Многие современные материалы представляют собой сплавы и композиты, поэтому перемешивание жидких металлов остается одной из ключевых операций в металлургии. Важно получить однородный расплав без неметаллических включений: для этого все чаще используют бесконтактное электромагнитное перемешивание, которое позволяет избежать загрязнения сплава материалом механической мешалки.
Благодаря высокой электропроводности расплава управлять движением жидкого металла можно с помощью внешнего магнитного поля. Изменяя его параметры, исследователи задают нужное направление и интенсивность потоков. В этой области уже более 30 лет работает отдел физической гидродинамики ИМСС УрО РАН. Пермские ученые разработали и внедрили несколько устройств, которые используются на предприятиях России и других стран.
В новом исследовании специалисты изучили условия возникновения вторичных вихрей, появляющихся при электромагнитном перемешивании расплавов. С помощью математического моделирования они создали детальную осесимметричную модель и провели серию вычислительных экспериментов. Такой подход позволяет не только экономить время, но и «заглянуть» внутрь потока — определить скорость, давление и другие параметры в любой точке модели, что в реальном эксперименте с непрозрачным жидким металлом сделать крайне сложно.
Полученные результаты помогут инженерам подбирать режимы электромагнитного перемешивания, при которых не возникают вихри Тейлора–Гертлера — дополнительные закрученные потоки, способные нарушить равномерное перемешивание и ухудшить качество металла. Учет их влияния особенно важен при разливке крупных слитков, где однородность химического состава и температуры напрямую зависят от структуры течения расплава. Кроме того, результаты исследования могут быть полезны при создании жидкометаллических батарей, обеспечивая более равномерное перемешивание электродных слоев.
Результаты этого исследования имеют прямое прикладное значение для разработки технологий непрерывного литья алюминиевых слитков, где критически важна однородность структуры и химического состава сплава. Понимание условий зарождения вторичных вихрей, включая вихри Тейлора–Гертлера, позволяет инженерам целенаправленно избегать режимов перемешивания, ведущих к дефектам макроструктуры.
Ранее ученые разработали уникальную мировую карту, которая указывает на скрытые месторождения металлов, критически важных для производства смартфонов и электромобилей.
