Научный задел. Металлургическая промышленность является одной из базовых отраслей мировой экономики. Спрос на металлургическую продукцию уверенно растет на протяжении нескольких десятилетий. Крупнейшими потребителями металлов являются следующие отрасли: строительство, машиностроение и радиоэлектронная промышленность.

Ученые Санкт-Петербургского Горного университета уделяли внимание изучению процессов индукционного нагрева металлов и построения численных моделей процесса плавлении заготовок в магнитном поле. В работах “A combined method of simulation of an electric circuit and field problems in the theory of induction heating” и “Simulation of induction heating of a ferromagnetic plate with a covering inductor” приведены результаты численных экспериментов, выполненных в программных пакетах Ansys Maxwell для процесса индукционного нагрева металлов . Актуальное состояние научных исследований в области технологий электромагнитного нагрева металлов приведено в обзоре “Recent scientific research on electrothermal metallurgical processes ”, опубликованном в журнале “Записки Горного института” в 2019 году.

Текущее состояние. Помимо роста спроса на рынке цветных и черных металлов, важным фактором, оказывающим давление на всю металлургическую промышленность, становится общемировая тенденция к снижению выбросов парниковых газов и уменьшению углеродного следа. Принимаемые меры по регулированию углеродной политики также вносят коррективы в долгосрочную стратегию развития металлургического сектора.

Совокупность вышеперечисленных факторов является движущей силой к внедрению лидирующими металлургическими компаниями новых технологий производства и обработки металлов с учетом возникающих энергетических затрат и воздействий на окружающую среду, обеспечивая при этом стабильные непрерывные поставки продукции в условиях растущего спроса. Растущая потребность в новых материалах ставит перед металлургией задачу производства металлов и сплавов с улучшенными техническими свойствами.

Решаемая проблема. Одной из задач металлургии является получение металлов с высокой степенью чистоты. Известно, что результирующие свойства металла при плавке обычно определяются концентрацией содержащихся в нем примесей, пагубно сказывающихся на свойства конечного продукта, поэтому важно защитить расплав от примесей, которые могут образовываться в результате химических реакций с атмосферой и стенками печи, а также растворения компонентов материала тигля. Кроме того, для получения однородного материала важно обеспечить равномерное распределение легирующих компонентов в объеме расплава за определенное время (время плавки).

Методы исследования. Среди различных технологий нагрева и плавления металлических материалов в металлургической промышленности широко применяются индукционные печи, обеспечивающие бесконтактное управление перемешиванием расплавов электромагнитным полем, температурой и формой их поверхности. Вместо обычного керамического тигля для электромагнитной обработки материалов высокой степени чистоты используется индукционная печь с холодным тиглем. Область их применения варьируется от производства титановых деталей для аэрокосмической, автомобильной или медицинской промышленности до фотоэлектрической очистки и кристаллизации кремния при производстве полупроводников.

Альтернативным способом бесконтактной плавки металла является электромагнитная плавка с левитацией. Ее отличительной особенностью является то, что расплав на протяжении всего процесса плавления находится в подвешенном состоянии и не контактирует с поверхности тигля или с поверхностью нагревательных элементов. Удержание металла в подвешенном состоянии осуществляется электромагнитным полем, создаваемым переменным током в индукторе и током, индуцируемым внутри самой заготовки, которая в свою очередь, отталкивается от индуктора по закону Ампера. Как правило для электромагнитного плавления металла с левитацией используют индукторы специальных конструкций конических форм с противовитком у основания конуса. Такая конструкция индуктора позволяет создавать так называемую “потенциальную яму” в электромагнитном поле, что позволяет удерживать расплав от поперечных колебаний. Токи Фуко, наводимые индуктором в расплавляемом металле, вызывают его интенсивный нагрев с последующим плавлением. 

Результаты исследования. В настоящее время индукционная плавка металлов с левитацией применяется с большими ограничениями по массе расплава, так как с увеличением массы расплава существенно возрастает количество энергии, которое необходимо затратить на поддержание металла в подвешенном состоянии. Преимущественно сфера применения бесконтактного плавления металлов ограничена высокотехнологичным сектором, в котором требуется сверхчистый металл, производством полупроводников (в частности, монокристаллического кремния), а также для плавки, литья, легирования и рафинирования активных металлов и их сплавов, таких как скандий, иттрий, титан, молибден, уран и другие.

Процесс индукционного нагрева и плавки металлов в обычных условиях хорошо автоматизирован, а существующие алгоритмы управления позволяют контролировать скорость нагревания заготовки, поддерживать заданную температуру, управлять циклом нагрева и охлаждения, стабилизировать потребляемую мощность индуктора. Однако в случае нагрева и плавления в подвешенном состоянии задача управления усложняется необходимостью контролировать положение расплава в пространстве. Помимо этого, при работе с ферримагнитными металлами также возникает необходимость отслеживания точки Кюри и соответствующее изменение нагрузки на индуктор для стабилизации левитирующего расплава. Это обусловлено сильным влиянием ферримагнитной заготовки на колебательный контур индуктора, сдвигающей его резонансную частоту. Значение температуры в точке Кюри для различных металлов и в точке Курнакова для сплавов известны и были установлены экспериментально, однако в случае с электромагнитным нагревом из-за возникающего у поверхности заготовки скин-эффекта металл нагревается неоднородно, что искажает результаты прямых измерений температуры.

Таким образом, непосредственное измерение температуры не может являться достаточным для построения контура управления, что в свою очередь создает необходимость в построении численной динамической модели нагревания заготовки. В данном материале приведен обзор текущего состояния изученности проблематики управления процессом электромагнитной плавки с левитацией, построения ей численных моделей и применения цифровых двойников в составе промышленных и экспериментальных систем управления, в том числе в контексте оптимизации энергетический затрат.

Детали исследования. Прорывные изменения в металлургической промышленности, произошедшие в технологических развитых странах во второй половине прошлого века связаны со стремительным развитием электротехнологий. Плавка металла в электрических печах: дуговых и индукционных занимала незначительную долю среди общего числа пирометаллургических процессов. Особую роль технологии индукционного нагрева получили в непрерывных металлургических процессах прокатного производства таких как разливка металла, непрерывная термообработка, сляпав и труб, штамповка сплавов в твердожидком состоянии. Все вышеперечисленные технологические процессы в настоящее время достаточно широко распространены, отложены и стандартизированы как на отечественных, так и на зарубежных металлургических предприятиях.

Новым витком развития индукционной плавки металла стала бесконтактная плавка металла с левитацией, применяющаяся для получения сверхчистых сплавов. Отто Мук в 1923 году предложил электромагнитную левитацию металлического расплава, которую также называют плавлением в электромагнитном тигле бесконтактным способом. Он дал первое и простое теоретическое объяснение этого явления - осуществление подвешивания или левитации металла электромагнитным полем. Однако лишь 30 лет спустя появились первые работы по теории и использованию этого вида плавления. Позже появились исследования, направленные на расширение прикладных и научных функций левитационного плавления металлов и сплавов как в лабораторных, так и в полупромышленных масштабах. Последующие теоретические исследования явления электромагнитной левитации сопровождались непрерывным совершенствованием самой технологии. Так были установлены такие важные характеристики левитационного плавления как: •             Оптимальное время пребывания капли расплава металла в жидком состоянии;

•  Состав газовой среды и ее влияние на образование шлака в левитирующем расплаве;

•  Определены способы контроля температуры заготовки от температуры плавления до температуры кипения;

•  Исследована возможность применения дополнительных источников тепла для нагрева заготовки помимо самого индуктора, в том числе лазерного излучения и плазмы;

•  Изучена возможность внесения легирующих компонентов в левитирующий расплав;

•  Определено оптимальное соотношение между площадью поверхности капли расплава и ее объемом, достаточное для протекания гетерогенных реакций на ее поверхности;

•  Установлены условия достижения сверхвысокой скорости кристаллизации расплава.

Основные проблемы автоматизации левитационного плавления металлов в металлургии связаны с развитием теории и ее приложений к проблеме удержания жидкого металла в состоянии левитации, и, хотя последние десятилетия было проведено множество исследований, так или иначе связанных с изучением теоретических основ электромагнитной левитации. Значительные её преимущества по сравнению с другими методами плавки металлов не привели к быстрому распространению этого метода. Это обусловлено в том числе тем, что большинство исследований проводились без достаточного теоретического обоснования. Совсем недавно были разработаны более или менее обоснованные методы, которые могут быть использованы для оптимизации параметров установки для левитации.

Заключение. В представленном обзоре приведено актуальное состояние изученности проблем левитационной плавки металлов в электромагнитном поле. Представлены результаты литературного и патентного поиска по тематике научного исследования. Описаны существующие не решенные научные проблемы, связанные с управлением и комплексной автоматизации процесса левитационной плавки, и его адаптации к массовому внедрению в промышленность. Был проведен анализ выявленных в ходе составления научного обзора наиболее актуальных проблем, в частности в контексте энергосбережения.

Были выявлены наиболее актуальные научные проблемы развития левитационной плавки цветных и черных металлов: задачу бесконтактного определения и мониторинга температуры и формы левитирующего расплава, стабилизацию положения расплава в контуре индуктора, оптимизацию температурного режима установки магнитной левитации при прохождении заготовок из черных металлов через точку Кюри, разработка методики удержания и кристаллизации расплава в подвешенном состоянии. В качестве предполагаемы решений данных научных проблем были выделены следующие задачи:

-           Разработка системы технического зрения контроля положения расплава в индукторе и мониторинга температуры его поверхности на основе глубокой свeрточной нейронной сети, обучаемой на синтетических данных;

-           Разработка имитационной модели нагревания и плавления в электромагнитном поле заготовки из ферромагнитного металла и системы контроля прохождения точки Кюри на основе имитационной модели, рассчитываемой в реальном времени (цифрового двойника);

-           Разработка системы электромагнитного захвата для поддержания остывающего расплава в подвешенном состоянии для его охлаждения и кристаллизации при отключении силового (нагревательного) индуктора.