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.
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.
На сегодняшний день почти каждая отрасль промышленности, так или иначе, потребляет стали и сплавы на их основе. В этой связи черная металлургия является одной из ключевых в промышленности, ее инновационное развитие стимулирует развитие в таких отраслях, как: машиностроение, строительство, мостостроение, судостроение и т.д.
В состав черной металлургии входят следующие основные подотрасли:
Добыча и обогащение руд черных металлов;
Добыча и обогащение нерудного сырья для черной металлургии (флюсовых известняков, огнеупорных глин, добавочных материалов и т. п.);
Производство черных металлов (чугуна, сталей и сплавов, проката, металлических порошков черных металлов); - производство стальных и чугунных труб;
Коксохимическая промышленность;
Вторичная переработка черных металлов (лома и отходов).
В последнее время в развитии черной металлургии наблюдаются негативные тенденции. Развитие общемировой отрасли черной металлургии до настоящего времени во многом было обусловлено интенсивным развитием экономики Китая. На фоне замедления развития экономики за период с 2012 по 2014 годы наблюдалось стагнация развития мировой отрасли черной металлургии. Если данная тенденция сохранится, то возникнет проблема глобального уровня, связанная со снижением темпов развития мировой черной металлургии.
Как же бороться с негативными тенденциями в черной металлургии, как повысить конкурентоспособность данного конкретного сталелитейного предприятия?
Дерево эволюции.
Основным видом производственной деятельности предприятий черной металлургии является производство металла, остальные виды деятельности можно отнести к вспомогательным. Прежде всего, давайте рассмотрим, какую продукцию производят предприятия черной металлургии, для чего построим дерево эволюции выпускаемой продукции (рис. 1).
Самый простой и дешевый продукт - это сляб, огромный кусок стали, который требует дальнейшей обработки перед отправкой потребителю.
Какие тенденции развития просматриваются здесь?
Прежде всего - дробление одного большого куска металла на несколько более мелких частей. При этом толстые и более тонкие листы металла, полоса, рулонная лента и фольга. То есть, мы здесь наблюдаем дробление материала при сохранении его формы, разделение сляба по его толщине.
Дробление сляба может быть выполнено путем разделения его по ширине. В таком случае мы получаем квадратный профиль, что-то вроде толстых металлических стержней. Следующий шаг - разделение на большее количество частей, получение прутков, толстой и тонкой проволоки.
Рис.1. Дерево эволюции сталелитейной продукции (исходный вариант)
Финальным шагом по линии дробления будет жидкий металл, то есть расплав, который без дальнейшей переработки используется для изготовления нужных деталей путем литья в формы.
Это основная часть, ствол дерева продукции черной металлургии.
Линии эволюции можно проследить практически для каждого из вариантов производимой продукции.
Так, для полосы можно построить линию геометрической эволюции , описывающую усложнение формы полосы и получение новых геометрических структур (рис.2). Это структуры, которые могут быть получены простым сгибанием: уголок, швеллер, различные желоба и S-образные профили и другие изделия, имеющие в сечении самый разный профиль. Развитием этого направления могут служить замкнутые структуры: квадратные и круглые трубы, трубы со сложным профилем в сечении и т.п. Следующий этап развития плоской полосы - это трехмерные оболочковые конструкции, из которых могут быть получены самые различные изделия, например, колена для трубопроводов, тройники, корпуса запорной и регулирующей арматуры и т.п.
Рис.2. Геометрическая эволюция изделий из листовой стали
Следующая линия - моно-би-поли (рис.3). Если посмотреть на главный и основной продукт черной металлургии - сляб, то можно заметить, что при его производстве получаются дополнительные продукты, которые могут быть использованы как товар. Это, прежде всего, шлак. При производстве тонны стали получается около ХХХ килограмм шлака, который может быть использован для самых разных целей. Кроме того, получается большое количество воды, которая широко используется в производственном процессе для охлаждения обрабатываемого металла. Сбросовые воды имеют высокую температуру и несут в себе прибавочную стоимость, которая может быть использована для получения прибыли. То есть, здесь мы видим линию развития моно-би-поли различных компонентов, согласно которой можно проследить развертывание количества полезных продуктов, получаемых при производстве стали.
Рис.3. Моно-би-поли полезных продуктов при производстве стали
Еще одну линию, эволюция внутренней структуры , можно построить, если рассмотреть микроструктуру производимой стали. Это зерна кристаллов, как правило, разных размеров, расположенные хаотично в толще материала (рис.4).
Один из вариантов этой линии показывает упорядочивание размеров и расположения зерен микрокристаллов. Такое упорядочивание может происходить в двух направлениях - как в сторону равномерного, изотропного, распределения атомов вещества, так и в сторону повышения анизотропии материала, когда кристаллы распределяются в определенном порядке, а их форма повышает механическую прочность стали.
Изотропная, так называемая «стеклянная», сталь имеет аморфную структуру. В отличие от стандартных металлов, где атомы находятся в определенном порядке, в твердых аморфных веществах, к примеру, стекле, атомы размещаются хаотично. Такое расположение атомов дает «стеклянной стали» необыкновенную прочность при любых нагрузках.
Рис.4. Эволюция внутренней структуры стали
Другое направление структуризации заключается в упорядочивании кристаллов стали. Например, аустенитные стали имеют не только более упорядоченную микроструктуру, но и сохраняют ее неизменной в большом диапазоне температур, что придает аустенитной стали особые прочностные и антикоррозионные свойства.
Это направление развивается в сторону дополнительного ориентирования микрокристаллов, то есть в придании материалу свойства анизотропии. Так в стали для формования лопаток турбин самолетных двигателей предусмотрено ориентирование продолговатых кристаллов вдоль некоторой оси. Такая сталь, как любой анизотропный материал, исключительно хорошо работает при определенных нагрузках, например, при изгибе и растяжении вдоль оси ориентации кристаллов.
Наиболее подходящая структура для лопаток турбин - это монокристалл, то есть когда вся лопатка представляет собой молекулярную структуру с кристаллической решеткой.
На рисунке 5 представлены различные варианты лопаток: из обычной стали, с продольно ориентированными кристаллами и монокристаллическая. Очевидно, что лопатка с ориентированными кристаллами и монокристаллическая имеют гораздо большую прочность по сравнению с обычной.
Рис. 5. Лопатки турбины
Еще одно направление структуризации стальных изделий заключается в том, что материалу придают разные свойства в его глубине и слое, приближенном к поверхности. Для этого применяются разные способы: закалка, науглероживание поверхностного слоя, механический наклёп и т.п. Упрочненная сталь, мягкая внутри, имеет высокую твердость поверхностных слоёв.
Обратный пример - режущий элемент экскаваторного ковша выполняют так, что внутри расположена твердая сталь, а по бокам - более мягкая. Такой зуб, выполненный по образцу резцов бобра, имеет свойство самозатачиваться (рис.6).
Рис.6. Самозатачивающийся зуб
Что касается листовой стали, то структуризация материала происходит путем добавления слоев. Здесь прослеживается линия моно-би-поли различных компонентов , которая заключается, прежде всего, в том, что на поверхность листа наносят различные покрытия (рис.7). Самое простое покрытие - это воронение поверхности листа или иной детали, при котором на поверхности стали образуется слой окислов железа.
Рис.7. Моно-би-поли слоёв покрытия
Наиболее распространенное покрытие - слой цинка, который создает преграду коррозии. Слой цинка может быть модифицирован, прежде всего, добавкой магния и алюминия, что значительно повышает его антикоррозионные свойства.
Вдобавок к нанесению покрытия слой цинка часто пассивируется, то есть, на его поверхности формируется дополнительный защитный слой из пленки оксидов, получаемых при действии окислителей на основе хрома. Этот процесс называется хроматированием.
Рис.8. Многослойный оцинкованный лист с полимерным покрытием
В дополнение к металлическим на лист наносятся и полимерные покрытия. Так для производства металлочерепицы и профилированного листа на цинковое покрытие наносят последовательно слой грунта, полимерный слой и покрывают многослойный лист специальным защитным лаком.
Такой многослойный лист находит большой спрос при строительных работах и изготовлении конструкций, работающих в агрессивной среде.
При производстве металлических изделий активно преобразуется такой атрибут, как их поверхность. Например, при производстве строительной арматуры можно проследить линию эволюция поверхности (рис.9). Винтовые нарезки, ортогональные выступы, наклонные выступы, звездочки, чередование выступов и впадин - различная форма поверхности дает возможность выбрать самый подходящий тип арматуры.
Рис.9. Эволюция поверхности прутка (на примере арматуры)
Конечно, мы не охватили в нашем дереве всё разнообразие выпускаемых металлургическими комбинатами стальных изделий. Это далеко выходит за рамки данной статьи. Но давайте попробуем провести простой анализ нашего дерева и поискать интересные направления развития сталелитейной промышленности.
Получается следующее:
- Металлургические комбинаты выпускают изделия давно устоявшейся номенклатуры, которые, тем не менее, находят спрос у потребителя.
- В тоже время ведется выпуск и новых, инновационных изделий, спрос на которые еще не сформировался полностью, и находится в режиме ожидания.
Традиционная продукция.
Если говорить о выпуске привычных, стандартных изделий, то здесь стоит две задачи - снижение затрат на производство единицы продукции и повышение качества выпускаемой продукции. Как первая, так и вторая проблема требуют решения большого количества изобретательских задач, создания инновационных технологических процессов. Здесь открывается широкое поле деятельности для специалистов по решению изобретательских задач на основе методик ТРИЗ.
В этой связи интересен опыт южнокорейской металлургической компании ПОСКО. 4-я в мире компания-производитель стали начала применять ТРИЗ в 2006 году. Была сформирована команда специалистов, имеющих опыт решения изобретательских задач. В течение нескольких лет команда показала принципиальную возможность и высокую результативность решения неразрешимых на первый взгляд задач в области металлургии.
Это были задачи, связанные со следующими процессами:
- Устранение проблем при выплавке стали и повышение надежности технологического процесса.
- Повышение качества проката при непрерывной разливке стали.
- Производство проката, в первую очередь тонколистового, соединение заготовок, устранение проблем с охлаждением и деформацией листа.
- Хранение и транспортировка руды и угля.
- Утилизация и переработка шлака.
- Разработка новых продуктов, прогнозирование развития технологий.
Только в 2010 году использование ТРИЗ принесло компании ПОСКО 277 млн. долларов США. Для примера, в 2010 было получено в 2,4 раза больше патентов, чем в 2009.
На основе накопленного опыта ПОСКО создала методологию разработки новой продукции и снижения затрат «PRIZM», основанную на ТРИЗ. В компании был организован корпоративный университет ТРИЗ, где прошли обучение 1800 сотрудников (10% всей численности).
Именно ТРИЗ выбрана в качестве основного инструмента для осуществления новой инновационной концепции POSCO 3.0.
Как выразился СЕО компании:
“TRIZ is a tool that allows you to leap forward to become a true global leader, and the POSCO Family is also gathering its efforts to fully utilize TRIZ since last year.”
Повседневная инновационная работа, основанная на ТРИЗ, позволяет устранить актуальные технологические проблемы. Что еще важнее, именно систематизация изобретательства дает возможность выявить скрытые проблемы компании, решение которых позволяет повысить качество продукции, поднять производительность и снизить затраты на производство.
Инновационная продукция.
Выпуск новой, инновационной продукции, прежде всего, предусматривает новые рынки сбыта. Глобальной проблемой сейчас можно считать переизбыток производственных мощностей в мировой черной металлургии, что до предела обостряет конкурентную борьбу за потребителя. Успеха в конкуренции можно достичь, увеличивая долю производства стальной продукции глубокой степени переработки (высших переделов). Успех будет иметь компания, которая не только спрогнозирует новые рынки сбыта, но и будет активно работать над их созданием.
Давайте проанализируем дерево эволюции и посмотрим, какие направления развития продукции черной металлургии оно показывает.
Одно из направлений развития получается, если продолжить линию структуризации материала. Развивая технологию направленной кристаллизации можно предположить, что управление ориентированием и формой кристаллов стали даёт новые возможности для повышения прочности и снижения массы стальных деталей. Технология, применяемая для создания лопаток турбин, может и должна быть распространена на другие виды инновационной продукции. Это позволить снизить материалоемкость изделий при повышении их надежности.
Еще одно направление - производство специальных сталей для интенсивно развивающихся отраслей промышленности.
Например, сейчас в мире активно развивается солнечная и ветровая энергетика. Можно предвидеть повышенный спрос на материалы, применяемые для производства солнечных батарей и ветродвигателей. Конечно, это могут быть сравнительно простые конструкционные стали, но этого однозначно недостаточно для обеспечения устойчивого сбыта. Гораздо больший эффект может дать применение продукции черной металлургии для создания самих солнечных батарей или ветродвигателей. Замена дефицитных и дорогих материалов сталями и сплавами позволяет не только найти новые рынки сбыта, но и удешевить сами изделия. Это, в свою очередь, даёт дополнительное расширение рынков.
Батареи из аморфного кремния производят напылением множества тончайших слоев материала на гибкую основу, обычно стальную ленту-фольгу. Потом её режут на отдельные фотоэлементы, выводят электроды и далее, готовые фотоэлементы спаивают в батарею и ламинируют с двух сторон гибкими пластиковыми пленками. Готовое изделие легко гнется и не боится ударов (рис.10).
Рис.10. Гибкая солнечная батарея на основе стальной фольги
Ряд компаний уже сейчас активно работает над созданием и усовершенствованием солнечных батарей на основе стальной фольги. Это та же корейские компании САМСУНГ, LG, SK. Интересно, что к разработке солнечных батарей на стальной основе активно подключилась и сталелитейная компания ПОСКО. Казалось бы, разработка батарей лежит в стороне от главной деятельности компании, но широкое внедрение в их конструкцию стали открывает дополнительный рынок сбыта для продукции.
Развитие солнечной энергетики открывает широкий спектр возможностей для продукции черной металлургии. Мы уже говорили о замене в солнечных батареях дефицитных и дорогих металлов сталями и сплавами. Еще одно перспективное направление - создание солнечных термальных электростанций (гелиоконцентраторов). Такая станция представляет собой колонну с емкостью, в которой находится трубка-коллектор с жидким теплоносителем (дистиллированная вода, масло или солевой расплав). Колонна окружена большим количеством зеркал, которые концентрируют солнечный свет на емкости, нагревая находящееся там вещество до высокой температуры. В линии фокуса параболы под воздействием отраженных лучей коллектор нагревается до 350 - 700°С, а теплоноситель «смывает» тепловую энергию с его стенок на теплообменник ТЭС или в тепловой аккумулятор (рис.11).
Здесь просматривается возможность изготовления зеркал из стальных пластин с полированной поверхностью. Солнечные термальные станции уже достаточно эффективны, и изготовление элементов их конструкций может стать новым рынком для сталелитейных компаний.
Рис.11. Гелиотермальная электростанция
Дерево эволюции показывает, что повышение спроса на продукцию черной металлургии может быть обеспечено повышением согласования номенклатуры выпускаемой продукции с запросами конечных потребителей. Например, для кораблестроительных компаний можно поставлять плоские стальные листы, а можно, по согласованию с формой будущего корабля, сразу формовать панели, которые останется только приварить по месту. Сейчас, в эпоху компьютеризации конструкторской работы, формовку криволинейных панелей корпуса корабля гораздо проще сделать на сталелитейной компании, чем разрабатывать для этого дополнительную технологию. То есть, речь идет о максимально полной переработке исходного сырья, что позволит компании получить дополнительную прибыль.
Здесь может возникнуть вопрос: самое дорогое при прессовании - это изготовление пресс-форм. А для изготовления различных изделий требуются детали самой разной формы, так что, металлургическая компания должна иметь бесконечное множество пресс-форм?
Это задача, изобретательская задача, которая может быть поставлена и решена при помощи методик ТРИЗ.
Если посмотреть линии структуризации материала и моно-би-поли слоев металла, можно сделать следующий вывод. Потребители продукции черной металлургии все активнее используют структурированные материалы, проблема заключается лишь в сложности их получения.
Здесь можно использовать такую технологию, как сварка взрывом, которая дает возможность соединять на молекулярном уровне самые разные материалы: сталь и медь, сталь и алюминий и т.п., получая структурированный материал с уникальными свойствами (рис.12).
Рис.12. Сварка взрывом
Сварка взрывом - очень эффективный способ обработки металла, эта технология хорошо проработана для соединения плоских листов. Применительно к черной металлургии просматривается возможность применение сварки взрывом для получения объемных деталей со сложной структурой. При этом дополнительные слои материала могут размещаться как на внешней стороне детали, так и в ее полостях. Например, таким образом можно изготавливать двух или многослойные трубопроводы для перекачки агрессивных жидкостей, детали из дешевого алюминиевого сплава, покрытые высокопрочной сталью, стальные электрические проводники с медным наружным слоем и т.п.
Компания, которая хочет получить прибыль, должна исследовать рынок и прорабатывать потенциальные возможности замены существующей продукции, особенно цветных металлов, сталями и их сплавами. Например, на изготовление тех же проводников тратится гигантское количество дефицитной меди. А ведь делать сплошной медный проводник нет никакого смысла - ведь ток идет только по его поверхностному слою. Если же заместить хотя бы часть рынка сплошных медных проводников стальными проводниками с медным покрытием, это даст огромный рынок сбыта продукции металлургических компаний.
Кроме более агрессивного выхода на уже существующие рынки сбыта, сталелитейная компания должна отслеживать появление новых перспективных технологий и понимать тенденции их развития. Так, одно из перспективных направлений развития черной металлургии - порошковая металлургия. Производство порошков для формования деталей - важный рынок сбыта. Однако недостаточно только следовать запросам рынка при производстве и продаже порошков. Металлургическая компания может активно влиять на развитие этого рынка, если будет вкладываться в совершенствование этой технологии. Увеличения прибылей сталелитейной компании можно ожидать, если объединить в ее рамках, как изготовление порошков, так и производство деталей из них, поставляя на рынок сразу готовые изделия. Конечно, это предполагает более тесное согласование с потребителями конечной продукции и непосредственное участие в разработке новых технологий.
Еще одно направление, которое активно развивается в последнее время, это трёхмерная печать готовых деталей. З-D принтеры обеспечивают недостижимую другими способами точность, сводя к минимуму дополнительную обработку деталей (рис.13). Сейчас для трехмерной печати применяются, в основном, пластики и металлы с низкой температурой плавления. Однако в печати появляются сообщения о том, что для трехмерной печати может применяться и сталь. Технологии развиваются очень быстро, и не успеем оглянуться, как трехмерная печать сталью станет привычным способом получения деталей машин.
Рис.13. Напечатанная стальная структура
Уже сейчас успешно развивается технология 3D-печати SLM (Selective Laser Melting или метод селективного лазерного плавления). В процессе 3D-печати гранулированный стальной порошок распределяется тонким слоем (от 20 μm — 75 μm и до 100 μm) на платформе, которая опускается по вертикали, а печать изделия производится с использованием двойного лазерного луча, расплавляющего порошок слой за слоем, превращая его в однородную металлическую массу. Процедура происходит в закрытой камере с инертными газами (рис. 14).
Рис. 14. Схема принтера 3D-печати по SLM технологии
Маленький трехмерный принтер может стать тем локомотивом, который вытянет к новым рыночным нишам те компании, которые вовремя увидят появление новой технологии и поймут ее возможности для расширения собственного бизнеса.
Вообще, более полное согласование с запросами конечного потребителя - это эффективный путь повышения прибыли предприятий черной металлургии.
Еще один источник дохода сталелитейной компании можно найти, если принять во внимание, что кроме стали и сплавов при производстве стальных изделий образуются и другие продукты, например, шлак и горячая вода.
Шлак широко применяется в строительстве: гранулированный шлак используют для получения шлако-портландцемента, в качестве заполнителя для бетонов, в дорожном строительстве, из шлаковых расплавов вырабатывают минеральную вату, шлаковую пемзу, стекло и стеклокристаллические материалы (шлакоситаллы). Многообещающе использование шлака для получения отливок деталей машин, строительных элементов и т.п. Высокие физико-механические свойства литых каменных и шлаковых изделий позволяют применять их для ответственных конструкций, работающих в тяжелых условиях интенсивного истирания, воздействия агрессивных сред, многократного замораживания и оттаивания.
Представляется целесообразным проведение исследовательских работ по повышению прочности шлакового литья. Например, армирование объемных деталей или покрытие их сталью позволит получить недорогие изделия с высокими прочностными характеристиками.
Шлаки имеют сложный и разнообразный химический состав (встречается до 30-ти химических элементов), что дает возможность добывать полезные элементы для получения дополнительной прибыли.
Горячая вода также может быть использована для растениеводства и рыбоводства в условиях низких температур, получения электроэнергии из бросового тепла и других целей. Интересно, что в некоторых минералогических условиях вода после охлаждения шлака приобретает целебные свойства и может быть использована для лечения различных заболеваний.
Разумеется, в короткой статье невозможно описать все перспективные направления развития продукции черной металлургии. Это большая работа, которую должна проводить сама компания, если она хочет стать лидером в мировой конкуренции.
Один из главных постулатов ТРИЗ гласит:
«Количество ресурсов не ограничено, нужно только увидеть их и правильно использовать».
Это в полной мере справедливо и для черной металлургии.
Важность патентования.
Отслеживать появление новых инновационных технологий, осваивать выпуск новой, инновационной продукции очень важно для металлургической компании, но совершенно недостаточно. Если компания рассчитывает выходить на международные рынки и закрепиться на них, то необходима серьезная работа по созданию, усовершенствованию и патентной защите новых материалов и технологий.
Лучший подход для металлургической компании - как консолидация с другими производителями стали, образование консорциумов, позволяющих концентрировать средства на исследования. Такой консорциум уже может организовывать тесное сотрудничество с компаниями, разработчиками новых технологий.
Важно организовать научно-исследовательскую работу, а также выявление и решение изобретательских задач на всех этапах разработки и производства новых продуктов и инновационных технологий. Это значит, что должна быть организована систематическая работа по решению возникающих задач и созданию новых технологических процессов. Здесь можно вспомнить так называемую «стеклянную сталь», совершенно новый материал с уникальными свойствами. Понадобилось несколько лет, чтобы специалисты нашли путь к широкому производству. Временной отрезок, который заняли исследования, мог бы быть гораздо короче, если бы в металлургической отрасли модернизация в целом и наука в честности занимали достойное место в планируемом бюджете.
Здесь важную помощь может оказать ТРИЗ, поскольку применение ее методик дает возможность систематично организовать инновационный процесс и обеспечить устранение возникающих проблем.
Какие выводы мы сделаем из нашего краткого анализа:
- Дерево эволюции показывает, что увеличение прибыли компании обеспечивается снижением затрат на производство традиционной продукции и повышением ее качества.
- Для повышения качества продукции и снижения затрат передовые сталелитейные компании, например, ПОСКО, активно и эффективно применяют ТРИЗ.
- Важным направлением развития выпускаемой продукции является более полное согласование параметров выпускаемой продукции и требований конечного потребителя.
- Для более полного согласования металлургическая компания должна добиваться высокой степени переработки исходного сырья, в идеале поставляя потребителю готовые изделия, не требующие дальнейшей обработки.
- Металлургическая компания должна отслеживать появление новых технологий получения изделий из металла, и активно участвовать в создании перспективных технологий и в совершенствовании традиционных.
- Ключевым направлением развития металлургии станет разработка, патентование и производство материалов для 3D-печати.
- Для решения изобретательских задач, возникающих при работе с новыми материалами и технологиями большой эффект дает применение ТРИЗ.
- Для конкуренции на международном рынке металлургическая компания должна занимать агрессивную патентную политику, т.е. патентовать как создаваемые материалы, так и новые технологии.
На сегодняшний день металлопрокат является основной огромного количества производств. Арматура, швеллер, листовая сталь, уголок – все это абсолютно незаменимо в строительстве, автомобилестроении, производстве мебели и дверей. Если потратить немного времени и попытаться составить список направлений, где используют металлопрокат, то становится понятно, что список этот на самом деле бесконечный.
Соответственно, нет ничего удивительного, что металлообрабатывающая отрасль всячески старается внедрять достижения науки и техники в процесс обработки металла – чтобы убыстрить и улучшить производство. Это касается и резки металла. Например, если ваша компания занимается изготовлением металлоконструкций, то недостаточно просто купить арматуру , зачастую ее нужно правильно порезать. Самые часто встречаемые станки для такой резки – токарные и фрезерные. Однако в последнее время все более популярными становятся лазерные технологии.
Лазерные станки позволяют не только получить качественный рез, но и произвести деталь очень сложной формы. Это становится возможным потому, что управление процессом идет через компьютерную систему. Как результат – исключаются этапы «доведения» детали и финиширования, что в общей сложности удешевляет производство.
Еще одно преимущество лазерной резки – возможность работы с объемными или листовыми заготовками. Например, резка труб относится к объемным заготовкам. И что самое главное – деталей вы можете изготовить сколь угодно много, и все они будут идентичны и по внешнему виду, и по размеру.
Само собой, лазерные станки также отличаются своими параметрами, характеристики и мощностями. Это вполне оправдано, поскольку продажа металлопроката тоже носит различный по интенсивности и сортаменту характер. Если фирма торгует только листовой сталью, то нет смысла приобретать лазерный станок для объемной резки за повышенную цену. Гораздо эффективнее приобрети станок для лазерной листовой резки, с одной стороны, сэкономив деньги, с другой – существенно расширив спектр услуг для клиентов.
Сегодня лазерная технология дает возможность быстро получить нужное количество деталей при вполне адекватных затратах на их изготовление. А поскольку управление происходит на уровне компьютера, достаточно всего одного специалиста, контролирующего процесс.