Доклад по теме "Инновационные материалы в металлургии"

Тульский государственный машиностроительный колледж  им. Н. Демидова

Использование инновационных материалов в черной металлургии

Черная металлургия производит продукцию являющуюся сырьем для машиностроения следовательно современные инновационные технологии в этой области оказывают прямое влияние на достижения машиностроения. Сырье в металлургии - это материалы, которые используются для производства металлических изделий.          

Одним из основных источников сырья для чёрной металлургии является руда железа.

В настоящий момент руду  заменяют следующими альтернативными материалами:
1 металлические отходы: отходы стали, чугуна и других металлических изделий могут быть использованы для производства чугуна;
2 вторичные источники железа: железо из вторичных источников, таких как переработка отходов стали, сбрасывание и переработка чугунных изделий или демонтаж строительных конструкций;
3 железное глиноземистое сырье: такие материалы, как хромит, магнетит или сидерит,  используются вместо руды для выплавки чугуна;
4.различные присадки: железо карбид, железо фосфат, сплавы марганца и другие, помогают улучшить качество чугуна и компенсировать отсутствие руды.
    Важно отметить, что замена руды требует дополнительных изучений и испытаний, чтобы определить подходящие альтернативные материалы и оптимальные условия для их использования.

Вторичная переработка металлолома представляет собой процесс извлечения материалов из отходов, которые содержат металлы. Этот процесс имеет несколько целей: уменьшение зависимости от первичных источников металла, сокращение расходов на добычу новых ресурсов, обеспечение устойчивости предложения металла и снижение негативного влияния на окружающую среду, связанного с добычей и переработкой новых металлических руд.
     Процесс вторичной переработки металлолома начинается с его сбора и сортировки. Сбор металлолома может осуществляться через контейнеры для мусора на улицах, посредством отдельных пунктов приема или специализированных предприятий по сбору отходов. После сбора металлолом подвергается сортировке, где различные металлы отделяются друг от друга для последующей переработки.
     Следующий этап - переработка самого металлолома. Он может быть предварительно обработан для удаления загрязнений, таких как грязь, покрытия или краска. Затем, металлолом подвергается различным технологиям переработки в зависимости от типа металла, его состава и требуемого конечного продукта.

     Одним из наиболее распространенных методов переработки металлолома является плавка. При этом металлолом нагревается до очень высокой температуры, чтобы расплавить его, и затем происходит отделение чистого металла от примесей. Этот метод позволяет снова использовать металл для производства новых изделий.
    Другие методы переработки металлолома включают механическую обработку, в которой отходы металла измельчаются и сортируются с использованием специального оборудования, чтобы получить первичные сырьевые материалы для производства.
     После процесса переработки полученные материалы могут быть переданы на производство новых изделий, таких как строительные материалы, автомобильные детали, предметы бытового и промышленного назначения и т.д.
    Вторичная переработка металлолома является важным шагом в устойчивом использовании ресурсов и защите окружающей среды. Этот процесс позволяет повторно использовать металлы, а не добывать новые из природных источников, что снижает экологическую нагрузку и экономические затраты.

Порошковой металлургией перспективная область техники, включающая процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений, а также изготовления из них изделий без расплавления.

Основными достоинствами порошковой металлургии (как метода изготовления материалов и изделий) являются следующие:

методы порошковой металлургии позволяют изготавливать материалы и изделия из этих материалов, которые традиционными способами получить (практически) не удается. Пористые материалы, жаропрочные, инструментальные композиции, материалы со специальными свойствами могут быть получены только ее методами;

возможность использования отходов металлургического и машиностроительного производства (окалина, стружка, гальванические шламы и т. п.) в качестве исходного сырья для производства порошковых изделий;

возможность существенного снижения отходов за счет производства изделий с размерами, близкими к окончательным, и исключение обработки резанием.

Типовая технологическая схема получения изделий методами порошковой металлургии включает следующие операции:

производство порошков металлов и других материалов;

формование заготовки из порошка (со связкой или без нее) путем прессования или свободной насыпки;

спекание заготовки при температуре ниже температуры плавления основного компонента;

дополнительная обработка спеченного изделия (механическая обработка, пропитка, нанесение покрытий, калибрование и др.).

Приведенная технологическая схема позволяет, во-первых, изготавливать порошковые материалы и изделия с такими составами, структурами и свойствами, которые невозможно получить традиционными металлургическими методами (литьем, обработкой давлением, термообработкой) и, во-вторых, изготовлять изделия с заданными составами, структурой и свойствами, но с существенно меньшим расходом материалов и более точными размерами.

К недостаткам порошковой металлургии можно отнести:

ограниченность в выборе форм и размеров изготавливаемых изделий и заготовок;

сравнительно невысокое рафинирование по примесям, что, например, препятствует использованию методов порошковой металлургии в изготовлении монокристаллов и полупроводников.

Однако эти недостатки могут быть устранены за счет изготовления составных изделий или применения комплекса технологических процессов, включающих наряду с порошковой металлургией другие технологии.

Следует отметить, что наиболее широко применяются в изделиях порошковой металлургии порошки из различных металлов и сплавов.

Наиболее распространенными видами порошковых изделий являются конструкционные детали, применяемые в машинах, механизмах и приборах. В зависимости от условий работы порошковые конструкционные детали подразделяют на ненагруженные, мало-, средне- и сильнонагруженные. Типовыми деталями из порошковых конструкционных материалов являются шестерни, кулачки, звездочки, зубчатые колеса, накладки, шайбы, колпачки, заглушки, храповики, накладные и специальные гайки, крышки, фланцы, седла и корпуса клапанов, статоры, диски и роторы насосов, муфты, кольца, ограничители, а также детали мерительных инструментов и другие детали сложной конфигурации, применяемые в приборостроении и различных отраслях машиностроения. Детали могут выпускаться в виде готовых изделий или заготовок, которые требуют незначительной механической обработки. Решение об изготовлении деталей машин и приборов методами порошковой металлургии принимается исходя, в основном, из экономических соображений (главную роль здесь играет стоимость пресс-форм).

Ненагруженные и малонагруженные конструкционные детали изготавливают из углеродистой стали. Их получают из смеси порошков железа и графита.

При изготовлении шестерен традиционными методами литья и механической обработки в стружку уходит до 60 % высококачественного металла. Метод порошковой металлургии позволяет, в основном, устранить этот недостаток и имеет даже некоторые дополнительные преимущества, заключающиеся в изготовлении шестерен с определенной пористостью (5…15 %) и пропитывании их маслом, которое образует с имеющимся в спеченной шестерне свободным графитом, коллоиднографитовую смазку, удерживаемую в порах силами поверхностного натяжения. Благодаря наличию пропитанных маслом пор, уменьшается износ и снижается шум при работе шестерен.

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?

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.

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.

Далее проволока тоже может быть раздроблена на кусочки для получения стальной дроби, гранул, крупного и тонкого порошка.

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  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.

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.

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.

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

Что касается листовой стали, то структуризация материала происходит путем добавления слоев. Здесь прослеживается линия монобиполи различных компонентов, которая заключается, прежде всего, в том, что на поверхность листа наносят различные 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.

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  эволюции поверхности . Винтовые нарезки, ортогональные выступы, наклонные выступы, звездочки, чередование выступов и впадин – различная форма поверхности дает возможность выбрать самый подходящий тип арматуры.

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.

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.

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 позволит 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

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.

Еще одно перспективное направление – создание солнечных термальных электростанций

Колонна окружена большим количеством зеркал, которые концентрируют солнечный свет на емкости, нагревая находящееся там вещество до высокой температуры.

Здесь просматривается возможность изготовления зеркал из стальных пластин с полированной поверхностью.

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.

Заключение

Сталь и чугун являются ключевыми материалами, обеспечивающими надежность и эффективность машин и оборудования в различных отраслях, таких как автомобильная, авиационная, энергетическая и многие другие. Инновации в черной металлургии позволяют получать новые легированные стали и чугуны, а. также  создают более совершенные изделия с улучшенными характеристиками и свойствами.