Магнитная гидродинамика – от проблем металлургии до галактик

Фрик П.Г. , Хрипченко С.Ю. // Вестник пермского научного центра, 2009, №1, стр 5-9

Институтом механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук ведутся работы, в которых органично сочетаются  исследования фундаментальных проблем магнитной гидродинамики и решения важных прикладных задач, направленных на создание новых технологических устройств для промышленности.

 В лаборатории физической гидродинамики этого института разработаны оригинальные подходы к описанию процессов генерации магнитных полей в движущихся турбулентных потоках проводящей жидкости, позволяющие лучше понять происхождение космических магнитных полей (полей планет, звезд, галактик). Совместно с радиоастрономами ведется обработка наблюдательных астрофизических данных, позволяющих получить характеристики космических магнитных полей. В лаборатории создается уникальная экспериментальная установка для изучения механизмов генерации магнитного поля космических объектов.

 В области прикладных исследований разрабатываются  МГД-насосы и перемешиватели для жидких металлов, таких как галлий, олово, свинец, магний, натрий и др. МГД-насосы для магния и МГД-перемешиватели для алюминия уже  созданы и испытаны в производственных условиях. Эти устройства, не имея подвижных частей и электрических обмоток, работают, используя принцип взаимодействия электромагнитных полей с жидким металлом.

Вопреки расхожему мнению, что академическая наука занимается только фундаментальными проблемами, далекими от реальных приложений,  ученые Академии наук, безусловно, понимают, что практические результаты — это логическое продолжение фундаментальных разработок. Примером успешного сочетания фундаментальных и прикладных исследований может служить деятельность лаборатории физической гидродинамики Института механики сплошных сред.  Уже несколько лет здесь реализуется программа развития экспериментальной базы для работы с жидкими металлами, поддержанная грантами Международного научно-технического центра и Российского фонда фундаментальных исследований. В рамках этой программы создана база для экспериментов с жидким галлием, жидким магнием и жидким натрием, позволившая значительно активизировать и работы по прикладной магнитной гидродинамике, а также развернуть исследования центральной фундаментальной проблемы магнитной гидродинамики – явления  МГД-динамо.

Аббревиатурой МГД сокращенно обозначают Магнитную ГидроДинамику – науку о движении жидкостей и газов с хорошей электрической проводимостью. К последним, безусловно, относятся жидкие металлы, а также ионизированные газы (плазма), составляющие основу не только звезд, но и межзвездной среды. Эффект МГД-динамо заключается в том, что при достижении определенных критических параметров движущаяся проводящая среда может самопроизвольно генерировать магнитное поле. По современным представлениям, магнитные поля планет, звезд и галактик обусловлены именно эффектом МГД-динамо.

Теория МГД-динамо активно развивается в течение последнего полувека, но до полного понимания этого чрезвычайно сложного нелинейного явления еще очень далеко и наряду с теоретическими моделями необходимы все новые наблюдательные данные о структуре и эволюции реальных космических магнитных полей, а также лабораторные эксперименты. Проведение экспериментов в лабораторных условиях осложняется тем, что динамо относится к критическим явлениям и возникает только при достижении критических режимов, возможных лишь при течении больших масс хорошо проводящей жидкости с высокими скоростями, да еще и характеризующихся достаточно сложной топологией.

Динамо-эксперименты долгое время оставались мечтой специалистов, и только в последнее десятилетие начались работы по реализации динамо в лабораториях. Соответствующие динамо-проекты ведутся сегодня в Германии, Франции, США и Латвии. Создаются установки, стоящие миллионы долларов и потребляющие большое количество энергии.

В Перми предложили свой оригинальный путь решения проблемы, отказавшись от идеи реализации динамо в стационарном потоке металла. Пермский проект направлен на изучение эффекта динамо в импульсном режиме. Жидкий натрий заключен в тороидальный канал, который раскручивается до больших скоростей, накапливая тем самым значительный запас кинетической энергии. После разгона, канал резко останавливается, и силы инерции, прогоняя жидкий металл через специальные крыльчатки-диверторы, обеспечивает в канале интенсивное течение с заданной геометрией. При достижении расчетных параметров поток металла должен обеспечить генерацию магнитного поля в течение короткого (порядка секунды) времени, достаточного для регистрации эффекта и его исследования. Идея была опробована на установках-прототипах и вызвала большой интерес в кругу специалистов. В начале 2005 года в Перми состоялось представительное международное совещание по проблеме МГД-динамо, на котором были представлены результаты всех экспериментальных групп, работающих в мире над этой проблемой, а также физиков-теоретиков и астрофизиков, специализирующихся на изучении природы космических магнитных полей.

Исследования эффекта самопроизвольного возникновения магнитного поля важно с практической точки зрения. Охлаждение атомных реакторов происходит с помощью жидкого натрия. При увеличении размера реакторов соответственно увеличиваются объемы жидкого металла, который движется с большой скоростью и проводимость которого очень высока. В результате может самопроизвольно возникнуть магнитное поле, которое может изменить процесс тепло-массопереноса в реакторе. Такую возможность надо предвидеть и предотвратить.

Исследования в области магнитной гидродинамики имеют и другие практические  приложения, особенно актуальные в металлургии. Дело в том, что электромагнитное поле активно воздействует на жидкий металл. Меняя величину магнитного поля и его конфигурацию, а также величину электрического тока, который пропускается через жидкий металл, можно управлять его потоками.

В лаборатории ведутся работы по изучению и применению для практического использования так называемых электровихревых течений. Явление заключается в том, что при протекании по жидкому проводнику электрического тока, в нем возникают силы, обусловленные взаимодействием электрического тока со своим собственным магнитным полем. При достаточно сильных электрических токах электромагнитные силы могут генерировать  различного рода течения жидкого металла, по которому этот ток и протекает.

На основе выполненных исследований электровихревых течений в лаборатории были разработаны различные насосы, перемешиватели, сепараторы для перекачивания, перемешивания и очистки жидких металлов. Достоинством этих устройств является отсутствие специальных электрических обмоток для создания магнитного поля, которые чувствительны к  воздействию различных агрессивных факторов литейного производства. Кроме того, отсутствие обмоток позволяет опускать такие насосы ниже уровня жидкого металла, делая их погружными. Погружные насосы удобны в эксплуатации, так как для своего запуска они не нуждаются в вакуумировании при предварительном заполнения канала металлом.

В настоящее время, процесс розлива магния в слитки осуществляется в основном традиционным способом: из цеха производства к месту разлива в слитки магний транспортируется при помощи вакуумных ковшей перевозимых на карах и вагонетках. Разлив в литейные формы в основном осуществляется при помощи ручного ковша или переливом из раздаточного тигля при помощи специальных гидравлических механизмов наклоняющих тигель. Применение МГД установок (имеющих в составе МГД насос) для подачи металла на конвейер разливки магниевых слитков позволит перекачивать магний по трубам, тем самым снизить его окисление, и забирать металл более чистым из-под поверхности расплава. МГД установка с МГД насосом не имеет движущихся частей, поэтому металл не перемешивается с донными осадками и поступает на конвейер более чистый. Кроме того, МГД установка позволяет просто управлять процессом разлива слитков и максимально изолировать металл от внешней атмосферы, не допуская попадание вредных газов в атмосферу литейного цеха и снижая риск профессиональных заболеваний.

В лаборатории физической гидродинамики создан новый класс электровихревых насосов для перекачивания цветных металлов. Эти насосы прошли опытную эксплуатацию на Березниковском титано-магниевом комбинате и Соликамском магниевом заводе. Разработанный и изготовленный в лаборатории перемешиватель жидкого алюминия для приготовления полунепрерывных слитков  нашел применение во Всероссийском алюминиево-магниевом институте, на Каменск-Уральском металлургическом заводе, в Исследовательском центре ROSSENDORF (Германия) и в фирме СIDAUT (Испания). В настоящее время в лаборатории разрабатываются  новые МГД-устройства, а также ведутся работы по исследованию процесса МГД-сепарации с целью создания оборудования для очистки жидкого металла.

Рис.1. Электровихревые течения жидкого металла в лабораторных установках. Течение обусловлено взаимодействием протекающего по металлу тока с  собственным магнитным полем, искаженным ферромагнитными брусками, расположенными по центру и сбоку кюветы.

Рис.2.  Галактика М31 (Туманность Андромеды) – как и многие другие галактики, она имеет собственное магнитное поля, возникновение которого возможно только благодаря эффекту МГД-динамо.

Рис.3. Канал экспериментальной динамо установки. Этот канал будет заполнен жидким натрием и раскручен до 2000 оборотов в минуту. Резкое торможение канала вызывает в нем винтовой поток жидкого металла, который и должен обеспечить эффект генерации магнитного поля

Рис.4. Процесс непрерывного литья алюминиевых слитков с использованием МГД-перемешивателя, разработанного и изготовленного в Институте механики сплошных сред УрО РАН. Процесс литья осуществляется в ВАМИ.

Рис.5. МГД-перемешиватель для производства цилиндрических полунепрерывных слитков из алюминия и его сплавов и производства компазитных материалов на основе алюминия. Перемешиватель осуществляет раздельно регулируемое перемешивание металла в двух плоскостях.

Рис.6. Электровихревой МГД-насос установлен на тигель с жидким магнием для разливки металла в крупногабаритные слитки на Соликамском магниевом заводе

Рис.7. Момент розлива магния в изложницы на конвейере при помощи насоса

Рис.8.  Слитки магния, отлитые на конвейере с помощью МГД-насоса

Written by

Комментариев нет.

Оставить комментарий

Сообщение