LU doktorants izstrādā inovatīvu tehnoloģiju alumīnija ražošanai

Latvijas Universitātes Zinātņu mājas pagrabstāvā – vienā no Reiņa Baranovska darbvietām – notiek mazāk bīstami eksperimenti, taču Salaspilī, LU Fizikas institūta telpās, zinātnieks strādā ar simtiem grādu karstu alumīniju un sprādzienbīstamo nātriju. Doktorantam ikdienas darbā nākas būt piesardzīgam, izmantojot bīstamas vielas: „Jā, darbs ir bīstams, bet mēs kā zinātnieki esam kvalificēti, lai veiktu tādus darbus. Es pat nevaru izcelties uz kolēģu fona, kas regulāri strādā ar lieliem tilpumiem nātrija. Nātrijs, saskaroties ar gaisu, deg, bet ar ūdeni – eksplodē. Ir lietas, ko var darīt, lai šos riskus minimizētu, – gan personāla kvalifikācijā, gan infrastruktūrā un aprīkojumā – mums ir aizsargtērpi, kas tur 500 grādu karstumu, citi speciāli rīki.”

Salaspilī bīstamākie eksperimenti notiek telpā ar nerūsējošā tērauda grīdu, lai izvairītos no nepatīkamām sekām, ja kādai vielai sanāktu izlīt. Betons, saskaroties ar karstu alumīniju, var sākt sprēgāt. „Tas nav ļoti bīstami, bet nav arī labi. Lielākajiem eksperimentiem ir zāle ar milzīgiem logiem. Ja notiek sprādziens, ir vieta, kur sprādziena vilnim aiziet,” stāsta Baranovskis. Zinātnieks atklāj, ka līdzīgi gadījumi nav notikuši, bet pētniekiem jārēķinās, ka kādreiz var tikt pieļauta kļūda, un notikt nevēlamais.

LU stipendiāts atklāj – studiju laikā LU Fizikas institūts viņam uzreiz iepaticies: “Mums bija inženierfizikas seminārs – kurss, kur tu katru nedēļu aizbrauc uz citu laboratoriju. No tā visa man visvairāk iepatikās LU Fizikas institūts, kas atrodas Salaspilī. Patika tieši praktiskā puse. Tur bija milzīgas mašīnas, tonnīgi magnēti... Nav tā, ka tikai ar mazu mēģeni un pipetīti jādarbojas. Mani tiešām nedaudz vairāk arī uzrunā praktiskā, ne teorētiskā daļa. Patika eksperimentālā fizika. Fizikas institūts tieši ar to nodarbojas. Esmu tur jau piekto gadu.”

No metāla padzīt ūdeņradi

LU fonda stipendiāts savu doktora darbu "Elektromagnētiski ierosinātu plūsmu izpēte ar mērķi optimizēt degazācijas procesu šķidrā metālā" izstrādā LU Fizikas institūta MHD Tehnoloģiju laboratorijā fizikas zinātņu doktora Ilmāra Granta vadībā.

Baranovskis skaidro, kas tad īsti ir degazācija, un kāpēc šis process ir tik būtisks metāla ražošanā: “Metāls rūpnieciskos apstākļos izšķīdina sevī gāzes. Kamēr metāls ir šķidrs, gāze burbuļus neveido, bet brīdī, kad mēs to izkristalizējam, piemēram, plāksnē, stienī vai stieplē – burbuļi rodas, un mēs galaproduktā iegūstam gāzes ieslēgumus jeb porainību.” Porainība nosaka, cik liela daļa no metāla ir gāzu tilpums, bet cik – pats metāls. Ja porainība 0.5% vietā ir 1.5% tas jau ievērojami un negatīvi ietekmēs metāla mehāniskās īpašības.  Atkarībā no sakausējuma šis liekais 1 % poru stiprību var samazināt jau par 30%. “Jo lielāka porainība, jo vairāk vietas, kur plaisām izplatīties. Zinātnieki ir izpētījuši, ka ir kritiskā gāzes robeža, pie kuras sāk veidoties burbuļi brīdī, kad metālu izkristalizē. Pirms šo materiālu izlejam, vajag samazināt gāzes koncentrāciju metālā zem šīs kritiskās robežas. Pavisam izvairīties no izšķīdušās gāzes nevaram, jo šķidrais metāls ūdeņradi vienkārši uzņem no gaisa un no tajā esošā ūdens tvaika. Rūpnīcā nebūs perfektu apstākļu – vakuuma. Tur būs gaisa atmosfēra un ūdens tvaiks, no kura alumīnijs caur virsmu uzņems ūdeņradi. Tāpēc degazācija ir obligāts solis alumīnija ražošanā, lai iegūtu augstvērtīgu materiālu,” klāsta pētnieks.

Šobrīd ir vairākas metodes, kā to izdarīt. Populārākā ir inertas gāzes injicēšana ar rotējoša uzgaļa palīdzību. Protams, var izmantot vakuumu, taču tas rūpnieciskos apstākļos nav rentabli. Daudzu kubikmetru ietilpības iekārtu ievietot vakuuma kamerā būtu laikietilpīgs un dārgs prieks. Degazācijai izmanto arī ultraskaņu, kur mehāniski tiek laists iekšā akustiskais signāls un vienā brīdī notiek kavitācijas process – tiek radītas straujas mini eksplozijas un implozijas.

Tomēr populārākā metode ir jau minētā inertas gāzes ievadīšana. Pašlaik to dara ar rotējošu uzgali – fiziski iemērc iekšā kaut ko līdzīgu mikserim, un uzgaļa perifērijā laiž ārā gāzi. Uzgalis kustas, bet metāls nekustas, un gāzes injicēšanas vietā starp šķidruma slāņiem ir liela ātrumu starpība. Kad plūsma ir pietiekami intensīva, burbuli, kas ir metālā, var sadalīt daudzos mazos burbulīšos. Kopējais gāzes tilpums nemainās, bet mainās virsmas laukums, un tieši tas ir svarīgi izšķīduša ūdeņraža savākšanas mehānismam.

“Šo pašu procesu vēlamies īstenot ar mūsu izstrādātu rotējošu magnētu sistēmu. Esam pierādījuši, ka varam bezkontakta veidā attīstīt metālā ļoti lielus ātrumus, kā arī radīt visdažādākās metāla plūsmas. Tālāk atliek pareizajā vietā veikt gāzes injicēšanu un varam degazācijas procesu veikt šādi,” paskaidro Baranovskis.

Lētāk un dabai draudzīgāk – potenciālie ieguvumi

Jau esošās metodes paredz iekārtas mehānisku kontaktu ar karstu šķidro alumīniju, kam piemīt ķīmiski ļoti agresīvas īpašības. Likumsakarīgi iekārtas jāmaina biežāk, ekspluatācijas izmaksas aug. Baranovskis pēta, kā šo pašu procesu veikt bezkontakta ceļā – šķidrā metāla masu maisot ar magnētu sistēmas palīdzību.

LU Zinātņu mājas pagrabstāva laboratorijā atrodas eksperimentu iekārta, kura tvertnē ir aptuveni divi litri gallija, indija un alvas sakausējuma, kas istabas temperatūrā ir šķidrs materiāls. Tādējādi nekas nav jākausē, kā tas būtu gadījumā ar alumīniju, un var cītīgi eksperimentēt – maisīt šo tilpumu ar magnēta palīdzību, pētot un mērot plūsmas metālā. Šis sakausējums gan ir visai dārgs – eksperimentu iekārtā ielietais daudzums maksā aptuveni piecus tūkstošus eiro.

Pētnieks stāsta, ka potenciālie ieguvumi ir gan mazāks iekārtu nolietojums, gan mazāks resursu patēriņš, piemēram, izmantotās gāzes patēriņš, kas attiecīgi nozīmē dabai draudzīgāku ražošanu. “Tā ir gan izmaksu komponente uzņēmumam, gan esam arī draudzīgāki pret dabu,” apstiprina Baranovskis.

Tāpat, liekot iekšā šķidrā metālā maisītāju – fizisku iekārtu –, jārēķinās ar piemaisījumiem. Pašlaik visbiežāk maisītāji izgatavoti no grafīta, un daļa no tā nonāk arī metālā. Arī piemaisījumu daudzums bojā produkta kvalitāti: “Ja tur būs 10 grami dienā uz tonnu, tad tas neko nemainīs. Jānosaka kāds kritiskais limits. Piemēram, izplatītākajam metāla sakausējumam, tēraudam, oglekļa daudzums ir ļoti svarīgs, jo tas definē, kas tas vispār ir - dzelzs, čuguns vai kādā no simtiem tērauda markām.”

Materiāliem augsta pievienotā vērtībā

Izmantojot Baranovska pētīto bezkontakta degazācijas metodi, gala rezultāts varētu būt procesa optimizēšana, lai padarītu lētāku kādas populārās, bieži izmantotās alumīnija markas ražošanu. Otrs variants, uz ko zinātnē bieži “tēmē” – augstas pievienotās vērtības produkti.

“Var gadīties, ka mēģinām taisīt nevis parastu alumīniju par pieciem eiro kilogramā, bet mēģinām taisīt augstas veiktspējas alumīniju par 100 eiro kilogramā, kur liksim klāt magniju vai kādu eksotisku metālu, piemēra, skandiju. Skandijs alumīnija sakausējumos ir mazā daudzumā, 0,1%, bet to sakausējumā vajag viendabīgi visā tilpumā. Pie šādām tehnoloģijām mums atmaksājas investēt laiku un pūles, ja spējam radīt jau materiālu, kuru nevar saražot citādi. Varbūt te jau tie liekie 10 grami grafīta uz tonnu no grafīta uzgaļa būtu būtiska izmaiņa,” bezkontakta degazācijas procesa potenciālos plusus skaidro zinātnieks.

Šobrīd ir nodefinēta ideja, ko pētīt, un uztaisīts pirmais eksperimentālais modelis, taču priekšā vēl vismaz trīs gadi pētījumu. Tuvākajam gadam plāns ir izmantot iekārtu mērījumiem, tad, izejot no iegūtajiem rezultātiem, domāt tālāk, kuru virzienu attīstīt.

Ja rezultāts būs tāds, kā plānots, iespējams radīt jaunu tehnoloģisko procesu. Sākumā tas eksistē tikai zinātniski, tad pamazām, ja tas ir apstiprināts zinātniski, to var racionāli mēģināt ieviest industrijā. Ideālā variantā šis process var izrādīties labāks par esošo un pamazām aizstāt tagad izmantotās tehnoloģijas.

Raksts tapis, izmantojot Delfi.lv materiālus.