Магнітна гідродинаміка й електромагнітне оброблення матеріалів

МАГНІ́ТНА ГІДРОДИНА́МІКА Й ЕЛЕКТРОМАГНІ́ТНЕ ОБРО́БЛЕ­Н­НЯ МАТЕРІА́ЛІВ Магнітна гідродинаміка (М. г.) ви­вчає рух електро­провід. газових або рідких середовищ у магніт. полі. Поштовхом до її роз­витку послужила астрофізика – наука, що ви­вчає фіз. явища у Всесвіті, де широко роз­пов­сюджені високоіонізов. гази, плазми та досить сильні магнітні поля. Прийнято, що оформле­н­ня М. г. як науки від­булося 1942, коли швед. вчений Х. Альфвен опублікував її осн. положе­н­ня. 1970 він за сукупність своїх праць з М. г. одержав Нобелів. премію в галузі фізики. Від­повід­но до сучас. уявлень, фіз. основу М. г. складають механіка суціл. середовищ, частиною якої є власне гідродинаміка, та класична електродинаміка. Наявні рівня­н­ня М. г. дають опис кожної з двох вказаних складових: гідродинаміки — рівня­н­ня Навʼє–Стокса та рівня­н­ня нерозривності для нестискуваних середовищ, рівня­н­ня теплопереносу, електродинаміки — рівня­н­ня Максвел­ла включно з теоремою Гаус­са, закон Джоуля–Ленца та рівня­н­ня для ви­значе­н­ня обʼєм. електромагніт. сили. Проведена оцінка доцільності за­стосува­н­ня для впливу на рідкометал. системи полів різної фіз. природи показала на­ступне: викори­ста­н­ня для цієї мети гравітац. полів неефективне через їхню обмежену величину порівняно з некеров. полем сили тяжі­н­ня Землі; елек­тро­стат. поле важко використовувати, оскільки рідкі метали є хорошими провід­никами; обмеже­н­ня у впливі магніто­статич. полів на метал. роз­плав об­умовлені тим, що магнітна проникність остан­нього близька до одиниці. Водночас вплив, який чиниться на метал електромагніт. полем, цілком спів­ставний із силами тяжі­н­ня, пружності та вʼязкості, що діють на електро­провід. роз­плав і всередині нього. Це свідчить про можливість за­стосува­н­ня таких полів для обробле­н­ня метал. систем в матеріалозн. технологіях. Накладе­н­ня електромагніт. полів — один з най­ефективніших способів зовн. силових впливів на метал. системи в рідкому та рідко-твердому станах з метою упр. структурою та властивостями сплавів і виробів з них. Окрім того, технології на основі електромагніт. і магніто­гідродинаміч. обробле­н­ня матеріалів, використовуючи як джерело енергії електрику та забезпечуючи без­контактне введе­н­ня в середовище теплової та мех. енергії, а також зручність вторин. викори­ста­н­ня матеріалів, є екологічно чистими та виробляють екологічно чисті продукти. Це особливо важливо через критичну необхідність скороче­н­ня за­брудне­н­ня довкі­л­ля від­ходами пром. виробництва. Бурхливий роз­виток приклад. М. г. у 1960–70-х рр., і особливо її теор. аспектів, заклав фундамент для подальших екс­перим. дослідж. і пром. роз­робок, спрямованих на створе­н­ня оригін. магніто­гідродинаміч. техніки та реалізованих за її допомогою матеріалозн. технологій. Звільнити рідкий метал від контакту зі стінкою, що утримує його, і надати бажаної форми його вільній поверх­ні, компенсувавши при цьому гідро­статич. тиск та швидкіс. напір від неминучих електровихр. течій, — це одна з най­актуальніших про­блем сучас. приклад. М. г., що залишається невирішеною в повному обсязі, не­зважаючи на успіхи в конкрет. за­стосува­н­нях у металургії і ливар. виробництві. Про­блема повної та частк. левітації рідких металів та стійкості вільних границь виникла у 1960-х рр. і її виріше­н­ня тісно пере­пліталося з ін. аналог. про­блемою — стійкістю плазм. згустків у потуж. магніт. полях термоядер. установок. Додатк. можливості для подальшого роз­витку дослідж. і технол. роз­робок у цьому напрямі були повʼязані із сут­тєвими досягне­н­нями в галузі створе­н­ня над­провід. магніт. систем, які здатні генерувати магнітні поля з індукцією в кілька десятків тесла. Нині доведено ефективність практ. викори­ста­н­ня електромагніт. полів у процесах одержа­н­ня метал. матеріалів та виготовле­н­ня з них литих заготовок. Це об­умовлено можливістю здійсне­н­ня з їх допомогою без­контакт., мало­інерцій. керованого теплового і силового впливу на рідкий метал, що твердне. Вперше без­умовне ви­зна­н­ня вченими різних країн пер­спективності за­стосува­н­ня магніто­гідродинаміч. техніки при вирішен­ні знач. матеріалозн. про­блем від­булося на симпозіумі IUТАМ «За­стосува­н­ня М. г. в металургії» (Кембридж, 1982). Подальший роз­виток дослідж. з цього напряму ознаменувався новими оригін. технол. роз­робками, повʼязаними із за­стосува­н­ням магніто­гідродинаміч. техніки в різних процесах одержа­н­ня високо­якіс. метал. матеріалів і литих заготовок з них. З метою обміну досві­дом і організації між­нар. кооперації вчених та промисловців при вирішен­ні мас­штаб. зав­дань приклад. М. г. 1996 створ. Між­нар. асоц. з гі­дромагніт. явищ і їхнього практ. за­стосува­н­ня «HYDROMAG». За остан­ні 20 р. проведено бл. 10 пред­ставниц. конф. (Японія, Франція, Німеч­чина, Китай) за тематикою електромагніт. обробки матеріалів, на яких пред­ставлено широкий спектр про­блем, повʼязаних з електромагніт. і матеріалозн. аспектами приклад. М. г. На макрорівні електромагніт­ну енергію використовують для плавле­н­ня твердого і на­гріву рідкого металу електрич. струмом; пере­міще­н­ня метал. роз­плаву під дією електромагніт. сил; накладе­н­ня тиску на рідкий і тверд­нучий метал. На мікрорівні магнітні поля можуть без­посередньо впливати на магнітні моменти атомів елементів, що входять до складу сплавів, і надавати їм при цьому різних при­скорень. Такі поля можуть викликати дипол. взаємодії в системах з феромагніт. і парамагніт. фазами, об­умовлювати орієнтацію феромагніт. частинок уздовж силових ліній поля, змінювати величину коефіцієнта молекуляр. дифузії елементів у рідкому сплаві та величину критич. зародка при кри­сталізації металу. Викори­ста­н­ня рівнянь М. г. для рідкометал. систем, що під­даються дії електромагніт. полів, до­зволяє роз­рахувати величину та роз­поділ електромагніт. сил, поля швидкостей і тисків у рідкому металі, а також оцінити кількість тепла, що під­водиться до метал. роз­плаву за рахунок конвекції, молекуляр. тепло­провід­ності й вʼязкого тертя. У процесі дослідж. магніто­гідродинаміч. процесів встановлено низку фіз. ефектів і явищ, що спо­стерігаються в рідкому металі при впливі на нього електромагніт. полів. Нині широко за­стосовують у металург. технологіях: стисне­н­ня провід­ника магніт. полем влас. струму («пінч-ефект»); обваже­н­ня або полегше­н­ня металу за рахунок додатк. орієнтацій. впливу на елек­тро­провід. роз­плав електромаг­ніт. сил (умовна зміна питомої ваги); левітація (урівноваже­н­ня сил тяжі­н­ня електромагнітними); електровихр. течії, об­умовлені викривле­н­ням ліній струму в рідкометал. провід­нику; гасі­н­ня турбулент. пульсацій рідкого металу попереч. по­стій. магніт. полем (ефект Гартмана); зміна профілю швидкості рідкого металу в ка­налі при накладен­ні попереч. по­стій. магніт. поля; електроконвективні течії (при обтікан­ні струмом частинок у рідкому металі); не­стійкість суціль­ності рідкого металу (роз­шарува­н­ня) в зоні впливу електромагніт. сил при недо­стат. величині статич. тиску; ефект «динамо», повʼязаний з під­сумовува­н­ням прикладеного і наведеного маг­ніт. полів у рухомому електро­провід. середовищі. Більш складні та недо­статньо ви­вчені магніто­гідродинамічні явища мають місце в разі дії на електро­провід­ні середовища сильних магніт. полів (понад 5,0 Тл). Унаслідок ефекту «вморожува­н­ня» силових ліній поля в рідину вони захоплюються хаотич. рухом провід. середовища, викликаючи посиле­н­ня флуктуацій магніт. поля. Крім того, в цьому випадку стають сут­тєвими магнітні сили, що діють на будь-які матеріали — як провід­ні, так і не­провід­ні. Магнітна сила пропорційна магніт. проникності матеріалу, значен­ню прикладеного магніт. поля та його градієнта. У сильних полях магнітні сили спів­мірні з ін. силами та можуть навіть їх пере­вершити. Їх можуть за­стосовувати для компенсації сили тяжі­н­ня, здійсне­н­ня електромагніт. гальмува­н­ня потоків металу чи запобіга­н­ня посилен­ню природ. конвекції. Сильні магнітні поля використовують для мікро­структурува­н­ня й односпрямованого затверді­н­ня сплавів, а остан. часом встановлено їхній істот. вплив на a-g-пере­творе­н­ня у твердих залізовуглецевих сплавах. У пер­спективі саме на осно­ві за­стосува­н­ня сильних магніт. полів про­гнозують рев. досягне­н­ня щодо виріше­н­ня матеріалозн. про­блем. Для здійсне­н­ня теплового і силового впливу на рідкий і тверд­нучий метал використовують по­стійні та змін­ні електр. й магнітні поля. При цьому струм до метал. роз­плаву під­водять за допомогою електродів або індукують у ньому змін. магніт. полем. При протікан­ні струму (низької, пром., високої частоти) по металу забезпечується його кероване на­гріва­н­ня. Для силового впливу на метал використовують електромагнітні сили, що виникають в електро­провід. роз­плаві при взаємодії електр. струму, що по ньому протікає, з магніт. полем. У разі за­стосува­н­ня для створе­н­ня електромагніт. сили змін. електромагніт. полів (пульсуючі поля та такі, що біжать, оберт. поля) в комплексі зі змін. струмом, разом з направленим пере­міще­н­ням електро­провід. роз­плаву, в ньому генеруються і електродинамічні колива­н­ня. Електромагнітні сили, забезпечуючи рух рідкого металу із за­даною швидкістю в необхід. напрямі, можуть також використовувати для створе­н­ня тиску в рідкому електро­провід. середовищі, яке пере­буває в за­мкнутому обʼємі. Для здійсне­н­ня електромагніт. впливів на всіх операціях технол. циклу пере­ділу рідкого металу в литу заготовку за­стосовують різні електротехнол. установки. Функціонально вони необхідні: для інтенсифікації процесів тепло- і масопереносу при плавлен­ні металу в електропечах та позапіч. оброблен­ні сплавів, для здійсне­н­ня електромагніт. транс­портува­н­ня і дозованого роз­лива­н­ня рідкого металу, для магніто­гідродинаміч. диспергува­н­ня та електромагніт. левітації роз­плаву, а також для створе­н­ня більш сприятливих умов при формо­утворен­ні литої заготовки, її подальшому індукцій. на­гріван­ні при нанесен­ні покрит­тів і термооб­робці. В цілому дослідж. та роз­робки в галузі приклад. М. г. стимулювали кардинал. зміни в галузі електроплавки чорних і кольор. металів та сплавів, процесів їхнього позапіч. обробле­н­ня та електромагніт. роз­лива­н­ня. Магніто­гідродинамічні технології плавки в холод. тиглях забезпечили одер­жа­н­ня особливо чистих матеріалів. Електромагнітне пере­мішува­н­ня та гальмува­н­ня потоків сталі в машинах без­перерв. лиття стал. заготовок при­звело до рев. змін у збільшен­ні продуктивності такого обладна­н­ня та покраще­н­ня якості метало­продукції. Від­булися сут­тєві позитивні зміни в ливар. виробництві. В Україні дослідж. з електромагніт. обробле­н­ня матеріалів і М. г. рідкометал. середовищ за­ймаються вчені Фіз.-технол. ін­ституту металів і сплавів, Ін­ститутів електродинаміки та електрозварюва­н­ня НАНУ (усі — Київ), Нац. тех. університету України «Київ. політех. ін­ститут», компанії «Net Shape Cast Ukraine». Ними створ. та впроваджені, зокрема й за кордоном, про­гресивні магніто­гідродинамічні роз­робки: одні з кращих у світі універсал. магнітодинамічні ливарні насоси, установки та міксери-дозатори із супут. технологіями для кольор. металів, чавуну та вперше у світі для сталі (місткістю 10 т), унікал. електрошлак. технології, оригін. при­строї для електромагніт. пере­мішува­н­ня сталі та упр. її роз­ливкою в машинах без­перерв. лиття заготовок, магніто­гідродинамічні проміжні ковші. У жовт­ні 2015 у м. Канни (Франція) укр. вчені брали участь у між­нар. конф. з електромагніт. обробле­н­ня матеріалів.

Завантажити статтю