Разработки ФТИМС НАН Украины в области магнитной гидродинамики

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ИСТОРИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ»

Developments of the PTIMA NASU in the Field of Magnetohydrodynamics
(History, State, and Prospects — Part III)
There are presented developments of the Physico-Technological Institute of Metals and Alloys of the National Academy of Sciences of Ukraine concerned with design of magnetodynamic equipment and technologies for preparation and pouring of cast iron and steel. Information of achievements of Institute in this field is listed.

История, состояние, перспективы. Часть 3

Физико-технологическому институту металлов и сплавов Национальной академии наук Украины (ФТИМС НАН Украины) принадлежит пальма первенства в создании новых многофункциональных магнитодинамических устройств литейного и металлургического назначения. Они позволили существенно ускорить протекание процессов тепломассопереноса в металлических расплавах, обеспечить независимое управление его температурой и скорости движения. Исследования ученых составили научную основу новых технологий внепечной обработки металла при получении высококачественных сплавов.

В.И. Дубоделов, д.т.н., профессор, член-корреспондент НАН Украины, зав. отделом магнитной гидродинамики,
М.С. Горюк, к.т.н., старший научный  сотрудник отдела магнитной гидродинамики, ФТИМС НАН Украины, г. Киев

На натурных образцах магнитодинамических установок (МДУ) для черных металлов было изучено распределение температур в различных зонах футеровки, контактирующей с металлическим расплавом, и обусловленные управляемой циркуляцией металла особенности теплопереноса в системе «канал — тигель». Показано, что в зависимости от скорости транзитного потока в канале могут создаваться различные температурные градиенты в МДУ — от 10 до 150 °С. На основе полученных результатов был разработан и реализован новый технологический процесс дифференцированного нагрева чугуна и стали в МДУ — весь объем металла выдерживают при пониженной температуре, а до температуры заливки в металлоприемник подогревают только разливаемую порцию расплава при ее прохождении через индукционный канал (работы В.К. Погорского, М.С. Горюка).

На основе проведенных исследований в Институте были разработаны различные модели МДУ для чугуна. Такое оборудование было широко внедрено на машиностроительных заводах СССР (поставлено более 100 МДУ), а также за рубежом — в Болгарии, Югославии и других странах. Магнитодинамические агрегаты осуществляли подогрев и дозированную разливку чугуна в песчано-глинистые формы и кокили на автоматических линиях и роторных литейных каруселях (рис. 11).

В разработку МДУ для чугуна существенный вклад внесли работы сотрудников Института электродинамики НАН Украины Б.П. Борисова, Ю.П. Зубюка и В.К. Шнурко, связанные с созданием систем электропитания магнитодинамических агрегатов и симметрированием нагрузок.

За успешное решение сложных проблем, связанных с подогревом и дозированной разливкой чугуна, группе сотрудников Института проблем литья АН УССР (ныне — ФТИМС НАН Украины) и завода им. Лепсе в 1979 г. была присуждена Государственная премия УССР в области науки и техники. Ее лауреатами стали д.т.н., проф. В.П. Полищук, к.т.н. М.Р. Цин, к.т.н. В.К. Погорский, генеральный директор В.Ф. Злобин, сотрудники П.И. Загоровский, В.Э. Яковчук, К.М. Голубчик и В.В. Кулик.

Дальнейшее развитие этих работ заключалось в создании МДУ повышенной мощности и емкости для приготовления и разливки легированных чугунов и стали. Принципиально новое техническое решение — использование в МДУ трех индукторов, двух электромагнитов и канала с двумя рабочими зонами — было предложено и научно обосновано в работах В.И. Дубоделова, В.К. Погорского, А.А. Щербы, В.К. Шнурко, П.И. Загоровского, Б.К. Щербака и др., а затем практически реализовано (рис. 12).

Такой подход позволил функционально использовать одну из рабочих зон для осуществления перемешивания расплава в системе «канал — тигель» МДУ, а другую — для электромагнитной разливки жидкого металла. Натурные испытания таких МГД агрегатов показали, что, правильно подобрав фазировку электромагнитных систем, можно осуществлять эффективное управление тепловым и гидродинамическим состоянием металла в ванне МДУ и производить его дозированную разливку в металлоприемники.

В результате проведенных исследований были впервые в мире созданы и внедрены в промышленное производство на ЗАО «Ново-Краматорский машиностроительный завод» магнитодинамические миксеры-дозаторы с емкостью тигля до 10 тонн легированной стали. Они обеспечивали подогрев жидкой стали, ее выдержку и дозирование с массовым расходом до 10 кг/с в кристаллизаторы электрошлаковой наплавки прокатных валков. Технология наплавки разработана Институтом электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины (рис. 13).

Такое МГД оборудование использовали для приготовления и разливки чугунов, легированных хромом в количестве до 18% масс. В дальнейшем предлагается применить его и для меди совместно с технологиями переработки меди и ее сплавов, разработанными в творческом сотрудничестве с Артемовским заводом по обработке цветных металлов и Донецким научно-исследовательским и проектным институтом цветных металлов (работы Ю.Д. Савенкова, В.А. Кожанова, В.И. Дубоделова, А.В. Наривского и др.). За комплекс работ в этом направлении в 2008 г. творческий коллектив, в состав которого входил В.И. Дубоделов, был удостоен Государственной премии Украины в области науки и техники.

Необходимо отметить еще один важный аспект работ Института, связанный с применением магнитодинамической техники и технологий в металлургии. Разработаны и использованы в условиях металлургических производств оригинальные МГД-инжекционные агрегаты, обеспечивающие ввод (под действием электромагнитных сил) под уровень стали в ковше по специальным фурмам больших доз жидкого диспергированного алюминия в потоке инертного газа (рис. 14). При этом усвоение алюминия с остаточным содержанием до 1% при легировании специальных сталей составило 95%, что, наряду с его экономией, способствовало увеличению пластических свойств и ударной вязкости стали (работы В.И. Дубоделова, Ю.Н. Яковлева, Д.М. Светличного, А.П. Щербатого).

МДУ для черных металлов применялись также в металлургическом производстве в качестве агрегатов для приготовления жидких ферросплавов (ферромарганец, силикомарганец, феррохром) и их управляемого ввода в сталь при выпуске ее из плавильной печи в сталеразливочный ковш. Такая технология способствовала снижению угара ферросплавов, стабилизации химсостава стали, сокращению массовой доли сульфидных включений и многократному уменьшению их размеров, повышению пластических свойств стали и ее ударной вязкости (работы В.И. Дубоделова, В.К. Погорского, А.Д. Должикова). Большой интерес к этим разработкам проявили ведущие металлургические компании Швеции, Японии и Германии.

На основе использования дифференцированного многофакторного действия электромагнитных полей, создаваемых в МДУ, на жидкий металл с твердыми металлическими добавками, был разработан энергосберегающий процесс получения гетерогенных сплавов для ковшевой обработки стали, усовершенствованы и созданы новые конструкции магнитодинамического оборудования. Реализуемые с его помощью технологические процессы раскисления, модифицирования и микролегирования стали в малотоннажных ковшах металлодобавками, приготовленными в магнитодинамических агрегатах, опробованы в промышленности и обеспечили экономию энергии, ресурсов, повышение и стабилизацию свойств стали (работы В.А. Середенко).

В настоящее время совместно с Донецким национальным техническим университетом Министерства образования и науки Украины, Институтом электродинамики НАН Украины и рядом других организаций ведутся работы по созданию пилотного образца первого в мире магнитодинамического промежуточного ковша для непрерывной разливки стали. Он позволит осуществлять управляемую малонапорную рассредоточенную подачу жидкой стали при строго регламентированной температуре в кристаллизатор машин непрерывного литья заготовок без применения стопоров и шиберов. Такое техническое решение даст возможность: кардинально улучшить процесс разливки стали на МНЛЗ; упростить реализацию технологии получения тонких слябов; существенно улучшить качество стали (работы В.И. Дубоделова, А.Н. Смирнова, А.Ф. Колесниченко, В.К. Погорского, М.С. Горюка). Эта разработка получила высокую оценку специалистов и компаний Японии, США и Италии, которые проявили большой интерес к ней.

Подводя итоги, можно отметить, что разработки ученых отдела магнитной гидродинамики ФТИМС НАН Украины в области применения электромагнитных воздействий для металлургии и литья прочно удерживают ведущие позиции в отечественной и мировой науке. С 1991 г. отдел возглавляет известный ученый, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Украины В.И. Дубоделов, который способствует сохранению и развитию этого направления. Он является членом международных ассоциаций — по гидромагнитным явлениям (HYDROMAG) и Института железа и стали Японии (ISIJ).

Новизна проводившихся отделом работ подтверждена одним открытием, более чем 250 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, в том числе в странах дальнего зарубежья (США, Великобритании, Германии, Франции, Италии, Бельгии, Швеции и Японии), экспортными поставками оборудования. Сотрудники отдела опубликовали 2 монографии и более 500 статей, из них около 50 в зарубежных изданиях. Результаты исследований регулярно докладывались на престижных отечественных и международных конференциях, конгрессах и симпозиумах по проблемам прикладной магнитной гидродинамики, электромагнитной обработки металлов, материаловедения, металлургии и литейного производства. По этому направлению защищено 4 докторских и более 20 кандидатских диссертаций. Сотрудники отдела неоднократно получали гранты и становились лауреатами премий, например, Премии НАН Украины им. З.И. Некрасова за разработки в области металлургии. Созданное ими магнитодинамическое оборудование отмечено дипломами и медалями отечественных и международных выставок.

В настоящее время отдел магнитной гидродинамики ФТИМС НАН Украины совместно с партнерами, в том числе и зарубежными — из Южной Кореи, США, Италии, Германии и других стран — проводит исследования по использованию МГД-техники для получения новых современных материалов, в частности, наноструктурных алюминиевых сплавов, созданию технологий реологического и тиксотропного литья, получению композиционных материалов и т. д.

В заключение особо хотелось бы отметить большой вклад в создание направления, получившего мировое признание, как сотрудников Института, так и представителей других научных и проектных организаций, вузов и предприятий.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.