Российские исследователи вместе с зарубежными коллегами выяснили, что если перемешивать расплавленный металл пульсирующим электромагнитным полем, то можно снизить энергопотребление вдвое, улучшив условия для получения качественного литого материала. Результаты работы опубликованы в журнале Metals.

На первом этапе работы авторы создали математическую модель, описывающую процесс кристаллизации, а на втором — провели анализ действия пульсирующего электромагнитного поля на характеристики металла. В качестве объекта исследований ученые выбрали галлий — металл, который плавится при комнатной температуре.

«Жидкий металл можно перемешивать бесконтактно, электромагнитным полем, создавая у него нужную консистенцию. Сегодня чаще всего используют пульсирующую или реверсивную модуляцию электромагнитного поля. Благодаря этому увеличивается турбулентная кинетическая энергия без роста или уменьшения энергопотребления, — говорит ведущий автор работы, аспирант кафедры электротехники УралЭНИН УрФУ Евгений Швыдкий. — Несмотря на это, остается все еще много нерешенных проблем, так как в процессе затвердевания происходит одновременно много связанных между собой процессов: гидродинамических, электромагнитных и кристаллизации. Также нам важно знать, что происходит у металла внутри во время всех этих процессов, но выяснить это крайне трудно, так как металл непрозрачный. Чтобы понять, как процессы тепло- и массообмена взаимодействуют внутри, необходимо подключать компьютерное моделирование».

Созданная исследователями модель помогла ученым получить представление, как во время перемешивания и кристаллизации воздействуют друг на друга явления, связанные с электромагнитным и тепловым полями, гидродинамическими течениями, фазовым переходом из жидкого состояния в твердое.

Проверить модель российских исследователей помогли немецкие коллеги. Металл изучили с помощью нейтронной радиографии, которая показала, как происходит кристаллизация. Опираясь на эту модель, авторы выяснили, что применение пульсирующей составляющей снижает энергопотребление в два раза и при этом сохраняет эффективность перемешивания и свойства металла. Ученые также показали, что чем выше скорость перемешивания при определенном магнитном поле, тем эффективнее технология.