Магнітна гідродинаміка й електромагнітне оброблення матеріалів

Визначення і загальна характеристика

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 Нав’є–Стокса та рівняння нерозривності для нестискуваних середовищ, рівняння теплопереносу, електродинаміки — рівняння Максвелла включно з теоремою Гаусса, закон Джоуля–Ленца та рівняння для визначення об’єм. 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 в’язкості, 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 пов’язані 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, пов’язаними 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, пов’язаних 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 в’язкого 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», пов’язаний 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 об’ємі. 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