что изменение сил
W dhXуравнения
При выводе дифференциального
dp X ( E LV S r
)
, W
dhX
tgX M X ( E hLVXа Sостальные
r
) допущения
,
трения подчиняется законуdpЗибеля,
будут такие же, что и у А.И. ЦеtgM XM X hX
ликова [2]:
E L 1,15
E L 1,15
W PV S , (2)
VS
где μ – коэффициент трения.
VS
hx dx
При определении
контактных
напряжений
используем совместное решение уравнений
hX
h
Mx
равновесия и пластичности для
каждой характерной
зоны асимметричного очага деформации
X
при СПП.
MX
n
MX
Вначале рассмотрим равновесие
элемента
высотой
выделенного в
Fix (V xhx +
dVdxx )(иhxтолщиной
dhx )b Vdx,
¦
x hx b 2 px bRɉɊ sin M dM B W 1bRɉɊ dM B
i 1
W PV
S , прокатки (рис. 1). Его
очаге деформации
зоны
положение определяется углом ϕ x или коордиW PV S ,
B (W bRɉɊ dM 2W K h1 RɉɊ dM ) 0,
натой x. При этом начало координат поместим в2точке
О, а ось x направим в противоположном
hx dx
направлении движению металла.
hx dx
W 1 , W 2 ,W K
Найдем сумму горизонтальных проекций всех сил, действующих на выделенный элеMx
Mx
мент:
2 R1 R2
RɉP
n
R R
Fix (V x n dV x )(hx dhx )b V x hx b 1 2 px 2bRɉɊ sin M dM B W1bRɉɊ dM B
¦
i 1
¦ Fix (V x dV x )(hx dhx )b V x hx b 2 px bRɉɊ sin M dM B W1bRɉɊ dM B
B (W 2bRɉɊ dM i 21W K h1 RɉɊ dM ) 0, V x dhx hx dV x 2 px RɉɊ sin M dM B W 1 RɉɊ
dM B (W 2 RɉɊ
(3)dM 2W K h1 RɉɊ dM /
B (W 2bRɉɊ dM 2W K h1 RɉɊ dM ) 0,
hx h–1 для
RɉɊ
M 2 ; отставания;
dhx 2 RɉɊM dτM
; dV
dpx ; sin M # M ; px V x
,W K опережения, а знак минус
где знак плюс –Wдля
зоны
1 ,W 2 зоны
1 ,τ 2 ,τ Kx – напряжения
W 1 , W 2 ,W K
трения на верхнем и нижнем валках и на боковых стенках калибра соответственно;
V S RɉɊ
2m h
2 R1 R2
[2E LM B P1 B P2 (1 K 1 )]dM ,
dpx
RɉP
2 R1 R2
2
b
h1 RɉɊрадиус
M
R1 R2RɉP
– приведенный
прокатки.
(4)
R1 R2
E LV
V dhx hx dV x 2 px RɉɊ sin M dMmBK W 1 RWɉɊ
0.
K dWM
2 B (W 2 RɉɊ d M 2W K h1 RɉɊ d M / b)
Сократив всеx слагаемые
(3) на ширину калибра
b, раскрыв скобки и пренебреVуравнения
0.
x dhx hx d V x 2 p x RɉɊ sin M d M B W 1 RɉɊ d M B (W 2 RɉɊ d M 2W K h1 RɉɊ d M / b)
гая бесконечно малыми величинами
второго порядка, 2получим:
h; sin M # M ; px V x E LV S ; W 1 P1V S ; W 2 P 2V S .
hx h1 RɉɊM 2 ; dhx 2 RɉɊ2M dM ; dV xh0 dp
h 2 R M dxM1 ;. dV
hx h1 RɉɊM ; dh
dpx ; sin M # M ; px V x E LV S ; W 1 P1V S ; W 2
x
– xCP
168 –ɉɊ 3
dpx
V S RɉɊ
2m h
[2E LV
M SBRPɉɊ1 B P2 (1 V K R1 )]dM , 2mK h1
2m h
h1 RɉɊdp
M 2x
[2E
pxLM B PbSD1 BɉɊP2[(1
E LM 2 B P1M)]BdMP,2M (1 K 1 )] CD ,
b
h1 RɉɊM 2
hCP
b
Fix (V x dV x )(hx dhx )b V x hx b 2 px bRɉɊ sin M dM B W1bRɉɊ dM B
¦
n
W 1 ,W 2 ,W K W 1W,1W,12W,n,1W2hWi,1X2WK1,F2WK,2KW,WK K(V dV )(h dh )b V h b 2 p bR sin M dM B W bR dM B
¦
1
ɉɊ
F ix (V xx d2WV xxh)(R
h x dh x)b0,
V xxhxxb 2 pxxbRɉɊɉɊsin M dM B W1bR
¦
ɉɊ dM B
iB1(Wix2 bRɉɊ dM
K 1 xɉɊ d M )x
i 1
d2R
M1 R
2W K h1 RɉɊ dM ) 0,0,
R
2bR
RR1R
2ɉɊ
R
2R
2 R1 R2 BBM
12
21R
21R
2 2
W(WX222bR
RR
RW(R
ɉɊ dM 2W K h1 RɉɊ d M )
RɉP
ɉPR
ɉPɉP
ɉP,ɉP
W
,
W
С.В. Беляев.
Расчет
контактных
напряжений при совмещенной прокатке -прессовании
RR1KRR
R1 R2 1R1R2
1R1
2
1R
2
2RR
2 2
WW1W1,W,W22,PV
W,WKKS ,
RV
V
V
dh
V
dh
V
dh
V
dh
dɉɊ
dxxh1V
dR
dx22V
p
2xpR
pBR
Rx1sin
R
sin
M
sin
Mddsin
MdMMdBM
d(B
R1B
W2R
WR
WɉɊ
R1M
dR
M
dB
MdB(M
dWB(2M2WBW(RW2BK(R
(R
R2M
dR
M
d
Md2M
d
W2MK
W/2bhWK21)hKWR
21hKWR
R
hɉɊ
R1M
M
d/ɉɊ
Mdb/M
d)b/M)b/ )b/0.)(5)
b0.)0.0.0.
V x dhx hx d x x Rxx xx2xxphdh
Rxxh2V
sin
M
M2xpR
Wsin
BdBWM
0.
dR
xhd
xh
xx V
x2
xd
ɉɊ
x2
ɉɊ
xp
ɉɊ
ɉɊ
ɉɊ
1WM
ɉɊ
1B
ɉɊ
1d
ɉɊ
ɉɊ
ɉɊ
2Wh
ɉɊ
2W
ɉɊ
ɉɊ
1h
K
ɉɊ
1d
ɉɊ
ɉɊ
1dɉɊ
ɉɊ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
hxɉP dx2RR
R
2 R111RR22 2
R
ɉP
2 22 2 2
2 ɉP
R
R
R
Учтем,hx что
h1R
hx1hR
M12ɉɊ
RM
M
;R
;Mdh
; dh
;xdh
;M
2xR
2dx2R
2ɉɊ
MR
2MdRMdɉɊ
M
d; Md;x d;M
d; V
dM
;sin
V
dx;V
dxMV
dx dp
Vx#dp
dp
;xdp
dp
;xpsin
;xsin
pV;
VxWxVx1Vx EVx ELPxVEL1VSE
;SE
;WPWPV
V
;S1P
V
;W;VW;W;WPWPVPVPV
.PV
. .V. .
M;sin
M#V
sin
M#Mx#M; #M;E
#pM
; LxpM
;V
;Sx
h1 RhɉɊxhMxhxhh;xh1hx
VR
;;xsin
1dh
1R
ɉɊ
ɉɊ
ɉɊ
xdh
x;dh
ɉɊ
xxM
xp
xp
LV
L;V
SW
L;V
1SW;1SW
1P
12V
SV
1P
ɉɊ2M d
x ɉɊɉɊdp
2 1 11P
SS.1 S2 S2 2 2 22 2 S2 S2 S2 S S
R
1 R2
M
V
dh
h
d
V
2
p
R
sin
M
d
M
B
W
R
d
M
B
(
W
R
d
M
2
W
h
R
d
M
/
b
)
0.
x x
x
x
x
x ɉɊ
1 ɉɊ
2 ɉɊ
K 1 ɉɊ
E LV S ; W1 P1V S ; W 2 P2V S .
V
dh
h
d
V
2
p
R
sin
M
d
M
B
W
R
d
M
B
(
W
R
d
M
2
W
h RɉɊ dM / b) 0.
V
V
V
R
V
R
R
V
R
R
2
2
2
2
2
m
m
m
h
m
h
m
h
h
h
V
R
2
m
h
x
x
x
x
x
ɉɊ
1
ɉɊ
2
ɉɊ
K
Sh
S ɉɊ
1K1K1d
1 B (W R d M 2W h 1Rуравнение
Подставив
S ɉɊвыражения
K 1 M d M получим
Vdp
dS вɉɊ
V[2ɉɊ
R
sin
x dh
xP
xE
ɉɊ
[2
[2
(1WKd1KR
)])]
)]
,M
)]
, ɉɊM # M ; pK 1 VɉɊ dME/ bV) ; 0.
dpdp
dK)]
d1Mdp
dдифференциальное
d, M
d, M,2sin
M2Eокончательно
MpE
MxELBP
MLB1PɉɊ
MBBP
PRPB1PP
P2)]
B(1
P
M(1
M
M
2[2
(1
,B
dpx данные
dd(1
ESx SMɉɊ
BɉɊ
B(5),
PE[2
n[2
xdp
xdp
xh
LB
12B
1B
2B
1(1
2P
2M
2
2 2;L22Ldh
2 x x hL R2 12M
M
;
V
;
W P1V S ; W 2 P2V S .
ɉɊ
ɉɊ
xb b
b bbтекущий
hx 1hF
R
h11R
hɉɊ
R(переменной
R
MV
MɉɊ
MM x b dh
h1 где
RɉɊвM¦
ɉɊ
ɉɊ
1hix1
1R
MɉɊ
2 pxx bRɉɊ
sin Mϕdi :M BxW1bRxɉɊ dM LB S 1
для процесса СПП,
качестве
угол
x 2 dV x )( hx принимается
x )b V x hx b
dhx 22RRɉɊMMddMM;; ddVV x dp
dpx;; sin
sinMM ##MM;; ppxVV x EE LVV S;; WW 1 PPV
1V S ; W 2
2V S. .
hhxix 1 hh11RRɉɊɉɊMM2 ;; dh
PP2V
x
ɉɊ
x
x
x
x
L S
1
1 S ; W2
S
V
R
2
m
h
B
(
W
bR
d
M
2
W
h
R
d
M
)
0,
S
ɉɊ
K
1
Wm
WKWK2WKW2WKWW2ɉɊ
mK W K Wm2m
K[21E ɉɊ
Km
Km
Kdp
KK
K2W 2W 2
)]dM , (6)
x
LM B P1 B P 2 (1 2
hV1VSRRɉɊ
2mKbh1
ɉɊM
dpx
S ɉɊ 2 [2 E LM B P1 B P 2 (1 2mK h1 )]d M ,
[2
(1
dp
E
M
B
P
B
P
,h2Wh
L
1
2
b )]dM ,
21K
h21hR
2R
2ɉɊ
h0 2h1 Wh1x0,hW0h20h
0h
10
1h
1hM
1M2
b
h
h
h
h
h
.
.
.
.
.
h
.
ɉɊ
1
здесь mK = τCPK τ 2 – коэффициент
напряжений трения, действующих по боковым
CPCPCPCP
mCP
W3K 3W3отношения
K 33
2
3
µ
,
µ
стенкам τ K и по дну τ 2 калибра;
–
коэффициенты
трения на валках.
2R R
mmRKKɉP WWKK WW212 1 2 2
hDɉɊ
R
2Rh12 2 что
Для упрощения
решения
примем,
толщина
VVSDV
R
V
R
2m
2m
2Km
2hK1m
2hK1m
hK1на
h1h1протяжении очага деформации
V SD RɉɊ
R0SɉɊ
2mK h1 полосы
2SR
DV
SD
ɉɊ
SR
1D .B
[ME
(1
(1
,DC
,C
,D ,D ,
pxp[xpExphLxpM
E[ɉɊB
EL[ɉɊ
MELP
M
ELM2BL(1
PMB21PM2BP
MB1PPMB1P
M
P
MC
BB
BP
B(1
(1
K)]
C)]C
C
)]M(1
px
M
CP
x B P1[M
L[
1M
1P
2M
2M
2P
2
2
D)]
D
2M
D, )])]
32hh1
hCP
hCP
hhCP
h0CP
hCP
b bb b b
hCP
b
h
2
h
.
0
1
hCP
CPV x dhxhCP
3h=x dh.V0 x+22h1p.x R
M dM Bинтегрирования
W1 RɉɊ dM B (W 2 RɉɊ d(6)
M получим:
2W K h1 RɉɊ dM / b) 0.
остается постоянной и равной
Тогда
ɉɊ sinпосле
3
3
V
R
2
m
h
DV
ɉɊ
D)(pxpD)(xD)(ED)EL)VELSVSE
px (D ) E LpVxp(SpxD
LD
SE
LDV
SLDV
SD[
SD
D(xp
E2 LM 2 B P1M B P2M (1 K 1 )] CD ,
x
hx VVh1SDhRR
RɉɊ
M
; dh
2 RɉɊM dM ; 2dm
VKbx h1 dpx ; sin M # M ; px V x E LV S ; W1 P1V S ; W 2 P2V S .
2 x
CP
ɉɊ
(7)
SD ɉɊ [ E LM2 B P1M B P 2M (1 2mK h1 )] CD , [E
)]
ppRxx
MR B P1M B P22m
M (1h 2bm
ChD h,
L
h
R
R
R
R
2
m
2
m
2
h
m
2
h
m
h
2
2
2
2
2
CP
2
1
1
1
1
1
ɉɊ
ɉɊ
ɉɊ
ɉɊ
ɉɊ
K
K
K
K
K
1
ɉɊ
K
bD(1
CCVC
{DCP
{DEE
[DEL[P
)]}.
)]}.
)]}.
)]}.
E
VLP1[DE[ E
DE
EBLDDB
DB1PD
B1B
PD1B
PP
DB
D
BP2D
B(1
D(1
P
D(1
(1 )]}.
CD V SD {C
[VSE{DVShE
(1
)]}.
EC
D
B
BP
1D
1P
2D
2P
2
2
SDDV
S{
L
SE
L
L{
L
LB
L[D
LP
D
DV
D
L DD p
x (D ) V
LR
hɉɊ
hSDCP
hCP
hCP 2
bb
hCP
bP (1 2mbKbhb1 )]
Sh
CP
CP
[2
,
dp
d
E
M
B
P
B
M
где Cа – постоянная интегрирования
находится
что на входе в зону прокатки
L
1из условия,
2
2
(xD)) h1EELVV
b
RɉɊ
S DM
ppxx(D
L SD деформации в области прокатки):
px (α ) = β Lσ Sα ( σ Sα – сопротивление
R
2m h
0dMdD
MdD
MdD
0 d M d D 0 0d0dM0dMC
VdDSDD{E L ɉɊ [ E LD 2 B P1D B P2D (1 K 1 )]}.
D
RhCP
2mbh
m
W W
CD K VV SKD{{EE2LRɉɊɉɊ
[EE LDD22BBPPD
(12mKKh11)]}.
)]}.
PD
1DBBP
2D(1
(8)
C
[
h
h
dh
h
dh
dh
dh
dh
hx dhx hxh
1
2
S
L
L
D
D
x x x x x x x x
hhCPCP
bb
0 d M dh D 2h
0
1
h
.
0VCP
dVTVM
D
R
R
VSR
R
R
2m
2m
2Km
2hm
2h1m
hK1hK1h1 напряжения в зоне прокат2mK h1
С помощьюVуравнений
контактные
2 2 2 2определить
3
S(7)
T2V
Sd
ɉɊ
Td
ɉɊ
Tи
SɉɊ
T(8)
ɉɊɉɊможно
ST RɉɊ 0 dSM
D
[
[M2
(1
(1
)])]C)]C
,T ,C
pxp[xpxpEhxpLxM dh
E[EL[ME
E
ELMr(1
Mr1PMrP
Mr1PMr1P
M
P
MC
LP
r
rr
rP2M
r(1
(1
C
)]M(1
, K1K)]
px
M
r P[
M
L2M
LP
1M
1P
2M
2P
2
2
T)]
T ,C
T ,T ,
1M r
T
x h h h hx h
b bb bотb входа в зону прокатки и до оси
b
ки при 0 ≤ ϕ ≤ α .hРасчет
проводится
в последовательности
CPCPCPCPCP
CP
dh
Vx SD RɉɊ
2m
h1
2 углов на валках
прокатки с учетом значений
нейтральных
и Kрасположения
характерных зон в
hhxpxdh
CD ,
x
Vx ShT RɉɊ [ E LM 2B P1M B P2M (1 2bmK h)]
1
CP
[
(1
)]
,
p
E
M
P
M
P
M
C
r
r
зоне прокатки. Постоянныеx интегрирования
в каждой
L
1
2 характерной зоне
T должны обеспечивать
V SThRRCPɉɊ
2mmKbhh1
2
V
2
[
(1
)]
p
E
M
P
M
P
M
C
r
r
2
S
T
ɉɊ
K
1
равенство контактных напряжений
на
границах
соседних
зон.
1 rP M
2
T,
pxpx (D ) h E V[ E LLM r P1M
2 (1 b )] CT ,
CP L SD
x
h
b
CP
При расчете контактных напряжений
в зоне прессования так же, как и для зоны про-
2W K h1 RɉɊ dM / b)
px V x
0.
катки, рассмотрим равновесие элемента высотой hx + dhx и толщиной dx , выделенного в
R
2m h
2
[ EЕго
V SD {E L(рис.
ɉɊ2).
P1D B P2D (1определяется
K 1 )]}. углом ϕ или коLD B
D
очаге деформации зоны Cпрокатки
положение
x
hCP
b
ординатой x. Начало координат поместим в точке О, а ось х направим по направлению
движения металла.
0dM dD
В соответствии с принятой методикой проведем аналогичные математические выкладки
hx dhx уравнения для расчета контактных напряжений:
для зоны прессования и найдем
px
V ST RɉɊ
hCP
[ E LM 2 r P1M r P2M (1 2mK h1
)] CT , b
(9)
где Cθ – постоянная интегрирования находится из условия, что на выходе из зоны распрессовки
V ɉɊ E LV ST деформации в области прессования):
px (T ) V ɉɊ E LV ST ( σpSθx (T–)сопротивление
CT
V ɉɊ V ST {E L RɉɊ 2m h 2
2m h
RɉɊ
CT[ EVTɉɊ2 rVPSTT {rEP
r P1T r P2T (1 K 1 )]},.
L 2
T (1
[ EKLT1 )]},
1
L
h
b
CP
hCP
b
0 dM dT
0 dM dT
h0 ˜ b0
h0 ˜ b0
14 ˜14
14 ˜14
– 169 –
(10)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С.В. Беляев. Расчет контактных напряжений при совмещенной прокатке -прессовании
Рис. 1. Схема к расчету контактных напряжений в зоне прокатки
Рис. 2. Схема к расчету контактных напряжений в зоне прессования
С помощью уравнений (9) и (10) можно определить контактные напряжения в зоне прессования при 0 ≤ ϕ ≤ θ .
Применим разработанную методику определения контактных напряжений для анализа
динамики процессов СПП с одним и двумя приводными валками. В качестве примера рассчитаем эпюры контактных давлений для конкретных условий процесса СПП: заготовка
из алюминиевого сплава АД31 размерами h0 ⋅ b0 = 14 ⋅14 мм, которая при температуре 480
0
С во время прокатки получала обжатие ε h = 55%
% ( h1 = 6,3 мм) и выдавливалась в пруток
диаметром dпр = 7,0 мм (λ пр = 6,7). Матрица имела высоту hM = 20 мм ( θ α = 1,33 ). Валки радиусами R1 = 107 мм и R2 = 81, 25 мм вращались с одинаковой скоростью nвр = 4,0 об/мин
( ω1 = ω2 = 0, 42 с-1). В случае СПП с одним приводным валком – валок радиусом R1 = 107 мм
был неприводным.
По методике, представленной в работе автора [8], определяем нейтральные углы для обоих видов СПП:
- с двумя приводными валками: γ 1 = 0,50 и γ 2 = 8,50 ;
- с одним приводным валком: γ 1 = 11,80 и γ 2 = 2, 00 .
– 170 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
R
2m h
V ɉɊ V ST {E L ɉɊ [ E LT 2 r P1T r0Pd2TM(1dT K 1 )]},
hCP
b
CT
hCPCT
V ɉɊ V ST {E L ɉɊ
hCP
[bE LT 2 r P1T r P2T (1 K 1
b
)]},
0 dM dT
С.В.
Расчет
при совмещенной прокатке -прессовании
px (TБеляев.
) V ɉɊ
pE Lконтактных
(VTS)T V напряжений
EV
0 dM dT
x
ɉɊ
L
hS0T ˜ b0
14 ˜14
h0 ˜ b0 14 ˜14
RɉɊ
2
m
h
2
2mK h1
55%
C
)]},
r[PE2TT(12r P TK r1 P
14T ˜14V ɉɊ V STC{TE L V ɉɊ [VSET L{TE LHrh PR1TɉɊ
)]},
1b
2T (1 L
hCP
H
55%
h
h
b
h0 ˜ b0
Hh
55%
0 dM dT
h1
6,3
h0 ˜ b0
d ɩɪ
7, 0
Oɩɪ
6, 7
h1
hM
20d
ɩɪ
Hh
0 dM dT
14 ˜14 h ˜ b
0
0
14 ˜14
55%
Hh
55%
6,3
h1
6,3
7, 0
d ɩɪ
7, 0
T D 1,33
Oɩɪ 6, 7
Oɩɪ
6, 7
R1 107
hM
hM
20
20
R2
81, 25
T D 1,33
T D 1,33
nɜɪ
4, 0
R1
R1 107
Z1 Z2
107
h1
CP
6,3
h1
d ɩɪ
7, 0
Oɩɪ
6, 7
hM
20
T D 1,33
d ɩɪ
7, 0
Oɩɪ
6, 7
hM
20
T D 1,33
R1 107
R1 107
R2
81, 25
nɜɪ
4, 0
Z1 Z2
6,3
0, 42
R2
81, 25
nɜɪ
4, 0
Z1 Z2
0, 42
R1 107
0, 42
R2 81,зоны
25 очага
R1 107
Рис. 3. Характерные
при СПП: 1 – зона отставания
прокатки; 2 – переходная
R2 деформации
81, 25
зона прокатки; 3 – зона опережения прокатки; 4 – зона
0 опережения
0 прессования; 5 – переходная зона
J 0,5 ɢ J 2 8,5 ;
R1 107
прессования;
6n – зона
0
0
4, 0отставания прессования 1
nɜɪ
ɜɪ
J1
4, 0
0,5 ɢ J 2
8,5 ;
0
0
J 1 11,8 ɢ J 2 2, 0 .
0,5Z
ɢ JZ2 8,5
0
0, 42;Z Z 0, 42
1
2
J 1 с11,8
ɢ J 2 2, 00 .
1
2 углы к одной угловой координате
Далее приводим найденные
помощью
приведенного
0
0
R
ɉP
J 1 прокатки
11,8R ɢ 107
JR2 ПР:2, 0 .
радиуса
1
RɉP
R1 107
0
J1
RɉP
J1
0
0,50 ɢ J 2 J 8,50,5
;0 ɢ J
1
2
J ɉPi
0
8,5
;
0
Ri J i
.
RɉɊ
(11)
Ri J i
.
RɉɊ
RJ
0
0 углы на валках, определяем размеры характерɢ J 2J 2,11,8
00нейтральные
.0 ɢ J
J ɉPi Ji 1 i . 11,8
Сопоставляя
приведенные
2,
0
.
J ɉɊ 2 ! J ɉɊ1
1
2
RɉɊ
ных зон. В случае
процесса СПП с двумя приводными валками J ɉɊ 2 ! J ɉɊ1 , поэтому в области
RɉP
R
прокатки
(рис. 3).
ɉɊ1 ! J ɉɊ 2
J ɉɊ 2 будут
! J ɉɊ1 следующиеɉPзоны вдоль осиJ прокатки
J ɉɊ1 ! нейтральных
J ɉɊ 2
В случае процесса СПП с одним приводным валком соотношение
углов друRi J i
R
J
D
t
M
t
J
i
i
. размеры
гое – J ɉɊ1 ! JJɉɊɉPi2 , поэтому
характерных
зон будут
тоже другими.
ɉɊ
ɉɊ 2
J ɉPi
.
RɉɊ
D ɉɊ t M t J ɉɊ 2
R
ɉɊ
Для каждой характерной зоны уточняем дифференциальное уравнение равновесия, интеV SD RɉɊ
2m h
D ɉɊего
t Mиtнаходим
J
грируем
постоянную
условий.
[ E L (M 2 D 2 ) PV
E LVграничных
pX 1 (M ) из
D ) P2 (M D )(1 K 1 )],
J ɉɊ 2ɉɊ!2J ɉɊ1 произвольную
SD 1 (M R
2
2
J ɉɊ 2 ! J ɉɊ1
S
D
ɉɊ
hCP1 pX 1 (M ) E LV SD [ E L (M D ) P1 (Mb D ) P2 (M D
Для СПП с двумя приводными валками получим уравнения
для определения контактных
hCP1
V SD RɉɊ
m
h
2
давлений.
E1LV!SJD ɉɊ2 J ɉɊ1[!
E LJ(ɉɊ
M 22 D 2 ) JP1 (MtMD t) J P2 (M
pX 1 (M ) J ɉɊ
D )(1 K 1 )],
ɉɊ 2
ɉɊ1 :
hCP1
b
- В области прокатки:
J ɉɊ 2 t M t J ɉɊ1 :
D ɉɊ t M t J ɉɊ 2D t M t J :
для зоны отставания
ɉɊ 2
J ɉɊ 2 t M t J ɉɊ1 : при ɉɊ
pX 1 (M )
J ɉPi
V R
2mK h1
2
2m h1
D RɉɊ
) [PE1 (M
) 2 )P2 (PM (MD)(1
E LV SDp (MSD) ɉɊE [VE L (M2VSD
(M2 D
)],
D ) P (M )],D)(1 K (12)
D
X1
J ɉɊ 2 t M t J ɉɊ1J:
ɉɊ 2
hCP1
L
SD
t M t J ɉɊ1 :
hCP1
– 171 –
L
1
b
2
b
D ɉɊ t M t J ɉɊ 2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2m h
2P2 mK h1M V SD RɉɊ
E LV SD ) C , [ E L (M 2 D 2 ) P1 (M D ) P2 (M D )(1 K 1 )],
b
CP 2
2
pX 2 (M ) V SDSRD ɉɊɉɊ ( E LM
2P2 m2 K hK1M1 ) C2 ,
2
pX22P(Mm) h M hCP 2 ( E LM b ) C2 ,
V RɉɊ
2P2 mK h1bM
2
2 VKSD1Rh
2
ɉɊ
для переходной
при
CP
2
J
t
M
t
J
:
(
)
,
E
M
pX 2 (MC)2 pSDX зоны
C
(
J
)
p
(
J
)
V
R
m
h
2
P
M
ɉɊ)2
ɉɊ1( E M )C ,
L pXX22 (M
pX 2 (M2) b ShD ɉɊ ( E2LLM 2 2 bK 1 ) C22 ,
hCP1 2 2
2
b
C2 phXCP
(
J
)
p
(
J
)
CP 2
C2 pXp2X(1M(1J)2 )2V SpDXR2XɉɊ
(2J 2()E2 LM 2 2P2 mK h1M ) C2 , (13)
J ɉɊ1 t M t 0
h
b
C2 pX 1 (J 2 ) pX 2 (J C
pX 1 (J 2 ) pX 2 (JCP22)
2 )2
C2 JpɉɊ
t2M) t p0X 2 (J 2 )
X 11(J
V
RɉɊ J ɉɊ12 t M t 0
2m h
S
D
где JCɉɊ
постоянная;
M Ct2 P01MpX1 (PJ22M) (1
pMXX13t((γM02)) − p X 2 (γ J2 ) [–E Ltпроизвольная
pX 2 (JK2 )1 )] C3 ,
2 1=tp
1 tM
hCP 3 J ɉɊ
b2
M
t
0
2m h
ɉɊγ1γ
для зоны опережения при
ϕ ≥ 0 V: SD RɉɊ [ E M
ÏПР1
Ðp
1 X≥
P1M P2M (1 2mK hK1 1 )] C3 ,
L2
3 (M ) V SD RɉɊ
(
)
[
(1
M
E
M
P
M
P
M
p
h
b )] C3 ,
X 3 J ɉɊ1 t M t CP
1
2
023mK hL1
V R
VPSDMR(1
2mK h1b
P22m)]PK hM1M
CP
2[3E 2
,
Mp)X2X33((V
pX 3 (MC)3 pSDX 2 (ɉɊ
C
Jp1 )[ E(M
JMP1S)1DMRɉɊ
V S(D2ERhɉɊ
m
h
2
(1
)]
M
P
M
C3 ,
Lp
3
2
ɉɊ
K 1
) 2C ,
M L
1
(14)
hCP 3 X 2 pX 3 (Mh)
hCPL3 [ E LMb bP1M P2M2(1 b )] C3 , CP
2
b 2m h
C3 phXCP
) SDpRXɉɊ
2 (3J 1 V
3 (J 1 )
2
K
1
C3 pXp3X(2M(J) 1 ) p X 3 (J 1[)E LM P1M P2M (1 )] C3 ,
0 d M d J ɉɊ1
h(JCP)3
b
C
p
(
J
)
p
(
J
)
C
p
(
J
)
p
3
X
2
1
X
3
1
C
p
(
J
)
p
(
J
)
X 2 (J X
1 )2 p
1
где C3 = p X 2 (γ 1 ) − p X2 3 (γ 1C)X31– произвольная
2 X 3 постоянная.
02pd
3
X 2M d
1 J ɉɊ1X 3 (J 1 )
V ST RɉɊ 0 d M2d J ɉɊ1
2m h
- В области прессования:
(M1 ) J t0Md[
E0dLMCJ3ɉɊ1Pp1MX 2(JP1 )2M(1pX 3 (J 1K) 1 )] C4 ,
pXJ4ɉɊ
0dM d
M
t
ɉɊ
1 при
hCP
b2
для зоны опережения
0 ≤d ϕJ ɉɊ
≤1γγПР1V: R
2m h
40 d M
pX 4 (M ) ÏVÐ1ST SRT ɉɊɉɊ [ E LM
P1M P2M (1 2mK hK1 1 )] C4 ,
2
pX 4 0(Md) M d J hCP 42[m
EhLM P1M P2M (1 b )] C4 ,
V RɉɊ
ɉɊ1
V, SPT RMhɉɊCP
2m h b
2V
K2 1
m(1
2M
2[4
SP
D 1R
ɉɊ
K h
1 2mK h1 )] C ,
[(M
(1
)]
,
EpXpL)M4X(0)
M
pX 4 (MC)4 pSTX 3 (0)
C
ɋ
V
R
(
)
M
E
P
M
P
(15)
2
4
2
3
S
T
ɉɊ
K
1
[
(1
)]
,
E
M
P
M
P
M
p
C
L
1
2
4
hCP 4 X 3 pX 44 (Mh)
hCPL4 [ E L1Mb P2 1M P2Mb(1 b 3 )] C4 ,
CP
3
h
b
C
pXCP
pR
(0) ɋ3 ,2
4 V
3 (0)
X 4ɉɊ
C4 4 pXp4X(3M
(0)
, P1M P2M (1 2mK h1 )] C4 ,
) pSXT 4 (0)
[ɋ
E 3LM
J ɉɊ1 d M d J ɉɊ 2
hCP 4 ɋпостоянная;
b
где C4 pX 3 (0) pCX 4 (0)pC4 ɋ(J3 ,p)–X3произвольная
(0)
p 4 (0)
,
pdXM3
3
CX42 J1pɉɊ
(dJp1JXX) ɉɊ
ɋ33 ,
X 31 (0)
4 (0)
2
для переходной зоны
V Rпри J ɉɊ1 d2 M 2dPJ2ɉɊ
m2K:h1M
Cd
pX 3 (0)
p)X4 C
(0)
ɋ3 ,
(
E
M
J ɉɊ1 dpMX 5d(MJ )ɉɊ 2 0 SdT MɉɊ
4
L
5,
J
d
M
J
J 1ɉɊ1
ɉɊ 2
hCP 5 JdɉɊ
R
2P m h M
ɉɊ1 d M d J ɉɊ 2V b
2
pX 5 (M ) V ST SRT ɉɊɉɊ ( E LM
2P2 m2 K hK1M1 ) C5 , (16)
2
M
E
M
(
)
(
p
b ) C5 ,
X 5 JP
L
M1M
dhCP
J ɉɊ
5 2
V ST RɉɊ
m
h
ɉɊ
1 d
R
m
h
2
P
M
2 V 2R
K
2V
h
b
m
h
2
2
K h1M K 1
CP
EppLM ((JMS)T ɉɊ
) 52 C
, M2 P
pX 5 (MC)5 pX 4 (Jp1 )((M
V STREɉɊ
2PM22 m
,
E5PM
ɉɊM(
K 1 ) C)]
L ( E L
1
2 (1 )b C55 , C4 ,
hCP 5 X 4 p)XXX555 (M1h) bSh[TCP
b
LM 5
где C5 = p X 4 (γ 1 ) − p X 5 (γ 1 ) – произвольная
постоянная;
b
C5CP 4 phXCP
(
J
)
p
(
J
)
5
C5 p pX(4M(4J) 1 )1V SpTXR5XɉɊ
(5J 1()1 E LM 2 2P2 mK h1M ) C5 ,
ɉɊ 2 d M d E при γγПР2 ≤ Xϕ5 ≤ β :
для C
зоныJpотставания
h
b
Ï
Ð
2
p X 5 (J 1pC)5 (0)pX 4p(J 1 )(0)
p 5 (3JCP,1 5)
5
X 4 (J 1 ) C
4
CX53 JpɉɊ
) dpEXX ɋ
dX14M
X 42(J
5 (J 1 )
J ɉɊ 2 d MVd ER
2m h
2
pST (ɉɊ
J 1 )[ ELp( E
(17)
E
VMC
1M) 2 ) P1 ( E M ) P2 ( E M )(1 K 1 )].
J ɉɊ 2 dpMX 6d(ME) V
X 5 (J
ɉɊȿɋɋ
LJ
ST5dE X 4
J
d
J ɉɊ
d
M
d
ɉɊ
2
1 J
ɉɊ 2
b
V ST RɉɊ
2m h
ɉɊ 2 d M d E hCP 6
2
2
2mK hK1 1 )].
p (M ) V ɉɊȿɋɋ E LV ST V ST RɉɊ [ E L ( E2 M
2 ) P1 ( E M ) P 2 ( E M )(1 E
E
M
P
E
M
P
E
M
) dVMɉɊȿɋɋ
[
(
)
(
)
(
)(1
pXV6XJ(6M R
E LV ST h
b )].
L
1
2
d
E
CP 6
2mK h1
R(hɉɊ
2mK h1b
2 2 P 2mVh
где βp– центральный
угол
расположения
ОЧПЗ.
SɉɊ
T 2ɉɊ
VMS)T R
2 ( E 2 M )(1 CP
6M ) P
2E V
ɉɊ
K SP
2
1TM
V
E
E
M
E
) VVS w
[
(
)
)].
V
R
m
h
2
(
[
(
)
(
)
(
)(1
)].
V
E
E
M
P
E
M
P
E
M
p
X 6 (Mɪ
ɉɊȿɋɋp E
L
S
L
1
2
T
2
2
S
T
ɉɊ
K
1
) X 6 (M ) h V ɉɊȿɋɋ
( E LM ELV ST ) [CE5L, ( E M ) P1 ( E M
X 5 (Mp
b ) P22 ( E M )(1 b )].
X 6 h CP 6ɉɊȿɋɋ
L уравнения
ST b hCP 6
L
1
Для СПП с одним
приводным
валком
hCP 6 VдляR определения контактных давленийb 2m h
ɪ CPV5S w
2
2
ST ɉɊ
K 1
ɪ VpSиw
[ Eвалками.
)].
V ɉɊȿɋɋ
E LVприводными
будут аналогичного
с двумя
ɪ V S wɫɪ вида, что
X для
ST L ( E M ) P1 ( E M ) P 2 ( E M )(1 6 (M )СПП
h
b
ɪ VSw
CP
6
w
C5 pɪɪX 4V
(
J
)
p
(
J
)
S
X5
1
V S 1ɪw V S wɫɪ
ɪ V S wɫɪ
Результаты
теоретических исследований
ɪ VS ɧ ɩ
ɪ VSw
ɪ V S wɫɪ
wɫɪ
J ɉɊ 2 dɪɪM V
d
E
S
V S ɪwɫɪ
V S ɧ ɩрасчета на рис. 4 приведены теоретические эпюры распреДля иллюстрации результатов
D ɉɊɪ V S ɧ ɩ T ɉɊ
( pi СПП.
pi 1 )li
1
1 n при
деления
на границе
ɪɩ)dVMS wɫɪ
ɪ V Sдавления
pɧɋɊɩ
³ очага
p(MV)DdMдеформации
]
|
,
ɪ[ ³V Sɪɧ(Mконтакта
R
2mK h1
T2¦
2
ɉɊ
ɉɊ
S
T
ɉɊ
ɪ
V
ɧ
ɩ
l[DEL (lE
D ɉɊзависимости
i 1 M ) 2P1 ( E других
)].
M ) 0 VS ɉɊȿɋɋ
M1) Pn ((EpiMp)(1
pXT6 (ɉɊ
E LV10 STот
D результатов
)[6;
li 7],
T ɉɊисследований
ɉɊ
Полученные
отличны
i 1
p
)
l
pɋɊ
[ h³CPɪ6(M )dM ³ p(M )dM ] | 1 n¦(2 pавторов
, b ко1
i
i 1 i
D ɉɊ
T
pɋɊ ɪ VɉɊD
ɪ(M )dMTnɉɊ( p³ 0pзон
(pM )dпри
,
M ] |СПП.
ɩDTɉɊɉɊ[ ³ 0переходных
l l i 1
2
Sиɧ
ɉɊ
торые не учитывали
асимметрию
влияние
1
1 T
pi 12)li
1l D nnlT (T¦
i
i 1 )li
MT)dDɉɊɉɊ
D11ɉɊ
ip
1i 0(M )dM ɉɊ p0(M ) dM ] | , 1 D
pɋɊ lD , lT
[ ³ ɪp(M
)
d
p
(
]
|
M
M
(
p
p
)
l
[
ɪ
,
¦
i
i
i
1
³
¦
³0 p(M )Td2Mконтакта,
ɪ(MlD)dMlTпо
] | l l ¦
,
Получив
распределения
можно 2определить
средD ɉɊ уравнения
T ɉɊɪ V0 S wpɋɊ
i ³1 дугам
D 0 T ɉɊ [ ³³0давлений
ɋɊ
D ɉɊ
ɉɊ
T ɉɊ 10
lDD lTT ii 11 1 n2 ( p p )l
lDD, lɉɊ
ɉɊ
0
T
i
i 1СПП
i
нее контактное
процесса
[ ³момент
ɪ(M )dMна
валках,
]|
, по
D , lT pɋɊ и крутящий
pi , pi 1 давление, lусилие
¦
³0 p(M )dMмощность
l
l
2
D
T
i
1
l
,
l
D
T
ɉɊ
ɉɊ
0
ɪ
V
wɫɪ
, lT
D T
известным
формулам SвllDтеории
прокатки [9].
D , lT pi , pi 1
p
,
p
i
i
1
Среднее
контактное давление
можно выразить в виде интегральной суммы распределенli
lD , lT
pi , pi 1
ɪ
V
ɧ
ɩ
p
,
p
S pi , pi 1
ных давлений:
i
il1
li i
pCP
p , pD
T ɉɊ
li
li
1 i i ɉɊ1
1 n ( pi pi 1 )li
pɋɊ li p pCP [ ³ ɪ(M )dM ³ p(M )dM ] |
(18)
¦ 2 ,
T ɉɊ 0
lD lT i 1
D ɉɊ CP
FK
0
l
pCP
i
pCP
pCP FK
– 172 –
PB pCP FlKD ,|lT pCP b(FlDK lT ).
pCP
FK
FK
FK PB pCP FK | pCP b(lD lT ).
pi , pi 1 PB pCP FK | pCP b(lD lT ).
PB pCP FK | pCP b(lDPB lT ).pCPFKFK | pCP b(lD lT ).
PB pCP FK | pCP b(lD lT ).
pX 2 (M )
V SD RɉɊ
( EpXM1 (2M)
L
2
С.В. Беляев.
h Расчет контактных
Vb напряжений
R hCP1 при2совмещенной
P m h M прокатке -прессовании
Ɉɬɧɨɫɢɬɟɥɶɧɵɟ ɤɨɧɬɚɤɬɧɵɟ ɧɚɩɪɹɠɟɧɢɹ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6,00
5,00
4,00
ɪ/ıs w
3,00
ɪ/ıs w ɫɪ
ɪ/ıs ɧ/ɩ
2,00
1,00
0,00
-0,30
-0,20
-0,10
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
Ɉɬɧɨɫɢɬɟɥɶɧɵɣ ɭɝɨɥ ɨɱɚɝɚ ɞɟɮɨɪɦɚɰɢɢ, ɪɚɞ.
Рис. 4. Эпюры распределения относительного контактного давления вдоль очага деформации при СПП с
двумя приводными валками c учетом p / σSw и без учета асимметрии p / σSwcp; с одним приводным валком
p / σS н/п
Рис. 5. Изменение крутящих моментов на валках М (в кН·м) с выступом (индекс «1») и с ручьем (индекс «2»)
с учетом асимметрии (индекс «А») и без нее, а также соотношений моментов M2 / M1 и нейтральных углов
γ / α на валках от соотношения радиусов валков R2 / R1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ɪ VSw
V S wɫɪ при совмещенной прокатке -прессовании
С.В. Беляев. Расчет контактныхɪ напряжений
ɪ V S ɧСПП
ɩ
Таблица 1. Энергосиловые параметры процесса
Вид процесса
СПП
T
D ɉɊ
1
Параметр
процесса СПП
ɉɊ
³
³
1
n
¦
( p p )li
i
i 1
с одним
pɋɊ с двумя приводными
[ ɪ(M )dM с двумя
p(M )dM ] |
lD приводным
lT i 1
D ɉɊ T ɉɊ
2
валками
без учета
приводными
0
0
асимметрии
валками
валком
lD , lT
Среднее контактное давление, МПа
Усилие на валках, кН
69,49
54,36
52,92
60,55
47,37
46,11
,
pi , pi 1
где lα , lθ – длина зоны прокатки и прессования
соответственно; pi , pi +1 – давление на входе
li
и выходе из характерной i-й зоны очага деформации; li – длина характерной i-й зоны очага
pCP
деформации.
Усилие на валках можно найти как произведение среднего контактного давления pCP на
FK
площадь контакта деформируемого металла
с инструментом FK :
PB
pCP FK | pCP b(lD lT ).
(19)
Полный крутящий момент для одного валка с учетом различного направления сил трения
в зонах отставания и опережения составляет:
- для валка с выступом
Di
ȼ
M Cɉɉi
- для валка с ручьем
P
M ɋɉɉi
Ji
Ji
Ti
Gi
ȼ
2
M Cɉɉi
Di bRi ( JWi D dM JWi D dM TWi T dM GWi T dM W Ɇ dM ), ³
³
³
³
³
2
bRi ( ³ W D dM J i ³ W D dM 0 ³ W T dM 0 ³ W T dM J i ³ W Ɇ dM ),0
Ji
0
Ji
0
Di
(20)
0
Ji
J
T
G
i
i
i
h
P
M ɋɉɉi
[b 2h1 (1 D1i )]Ri2 ( ³JWi D dM ³JWi D dM ³TWi T dM ³GWi T dM ³ W Ɇ dM ),
h
(21)
[b 2h1 (1 1 )]Ri2 2( ³RWi D dM J i ³ W D dM 0 ³ W T dM 0 ³ W T dM J i³ W Ɇ dM ),0 2 Ri
Ji
Ji
0
0
0
Ti
Gi
ȼ
M ɋɉɉi
bRi2ȼW D [D i Ʉ2 VDTi i J i (1 J i KV )], J i
где условные обозначения
же,
как
и
в
предыдущих
разделах.
M Cɉɉi такими
bR
(
W
d
M
W
d
M
W
d
M
W
d
M
ȼ
2 приняты
D
D
T
T
i
D
J
J
T
G
³
³0 i
³i
³0 W Ɇ dM ),
i
M ɋɉɉi bRi W D [D i ɄV Tii J i (1³ K
V )], 0 i
Ji
Ji
ȼ
2
Допуская, что напряжения
трения
остаются
постоянными
на
протяжении
M Cɉɉi bRi ( ³ W D dM
h1 ³ W2D dM ³ W T dM ³ W T dM ³ W Ɇ dM ), очага деформаP
[
2
(1
)]0R W D [D i 0 ɄV Tiмомента,
JJi i (1 KVаналогичную
M
b
h
J
0)],
ɋɉɉi получим
ции, после интегрирования
той, которая
h 1 i формулуi крутящего
D
J
Ji
Ti
Gi
P
[b 2h1 (1 P 1 )]Ri2W2DR[iD i ɄVhT1i J i2(1 i KV )], i
M ɋɉɉi
впервые была предложена В.Ф.MБаюковым
[9]:
b
h
R
d
d
d
d
[
2
(1
)]
(
W
M
W
M
W
M
W
M
2
R
ɋɉɉii
1
i ³ J iD
³0 J iD ³0 TiT J³ GiT ³0 W Ɇ dM ),
2 RDi
h1
Ji
P
2 i
- для валка с выступомKVM ɋɉɉi
V ST V
[bSD 2h1 (1 )]Ri ( ³ W D dM ³ W D dM ³ W T dM ³ W T dM i ³ W Ɇ dM ),
R
2
i
Ji
Ji
0
0
0
KV V ST V SD
ȼ
M ɋɉɉi
bRi2W D [D i ɄV Ti J i (1 KV )], (22)
R 81, 25
2
ȼ
2
R2 81, 25M ɋɉɉi bRi W D [D i ɄV Ti J i (1 KV )],
- для валка с ручьем
h
P 1, 4
R2 / R1 1,1
y
[b 2h1 (1 1 )]Ri2W D [D i ɄV Ti J i (1 KV )],
M ɋɉɉi
2 Ri
h
R2 / R1 1,1 yP1, 4
M ɋɉɉi [b 2h1 (1 1 )]Ri2W D [D i ɄV Ti J i (1 KV )], (23)
2 Ri
KV V ST V SD
где Kσ = σ Sθ σ Sα ; σ Sα KиV σ SθV –ST сопротивление
металла деформации в областях прокатки и
V SD
R
81,
25
прессования.
2
R2 (22)
81, –25(23) просты и вполне приемлемы для анализа и практических
Полученные формулы
R2 / R1 1,1 y 1, 4
расчетов, но требуют обязательного
определения нейтральных углов на валках.
R
/
R
1,1
y
1,
4 параметров, проведенные с помощью полученных
2
1
Результаты расчетов энергосиловых
формул, представлены на рис. 5 и в табл. 1. В качестве примера рассмотрен процесс СПП с
– 174 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С.В. Беляев. Расчет контактных напряжений при совмещенной прокатке -прессовании
указанными параметрами. При этом радиус валка с ручьем принимался постоянным и равным
R2 = 81, 25 мм, а радиус валка с выступом R1 изменяли в соответствии диапазоном соотношений R2 / R1 = 1,1 ÷ 1, 4 .
Выводы
Анализируя полученные результаты, можно отметить следующее:
1. Во всех случаях СПП в зоне прокатки контактные напряжения имеют локальные максимальные значения в районе приведенных нейтральных углов γПР2 на валке с вырезом (ручьем),
а в зоне прессования контактные напряжения увеличиваются, достигая своего абсолютного
максимума в начале области выдавливания, что соответствует центральному углу β расположения ОЧПЗ.
2. Максимальное значение контактных напряжений зависит в основном от вытяжки при
выдавливании профиля.
3. С увеличением отношения радиусов валков соотношения моментов на валках уменьшаются.
4. Определение энергосиловых параметров без учета асимметрии процесса СПП [6; 7] завышает результаты расчетов.
Список литературы
1. Karman Th. Beitrag zur Theorie des Walzvorganges, Zeitschriftt fur Angewandte / Th. Karman // Mathematik und Mechanik. № 5. 1925. S.139 – 141.
2. Целиков А.И. Влияние внешнего трения и натяжения на давление металла на валки при
прокатке // Металлург. 1939. № 6. С.10 - 16.
3. Клименко В.М., Онищенко А.М. Кинематика и динамика процессов прокатки. М.: Металлургия, 1984. 232 с.
4. Выдрин В.Н., Агеев Л.М. Принципиальные и теоретические основы нового процесса
«прокатка-волочение» // Теория и технология прокатки: сб. науч. тр. Челябинск, 1971. Вып. 76.
С. 3 – 21.
5. Салганик В.М., Песин А.М. Асимметричная тонколистовая прокатка: развитие теории,
технологии и новые решения. М.: МИСИС, 1997. 192 с.
6. Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Загиров. Комбинированные и совмещенные методы
обработки цветных металлов и сплавов: монография. М.: МАКС Пресс, 2005. 344 с.
7. Корнилов В.Н. Непрерывное прессование со сваркой алюминиевых сплавов / КГПИ.
Красноярск, Изд-во педагогического института, 1993. 216 с.
8. Беляев С.В. Статика и геометрия асимметричного очага деформации при совмещенной
прокатке-прессовании // Научная жизнь. 2008. № 4. С. 14 - 20.
9. Грудев А.П. Теория прокатки: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1988. 240 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С.В. Беляев. Расчет контактных напряжений при совмещенной прокатке -прессовании
The Design Procedure of Contact Stress of Process
of Combine Rolling and Extrusion
Sergey V. Belyaev
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The report presents the design procedure of contact stress of process of combine rolling-and extrusion.
The example of calculation of energy-power parameters of combine rolling-and extrusion for the one
and the two driving rolls is resulted. The comparison of energy-power parameters of combine rollingand extrusion for the one and the two driving rolls is executed.
Key words: process of combine rolling-and extrusion, contact stress, energy-power parameters.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2009 2) 177-193
~~~
УДК 62.1+681.51+519.9+53.072+621.311.28
Оптимальное управление электропотреблением техноценоза
методами рангового анализа
В.И. Гнатюк*
Калининградский государственный технический университет,
Россия 236011, Калининград, бульвар Южный, д. 30 1
Received 6.05.2009, received in revised form 27.05.2009, accepted 17.06.2009
Основу энергосбережения составляет планомерная реализация широкого комплекса
технических и технологических мер, которые должны осуществляться в рамках процедур
оптимального управления электропотреблением инфраструктуры на системном уровне.
Целью управления являются упорядочение электропотребления объектами инфраструктуры,
экономия направленных на оплату за потребленную электроэнергию средств, полученная за
счет организационных мероприятий, а также создание научно обоснованных предпосылок
для проведения целенаправленных углубленных энергетических обследований с последующей
реализацией технических и технологических мер по энергосбережению. Под инфраструктурой
в данном случае понимается техноценоз (регион в целом, город, район, крупное предприятие,
фирма, район нефте- и газодобычи, аграрная инфраструктура, группировка войск, сеть
магазинов или заправочных станций и т.п.). В качестве основного метода решения задач
оптимального управления электропотреблением техноценоза выступает ранговый анализ,
позволяющий в процессе энергосбережения задействовать системный уровень оперативного
и структурного управления, который ранее не использовался. При этом в реальном масштабе
времени осуществляются процедуры формирования базы данных по электропотреблению,
выявления аномальных объектов, прогнозирования и нормирования. Это дает возможность
техноценозу извлекать из процесса энергосбережения дополнительные конкурентные
преимущества и ресурсы экономии. Уже первый (организационный) этап реализации
предлагаемой методики позволяет экономить до 10 – 15 % от объемов ежегодных выплат
за потребляемую электроэнергию без капитальных вложений. Последующее внедрение
энергосберегающих технологий и технических решений еще больше увеличивает экономию. В
свою очередь, менеджмент техноценоза получает инструментарий, позволяющий эффективно
управлять электротехническим комплексом в условиях развивающейся инфраструктуры.
Ключевые слова: техноценоз, оптимальное управление электропотреблением, ранговый анализ,
тонкие процедуры рангового анализа, база данных, интервальное оценивание, прогнозирование,
нормирование, дифлекс-анализ, GZ-анализ, коэффициент когерентности, ASR-анализ.
Методология оптимального управления
Общая методология исследований в области энергосбережения в соответствии с введенной
ранее стратификацией [1-5] может быть условно разделена на три уровня (рис. 1). Первый уровень соответствует исследованиям, нацеленным на конкретные технические и технологические
*
1
Corresponding author E-mail address: gnatukvi@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 177 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
Рис. 1. Методологические уровни исследований в области энергосбережения
разработки, способствующие снижению объемов электропотребления (светотехника, арматура,
электропривод, электротехнологии и т.д.). В основе методологии здесь лежит имитационное моделирование, которое базируется на аксиоматике гауссовых распределений. На третьем уровне
осуществляются стратегическое планирование и прогнозирование в электроэнергетике (оперативное управление, маневрирование максимумами нагрузки, регулирование потоков реактивной мощности и т.д.). Здесь находит применение методология исследования операций, которая в
основном базируется на гауссовых эвристических и алгоритмических процедурах.
Связующим звеном служит промежуточный (второй) уровень исследований в области
энергосбережения, на котором осуществляется оптимизация электропотребления техноценозов в целом. В качестве методологической основы на этом уровне применяется ранговый
анализ. Именно этот уровень является ключевым при построении методологии оптимального
управления электропотреблением. Он рассматривается как системный по отношению к уровню исследований, касающихся конкретных технических и технологических решений в области энергосбережения [4].
Оптимизация электропотребления на системном уровне осуществляется в рамках связанной методики, включающей ряд этапов (рис. 2) [4; 6]. На этапе анализа электропотребления
техноценоза по специально разработанным формам запроса ведется сбор данных о потребителях электроэнергии. Это позволяет получить развернутую картину электропотребления (с
историей на глубину 5 – 6 лет и более), выявить объекты, которые обеспечиваются электроэнергией с нарушением существующих организационно-технических требований, подготовить
электронную базу данных для многофакторного анализа. Рекомендуется собранные данные
представлять в виде информационно-аналитического комплекса [4; 7].
Информационно-аналитический комплекс «Модель оптимального управления электропотреблением техноценоза» представляет собой развитую базу данных по электропотреблению
объектов техноценоза, включающую банк и систему управления данными, а также расчетные
и графические модули. Комплекс может успешно использоваться при планировании и прогнозировании, а также позволяет оперативно отслеживать информацию о потребителях электроэнергии, обновлять исходные данные для анализа в реальном масштабе времени. По запросу
оператора из базы данных может быть получена информация о потребителях электроэнергии с
необходимой степенью визуализации, детализации и обобщения.
– 178 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
Рис. 2. Методика оптимального управления электропотреблением техноценоза
Рис. 3. Тонкие процедуры рангового анализа
На этапе статистического анализа и построения эмпирической модели процесса электропотребления техноценоза осуществляется полномасштабная статистическая обработка данных
по электропотреблению, которая включает взаимосвязанные процедуры рангового анализа.
Данные процедуры позволяют упорядочивать информацию, выявлять в динамике и наглядно
представлять объекты с аномальным электропотреблением, эффективно осуществлять прогнозирование электропотребления отдельными объектами и техноценозом в целом, а также
разбивать объекты по группам и нормировать электропотребление в каждой группе с подробным статистическим описанием норм.
С целью повышения точности расчетов стандартные процедуры рангового анализа дополняются соответствующими тонкими процедурами: верификацией базы данных, а также
дифлекс-, GZ-, ASR-анализом рангового параметрического распределения (рис. 3).
– 179 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
В основе рангового анализа лежат техноценологический подход и теория безгранично
делимых ранговых распределений [1]. Ранговые распределения получают по результатам аппроксимации отранжированных экспериментальных данных по электропотреблению объектов техноценоза. При выделении объекта реализации методологии оптимального управления
электропотреблением следует обращать внимание на корректность базы данных по электропотреблению, а также на ее строгое соответствие статистическим критериям Н-распределения [1;
3; 4; 7]. Оценка корректности базы данных осуществляется в рамках первой тонкой процедуры
рангового анализа – верификации (рис. 3).
Как показывает опыт, далеко не всегда исходные данные, используемые для управления электропотреблением техноценоза, оказываются вполне корректными, что значительно снижает достоверность интервального оценивания, прогнозирования и нормирования.
Следовательно, требуется предварительная верификация базы данных, которая включает
процедуры: 1) устранение нулевых данных; 2) устранение явно ошибочных данных (выбросов); 3) устранение абсолютно равных данных; 4) восстановление утерянных данных;
5) проверка на Н-распределение. Нулевые и абсолютно равные данные являются первым
признаком некорректности базы, что очевидно даже с точки зрения физического смысла.
Кроме того, подобные данные очень плохо обрабатываются компьютерными программами. Выбросы в данных есть следствие грубых ошибок при фиксации параметров обслуживающим персоналом либо сбоев в работе технических средств измерений. Наконец, утеря
данных может произойти как по вине персонала, так и по причине тяжелых сбоев в работе
серверов, на которых хранятся базы. В ряде случаев требуется просто корректное наращивание базы данных на несколько лет «назад». Необходимо отметить, что верификация не
обязательная процедура, однако она всегда должна применяться в том случае, если есть
хотя бы малейшее сомнение в корректности исходных данных. Подробно верификация
базы данных рассмотрена на конкретном примере в [4].
Проверка соответствия данных критериям Н-распределения заключается в проверке совместного выполнения двух гипотез. Во-первых, совокупность данных не подчиняется нормальному закону, во-вторых, данные значимо взаимосвязанны. Если обе гипотезы выполняются, можно утверждать, что исследуемый объект является техноценозом, и его данные по
электропотреблению могут обрабатываться методами рангового анализа. Проверка гипотезы
о несоответствии генеральной совокупности данных по электропотреблению нормальному
распределению осуществляется при помощи критерия Пирсона, а также методом спрямленных диаграмм. Исследование взаимосвязанности техноценоза выполняется с помощью коэффициента конкордации, выборочного коэффициента ранговой корреляции Кендалла, а также
выборочного коэффициента линейной корреляции. Методика расчетов и интерпретация соответствующих параметров изложены в работах [7-10]. Кроме того, подробно данная процедура
рассмотрена в [4].
Как показано в [4], строго математически каждое ранговое распределение в графической
форме представляет собой совокупность точек, получаемых по эмпирическим данным. Точки
– результат анализа табулированного рангового распределения техноценоза. С точки зрения
последующей оптимизации большое значение имеет аппроксимация эмпирических распределений. Ее задача заключается в подборе аналитической зависимости стандартной гиперболи– 180 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
ческой формы, наилучшим образом описывающей совокупность точек (подробно процедура
рассмотрена в [4]).
Интервальное оценивание
Ключевой процедурой рангового анализа является интервальное оценивание рангового
параметрического распределения по функциональному параметру (в данном случае – электропотреблению) (рис. 4) [4].
По общему определению интервальное оценивание – процедура оптимального управления ресурсами техноценоза, заключающаяся в определении точек эмпирического рангового
параметрического распределения по исследуемому функциональному параметру, выходящих
за пределы гауссового переменного доверительного интервала, который построен относительно аппроксимационной кривой распределения. Точки, выходящие за пределы доверительного
интервала, фиксируют объекты техноценоза, аномально потребляющие ресурс. При этом если
точка находится ниже доверительного интервала, то считается, что объект потребляет ресурсы
аномально мало, а если выше интервала, то аномально много. В обоих случаях объект нуждается в углубленном обследовании с целью установления причин его аномального состояния.
Очевидно, что целью процедуры интервального оценивания в нашем случае является определение объектов техноценоза, аномально потребляющих электроэнергию.
Ранговое параметрическое распределение разбивается на ряд участков с таким расчетом,
чтобы, во-первых, на каждом участке было не менее 10 – 12 точек, а во-вторых, отклонения
значений экспериментальных параметров от соответствующих теоретических значений, определяемых аппроксимационной кривой, были распределены внутри участка по нормальному
закону. Для каждого участка можно записать уравнение [6-8]:
ǻ/[ı(ǻș)]=ĭ -1 (pd /2),
(1)
ǻ/[ı(ǻș)]=ĭ -1 (pd /2), ı(ǻș) в одну сторону от аппроксимационной кривой;
где Δ – ширина доверительного интервала
ı(ǻș) экспериментальных точек от теоретической криσ(Δθ) – среднеквадратичное отклонение
вой (в расчетах принимается стандарт);
ĭ-1 (IJ)
–1
ĭ-1 (IJ)
Ф (τ) – обратная функция Лапласа;
рd – априорно принимаемая доверительная вероятность.
pd
В (1) применяется стандартная функция
Лапласа [8]:
pd
IJ
2
1
- /2
ĭ(IJ)= IJ ³ e x2 dx. (2)
1
- /2
0 x dx.
ĭ(IJ)= 2ʌ³ e
2ʌ 0
Решение уравнения (1) позволяет определить
ширину доверительного интервала на кажȼ
ǻWkаппроксимация
=Wk -W (rk ), значений на границах участков дает
дом из участков разбиения. Последующая
ȼ
ǻW
=W
k
k -W (rk ),Учитывая принятые допущения относипеременный доверительный интервал распределения.
тельно экспериментальных точек, выходящих
за пределы доверительного интервала, можно
rk
rk входит в доверительный интервал, то в пределах гасделать следующие выводы. Если точка
уссового разброса параметров можно судить,
W ȼ (rk ) что данный объект потребляет электроэнергию
нормально для своего участка разбиения
рангового
распределения. Если точка находится ниже
W ȼ (r
k)
доверительного интервала, то это, как правило, свидетельствует
о нарушении нормального
Wk -W ȼ (rk )
ǻWko –
= 181
.
W -W–ȼ (r )
ǻWko = k Wk k .
Wk
­ ȼ
ĭ-1 (p ) > ı @
(rk )=W(rk )+ĭ-1 (p )į ı k ;
­ °° W
į 2> k @
ȼ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
Рис. 4. Определение объектов с аномальным электропотреблением
Рис. 5. К вопросу определения отклонения эмпирического значения электропотребления «аномального»
объекта от верхней границы переменного доверительного интервала
технологического процесса электропотребления на данном объекте (частые отключения электроэнергии, неплатежи, избыточная экономия и т.п.). Если точка находится выше интервала,
то на соответствующем объекте имеет место аномально большое потребление электроэнергии.
Именно на эти объекты в первую очередь должно нацеливаться углубленное энергетическое
обследование (энергоаудит). Последовательная (на протяжении ряда лет) реализация данной
методологии совместно с оцениванием жизнеспособности объектов по электропотреблению [5;
6] позволит каждый раз целенаправленно воздействовать на наиболее «слабые» объекты, при
этом средства, нацеленные на проведение энергетических обследований, будут расходоваться
наиболее эффективно, а общее электропотребление техноценоза будет постоянно снижаться.
Для более тонкой настройки процедур управления электропотреблением на этапе интервального оценивания проводится дифлекс-анализ (Deflexion analysis) распределения (рис. 3 и 5).
– 182 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
ǻ/[ı(ǻș)]=ĭ -1 (pd /2),
Цель данной процедуры – разработать оптимальный план энергетических обследований
«аномальных» объектов на среднесрочную перспективу (до 5 – 7 лет). При этом предполагаетı(ǻș)
ся, что основным индикатором дифлекс-анализа является отклонение эмпирического значения
-1
ǻ/[ı(ǻș)]=ĭ
(pd /2),
электропотребления «аномального» объекта
от верхней
границы переменного доверительного
-1
ĭ
(IJ)
интервала (рис. 5).
ı(ǻș)
Очевидно, что с точки зрения методологии
энергосбережения и оптимального управǻ/[ı(ǻș)]=ĭ -1 (pd /2),
pd
ления электропотреблением наибольший
интерес представляют «аномальные» объекты,
-1
электропотребление которых выше ĭверхней
границы переменного доверительного ин(IJ)
ı(ǻș)
IJ
тервала. Из рис. 5 видно, что «степень аномальности»
k-го объекта техноценоза с точ2
1
- /2
ĭ(IJ)= ³ e x dx.
ки зрения его электропотребления вpэтом2ʌ
случае может характеризоваться абсолютным
0
d
ĭ-1 (IJ)
дифлекс-параметром:
ȼ
IJ
2
ǻWk =W
(3)
1 k -W- (r
/2k ), p d ĭ(IJ)= ³ e x dx.
2ʌ 0
где W k – электропотребление k-го объекта техноценоза;
k IJ
W(r) – ранговое параметрическое rраспределение
объектов техноценоза по электропотре2
1
- x /2 ȼ
ĭ(IJ)=
dx.
ǻWk³ =W
-W (rk ),
блению с рангом r;
2ʌȼ 0 e k
W
(r
)
rk – ранг k-го объекта на распределенииkW(r);
W B(rk) – значение электропотребления
объекта, соответствующее k-му рангу на верхней
rk
ȼ
ǻWk =Wk -W
(rk ), ȼ
границе переменного доверительного
интервала.
o Wk -W (rk )
ǻWk =
.
В процессе анализа можно вести речь
иkоб относительном дифлекс-параметре k-го
W
W ȼ (rтакже
)
k
rk
объекта:
-1
­ ȼ W -W ȼ (r ĭ
(pį ) > ı k @
k
k)
(rk )=W(r
;
°)Wko =
(4)
k )+ . W ȼ (rkǻW
°
2
Wk
®
ĭ-1 (pį ) > ı k @
° ɇ
W
(r
)=W(r
), верхней и нижней граниЗначения электропотребления, соответствующие
kȼ
k k-му рангу на
°̄
o ­ Wk -W (rk )
-1 2
ǻW
=
.
(pį ) > ı k @
k
ȼ ранговогоĭ
цах переменного доверительного интервала
распределения
(рис. 5), определяются
;
° W (rW
k k)=W(rk )+
°
2
следующим образом:
®W(r )
ĭ-1 (pį ) > ı k @
° ɇk
-1
W
(r
)=W(r
),
­ ȼ °̄
k
ĭk (pį ) > ı k2@
;
° W (rk-1)=W(rk )+
°
2
ĭ (IJ)
®
-1
ĭ (pį ) > ı k @
° ɇ W(rk )
,
(5)
°̄ W (rk )=W(rk )2
pį
ĭ-1 (IJ)
где W(rk) – значение электропотребления
на аппроксимационной кривой рангового распредеW(rk )
[ı
]
ления, соответствующее рангу rk; k
Ф –1(τ) – обратная функция Лапласа,
p į задающая верхнюю и нижнюю границы доверитель-1
ĭ
(IJ)
f
ного интервала (см. выражение (2));
ǻWȈ = ³ ǻW(rɞ )drɞ ,
рδ – априорно принимаемая (как правило,
[ı k ] 0 95 %-ная) доверительная вероятность;
p
[σk] – эмпирический стандарт įрангового распределения в параметрическом кластере k-го
объекта.
ǻW(rɞ )f
Необходимо отметить, что для
объектов
ǻWȈ = ³ ǻW(r
[ı k ]сравнения
ɞ )drɞ , в пределах одного параметрическо0
го кластера на фиксированном временном интервале можно использовать относительный
ǻW1
f
ǻW=
.
дифлекс-параметр. Однако для более тонкой
оценки
следует осуществлять процедуру ранжиȕ
r Ⱦ
ǻWȈ =ǻW(r
ɞ )ɞ ɞ )drɞ ,
³ ǻW(r
0
– 183 –
­ǻWȈǻW
(t);1
.
ǻW(rɞǻW=
°)
ȕ
ǻW
(t);
® 1 rɞ Ⱦ
°
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ĭ (pį ) > ı k @
° ɇ
,
°̄ W (rk )=W(rk )2
W(rk )
ĭ-1 (IJ)
W(r )
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением
техноценоза методами рангового анализа
ĭ-1 (IJ)k
pį
-1 дифлекс-параметру с последующей аппроксирования аномальных объектов по абсолютному
p įĭ (IJ)
мацией и получением рангового параметрического
распределения. Это позволит определить
[ı k ]
интегральный дифлекс-параметр техноценоза:
[ıpkį]
f
ǻWȈ = ³ ǻW(rɞ )drɞ , (6)
[ı
0 k] f
ǻWȈ = ³ ǻW(rɞ )drɞ ,
где ΔW(rД) – ранговое параметрическое распределение
«аномальных» объектов техноценоза
0
f
ǻW(rɞ )
по абсолютному дифлекс-параметру с рангом
.
ǻWȈ = ³rДǻW(r
ɞ )drɞ ,
Аппроксимация распределения обычноǻW(r
осуществляется
с помощью стандартной гипербо0
ɞ)
ǻW
1
лической формы с параметрами ΔW1 и ǻW=
βД:
.
ȕȾ
rǻW(r
ɞ
ɞ)
ǻW
ǻW= ȕ 1 . (7)
rɞ Ⱦ
­ǻWȈ (t); ǻW1
ǻW= ȕ .
Дальнейший анализ техноценоза°®ǻW
заключается
r Ⱦ в получении ключевых динамических
1 (t);
­ǻWȈ (t);ɞ
°ȕ (t),
дифлекс-функций:
¯ ɞ °ǻW (t);
® 1
°ȕ­ǻW
(t);
¯ °ɞ (t),Ȉ
(8)
®ǻW1 (t); °ȕ (t),
¯ ɞ
где t – время функционирования техноценоза.
Реализация процедур прогнозирования применительно к функциям (8) позволяет оценить
динамику «аномальных» объектов, а также разработать программу углубленных энергетических обследований на среднесрочную перспективу, реализующую критерий:
§f
·
t=1 © 0
¹
m
¦ ¨¨ ³ ǻW t (rɞ )drɞ ¸¸ o min, (9)
где ΔW t (rД) – ранговое параметрическое распределение «аномальных» объектов техноценоза
t
ǻWна
(rɞt-м
) временном интервале;
по абсолютному дифлекс-параметру
m – количество анализируемых временных интервалов.
f
W
WȈ ³ ȕ0ɩ dr,
Прогнозирование
ɉ
0 r
Прогнозирование – процедура оптимального управления ресурсами техноценоза, заключающаяся в определении вероятных значений функциональных параметров в будущем.
W0ɩ ɢ ȕ ɩ
Применительно к техноценозу прогнозирование
может осуществляться G-методами (Gaussметодами, основанными на гауссовой математической статистике), Z-методами (Zipf-методами,
n
основанными на ципфовой математической
статистике)
и синтетическими GZ-методами, оргаWȈ # ¦
Wɩk ,
k=1
нично сочетающими их достоинства. Однако GZ-прогнозирование предполагает выполнение
предварительной процедуры верификации, реализуемой методами GZ-анализа техноценоза
ɩk
(Gauss-Zipf analysis), в основе которогоWлежит
процедура оценки системного параметрического ресурса кластеров объектов. Прогнозирование может выполняться на основе статической
§ r2
· ресурса техноценозом на год вперед.
модели, корректно отражающей процесс потребления
¨ ³ W g (r)dr ¸ - (r2 -r1 )W2 ,
W
=
G
Динамическое стохастическое моделирование,
вероятные изменения в системе
¨ r учитывающее
¸
©1
¹
– 184 –
W g (r)
r2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
Рис. 6. Структура прогнозной базы данных по электропотреблению: W km – электропотребление k-го объекта в (t – m)-м году
исходных данных, позволяет прогнозировать потребление ресурса техноценозом на среднесрочную перспективу (5 – 7 лет) [4].
Итак, прогнозирование электропотребления объектов техноценоза осуществляется на
основе синтетической GZ-методологии, сочетающей достоинства как традиционных (гауссовых), так и техноценологических (ципфовых) методов. На рис. 6 приведена структура прогнозной базы данных по электропотреблению.
Предварительно выделяются из состава базы данных техноценоза следующие информационные подсистемы. Фактические известные данные по электропотреблению в текущем году
составляют «Вектор верификации». Прогнозируемые данные в будущем году определяются
как «Вектор прогнозирования». Все остальные известные данные образуют «Матрицу данных» по электропотреблению (рис. 6).
Процесс прогнозирования электропотребления объектов техноценоза реализуется в два
взаимосвязанных этапа. На первом этапе в качестве базы прогнозирования используется матрица данных, применительно к которой реализуются последовательно все имеющиеся в распоряжении методы прогнозирования. Статистическое сравнение полученных прогнозных
результатов с соответствующими данными вектора верификации позволяет для каждого из
объектов определить наиболее эффективный метод. Затем на втором этапе прогнозирования
вектор верификации присоединяется к матрице данных и окончательно прогнозируется электропотребление, причем процедура для каждого объекта осуществляется именно тем методом,
который на первом этапе был определен для него как наиболее эффективный. Как уже сказано,
данная методология прогнозирования электропотребления техноценоза названа автором GZметодом. В базе данных прогнозирования могут использоваться самые различные методы. В
любом случае в процессе реализации GZ-алгоритма выбирается наиболее эффективный из них
(подробнее о методах см. в [4]).
– 185 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
Рис. 7. Прогнозирование электропотребления техноценоза Z-методами
Для прогнозирования электропотребления объектов G-методами в основном используются нелинейные многочлены. В случае необходимости может быть применено линейное или
экспоненциальное сглаживание модели, что несколько повышает точность расчетов. В процессе прогнозирования электропотребления техноценоза Z-методами должны учитываться
техноценологические свойства, сводящиеся в итоге к понятию устойчивости гиперболических
ранговых параметрических распределений (рис. 7). Полная совокупность методов прогнозирования, используемых при моделировании процессов управления электропотреблением, соm §f
· который ранее подробно разобран и
ставляет так называемый GZ-модуль прогнозирования,
m §¨f ǻW t (r )dr ·¸ o min,
¦
ɞ
ɞ
³
t
опубликован в работах [4-7].
¦t=1¨¨¨©³0ǻW (rɞ )drɞ ¸¸¸¹o min,
t=1 © 0
¹
После получения GZ-методами прогнозных
значений
электропотребления для каждого
объекта в отдельности, для техноценоза в tцелом строится прогнозное ранговое параметричеǻW (rɞ )
ǻW t (rɞ )
ское распределение. Суммарное электропотребление
определяется на основе численной реализации:
f
W
WȈ f³Wȕ0ɩ0ɩ dr,
(10)
WȈ ³0 rȕ ɉ dr,
ɉ
r
0
где W0П и βП – прогнозные параметры W
распределения,
0ɩ ɢ ȕ ɩ
W0ɩ ɢ ȕ ɩ
по эмпирическому выражению:
n
n W ,
WȈ # ¦
ɩk
WȈ # ¦
k=1Wɩk ,
(11)
k=1
где n – общее количество объектов техноценоза;
Wɩk
Wɩk k-го объекта.
W Пk – прогнозное электропотребление
Как показано в работе [4], погрешность прогнозирования электропотребления GZ§ r2
·
методами для отдельных объектов может
4 ·–¸ -10 %.
погрешность прогноза
WG составить
=§¨r2³ Wgg (r)dr
)W2 этом
,
(r2 -r1При
¨
¸
¨
¸
W
=
W
(r)dr
(r
-r
)W
,
G превышает
1
2(что можно считать хорошим
для техноценоза в целом, как правило, не
¨©³r r1
¸¹1,5 –2 2 %
©
¹
1
результатом).
– 186 –
W g (r)
W g (r)
r2
r2
WZ = ³ (W(r)-Wgg (r))dr.
WZ = ³r (W(r)-W (r))dr.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
§ ff
·
t
W
t 0ɩ (rɞ )drɞ ¸ o min,
ǻW
¨
¦
³
ǻW
(r
)
WȈ ¨ ³ ȕ ɞ dr,
¸
t=1 © 0 r ɉ
¹
0
m
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением
техноценоза методами рангового анализа
f
t
W
WǻW
ɢ Ȉȕ(rɩɞ )³ ȕ0ɩ dr,
0ɩ W
ɉ
GZ-анализ
0 r
В процедуре прогнозирования большую
n f W сложность составляет операция выбора G- или
0ɩ
WW
#
Wɩk
, dr, на основе тонкого GZ-анализа параметриȈ
Z-методологии. Предлагается выбор
осуществлять
Ȉ W¦
ȕɩ
0ɩ ³ɢ rȕ
ɉ
k=10
ческого распределения (рис. 3; 8), а в качестве критерия выбора метода рассматривать соотноn
шение объемов гауссового и системного ресурсов
кластеров техноценоза.
WW
ɢ#ȕ ¦
W
,
ɩk W
0ɩ
ɩ
Ȉ
ɩk
Гауссовый ресурс определяется следующим образом (рис. 8):
k=1
§ r2 n
·
W
W
ɩk , ¸ - (r2 -r1 )W2 , WG =Ȉ ¨#ɩk³ ¦
W gW
(r)dr
¨ r k=1
¸
©1
¹
(12)
§ r2
·
W
где W(r) – ранговое параметрическое
ɩk = ¨ W g (r)dr ¸ - (r -r )W ,
g распределение;
W
G
2 1
2
³
W
(r)
¨r
¸
W g (r) – гауссовое распределение параметров
кластера,
построенное в ранговой дифферен©1
¹
циальной форме;
§ r2
·
r2
g
¨
¸ - (r2 -r1правой
W
=
W
(r)dr
)W2 , ранговой границе кластера.
g
g
G (W(r)-W
W2 – значение электропотребления,
³
WZ =W
(r))dr.
¨(r)
¸
³ соответствующее
r1
©
¹
Соответственно системный ресурсr1 кластера равен (рис. 8):
r2
g
g
WW
(r)
(13)
WZ (r))dr.
ǻWZ Z = ³ (W(r)-W
#
K GZ
lim
,
1 KO W
KKro
ǻWG
G
r2
Как показано в работе [4], для каждого
объекта
можно
получить отношение системного и
WZ = ³ (W(r)-W g (r))dr.
W
ǻW
гауссового доверительных интервалов,
которое
коэффициентом
когерентности и
Z
Z
ǻWZK GZ
#
limназывается
,
r1
KK o KO W
ǻW
G по отношению
G
показывает степень согласованности поведения объекта
к техноценозу:
ǻWG
K GZ
ǻWZ lim
WZ ǻWZ
#
,
KK o KO W
ǻWG
G
n
(14)
n
K Ȉ ǻW
где KK – количество кластеров техноценоза;
¦ ǻWZi / ¦ ǻWGi ,
ǻWZi=1G
i=1
KO – количество объектов техноценоза;
ΔWZ – системный доверительный интервал
объекта;
n
n
­KǻW
(t);
K
ǻW
/
Ȉ G
¦ объекта.
Ȉ
Zi ¦ ǻWGi ,
ΔWG – гауссовый доверительный
° интервал
i=1
i=1
®K GZi (t);
°
n
... n,n
¯i=1
K Ȉ­K Ȉ¦
(t);ǻWZi / ¦ ǻWGi ,
i=1
° i=1
®K GZi (t);
mn
1
­K GZ
°  [K GZ ;K GZ ) Ÿ Z-ɦɟɬɨɞ;
°° ¯i=1 ...1 n, 2
K (t);
® K­
GZȈ [K GZ ;K GZ ) Ÿ GZ-ɦɟɬɨɞ;
°°
(t);2 ;K mx ) Ÿ G-ɦɟɬɨɞ,
®K GZi
 [K
GZ 1
mn
°̄ K°GZ
­K GZ GZ[K GZ
;K GZ ) Ÿ Z-ɦɟɬɨɞ;
i=1
...
n,
¯ °°
1
2
® K GZ  [K GZ ;K GZ ) Ÿ GZ-ɦɟɬɨɞ;
1
2
K GZ°ɢ K GZ
2
mx
K GZ  [K
) Ÿ G-ɦɟɬɨɞ,
mnGZ ;K
­K°̄GZ
 [K GZ
;K1GZGZ
) Ÿ Z-ɦɟɬɨɞ;
°°
1
2
mn
® KɢGZKmx[K GZ ;K GZ ) Ÿ GZ-ɦɟɬɨɞ;
K GZ
2
° K1 GZ
ɢ[K
K2GZ ;K mx ) Ÿ G-ɦɟɬɨɞ,
GZ
GZ
GZ
°̄ K GZ
Рис. 8. К вопросу выбора G- или Z-метода прогнозирования по критерию соотношения объемов системmn
mx
ного и гауссового ресурсов кластеров
1K GZ ɢ 2K GZ
K GZ ɢ K GZ
– 187 –
mn
K GZ
mx
ɢ K GZ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
¦ ¨¨ ³ ǻW (rɞ )drɞ ¸¸ o min, ¦ §¨ ³ ǻW t (rr ɞ )drɞ ·¸ o min,
§
t=1 © 0
¨
¸ n·
¹
t=1 © 0
¹ ¸ - (r -r )W ,
WG = ¨ ³ W
W g (r)dr
#
¨ r Ȉ ¦¸Wɩk 2, 1 2
2
©1
k=1¹
t
ǻW
(rɞ ) Оптимальное управлениеt электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
В.И. Гнатюк.
ǻW (rɞ )
W g (r) Wɩk
Итак, fтеоретически
коэффициент
когерентности может быть определен как предел отноW0ɩ
f
W0ɩгауссовому ресурсу при условии сужения ширины
W
dr,
Ȉ
³ rȕɉ ресурса кластера
шения системного
WȈ к³его
rȕ2ɉ dr,
§ r2
·
0
0 r
кластера до нуля (устремления количества
кластеров
общему
¸ - (r2количеству
WZ = ³ (W(r)-W
WG = ¨ ³g (r))dr.
W кg (r)dr
-r1 )W2 , объектов техноце¨
¸
ноза). Это проиллюстрировано на рис. 8. r1Эмпирически
же коэффициент
когерентности может
© r1
¹
W0ɩ ɢ ȕ ɩ
W0ɩ ɢ ȕ ɩ доверительного интервала к гауссовому. Если кобыть определен как отношение системного
g системный
эффициент когерентности близок к единицеW
(т.е.
W
ǻWZи гауссовый интервалы примерно
n
K GZ
lim(r) Z #
,
n
KK
KO
o
равны),
то
можно
говорить
о
согласованном
поведении
данного
объекта и техноценоза (подW
ǻW
WȈ # ¦ Wɩk ,
G
G
W
#
W
,
¦
Ȉ
ɩk
k=1
робнее о коэффициенте
когерентностиk=1
см. в работе
r2 [4]).
g
Дальнейший более глубокий GZ-анализ
заключается в определении так
ǻWZ WZ =техноценоза
³ (W(r)-W (r))dr.
r
W
1
называемого
кумулятивного когерент-фактора
(coherent factor), который определяется как
ɩk
Wɩk
отношение суммарных системного ǻW
и гауссового доверительных интервалов всех объектов
G
WZ ǻWZ
техноценоза:
§ r2
·
#
K GZ · lim
,
r
2
§
g
KK o KO W
WG = ¨ ³ W (r)dr ¸ - (r2 -r1 )W2 ,
ǻWG
g
G
¨
¸
W
=
W
(r)dr
(r
-r
)W
,
¨r
¸
G
³ n ¸ n2 1 2 ©1
¹
K¨©Ȉr1 ¦ ǻWZi
(15)
¹ / ¦ ǻWGi , i=1
i=1
ǻWZ
g
W
(r)
где n – количество объектов техноценоза.
W g (r)
­K Ȉ (t);
Когерент-фактор техноценоза показывает,
ǻWGв какой степени его системное поведение со°
K GZi (t);
r2
®
гласовано с индивидуальным
поведением
объектов по отдельности (под поведением здесь, безr
°2
WZ = ³ (W(r)-W g (r))dr.
... n, g (r))dr.
WZ =¯³i=1
(W(r)-W
n
n рядов электропотребления объекусловно,
понимаются
свойства
параметрических
временных
r1
K
ǻW
/
ǻWGi ,
r1
¦
¦
Ȉ
Zi
тов и техноценоза). Затем с использованием процедур
прогнозирования
могут быть получены
i=1
i=1
mn
1
­ K GZ function):
динамические когерент-функции (coherent
[K GZ ;K GZ ) Ÿ Z-ɦɟɬɨɞ;
WZ ǻWZ
°°
W
#
K GZ
lim
,
1 Z 2 ǻWZ
 [K
;K#GZ ) Ÿ ,GZ-ɦɟɬɨɞ;
KK o KO W
ǻWG K GZ® KKK
GZlim
­ GZ
G
Ȉ (t); ǻW
o KOK
W
G
°
2 G mx
°
;K GZ ) Ÿ G-ɦɟɬɨɞ,
°̄ K GZ  [K
®KGZ
GZi (t);
°
ǻWZ
(16)
¯i=1 ... n, ǻWZ
1
2
K GZ ɢ K GZ
где t – время функционирования техноценоза.
mn
1
ǻWG
­ K GZ в [K
) Ÿ Z-ɦɟɬɨɞ;
GZ ;K GZмомент
Когерент-функции
позволяют
любой
времени и прогнозироǻWG оценивать
°
°
mn
mx
1
2
K GZ ɢ K®GZ
Kсвойств
;K GZтехноценоза
) Ÿ GZ-ɦɟɬɨɞ;в целом, так и его
вать изменение в будущем динамических
GZ  [K GZкак
n
n
°
2
mx
n
n  [K могут
объектов
в частности.
Когерент-параметры
существенно оптимизировать
KȈ ¦
ǻWZi / ¦ ǻW
GZ ;K GZ ) Ÿ G-ɦɟɬɨɞ,
°̄ K/ GZтакже
Gi ,
K Ȉ ¦ ǻWZi
ǻWGi ,
¦
i=1
i=1
процесс прогнозирования в техноценозе.
В i=1
частности, как показывают исследования и
i=1
реализация на практике, коэффициент когерентности
является устойчивым индикато2
K1GZ ɢ K GZ
­K Ȉ (t);
ром априорного
выбора наиболее
эффективного метода прогнозирования для рассма­K Ȉ (t);
°
°
триваемого
больших значениях коэффициента лучше рабо®K GZi (t);объекта. При сравнительно
®K GZi (t); K mn ɢ K mx
°
GZ
GZ а в качестве критерия выбора может
тают¯G-методы,
в противном °случае – Z-методы,
i=1 ... n,
¯i=1 ... n,
применяться альтернатива [4]:
mn
­K GZ  [K GZ
;K1GZ ) Ÿ Z-ɦɟɬɨɞ;
mn
­K GZ  [K GZ
;K1GZ ) Ÿ Z-ɦɟɬɨɞ;
°°
1
2
°
°
1
2
® K GZ  [K GZ ;K GZ ) Ÿ GZ-ɦɟɬɨɞ;
® K GZ  [K GZ ;K GZ ) Ÿ GZ-ɦɟɬɨɞ; °
2
mx
°
2
mx
°̄ K GZ  [K GZ ;K GZ ) Ÿ G-ɦɟɬɨɞ,
°̄ K GZ  [K GZ ;K GZ ) Ÿ G-ɦɟɬɨɞ,
(17)
2
где K1GZ ɢ K GZ
– соответственно левое
и2 правое критериальные значения коэффициента когеK1GZ ɢ K GZ
рентности;
mn
mx
K GZ
ɢ K GZ
mn
mx
K GZ
ɢ K GZ
– 188 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
°
2
mx
°̄ K GZ  [K GZ ;K GZ ) Ÿ G-ɦɟɬɨɞ,
2
K1GZ ɢ K GZ
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
mn
mx
– соответственно минимальное и максимальное значения коэффициента когеK GZ
ɢ K GZ
рентности.
Критериальные значения коэффициента когерентности определяются на основе юстировки базы методов прогнозирования к базе данных по электропотреблению. Здесь находит
применение эвристический вариант GZ-анализа, целью которого является определение так называемой GZ-матрицы, которая представляет собой таблицу методов прогнозирования, определенных как наиболее эффективных применительно к объектам на соответствующих временных интервалах (подробнее см. [4]).
Нормирование
Нормирование – процедура оптимального управления ресурсами техноценоза, заключающаяся в определении статистических параметров (среднего и стандарта) кластеров
объектов техноценоза, которые выделены на ранговом параметрическом распределении по
исследуемому функциональному параметру. Кластеризация позволяет выделить группы
объектов, которые на данном временном интервале потребляют ресурс сходным образом
(рис. 9). Как показали многочисленные исследования [4-7], процедура нормирования в сочетании с прогнозированием позволяет предъявлять объектам научно обоснованные нормы расходования ресурсов.
В соответствии с [6; 7] кластер-процедуры реализуются на пространстве эксперимен(r1 ,W1 ),(r2 ,W2 ),...,(rk ,Wk )
тальных данных по (r
электропотреблению
объектов техноценоза в соответствии с крите,W
),(r
,W
),...,(r
1
1
2
2
k ,Wk )
рием качества разбиения на классы, который на фиксированном множестве f-разбиений
(r1 ,W1 ),(r2 ,W2 ),...,(rk ,Wk ) S1 ,S2 ,...,Sn
(r1 ,W1 ),(r2 ,W2 ),...,(rk ,Wk ) на заданное число
классов S1 ,S2 ,...,Sn
S1 ,S2 ,...,Sn
(18)
S1 ,S2 ,...,Sn
Sf =(S1 ,S2 ,...,Sn ) Sf =(S1 ,S2 ,...,Sn )
выглядит следующим образом:
Sf =(S1 ,S2 ,...,Sn )
n §
·
Q(S) ¦ ¨
d E·2 (ri ,Wi ),(rj ,Wj ) ¸ o extr,
¦
n §
¨ ,W ),(r ,W )S
¸
¸ o extr, i
j
Q(S) ¦ ¨
dfE 21 © (r
(rii ,W
(19)
¹
¦
i ),(r
jj ,Wf j )
¨
¸
n §
·
f 1 © (ri ,Wi ),(rj ,Wj )2Sf
¹
Q(S) ¦ ¨
d E (ri ,Wi ),(rj ,Wj ) ¸ o extr,
¦
¨
¸
f 1 © (ri ,Wi ),(rj ,Wj )Sf d ((r ,W ),(r ,W )) ¹
E
i
i
j
j
где d E ((ri ,Wi ),(rj ,Wj ))d– ((r
взвешенное
евклидово расстояние между полученными точками.
E
i ,Wi ),(rj ,Wj ))
Кластер-процедура (18) дополняется проверкой расстояния между классами Sf и Sm , изd E ((ri ,Wi ),(rj ,Wj ))
ȡ min (SПри
) min

o max .
^d (rf ,Wреализуется
f ,Smэтом
f ),(rm ,Wm ) `критерий:
меренного по принципу
«ближнего соседа».
циклично
(rf ,Wf )Sf ,(rm ,Wm )Sm
ȡ min (Sf ,Sm ) min ^d (rf ,Wf ),(rm ,Wm ) ` 
o
max
.
(r ,W )S ,(r ,W )S
f
f
f
m
m
m
(20)
min ^d (rf ,Wf ),(rmrs ,Wm ) ` 
o max . (rf ,Wf )Sf ,(rm ,Wm )Sm
W0
dr
rs
³ ȕ
W0
1 ns
rs-1 r
dr
³ rȕ
Wnss
Wi ,
#
По результатам кластер-анализа
объекты
техноценоза
на группы (классы,
rs
¦ разбиваются
1
W0 rs-1
rs -rs-1
n s i=1
W
W
,
#
dr
¦ i После этого возникает возможность определекластеры) по «сходному»
³ sȕ электропотреблению.
rs -rs-1
1 n s n s i=1
rs-1 r
ния норм электропотребления
из групп. Норма представляет собой среднее и
Ws
# внутри
¦ Wкаждой
i,
rs -rs-1
n s i=1 rs-1 ɢ rs
эмпирический стандарт,
определяемые
на выборке значений электропотребления рассматриrs-1 ɢ rs
ваемой группы. Количество
групп разбиения целесообразно иметь таким, чтобы в наиболее
r
ɢ
r
W0 10 – 12 объектов. Среднее электропотребления для
s-1
s
многочисленные из них входили не более
W0
s-й группы объектов определяется следующим образом:
W0
n s – 189 –
ns
ȡ min (Sf ,Sm )
ns
Wi
Wi
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(r ,W ),(r ,W ),...,(r ,W )
1
1
2
2
kтехноценоза
k
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением
методами рангового анализа
S1 ,S2 ,...,Sn
(r1 ,W1 ),(r2 ,W2 ),...,(rk ,Wk )
Sf =(S1 ,S2 ,...,Sn )
S1 ,S2 ,...,Sn
n §
Q(S) ¦ ¨
d E 2 (ri ,Wi ),(rj ,Wj )
¦
¨ ) ),(r
Sf =(S1 ,S2f ,...,S
1 © (ri n,W
,W
)
S

i
j
j
f
n §),(r ,W ))
d E ((ri ,W
Q(S)
d E 2 (ri ,Wi ),(rj ,Wj )
¦i¨¨ j ¦j
(r1 ,W1 ),(rf 2 1,W
),...,(r
i ),(rj ,W
j )S
© (r2i ,W
k ,W
kf )
ȡ min (Sf ,Sm )
·
¸¸ o extr,
¹
·
¸¸ o extr,
¹
min ^d (rf ,Wf ),(rm ,Wm ) ` 
o max .
(r ,W )S ,(r ,W )S
f
Sd1 E,S((r
i ,Win),(rj ,Wj ))
2 ,...,S
f
f
m
m
m
rs
W0
Рис. 9. Нормирование электропотребления в техноценозе
dr
Sȡf min
=(S(S
)
³2 ,...,S
ȕ
,W ),(r ,W ) ` 
o max .
1 ,S
f ,S
m ) n min ^d n(r
(rf ,Wf )Sf ,(rm ,Wm )Sm
1 sf f m m
rs-1 r
Ws
W
,
#
¦ i
rs -rs-1
n s i=1
·
rs n §
Q(S) ¦W¨0 dr ¦
d E 2 (ri ,Wi ),(rj ,Wj ) ¸ o extr,
¸
rs-1 ɢr³frs 1r¨©ȕ (ri ,Wi ),(rj ,W
¹
1 j )nsSf
s-1
Ws
Wi , #
(21)
¦
rs -rs-1
n s i=1
d EW
((r0i ,Wi ),(rj ,Wj ))
где rS–1 и rS – левая и правая ранговые границы нормируемой группы объектов на распределении;
rs-1 ɢ rs
W0 и β – параметры рангового распределения;
n s (Sf ,Sm ) min ^d (rf ,Wf ),(rm ,Wm ) ` o max .
ȡ min
(rf ,Wf )Sf ,(rm ,Wm )Sm
nS – количество объектов в s-й группе;
W0
Wi – эмпирическое значение электропотребления i-го объекта техноценоза.
Wi rs
Эмпирический стандарт для этой же
группы
объектов:
W0
n s ³ ȕ dr
1 ns
r r
Ws s-1 1 n s #
W,
¦
(22)
ıs # rs -rs-1¦ (W
-Wi )i2 . n s si=1
n s -1 i=1
Wi
rs-1 ɢASR
rsASR-анализ
n
W k 1=Wsk +(W(rk )-W2 g (rk )),
ıs #
(W s -Wi ) .
¦
Классические процедуры кластер-анализа,
n s -1 i=1 будучи применены в рамках процедуры норW0
мирования объектов техноценоза, дают
неплохие результаты [4; 7], однако обладают сущеASR
Wk
ственным недостатком. Они усредняют
ASR анализируемый параметр в пределах кластера на
W k =W k +(W(rk )-W g (rk )),
n
s
основе гауссовой математической статистики и тем самым не учитывают системный ресурс
W k (рис. 8). Устраняется данный недостаток в рамках
параметрического кластера техноценоза
ASR
W
Wi k Resource analysis), являющейся тонким дополнением к
процедуры ASR-анализа (Adding System
W(rk )-W g (rk )
нормированию (рис. 3 и 10).
ns
Реализация процедуры ASR-анализа
случае заключается в добавлении к проW k 1 в данном
ıs # ASR ¦ (W s -Wi )2 .
гнозируемому среднему нормы электропотребления
объекта соответствующей его рангу
­° Wnks -1 (t);
i=1
®
g
ASR-нормы:
W(r
(t), (rk )
°̄ıkk )-W
ASR
W k =W k +(W(rk )-W g (rk )), m ASR
n
­° W
(t);ASR
k
® ¦¦ W
–kt190 o
– min,
ASR
ı
(t),
t=1
k=1
°̄
k
Wk
ASR
m n
ASR
WW
k kt W
o min,
kt
¦¦
(23)
Sf =(S1 ,S2 ,...,S
f 1 ©n(r)i ,Wi ),(rj ,Wj )Sf
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
¹
d E ((rni ,W
§ i ),(rj ,Wj ))
·
Q(S) ¦ ¨
d E 2 (ri ,Wi ),(rj ,Wj ) ¸ o extr,
¦
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением
техноценоза методами рангового анализа
¨
¸
f 1 © (ri ,Wi ),(rj ,Wj )Sf
¹
ȡ min (Sf ,Sm ) min ^d (rf ,Wf ),(rm ,Wm ) ` 
o max .
(r ,W )S ,(r ,W )S
f
f
f
m
m
m
d E ((ri ,Wi ),(rj ,Wj ))
rs
W0
dr
ȡ min (Sf ,Srm³ ) r ȕ min ^d 1 (rfn,W
o max .
s
f ),(rm ,Wm ) ` 
(rf ,Wf )Sf ,(rm ,Wm )Sm
Ws s-1
Wi ,
#
¦
rs -rs-1
n s i=1
rs
Ws
W0
rs-1 ³ɢ rrsȕ dr
rs-1
W0
rs -rs-1
#
1
ns
ns
¦ Wi ,
i=1
rs-1 ɢ rs
ns
W0
Wi
Рис. 10. К вопросу добавления системного
n s ресурса к нормам по электропотреблению в рамках
ASR-анализа
ns
Wi
ıs #
1
¦ (Ws -Wi )2 .
n s -1 i=1
ASR
где W k – результирующее среднее нормы электропотребления
для k-го объекта техноценоASR
n s k +(W(r )-W g (r )),
W k1 =W
k 2
k
за с учетом ASR-нормы;
ıs #
¦ (Ws -Wi ) .
n s -1 i=1
W k – среднее нормы электропотребления k-го объекта, полученное по результатам проASR
Wk
цедуры нормирования;
ASR
g
W(rk )-W g (rk ) – ASR-норма k-го объекта
– рис.
W k (обоснование
=W k +(W(rk )-W
(rk 8)),и выражение (13)).
ASR-нормирование электропотребления
W kтехноценоза на эмпирическом материале всей
ASR
имеющейся базы позволяет закрепить за каждым
объектом на каждом временном интервале
Wk
g
индивидуальную норму электропотребления.
аппроксимации дает функции завиW(rПроцедура
k )-W (rk )
симости среднего и стандарта нормы k-го объекта во времени:
Wk
­° W ASR
(t);
k
®
g
W(r°̄kı)-W
k (t),(rk ) (24)
где t – время функционирования техноценоза.
m n
ASR
­° W ASR
Реализация процедур прогнозирования
применительно
(t);W
k
o min,к функциям (24) позволяет оце® ¦¦ kt
t=1 k=1
нить динамику норм электропотребления
а также разработать программу нормиро°̄ıобъектов,
k (t),
вания на среднесрочную перспективу, реализующую критерий:
ASR
n kt
W
ASR
¦¦ W kt o min, m
(25)
t=1 k=1
ASR
где W kt – ASR-среднее нормы электропотребления
k-го объекта на t-м временном инASR
W kt
тервале;
m – количество анализируемых временных интервалов (как правило, это часы, сутки, месяцы, годы);
n – количество объектов техноценоза.
– 191 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
Представляется важным понимать, что объекты в процедуре нормирования электропотребления группируются не по отраслевому или технологическому принципу, а по сходному
процессу электропотребления. Следует также отметить, что получаемые таким образом нормы
эффективны только для исследуемого техноценоза и не применимы для других, однако для
данного техноценоза они надежны и устойчивы. В любом случае их можно непрерывно (помесячно, ежегодно) уточнять, одновременно с изменением базы данных по электропотреблению.
Вывод
Таким образом, на этапе статистического анализа и построения эмпирической модели
процесса электропотребления осуществляется глубокая обработка данных по электропотреблению объектов, которая включает интервальное оценивание, прогнозирование и нормирование. Интервальное оценивание выявляет в динамике и наглядно представляет объекты с
аномальным электропотреблением. Прогнозирование электропотребления отдельными объектами и техноценозом в целом осуществляется с использованием гауссовых и ципфовых методов. Кластерный анализ позволяет разбить объекты по группам и осуществить нормирование
электропотребления объектов в каждой группе с подробным статистическим описанием норм.
Более тонкий анализ рангового параметрического распределения позволяет значительно повысить эффективность рангового анализа. Он осуществляется в рамках следующих процедур:
дифлекс-анализа (на этапе интервального оценивания), GZ-анализа (на этапе прогнозирования) и ASR-анализа (на этапе нормирования).
Список литературы
1. Кудрин Б.И. Введение в технетику. Томск: ТГУ, 1993. 552 с.
2. Гнатюк В.И. Моделирование и оптимизация в электроснабжении войск. Вып. 4. Ценологические исследования. М.: Центр системных исследований, 1997. 216 с.
3. Гнатюк В.И. Оптимальное построение техноценозов. Теория и практика. Вып. 9. Ценологические исследования. М.: Центр системных исследований, 1999. 272 с.
4. Гнатюк В.И. Закон оптимального построения техноценозов. Вып. 29. Ценологические
исследования. М.: Изд-во ТГУ – Центр системных исследований, 2005. 384 с. http://gnatukvi.ru/
ind.html.
5. Гнатюк В.И., Лагуткин О.Е. Ранговый анализ техноценозов. Калининград: БНЦ РАЕН –
КВИ ФПС РФ, 2000. 86 с.
6. Гнатюк В.И., Северин А.Е. Ранговый анализ и энергосбережение. Калининград: КВИ
ФПС РФ, 2003. 120 с.
7. Гнатюк В.И. и др. М.: Журнал «Электрика», 2003, №№ 2 – 6; 2004, № 7; 2005, № 2; 2006,
№№ 1, 7, 12; 2007, №№ 2, 3, 7, 8, 11, 12; 2008, №№ 4, 8. Цикл статей, раскрывающих опыт решения задач оптимального управления электропотреблением.
8. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1978. 832 с.
9. Королюк В.С., Портенко Н.И. и др. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М.: Наука, 1985. 640 с.
10. Сухарев А.Г., Тимохов А.В., Федоров В.В. Курс методов оптимизации. М.: Наука,
1986. 328 с.
– 192 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Гнатюк. Оптимальное управление электропотреблением техноценоза методами рангового анализа
Optimum Сontrol Power Consumption
of Technocenose Methods of the Rank Analysis
Victor I. Gnatyuk
Kaliningrad state technical university,
30 Bulvar Yuzhniy, Kaliningrad, 236011 Russia
The base of energysave forms planned realization technical and technological measures, which must be
realized within the framework of procedures of optimum control power consumption the infrastructure
on system level. The purpose of control is a sequencing power consumption objects of infrastructure,
economy directed on payment for consumed electric power of the facilities, got to account organizing
action, as well as creation scientifically motivated premiseses for undertaking goal-directed deepened
energy audit with the following realization technical and technological measures on energysave. Under
infrastructure is in this case understood technocenose (the region as a whole, city, concern, company,
region extraction of oil and gas, agrarian infrastructure, group of the troops, network shop and etc.).
Main method of the decision of the problems of optimum control power consumption of technocenose is
the rank analysis, which allows in process of energysave use the system level operative and system control,
which earlier was not used. Herewith procedures are realized in real scale of time consist of the shaping
database on power consumption, determination anomalous objects, forecasting and normalization. This
enables management of technocenose extracts from energysave additional competitive advantage and
spare resource. Already first (organizing) stage to realization of the proposed methods allows to spare
before 10 – 15% from volumes of the annual payments for consumed electric power without capital
embedding. The following introduction energysave technology else more enlarges spare. In turn,
management technocenose gets the toolbox, allowing effectively control in condition of the developing
infrastructure.
Keywords: technocenose, optimum control power consumption, rank analysis, special thin procedures
of the rank analysis, database, interval valuation, forecasting, normalization, deflex-analysis, GZanalysis (gauss-zipf analysis), factor of coherence, ASR-analysis (adding system resource analysis).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2009 2) 194-202
~~~
УДК 007:681.518.2
Структурное проектирование
информационно-технологической подсистемы
многоцелевой оптимизации управления
качеством электроснабжения
В.И. Пантелеев, Л.Ф. Поддубных
Сибирский федеральный университет,
660041 Россия, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 6.05.2009, received in revised form 27.05.2009, accepted 17.06.2009
В статье рассматривается системная модель структурного проектирования информационнотехнологической подсистемы управления качеством электроснабжения в составе технологической автоматизированной системы управления электроэнергетической системой (АСУ ЭЭС).
Ключевые слова: многоцелевая оптимизация, управление качеством, качество электроснабжения, электромагнитная совместимость, динамическое состояние, автоматизированная система управления электроэнергетической системой (АСУ ЭЭС), автоматизированная система диспетчерского управления (АСДУ), автоматизированная система управления
качеством электроэнергии (АСУ КЭ), автоматизированная система коммерческого учета
электроэнергии (АСКУЭ), объект управления (ОУ), оперативный операционно-управляющий
комплекс (ОИУК), универсальный решатель системных задач (УРСЗ), компенсация реактивной мощности (КРМ).
Стратегическим направлением развития электроэнергетики России, сформулированным в
«Основных направлениях реформирования электроэнергетики Российской Федерации», определено создание эффективной системы управления функционированием и планированием развития энергосистем, объединённых энергосистем и ЕЭС России, включая управление на рынке
мощности и энергии [1].
Проблема управления качеством электроснабжения (УКЭС) рассматривается в мировой
практике в составе понятия «качество электроснабжения» (“power quality”), объединяющего в
себе две обширные проблемы обеспечения электромагнитной совместимости и бесперебойности (надёжности) электроснабжения [2]. Комплексному решению проблемы УКЭС способствует развитие новых информационных технологий принятия решений и их синтез в существующие или вновь создаваемые технологические подсистемы АСУ ЭЭС (АСДУ, АСУ КЭ, АСКУЭ
и др.) [3-5].
Формулируется задача структурного проектирования подсистемы многоцелевой оптимизации (МО) УКЭС в составе АСДУ ЭЭС в следующем виде [6]. Для заданного объекта управ*
1
Corresponding author E-mail address: pvi0808@rambler.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 194 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Пантелеев, Л.Ф. Поддубных. Структурное проектирование информационно-технологической подсистемы…
Рис. 1. Подсистема МО УКЭС
ления (ОУ) и среды его функционирования, определяемой динамическим состоянием качества
электроснабжения (ДС КЭС), спроектировать на базе типового комплекса задач ОИУК АСДУ
управляющий орган принятия решений МО УКЭС, обеспечивающий с помощью среды принятия решений алгоритмический учёт основного комплекса кибернетических свойств ОУ. Управляющий орган принятия решений в составе технологической АСУ ЭЭС вместе с ОУ образуют
сложный системный объект количественного и качественного исследования – информационнотехнологическую подсистему МО УКЭС (рис.1).
Проектирование подсистемы МО УКЭС производится на основе структуралистского системного подхода по Дж. Клиру с использованием архитектуры экспертной системы, представленной универсальным решателем системных задач (УРСЗ) [7]. Выделенная подсистема
рассматривается в ортогональной системе координат двух фундаментальных критериев различия:
а) подсистема базируется на определенных типах элементов;
б) подсистема базируется на определенных типах отношений.
В соответствии с критерием а) элементами подсистемы назначаются типовые блоки комплексов задач ОИУК АСДУ (сбор, хранение, передача, обработка информации; контроль, анализ состояния и режимов работы ЭЭС и др.), укрупненно сформулированные как задачи первичной и вторичной обработки информации АСДУ [8]. Критерий б) характеризуется типами
отношений между элементами подсистемы, выраженными через проявления в них комплекса
кибернетических свойств ОУ.
Применительно к подсистеме МО УКЭС направленная алгоритмическая последовательность комплексов задач ОИУК АСДУ представляется в виде множества элементов Вj
баз объекта вj: в1 – задачи сбора и первичной обработки информации МО УКЭС; в2 – задачи
учёта, контроля состояния и неэкстремального анализа режимов КЭС; в3 – задачи формирования критериев и целевых условий оптимизации; в 4 – задачи расчётов компромиссных
параметров МО УКЭС; в5 – задачи расчётов прогнозных компромиссных параметров МО
УКЭС; в 6 – задачи расчётов межсистемных компромиссных параметров МО УКЭС; в7 – за– 195 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Пантелеев, Л.Ф. Поддубных. Структурное проектирование информационно-технологической подсистемы…
дачи оценки эффективности компромиссного УКЭС. Отношения элементов подсистемы
МО УКЭС в управляющем органе принятия решений характеризуются множествами алгоритмических проявлений Аi учитываемых свойств ОУ аi , которые генерируются средой
системы принятия решений (рис.1): а1 – управляемость; а2 – динамичность; а3 – иерархичность; а4 – неопределённость; а5 – многокритериальность; а 6 – адаптивность; а7 – устойчивость; а 8 – экономическая эффективность.
Моделирование подсистемы МО УКЭС для заданных элементов и их свойств производится по уровням эпистемологической иерархии:
уровень 0 – исходная система;
уровень 1 – система данных;
уровень 2 – порождающая система;
уровень 3 – структурированная система.
Уровни эпистемологической иерархии отличаются друг от друга уровнем знаний по отношению к переменным, представляющим исследуемую исходную систему. В системах более
высоких эпистемологических уровней используются все знания соответствующих систем более низких уровней иерархии, а также содержатся дополнительные знания, ранее недоступные
более низким уровням иерархии.
Исходная система является источником эмпирических данных, т.е. источником описания
на языке УРСЗ абстрактных представлений об объекте. Она служит также источником интерпретации абстрактных данных, которые определяются пользователем или выводятся с помощью УРСЗ.
Уравнение исходной системы записывается в виде
S = (O, İ, I, Q, ξ),
(1)
где O, İ, I – уравнения примитивных систем:
O – уравнение системы объекта
^
^
^
^^^
^^
^^^
^
^
` ^^
` ^ ^^
`^
```^^^
`^
``^^
`
`
`
```
`
```
` ```
`
O ^ai , Ai i  Nn`, ɜ j , B j j  Nm ; O ^ai , Ai i  Nn`, ɜ j , B j j  Nm ;
İ – уравнение конкретной представляющей
системы
iiiNn
O
Nn`,, wɜ jj ,W
B jj j  Nm ;
I ^vaii,,VA
i
IO
Bjjjj j
^
a
,
A
i

Nn
`
,
ɜ
,
Nm
O v^a,iiVi ,i Aiiiii 
j
Nm
Nm ; ;;
NnNn
, `w, jɜj,jW
j,B
j
i
j  Nm ;
I
v ii ,Vсистемы
ii i  Nn , w jj ,W jj
I – уравнение общей представляющей
jjNm
iiNn
,V
,V
Nn, , ww ,W
,W
Nm ;;
III vvivi,iiV
i iiii  Nn , w j j,j jW j jj jj  Nm ;
I
Vi ,ioiNn
, woj ,:A
Wj o
j VNm, ; Q
Ⱥv i ,,V
 Nn,
i
i
i
i
i
i Nm ;;
,V
W
v,iiV
,V iiNn
Nn, , ww j,системами
,Wjjo
Nm
j jj
QII Ⱥvпримитивными
V
,
i ,ii io i  Nn, o jj:A
Q, ξ – уравнения отношений между
i i i
i i
i (2) - (4):
QB ,WȺ
, o i  Nn, o :A o
V , ;
i ,,V
i j oW
i j
j
j Zi j ji Nm, Z ij : B
,,,
Q
Ⱥ
,
V
,
o
i

Nn,
o
:A
o
VV
Q
Ⱥ
,
V
,
o
i

Nn,
o
:A
o
V
Q
Ⱥ
,
V
,
o
i

Nn,
o
:A
o
B j ,W jii,iZ ijii j i
Nm
,
Z
:
B
o
W
ii
iii j ;
j iii iiji
B ,W , Z j  Nm, Z : B o W ;
ȟ j V ,j V ,j e i  Nn, ej :V j o V j ,
i ,,Z
i ijj
i o
iW
;;
BB ,,W
W
W
Nm
Nm,,ZZi ::BB
j Z
j o
ȟ jjjV , jjV
,jjje i  Nn, ejjj:V jjo
V jj,j
i i i
i i
i
ȟW ,W
V , V , e iNm,
 Nn,
e :VooWV .,
İ j :W
i
iji
j i j ,İ ij j 
ji
,,,V
,,,
VV
VV,,, eee iii

Nn,
:V
o
VV
ȟȟȟ ,W
V
Nn,
Nn, eee:V
:Vi o
oV
W
iiji,İ j iiij iiiNm, İ j :Wiiij o
i i W j iii.
j
jo
,WVj i,İ j j  Nm, İ j :W j o W j .
VW
i
– 196 –
. .
Wjj,W
Nm,
Nm,İİjj:W
oW
W
VW
Vijj,İ
jj j
j ,W
j ,İjj j jj
j :Wjj j o
i o
o
V
V
W
o
W
ij
i j
o
V
V
o
V
V
V
o
V
W
o
W
iiji
iiij
^ ^
^ ^^
^ ^
^^ ^
^ ^
^ ^^
^
^^
W
oNn)
Wj
ai (ij 
``
```
````
`
``
```
`
``
(2)
(3)
(4)
(5)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
O
^a , A i  Nn`, ^ɜ , B
j
I
^v ,V i  Nn`, ^w ,W
i
i
j
`
j  Nm ;
O ^a , A i  Nn`, ^ɜ , B j  Nm` ;
`
j  Nm ;
^v`,V; i  Nn`, ^w ,Wподсистемы…
j  Nm` ;
В.И. Пантелеев, Л.Ф. Поддубных. Структурное
O ^a , Aпроектирование
i  Nn`, ^ɜ , информационно-технологической
B jI Nm
I ^v ,V i  Nn`, ^w ,W j  Nm` ;
Таблица
а
^a , A i  Nnсистема
O1. Нейтральная
`, ^ɜ , Bданных
^v`,V; i  Nn`, ^w ,W j  Nm`;
свойства
^vNm
`, ^w ,W jI Nm
I j 
,V`i;  Nn
i
i
i
j
j
i
i
j
j
i
^Ⱥi,Vi , oi i  Nn, oi:Ai o Vi `,
i
Q
i
j
j
i
1
i
i
i
j
j
j
j
i
i
j
j
j
j
i
i
j
j
^v ,V i  Nn`, ^w ,WI j ^vNm,V`i;  Nn`, ^w ,W jQ Nm
^Ⱥi`,V;i , oi i  Nn, oi:Ai o Vi `,
^B ,W I,Z ^vj ,VNmi , ZNn:`,B^wo,WW Oj`; Nm
^a `, A; i  Nn`, ^ɜ , B j  Nm`;
Q ^Ⱥ , V , o i  Nn, o :A o
V `,
i i i
i i ^B i,W , Z j  Nm, Z : B o W `;
ȟ ^V , V , e i  Nn, e :V o V `I, ^v ,V i  Nn`, ^w ,W j  Nm` ;
i Q i ^Ⱥi, V , o i iNn,i o :A i o V ` ,
I
j
j
i
i
i
i
j
j
j
j
j
j
j
i
i
j
j
i
i
j
j
j
j
^
i
i
j
j
j
j
j
j
^`
`
`
`
j
`
i iB j ,Wi j , Z j j  Nm, Z j : B j ȟo WVj , ;V , e i  Nn, e :V o V ,
i i i
i i
i
v i ,Vi i  Nn , w j ,W j j  Nm ;
W j ,W j ,İ j j  Nm, İ j :W j o W j I.
B j ,W j , Z j j  Nm, Z j : B j oW j ;
, ,İ j  Nm, İ :W o W .
ȟ V , V , e i  Nn, e :V o
W V
j ,W
j
j
j
i
i
i
i
i
i j j
Vi o Vi
Q Ⱥ , V , o i  Nn, o :A o V ,
i i i
i i
i
ȟ V , V , e i  Nn, e :V o V ,
VW
o
(6)
i i i
i W
i j ,W ji,İ j j  Nm, İ j :W j o
. i
i j V
W j o W j
B j ,W j , Z j j  Nm, Z j : B j o W j ;
Уравнение
аспекты исходной
С абстрагированием
W j ,W j ,İ j(1)j отражает
Nm, İ j :Wсемантические
o
WVj .
W j o системы.
Wj
j
V
o
i
i
ai (i  Nn)функции оi, ωj, ei-1: Vi → Vi , ξ -1: W j → W j . Конкретизация характеризуется функсвязаны
V , e i  Nn, e :V o V ,
циямиVe i, o
ξ и разбиениями оi-1=W
А ȟi / o
оi,V
ωi j,-1=
iBj / iωj. Прагматические
i aii (i  Nn)
i аспекты уравнения исходной
W
i j Vi
j
j
vi ,vi
системы
вводятся на дометодологическом уровне формулирования цели исследования и ограW ,W ,İ j  Nm, İ j :W j vo,vW j .
ничений
действия.
W jнаoопределённые
Wj
ai (i jNn)j j
i i
ɜ j (jУпрощение
Nm)
операций с уравнениями примитивных систем O, İ, I достигается тем, что свойVi o Vi
ствам ai (i  Nn) соответствуютvпеременные
vi ,vi а базам ɜ j (j Nm) соответствуют параметры
,vi
i
w j ,w j . Принимается также, что чёткий полный канал наблюдения Q между системой объекта
oW
,w
и общей
системой
наблюдения, по одному для
vi ,представляющей
vi
ɜ jW
(jj состоит
Nm) j из отдельных wканалов
j j
каждого
свойства
а
и
базы
в
.
W oV
i
j
ai (i  Nn) систему данных с семантикой SD = (S, d), где d:
ɜ j (j Nm)(1) описывает нейтральную
Уравнение
W oV
w j ,w
š
š š
š
j
W
→
V
.
Система
данных
для
канала
наблюдения
свойства
а1 подсистемы МО УКЭС предF iGB ( I , M iG , f iGB ),
,v
š
š š
š
v
ставлена
в табл. 1.
i Vi
w j ,w
Wo
F iGB ( I , M iG , f iGB ),
j
š Преобразование нейтральной системы S в направленный аналог Ŝ производится поf iGB
ɜ j (j Nm)
šвходных
š
š и выходных
сле
введения
системы,
переменных, удовлетворяюš
W oV понятий среды š
F iGB ( I , M iG , f iGB ), f
щих
с поведением представляется в
š утверждению “если x, то y”. Направленная системаiGB
š
š
š
š
Ɇ
iG
w
,w
виде уравнения
F iGB ( I , M iG , f iGB ),š j j
š
f iGB
Ɇ iG
(7)
H i (Cij ) H i (EiW
˜ Gi ) FiВ = (Ii, Mi, f iB),
oV.
H ɧ Giš
|Ei ˜ Gi
i
H i (Cij ) H i (Ei ˜ Gi )
)š iG
где Mi –f iGB
маска свойстваlog
аi; 2f iB(G–i функция
поведения.
Ɇ
š
š š
š
H ɧ Gi|Ei ˜ Gi
.
i
С помощью
функции
поведения
f
задаётся
параметрически
инвариантное
огра(G
)
log
iB:С(ij→{0,1}
F
I
,
M
,
f
)
,
iGB
iG
i
2
iGB
š
N (C ) переменных vi уравненияHобщей
Ɇ на
iG множество
H i (Ei ˜ Gi )
ничение
представляющей
системы (4).
i (Cij ) ij ij
ɧ
H š Gi|Ei ˜ Gi
.
f (C )
,
N (Cпредставление
)
i принять порождающий
iB Система
ij
с поведением (7) может
через
ма)
log 2 (Giхарактер
ij ij
N (C H
) (C ) fHiGB
¦
(E
G
)
˜
f
(C
)
,
ij
ij
i системы в виде
i ij направленной
i i
ски Mi в порождающую
маску
iB ij
H ɧ ĮGi|E
.
˜G
¦ N ij(Cij )
i ij iCij i
log 2š(Gi )
N (C )
ijig, M ),
= (Mi, Mijie; M
(8)
Į C
f Ɇ(CiG )
i,g
ij
ij
iB
ij
¦ N ij(CMijig) – подмаска порождаемых переменных;
H 5ɧM
(Gie5|E
29 (C )
где
– подмаска,
определяющая
среду системы;
5 ˜ G5 ) 0 ,N
ij ij
(Ei ˜ Gi )
(C ) порождающих, переменных.
ɧ G |EĮ ˜ G C H i (Cij ) HHɧi(G
M – fподмаска
iB ij
H
5
5|E5 ˜ G.5 ) 0 ,29
i
i
i
ij
ij
ig
i
SF
SF ¦ N ij (Cij )
(G
)
log
i
2
R
ɉ 1 f (c) ,
i i i
^
` ^
^
^
^
^
^
`^
^ `
^`
^
^
`
`
`
>
@
Į C
ij
H 5ɧ(G5|E5 ˜ G5 )
SF
ɫA
`
`
^
`
ij
H 5ɧ(G5|E5 ˜ G–5 197
) 0–,29 N (C )
ij
R SF
ij
f (C )
,
0 ,29 R SFiB ijɉ 1 f SFN(c)(C
¦ , )
SF
>
ɫA
Į C
ij
@
ij
>
@
ɉ 1 f SF (c) ,
ɫA
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ɜ j (j Nm)
vi ,vi
V o Vi
i  Nn i, w ,W
j  Nm ;
Iɜ (jvNm)
,
V
i
j
j
aj (i i Nn)
i
^
`^
`
W j o W j
ɜ j (j Nm)
I v i ,Vi i  Nn , w j ,W j j  Nm ;
В.И. Пантелеев, Л.Ф. Поддубных. Структурное
проектирование информационно-технологической подсистемы…
wvj ,w
i ,vij
ai (i  Nn)
W oV
w j ,w j
Направленная система с поведением
(7)
направленную сиQ
,Nm)
Vпреобразуется
, o i  Nn, o :Aв порождающую
o V ,
Wɜ o
V
(jȺ
i
i
i
i
i
i
j
š
š
š
š
стему с поведением
vi ,vi
F iGB ( I , M iG , f iGB
, V
W )o
š
š š
š
, Z( I j, M
(9)
B
Nm, ,fZiGB
FwiGB
),j o W j ;
j,W
j
j  iG
j :B
,w
j j
ɜ j (j Nm)
š
š
š
š
š
∧
f iGB
, f iGB ), поведения, соответствующая структуре
iGB ( I , M iG функция
где f iGB
: Еi· Gi · Gi→[0, 1] –F порождающая
š ȟ fW Vo
,VV , e i  Nn, e :V o V ,
i
iGBi i i w ,w i i
j j
š
š
маски Ɇ iG .
š
š
š
š
f iGB š
,W
), iGBj ,İ j ( jIнечёткости
iG ,İ f :Wнаправленной
W
, M
Nm,
j oWj .
ɆFjiG
Нормализованное значение порождаемой
системы с поведениW ojViGB
š
H
(C
)
H
(E
G
)
˜
i
i и порождающими переменными определяется по
ем, генерируемой
заданной
i средой
ij iG iсистемы
Ɇ
H ɧ Gi|Ei ˜ Gi
šo V .
š H (C )š H
š (E š˜ G )
V
i
формуле
log 2 (Gii )fɧiGBi
i
i ij
i i
H Gi|Ei ˜ Gi F iGB ( I , M iG , f iGB .),
i
(G )
log
H i (Cij ) H i (E
i ˜2Gi )i
ɧ W š˜ G
(10)
Wj
.
N (C ) H i Gi|E
š
iɆ
i
j o
iG
(G
)
log
ij ij
i
2
f (C )
,
iGB )
N f (C
iB ij
ij ij
N
(C
)
¦ ij нечёткости
afi (i 
(CNn)
)
Здесь Hi – показатель
выраженный чеij
H i (Cij, ) с Hповедением,
iBнаправленной
(C ) šN системы
i (Ei ˜ Gi )
ɧ ijN
(C )
H
G
|E
G
.
˜
ij
j
i
Į

C
¦
Ɇ
iG
i
i
i
рез вероятностное ijпредставление
функции
поведения
порождающих
и
порождаемых
нечётких
f (C ) i
, ij ij log (Gi )
ij
iB ij v ,v
2
Į

C
)
данных.
i i ¦ N (C
ij ij ij ij
H i (Cij ) H i (Ei ˜ Gi )
ɧ
H 5 (G5|E5 ˜ G5 ) 0 ,29
Į C
NH ɧ(CGi|E
) i ˜ Gi
.
ij
ij
ɜ j (j
Nm)
ij
j
i
i
log 2 (Gi )
(11)
Hf 5ɧ((C
G5|E)5 ˜ G5 ) 0 ,29 ,
iB ij
SF
SF
N
(C
)
R
ɉ 1 f (c) ,H ɧ(G |E ˜ G ) 0 ,29¦ ij ij
5SF
ɫA
5 5w
,w 5
N (C )
C (c) ,
Rj j ɉ 1Įij fSF
ij ij
f ij(C )
,
ɫA
iB
ij
N (C )
R SF W
ɉo
1V
f SF (c) ,
¦
ij ij
где Cij – подмножества состояний переменных.
ɫA ɧ
H 5 (G5|E5 ˜ G5 ) 0 ,29 Į  C
Практические расчёты показали, что наименьшей порождаемой
нечётностью обладает
ij
ij
š
š š
š
структура моделируемой подсистемы
МО УКЭС,
свойством многокритериальF iGB
( I , Mпредставленная
iG , f iGB ),
R SF
ɉ 1 f SF
(c) ,
ɧ
ɫA
ности (а5) как наиболее структурно разработанная
H 5 (G5|E5 ˜ G5 ) 0 ,29 .
š
Описание подсистемы МО УКЭС ST-функциями учёта отдельных свойств ai удовлетворяf iGB
SF
ет целевым критериям структурной оптимизации с Rзаданными
ограничениями.
ɉ 1 структурными
f SF (c) ,
ɫA
В этом случае проектируемая подсистема
МО УКЭС рассматривается как обобщённая систеš
Ɇ iG
w j ,w j
^
`^
`
^
`
^
`
^
`
^
`
>
@
>
>
@
@
> @
>
@
ма с поведением. Взаимоотношения между обобщённой системой и разными множествами её
подсистем (ST-функциями) сводятся к задаче идентификации вариантов множества подсистем
H i (Cij ) H i (Ei ˜ Gi )
по некоторому показателю, характерному
только
Задача иденH ɧ Gi|E
.
˜ Gi для этой обобщённой системы.
i
i
(G
)
log
2 i
тификации вариантов подсистем, вытекающая из условия непротиворечивости
обобщённой
системы МО УКЭС, решается в два этапа:
N (C )
1) формируется реконструктивное семейство ijв виде
ij множества всех структурированных
f (C )
,
iB ij
подсистем;
N (C )
ij ij
2) производится выбор из реконструктивного семейства такой подсистемы, которая задаёт
Į C
ij
ij
в определённом смысле лучшую гипотезу относительно
реальной обобщённой системы с поведением.
H 5ɧ(G5оценивается
|E5 ˜ G5 ) 0 ,29
Размер реконструктивного семейства
показателем
¦
R SF
>
@
ɉ 1 f SF (c) , ɫA
– 198 –
(12)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Пантелеев, Л.Ф. Поддубных. Структурное проектирование информационно-технологической подсистемы…
Таблица 2. Реконструктивное семейство обобщённой системы с поведением
f iSF
v1
v2
v3
v4
1
2
3
4
5
6
7
8
С1
0
0
1
1
0,059
0,091
0,182
0,077
0,035
0,083
0,083
0,071
С2
0
1
1
0
0,059
0,182
0,091
0,077
0,035
0,083
0,083
0,071
С3
1
1
0
0
0,176
0,091
0,091
0,077
0,07
0,083
0,083
0,071
С4
0
1
0
1
0,176
0,091
0,182
0,231
0,31
0,166
0,333
0,142
С5
1
0
1
0
0,176
0,091
0,182
0,231
0,172
0,166
0,166
0,071
С6
1
0
0
1
0,176
0,182
0,182
0,231
0,172
0,25
0,166
0,142
С7
0
0
2
1
0,176
0,273
0,091
0,077
0,207
0,166
0,083
0,429
где f SF (c) – максимальный элемент реконструктивного семейства из множества возможных
преобразований входных переменных в выходные (c ∈ A). Показатель реконструктивной
f SF (c)как
нечёткости обобщённой
системы
определяется
f SF
(c)
@ ; (13)
@ > > @ ɫ@A >
ɫA
f SF (c)
SF
U
log ɉ >1SF
f SF
dɋ
. (c)@ ¦ log 2 >1 f (c)@ ;
SF
d@ ɋSF.¦ log0 d2>1U
ɫ
A

@
U SF log 2 ɉ >10d fUSF
f
(c)
;
SF(c)
ɫA
2
ɫA
SF
ɫUA
>
@ ¦систем,
log
ɉ
1
f
(c)
log 2 >1 сопоставимых
f SF (c)@ ;
SF
2 ɫAU обобщённых
Степень идентифицируемости альтернативных
с заU SF
f SF (c)
>
SF ¦ log 1 f SF (c)
1 f SF (c)
2
log 2f SF
ɉ(c)1 UfSFSF (c)log 2¦ɫɉ
(c) ;;
A 2 1 f
log
ɫA
0Ud U Id ɋ . 1 SF ; 0 d I ɫdA1 .
; определяется
1 SF SF
0SF
d I SF d 1 . ɋ коэффициентом
SF
данным
идентифицируемости
0 dреконструктивным
U d ɋ . I SF семейством,
SF
ɋ
0 d U SF d ɋ .
U
(14)
* SF ; 0 d I SF d 1 . 1U
SFɋ
I SF 1 U
ɋ
I SF 1 SF ; 0 d I SF d 1 .
Для заданной реконструктивной
ɋвсего множества возможных преобразований
I*SF
f SF (c) U* нечётности
I*SF
SF
*
входных
переменных
в
выходные
|C|
=
16
реконструктивная
нечёткость подсистемы МО УКЭС
U SF
SF
с лучшим набором свойств f равна U*SF = 2,245.
Коэффициент идентифицируемости
SF
| g)
U SF* log
f (fSF* (c)
log
f f(g
; | g)˜log2 f(gсистемы
*2 ɉ11 D
1 2 1 f(
| g) f(g
,gf)h ) ¦
g) (c)
hI)SF
D
(f
,
f
f(
f(g
|
g
)
˜
log
ɫ
A

G
¦
¦
*
равен I SF = 0,86.
G
2
¦
¦
ɫ
A
h
log G
f (g | g)
g|G
log2 G
g)
gG h 2 gG f h(g
G
Задача реконструкции несмещённой
f рассматривается как требование опреI*SF gсистемы
f(g | g)
1
0 d UаSF
d ɋ(f.* , f h реконструктивном
D
)
f(g | g)˜log2 Каждый
деления набора
её свойств
из наборов
i в заданном
g))df(1g) ¦семействе.
*f(g
h|¦
1
DG
(f
,
f
DG (f * , f h )
f(* g, f) G¦
|0gd)˜log
h(g | g )
h ) df(g
G
log
f
0 d D¦
(f
1
2 2 h gG
gG
G
свойств считается гипотетической
обобщённой системы в целом. Близость
log2 G
gGреконструкцией
DG (f * , f h ) f (g1| g) ¦ f(g) ¦ f(g | g)˜log2 f(g | g)
gG
U
*
сопоставимых систем, Iпредставленных
лучшим
f h(g | g) реконgG f и несмещённой
, f ilog
˜10
˜10SF
0(f
d *I SF
d)набором
1 2. G8 gGсвойств
8 (f;*D,G
* , f1 )0
SF
D
(f
h
d
D
f
)
d
1
G
i
h
ɋ
G
струкцией
разностью информации, содержащейся в их функциях поведе0 d DGf (f, *определяется
, f h )d 1
*
ния и представляется как потеря
информации
8множество её проекций f h .
0*d DD
(f(f*,*8f8,hпри
)hd 1замене f на
, f iG)G
˜˜10
DUG*(f * , f hDG
) (f0,516
10 f ) 0,516 ˜ 10
Мера потери
SFв информационной теории систем называется информационным
DG (f * , информации
f i )˜108
*5, f )˜108
расстоянием, которое применительно
направленной системе с поведением
D к(fUпорождающей
1,316
UI5* 1,316
DG (f *G, f hSF) i 0,516 ˜ 10 8
SF
*
h
8
SF
определяется
D (f , по
f формуле
) 0,516 ˜[8]
10
U SF
I
U
; *SF
0 d I SF dSF
1.
>
@
>
@
G
DG (f
˜ 10 8
U*5 , fhU)*SF0,516
2,245
U 5 U*SFU 5 2,245
1,316
SF
SF
1
U 5 1,316
DG (f * , f h SF
)
f(g) ¦ f(g | g)˜log2 f(g | g) ,
¦
SF
log
f h(g | g)
GI*
5 2IG51,316
U
gG0,917g
!
0,86
*
5
*
SF
I 5 0,917
!
I
0,86
SF
U SF
U SFSF 2,245
SF
U 5 U*SF 2,245SF
SF
0 d DG (f * , f hU)d51 U
*199 2,245
SF –
I 5 0,917
!SF
I*SF –0,86
SF
I 5 0,917 ! I*SF 0,86
SF
DG (f * , f i )˜10I58 0,917 ! I*
SF 0,86
SF
D (f * , f h ) 0,516 ˜ 10 8
(15)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3. Информационное расстояние DG ( f *,f i)·10 –8
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
798
939
948
672
516
713
709
647
Рис. 2. Структурная схема свойства многокритериальности
ɋI*SF
I
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
U*SF
SF
1
U SF
U*SF
Uɋ*SF
; 0 d I SF d 1 .
1
DG (f** , f h )
f(g) ¦ f(g | g)˜log2 f(g | g)
¦
*
U
h(g | g )
I
I*В.И.
log
fподсистемы…
SF
информационно-технологической
gG
SF
SF Пантелеев, Л.Ф. Поддубных. Структурное проектирование
2 G gG
I*SF
* * h
f(g
SF
1
0 dID
(f | g,)f )D
d 1(f
1
. *, f h )
f(g) ¦ f(g | g)˜log2 f(g | g)
DG (f * , f h )
f(g) ¦ f(g | g)˜log
G
¦
2 Gh
¦
log2 G
f h(g | g)
f(g
1 f (g | gf() g)
gG
G* , f h )
2 G| g )
f(g | g)˜loglog
gG DGg(f
2 h gG
¦
¦
| g)
G*(f, *f информационного
log
В табл. 3 приведены результаты расчётов
обобщён(gf(g
| g)| g)˜между
DGD
h )g8G 1
f(расстояния
g)f ¦
log2 f(g
2(fG
gG
i, )f˜10
¦
h
f (g |харакg)
ной
гипотезе
hfG(подсистема
МО УКЭС
h ) d 1gG
* h с поведением, спроектированной по 0
dlog
DG
(f *g,
0 d Dсистемой
2G
G (f , f ) d 1
* h d обобщённой
теризуется свойствами a0
иDсмещённой
системой8с поведением, представленной
i) d
1 * h
G (f , f )D
G (f , f ) 0,516 ˜ 10
*
h
8
8
*
лучшими
элементами реконструктивного
табл. 2
0 d DG (f , f DG)d(f1* , f семейства
DG (f , f i )(максимальными)
˜10
i )˜10
Расчёты производились
состояний
выборочных
переменных
DG (f *для
, f i )полного
˜10U85 множества
1,316
SF
8
*
8
h табл. 3 видно,
DGреконструктивном
(f , f i )˜10
|G| = 119.
наименьшим
инфорDG (f * , f hсемействе
) 0,516 ˜ 10
DG (f * , f Из
) 0,516 ˜ 10 8 что в заданном
*
h
8
5 U
*
мационным расстоянием D
обладает
проекция
обобщённой
системы с поведением, представлен˜ 10
SF 2,245
G (f , f ) U0,516
SF
*
h
5
5
ная
многокритериальности DG (f , f U
) 0,516
˜ 10 8 . Реконструктивная нечёт1,316
U свойством
1,316
SF
SF
кость данной проекции U 5 1,316 , что
I 5 значительно
0,917 ! I*SF меньше
0,86 реконструктивной нечёткости
SF
SF
5
U свойств
1,316U 5 U*
обобщённой
системы с лучшим набором
U 5 U*SF 2,245
SF
SF 2,245 . Коэффициент идентиSF
SF
5
*
U U SF 2,245
фицируемости свойства многокритериальности
получается выше, чем у обобщённой системы
SF
5
* I 52,245
5
*
U
U
0,917 ! I*SF 0,86структуры данного
I
0,917 ! I SF 0,86 , что характеризуетSFнаибольшую
SF SF разработанность
SF
I 5 0,917
! I*SF 0,86
свойства в обобщённой системе
с поведением.
SF
I 5 свойства
0,917 !многокритериальности
I*SF 0,86
На рис. 2 приведена структурная схема
а5 проектируемой
SF
подсистемы МО УКЭС.
Разработанная структура в последующем может быть использована для разработки адаптивных функциональных алгоритмических моделей МО УКЭС [3].
Выводы
1. Проектирование информационно-технологической подсистемы МО УКЭС производится на элементной и информационной базе существующих ОИУК АСДУ ЭЭС. Наиболее полные
сведения о проектируемой подсистеме МО УКЭС содержатся в структурах алгоритмического
учёта кибернетических свойств ОУ.
2. Использование структуралистского системного подхода на основе УРСЗ обеспечивает
управляемость процесса проектирования сложного системного объекта и автоматизацию проектных решений.
3. Создание адаптивных структур, характеризующих отдельные свойства ОУ, позволяет
проектировщику осуществлять направленный контроль и количественную оценку сравниваемых вариантов структур.
Список литературы
1. Волков Э.П., Баринов В.А., Маневич А.С. Направления развития электроэнергетики России с учётом долгосрочной перспективы // Промышленная энергетика. 2001. № 1. С.2-8.
2. Карташёв И.И. Качество электроснабжения в распределительных системах (По материалам 17-й Международной науч. конф. по распределению электроэнергии, Барселона, 2003
г.) // Электричество. 2003. № 12. С. 65-69.
3. Поддубных Л.Ф. Многоцелевая двухуровневая модель автоматизироваванного управления качеством электроснабжения // Изв. РАН. Энергетика. 1995. № 5. С.142-146.
4. Любарский Ю.Я., Моржин Ю.И. Отечественные оперативно-информационные комплексы АСДУ энергосистемами // Электрические станции. 2001. № 12. С.27-31.
– 201 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.И. Пантелеев, Л.Ф. Поддубных. Структурное проектирование информационно-технологической подсистемы…
5. Информационное обеспечение автоматизированных систем управления распределительными электрическими сетями / Мозгалёв В.С., Тодирка С.Н., Богданов В.А. и др. // Электрические станции. 2001. № 10. С.13-19.
6. Пантелеев В.И., Поддубных Л.Ф. Системология решения задач автоматизированного
управления качеством электроснабжения // Вестник Хакасского технического института филиала КГТУ. Абакан. 2002. № 13. С.93-98.
7. Клир Дж. Автоматизация решения системных задач. М.: Радио и связь, 1990. 544 с.
8. Орнов В.Г., Рабинович М.А. Задачи оперативного и автоматического управления энергосистемами. М.: Энергоатомиздат, 1988. 223 с.
9. Higashi M., Klir G.J. On the nation of distancerepresenting information closeness: Possibility
and probability distributions. International Journal of General Systems, 9. - № 2. – 1983. - P. 103-115.
Structural Designing of an Information-Technological Subsystem
of Multi-Purpose Optimization of Management of Power Quality
Vasilij I. Panteleev and Leonid F. Poddubnich
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk 660041 Russia
In clause the system model of structural designing of an information-technological subsystem of
management of power quality in structure of the technological automated control system of an electropower system is considered.
Key words: Multi-purpose optimization, power quality, quality management; quality of electrosupply,
electromagnetic compatibility, the dynamic condition, the automated control system of an electropower
system (ACS EPS), the automated system of dispatching management (ASDM), the automated control
system of quality of the electric power (management information system ACS QE), the automated
system of the commercial account of the electric power (ASCAEP), object of management (ОM), an
operative operational-operating complex (OOOC), universal the calculator system problems (UCSP),
indemnification of jet capacity (IJC).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2009 2) 203-220
~~~
УДК 553.4+550.4
Ore-forming Сonditions of the Blagodat Gold Deposit
in the Riphean Metamorphic Rocks
of the Yenisey Ridge According to Geochemical and Isotopic Data
Anatoly M. Sazonova*, Igor F.Gertnerb, Elena A.Zvyaginaa,
Platon A.Tishinb, Tatyana V.Polevaa, Sergey I/Leontyeva,
Yuri V.Kolmakovc and Tatyana S.Krasnovab
a
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
b
Tomsk State University,
36 Lenin avenue, Tomsk, 634050 Russia
c
Tomsk Polytechnical University,
73 Sovetskaya st., Tomsk, 634004 Russia 1
Received 6.05.2009, received in revised form 27.05.2009, accepted 17.06.2009
Neodymium and strontium isotopic composition and rare earth elements (REE) distribution pattern
have been determined in whole rocks and minerals were separated from host metamorphic rocks
and disseminated sulfide ores of the Blagodat gold deposit. Isotopic data are given to construct few
isochrones that could be reflected an age of main stages of metamorphic and metasomatic alteration
in rocks varieties during a successive accumulation of gold in structural traps.
The significant temporal range in the forming of the studied rocks can be interpreted as an evidence of
multi-stage tectonic destruction accompanying with trust-folding processes, shear deformations and
development of local fracture zones that had place from the Late Riphean to Middle Paleozoic time.
According to isotopic data basic ore-forming processes were realized in the relatively narrow interval
from 690 to 750 Ma that correspond to a beginning of continental rifting on the western margin of
Siberian craton.
Chemistry and trace element distribution are closed for host and auriferous schists and mainly showed
differences in the composition initial sedimentary units. The middle negative value εNd (from -14 to
-16) and very high positive value εSr (from +570 to +725) are mostly corresponded to that of upper
continental crust matter. The role of synchronic granite intrusions in the studied area can be only
estimated due to a generation of thermal energy and crustal fluids.
Keywords: Yenisey ridge, metamorphism, Blagodat deposit, genesis, Rb, Sr, Nd, Sm isotopes, gold,
isotopic age, geochemistry, Riphean time.
Introduction
The Yenisey ridge is one of oldest ore-bearing province in Siberia where a gold exploration began
since the middle of 19-th century. At last time the attention of researches is focused on disseminated
*
1
Corresponding author E-mail address: sazonov_am@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 203 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
type deposits that can have a very important significance for the economic development of region.
Mostly of ore bodies present by local zones of sulfide mineralization in Precambrian metamorphic
formations associated with quartz veins. The typical example of this gold-bearing formation is the
Blagodat deposit that was opened about 30 years ago. Firstly it was estimated as a small ore body
of quartz-sulfide type. More recent studies have demonstrated a wide spatial distribution of gold in
directly metamorphic rocks. Our researches showed that a structure and geochemistry of this object
are reflected a very complex history that could present due to multi-stage fold and shear deformations
of rocks during few tectonic events (Sazonov et al., 2005)
The gold-bearing mineralization typically show late orogenic emplacement linked to the granitoid
magmatism which had significant role in Neoproterozoic structures of the Yenisey ridge. Modern
geodynamic conception assumed a development of complete thrust-fold systems on the western margin
of Siberian craton caused by subductional and collisional processes accompanying with a mantle plume
activity. (Sazonov, 1998; Vernikovsky et al., 2003; Vrublevsky et al., 2003). As a rule, ore deposits are
subjects of more thorough research, so the forming of them is a key for understating structural position
of rock complexes, their metamorphic recrystallization and metallogeny. Most genetic aspects of goldbearing mineralization propose to study an age and matter sources of auriferous fluids. In this paper we
are discussed these questions on the example of the Blagodat deposit. Our Sm-Nd and Rb-Sr isotopic
data as well as chemistry, trace element distribution and REE patterns are assumed a new model
of gold accumulation connected with a tectonic evolution of the Middle Riphean Corda Formation
units during a significant temporal range. Perhaps this model isn’t typical for all disseminated sulfide
deposits of the Yenisey ridge, but it can apply to similar mineralized zones in most folded systems of
ancient continental margins.
Geological setting of gold deposits in the Yenisey ridge
The Yenisey ridge is a complex Precambrian folded belt located between the Siberian craton and
the Western Siberian plate (Fig. 1). The NW-trending structures of the belt combine two segments
separated by the ENE-trending Angara Fault which is strike-slip structure. North of Angara Fault,
the Yenisey ridge is predominantly composed of Neoproterozoic rocks, comprising the East Angara,
Central Angara and Isakov terranes (Vernikovsky et al., 2003). The collision of them accompanying
to the widespread trusting and regional metamorphism is corresponded to the Baikalic tectonic stage
during the Late Riphean time.
Most of gold deposits are located in the Central Angara terrane. Its internal structure presents
by a combination of narrow anticlinorriums and more wide synclinoriums with local domes in the
central part where ancient rocks of the Early Proterozoic formations are mainly found. The Central
Angara terrane comprises flysch-like and terrigenous-carbonate sediments that were metamorphosed
from greenschists to amphibolite facies (Kozlov, Lepezin, 1995). The increasing of temperature of
regional metamorphism is directed from greenschists on wings of anticlinoriums to amphibolite grade
at their arches. In some cases the spatial transition from the regionally metamorphosed low-pressure
(andalusite-sillimanite type) rocks to higher-pressure rocks is marked by a kyanite isograde near largest
thrust faults (Likhanov, Reverdatto, 2002).
All these rocks of the Central Angara terrane were intruded by the Tatar-Ayakhta calc-alkaline
granites with the age of 760 Ma (Vernikovskaya et al., 2003) and by smaller bodies of the Glushikha
– 204 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
Fig. 1. Tectonic scheme of the Central Siberia: 1 – the Western Siberian plate; 2 – the Siberian craton; 3 – orogenic
and postorogenic depressions; 4 – folded areas: E - Northern segment of the the Yenisey ridge; 5 – the Archean
blocks: A - the Anabar massif; AK - the Angaro-Kan block; 6 – regional deep fault zones; 7 – location of the
Blagodat deposit
leucogranites with the age of 720–750 Ma (Vernikovsky et al., 2003; Vernikovskaya et al., 2002). The
Sm-Nd model age (TDM) for this rocks range from 1.6 to 2.2 Ga (Vernikovskaya et al., 2003). As a
rule, granitoides are traced along axes of anticlinoriums. Their bodies have a line NW-trended shape.
Granitoides of the Tatar-Ayakhta complex are usually characterized by a gradual conversion to country
rocks and frequently have relicts of bedding, gneissic structures and nodular textures that assume their
syntectonic origin during the Baikalic collision. The Glushikha leucogranite are mainly considered as
products of late- or postcollisional magmatism (Vernikovsky et al., 2003). Latest magmatic activity in
the region was determined by continental rifting with a development of Early Vendian (640-680 Ma)
alkaline basic and ultrabasic small intrusions (Vrublevsky et al., 2003).
– 205 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
N
2
R2cd 2
2
R2cd 3
R3 ta
1
R2 cd 2
1
R2 cd 2
1
R 2cd 3
1
R 3 ta
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
PR1 rz
1
R 2cd 3
2
R2 cd 3
0
100
200ɦ
Fig. 2. Geological map of the Blagodat deposit: Upper section of the Corda formation: 1 –quartz-rich and micaceous schists (R 2cd 23), 2 – staurolite-bearing schists (R 2cd13); Middle section of the Corda formation: 3 – metaarkoses and quartz-rich metasandstones (R 2cd 22); 4 – muscovite-bearing metaalevrolites (R 2cd12); 5 – calciphyres of
the Ryazanov formation (PR1 rz); 6 – granite dykes of the Tatar-Ayakhta intrusive complex (R 3ta); 7 – stratic
boundaries; 8 – ore bodies and their numbers; 9 – thrusts; 10 – shear faults; 11 – normal faults
Gold deposits of region are previously located on facies borders of zonal regional metamorphism,
in tectonic metamorphic anomalies complicated by line and brachyaxial folds. Metamorphism and
gold mineralization are conditioned by flows of deep high temperature solutions. Gold-sulfide deposits
are located in the structures complicating brachyaxial folds, whereas line folds are complicated by
quartz-reef deposits.
The background content of gold in metamorphic rocks has a tendency to rise into areas of folding
and metamorphism with active participation subcrustal fluids. Nevertheless the transportability of
metal in the process of local metamorphism does not accompanied by economical concentrating. Gold
deposits are formed in deep fracture zones, where the dynamothermal metamorphism is terminated
by the auriferous hydrothermal process. Deep fluid emanations promote granite-forming processes in
the low sections of the earth crust and regional metamorphism of folded series. These emanations are
powerful source and transport of noble metals for forming of gold deposits in metamorphic series of
the Yenisey ridge.
The Blagodat deposit is a new gold-bearing object located in 25 km to the north from the Olympiada
gold deposit that is one of largest and famous in Siberia. The gold-bearing sulfide mineralization was
– 206 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
Table 1. Paragenethic scheme of hydrothermal-metasomatic formation of mineral
Table 1. Paragenethic scheme of hydrothermal-metasomatic formation of mineral
1
1
Galenite sphaleritechalcopyrite
2
Basic phase of tectonic destruction, cataclasm of schists in mobile zone
Muscovite
Chlorite
Stilpnomelane
Carbonates
Fluorite
Quartz
Pyrite
Pyrrhotite
Marcasite
Melnikovite
Arsenopyrite
Loellingite
Chalcopyrite
Sphalerite
Galenite
Native gold
Native copper
Scorodite
Limonite
Covellite
1
Folded deformation, schist-forming process progressive metamorphism
Feldspathic group
Pyrite pyrrhotite arsenopyrite
Pyrite pyrrhotite
2
2
1
1
2
Exogenic
regime
3-nd stage
Significant temporal gap in deformation, local tectonic destruction of early srtructures
Pre-ore
forming
alteration
of rocks
Stage
Minerals
Ilmenite
Magnetite
Hematite
Rutile
Sphen
Apatite
Tourmaline
Graphite
Garnet
Biotite
Endogenic regime
2-nd stage
1-st stage
Shear deformation beginning of tectonic destruction
Process
Orthoclase albite
Ort
Ca
Ab
Sr
3
4
3
2
3
formed in the upper section of the Corda Middle Riphean Formation rocks of that are represented by
staurolite- and garnet-bearing micaceous schists metamorphosed to the epidot-ampholite grade (Fig. 2).
Petrographic features of these rocks assume to divide three kinds of lithological units corresponding to
staurolite-bearing, micaceous and quartz-rich schists. Their stratigraphical position isn’t an obvious,
but we consider the following sequence. Staurolite-bearing schists are more spread in the bottom of
vertical section, whereas micaceous and quartz-rich schists are located in the upper part of that. More
over quartz-rich and arkose metasandstones and muscovite-bearing metaaleurolittes of middle section
of the Corda Formation previously metamorphosed in the greenschist grade as well as calciphyres of
the Early Proterozoic Ryazanov Formation are located on the eastern flank of the Blagodat deposit.
There are three main stages of deformation in this area. The first stage was defined by trusting
and folding of primary sedimentary layers with a local progressive metamorphism and forming of
NW-trending thrust-fold system. In the second stage a subparallel shear zone was developed along a
syncline hinge in the central part of thrust sheet under conditions of regressive metamorphic regime.
This deformation was realized as a NW-trending normal fault completed by strike-slip left-lateral
– 207 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
shifting that controlled the gold-bearing sulfide mineralization. The diamond-like shape of main
ore bodies suggest their origin as duplex or an echelon of like to “pull-apart” structures where host
metamorphic rocks were influenced by sulfur-rich juvenile fluids. The latest deformation continued
in the similar dynamic regime and let to a transverse destruction of the deposit by N-trending normal
faults. The gold content is very range into ore bodies and reflected a predominant accumulation of
metal in local fracture zones within hinges of high order folds. Granite intrusions are rare in this area
and mainly present by dikes corresponding to the Tatar-Ayakhta complex.
The gold-bearing mineral paragenesis includes pyrrhotite, pyrite and arsenopyrite in association
with quartz. Late smaller fluorite-carbonate veins additionally contain chalcopyrite, sphalerite and
galena. The total scheme of temporal sequence of forming for different mineral associations is
illustrated by the Table 1. As a rule, highest contents of gold are typical for late stages of metasomatic
recrystallization in the endogenic regime.
Samples and analytical procedures
More two hundreds samples (weight ~ 0,2-0,8 kg) from the Blagodat deposit were collected
to represent the compositional range of metamorphic rocks and ores. Most of them are fresh, with
completely preserved metamorphic and metasomatic mineralogy. Nevertheless weathering crusts were
carefully removed before crushing. Major-element concentrations were determined by conventional
X-ray fluorescence (XRF) techniques at the United Institute of Geology, Geophysics and Mineralogy
of Siberian Branch of Russian Science Academy. Trace element concentrations were measured
with neutron activation analytical techniques at the Tomsk Polytechnical University. The chemical
composition of main petrographic types and their geochemical features are presented in Table 2.
Only nine samples were selected for isotopic researches. They correspond to host metamorphic
rocks, their metasomatically altered sulfide-bearing varieties and fluorite-carbonate-quartz
hydrothermal veins. Two samples denoted as 53/254 and 67/51,7 are present host staurolite-bearing
schists that collect out of ore bodies. Their composition additionaly includes such typical minerals of
progressive metamorphic stage as garnet, biotite, muscovite and quartz without sulfides. The content
of gold in this rocks is less 50 ppb. The sample noted as 53/200,5 is corresponded to the garnet-bearing
micaceous schist located in the rim of ore body. It is a slightly sulfurized rock with a content of gold
about 300 ppb that can explain this variety as a halo of sulfide-mineralized zones. This ore mineral
association includes pyrrhotite and pyrite only.
Three samples (36/136, 36/171, 4/169.7) directly collected from ore bodies are present by moderate
and more higher sulfurized micaceous schists where the content of gold varies from 500 to 1800 ppb.
Their mineralogy is similar to that from rocks of halo, but differs more wide spectrum of ore minerals
included chalcopyrite, arsenopyrite and loellingite with rare grains of native cooper and gold. Other
samples (No 5/102.8, 5/118.5, 45/145.3) were collected from quartz-carbonate hydrothermal veins that
crosscut auriferous reefs. Their mineralogy is also characterized by a presence of fluorite, chalcopyrite,
sphalerite and galena. The content of gold in this veins is frequently more high and can rise to few tens
ppm.
The Sm- and Sr-isotopic data were received for whole rock samples and some mineral separates
such as muscovite, biotite and fluorite. These analyses were performed at the Institute of Precambrian
Geology and Geochronology of Russian Science Academy. The Nd- and Sr isotopic composition was
– 208 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
Table 2. Major (in wt %) and trace (in ppm) elements average content in main groups of rocks from the Blagodat
deposit
quartz-rich schists
micaceous schists
staurolite-bearing
schists
milonites
host
ore
host
ore
host
ore
host
ore
SiO2
68,19
68,30
60,09
60,13
57,74
57,93
56,88
57,10
TiO2
0,75
0,80
1,11
1,04
1,03
1,03
1,07
1,09
AL2O3
14,24
15,16
17,75
17,58
20,04
20,30
20,40
21,16
Fe2O3
6,64
6,88
10,02
10,05
9,89
9,88
9,02
9,05
MnO
0,21
0,08
0,15
0,15
0,20
0,21
0,20
0,19
MgO
0,87
0,99
1,24
1,30
1,32
1,22
1,26
1,18
CaO
0,80
0,32
0,54
0,56
0,49
0,53
0,75
0,35
Na2O
1,47
1,37
1,51
1,75
1,42
1,36
1,96
1,27
K 2O
3,01
3,08
3,83
3,72
3,77
3,75
3,67
4,43
P2O5
0,08
0,05
0,09
0,11
0,13
0,13
0,29
0,10
Ba
0,06
0,06
0,07
0,07
0,08
0,08
0,06
0,07
LOI
3,75
2,90
3,61
3,55
3,90
3,58
4,45
4,01
La
45,55
41,78
57,18
57,17
66,40
64,23
64,50
69,12
Ce
106,51
66,67
123,33
110,78
147,12
130,95
150,93
140,22
Sm
7,07
5,81
7,75
7,69
9,21
8,33
9,09
8,91
Eu
0,18
0,16
0,22
0,25
0,21
0,15
0,14
0,20
Gd
3,55
2,62
3,66
3,54
5,38
4,77
6,53
4,48
Tb
1,05
1,13
1,29
1,11
1,49
1,49
1,64
1,45
Yb
3,48
3,15
3,88
4,13
4,34
3,58
4,14
3,36
Lu
0,46
0,43
0,48
0,56
0,54
0,59
0,46
0,59
U
4,75
9,38
4,03
4,87
5,85
3,97
6,56
6,08
Th
18,04
15,82
24,02
22,02
25,29
25,54
24,14
28,17
As
123
134
664
1038
186
678
487
1318
Au
0,05
1,50
0,13
3,45
0,10
1,93
0,58
3,39
Host – host metamorphic rocks located out of ore bodies; ore – sulfurized varieties of rocks located into ore bodies.
analyzed in static mode on a Finnigan MAT 261 mass spectrometer equipped with variable 8-collector
system following standard technique. Element concentrations were measured by the isotope dilution
method with addition of 149Sm, 150Nd, 84Sr and 85Rb tracers. The precessions of their values reported
hereafter in BCR-1 standard correspond to 95 % confidence level. Nd-isotopic ratios are reported
relative to 143Nd/144Nd = 0.511865 ± 0.000018 in La Jolla standard on 3 runs. The mean 87Sr/86Sr for NBS
SRM-987 is 0.710283 ± 0.000021 on 5 runs.
Data regressions have been performed using the Isoplote programm, version 2.0 (Ludwig, 1989)
with precessions for 143Nd/144Nd are no more ± 0.005 % and the external precession for 147Sm/144Nd is
± 0.5 %. Both internal and external precessions for 87Sr/86Sr are ± 0.01 % and external precessions for
87
Rb/86Sr are ± 1.0 %. Nd-isotopic compositions are given in the εNd notation as proposed by DePaolo
and Wasserburg (1976) with values calculated using the CHUR parameters of Faure (1986). Sr-isotopic
– 209 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
compositions are given in the initial 87Sr/86Sr ratio for corresponding age and in the εSr notation with
values calculated using the UR parameters of DePaolo (1989).
Results
Major- and trace-element concentrations
Major element chemistry of studied rocks (Table 2) assumes to divide three kinds of them
corresponding to follow groups: a) metapelites or high-rank metagraywackes with 57-58 wt % of SiO2
and about 20 wt % Al2O3 (staurolite-bearing schists and their milinotes); b) metaaleurolites or lowrank metagraywackes where the content of SiO2 is about 60 wt % and content of Al2O3 is about 18
wt % (micaceous schists previously); c) arcose metaaleurolites or quartz-rich metasandstones mostly
enriched by SiO2 to 68-70 wt % with a relative deficiency Al2O3 that is no more 15 wt % (quartz-rich
schists). This chemical features are typical for continental margin sediments that assumes a wide
participation of upper crust material in the forming of parental sedimentary sequences. The comparison
of compositions of metamorphic rocks and their sulfurized kinds is demonstrated a complete harmony.
It is previously confirmed differences in the composition of rocks from middle and upper section of
the Corda formation only, but not a variety between host and ore-bearing rocks. The enrichment of
K 2O relative to Na2O in studied rocks could be caused by the silica-potassic metasomatism connected
with regional syntectonic deformations or by a specific composition of sources such as potassium-rich
granitoides or migmatites from surrounding cratonic blocks.
REE distributions were analyzed in more hundred samples from host and ore bearing series
of the Blagodat deposit. Concentrations of these elements from different kinds of rocks are closed
between each other so only average contents are presented in Fig. 3. REE patterns of studied schists
are differed from that of post-Archean continental shales from the Australian, North American and
European regions and the average upper crust (shadow field in Fig. 3) in slightly high level of REE
content normalized to chondrite. A presence of negative Eu-anomaly can be regarded as an indicator of
protolith corresponding to silica-rich igneous rocks. Indeed, REE pattern for studied schists are mostly
similar to that for granitoides from the Yenisey ridge folded area. It could confirm a predominant role
of granitic substrates as a weathering source of sediments or a similar geodynamic regime of forming
for both metamorphic complexes and syncollisional granitoids. The slight decrease of REE content
in the rock row from straulolite-bearing to quartz-rich kinds is probably accompanied with a various
amount of REE-poor mineral phase such as quartz.
The geochemistry of other elements is only studied in rocks from the ore-bearing zone of the
Blagodat deposit. The concentration coefficient calculated relative to the average content of component
in the upper crust (Cc = Core bodies/Cclarc) is showed a mobility of lithophile and siderophile elements
during ore-forming processes. The ore composition ranged according to decreasing of concentration
coefficient is represented as next row: As (445), Au (275), W (13.3), Ag (4.3), B (4.1), Pb (2.7), Mo (2.5),
Zn (2.0), Ti (1.8), Sn (1.6), Co (1.6), Cr (1.4), V (1.3), Cu (1.2), Nb (1.1) Mn and Ni (0.95), Be (0.89), Ba
(0.88). The dominate role for ores belongs to Au and As (Cc > 100), as well as the majority of elements
is characterized by concentrations closed to clark. The comparison of rock compositions from different
parts of sulfurized zones is demonstrated some peculiarities related with the sequence of ore-forming
sulfide mineralization. Host metamorphic rocks with ore-less quartzs veins are characterized by
higher concentrations of W, Ti, Zn and Co, but lower concentrations of Mn, V and Cu. The pyrite– 210 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
1000
1
S
2
100 L
G
3
4
10
1
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Fig. 3. Chondrite-normalized REE patterns for the average composition of schists from the Blagodat deposit
and for granites from the Yenisey Ridge province (Vernikovsky et al., 2002): 1-3 – rocks of the Blagodat deposit
(1 – staurolite-bearing schists, 2 – micaceous schists, 3 – quartz-rich schists), 4 – granites of the Yenisey ridge
(S – the Strelkovk massif, L – the Lendakh massif, G – Glushikhin massif). The shadow field is corresponded to
the average composition of post-Archean Australian sedimentary rocks (after McLennan, 1989), European shale
(after Haskin & Haskin, 1966), North American shale composition (after Haskin & Haskin, 1966; Gromet et al.,
1984) and average upper crust (after Taylor & McLennan, 1981). Chondrite REE concentrations are after Sun &
Donugh (1989)
and pyrhotite-bearing sulfurized rocks from periphery zones of ore bodies are enriched by V, Nb
and Mn, B, Cr, Sn, Co accordingly. Arsenopyrite and sphalerite mineralized rocks are distinguished
by accumulation of chalcophile elements such as As, Ag, Pb, Cu, Zn, Mo as well as Au, W and Ti.
Therefore early sulfide mineralization is described by maximum values of concentration coefficient of
siderophile elements (Co, Ti, Mn, Cr) with slightly enrichment of W and Au, while the late auriferous
mineralization accompanied with quartz veins is characterized by highest concentration of chalcophile
elements (Pb, Cu, Zn, Mo, W) as well as As, Au and Ag.
Sm-Nd and Rb-Sr chronology
The Sm-Nd and Rb-Sr isotopic data for whole rock samples and mineral separates are listed in
Table 3. The content of Sm and Nd in studied schists of the Blagodat deposit is demonstrated moderate
variations with a maximum of values in muscovite-rich kinds of rocks. Similar or slightly higher level
of accumulation for these elements is established in fluorite separates that assumes a metamorphic
origin of late quartz-carbonatite hydrothermal veins. Variations of Rb and Sr contents are wider and
correspond to a tendency to concentrate a strontium in micaceous schists or in the fluorite of veins as
well as rubidium in the biotite. The highest ratio of 187Rb/186Sr in biotites from studied schists allow
more carefully to remark an isotopic age of main stages during ore-forming sulfurized processes.
In the Sm-Nd evolutionary diagram, data points of bulk samples represented by six different rock
types are approximated (MSWD = 0.67) by a regression line with a slope corresponding to an age of
785 ± 45 Ma (Fig. 4). The εNd value for this line is –14.4. The revealed isotopic age can be regarded as
a final stage of regional progressive metamorphism that reflects a forming of main mineral assemblage
in studied schists. Moreover data points of three fluorite separates from late fluorite-carbonate veins
are well approximated (MSWD = 0.058) by regression line with a slope corresponding to an age of
– 211 –
Muscovite
Biotite
53/259
2.
36/136
36/136
5/102,8
5/118,5
45/145,3
14.
15.
16.
17.
18.
36/171
11.
36/171
4/169,7
10.
36/136
4/169,7
9.
13.
53/200,5
12.
53/200,5
7.
53/200,5 Whole rock
6.
8.
67/51,7
5.
Fluorite
Fluorite
Fluorite
Biotite
Muscovite
Whole rock
Muscovite
Whole rock
Muscovite
Whole rock
Biotite
Muscovite
Muscovite
Whole rock
53/259
67/51,7
3.
4.
Whole rock
53/259
1.
Material
Sample
№
5,840
9,919
45,76
6,741
13,81
7,236
6,327
14,76
7,927
33,42
47,04
85,23
24,86
47,50
37,21
18,61
41,33
21,82
Sm (ppm) Nd (ppm)
0,10564
0,12747
0,324461
0,16393
0,17632
0,11754
0,20616
0,21653
0,21960
Sm/144Nd
147
0,511565±12
0,511622±12
0,512095±11
0,511705±17
0,511802±14
0,511494±12
0,511937±15
0,512001±16
0,512031±18
Nd/144Nd ±2σ
143
Table 3. Nd and Sr isotopic composition in rock and mineral of the Blagodat deposit
-16,68
-16,60
-16,60
T = 368Ma
-14,20
-14,27
-14,31
-14,66
-14,46
-14,18
T = 785 Ma
εNd
102,8
1,425
0,755
341,4
181,6
52,79
188,3
153,8
229,0
108,0
722,5
227,3
114,1
221,8
166,9
408,9
158,6
199,1
274,0
59,35
110,7
38,19
142,4
133,5
101,5
80,26
136,5
68,38
12,11
148,2
47,08
155,9
1099,7
14,33
117,4
55,88
Rb (ppm) Sr (ppm)
Rb/86Sr
0,791380±25
0,819408±31
0,790431±21
0,749373±24
1,764851±48
0,788236±29
0,861318±22
Sr/86Sr ±2σ
87
1,08541
0,06947
0,01974
26,64109
3,71907
2,54413
5,41847
5,59116
4,89752
4,61193
0,754212±26
0,749017±22
0,748624±25
1,013550±47
0,785582±36
0,772864±19
0,803874±33
0,805371±27
0,798163±39
0,795085±32
211,61729 3,018875±125
4,47280
7,04436
4,15048
0,43959
91,07854
3,93785
10,44509
87
εSr
+579,3
+573,8
+581,0
+585,5
+576,5
+724,2
+567,2
+574,4
+617,8
+635,5
+621,7
+653,9
+650,8
+646,8
+643,7
0,748568
0,748656
0,748521
+632,0
+633,3
+631,3
T = 368Ma
0,748537
0,748181
0,747522
0,749689
0,749459
0,749188
0,748966
T = 698 Ma
0,747033
0,743362
0,743782
T = 752 Ma
0,743907
0,744445
0,743919
0,744095
0,744235
T = 785 Ma
Sr/86Sr 0
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5/102,8 Fl
0,5121
143
Nd/144Nd
53/259 Wr
67/51,7 Wr
53/200,5 Wr
0,5119
T=368 23 M a
=-16,7 0,4
MSWD=0,058
36/171 Wr
0,5117
5/118,5 Fl
36/136 Wr
45/145-3 Fl
T=785 45 Ma
=-14,4 0,5
MSVD=0,67
0,5115
4/169,7Wr
0,5113
0,09
0,11
0,13
0,15
0,17
0,19
0,21
0,23
0,25
0,27
0,29
0,31
0,33
Sm/144Nd
147
Fig. 4. 143Nd/144Nd versus 147Sm/144Nd plot for bulk samples of schists and fluorite separates from quartz-carbonate
veins. Numbers of data points are corresponded to table 3
a
53/259 Bi
b
0,755
45/145,3
1,7
0,9
0,5
Sr/ 86 Sr
87
Ɍ = 781,2 4,5 Ma
I0 = 0,74443 0,00016
MSWD = 1.05
1,3
87
86
Sr/ Sr
0,753
53/259 Wr
67/51 Mu
53/259 Mu
67/51 Wr
0
0,751
0,749
40
87
86
Rb/ Sr
80
120
Ɍ = 364 7,2 Ma
I0 = 0,74859 0,00011
MSWD = 1.6
5/118,5
5/102,8
0,747
0,0
0,4
1,2
0,8
Rb/ 86Sr
87
Fig.5. Rb-Sr isochron plot of whole rock samples and mica separates from host staurolite-bearing schists (A) and
from the fluorite separates of quartz-carbonate veins (B) giving a temporal range of Blagodat deposit forming
a
36/136 Bi
Sr/ Sr
86
2
1,5
1
b
1,0
0,9
87
86
Sr/ Sr
2,5
87
1,1
53/200,5 Bi
3
Ɍ = 754,1 7,2 Ma
I0 = 0,74333 0,00069
MSWD = 0.6
0,8
53/200,5 Wr
53/200,5 Mu
0,5
0
50
87
100
86
Rb/ Sr
150
200
0,7
Ɍ = 698 13 Ma
I0 = 0,7490 0,0024
MSWD = 14
4/169,7 Wr
36/171 Wr
36/171 Mu
4/169,7 Mu
36/136 Wr
36/136 Mu
0
10
Rb/ 86Sr
87
20
30
Fig. 6. 87Sr/86Sr versus 87Rb/86Sr plot for slightly sulfurized micaceous schists (A) and auriferous metamorphic
rock from the ore bodies (B) showing a probable duration of shear deformations in the Blagodat deposit
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
368 ± 23 Ma (Fig. 4) with the εNd value of –16.7. It is interesting to mark that one data point of whole
ore-bearing schist denoted 36/136 is deviated from main regressive line to that of fluorite separates.
The careful petrographic study of this sample is defined a presence of fine quartz-carbonate veins
with chalcopyrite and sphalerite that genetically connect with a fluorite-bearing mineralization.
The significant temporal gap showed in the Sm-Nd geochronology assumes a very long history of
mineralization in the Blagodat deposit. In this case we must to agree with only two main stages during
of which could be realized a redistribution of rare earth elements.
Sm-Nd isotopic ages of regional metamorphism and fluorite-bearing mineralization are confirmed
by Rb-Sr isotopic data. The slope regression line calculated for three data points of host spotted
staurolite denoted 53/259 (whole rock, muscovite and biotite) is corresponded to the isochron age 785 ±
6.9 Ma (MSWD = 0.043). A Rb-Sr isochon plot constructed on five data points including additionally a
bulk sample and muscovite mineral separate from the host micaceous schists (No 67/51.7) is indicated
similar age of 781 ± 4.5 Ma at MSWD = 1.05 and 87Sr/86Sr0 = 0.74449 ± 0.00016 (Fig. 5 A). The data
points of fluorite separates define a liner regression with an age of 364 ± 7.2 Ma at 87Sr/86Sr0 = 0.74859 ±
0.00011 and MSWD = 1.6 (Fig. 5 B). This established geochronologic boundaries are reflected a mostly
full temporal range of metamorphic and metasomatic processes for a forming of gold-bearing sulfide
mineralization in the Blagodat deposit.
The distribution of Sr isotopes in sulfurized varieties of schists have a more important significance
for a dating of ore-forming stages related with shear ductile deformations in strike-slip fault zones.
The biotite is a main indicator of alkaline metasomatism during these tectonic events, because it
concentrates a higher content of rubidium. An isochron on a whole rock, muscovite and biotite mineral
separates from the slightly sulfurized micaceous schist denoted 53/200.5 shows an age of 754 ± 7.2
Ma at initial 87Sr/86Sr = 0.74333 ± 0.00069 and MSWD = 0.6 (Fig. 6 A). This boundary can be regarded
as a beginning of ore-forming processes in shear zones. The slope of regression line calculated for
seven data points of auriferous whole rocks and their mineral separates (muscovite and biotite) ore
bodies is corresponded to an age of 698 ±13 Ma at initial 87Sr/86Sr = 0.7490 ± 0.0024 (Fig. 6 B). This
errorchron (MSWD = 13) is mostly defined by one data point of the biotite mineral separate whereas
the regression line on six other data points (composition of whole rocks and muscovite separates) is an
enough correct isochron (MSWD = 1.3) with an age of 752 ± 10 Ma and is similar to that for sample
denoted 53/200.5. The observed discrepancy can be explained by kinetic peculiarities of exchange
reactions between rock-forming minerals and ore-forming fluids (Tishin ea al., 2005). The biotite as
a more mobile crystalline system is firstly reacted to metasomatic alternation of rocks and reflected a
new balance of Sr isotopes. Therefore we suggest to assume an age of 698 Ma as that of basic or late
metasomatic stage accompanied with ductile deformations in ore-bearing shear zones.
Nd and Sr isotopic composition
Values of εNd calculated for whole rock samples of schists (T = 785 Ma) range in very narrow
interval from -14.2 to - 14.7 whereas those for fluorite separate (T = 368 Ma) are more negative from 16.6 to -16.7 (Table 3). Moreover studied rocks and their minerals are characterized by very high values
of initial 87Sr/86Sr (more 0.7439) and εSr (more +570) calculated to the corresponding age for different
stages of metamorphic and metasomatic processes. Such isotopic parameters previously assumed a
upper crust source for host and ore-bearing rocks of the Blagodat deposit. A tendency of increasing
– 214 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
0,8600
1
0,8400
0,8200
4
11
T=680-700 Ma
Io =0,748-0,749
0,7800
87
86
Sr/ Sr
0,8000
6
13
T=780-800 Ma
Io =0,744
0,7600
9
0,7400
0,7200
st
Continental cru
Forming of
continental crust
CHUR
0,7000
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
T (Ga)
Fig. 7. Evolution of 87Sr/86Sr ratio in whole rock samples from the Blagodat deposit (numbers of samples from 1 to
18 corresponded to the table 3) demonstrated Sr model ages of rocks relative to the average composition of upper
crust. Numbers of samples from 1 to 18 corresponded to the table 3
crustal component in the source was seen for rocks transformed during subsequent tectonic events.
Lower values of εNd in fluorite samples from late quartz veins correspond to this scenario.
Sm/Nd model age calculation using a primary mantle model (TCHUR) on the whole rock mostly
range from 1.8- to 2.3 Ga and less to 4.3 Ga that may by interpreted as the age of parental magmatic
rocks for clastic sediments. The model age calculated from Sr isotopic composition of upper continental
crust (Fig.7) is younger (1.0 – 1.75 Ga) and can be a marker of early exchange reactions related to
sedimentation or initial greenschist grade metamorphic processes. Nevertheless a tendency of increase
for model age values is distinguished in the row from host schists to ore-bearing rocks of the Blagodat
deposit. It is probably connected with an activation of fluids from deep-seating and more ancient
formations that be made up a continental crust of the Yenisey ridge fold system.
Discussion
The origin of gold deposit in the metamorphic units is widely discussed during last fifty years
(Li and Shokhina, 1974; Boyle, 1979; Kerrich and Fryer, 1981; Anoshin et al., 1982; Groves et al.,
1988; Groves and Foster, 1986; Sazonov, 1998; Davis et al., 2002 and other). Many authors show a
relationship between ore-producing processes and multi-stage deformations of metamorphic rocks
with a participation of basic and granitoid intrusions and hydrothermal fluids during accretional and
collisional events on the continental margins of ancient cratons (Kerrich and Wyman, 1990; Nesbitt,
1996; Golding. et al., 1990; Ropchan et al., 2002). The similar geodynamic regime is assumed for the
forming of Neoproterozoic structures in the Yenisey ridge too (Vernikovsky et. al, 2003). In this paper
we want mainly to consider two important aspects of ore genesis such as temporal duration of goldforming processes and matter sources of auriferous solutions.
The age of gold-bearing mineralization in the studied region was usually estimated to the Late
Riphean time (about 850 Ma) on the base of the K-Ar dating for sulfide ores from the Olympiada
– 215 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
deposit (Zvyagina, 1989). Results of our isotopic researches assume to distinguish a more significant
temporal range for the accumulation of sulfides and gold in metamorphic units of the Corda Formation.
We regard that a segregation of metals was caused by allochemical metamorphism, late metasomatic
alteration and hydrothermal processes during few tectonic cycles. Narrow single-line zone of biotite,
garnet, staurolite are formed during the progressive regional metamorphism accompanying with
trusting, folding, recrystllization and forming of early sulfide mineralization in local extensional
structures, perhaps, into hinges of higher order folds. The timing of this process can be correlated with
an age of host metamorphic rocks on the Blagodat deposit corresponding of 780-790 Ma (data from
Sm-Nd and Rb-Sr composition of host staurolite-bearing schists). The accumulation of gold in these
rocks couldn’t achieve to economical conditions, but must to provide some rising of gold content in
local parts of the Corda Formation. This supposition is based on the enough high content of gold in
host rocks of the Blagodat deposit (20-40 ppb) that is more in 3-5 times relative to a clarc of this metal
in Earth crust and crystalline schales (Crocket, 1996).
The second stage of gold accumulation began realized during a regressive metamorphism
connected with renewal dislocation of shear type that was slightly transverse to the linearity of initial
tectonic structures. The combination of strike-slip and normal fault shifting allowed forming of local
fracture zones and transporting juvenile fluids from dipper seated metamorphic units. The result of this
alteration have been a forming of disseminated sulfide mineralization (pyrrhotite and pyrite) on rims
of main ore bodies in the Blagodat deposit. The dating of beginning for gold-producing metasomatic
processes into shear sulfured zones could be corresponded to the Rb-Sr isotopic age of low-sulfurized
micaceous schists (sample 53/200.5) located on the boundary of northern ore body (OB-1 in Fig. 3).
The following development of strike-slip fault dislocations must to provide a remobilization of gold
and its segregation in structural traps that demonstrate as main ore bodies and local ore shoots. The
mineral paragenesis of this structure includes wider spectrum of sulfides such as a arsenopyrite and
chalcopyrite that demonstrate a rising role of hydrothermal fluids. We assume that this process may be
correlated with a forming of sulfide-rich mineral assemblage in auriferous schists of main ore bodies.
The Rb-Sr isochron for mostly sulfurized schists are corresponded to age of 690-700 Ma that could be
defined as basic or latest stages of shear deformations in the transverse strike-slip fault.
The final stage of gold accumulation was obviously connected with additional tectonic activity
in the Paleozoic time when only brittle deformations could be realized in the consolidated substrate of
the Corda metamorphic units accompanying with the calc-alkaline metasomatic alteration of rocks.
Fluorite-carbonate veins with chalcopyrite, sphalerite and galena are main indicators of these tectonic
and metamorphic events. We regard that the Sm-Nd and Rb-Sr isotopic dating of fluorite separates
(360-370 Ma) are mostly corresponded to this stage.
Thus the total temporal duration of the Blagodat deposit forming could be extended from the Late
Riphean (progressive metamorphism, thrusting and folding of host rock units with an age of 780-790
Ma) to the Late Paleozoic (only brittle deformations and forming of local fracture zones with an age
of 360-370 Ma). Nevertheless we regard that main ore-forming processes were defined to relatively
narrow temporal interval corresponding to 690-760 Ma. This chronological range is mostly correlated
with a forming of the Tatar-Ayakhta and Glushikha granite intrusions (720-760 Ma). Their origin is
connected with a collision of the Central Angara terrane with the Siberian craton (Vernikovskaya et.
al, 2003). Moreover the chronological boundary of 690-700 Ma corresponding to the forming of mostly
– 216 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
87
Sr/ 86SrɌ
0.749
36/136
0.748
0.747
53/200.5
0.746
36/171
4/169.7
-Whole rock
-Muscovite
-Biotite
0.745
0.744
0.743
53/259
67/51.7
Au, ppm
0.1
1
10
Fig.8. Relationship between values of initial 87Sr/86Sr ratio and content of Au (ppm)
auriferous schists in shear zones can be interpreted as a transition to the postcollisional riftogenic
regime indicator of which was an alkaline and carbonatite-bearing magmatism in the region with ah
age 640-680 Ma (Vrublevsky et al., 2003).
The conformity of isotopic ages for granitoid magmatism and auriferous sulfide mineralization is
a considerable to show a genetic relationship between these processes. Same authors regard to assume
an aditional role of mantle plumes for the forming of gold deposits in the Yenisey province (Anoshin
et al., 1982; Sazonov, 1998). In any case the mater source of host metamorphic rocks and auriferous
hydrothermal fluids in gold deposits of the studied region is open now, although it is very important
for an interpretation of their genesis. Chemistry of schists as well as their trace element compositions
are similar to that of continental terrigenous sediments (sands, aulerolites and shales), whereas REEpatterns are mostly common for silica-rich magmatic rocks. It assumes that main products of clastic
or chemical weathering for primary sedimentary units of the Corda Formation could be the Archean
and Early Proterozoic granitic or migmatitic complexes from the western margin of Siberian craton.
The calculation of model Sm-Nd age relative to the chondrite uniform reservoir (CHUR) in whole rock
samples of studied rocks is confirmed this scenario.
The origin of mater sources for gold-bearing metamorphic units from the Blagodat deposit is
more correctly estimated by initial Nd- and Sr- isotopic ratios. Values of εNdT and εSrT calculated on
the determined isochron age for different stages of mineralization are corresponding to parameters
of upper continental crust. Middle negative values of εNdT ranging from –16 to –14 can be correlated
with that of enriched mantle reservoir of EM-II type, but they are usually less to this characteristics of
syncollisional granites (values of εNdT are about –10) from the Tatar-Ayakhta complex (Vernikovsky
et al., 2003). Very high positive values of εSrT ranging from +570 to +725 can be only interpreted as
a source of upper continental crust component (Bickle et al., 1989). Moreover the sequence of gold
accumulation is accompanied with a tendency to rise a role of crust component that illustrate by a
direct correlation between gold contents and initial 87Sr/86Sr ratios in studied metamorphic rocks (Fig.
8). The decreasing of εNdT in late fluorite separates is also confirmed this conclusion.
– 217 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
We regards that a source of gold was metamorphic rocks of the Corda formation. Granitic intrusions
had an indirect influence over the forming of the Blagodat deposit, despite on the widespread location
of them in the frame of studied object. Our isotopic data show that these magmatic rocks could be only
a source of thermal energy and hydrothermal solutions. Rb-Sr model ages calculated relative to the
middle composition of upper crust (Fig. 7) are demonstrated a successive drawing of fluids from more
ancient metamorphic complexes into ore-forming processes.
Conclusion
Our geochemical and isotopic data allow presenting a new model of gold segregation in
metamorphic units of the Yenisey ridge province. On the example of the Blagodat deposit the following
temporal sequence of gold-produced tectonic and metasomatic transformation is assumed:
a) T = 1200 – 1000 Ma – the sedimentation and early greenschist grade metamorphism of the
Corda Formation rocks;
b) T = 800 – 780 Ma – the trust-folded deformation of the primary horizontally layered units,
their progressive metamorphism to the amphibolite grade and initial accumulation of gold in
local structural traps;
c) T = 760 – 750 Ma – the shear deformation and beginning of sulfidization processes in
metamorphic units with a forming of initial disseminated pyrrhotite-pyrite assemblage;
d) T = 700 – 690 Ma – the main or late stage of metasomatic transformation of metamorphic
rocks in ore bodies with pyrite-pyrrhotite-arsenopyrite mineralization;
e) T = 370 – 360 Ma – the final tectonic destruction of the Blagodat deposit and forming of
fluorite-bearing veins with chalcopyrite-sphalerite-galena paragenesis.
On the base of Sm- and Sr- isotopic data we regard to distinguish only mater sources of upper
continental crust for forming of gold-bearing sulfide mineralization in the Blagodat deposit. Most of
granitic and alkaline intrusions synchronized to the age of gold-produced processes could be only
promoted to the high thermal recrystallization and metasomatic alteration of the Corda Formation
rocks which were a main source of gold.
Acknowledgments
The authors are grateful to V.V. Vrublevsky from Tomsk State University for many discussions in
the interpretation of isotopic data, as well as to L.P. Kostenenko and L.I. Sviridov from the Siberian
Federal University for the important role in study of ore minerals paragenesises and their temporal
sequence.
References
1. Anoshin G.N., Lepezin, G.G., Mel’gunov, S.V., Miriyevskaya, O.S., Tsimbalist, V.G., Behavior
of gold and silver during progressive metamorphism, as illustration by metamorphic complexes of the
Altai-Sayan fold system // Dokl. Acad. Sci. USSR. Earth Science Section. 1982. V. 262. P. 210-214.
2. Boyle R.W. The geochemistry of gold and its deposits (together with a chapter on geochemical
prospecting for the element). Geol. Surv. Can. Bull, 1979. 584 p.
3. Crocket J.H. Distribution of gold in the Earth’s crust // Gold metallogeny and explorations / ed.
Foster R.P. Chapman & Hall. 1996. P. 1-36.
– 218 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
4. DePaolo D.J. Neodimium isotope geochemistry: An introduction. New York: Springer Verlag.
1988, 295 p.
5. DePaolo D.J., Wasserburg G.J. Nd Isotopic variations and petrogenetic models // Geophys. Res.
Lett. 1976. V. 3. P. 249-252.
6. Davis B.K., Bell C.C., Lindsay M., Henderson R.A. A single late orogenic Permian episode of
gold mineralization in the Hodgkinston province, North Queensland, Australia // Econom. Geol. 2002.
V, 97. P. 311-323.
7. Foure F. Principles of isotope geology. New York: Wiley, 1986, 385 p.
8. Golding S.D., Blutitude R.J., Peters S.G., Myers I.A., Dolwing K. Stable isotope constraints
on genetic models for gold-quartz, antimony-gold-quartz, tin and tungsten-tin mineraliziation,
Hodgkinston province, northern Queensland / Australian Institute of Mining and Metallurgy: Pacific
Rim Congress 90. Parkville. Victoria. 1990. 3rd Proceedings. P. 325-335.
9. Gromet L.P., Dymek R.F., Haskin L.A., Korotev R.L. The “North American Shale Composite”:
its compilation, major and trace element characteristics // Geochim. Cosmochim. Acta. 1984. V. 48. P.
160-182.
10. Groves D.I., Foster P.R. Archean lode gold deposits // Gold metallogeny and explorations / Ed.
Foster R.P. Chapman & Hall. 1996. P. 63-103.
11. Groves D.I., Barley M.E., Ho S.E., Hopkins G.M.F. Western Australian gold deposits //
Bicentennial Gold 88 Excursion Guidebook. Univ. of W. Australia: Geol. Dept. Univ. Extension. 1988.
Publ. 14, 152 p.
12. Haskin M.A., Haskin L.A. Rare earths in European shales: a redetermination // Science. 1966.
– № 154. P. 507-509.
13. Haskin M.A., Haskin L.A., Frey F.A., Wildman T.R. Relative and absolute terrestrial
abundances of the rare earths //. Origin and distribution of the element / Ed. Ahrens L.H. 1968. Oxford:
Pergamon. P. 889-911.
14. Kerrich R., Fryer B.J. The separation of rare elements from abundant base metals in Archean
lode gold deposits: implications for low water rock source region // Econom. Geol. 1981. V. 76. P. 160166.
15. Kerrich R., Wyman D.A. The geodynamic sitting of mesothermal gold deposits: An association
with accretionary tectonic regimes // Geology. 1990. V. 18. P. 882-885
16. Kozlov P.S., Lepezin G.G. Petrology, petrochemistry and metamorphism of rocks in the
Angara region of the Yenisey Ridge // Russ. Geol.Grophys. 1995. V. 36 (5). P. 3-22.
17. Li L.V., Shokhina O.I. Behavior of gold in progressive metamorphism of Precambrian rocks on
the Yenisey Ridge // Geochem. Internat. 1974. V. 11. P. 314-321.
18. Likhanov I.I., Reverdatto V.V. Mass transfer during andalusite replacement by kyanite in Aland Fe-rich metapelites Yenisey Ridge // Pertology. 2002. V. 10 (5). P. 479-494.
19. Ludwig K. Isoplot for Windows. Version 2.0. U.S. Geol. Survey. 1989.
20. McLennan S.M. Rare earth elements in sedimentary rocks: influence of provenance and
sedimentary processes // Geochemistry and mineralogy of rare elements / Ed. Lipin B.R. and McKay
G.A. Reviews in Mineralogy. 1989. V 21. P. 169-200.
21. Nesbitt B.E. Phanerozoic gold deposits in tectonically active continental margins // Gold
metallogeny and explorations / Ed. Foster, R.P. Chapman & Hall. 1996. P. 104-130.
– 219 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Anatoly M. Sazonov, Igor F. Gertner, Elena A. Zvyagina… Ore-forming Conditions of the Blagodat Gold Deposit…
22. Ropchan J.R. Petrographic and geochemical studies of the alteration zones associated with
gold mineralization at the Holloway mine greenstone belt. Canada: Unpublished M. Sc. thesis. Ottawa,
Ontario. University of Ottawa, 2000.
23. Ropchan J.R., Luinstra B., Flower A.D., Benn K., Ayer J., Berger B., Dahn R., Labine R.,
Amelin Y. Host-rock and structural controls on the nature and timing of gold mineralization at the
Holloway Mine. Abitibi Subprovince. Ontario // Econom. Geol. 2002. V. 97. P. 291-309.
24. Sazonov A.M. Geochemistry of gold in metamorphic units. Publish House of the Tomsk
Politechnical Univ. Pub., 1998. 166 p.
25. Sazonov A.M., Zvyagina E.A., Leontyev S.I., Kostenenko L.P., Poleva T.V., Sviridov L.I.,
Tishin P.A., Gertner I.F. The Blagodat deposit as an example of disseminated gold-sulfide ores from
the Yenisey Ridge // Magmatic and metasomatic formations and associated ore-forming processes /
Ed. Dalimov T.N. Tashkent: Fan va texnologiya, 2005. P. 321-325 (in Russian).
26. Sun S.S., McDonough W.F. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implication
for mantle composition and processes // Magmatism in oceanic basalts / Ed. Saunders A.D., Norry M.J.
London: Geol. Soc., 1989. Spec. 42. P. 313-345.
27. Taylor S.R., McLennan S.M. The composition and evolution of the continental crust: rare
elements from sedimentary rocks // Phil. Trans R. Soc. 1981. V. A301. P. 389-399.
28. Tishin P.A., Gertner I.F., Vrublevsky V.V., Sazonov A.M. Evolution of the Rb-Sr isotopic
system in biotites for conditions of moderate pressure metamorphism // Petrology magmatic and
metamorphic complexes / Ed. Chernyshov A.I. Tomsk: CNTI, 2005.V. 5 (2). P. 403-407 (in Russian).
29. Vernikovskaya A.E., Vernikovsky V.V., Sal’nikova E.B., Dastencko V.M., Kotov A.B., Kovach
V.P., Travin A.V., Palessky S.V., Yakovleva S.Z., Yasenev A.M., Fedoseenko A.M. Neoproterozoic
postcollisional granitoids of the Glushikha complex, Yenisey Ridge // Russ. Petrology. 2002. V. 11 (1).
P. 54-68.
30. Vernikovskaya A.E., Vernikovsky V.V., Sal’nikova E.B., Dastencko V.M., Kotov A.B., Kovach
V.P., Travin A.V., Yakovleva S.Z. Yeruda and Cherimba granitoids (Yenisey Ridge) as indicator of
Neoproterozoic collision // Russ. Geol. Geophys. 2002. V. 43. P. 245-259.
31. Vernikovsky V.V., Vernikovskaya A.E., Kotov A.B., Sal’nikova E.B., Kovach V.P. Postcollisional
granitoid magmatism in Transangara region of the Yenisey Ridge: events 750–720 Ma // Dokl. Earth
Sci. 2003. V. 384 P. 362-366.
32. Vernikovsky V.V., Vernikovskaya A.E., Kotov A.B., Sal’nikova E.B., Kovach V.P.
Neoproterozoic accretionary and collisional events on the western margin of Siberian craton: new
geological and geochronological evidence from the Yenisey Ridge // Tectonophysics. 2003. V. 375. P.
147-168.
33. Vrublevsky V.V., Pokrovsky B.G., Zhuravlev D.Z., Anoshin .G.N. Composition and age of the
Penchenga linear carbonatite complex, Yenisey Ridge // Russ. Petrology. 2003. V. 11 (2). P. 130-146.
34. Zvyagina E.A. Metamorphism and gold ore potential of the Verkhhe-Enashimo ore assemble.
Ph. D. thesis. Russia, Irkutsk: Institute of Earth crust, 1989. 16 p.
– 220 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кафедре «Металловедение и термическая обработка металлов»
Института цветных металлов и материаловедения
Сибирского федерального университета 100 лет
1-2 октября 2009 г. в Государственном технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» (МИСиС) состоится международная научно-техническая конференция, посвященная 100-летию кафедры металловедения цветных металлов МИСиС. Кафедра
«Металловедение и термическая обработка металлов» Института цветных металлов и материаловедения СФУ является преемницей кафедры «Металловедение цветных металлов» Московского института цветных металлов и золота (МИЦМиЗ), переведенного в г. Красноярск 30
декабря 1958 г.
Рождение кафедры «Металловедение цветных металлов» связано с именем Анатолия Михайловича Бочвара, по
инициативе которого в Московском высшем техническом
училище (МВТУ), в первом из всех высших учебных заведений столицы, было организовано обучение металлургической специальности. В 1908 г. Анатолий Михайлович начал
читать курс «Металлография». Сто лет назад он организовал металлографическую лабораторию (кафедру), которая
совместно с металлургической лабораторией вошла в состав
лаборатории сплавов. Некоторое время лаборатория (кафедра) действовала под руководством А.М. Бочвара в МВТУ,
а при организации Московской горной академии, созданной
при его активном участии, образовательный центр металловедения перенесли на кафедру нового учебного заведения.
Анатолий Михайлович Бочвар
А.М. Бочвар работал одновременно в этих двух вузах.
(1870 – 1947)
При расформировании Московской горной академии и
образовании на ее основе шести вузов г. Москвы, в том числе Московского института цветных металлов и золота (МИЦМиЗ), кафедра «Металловедение
цветных металлов» вошла в состав этого вуза. На этой кафедре с 1919 г. вплоть до самой своей
смерти работал А.М. Бочвар. В настоящее время кафедра «Металловедение цветных металлов» МИСиС носит его имя.
Наряду с педагогической деятельностью А.М. Бочвар занимался активной научноисследовательской работой. Большое число работ относится к исследованию углеродистых
сталей и чугунов, динамного и трансформаторного железа. Однако наиболее значимые достижения были в области металловедения цветных металлов и сплавов. Им предложены баббиты
– 221 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кафедре «Металловедение и термическая обработка металлов» ИЦМиМ СФУ 100 лет
типа Б16 на основе свинца, кальциевый баббит. Под руководством А.М. Бочвара разработано
большое число наиболее широко применяемых в настоящее время латуней и бронз. Им и его
учениками созданы принципы получения и обработки сплавов на основе магния.
Второе великое имя, связанное с историей кафедры, – имя академика Андрея Анатольевича Бочвара, сына Анатолия Михайловича, который в 1931 г. получил звание профессора и
до перевода института в г. Красноярск возглавлял кафедру металловедения цветных, редких
и радиоактивных металлов. Андрей Анатольевич Бочвар – академик Академии наук СССР с
1946 г., дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и четырех Государственных премий, один из главных создателей атомного и водородного оружия, решивший своими исследованиями в области металловедения радиоактивных металлов и сплавов проблему
получения оружейного плутония. С именем А.А. Бочвара мы связываем основополагающие
достижения в области теории эвтектической кристаллизации, определившие условия начала
кристаллизации, механизмы и кинетику парного эвтектического роста кристаллов, теоретические положения и технологию кристаллизации отливок под давлением в автоклавах. Им
были установлены закономерности развития рекристаллизационных процессов. Крупнейшим
достижением А.А. Бочвара совместно с З.А Свидерской считается открытие явления сверхпластичности. Им широко исследованы явления жаропрочности и другие важные проблемы
металловедения и термической обработки цветных металлов и сплавов.
Пятьдесят лет тому назад Московский институт цветных металлов и золота был приближен к богатствам Сибири, которыми должна была прирастать Россия. Так родился
Красноярский институт цветных металлов, на долю которого здесь, на сибирской земле,
выпала честь унаследовать традиции мощнейшего, авторитетного учебно-научного центра, развивавшегося долгое время в Москве, и создавать новые традиции. На кафедру «Металловедение цветных, редких и радиоактивных металлов» не приехали профессорскопреподавательские кадры Московского института цветных металлов и золота. Однако ее
традиции, определенная материальная база, переданная новому красноярскому вузу, методическая поддержка и помощь в подготовке кадров сделали свое дело, и кафедра «Металловедение и термическая обработка металлов» нынешнего Института цветных металлов и
материаловедения Сибирского федерального университета чтит и приумножает традиции
родительского вуза. Мы с благодарностью называем имена И.И. Новикова, Г.М. Кузнецова,
В.С. Золоторевского, М.В. Захарова, А.М. Захарова и еще многих профессоров и сотрудников родственной кафедры, работавших вместе с А.М. Бочваром и А.А. Бочваром и продолжавших их дело в г. Москве после перевода кафедры в Красноярск. На новом месте в
Красноярске кафедра строилась по образцу московской школы. Сначала она взяла на себя
всю технологическую подготовку студентов вуза как кафедра «Технологии металлов», а
затем возобновила и свой статус выпускающей кафедры. При возрождении кафедры сохранялись лучшие московские и создавались новые традиции.
Живая преемственность и связь московской и красноярской кафедр реализовалась через
подготовку научно-педагогических кадров для красноярской кафедры на базе московской школы. В аспирантуре в Москве у профессоров И.И. Новикова, В.С. Золоторевского, Г.М. Кузнецова обучались аспиранты – выпускники красноярской кафедры: Т.А. Орелкина, А.Л. Роднянская, Л.С. Цурган. В диссертационном совете в Москве защищал докторскую диссертацию в
– 222 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кафедре «Металловедение и термическая обработка металлов» ИЦМиМ СФУ 100 лет
порядке соискательства нынешний заведующий красноярской кафедрой В.С. Биронт. На базе
московской кафедры защищали свои кандидатские диссертации еще некоторые преподаватели
– бывшие выпускники красноярской кафедры. Это Т.Г. Калиновская, И.Л. Константинов и др.
Ряд выпускников кафедры направляли в целевую аспирантуру различных вузов страны, что
позволило обогатить опыт московской металловедческой школы, реализованной в Красноярске, традициями других ведущих металловедческих школ: уральской, санкт-петербургской,
днепропетровской и др.
В 1969 г. на должность заведующего кафедрой был избран В.С. Биронт, который до сих
пор с небольшим перерывом ее и возглавляет. Красноярская кафедра всегда стояла на самых
передовых позициях в образовательном и научно-исследовательском процессе. Благодаря самому серьезному отношению к кадровой проблеме преподавательского состава кафедра обеспечила научный рост числа преподавателей с учеными степенями и званиями до 85-100 % в
течение последних 20-25 лет. Начиная с 1992 г., кафедра реализует подготовку специалистов по
ускоренной (сокращенной) программе для выпускников средних профессиональных учебных
заведений.
На единственной специальности института цветных металлов с 1999 г. начата подготовка выпускников
на основе многоуровневой системы образования, включающей два образовательных уровня: бакалавр – магистр и полную профессиональную подготовку специалистов (инженер по специальности «Металловедение и
термическая обработка металлов»).
Кафедра стоит на прогрессивных позициях в отношении внедрения в образовательный процесс степенного
образования, что не исключает, а, наоборот, требует самого серьезного отношения к высокому
уровню профессиональной инженерной подготовки специалистов, которые могут претендовать на получение магистерской академической степени. При кафедре действует аспирантура,
продолжает работать докторский
диссертационный совет по нашей
специальности.
Кафедра делает все от нее зависящее для внедрения самых
прогрессивных методов в образовательном процессе. Одними из
первых преподаватели кафедры
осваивали компьютерную технику
в учебном процессе, разрабатывали компьютерные программные
средства, электронные учебники и
учебные пособия, которые вот уже
многие годы используются для преподавания курсов «Материаловеде– 223 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кафедре «Металловедение и термическая обработка металлов» ИЦМиМ СФУ 100 лет
ние», «Основы физического металловедения», «Кристаллография и дефекты кристаллического
строения», «Теория термической обработки металлов» и других дисциплин.
В рамках дисциплин, преподаваемых по выбору и региональных, а также по магистерским
образовательным программам кафедрой разработаны уникальные и авторские дисциплины,
такие как «Теплофизика термообработки», «Металловедческая экспертиза», «Фрактография в
материаловедении» и ряд других. Кафедрой в течение ряда лет проводились собственные работы по оснащению металлографических микроскопов видеосистемами, что в условиях ограниченного финансирования позволило выйти на хороший качественный уровень изучения
металловедческих дисциплин. Это дало возможность подготовиться к освоению современной
оптической техники ведущих зарубежных фирм.
В условиях создания и укрепления позиций новой формы университетов высшего уровня,
таких как Сибирский федеральный университет, кафедра сумела реализовать и превысить давно разработанные планы переоснащения лабораторий кафедры и выйти на уровень, соответствующий лучшим университетам мира. Сегодня учебный процесс и научные исследования
обеспечены самыми лучшими оптическими микроскопами фирмы «Карл Цейс» (Германия),
растровым электронным микроскопом EVO 50 с энергодисперсионным микроанализатором
INCA 350 (совместное производство Германии и Англии), современным испытательным оборудованием (производства Швейцарии, Германии и Австрии). Такое материальное оснащение позволяет вести учебный процесс и выполнять научные исследования на самом высоком уровне.
Таким образом, кафедра «Металловедение и термическая обработка металлов» не только
сохраняет и достойно несет звание ведущей металловедческой кафедры России, но развивает
и приумножает традиции кафедры имени Анатолия Михайловича Бочвара. Сегодня кафедра
встречает свой 100-летний юбилей с оптимизмом, с надеждами на лучшее будущее.
В.С. Биронт,
проф., д.т.н., зав. кафедрой
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа