Моделирование технологий плавки и литья легких сплавов в электромагнитном поле
Ключевые слова:
переменное электромагнитное поле, легкие сплавы, электромагнитный кристаллизатор, бестигельная плавка, температурное поле, поле скоростей в жидком металле, численное моделирование
Аннотация
Статья посвящена научным основам разработки технологий плавки и литья в переменном электромагнитном поле сплавов на основе алюминия и титана. Инновационные технологии плавки и литья легких сплавов в переменном электромагнитном поле в ХХI в. уже невозможно разработать и реализовать без цифрового сопровождения, методологии цифровых двойников и численных моделей, сочетающих тесно связанные электромагнитные, термодинамические, гидродинамические и механические процессы. Разработана уникальная технология непрерывного литья круглых слитков малого диаметра в электромагнитный кристаллизатор с непосредственным охлаждением водой поверхности кристаллизующегося металла. Технология позволяет одновременно достичь ряд уникальных эффектов, существенно изменяющих качество и свойства получаемых заготовок (снижение количества нежелательных примесей и включений в структуре металла, равномерное распределение фаз и зерен в структуре металлического слитка, равномерное распределение химических элементов и соединений в металлической матрице). Явление образования внутри цилиндра жидкой фазы титановых сплавов было предсказано на численной модели и подтверждено экспериментальными исследованиями. Уникальное сочетание теплофизических свойств титана с воздействием переменного электромагнитного поля в индукторе позволяет получить до 90 % общей массы титановой цилиндрической заготовки в жидкой фазе. Особую роль в достижении этого результата играют магнитогидродинамические (МГД) эффекты после начала расплавления.
Литература
1. Гецелев З.Н. О формировании жидкого металла магнитным полем при непрерывном литье. – Магнитная гидродинамика, 1972, № 4, с. 152–154.
2. Гецелев 3.Н. и др. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор. М.: Металлургия, 1983, 152 с.
3. Pervukhin M.V. et al. Mathematic Simulation of Electromagnetic and Thermal Hydrodynamic Processes in the “Inductor-Ingot” System of an Electromagnetic Mould. – Magnetohydrodynamics, 2011, 47(1), pp. 79–88.
4. Андреев А.Л. и др. Плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1978, 383 с.
5. Muehlbauer A. History of Induction Heating and Melting. Essen: Vulkan-Verlag, 2008, 202 p.
6. Тир Л.Л., Губченко А.П. Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и чистоты. М.: Энергоатомиздат, 1988, 120 с,
7. Spitans S. et al. New Technology for Large Scale Electromagnetic Levitation Melting of Metals. – Magnetohydrodynamics, 2015, 51(1), pp. 121–132, DOI:10.22364/mhd.51.1.12.
8. Bojarevics V., Roy A., Pericleous K.A. Magnetic Levitation of large liquid Volume. – Magnetohydrodynamics, 2010, 46(4), pp. 339–352, DOI:10.22364/mhd.46.4.3.
9. Vencels J. et al. EOF Library: Open-Source Elmer and Open FOAM Coupler for Simulation of MHD with Free Surface. – XVIII International UIE – Congress Electrotechnologies for Material Processing, 2017.
10. Винтер Э.Р., Первухин М.В. Исследование процесса магнитогидродинамической сепарации расплава алюминия в каналах индукционного устройства канального типа. – Вопросы электротехнологии, 2023, № 3, с. 5–14.
11. Scepanskis M. et al. Solid Inclusions in an Electromagnetically Induced Recirculated Turbulent Flow: Simulation and Experiment. – International Journal of Multiphase Flow, 2014, vol. 64, pp. 19–27, DOI:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2014.04.004.
12. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Устойчивость конвективных течений. М.: Наука, 1989, 320 с.
13. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Experience with the SST Turbulence Model. – Turbulence, Heat and Mass Transfer, 2003, No. 4, pp. 625–632.
14. Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of Fluid (VOF). Method for the Dynamics of Free Boundaries. – Journal of Computational Physics, 1981, No. 39, pp. 201–226, DOI:10.1016/0021-9991(81)90145-5.
15. Минаков А.А. Численное моделирование течений вязкой несжимаемой жидкости с подвижными границами: дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2008, 174 с.
16. Voller V.R., Brent A.D., Prakash C. The Modeling of Heat, Mass and Solute Transport in Solidification Systems. – International Journal of Heat and Mass Transfer, 1989, 32(9), pp. 1719–1731, DOI:10.1016/0017-9310(89)90054-9.
17. Khatsayuk M.Yu. et al. Numerical Simulation of Process of Electromagnetic Casting and Technology Features. – Metallurgical and Materials. Transaction B, 2023, 54(10), DOI:10.1007/s11663-023-02791-8.
18. Хацаюк M.Ю. и др. Многодисциплинарный численный анализ процесса литья алюминиевых слитков в электромагнитное поле. – Металлург, 2023, № 3, с. 84–95.
19. Масликов П.А. Исследование условий получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел при индукционном нагреве: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб, 2014, 19 с.
20. Демидович В.Б. Бестигельная плавка титана в переменном электромагнитном поле. – Электричество, 2023, № 10, с. 57–63.
21. Демидович В.Б. и др. Численное моделирование бестигельного плавления титанового сплава в переменном электромагнитном поле. – Известия РАН. Энергетика, 2015, № 6, с. 52–62.
---
Часть представленных исследований выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 22-19-00128 «Эволюция структуры высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg (Ni, Fe, Ca), получаемых с использованием технологии электромагнитного литья», https://rscf.ru/project/22-19-00128/)
#
1. Getselev Z.N. Magnitnaya gidrodinamika – in Russ. (Magnetic Hydrodynamics), 1972, No. 4, pp. 152–154.
2. Getselev Z.N. et al. Nepreryvnoe lit'e v elektromagnitnyy kristallizator (Continuous Casting in an Electromagnetic Mold). M.: Metallurgiya, 1983, 152 p.
3. Pervukhin M.V. et al. Mathematic Simulation of Electromagnetic and Thermal Hydrodynamic Processes in the “Inductor-Ingot” System of an Electromagnetic Mould. – Magnetohydrodynamics, 2011, 47(1), pp. 79–88.
4. Andreev A.L. et al. Plavka i lit'e titanovyh splavov (Melting and Casting of Titanium Alloys). M.: Metallurgiya, 1978, 383 p.
5. Muehlbauer A. History of Induction Heating and Melting. Essen: Vulkan-Verlag, 2008, 202 p.
6. Tir L.L., Gubchenko A.P. Induktsionnye plavil'nye pechi dlya protsessov povyshennoy tochnosti i chistoty (Induction Melting Furnaces for Processes of Increased Accuracy and Purity). M.: Energoatomizdat, 1988, 120 p,
7. Spitans S. et al. New Technology for Large Scale Electromagnetic Levitation Melting of Metals. – Magnetohydrodynamics, 2015, 51(1), pp. 121–132, DOI:10.22364/mhd.51.1.12.
8. Bojarevics V., Roy A., Pericleous K.A. Magnetic Levitation of large liquid Volume. – Magnetohydrodynamics, 2010, 46(4), pp. 339–352, DOI:10.22364/mhd.46.4.3.
9. Vencels J. et al. EOF Library: Open-Source Elmer and Open FOAM Coupler for Simulation of MHD with Free Surface. – XVIII International UIE – Congress Electrotechnologies for Material Processing, 2017.
10. Vinter E.R., Pervuhin M.V. Voprosy elektrotekhnologii – in Russ. (Issues of Electrotechnology), 2023, No. 3, pp. 5–14.
11. Scepanskis M. et al. Solid Inclusions in an Electromagnetically Induced Recirculated Turbulent Flow: Simulation and Experiment. – International Journal of Multiphase Flow, 2014, vol. 64, pp. 19–27, DOI:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2014.04.004.
12. Gershuni G.Z., Zhuhovitskiy E.M. Ustoychivost' konvektivnyh techeniy (Stability of Convective Currents). M.: Nauka, 1989, 320 p.
13. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Experience with the SST Turbulence Model. – Turbulence, Heat and Mass Transfer, 2003, No. 4, pp. 625–632.
14. Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of Fluid (VOF). Method for the Dynamics of Free Boundaries. – Journal of Computational Physics, 1981, No. 39, pp. 201–226, DOI:10.1016/0021-9991(81)90145-5.
15. Minakov А.А. Chislennoe modelirovanie techeniy vyazkoy neszhimaemoy zhidkosti s podvizhnymi granitsami: dis. ... kand. tekhn. nauk (Numerical Modeling of Flows of a Viscous Incompressible Fluid with Movable Boundaries: Dis. … Cand. Sci. (Eng.)). Krasnoyarsk, 2008, 174 p.
16. Voller V.R., Brent A.D., Prakash C. The Modeling of Heat, Mass and Solute Transport in Solidification Systems. – International Journal of Heat and Mass Transfer, 1989, 32(9), pp. 1719–1731, DOI:10.1016/0017-9310(89)90054-9.
17. Khatsayuk M.Yu. et al. Numerical Simulation of Process of Electromagnetic Casting and Technology Features. – Metallurgical and Materials. Transaction B, 2023, 54(10), DOI:10.1007/s11663-023-02791-8.
18. Khatsayuk M.Yu. et al. Metallurg – in Russ. (Metallurgist), 2023, No. 3, pp. 84–95.
19. Maslikov P.А. Issledovanie usloviy polucheniya zhidkoy fazy titanovyh splavov vnutri tsilindricheskih tel pri in-duktsionnom nagreve: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk (Investigation of the Conditions for Obtaining the Liquid Phase of Titanium Alloys Inside Cylindrical Bodies under Induction Heating: Abstract of the Dis. … Cand. Sci. (Eng.)). SPb., 2014, 19 p.
20. Demidovich V.B. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 10, pp. 57–63.
21. Demidovich V.B. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2015, No. 6, pp. 52–62
---
Part of the presented research was financially supported by a grant from the Russian Science Foundation (project No. 22-19-00128 "Evolution of the structure of high-strength aluminum alloys of the Al-Zn-Mg (Ni, Fe, Ca) system obtained using electromagnetic casting technology", https://rscf.ru/project/22-19-00128 /)
2. Гецелев 3.Н. и др. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор. М.: Металлургия, 1983, 152 с.
3. Pervukhin M.V. et al. Mathematic Simulation of Electromagnetic and Thermal Hydrodynamic Processes in the “Inductor-Ingot” System of an Electromagnetic Mould. – Magnetohydrodynamics, 2011, 47(1), pp. 79–88.
4. Андреев А.Л. и др. Плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1978, 383 с.
5. Muehlbauer A. History of Induction Heating and Melting. Essen: Vulkan-Verlag, 2008, 202 p.
6. Тир Л.Л., Губченко А.П. Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и чистоты. М.: Энергоатомиздат, 1988, 120 с,
7. Spitans S. et al. New Technology for Large Scale Electromagnetic Levitation Melting of Metals. – Magnetohydrodynamics, 2015, 51(1), pp. 121–132, DOI:10.22364/mhd.51.1.12.
8. Bojarevics V., Roy A., Pericleous K.A. Magnetic Levitation of large liquid Volume. – Magnetohydrodynamics, 2010, 46(4), pp. 339–352, DOI:10.22364/mhd.46.4.3.
9. Vencels J. et al. EOF Library: Open-Source Elmer and Open FOAM Coupler for Simulation of MHD with Free Surface. – XVIII International UIE – Congress Electrotechnologies for Material Processing, 2017.
10. Винтер Э.Р., Первухин М.В. Исследование процесса магнитогидродинамической сепарации расплава алюминия в каналах индукционного устройства канального типа. – Вопросы электротехнологии, 2023, № 3, с. 5–14.
11. Scepanskis M. et al. Solid Inclusions in an Electromagnetically Induced Recirculated Turbulent Flow: Simulation and Experiment. – International Journal of Multiphase Flow, 2014, vol. 64, pp. 19–27, DOI:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2014.04.004.
12. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Устойчивость конвективных течений. М.: Наука, 1989, 320 с.
13. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Experience with the SST Turbulence Model. – Turbulence, Heat and Mass Transfer, 2003, No. 4, pp. 625–632.
14. Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of Fluid (VOF). Method for the Dynamics of Free Boundaries. – Journal of Computational Physics, 1981, No. 39, pp. 201–226, DOI:10.1016/0021-9991(81)90145-5.
15. Минаков А.А. Численное моделирование течений вязкой несжимаемой жидкости с подвижными границами: дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2008, 174 с.
16. Voller V.R., Brent A.D., Prakash C. The Modeling of Heat, Mass and Solute Transport in Solidification Systems. – International Journal of Heat and Mass Transfer, 1989, 32(9), pp. 1719–1731, DOI:10.1016/0017-9310(89)90054-9.
17. Khatsayuk M.Yu. et al. Numerical Simulation of Process of Electromagnetic Casting and Technology Features. – Metallurgical and Materials. Transaction B, 2023, 54(10), DOI:10.1007/s11663-023-02791-8.
18. Хацаюк M.Ю. и др. Многодисциплинарный численный анализ процесса литья алюминиевых слитков в электромагнитное поле. – Металлург, 2023, № 3, с. 84–95.
19. Масликов П.А. Исследование условий получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел при индукционном нагреве: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб, 2014, 19 с.
20. Демидович В.Б. Бестигельная плавка титана в переменном электромагнитном поле. – Электричество, 2023, № 10, с. 57–63.
21. Демидович В.Б. и др. Численное моделирование бестигельного плавления титанового сплава в переменном электромагнитном поле. – Известия РАН. Энергетика, 2015, № 6, с. 52–62.
---
Часть представленных исследований выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 22-19-00128 «Эволюция структуры высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg (Ni, Fe, Ca), получаемых с использованием технологии электромагнитного литья», https://rscf.ru/project/22-19-00128/)
#
1. Getselev Z.N. Magnitnaya gidrodinamika – in Russ. (Magnetic Hydrodynamics), 1972, No. 4, pp. 152–154.
2. Getselev Z.N. et al. Nepreryvnoe lit'e v elektromagnitnyy kristallizator (Continuous Casting in an Electromagnetic Mold). M.: Metallurgiya, 1983, 152 p.
3. Pervukhin M.V. et al. Mathematic Simulation of Electromagnetic and Thermal Hydrodynamic Processes in the “Inductor-Ingot” System of an Electromagnetic Mould. – Magnetohydrodynamics, 2011, 47(1), pp. 79–88.
4. Andreev A.L. et al. Plavka i lit'e titanovyh splavov (Melting and Casting of Titanium Alloys). M.: Metallurgiya, 1978, 383 p.
5. Muehlbauer A. History of Induction Heating and Melting. Essen: Vulkan-Verlag, 2008, 202 p.
6. Tir L.L., Gubchenko A.P. Induktsionnye plavil'nye pechi dlya protsessov povyshennoy tochnosti i chistoty (Induction Melting Furnaces for Processes of Increased Accuracy and Purity). M.: Energoatomizdat, 1988, 120 p,
7. Spitans S. et al. New Technology for Large Scale Electromagnetic Levitation Melting of Metals. – Magnetohydrodynamics, 2015, 51(1), pp. 121–132, DOI:10.22364/mhd.51.1.12.
8. Bojarevics V., Roy A., Pericleous K.A. Magnetic Levitation of large liquid Volume. – Magnetohydrodynamics, 2010, 46(4), pp. 339–352, DOI:10.22364/mhd.46.4.3.
9. Vencels J. et al. EOF Library: Open-Source Elmer and Open FOAM Coupler for Simulation of MHD with Free Surface. – XVIII International UIE – Congress Electrotechnologies for Material Processing, 2017.
10. Vinter E.R., Pervuhin M.V. Voprosy elektrotekhnologii – in Russ. (Issues of Electrotechnology), 2023, No. 3, pp. 5–14.
11. Scepanskis M. et al. Solid Inclusions in an Electromagnetically Induced Recirculated Turbulent Flow: Simulation and Experiment. – International Journal of Multiphase Flow, 2014, vol. 64, pp. 19–27, DOI:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2014.04.004.
12. Gershuni G.Z., Zhuhovitskiy E.M. Ustoychivost' konvektivnyh techeniy (Stability of Convective Currents). M.: Nauka, 1989, 320 p.
13. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Experience with the SST Turbulence Model. – Turbulence, Heat and Mass Transfer, 2003, No. 4, pp. 625–632.
14. Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of Fluid (VOF). Method for the Dynamics of Free Boundaries. – Journal of Computational Physics, 1981, No. 39, pp. 201–226, DOI:10.1016/0021-9991(81)90145-5.
15. Minakov А.А. Chislennoe modelirovanie techeniy vyazkoy neszhimaemoy zhidkosti s podvizhnymi granitsami: dis. ... kand. tekhn. nauk (Numerical Modeling of Flows of a Viscous Incompressible Fluid with Movable Boundaries: Dis. … Cand. Sci. (Eng.)). Krasnoyarsk, 2008, 174 p.
16. Voller V.R., Brent A.D., Prakash C. The Modeling of Heat, Mass and Solute Transport in Solidification Systems. – International Journal of Heat and Mass Transfer, 1989, 32(9), pp. 1719–1731, DOI:10.1016/0017-9310(89)90054-9.
17. Khatsayuk M.Yu. et al. Numerical Simulation of Process of Electromagnetic Casting and Technology Features. – Metallurgical and Materials. Transaction B, 2023, 54(10), DOI:10.1007/s11663-023-02791-8.
18. Khatsayuk M.Yu. et al. Metallurg – in Russ. (Metallurgist), 2023, No. 3, pp. 84–95.
19. Maslikov P.А. Issledovanie usloviy polucheniya zhidkoy fazy titanovyh splavov vnutri tsilindricheskih tel pri in-duktsionnom nagreve: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk (Investigation of the Conditions for Obtaining the Liquid Phase of Titanium Alloys Inside Cylindrical Bodies under Induction Heating: Abstract of the Dis. … Cand. Sci. (Eng.)). SPb., 2014, 19 p.
20. Demidovich V.B. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 10, pp. 57–63.
21. Demidovich V.B. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2015, No. 6, pp. 52–62
---
Part of the presented research was financially supported by a grant from the Russian Science Foundation (project No. 22-19-00128 "Evolution of the structure of high-strength aluminum alloys of the Al-Zn-Mg (Ni, Fe, Ca) system obtained using electromagnetic casting technology", https://rscf.ru/project/22-19-00128 /)
