Сибирский федеральный университет

Электромагнитная система перемешивания

В СФУ разработана электромагнитная система перемешивания жидкой сердцевины кристаллизующегося слитка-LHMS (Liquid Heart Metal Stirrer), предназначенная для установки в стандартные литейные машины вертикального литья. Система включает в себя индукторы (магнитогидродинамические перемешиватели), многофазные источники питания и уникальную экономичную технологию, которая позволяет комплексно решать задачи, возникающие в процессе производства многокомпонентных алюминиевых сплавов с высокой добавленной стоимостью. Применение технологии перемешивания жидкой сердцевины алюминиевого слитка позволяет получить дополнительный доход на один кристаллизатор до 3 млн. евро в год и обеспечить окупаемость оборудования за 2-3 месяца.

Суть технологии

МГД-перемешиватель монтируется в шахту существующей литейной машины с обеих сторон отливаемого слитка. Для установки индукторов необходимо только осуществить монтаж опорной рамы или специальных кронштейнов над шахтой, закрепить индукторы и осуществить регулировку их положения. Суть технологии заключается в воздействии бегущего электромагнитного поля, создаваемого индукторами в процессе его литья.

Кристаллизация алюминиевого расплава осуществляется в виде большого слитка в кристаллизаторе скольжения со скоростью от 10 до 60 мм/сек. Наличие интенсивного перемешивания в жидкой сердцевине обеспечивает высокую однородность по температуре и химическому составу по всей области жидкой сердцевины в процессе литья, что приводит к однородной качественной структуре слитка по всему сечению. Эффективное перемешивание жидкой сердцевины слитка в процессе его кристаллизации также позволяет существенно повысить его качество. При создании управления движением металла в жидкой фазе, оно позволит эффективно воздействовать на дендритную структуру кристаллизующегося слитка и значительно увеличит теплоотдачу от жидкой фазы материала. Движение жидкого металла способствует ускорению процесса затвердевания и увеличению скорости отливки, обеспечивает однородность структуры заготовки по химическому составу и физическим свойствам.

Уникальность

Применение данной технологии позволяет производителям алюминиевых сплавов улучшить структуру и химическую однородность слитка, а также изготавливать крупногабаритные слитки из новых видов сплавов, недоступных ранее. Также данная технология позволяет отливать более крупные слитки. Система помогает устранить дефекты в слитках за счет управления процессом кристаллизации, что особенно актуально для авиационных сплавов серий 2xxx, 7xxx, Al-Li, а также сплавов для судостроения 5ххх.

Система LHMS предназначена для зарубежных и отечественных производителей и алюминиевых слитков, а также изделий из них для авиа-, автомобиле-, судо- и машиностроения.

Уникальные характеристики получаемых слитков на сегодняшний день вызывали активный интерес к оборудованию со стороны ведущих зарубежных компаний — Alcoa, Alcan, AlbaBahrain, Chalco, Hydro, BHP Billiton, Dubal, Century Aluminium, Constellium Novelis и др. Российские компании, такие как ОАО «РУСАЛ», ОАО «КУМЗ», также проявляют интерес к разработке и, как ожидается, будут одними из первых использовать возможности новой технологии.

Инвестиции

Общая сумма инвестиций составила более 20 млн. рублей. Ключевое финансирование разработки осуществлялось при помощи Сибирского федерального университета, также поддержку проекту оказали программы фондов ККФПНиНТД, Содействия инновациям. Компания является резидентом фонда «Сколково». Требуются инвестиции в размере 60 млн. рублей с целью изготовления и поставки двух систем для заказчиков на территории Российской Федерации и Европейского Союза.

Конкурентные преимущества

Ключевым преимуществом LHMS является широкое и комплексное решение всех задач, поставленных потребителем: повышение качества слитков, снижение энергопотребления и рост производительности с помощью одной единицы оборудования со сравнительно низкой стоимостью и минимальными операционными затратами. Данная технология не имеет аналогов на мировом рынке и апробирована в промышленной эксплуатации.

Технология и оборудование МГД- перемешивания жидкой сердцевины крупногабаритного алюминиевого слитка, в отличие от аналогичных технологий, позволяет достичь следующих результатов:

• сокращение времени цикла отливки слитка до 40 %;
• увеличение скорости литья на/до 85 %;
• выравнивание химического состава по сечению слитка, что приводит к снижению процента брака при дальнейшей прокатке и обработке слитков на 10-90 % или устраняет его вовсе (в зависимости от типа сплава);
• устранение трещин и пористости;

• сокращения отрезаемых зон донника и усадочной раковины на 50 %, что с точки зрения экономической эффективности гарантирует экономию до 12 млн рублей в год на одну литейную установку/один комплект оборудования (в зависимости от типа сплава);
• снижения макросегрегации на 55 % и мезосегрегации на 50 %, что в дальнейшем исключает возможность возникновения дефектов при прокатке/обработке и в конечной продукции;
• возможность отливать новые сложные многокомпонентные сплавы в форме крупногабаритных слитков с толщиной до 1 метра и недоступные для отливки ранее — сплавы АlLi, 2ххх, 5ххх, 7ххх (с содержанием Zn до 11 %);
• отсутствие непосредственного контакта между индуктором и слитком.

Помимо данных преимуществ технология LHMS также обладает рядом отличительных особенностей, среди которых можно выделить гибкость настроек в зависимости от типа сплава, сравнительно низкое энергопотребление, компактность, простоту монтажа и возможность создавать более 150 типов потоков (режимов).

Технические характеристики продукта

• Активная мощность одного индуктора (кВт) — 15.
• Вес (кг) — 2800.
• Габаритные размеры одного индуктора (длина/ высота/ширина, мм.) — 2086/1402/334.
• Количество независимых электрических фаз, регулируемых по току, частоте, фазе — 6.
• Рабочая частота (Гц) — 0.05 ÷ 6.
• Зазор между слитком и индуктором (мм) —150.

ООО «УниМет» создала и запатентовала технологию перемешивателя жидкой сердцевины слитка, были разработаны и апробированы физические (лабораторные) модели технологии, а также разработан, изготовлен и испытан промышленный образец оборудования.

Для продвижения и реализации разработанной технологии и оборудования на рынках ЕС и США Сибирским федеральным университетом была создана компания Altek MHD ltd.

В период с 2014 по 2016 год на производственных площадях заказчика в Швейцарии команда разработчиков оборудования ООО «УниМет» провела испытания промышленного образца оборудования, целью которых являлось подтверждение возможностей технологии по устранению дефектов в слитках и последующих дефектов в изготавливаемых из них деталях для AirBus.

Стратегия продвижения

Компанией была реализована масштабная маркетинговая кампания, в ходе которой технология перемешивателя жидкой сердцевины алюминиевого слитка была представлена на международных и российских выставочных мероприятиях, а также проведены переговоры с потенциальными заказчиками. Планируется производить от 2 до 6 комплектов оборудования в год, уже имеются соответствующие договоренности с потенциальными заказчиками. Запуск серийного производства электромагнитных систем LHMS для установки в стандартные литейные машины вертикального литья планируется в 2017 году.

Результаты были представлены:

• Aluminium — 7–9 октября 2014 года, Дюссельдорф, Германия;
• Красноярский экономический форум — 27 февраля – 1 марта 2015 года, Красноярск, Россия;
• TMS The Minerals, Metals and Materials Society — 16–18 марта 2015 года, Орландо, США;
• Aluminium China — 12–14 июля 2016 года, Шанхай, Китай;
• Aluminium — 29 ноября – 1 декабря 2016 года, Дюссельдорф, Германия.

Защита интеллектуальной собственности

Патент № RU 2457064 C1 и WO 2012118396 на «Способ и устройство непрерывной разливки алюминиевых сплавов». Правообладатель: СФУ.

Заявка PCT/IB2014/060273 — «Improvements in and relating to apparatus and methods, номер заявки: в ЕС — EP14721511.5, в США — US-14/780,796, в России — RU-2015146402, в Китае — CN 49360250. Права принадлежат ООО «УниМет» и коллективу авторов.

В настоящий момент работа по защите результатов интеллектуальной деятельности продолжается, планируется подача новых заявок, патентующих различные аспекты технологии.

• Павлов Евгений Александрович
  генеральный директор
• Иванов Дмитрий Николаевич
  коммерческий директор