Инновации в металлургии. Технологии в металлургии и металлообработке. Новые процессы получения железа

Мировой кризис негативно отразился на экономике России, но металлургическая промышленность сохранила свои возможности благодаря предшествующим крупным денежным вкладам. Металлургия – это основная отрасль государственной промышленности, своеобразный фундамент для развития экономики в целом.

В общем экспорте страны доля металлургии составляет 14%. Экспортируется более 40 % стали, выплавляемой в РФ. Продукция металлургов в ВВП составляет 5 %, во всем промышленном комплексе – 17%. Металлургическая отрасль вносит существенный вклад в экономику страны и наполняет бюджет. В связи с неблагоприятной экономической обстановкой принят также план по замещению импортной продукции на отечественную. Повышение конкурентной способности отрасли входит в стратегические планы государственного уровня. Предприятия отрасли модернизируются и применяют .

Востребованные инновации касаются обновления технологий, снижения ресурсоёмкости, улучшения экологической составляющей в металлургии. Особый упор делается на продукцию электродную, углеграфитовую, твёрдосплавную, полупроводниковую, прокатную. Чтобы избежать упадка в металлургической промышленности, необходимо активизировать инновационную деятельность. Научно-исследовательские учреждения оказывают существенную помощь в модернизации отрасли.

10 инноваций в металлургии 2018

Инновации в металлургии:

1. Карусельная печь. Задействована в чёрной металлургии, снижает напряжение в подовой части печи.
2. Спроектирован и введён в эксплуатацию печи Ванюкова для переработки шлаков и отходов в цветной металлургии. Аналог этой инновации – печь Ромелт, задействованная в чёрной металлургии. Преимущество её – возможность работы на низкосортном угле и переработка шлакоотходов. Хотя КПД такой печи ниже, чем у доменной, последняя не способна перерабатывать отходы и шлаки. Это большой рывок вперёд, ведь металлургические комбинаты завалены отходами, которые некуда девать. Стоимость проекта около 250 млн рублей, а строительство вне металлургического комбината будет стоить миллиард рублей. Инновация осуществлена за счёт частных инвестиций.
3. Предприятие «Челябинский цинковый завод» осваивает флотационную технологию получения серебра из кеков цинкового производства. Инновационная технология даёт до 98 кг серебра из 100 килограммов сульфидного флотоконцентрата.
4. Создана мембранная технология очистки сложных растворов в металлургии. Инновация позволяет очищать растворы от сульфатов тяжёлых цветных металлов на 99%. Новшество открывает возможность создания закольцованного водооборота на заводах отрасли.
5. При плавке чугуна и стали используют синтетический легкоплавкий флюс. Инновация помогает увеличить способность шлаков к рафинированию.
6. Динамический нанотестер. С помощью изобретения исследуют физико-механические параметры материалов разного происхождения, определяют коэффициент трения, модуль
   Юнга, нанотвёрдость и др.
7. Комплекс для исследования и диагностики сыпучих нановеществ (нанотрубки, порошки для спекания и катализа, медпрепараты). Инновация предназначена для быстрого определения свойств и характеристик материала на разных этапах производства.
8. Инновации касаются также водоснабжения производств чёрной металлургии. Для расчёта концентраций соли в подразделах, оптимизации структуры систем водоснабжения
   разработана технологическая модель с её математическим описанием.
9. Индукционная плавильная установка ТВЧ Элсит позволяет экономить электроэнергию. Благодаря высокой мощности печь моментально нагревается и позволяет сразу
   плавить металл.
10. Плоское прокатное оборудование для поперечно-клиновой прокатки заготовок применяют в изготовлении высокоточных деталей сложной конфигурации. Автоматизированный комплекс позволяет повысить производительность в 2 раза, уменьшить на 30% расход металлопроката, повысить точность изготовления и снизить трудоёмкость дальнейших операций.

Развитие металлургической промышленности закономерно входит в стратегическое планирование федерального уровня. Использование инноваций в металлургии, внедрение современной техники, модернизация действующей увеличивают коэффициент обновления основных производственных фондов до 5%. В перспективе, к 2020 году металлургическая промышленность выйдет на мировой уровень по количеству произведенной продукции.

Чёрная металлургия

Инновации в чёрной металлургии задействованы в отдельных направлениях производства:

1. Доменном.
   Предусмотрено строительство установок по вдуванию угольной пыли, увеличение выплавки чугуна до 20% и уменьшением расхода природного газа.
2. Сталеплавильном.
   Отказ от использования мартеновских печей для производства стали, уменьшение расхода металлопроката до 1088 кг/т в 2020 году с нынешних 1142
   кг/т. Использование сверхмощных печей для экономии электроэнергии(350 кВт*ч /т в сравнении с нынешними 500 кВт*ч/т).
3. Прокатном.
   Увеличение выпуска листового металла в общем выпуске металла до 65%, доведение до уровня экономически развитых стран.
4. Цветная металлургия
   Темп роста отрасли вызван необходимостью заместить импорт отечественной продукцией. Быстрый рост требует инновационного подхода к технологии, технике и организации производства. Нестабильность внешнего рынка и недостаточная ёмкость отечественного требуют развития последнего.

Главенствующими вопросами цветной металлургии являются: возрастание части выпуска алюминия в электролизерах и наращивание мощностей в производстве тяжёлых цветных металлов по технологии автогенных процессов. До конечного срока «Стратегии развития чёрной и цветной металлургии России на 2014-2020 годы» их часть должна составить 97% от общего производства.

Комбинат «Североникель»

Предприятие с давней историей, с 1998 года комбинат «Североникель» входит в состав АО «Кольская ГКМ». Сейчас на нём перерабатывается файнштейн и завершается производственный цикл.

«Норникель» инвестировал в обновление производства никеля Кольской ГМК более 20 млрд рублей. Планируется освоить новую технологию электроэкстракции для рафинирования никеля. Никелевые аноды не будут плавить, так как сырьём выступит никелевый порошок. Постепенно старые ванны для электролиза заменят новыми. Всего планируется постепенно заменить 476 ванн в цехе электролиза.

Кольская горно-металлургическая компания модернизирует обогатительную фабрику. Усовершенствования касаются АСУ ТП. Комплекс замещается новым, поскольку прекращено производство запасных комплектующих и возможны аварийные ситуации. Новое оборудование устанавливают поэтапно. Уже произведена замена на пульпонасосной станции, сейчас модернизируются 3 секции флотации. За 2018 год будет заменён весь аппаратный комплекс предприятия.

Предприятие планирует модернизировать всю систему управления до начала 2019 года и соединить в одну централизованную систему управления обогатительной фабрики СУ отдельных производственных участков. Это позволит далее совершенствовать технологический процесс, проявлять гибкость при смене технологических циклов.

Комбинат «Североникель» осваивает новый способ переработки платинорениевых катализаторов, результатом которой является концентрат платины и перренат аммония.

Для предприятия разрабатывается технологическая линия очистки стоковых вод до приемлемого уровня.

Различают три основных направления:

1. Формоизменение при помощи высокоточных методов пластического деформирования.
2. Применение традиционных способов металлообработки, но отличающихся повышенной точностью и производительностью.
3. Использование высокоэнергетических методов.

Выбор оптимального метода обработки определяется производственными требованиями и серийностью производства . Например, переутяжелённые конструкции оборудования вызывают повышенный расход энергии, а сниженная точность изготовления отдельных деталей и узлов – низкую производительность техники. Некоторые технологии не могут обеспечить необходимые прочностные свойства и микроструктуру металла, что в итоге сказывается на долговечности и стойкости деталей, пусть даже и изготовленных с минимальными допусками. Новая технология обработки металла основана на использовании нетрадиционных источников энергии, которые обеспечивают его размерное плавление, испарение или формообразование.

Мехобработка, связанная со снятием стружки, развивается в направлении изготовления особо высокоточных изделий преимущественно в мелкосерийном производстве. Поэтому традиционные станки уступают место оперативно переналаживаемым металлообрабатывающим комплексам с ЧПУ. Сравнительно невысокий коэффициент использования материала (при мехобработке он редко когда превышает 70…80% ) компенсируется минимальными допусками и высоким качеством финишной поверхности изделий.

Производители систем с числовым управлением делают основной упор на расширенные технологические возможности рассматриваемого оборудования, использовании современных высокостойких инструментальных сталей и исключении ручного труда оператора. Все подготовительно-заключительные операции на таких комплексах выполняет робототехника.

Энергосберегающие методы пластического деформирования металлов

Технология обработки металлов давлением, кроме повышенного коэффициента использования металла, обладает и другими существенными достоинствами :

• В результате пластического деформирования улучшается макро- и микроструктура изделия;
• Производительность оборудования для штамповки в разы превышает аналогичный показатель для металлорежущих станков;
• После обработки давлением повышается прочность металла, возрастает его стойкость от динамических и ударных нагрузок.

Прогрессивные процессы холодной и полугорячей штамповки – дорнование, точная резка, выдавливание, ультразвуковая обработка, штамповка в состоянии сверхпластичности, жидкая штамповка. Многие из них реализуются на автоматизированном оборудовании, оснащаемом компьютерными системами контроля и управления. Точность изготовления штампованных изделий во многих случаях не требует последующей их доводки – правки, шлифования и т.д.

Высокоэнергетические способы формоизменения

Высокоэнергетические технологии применяются в тех случаях, когда традиционными методами изменять форму и размеры металлической заготовки невозможно.

При этом используются четыре вида энергии :

1. Гидравлическая - давления жидкости, либо отдельных элементов, приводимых ею в движение.
2. Электрическая , при которой все процессы съёма материала выполняются с помощью разряда – дугового или искрового.
3. Электромагнитная , реализующая процесс металлообработки при воздействии на заготовку электромагнитного поля.
4. Электрофизическая , действующая на поверхность направленным лучом лазера.

Существуют и успешно развиваются также комбинированные способы воздействия на металл, при которых используются два и более источника энергии.

Основана на поверхностном воздействии жидкости высокого давления. Подобные установки применяются, в основном, с целью повышения качества поверхности, снятия микронеровностей, очистки поверхности от ржавчины, окалины и т.п. При этом струя жидкости может воздействовать на изделие как непосредственно, так и через абразивные компоненты, находящиеся в потоке. Абразивный материал, содержащийся в эмульсии, постоянно обновляется, чтобы обеспечить стабильность получаемых результатов.

– процесс размерного разрушения (эрозии) поверхности металла при воздействии на него импульсного, искрового или дугового разряда. Высокая плотность объёмной тепловой мощности источника приводит к размерному плавлению микрочастиц металла с последующим выносом их из зоны обработки потоком диэлектрической рабочей среды (масла, эмульсии). Поскольку при металлообработке одновременно происходят процессы локального нагрева поверхности до весьма высоких температур, то в результате твёрдость детали в зоне обработки существенно увеличивается.

Заключается в том, что обрабатываемое изделие помещается в мощное электромагнитное поле, силовые линии которого воздействуют на заготовку, помещённую в диэлектрик. Таким способом производят формовку малопластичных сплавов (например, титана или бериллия), а также листовых заготовок из стали. Аналогичным образом на поверхность действуют и ультразвуковые волны , генерируемые магнитострикционными или пьезоэлектрическими преобразователями частоты. Высокочастотные колебания применяются также и для поверхностной термообработки металлов.

Наиболее концентрированным источником тепловой энергии является лазер. – единственный способ получения в заготовках сверхмалых отверстий повышенной размерной точности. Ввиду направленности теплового действия лазера на металл, последний в прилегающих зонах интенсивно упрочняется. Лазерный луч способен производить размерную прошивку таких тугоплавких химических элементов, как вольфрам или молибден.

– пример комбинированного воздействия на поверхность химическими реакциями, возникающими при прохождении через заготовку электрического тока. В результате происходит насыщение поверхностного слоя соединениями, которые могут образовываться лишь при повышенных температурах: карбидами, нитридами, сульфидами. Подобными технологиями может выполняться поверхностное покрытие другими металлами, что используется для производства биметаллических деталей и узлов (пластин, радиаторов и т.д.).

Современные технологии обработки металлов непрерывно совершенствуются, используя новейшие достижения науки и техники.

История человечества насчитывает не одну тысячу лет. На протяжении всего периода существования нашей расы отмечается стабильный технический прогресс, немаловажную роль в котором сыграло умение человека обращаться с металлом, создавать и добывать его. Поэтому вполне логично, что металлургия - это то, без чего невозможно представить наш быт, нормальное выполнение рабочих обязанностей и многое другое.

Определение

Прежде всего стоит разобраться с тем, как по-научному, с технической точки зрения, называют современную сферу производства.

Итак, металлургия - это раздел науки, техники, который охватывает процесс получения различных металлов из руды или иных материалов, а также все процессы, имеющие связь с трансформацией химического состава, свойств и структуры сплавов.

Структура

На сегодняшний день металлургия - это мощнейшая отрасль промышленности. Кроме того, она - обширное понятие, которое включает в себя:

• Непосредственное производство металлов.
• Обработку металлических изделий как в горячем, так и холодном виде.
• Сварку.
• Нанесение различных металлических покрытий.
• Раздел науки - материаловедение. Данное направление в теоретическом изучении физико-химических процессов ориентируется на познание поведения металлов, сплавов и интерметаллидов.

Разновидности

Во всем мире существует две основные отрасли металлургии - черная и цветная. Такая градация сложилась исторически.

Черная металлургия заключается в обработке железа и всех сплавов, в котором оно присутствует. Также эта отрасль подразумевает извлечение из недр земли и последующее обогащение руд , сталелитейное и чугунолитейное производство, прокат заготовок, производство ферросплавов.

К цветной металлургии причисляют работу с рудой любого металла, кроме железа. Кстати, условно делят на две большие группы:

Тяжелые (никель, олово, свинец, медь).

Легкие (титан, магний, алюминий).

Научные решения

Несомненно, что металлургия - это деятельность, требующая внедрения инновационных технологий. В связи с этим многие страны нашей планеты активно ведут исследовательские работы, целью которых является изучение и применение на практике самых разнообразных микроорганизмов, которые помогли бы решить, например, такой злободневный вопрос, как очистка сточных вод, являющихся обязательной составляющей металлургического производства. Помимо этого, уже стали реальностью такие процессы, как биологическое окисление, осаждение, сорбция и прочие.

Разделение по технологическому процессу

Заводы металлургии можно условно причислить к двум основным группам:

Пирометаллургии, где процессы протекают при очень высоких температурах (плавка, обжиг);

Гидрометаллургии, которая заключается в извлечении металлов из руд при помощи воды и прочих водных растворов с использованием химических реактивов.

Принцип выбора места постройки металлургического завода

Для того чтобы понять, на основе каких выводов принимается решение о возведении предприятия в том или ином месте, стоит рассмотреть основные факторы размещения металлургии.

В частности, если вопрос касается дислокации завода цветной металлургии, то здесь на первый план выходят такие критерии, как:

• Наличие энергоресурсов. Производство, связанное с обработкой легких цветных металлов, требует колоссального количества электрической энергии. Поэтому подобные предприятия возводят максимально близко к гидроэлектростанциям.
• Требуемое количество сырья. Разумеется, что чем ближе находятся залежи руды, тем, соответственно, лучше.
• Экологический фактор. К сожалению, страны постсоветского пространства не могут быть отнесены в категорию, где предприятия металлургии являются экологически безопасными.

Таким образом, размещение металлургии - сложнейший вопрос, решению которого следует уделять самое пристальное внимание с учетом всевозможных требований и нюансов.

Для формирования максимально подробной картины в описании обработки металлов важно указать на ключевые участки данного производства.

Предприятия черной металлургииимеют в своем составе несколько так называемых переделов. Среди них: аглодоменный, сталеплавильный, прокатный. Рассмотрим каждый из них детальнее.

Доменное производство

Именно на этом этапе осуществляют освобождение железа непосредственно из руды. Происходит это в доменной печи и при температуре свыше 1000 градусов Цельсия. Таким образом происходит выплавка чугуна. Свойства его будут напрямую зависеть от протекания процесса плавки. Регулируя плавление руды, можно в конечном счете получить один из двух передельный (используют в дальнейшем для производства стали) и литейный (из него отливают чугунные заготовки).

Производство стали

Соединяя железо с углеродом и, при необходимости, с различными легирующими элементами, в итоге получают сталь. Методов ее выплавки достаточно количество. Особо отметим кислородно-конверторный и электроплавильный, которые являются самыми современными и высокопродуктивными.

Конверторная плавка характеризуется своей скоротечностью и получением в итоге стали с требуемым химическим составом. Основу процесса составляет продувка кислородом через фурму, в результате чего чугун окисляется и трансформируется в сталь.

Электросталеплавильный способ - самый эффективный. Именно благодаря использованию дуговых печей можно выплавить самые качественные легированные марки стали. В подобных агрегатах нагрев загруженного в них металла происходит очень быстро, при этом есть возможность добавлять необходимое количество легирующих элементов. Кроме того, получаемая таким методом сталь имеет низкое содержание неметаллических включений, серы и фосфора.

Легирование

Этот процесс заключается в изменении состава стали посредством внедрения в нее рассчитанных концентраций вспомогательных элементов для последующего придания ей определенных свойств. В числе наиболее часто применяемых легирующих компонентов значатся: марганец, титан, кобальт, вольфрам, алюминий.

Прокат

Многие заводы металлургииимеют в своем составе прокатную группу цехов. В них производят как полуфабрикаты, так и уже полностью готовую продукцию. Сущность процесса заключается в пропуске металла в зазоре между вращающимися в противоположных направлениях стана. Причем ключевым моментом является то, что расстояние между валками должно быть меньше, чем толщина пропускаемой заготовки. За счет этого металл втягивается в просвет, перемещается и в итоге деформируется до заданных параметров.

После каждого пропуска зазор между валками делают меньше. Важный момент - зачастую металл недостаточно пластичен в холодном состоянии. И потому для обработки его заранее подогревают до требуемой температуры.

Потребление вторичного сырья

В современных условиях рынок потребления вторсырья как черных, так и цветных металлов неуклонно развивается. Во многом это обусловлено тем, что ресурсы руды, к огромному сожалению, не являются возобновляемыми. Каждый год их добычи существенно снижает запасы. Учитывая тот факт, что потребности в металлопродукции в машиностроении, строительстве, авиастроении, судостроении и прочих отраслях народного хозяйства неуклонно растут, вполне разумным выглядит решение развивать переработку уже отработавших свой ресурс деталей и изделий.

Можно с уверенностью утверждать, что развитие металлургии в некоторой степени объясняется и позитивной динамикой сегмента отрасли - использованием вторичного сырья. При этом переработкой металлолома занимаются и крупные, и мелкие компании.

Мировые тенденции развития металлургии

В последние годы наблюдается чёткое повышение объемов выпуска металлопроката, стали и чугуна. Во многом это объясняется настоящей экспансией Китая, который стал одним из ведущих планетарных игроков на рынке металлургического производства.

При этом различные факторы металлургии позволили Поднебесной отвоевать себе практически 60% всего мирового рынка. Остальную десятку основных производителей составили: Япония (8%), Индия и Соединенные Штаты Америки (6%), Россия и Южная Корея (5%), Германия (3%), Турция, Тайвань, Бразилия (2%).

Если же рассматривать отдельно 2015 год, то наблюдается тенденция снижения активности производителей металлопродукции. Причем самый большой спад отмечен в Украине, где был зафиксирован результат, который на 29,8% ниже прошлогоднего.

Новые технологии в металлургии

Как и любая другая промышленность, металлургия просто немыслима без разработки и внедрения на практике инновационных разработок.

Так, сотрудники Нижегородского государственного университета разработали и начали внедрять в практику новые наноструктурированные износостойкие твердые сплавы, в основе которых лежит карбид вольфрама. Основное направление применения новшества - производство современного металлообрабатывающего инструмента.

Кроме того, в России был модернизирован колосниковый барабан со специальной шаровой насадкой с целью создания новой технологии переработки жидкого шлака. Это мероприятие было выполнено на основе государственного заказа Министерства образования и науки. Такой шаг полностью себя оправдал, поскольку его результаты в итоге превзошли все ожидания.

Крупнейшие предприятия металлургии в мире

• Arcelor Mittal - компания с главным офисом в Люксембурге. Ее доля составляет 10% всего мирового производства стали. В России компании принадлежат шахты Березовская, Первомайская, Анжерская, а также "Северсталь-групп".
• Hebei Iron & Steel - гигант из Китая. Он полностью принадлежит государству. Помимо производства, компания занимается добычей сырья, его транспортировкой и проведением научно-исследовательских работ. На заводах компании используются исключительно новые разработки, и самые современые технологические линии что позволило китайцам научиться производить ультратонкие стальные плиты и сверхтонкий холоднокатанный лист.
• Nippon Steel - представитель Японии. Менеджмент компании, которая начала свою работу еще в 1957 году, стремится к объединению с другим предприятием, именуемым Sumitomo Metal Industries. По мнению экспертов, такое слияние позволит достаточно быстро выйти японцам на первое место в мире, обогнав всех своих конкурентов.

В соответствии с утвержденной Стратегией развития металлургической промышленности России на период до 2020 года главной целью развитияроссийской металлургии является обеспечение растущего спроса на металлопродукцию в необходимых номенклатуре, качестве и объемах поставок металлопотребляющим отраслям на внутренний рынок (с учетом перспектив их развития), на рынок стран СНГ и мировой рынок на основе ускоренного инновационного обновления отрасли, повышения ее экономической эффективности, экологической безопасности, ресурсо- и энергосбережения, конкурентоспособности продукции, импортозамещения и улучшения сырьевого обеспечения.

В целом российская металлургическая промышленность – это успешный в инвестиционном отношении сегмент экономики. Предприятия способны реализовывать крупные проекты, в том числе и за рубежом. На большинстве предприятий реализуются инвестиционные программы развития.

Приоритетный сценарий инновационного развития отрасли, наряду с использованием конкурентных преимуществ в энерго-сырьевом секторе, предполагает прорыв в развитии высоко- и среднетехнологичных производств. Инновационный сценарий выступает в качестве целевого для экономической политики, поскольку только он в полной мере позволяет реализовать стратегические ориентиры развития экономики России.

Реализация данного сценария в развитии металлургической промышленности характеризуется опережающим развитием внутреннего спроса на продукцию с высокой добавленной стоимостью, что, в свою очередь, будет способствовать развитию новых технологий и производства высокотехнологичных видов продукции.

В соответствии с данным сценарием, к 2020 году прирост потребления готового проката на внутреннем рынке по сравнению с 2007 годом может составить 16-24 млн.тонн (до 53 - 61 млн.тонн). При этом вследствие опережающих темпов роста производства продукции с высокой добавленной стоимостью потребление готового проката в металлургическом комплексе вырастет примерно в 1,7 раза, а доля готового проката, потребляемого металлургическим переделом вырастет до 54-55% по сравнению с 47% в 2007 году.

Основными факторами, определяющими рост спроса внутреннего рынка в период до 2020 года будут являться:

§ реализация проектов утвержденных отраслевых стратегий развития промышленности;

§ развитие инфраструктурных проектов (Сочи-2014, АТЭС-2012, национальные проекты, реформирование ЖКХ);

§ развитие оборонно-промышленного отрасли;

§ освоение новых проектов топливно-энергетического отрасли.

Также ожидается рост спроса со стороны наиболее металлоемких подотраслей машиностроительного комплекса – железнодорожного, подъемно-транспортного, сельскохозяйственного, строительно-дорожного машиностроения, автомобильной промышленности, оборонно-промышленного отрасли, энергетического и атомного машиностроения. Потенциально высоким может быть спрос на металлопродукцию для железнодорожного транспорта, в том числе на рельсы для высокоскоростных магистралей.

Прогнозируется повышение спроса на прокат из легированных сталей –инструментальных, подшипниковых, нержавеющих. В связи с прогнозируемым развитием листоемких производств опережающими темпами будет расти потребление листового проката (25-31 млн.тонн по сравнению с 18,5 млн.тонн в 2007 году). Потребление холоднокатаного листового проката в 2020 году может составить 8,6-12,1 млн.тонн по сравнению с 5,8 млн.тонн в 2007 году, что будет определяться, в первую очередь, развитием производства листа с защитными покрытиями.

Достаточно мощный инновационный потенциал, созданный в металлургическом комплексе, особенно благодаря резкому увеличению инвестиций в период после 2003 года, является надежной базой для значительного наращивания производства. В 2004-2008 гг. среднегодовой объем инвестиций по металлургическому комплексу составил более 6 млрд. долл. и превысил аналогичный показатель за период 2000 - 2003 гг. в 2,4 раза. В расчете на 1 т выплавленной стали инвестиции по предприятиям черной металлургической промышленности России в 2004- 2008 гг. составили 45 - 48 долл., что почти в 1,5 раза превышало уровень, соответствующий практике высокоразвитых стран.

За последние годы введены в действие ряд крупных современных агрегатов в черной и цветной металлургической промышленности. Создание новых мощностей на металлургических предприятиях России осуществлялось в основном на базе передового импортного оборудования, что создало достаточно прочную техническую базу для успешной конкуренции на рынках металлопродукции.

В результате ускорения темпов внедрения инноваций прогнозируется улучшение производственной структуры металлургической промышленности – в первую очередь, за счет повышения доли конкурентоспособных мощностей (на всех переделах), а также за счет увеличения доли мощностей для выпуска продукции более глубокой степени переработки, доли импортозамещающих и новых производств. Все это позволит улучшить структуру товарной продукции металлургической промышленности, повысить ее конкурентоспособность и адекватность требованиям рынков.

Реализация крупных инвестиционных проектов обеспечит:

· снижение ресурсоемкости производства металлопродукции за счет увеличения объемов разливки стали на машинах непрерывного литья заготовок, практически полного прекращения производства мартеновской стали (к 2020 годам), увеличения объемов производства алюминия в электролизерах с повышенной силой тока, роста объемов производства тяжелых цветных металлов с использованием автогенных процессов;

· снижение вредного воздействия предприятий на окружающую среду (комплекс мероприятий по охране окружающей среды в аглодоменном и коксохимическом производствах черной металлургической промышленности; на предприятиях алюминиевой и медно-никелевой подотраслей);

· повышение качества и увеличение добавленной стоимости продукции за счет увеличения объемов выплавки стали в электропечах; доли стали, подвергнутой внепечному вакуумированию, роста объемов производства проката тяжелых цветных металлов на машинах непрерывной разливки и отделки; расширения номенклатуры и увеличения доли продукции глубокой переработки металлов;

· увеличение производства высокотехнологичных эффективных видов металлопродукции, в том числе для нужд оборонно-промышленного отрасли: толстого широкого листа, холоднокатаного проката и изделий из него с различными видами покрытий, термообработанных длинномерных рельсов.

Созданный за последние годы производственно-технический потенциал металлургической промышленности (разнообразный объем основных фондов предприятий, развитая инфраструктура большинства предприятий, включающая объекты электроэнергетики и транспорта, достаточно высокий технико-технологический уровень производства большинства металлов, наличие крупного банка разработанных и готовых к внедрению технологий мирового и выше мирового уровня), а также инвестиционные возможности предприятий способны обеспечить инновационное обновление и повысить конкурентоспособность отрасли.

Приоритетными являются инновации, связанные с выпуском новых видов продукции, развитием производства продукции более высокой технической готовности, прокатной продукции из легких и тяжелых цветных металлов, электродной, углеграфитовой, твердосплавной, полупроводниковой продукции, а также инновации, направленные на совершенствование технологий, улучшение экологической ситуации, снижение расходов всех видов ресурсов, поскольку в настоящее время ресурсоемкость российских производств в основном выше, чем за рубежом. Активизация инновационной деятельности ослабит негативное влияние факторов, создающих угрозу развитию металлургической промышленности. Технический прогресс в металлургической промышленности, включая создание прорывных технологий и отрасли перспективных материалов, будет обеспечен, прежде всего, работами отраслевых научных учреждений. Будут модернизированы все сферы производственной деятельности.

На перспективу до 2020 года металлургическая промышленность будет в целом соответствовать мировому уровню. В результате ввода в действие новых современных агрегатов и реконструкции действующих коэффициент обновления основных фондов вырастет до 4-5% против существующих сегодня 2,5%-3%. Снизится ресурсоемкость производства на 13-15% к 2015 году и на 15-17% к 2020 году.

По отдельным металлургическим переделам в результате инновационного развития будет обеспечено:

в доменном производстве:

строительство на ряде металлургических комбинатов установок по вдуванию угольной пыли, с выплавкой с применением этого вида топлива до 15-20% чугуна и сокращением потребления природного газа;

в сталеплавильном производстве:

Увеличение доли стали, полученной с МНЛЗ до 98 –99% против 71% в 2008 г.;

Ликвидация мартеновского производства стали;

Снижение расхода металла на прокат с 1142 кг/т до 1088 кг/т в 2020 г;

Ввод в действие сверхмощных электропечей, что обеспечит расход электроэнергии на уровне 350-380 кВт-ч/т против 500 кВт-ч/т в настоящее время на крупных электропечах металлургических предприятий России;

Увеличение доли выплавки стали в электропечах с 27,1% до 39%;

Увеличение доли стали, подвергнутой внепечному вакуумированию в общем объеме производства стали с 4,4% в 2007 г. до 15% в 2020 г.;

в прокатном производстве:

Рост доли листового металла в общем производстве листового и сортового проката до 62-65%, что соответствует современному уровню промышленно-развитых зарубежных стран, доли холоднокатаного листа в общем выпуске листового проката до 36%

В результате совершенствования техники и технологии к 2020 году на каждую тонну готового проката будет производиться меньше (против уровня 2007 года): железной руды – на 211 кг, кокса –на 107 кг, чугуна – на 124 кг, стали – на 125 кг.; труб- больше на 23%, металла с покрытием и жести- больше в 2 раза. Энергоемкость 1 т стали снизится на 265 кг. условного топлива.

в производстве цветных металлов:

Увеличение доли производства алюминия в электролизерах с повышенной силой тока к 2020 г. до 90%;

Увеличение объемов производства тяжелых цветных металлов с использованием автогенных процессов, рост их доли в общем выпуске к 2020 г. до 95%-97%.

В целях удовлетворения перспективного спроса основных отраслей-потребителей металлопродукции, на период до 2020 года необходимо реализовать ряд научно-исследовательских разработок, в том числе:

1. Для использования в строительстве, автомобильной промышленности, коммунальном хозяйстве и других отраслях:

· Разработка технологии и освоение производства микро- и низколегированных хладостойких сталей с высокими показателями стойкости к процессам локальной коррозии в водных средах, для нефтепромысловых сетей, систем тепло- и водоснабжения, водоводов, тяжело нагруженных строительных конструкций и других назначений;

· Разработка и освоение технологий производства автолистовых сталей с уникальным сочетанием показателей прочности и пластичности при использовании нетрадиционных схем достижения указанных характеристик;

· Разработка технологии производства коррозионностойкого покрытия сплавом ZN, Al, Mg для строительной, автомобильной и других отраслей экономики;

· Освоение производства новых высокопрочных сталей с цинковым покрытием для кузовных деталей автомобилей;

· Разработка технологии токопроводящей грунтовки для цинкования автомобильного листа;

· Создание нового класса огнестойких строительных сталей, отвечающих требованиям пожароустойчивой эксплуатации до 700-800 0 С;

· Разработка технологических основ получения наноструктурированных диффузионных промежуточных и поверхностных слоев металлических покрытий, обеспечивающих получение принципиально новых качественных показателей металлопродукции массового производства (жесть, оцинкованных лист и др.);

· Разработка технологии получения наноструктурированных покрытий методом вакуумного нанесения на углеродистые стали;

· Разработка технологии производства нового поколения коррозионно-стойких биметалловдля увеличения ресурса работы металлоконструкций в 1,5-2 раза.

2.Для использования в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, автомобильной, машиностроительной, коммунальном хозяйстве и других отраслях промышленности :

· Разработка и освоение прорывных технологий производства прогрессивных видов биметаллического проката и труб с предельно высокой прочностью (не менее 350 Н/см 2) и сплошностью (0-1 класс по результатам УЗК) соединения слоев, плакированных коррозионностойкими и другими типами стали, титаном, цветными металлами;

· Разработка нового поколения сталей и сплавов устойчивых к разрушению в активных водород и углеродсодержащих газовых средах для установок производства и переработки синтез-газа, каталитического синтеза, термообработки в восстановительных и контролируемых атмосферах, цементации, глубокой переработки нефти и каменного угля, нового технологического оборудования производства водорода в промышленных масштабах;

· Создание нового поколения наноструктурированных нержавеющих сталей на основе комплексного метода криогенно-деформационной и термической обработок;

· Создание нетрадиционно легированных суперэкономичных коррозионностойких сталей с 9-14 % хрома, обладающих повышенной стойкостью в агрессивных средах на уровне хромоникелевых сталей для систем трубопроводного транспорта газо - и нефтепродуктов.

3. Для изучения и освоения континентального шельфа Российской Федерации :

· Разработка стратегических принципов и новых научных подходов к выбору технологий производства сталей, толстолистового проката и плит для морских платформ. Освоение производства металлопродукции, обеспечивающей наиболее высокий комплекс потребительских свойств и экологической безопасности платформ при эксплуатации в условиях континентального шельфа РФ на базе новейших достижений науки и металлургических технологий;

· Разработка комплексных технологий производства качественно новых видов металлопродукции для оборудования нефтегазовой промышленности, эксплуатирующегося в условиях континентального шельфа РФ. Освоение производства сталей для насосно-компрессорных, обсадных, холоднокатаных труб, фонтанной арматуры, скважинного и устьевого оборудования с уникальным сочетанием коррозионной стойкости, износостойкости и других потребительских свойств;

· Разработка концепции и внедрение на отечественных предприятиях нового поколения высокопрочных экономно-легированных конструкционных сталей для ТЭК, в том числе трубных сталей, с повышенными эксплуатационными характеристиками, производимых по инновационным комплексным металлургическим технологиям на основе получения ультра-мелкодисперсных микроструктур, альтернативных вариантов термо-механической обработки стали и использования элементов наноструктурирования, и обеспечивающих высокотехнологичными отечественными материалами освоение континентального шельфа - строительство морских буровых платформ, подводных трубопроводов, емкостей для сжиженного природного газа;

· Разработка состава высокопрочной стали типа Х120 для труб и сварных конструкций с улучшенной свариваемостью и эксплуатационными свойствами.

4. Для использования в машиностроении:

· Разработка методов получения наноструктурного перлита в массивных изделиях, а также наноразмерных фаз в безникелевых высокопрочных, конструкционных сталях и создание на их основе технологий производства перспективных экономнолегированных материалов с высоким запасом прочности и вязкости;

· Разработка научных основ и технологии поверхностной обработки промышленных сталей и сплавов с помощью высокоэнергетических воздействий и гомогенно-гетерогенных катализаторов для создания суперпрочных нанокристаллических слоев, стойких к истиранию;

· Разработка технологии ультразвуковой обработки поверхности для создания упрочненных поверхностных слоев с нанокристаллической структурой в аустенитных и мартенситных сталях;

· Разработка самоорганизующихся (адаптирующихся) наноструктурированных, в т.ч. многослойных наноламинатных покрытий для экстремальных условий эксплуатации в различных областях машиностроения;

· Создание опытно-промышленных установок для получения перспективных наноматериалов методами закалки из расплава и интенсивной пластической деформации;

· Создание сверхвысокопрочных свариваемых сталей повышенной износостойкости с пределом текучести до 1600 Н/мм 2 , взамен используемых сталей с пределом текучести не более 800 Н/мм 2 .

5. Для использования в нефтегазовом комплексе, энергетике и других отраслях промышленности:

· Разработка технологии производства крупных слитков (140-650 тонн) из конструкционных высокопрочных сталей и сплавов;

· Создание азотсодержащих низко- и высоколегированных сталей нового поколения и промышленных технологий их производства с увеличенными на 30-40% ресурсом и надежностью эксплуатации оборудования, работающего в экстремальных условиях и средах особо высокой агрессивности;

· Разработка технологии производства трубных заготовок из теплоустойчивых сталей для труб теплоэнергетики с повышенными в 1,5 раза эксплуата­ционными характеристиками;

· Создание нового класса сплавов, обладающих уникальным сочетанием служебных высокотемпературных характеристик, включающим высокую стойкость к абразивному износу, сопротивление окислению и жаропрочностью для деталей установок переработки газового конденсата;

· Создание модульной технологической линии и разработка карботермической технологии получения кремния сорта SoG-Si («солнечного качества»), для солнечных преобразователей.

6. Для железных дорог:

· Разработка и запуск в серийное производство длинномерных рельс всех типов с востребованными качественными и ценовыми характеристиками;

· Разработка рельсовых и шпальных креплений, позволяющих длительно держать колею в соответствующих параметрах;

· Разработка и освоение производства высокопрочных железнодорожных колес, в том числе из легированных сталей, для грузовых вагонов нового поколения с нагрузкой на ось 30 т.

Металлургия сегодня, как и 30 лет назад, делится условно по своему назначению на две группы: первая работает для массового производства, вторая - это спецметаллургия. Соответственно, и материалы делятся на те, к которым не предъявляется особых требований, кроме цены. И на те, для которых очень важны особые характеристики. Одна из главных задач спецматериалов - быть не конструкционными в традиционном понимании, так как их несущая способность не очень важна, а быть частью или основой для ресурсного изделия.

Функциональные характеристики стальных материалов во многом основаны на покрытиях, которые на них нанесены. Они придают материалам новые свойства - жаростойкость и трибологические качества.

Еще одна важная особенность современной металлургии заключается в том, что она должна служить основой для вторичной переработки, то есть необходимо учитывать весь жизненный цикл материалов. Сегодня в качестве сырья используются более сложные и дорогостоящие рудные базы, чем прежде. Поэтому необходимо вовлекать в переработку и иные источники ресурсов, которые прошли восстановление из нетрадиционного сырья, прежде всего вторичного. При этом требования к качеству получаемых из вторсырья материалов остаются очень высокими.

Одной из главных тенденций современной металлургии становится борьба за "чистоту" материала - удаление грубых загрязнений и вредных примесей, исключение появления трещин в процессе эксплуатации. Появившийся в конце 1970-х - начале 1980-х термин "чистая сталь" на какое-то время пропал, а теперь появляется вновь. Но если раньше мы говорили о размерах включения в 20-40 микронов, то сейчас это не более 2-3 микронов, а чаще и нулевой уровень загрязнения. В результате даже традиционные сплавы по своим служебным свойствам становятся новыми.

Классический современный металлический материал обладает двумя основными характеристиками. Во-первых, это конструкционный материал, который предсказуем как по своим свойствам, так и по стоимости, которой можно управлять. Экономические соображения, конечно, говорят о том, что металл своих позиций не сдает.

За последние несколько лет в технологиях обработки металлов произошли две незаметные революции. Одна из них была основана на появлении пятикоординатных станков и твердосплавного инструмента на основе карбида вольфрама. Вторая связана с появлением так называемых аддитивных технологий, основанных на совершенно новых для металлургии принципах. Пятикоординатные станки стали сегодня уже привычными. А вот аддитивные технологии проявят себя в ближайшие три-пять лет.

И это существенно меняет традиционную металлургию. Можно представить, что многие качественные изделия и качественные материалы могут поменять свою форму существования - в основном они будут производиться в виде порошка. И детали будут изготавливаться из них фактически прямым методом. Подтверждением серьезности таких тенденций является и опубликованная несколько дней назад информация о том, что General Electric собирается вложить 1,4 миллиарда долларов в объединение известных компаний, специализирующихся на 3D-печати: шведской Arcam AB и германской SLM Solutions Group AG. Заявленная цель объединения - начать производить изделия для двигателестроения и энергетики на основе 3D-технологий. Нет сомнений, что это сильно встряхнет рынок и даст дополнительный импульс развитию этих технологий.

Ученые разрабатывают материалы, которые могут работать в условиях экстремальных температур

Говоря о новых материалах, нельзя не упомянуть полимеры. Уже давно известно углеволокно: корпус самолета "Боинг 787" полностью сделан из этого материала. В таких изделиях, где требуются одновременно хорошие механические свойства и легкость, конечно, подобные материалы будут заменять металлы, особенно если они эксплуатируются в экстремальных условиях. Но сейчас взаимопроникновение в конструкционных материалах металла и полимера настолько сильное, что уже сложно сказать, что это на самом деле: по толщине это полимер, по свойствам - полимер на металле.

Сегодня индустрия работает по нескольким направлениям. Во-первых, это разработка материалов, которые могут работать в условиях экстремальных температур. Во-вторых, важная работа идет над продлением срока службы материалов, которые могут с гарантией простоять 100 лет. Это актуально, например, для ядерной энергетики. Также многие компании и научные коллективы разрабатывают биосовместимые материалы и особенно композиты, так как мы уже научились сочетать металлы с неметаллами и получать новые прочные материалы. Они требуются современной медицине для производства имплантируемых устройств, протезирования и т.п.

Кстати

Создан материал, не уступающий по прочности металлу, и при этом в 100 раз легче пенополистирола. Материал, известный как "микрорешетка", разработан учеными из HRL Laboratories (США), которая принадлежит Boeing и General Motors. Он на 99,9 процента состоит из воздуха и организован в виде сетки из крошечных полых трубок. Толщина их стенок составляет всего 100 нанометров - в 1000 раз тоньше человеческого волоса. Видео, продемонстрированное разработчиками, показывает, что фрагмент микрорешетки лежит на опушенном одуванчике, не приминая его.

Микрорешетку сделали из хорошо известного металла никель-фосфора, но с необычной архитектурой и с использованием инновационного производственного процесса по принципу 3D-печати. Эта технология имеет большие перспективы в авиастроении, создании космических кораблей и в других сферах производства, где требуются сверхлегкие, но при этом очень прочные материалы. Свойства микрорешетки основаны на тех же принципах, которые позволили создать Эйфелеву башню - сооружение высотой в 324 метра, но при этом невероятно легкое. А Эйфель и его инженеры, как известно, применили в своем шедевре знания того, как устроены кости человека. Современные технологии позволили перевести те же принципы в очень мелкий масштаб.