Солнечная металлургия

20/01/2014 2:58pm

Автор: Владимир ОТРОЩЕНКО

Категории: Технологии металлургии

Человек живет нуждами своими. На железе все стоит. Не на мечах, а на железе.
Павло Загребельный

Современная «классическая» металлургия весьма консервативна. Методы выплавки стали и чугуна придуманы десятки веков назад, а прокатка различных профилей уже полтораста лет не претерпевает сколь-нибудь революционных изменений.

Но наука о металлах не стоит незыблемо наподобие тысячелетней железной колонны в Индии, а даже мелкими шажками, но движется вперед. И хотя каждый шаг вроде бы невелик, но сулит в перспективе, близкой или дальней, прямо-таки кардинальные перемены в индустрии. Как бы ни были хороши и увлекательны IT-технологии и прочие нанопридумки – металлы никто не отменял и никогда не заменит.

 

 

Современная электропечь для получения кремния


Сталевар по имени Солнце

Черная металлургия накануне технологической и экологической революции! А все потому, что изобретен революционный способ получения железа, обещающий цивилизации лишиться громадных выбросов парниковых газов, неизменно присущих этому процессу. До сих пор основным методом получения чугуна и стали остается плавление железных руд в домнах при очень высоких температурах. При этом в атмосферу Земли ежегодно выбрасывается 6,8 трлн т углекислого газа. Но вот профессор Университета Джорджа Вашингтона (США) Стюарт Лихт изобрел метод плавки железа с использованием энергии Солнца.

Стюарт Лихт и его коллега Ван Бао из Северо-Восточного университета в Дацине (Китай) разработали процесс, исключающий выброс CO2 в атмосферу. Для инновационного получения железа они предложили термо-электрохимический процесс (STEP). Ученые показали, что железную руду, будь то гематит или магнетит, можно плавить в растворе карбоната лития при куда более низких температурах — порядка 800°C. Такой температуры можно достичь, используя сфокусированные лучи Солнца.

По сути, учеными впервые изобретен преобразователь солнечной энергии со 100-процентным КПД: свет нагревает расплав, а та часть энергии, которую удается преобразовать в ток фотоэлектрическим методом, идет на электролиз. Открытие STEP-процесса стало итогом более чем 20-летней работы профессора Лихта. Год назад он показал, что STEP-технологию можно использовать для утилизации углекислого газа и получения углеводородного топлива. По оценкам ученых, новое применение технологии STEP позволит снизить объемы выбрасываемых парниковых газов на четверть.

Используя электроток, полученный от солнечных батарей, ученые предлагают затем расщеплять расплав на ионы железа и кислорода. Так, ионы Fe и O осядут на электродах, а углекислый газ не будет загрязнять атмосферу. «Использование STEP-процесса окажется эффективным. Это позволит размещать сталеплавильные заводы в новых географических положениях, в том числе близко к крупным городам и в районах с солнечным климатом», — убежден Лихт.

«Если STEP-процесс удастся реализовать в широких промышленных масштабах, его ждет достойное будущее», — пояснил Нил Вудбери, эксперт по возобновляемым источникам энергии из Университета Аризоны.


Взболтать, но не перемешивать!

Да, жидкий металл может перемешиваться сам! Впервые в расплаве металла экспериментально зафиксировано явление, предсказанное еще в 1979 году. Все это время ученые регистрировали только косвенные признаки объединяющего несколько областей физики интересного эффекта, а вот успеха добилась группа исследователей из университета штата Иллинойс.

Специалистам посчастливилось наблюдать, как действуют в жидком металле термоэлектрические магнитогидродинамические потоки (TEMHD). Они возникают в расплаве металла при взаимодействии градиента температуры, электричества и магнитного поля, и в результате жидкость приходит в движение. Ученые использовали расплав лития: металл поместили в контейнер из нержавеющей стали с площадью дна около 10 см2, глубина слоя лития составила порядка 1 см. Потом находящийся в магнитном поле контейнер с жидким металлом обстреляли направленным пучком электронов, добиваясь большой разницы температуры в определенных точках жидкости.

Литий, этот легчайший элемент, имеет сильные термоэлектрические свойства: разница в температуре разных его слоев и имеющейся подложки привела к возникновению внутри жидкости электрического тока, который замкнул свое кольцо через металлическое дно чаши. В результате взаимодействия этого тока и внешнего поля возникали силы, закручивающие расплавленную массу по часовой стрелке.

Сначала предполагалось, что явление перемешивания вызвано разницей сил поверхностного натяжения в различных местах расплава из-за все того же градиента температур (так называемый эффект Марангони). Более тщательное исследование, однако, убедило ученых, что он ни при чем. Зато объяснить движение можно с помощью TEMHD. Ученые полагают, что TEMHD-потоки найдут широкое применение как в металлургии, так и в термоядерных реакторах будущего.

 

 

Наношарики из золота


Золотой, гибкий, проводящий

Да, американцев в научных исследованиях не остановить и не превзойти! Даже британским ученым. Так, физики из университета штата Мичиган в городе Энн-Арбор (США) создали особый тип проводника из наношариков из золота и полиуретана, способный растягиваться в 4—5 раз при сохранении электропроводности. Новый материал послужит основой для гибких мобильных телефонов, планшетов и других приборов.

«По своей сути наш материал ведет себя как эластичный металл, — поясняет Николай Котов, руководитель научной группы. — При этом он лишь первый представитель этого нового семейства проводников, которые можно изготавливать из самых разных наночастиц для любых целей. Когда мы растягиваем наш провод­ник, наночастицы золота перераспределяются, поддерживая его проводящие свойства, что объясняет удивительную комбинацию из высокой гибкости и проводимости».

Котов и его коллеги изобрели принципиально новый тип сверхгибкого металла, анализируя плюсы и недостатки различных методик их создания, к примеру «змеек» из нанопроволоки. Они обратили внимание на, казалось бы, самый неудачный вариант — комбинацию из гибкой полимерной матрицы и заключенных в нее наночастиц металла.

Физики предполагали, что такой материал будет крайне плохо проводить ток из-за сопротивления на границах между металлическими наносферами. Но эта конструкция обладает и особыми плюсами: она умеет хорошо растягиваться, и при этом наночастицы в ней могут менять свое положение, что улучшает ее проводящие свойства при деформации. Ученые на практике сравнили эти «плюсы» и «минусы», собрав несколько таких проводников из наношариков золота и полиуретанового наполнителя.

К удивлению исследователей, этот материал неплохо проводил ток — на уровне металлических дорожек в современной электронике и мог растягиваться в 4—5 раз без снижения своих качеств. По словам Котова и его коллег, это позволяет использовать такие материалы в качестве основы для гибкой электроники и проводников в кардиостимуляторах и протезах, где нужна высокая гибкость. «За гибкими устройствами будущее — это верно, но эта гибкость будет не снаружи, а внутри наших устройств», — говорит ученый.


Металл заживляется сам

В научно-фантастических фильмах не раз показывали, как затягивались раны уже, казалось бы, совершенно побежденного киборга (варианты: монстра, воина в волшебных доспехах и пр.). Совсем ли это фантастика? И да, и нет, и это уже достаточно долго обсуждается (но пока не продается, даже и не ждите). Речь идет о самовосстанавливающихся материалах, работающих по принципу: если сам не позаботишься о себе, то кто же еще это сделает?

Самовосстанавливающиеся материалы способны частично или полностью регенерировать причиненные им повреждения, например образовавшиеся трещины. Такие материалы открыли бы огромные возможности, особенно в тех случаях, когда в труднодоступных зонах необходимо обеспечить надежность материалов на как можно более длительный срок.

Кроме того, «самозаживление» было бы идеально для материалов, склонных к повреждениям, например для поверхностных покрытий. Для инженерных целей разрабатываются различные стратегии и подходы в создании регенерирующихся материалов. Исследования проводятся, в частности, для металлов, керамики и полимеров в России, ФРГ и в тех же Штатах.

 

 

Самовосстановление трещин в никеле

 

Вот и выяснилось: даже металл может самозаживляться, затягивая свои микротрещины. Материаловеды из Массачусетсского технологического института установили такую их способность при определенных условиях. Ученые проводили эксперименты с образцами никеля, содержащими микротрещины. Образцы подвергали растяжению, которое теоретически должно было привести к его разлому. Однако вместо этого трещины смыкались, происходило самовосстановление металла.

Эффект наблюдали аспирант Сю Гоцян и профессор кафедры материаловедения и технического проектирования Майкл Демкович. Необычное поведение металла требовало объяснения с физической точки зрения. Ученые решили выяснить, как в кристаллической решетке металла границы зерен взаимодействуют с трещинами. Предпринятое исследователями компьютерное моделирование показало, что в отдельных случаях растяжение может менять структуру металла и вызывать миграцию границ зерен. Перемещение границ зерен, по мнению ученых, и дает разгадку самовосстановления трещин.

Гоцян и Демкович выяснили, что обусловленное этим эффектом самовосстановление металла происходит только при одном условии. А именно при наличии дисклинации — дефекта, при котором образуется упругое искажение кристаллической решетки, связанное с поворотом одной части кристалла относительно другой и вызывающее изменение взаимного расположения атомов и симметрии кристалла.

Интенсивное поле напряжения, возникающее при дисклинации, может при определенных условиях действовать обратно эффекту приложенной силы. То есть если растянуть края трещины в металле с таким дефектом в разные стороны, то трещина не увеличится, а исчезнет. Как отмечает М.Демкович, эффект самозатягивания трещин может использоваться в авиации, при бурении нефтяных скважин и в других областях промышленного производства, а также бороться с усталостью металлов, пред­отвращать формирование нано- и микротрещин и «залечивать» их.

 

Источник: "Украинская техническая газета"


Презентация

Контакты

 

 

Контакты

[email protected]

[email protected]

 г. Днепр

тел. +38 (056) 794-36-74

факс. +38 (056) 794-36-75

моб. +38 (050) 320 69 72

ISSN 20760507

Руководитель проекта - Гринев Владимир Анатольевич

Партнеры