Новая технология позволяет сократить энергопотребление в два раза
Ученые предложили новую технологию управления конвективными потоками при кристаллизации, что позволяет влиять на микро- и макроструктуру затвердевающих расплавов. Исследуя галлий, сотрудники Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) и Ганноверского университета имени Лейбница выявили, что при перемешивании расплавленного металла бегущим электромагнитным полем энергопотребление сокращается вдвое, при этом сохраняются или улучшаются условия для получения качественного литого материала. Расчеты и экспериментальные данные представлены в журнале Metals.
Исследование состоит из двух этапов. Вначале ученые разработали математическую модель для процесса кристаллизации, затем проанализировали воздействие пульсирующего электромагнитного поля на характеристики металла. Опыты проводили на установках в Германии (исследование выполнено в рамках стипендии Президента РФ для обучения за рубежом). Изучали галлий — низкотемпературный металл, который плавится при комнатной температуре.
«Жидкий металл можно перемешивать бесконтактно, электромагнитным полем, и получать нужную консистенцию. В последнее время появилась тенденция использовать пульсирующую или реверсивную модуляцию электромагнитного поля. Это позволяет увеличивать турбулентную кинетическую энергию без дополнительного энергопотребления или при его уменьшении, — поясняет аспирант кафедры электротехники УралЭНИН УрФУ Евгений Швыдкий. — Вместе с тем остается все еще много нерешенных вопросов, так как в процессе затвердевания происходит одновременно много взаимосвязанных процессов: гидродинамических, электромагнитных и кристаллизации. Проблема также в том, что металл — непрозрачный, и нельзя рассмотреть, что происходит внутри. Чтобы понять, как процессы тепло- и массообмена взаимодействуют внутри, необходимо подключать матмоделирование».
С помощью матмодели ученые смогли получить представление, как во время перемешивания и кристаллизации взаимодействуют механизмы, связанные с электромагнитным полем, гидродинамическими течениями, тепловым полем, фазовым переходом (из жидкого состояния в твердое), и другие.
«Я разработал численную модель, которая описывает, как взаимодействие этих процессов влияет на рост кристаллов, то есть затвердевание металла. Эти данные помогли предсказать, какими механическими свойствами, необходимыми для индустрии, будет обладать металл», — говорит специалист.
Верифицировать модель помогли коллеги из Швейцарии. Ученые провели нейтронную радиографию — экспериментально просветили металл и посмотрели, как он кристаллизуется. Опираясь на эту модель, ученые выявили, что применение пульсирующей составляющей снижает энергопотребление в два раза, при сохранении эффективности перемешивания и качества металла. Выяснили также, что чем выше скорость перемешивания при определенном магнитном поле, тем эффективнее технология.
«Я провел эксперименты по измерению скорости ультразвуковым допплеровским анемометром. Исследовал разные частоты этой пульсации и определил оптимальные значения частот для получения определенных свойств металла: улучшение структуры, выравнивание химсостава и прочее. Таким образом, металл можно использовать в более широких областях, он будет более легкий и более механически прочный», — констатирует Евгений Швыдкий.
Использовать новую технологию, по словам Швыдкого, можно при создании солнечных батарей: перемешивание с помощью магнитных полей может улучшить условия кристаллизации и механические свойства кремния. А также в литье цветных металлов на основе алюминия, меди и других.
УрФУ — один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных университетских игр 2023 года. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».
