Производство алюминия и ультразвук как средство обнаружения включений

Литейные цеха работают в экстремальных условиях. Работа с жидким металлом требует гибкости и устойчивости как от людей, так и от машин. С учетом этих сложных условий группе исследователей из института Fraunhofer IZFP было поручено разработать новую измерительную систему для клиентов из алюминиевой промышленности, чтобы они могли обнаруживать загрязняющие включения в расплавленном металле. Чистота расплавленного металла, температура которого колеблется от 600 до 800 градусов по Цельсию, имеет огромное значение для качества конечного продукта. Например, любые керамические частицы, которые могут присутствовать в расплаве, не переходят в жидкое состояние, пока не достигнут температуры 2000 градусов или более, и они остаются в готовом изделии в виде включений, если их намеренно не удалить.

Это может привести к появлению трещин и отверстий, а в худшем случае к выходу из строя изготовленного компонента, говорит Томас Вашкис, главный научный сотрудник Fraunhofer IZFP по физике датчиков.

С самого начала он руководил проектом совместно со своей коллегой Андреа Мросс, которая сейчас работает в области стратегического и исследовательского программирования в институте в Саарбрюккене.

После стали алюминий является наиболее широко используемым металлом в мире. Он играет важную роль в обеспечении климатической нейтральности благодаря ряду факторов, в том числе благодаря его использованию в облегченном строительстве. Кроме того, для его переработки требуется мало энергии, поэтому он является важнейшим элементом экономики замкнутого цикла.

На рынке уже имеются различные измерительные системы для контроля качества при работе с расплавленным алюминием, однако они дороги, ими могут управлять только специально обученные специалисты. Или их использование требует больших временных затрат. Поэтому возможны только выборочные проверки.

Это означает, что отрасли нужна недорогая система, которой можно управлять без специальных знаний, которая быстро выдает конечные результаты и которая может гибко использоваться в литейных цехах.

Это послужило основой для идеи, родившейся в Институте физики и технологий имени Фраунгофера. Речь идет о создании мобильной ультразвуковой системы измерения характеристик расплавленного алюминия.

Был запущен проект AloX, название которого произошло от слов «алюминиевый расплав» и «оксидные включения». Принцип работы системы можно описать с помощью повседневной аналогии.

Это очень похоже на датчик парковки в автомобиле. Система, погруженная в расплавленный металл, передает сигналы, которые затем отражаются от отражателя.

Если какие-либо частицы, то есть загрязняющие вещества, проплывают мимо, возникает тревожный сигнал», объясняет Андреа Мросс. Эти сигналы позволяют непосредственно на производственном участке принимать меры для обеспечения качества.

Сложность разработки системы заключалась прежде всего в экстремальных условиях, преобладающих в литейных цехах, где она будет использоваться. Раскаленный расплавленный металл излучает большое количество тепла, воздействуя не только на саму систему, но и на весь несущий узел.

Расплавленный алюминий также оказывает сильное коррозионное воздействие на металлические материалы. Тесно сотрудничая с представителями отрасли, команда в конечном итоге разработала первоначальный прототип.

На данный момент также запатентован механизм смены ультразвуковых волноводов, изготовленных из титана. В настоящее время команда работает над решением AloX 2.0, которое было дополнительно оптимизировано по сравнению с первой версией. Но один фактор остался прежним. Почти все компоненты были разработаны внутри компании Fraunhofer IZFP.

От ультразвуковых датчиков до программного обеспечения для анализа, электроники и механики корпуса, AloX представляет собой комплексное решение от одного производителя, говорит Андреа Мросс.

Следующим шагом исследователей станет широкое промышленное применение системы, первоначально в производстве алюминия. Однако возможны и другие потенциальные применения, например, для контроля качества других типов расплавленного металла.