>
>
>
«Плавка без нагревательных элементов и жидкий титан без вакуума»: как красноярские ученые разрабатывают оборудование для металлургии

«Плавка без нагревательных элементов и жидкий титан без вакуума»: как красноярские ученые разрабатывают оборудование для металлургии

29.11.2021
0
Проведение физического моделирования высокочастотной индукционной плавки с электромагнитным перемешиванием

Одна кафедра, множество идей

Кафедра электротехники Политехнического института СФУ — настоящее средоточие инновационных идей для промышленности. Заведующий кафедрой, Виктор Николаевич Тимофеев (профессор, доктор технических наук) руководит Научно-Производственным центром магнитной гидродинамики. Когда-то это предприятие участвовало в самых первых грантовых программах с Фондом содействия инновациям, а сегодня является крупнейшим предприятиям-налогоплательщиком Октябрьского района Красноярска. НПЦ МГД занимается исследованиями и производством нового оборудования для металлургической отрасли. Среди клиентов — РУСАЛ, Казахстанский электролизный завод, армянская компания «Арменал» и многие другие; 10 % всего мирового алюминия производится на оборудовании, разработанном в красноярской компании.

Между тем, многие инновационные идеи предприятие берет с уже упомянутой кафедры электротехники. Нашими собеседниками стали профессор кафедры Максим Хацаюк и ассистент Алексий Максимов — оба успели в свое время получить грантовую поддержку своих исследований и сейчас работают над дальнейшим воплощением своих замыслов, а также идей коллег.

Например, проект Максима Хацаюка назывался «Индукционная единица с тороидальным каналом эллиптического сечения». «Индукционными единицами» называют электропечной трансформатор с каналом, по которому течет расплавленный индукционным нагревом металл. Однако, в промышленности долгое время возникала проблема: этот самый канал со временем закупоривался металлом, создавая проблемы в использовании. Проект Максима предлагал решить эту проблему за счет своеобразной формы канала.

«Была выдвинута гипотеза — если делать канал тороидальным, с эллиптическим сечением, появляется транзитное течение через канал. Проект я делал в 2012-2013 годах, еще до защиты кандидатской. Он был одним из тех, что выходят за черту по инвестированию, из-за больших рисков. Ни крупные промышленные предприятия, ни инжиниринговые компании не готовы финансировать проекты на данной стадии, нужна была дополнительная поддержка. Изначально получал грант УМНИК, но в рамках его одного невозможно вырастить идею до промышленного образца... Поэтому есть другие гранты — „СТАРТ“, „Экспорт“ и так далее. В последующем, к данной работе присоединились коллеги, а сам проект получил дополнительную финансовую поддержку от частных инвесторов. В итоге , дальнейшее развитие привело к появлению опытно-промышленного оборудования, которое эксплуатируется на литейном производстве в НПЦ МГД, демонстрирует обнадеживающие результаты и имеет большие перспективы для металлургии», — рассказывает Максим Хацаюк.

Одним из таких проектов стала работа нынешнего ассистента кафедры Алексия Максимова — в перспективе, она способна изменить титановое производство и сделать изделия из этого материала более доступными.

Плавить титан... Внутри титана

В науке порой получается так, что человек начинается заниматься тем или иным исследованием не потому что еще со студенчества горел данной идеей — а потому что под данную задачу его навыки подходят лучше всего. Проект Алексия Максимова называется «Безвакуумная плавка цилиндрических титановых заготовок индукционным способом», другое название — «Безтиглевая плавка титановых заготовок»... но заниматься этим проектом он начал, потому что уже достаточно хорошо знал компьютерные технологии и программирование.

Идея получать жидкий металл внутри титановой заготовки появилась совершенно случайно. В 90-е на одном из предприятий произошла авария, в ходе которой из нагретой заготовки вдруг полился жидкий металл. Случившимся заинтересовался профессор Виктор Демидович из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета. Он первым и решил найти способ плавить титан внутри самого титана.

Дело в том, что сегодня любые исследования в технических областях немыслимы без предварительного математического моделирования и построения, так называемых компьютерных моделей. Сегодня инженеру без высокого уровня владения вычислительной техникой и навыков программиста практически невозможно построить успешную карьеру. У Алексия навыки программиста были довольны высоки — поэтому он начал работать с математической моделью индукционной плавки внутри титановых заготовок, получил грант УМНИК в 2015 году и сейчас заканчивает кандидатскую диссертацию по смежной теме.

Идея в следующем. Сейчас для плавки титана применяются крупные и энергоемкие вакуумные установки. Чтобы качественно расплавить цилиндрическую заготовку высотой, скажем, 8-10 сантиметров — нужна вакуумная установка с объемом до 2 кубических метров. Амортизация дорогостоящего сопроводительного оборудования и его узлов закладывается, само собой в цену конечного изделия, как и затраченная на работу электроэнергия. Именно поэтому конечные титановые изделия получаются сравнительно дорогими, при невысокой первичной стоимости самого материала. А ведь это очень нужный металл — из него делаются хирургические и стоматологические инструменты, а также протезы; его используют в авиации, ракетостроении и военной промышленности. А значит, почему бы не найти альтернативный способ плавки, который не будет таким дорогим?..

«Суть в том, что мы доводим титан до жидкого состояния, без вакуумной установки. По мере нагрева внутри заготовки появляется жидкая фаза, снаружи титан остается в твердом состоянии. С другими металлами это практически невозможно —титан обладает удачной совокупностью физических свойств, низкая теплопроводность сочетается с высокой температурой плавления в 1600°C при сохранении прочности. Реализуя грант УМНИК, мы исследовали, при каких условиях можно плавить титан так, чтобы стенки заготовки оставались без разрушения достаточно тонкими. Теперь думаем над литейной установкой для получения конечного продукта. Задача сложная, по большей части конструкторская, но мы приближаемся к решению», — рассказывает Алексий Максимов.

Получить первые гранты, тот же УМНИК, не составило труда. Экономический эффект в данном случае очевиден: получать аналогичные или новые изделия, тратя значительно меньше как на оборудование, так и на электроэнергию.

Единственным минусом может стать некоторая потеря в качестве изделий. Титан плавят в вакууме, чтобы он не взаимодействовал с кислородом. При плавке внутри заготовки взаимодействие с кислородом исключается, но это может произойти при литье. Однако потенциальная выгода перевешивает данный риск.

УЗИ жидкого металла — проведение ультразвуковой допплерографии МГД-процессов

Где взять деньги?

Зачастую ученым приходится заниматься не тем исследованием, которым хочется — а тем, на которое можно получить финансирование в данный момент. Скажем, гранта УМНИК хватило для адаптации математических моделей под процесс безтигельной плавки титана, анализа и поиска условий стабильного и оптимального протекания процесса, а также проведения небольших базовых экспериментов на физических моделях. Но сегодня чтобы создать опытно-промышленный образец, 500 000 рублей, предоставляемых грантом, будет недостаточно даже для приобретения генератора достаточной мощности. Эта проблема, к сожалению, актуальна практически для всех исследований в области машиностроения и энергетики — заводы не хотят инвестировать в инновации, инжиниринговые компании не могут, отраслевых институтов не осталось...

КГАУ «КРИТБИ»
Резиденты бизнес-инкубатора КРИТБИ получают широкий комплекс услуг: это бухгалтерское и юридическое сопровождение, упаковка бизнес-проекта, инжиниринговая поддержка, сертификация и стандартизация высокотехнологичной продукции.

Узнать дополнительную информацию по получению статуса резидента КРИТБИ для предпринимателей можно в Проектном офисе КРИТБИ по телефону +7 (391) 201-77-77 и почте sei@kritbi.ru
Куратор программы «УМНИК»: eub@kritbi.ru
Адрес: Красноярск, пр. Свободный, 75
Тел.: +7 (391) 201-77-77
Сайт:
kritbi.ru
Соцсети: vk.com/kritbi_krsk
facebook.com/kritbi
instagram.com/kritbi

«Как правило, объем финансирования УМНИКа позволяет покрыть первичные теоретические исследования и разработку рекомендаций к проектированию. Конечно, есть проекты, в рамках которых нужно собрать небольшой прибор или вообще не требуется материальный результат — здесь средств УМНИКа достаточно. В нашем случае, в последующем, помог грант РФФИ, на деньги которого было куплено довольно дорогостоящее оборудование: среднечастотный управляемый генератор средней мощности и изготовлена необходимая конфигурация колебательного контура. Также компанией НПЦ МГД были предоставлены промышленные площади, позволяющие проводить высокотемпературные эксперименты, энергоресурсы достаточной мощности, теплоизоляционные и огнеупорные материалы, необходимое измерительное оборудование и оборудование для абсорбционного жидкостного охлаждения.

Сейчас мы готовы начать промышленное проектирование, для чего необходимо привлечение конструкторского бюро и хороших специалистов в области автоматики. В любом случае, перед началом проектирования, нужно обобщить полученные результаты и запатентовать выявленные зависимости и особенности процесса. Скорее всего, следующим шагом будет получение гранта „СТАРТ-1“ на создание такого образца оборудования. Плюс в том, что оборудование у нас относительно мобильное, до 50 кВт, и его не нужно внедрять на крупные заводы. Но нужен инвестор, поскольку второй год гранта „СТАРТ-1“ идет в формате софинансирования. К счастью, инвестор уже есть...», — рассказывает Максим Хацаюк.

По итогу, ученым приходится переключаться с одного исследования на другое. Порой потому, что для одного проекта пока нет финансирования, а для другого — уже нашлось. Например, сейчас на кафедре, совместно с НПЦ МГД и сотрудниками Санкт-Петербуржского электротехнического университета, занимаются другим проектом: электротермическим оборудованием, связанным с технологией прокалки катализаторов нефтехимии, для металлургии драгоценных металлов.

Предполагается перейти на электромагнитный способ нагрева — в нем не нужен дорогостоящий нагревательный элемент с ограниченным сроком службы. Серьезная проблема действующего оборудования по прокалки гидроксида алюминия: оно слишком часто выходит из строя. Нагревательные элементы, работая при критических температурах, перегорают и приходится, зачастую после непродолжительного времени работы, закрываться на долгий и дорогой ремонт. Красноярские ученые предложили проект альтернативного оборудования — но для воплощения технического решения также требуется проведение исследований и дополнительное финансирование. Поэтому было решено подать заявку на грант «СТАРТ-1».

Ориентироваться в различных грантовых программах ученым помогает Красноярский инновационно-технологический бизнес-инкубатор.

«КРИТБИ помогает решать вопросы, которые возникают при подаче заявки. Они аккумулируют у себя всю информацию о грантах, чтобы нам самим не пришлось долго выяснять, у какой программы поддержки какие предусмотрены условия и этапы, помогают в части коммуникации с фондом и консультировании по общим вопросам. Как специалисты, они также могут подсказать, как можно усилить проект с экономической точки зрения», — говорит Максим Хацаюк.

По итогу, остается только пожелать красноярским ученым успеха и хорошей грантовой поддержки: у них множество идей, которые порой сдерживаются финансовыми ограничениями. Впрочем, учитывая, что НПЦ МГД является давним спутником кафедры Электротехники и когда-то тоже начинал с грантовых программ, а сегодня является одним из лидеров своей отрасли — есть уверенность, что и эти задумки молодых ученых в будущем воплотятся в полном объеме.

Андрей Медведев, специально для интернет-газеты Newslab,
фото Алины Ковригиной

Рекомендуем почитать