Металл в невесомости: как новосибирские учёные моделируют плавку будущего
В Новосибирском государственном техническом университете НЭТИ разработана математическая модель левитационной плавки металлов – технологии, позволяющей расплавлять заготовки без контакта со стенками печи за счёт электромагнитного поля.
Главное преимущество подхода в уменьшении загрязнения расплава материалами тигля, сокращении потерь металла и повышении однородности сплавов. Однако управление таким процессом очень сложная инженерная задача: электромагнитное поле влияет одновременно на нагрев, движение и форму жидкого металла, а изменение одного из этих параметров может нарушить устойчивость всей системы.
Тандем аспирант + преподаватель
Аспирант кафедры автоматизированных электротехнологических установок НГТУ НЭТИ Максим Андреев под руководством старшего преподавателя Андрея Морева разработал двумерную математическую модель в программном комплексе ANSYS. Модель позволяет рассчитывать распределение электрического тока, силы Лоренца, температурное поле, движение жидкого металла и форму поверхности расплава.
Дополнительно исследователь предложил алгоритм объединения электромагнитных и теплогидродинамических расчётов в единую связанную магнитогидродинамическую задачу. Такой подход позволяет изучать взаимодействие нескольких физических процессов и подбирать параметры будущих плавильных установок.
На пути к полной автоматизации металлургии
На сегодняшний день исследователи представили только расчётный метод. В исходной публикации отсутствуют количественные показатели снижения энергопотребления или повышения качества продукции, но их можно рассматривать как потенциальные эффекты будущего внедрения. С помощью нового подхода предприятия смогут сократить технологические отходы, уменьшить износ оборудования и повысить стабильность характеристик продукции.
В перспективе повышение качества, например, алюминиевых сплавов может оказаться полезным для производства автомобилей, авиационной техники, электронного оборудования. А для российской ИТ-отрасли исследование представляет интерес в контексте развития промышленного программного обеспечения, математического моделирования и автоматизации металлургического производства.
Интерес к цифровому моделированию плавки
Разработка НГТУ – часть системной работы российских учёных над цифровым моделированием металлургических процессов. В последние годы этой темой занимались специалисты сразу нескольких вузов. В апреле 2024 года в журнале «Электричество» опубликована работа Виктора Демидовича, Виктора Тимофеева и Михаила Хацаюка, посвящённая моделированию процессов плавки и литья лёгких сплавов в электромагнитном поле. В марте 2025 года специалисты Санкт-Петербургского горного университета Александр Кульчицкий и Владимир Пайор представили численную модель для анализа электромагнитного поля при плавке металлов во взвешенном состоянии. В 2026 году Владимир Новиков – аспирант кафедры автоматизации производственных процессов в металлургии Института цветных металлов Сибирского федерального университета опубликовал работу, посвящённую повышению безопасности полунепрерывного литья алюминиевых слитков за счёт внедрения цифровой модели.
Ограничения и перспективы
Эксперты отмечают, что для перехода от научной модели к готовым технологическим продуктам необходимо решить несколько задач: увеличить объём металла, который можно устойчиво удерживать во взвешенном состоянии, обеспечить высокую точность управления электромагнитным полем, снизить энергозатраты на нагрев и поддержание левитации, проверить численные модели при переходе к промышленным масштабам и сравнить экономическую эффективность с существующими методами плавки.
В ближайшие годы можно ожидать дальнейшего совершенствования численных моделей металлургических процессов. Для НГТУ наиболее вероятным направлением станет адаптация разработанного метода к другим металлам и увеличение расчётного объёма расплава. Следующим важным этапом может стать создание трёхмерной модели и её проверка на действующем экспериментальном оборудовании.
От компьютерного моделирования к технологиям
Российская металлургия постепенно расширяет использование цифровых технологий для моделирования и управления сложными производственными процессами. Исследование НГТУ НЭТИ демонстрирует возможности математических методов при решении одной из наиболее трудных задач бесконтактной плавки – прогнозировании поведения металла под одновременным воздействием электромагнитных сил и тепловых процессов.
Далее необходимо превратить результаты компьютерного моделирования в технологию, которая обеспечит стабильное качество металла, снижение производственных потерь и экономически оправданную работу оборудования. Именно подтверждение этих преимуществ в реальных условиях определит значение разработки для российской металлургии и технологий производства высококачественных сплавов.
