Номер Проекта  № РФФИ 20-48-96015_р_НОЦ_Пермский край
Название Проекта «Управление структурой сред с неоднородной электропроводностью при кристаллизации с целью создания уникальных материалов при помощи электромагнитных сил специально приспособленной топологии»
Руководитель: Колесниченко И.В.

Аннотация

В проекте изучается процесс управления структурой электропроводной среды в ходе фазового перехода путем создания существенно неравновесного процесса с помощью электромагнитной силы. Использование электромагнитных сил для воздействия на структуру слитков активно изучается и применяется на некоторых передовых предприятиях металлургической промышленности. Электромагнитные силы генерируют течения разной топологии. При этом улучшается гомогенизация при добавлении легирующих добавок вследствие улучшения процесса перемешивания. Кристаллическая структура становится однородной и мелкозернистой. Достигается уплощение фронта кристаллизации при сложном перемешивании, улучшение структуры металла вблизи боковых стенок и устранение усадочной впадины в центре слитка. Однако, используемые ранее технологии позволяли генерировать течение строго определенной топологии. Это снижало перемешивающий эффект. Другая трудность связана с недостижимостью принципиально противоречивой цели обеспечения гомогенизации как состава, так и размера зерна. В данном проекте авторы выдвигают принципиально новую идею способа генерации магнитного поля. Это приводит к возникновению течений, существенно влияющих на структуру затвердевающего слитка. Идея заключается в конструкции индуктора нового типа, позволяющего генерировать магнитное поле произвольно заданной топологии. Это достигается как особой конструкцией индуктора, так и компьютерной системой управления, позволяющей регулировать питание каждой обмоти индуктора по отдельности. Мы получаем в руки инструмент, которым надо научиться эффективно пользоваться. Для этого будет проведено подробное численное и экспериментальное исследование влияния управляющих параметров на характеристики процесса и на получающуюся структуру слитка. В результате будет определена конфигурация процесса, которая специально предназначена для наилучшего управления структурой в ходе кристаллизации. Это потенциально приведет к созданию материалов с уникальными механическими свойствами. Такие материалы найдут применение для изготовления деталей с улучшенными механическими свойствами. Они востребованы, в том числе, в авиационной и нефтедобывающей промышленности. Это расширяет значимость применения МГД-технологий в рациональном природопользовании.

 

1 Этап (2021)

На начальном этапе проекта (2021 год) выполнены численные и экспериментальные исследования процессов в металле, помещенном во внешнее переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле создается индуктором, состоящим из набора пространственно распределенных обмоток, размещенных на общем ферромагнитном сердечнике. Питание обмоток осуществляется как от источника трехфазного тока напрямую, так и через специально разработанную на данном этапе многоканальную систему управления. Эта система осуществляет компьютерное управление питанием, что позволяет создавать переменные магнитные поля заданной пространственной и временной конфигурации. Разработана математическая модель, описывающая электродинамические, гидродинамические и теплофизические поля, возникающие в объеме с металлом. Численная реализация модели осуществляется в программной среде Ansys-Fluent с привлечением UDF функций и среде Matlab для передачи данных с электродинамической на гидродинамическую сетку. Модель дополнена модулями расчета в среде с неоднородной электропроводностью и модулем оценки структуры твердого металла. Выполнены численные исследования процессов в установках малого, среднего и большого масштаба. В первых двух случаях расчеты выполнялись в тех же конфигурациях, что и проведенные эксперименты. В третьем случае расчеты позволили выбрать наилучшие параметры для установки большого масштаба, которая будет разработана и изготовлена на втором этапе проекта. Также выполнены расчеты, конструирование и изготовление дополнительного элемента установки большого масштаба, который необходим для подачи жидкого металла в область индуктора. Выполнена серия экспериментальных исследований на установке малого масштаба, что позволило оценить интенсивность возникающих электромагнитных сил, их зависимость от параметров и геометрии области. На установке среднего масштаба выполнены серии экспериментальных исследований электродинамических и гидродинамических характеристик. С помощью тесламера получены пространственные характеристики магнитных полей, создаваемых индуктором в исследуемой области, а также их зависимости от тока и частоты тока в обмотках. С помощью ультразвукового доплеровского анемометра получены зависимости формы средних профилей скорости вдоль луча от параметров процесса Также получены эволюции профилей скорости, что позволило оценить характер течения, определить частоты колебания в случае их наличия. С помощью кондукционных датчиков скорости получены оценки турбулентных характеристик течения и спектры пульсации скорости. Исследования выполнены в запланированном объеме. Полученные результаты позволяют перейти ко второму этапу исследований, где будет подробно изучаться процесс кристаллизации жидкого металла.

 

 

 

 

2 Этап  (2022)

На втором этапе проекта (2022 год) выполнены следующие работы. С помощью разработанной на первом этапе математической модели, выполнены многовариантные исследования процессов в однородной и неоднородной электропроводной среде. Обнаружено, что режим с аксиальным чередованием направления вращения магнитного поля, существенно усложняет вид азимутального и полоидального течений. Это приводит к возникновению развитой интенсивной полоидальной компоненты течения. Возникающее течение сопровождается колебательным движением вихревых структур и взаимодействием между ними, приводящим к эффективному перемешиванию жидкого металла. Обнаружено, что умеренные значения силового параметра приводят к наиболее гомогенизированному составу среды при перемешивании. Время выхода на стационарное значение степени гомогенности среды снижается с увеличением силового параметра. Обнаружено, что при нестационарном воздействии модуляции силового параметра в некотором диапазоне частот практически не влияют на время выхода на гомогенное состояние и степень гомогенности. Это позволяет существенно экономить энергию, необходимую для питания индуктора. Рассмотрена формулировка задачи кристаллизации в терминах метода фазового поля. Решена задача кристаллизации цилиндрического объема. Предложена схема расчета, которая может определить зеренную структуру расплава после кристаллизации. Разработана методика, с помощью которой осуществляется поиск оптимальной конфигурации магнитного поля по выделенному результирующему параметру. Обнаружено, что в исследуемом диапазоне параметров задачи, на зависимости момента электромагнитных сил от частоты вращающегося поля существует экстремум при фиксированной частоте вращения среды. Найдена зависимость частоты питающего напряжения обмоток, которая обеспечивает максимальный момент электромагнитных сил при вращении электропроводной среды, от частоты вращения среды. Проведено исследование течения в установке малого размера. В результате расчетов выявлено, что увеличение частоты тока приводит к дестабилизации и нарушению симметрии течения. Были определены значения силы тока и частоты, при которых в системе достигаются вертикальные скорости течения, достаточные для их экспериментального определения с помощью ультразвукового доплеровского анемометра. Кондукционные датчики скорости успешно применены для изучения характеристик турбулентных течений, возникающих под действием вращающегося магнитного поля в установке среднего размера. При определенной величине электромагнитного воздействия на графиках спектральной энергии пульсаций скорости наблюдается Колмогоровский наклон -5/3, свидетельствующий о развитой однородной изотропной турбулентности и распространяющийся в частотном диапазоне до двух декад. Уровень пульсаций скорости варьируется в пределах от 4 до 10 процентов от значения тангенциальной скорости вращения, измеренной также при помощи датчиков. Это позволяет обоснованно использовать для численного расчета таких течений выбранные модели турбулентности. Численно и экспериментально исследован процесс кристаллизации металла в цилиндрическом объёме под действием принудительного электромагнитного перемешивания. Найдены характеристики процесса в зависимости от режима перемешивания. Установлено положительное влияние перемешивания магнитными полями комплексной топологии на темп и однородность застывания металла. Численно обнаружено, что увеличение длины ферромагнитных зубцовых элементов не снижает величину электромагнитной силы. Это позволило существенно усилить тепловую защиту индуктора без снижения его производительности. На основе численных результатов, разработана конструкция и подготовлен комплект чертежей большой установки. Изготовлены все основные элементы большой установки и выполняется ее окончательная сборка и наладка. Исследования выполнены в запланированном объеме. Полученные результаты позволяют перейти к третьему этапу исследований, где будут подробно изучаться процессы в установке большого масштаба.

Рис. 4. Экспериментальная установка: a) фото установки, b) 3D-модель перемешивателя (1. магнитопровод индукционного перемешивателя, 2. катушки индуктивности, 3. канал кристаллизатора), c) схема расположения ультразвуковых датчиков в верхнем теплообменнике.

 

                a                                                                            b

Рис. 5. a) Пример полей аксиальной компоненты скорости течения жидкого металла в двух плоскостях цилиндрического объёма для одного из режимов. b) Средний темп кристаллизации металла (движение границы раздела фаз) в зависимости от режима перемешивания для пяти моментов времени (эксперимент).

Этап 3

В проекте изучается процесс управления структурой электропроводной среды в ходе кристаллизации путем создания неравновесного процесса с помощью электромагнитной силы. Электромагнитные силы генерируют течения разной топологии. При этом улучшается гомогенизация при добавлении легирующих добавок вследствие улучшения процесса перемешивания. Однако, используемые ранее технологии позволяли генерировать течения строго определенной топологии. Это снижало перемешивающий эффект. Другая трудность связана с недостижимостью принципиально противоречивой цели обеспечения гомогенизации как состава, так и размера зерна. В проекте авторы выдвигают принципиально новую идею способа генерации магнитного поля. Это приводит к возникновению течений, эффективно влияющих на структуру затвердевающего слитка. В ходе выполнения проекта проведено подробное численное и экспериментальное исследование влияния управляющих параметров на характеристики процесса и на получающуюся структуру слитка. Ряд экспериментов выполнен с помощью галлиевой эвтектики и ультразвукового доплеровского анемометра. В результате определена конфигурация процесса для наилучшего управления структурой в ходе кристаллизации. На заключительном этапе проекта завершены численные и экспериментальные исследования процессов в жидком металле, помещенном во внешнее переменное магнитное поле. Выполнена сборка и наладка большой пилотной экспериментальной установки. Разработана и изготовлена высокотемпературная цилиндрическая вакуумно-газовая печь, которая размещена в центре индуктора. Для новой большой экспериментальной установки выполнен ряд исследований, направленных на определение основных электромагнитных и гидродинамических характеристик для выбранных конфигураций магнитного поля. Подготовка к экспериментам по изучению влияния электромагнитных сил на кристаллизацию высокотемпературных металлов потребовала изучение характеристик процесса кристаллизации электропроводной среды в широком диапазоне конфигураций магнитного поля, в продолжении исследования, начатого на втором этапе. В ходе исследования процесса кристаллизации высокотемпературного металла — сплава алюминия с кремнием, получены цилиндрические слитки при разных режимах электромагнитного воздействия в ходе кристаллизации и изучена их структура. На основе результатов проекта возможна разработка технологии создания материалов с уникальными механическими свойствами. Такие материалы найдут применение для изготовления деталей с улучшенными свойствами. Они востребованы, в том числе, в авиационной, атомной и нефтедобывающей промышленности. Это расширяет применение магнитогидродинамических технологий в рациональном природопользовании.

 

Опытная установка ТОПАЗ, разработанная в ходе выполнения проекта.