МГД-технологии

Эффективные МГД-технологии в цветной металлургии

Целью работы является создание новых эффективных технологий на основе магнитогидродинамического (МГД) воздействия на расплав, обеспечивающего получение полуфабрикатов и изделий из металлов и сплавов (на основе Cu, Zn, Al, Ni, Au, Ag) с заданным комплексом свойств, повышения качества слитка и технологичности на различных этапах передела литой заготовки, увеличение выхода годного полуфабрикатов, повышение надёжности и долговечности материалов в изделиях.

Задачами работы являются:

• проведение анализа факторов, влияющих на качество  металлов и сплавов и определяющих долговечность полуфабрикатов и изделий из них, путём оценки повреждённости на различных стадиях передела;
• исследование формирования структуры металлов и сплавов при кристаллизации под действием электромагнитного поля (чистые металлы, сплавы на основе твердых растворов, дисперсионнотвердеющие сплавы, эвтектические сплавы, сплавы, имеющие перитектическое превращение, композиционные материалы (металлическая матрица с оксидными или карбидными включениями);
• исследование особенностей комплексного воздействия модифицирования и электромагнитного перемешивания (ЭМП) в процессе кристаллизации на структуру и механические свойства сплавов;
• установление закономерностей влияния управления выталкивающими силами и кажущимся удельном весом расплавов при кристаллизации под действием электромагнитного поля на повышение плотности сплавов и рафинирования от неметаллических включений или введения в расплав упрочняющих частиц;
• установление закономерностей влияния параметров электромагнитного поля на формирование структуры и физико-механических свойств, получаемых материалов;
• создание комплекса технологических устройств ИЭМПЭ и ЭМК для проведения лабораторных исследований;
• разработка, проектирование и изготовление плавильно-литейных комплексов (ПЛК) с индукционным электромеханическим преобразователем энергии (ИЭМПЭ) или электромагнитным кристаллизатором (ЭМК);
• разработка и внедрение технологий, обеспечивающих получение сплавов с заданными структурой и комплексом физико-механических свойств на основании установленных закономерностей влияния электромагнитного воздействия (ЭМВ) на формирование структуры в процессе кристаллизации;
• формирование необходимых для реализации технологической платформы учебных программ и совершенствование образовательных стандартов;
• технологическая модернизация и существенное повышение конкурентоспособности отраслей, связанных с разработкой, изготовлением, монтажом, наладкой и контролем узлов и агрегатов ПЛК
• распространение разработанных передовых МГД-технологий получения сплавов и композиционных материалов на основе цветных металлов с заданным комплексом технологических и эксплуатационных свойств;
• разработка совокупности стратегических мер, определяющих возможность появления новых разработанных конкурентно способных технологий и материалов на рынках высокотехнологичной продукции (услуг).

В металлургии уже разработан ряд технологий с применением электромагнитного воз­действия на металл, причём большая часть разработок относится к области чёрной металлургии, и только сравнительно небольшая часть технологий внедрена для цветной металлургии (ЭМК- кристаллизаторы для Al-сплавов, работы Г.Н. Гецелева). Однако большая часть возможных эффектив­ных принципов и новых технологий электромагнитного воздействия ждут своего решения. Придавая большое значение решению этой проблемы, во Франции, Великобритании, Японии, Швеции и других странах создают исследовательские организации по применению магнитной гидродинамики в металлургии. Так, Комитет по планированию ис­следовательских работ Японии определил магнитную гидродинамику для металлургии в качестве одного из приоритетных ме­тодов производства  в будущем для своей страны. 

Проведённый большой цикл работ по электромагнитному воздействию (ЭМВ) на цветные металлы и сплавы позволяет считать, что развитие применения МГД технологий представляет широкий спектр возможностей управления кристаллизацией сплавов на основе цветных металлов с целью повышения качества и надёжности получаемых изделий и полуфабрикатов, и несомненно является конкурентно способной технологией как внутри РФ, так и за рубежом. Учитывая, что цикл работ по разработке и внедрению МГД технологий в цветной металлургии значительно замедлился, начиная с 90-х годов, необходимо систематизировать   проведённые ранее исследования и  внедрённые в промышленность работы, что даст значительную эффективность развитию работ в рамках описанной  задачи.

Современное развитие ведущих отраслей промышленности – авиакосмической техники, энергетики, автомобильной промышленности и других отраслей народного хозяйства требует заметного повышения качества и надёжности изделий из сплавов на основе цветных металлов. Важнейшим фактором, определяющим повышение качества выпускаемых сплавов, является умение и надёжность управления процессами формирования структуры сплавов в жидком и твердом состояниях. В большинстве случаев исходную заготовку для полу­чения изделий из металлов и сплавов получают кристаллиза­цией из расплава. После кристал­лизации слитки деформируемых и фасонных отливок сплавов подвергают различным видам обработки, однако конечные свойства получаемых изделий существенно зависят от качества литого металла. Поэтому проблема качества литого металла – одна из важнейших научных и технологических проблем металлургии. Эта проблема очень широка, и одними из важнейших задач в ней являются знание структуры литого металла и умение управлять процессом формирования последней, т.е. кристаллизацией, с тем, чтобы обеспечить  наилучшую конечную структуру и свойства изделий после раз­личных обработок литой заготовки.

Большая роль при решении этих задач отводится процессу кристаллизации, как первому процессу, при котором начинается формирование структуры, определяющей свойства твёрдого металла. Можно говорить о двух путях оказывающих влияние на процесс кристаллизации и формирование структуры литого металла, определяющих его служебные и технологические свойства:

1. Традиционные технологические процессы, обеспечивающие получение различных типов литых структур за счет применения «холодильников», модифицирования расплава, изменения температурно-временных условий кристаллизации и направления теплоотвода (тепловая обработка).
2. Применение физических воздействий, создающих принудительное движение расплава при кристаллизации. При этих воздействиях движение жидкого металла  и соответственно теплопередача  регулируются различными силами приложенными извне. Эти способы включают главным образом, ультразвуковое воздействие, вибрационное, механическое и электромагнитное (ЭМП) расплава.

В металлургической практике известно немало ценных разработок по эффективному влиянию на гидродинамические, теплофизические и массобменные процессы при затвердевании сплавов, которые определяют характер формирующейся структуры сплавов. Однако не все они показали возможность строгого управления свойствами кристаллических структур на этапе их затвердевания и роста. Наиболее надежными и воспроизводимыми средствами такого управления можно считать способы применения электромагнитных полей.

Как показали проведённые ранее работы, использование МГД технологий приводит к значительному расширению возможностей применения шихтовых материалов ВЦМ, совершенствованию литейного оборудования и как следствие обеспечения стабильности условий литья и повышения качества получаемых полуфабрикатов и изделий из них.

В рамках описанной работы предлагается создание новых управляющих технологий процесса кристаллизации за счет изменения параметров электромагнитного поля. Для этого необходимо установить математическую связь силового воздействия электромагнитного поля и параметров сформированной в процессе кристаллизации структуры: размер дендритой ячейки, размер и формы зерен, распределение и размеры второй фазы, т.е. всех тех структурных характеристик, которые определяют механические и физические свойства металлов и сплавов.

Проведение теоретических, технических, конструкторских, экономических и маркетинговых работ в рамках развития предлагаемой технологической платформы направлены на решение задач по повышению качества полуфабрикатов из сплавов на основе цветных металлов.

Планируемые результаты:

• анализ факторов, влияющих на качество  металлов и сплавов и определяющих долговечность полуфабрикатов и изделий из них, путём оценки повреждённости на различных стадиях передела;
• исследование формирования структуры металлов и сплавов при кристаллизации под действием электромагнитного поля (чистые металлы, сплавы на основе твердых растворов, дисперсионнотвердеющие сплавы, эвтектические сплавы, сплавы, имеющие перитектическое превращение, композиционные материалы (металлическая матрица с оксидными или карбидными включениями);
• исследование особенностей комплексного воздействия модифицирования и электромагнитного перемешивания (ЭМП) в процессе кристаллизации на структуру и механические свойства сплавов;
• установление закономерностей влияния управления выталкивающими силами и кажущимся  удельном весом расплавов при кристаллизации под действием электромагнитного поля на повышение плотности сплавов и рафинирования от неметаллических включений или введения в расплав упрочняющих частиц;
• установление закономерностей влияния параметров электромагнитного поля на формирование структуры и физико-механических свойств, получаемых материалов;
• создание комплекса технологических устройств ИЭМПЭ и ЭМК для проведения лабораторных исследований;
• разработка, проектирование и изготовление плавильно-литейных комплексов (ПЛК) с индукционным электромеханическим преобразователем энергии (ИЭМПЭ) или электромагнитным кристаллизатором (ЭМК);
• разработка и внедрение технологий, обеспечивающих получение сплавов с заданными структурой и комплексом физико-механических свойств на основании установленных закономерностей влияния электромагнитного воздействия (ЭМВ) на формирование структуры в процессе кристаллизации;
• формирование необходимых для реализации технологической платформы учебных программ и совершенствование образовательных стандартов;
• технологическая модернизация и существенное повышение конкурентоспособности отраслей, связанных с разработкой, изготовлением, монтажом, наладкой и контролем узлов и агрегатов ПЛК
• распространение разработанных передовых МГД-технологий получения сплавов и композиционных материалов на основе цветных металлов с заданным комплексом технологических и эксплуатационных свойств;
• разработка совокупности стратегических мер, определяющих возможность появления новых разработанных конкурентно способных технологий и материалов на рынках высокотехнологичной продукции (услуг).