Вектор развития№2 Ноябрь 2018

 

Прогресс в металлургии сможет обеспечить широкое использование улучшенных сталей в конструкции самых передовых изделий и сооружений, гарантируя им успешное будущее.

Из стальных «чернил»

 

Говоря о технологичности современных сталей, не стоит забывать и об их эстетических свойствах, которые являются незаменимыми для многих дизайнеров и архитекторов. Например, в оформительских целях сейчас активно используется декоративная нержавеющая сталь, которая хорошо подходит для украшения мест общественного пользования.

Среди практических преимуществ этого материала дизайнеры выделяют возможность его использования без дополнительной защиты поверхности и легкость очистки металла, которая очень важна во время эксплуатации.

Если же говорить про широту художественных возможностей при работе с нержавейкой, то здесь специалисты подчеркивают ее высокую пригодность для шлифования и текстурирования, что открывает значительный потенциал для создания оригинального дизайна. Интересно, что современные технологии позволяют менять даже цвет металла, благодаря чему он может имитировать золото и бронзу либо принимать строгие темно-синие и черные тона.

Особенно активно декоративная сталь используется для оформления гостиниц, ресторанов, торговых центров, зданий вокзалов и аэропортов, а также станций метрополитена.


 

Современный рынок отличается крайне высоким уровнем конкуренции, который стимулирует компании постоянно заниматься созданием более современной продукции, отвечающей новым требованиям и постоянно растущим запросам потребителей. В этих условиях приоритетной задачей производителей становится снижение технологического плеча изготовления деталей. Один из наиболее передовых способов ее решения – применение промышленных 3D-принтеров. Серийное изготовление 3D-принтеров по металлу началось в конце 1990-х – начале 2000-х годов (первые образцы были сделаны немецкой компанией EOS). На возможности этих устройств сразу же откликнулись авиастроители, а за ними подтянулись изготовители автомобильных двигателей, производители медицинских имплантатов и других изделий.

«Однако использовать преимущества 3D-принтеров можно только при условии наличия качественного исходного сырья, которым является специальная порошковая нержавеющая сталь. Именно к ней изготовители устройств предъявляют особенно высокие требования: частицы исходного порошка должны обладать необходимым диамет­ром (25–30 микрон), сферичностью и низкой шероховатостью», – отметил начальник отдела аддитивных технологий РИЦ УрФУ Алексей Меркушев.

Такое строгое нормирование связано с тем, что процесс печати необходимо максимально стабилизировать. «Причем важен не только материал, но и температурные условия, состав атмосферы внутри камеры и некоторые другие парамет­ры. Именно такой подход позволяет добиваться высокого качества изделий, которое не будет меняться от партии к партии», – добавил эксперт.

В настоящее время металлические порошки с необходимыми характеристиками производит ряд российских металлургических компаний, в частности ПАО «Северсталь», «РУСАЛ», «Полема» и др. Сами же 3D-принтеры разрабатываются специа­листами Регионального инжинирингового центра Уральского федерального университета.

 

В первую очередь на увеличение спроса повлияла возможность ускорения существующих производственных процессов. Например, если по стандартной схеме авиационный двигатель раньше изготавливали за 10 лет, то благодаря аддитивным технологиям у крупных компаний получилось снизить это время до двух лет. Кроме того, 3D-печать не требует дополнительного оснащения, которое необходимо при таких традиционных методах производства, как литье, ковка и штамповка, что позволило компаниям сократить издержки.

3D-принтеры, разработанные специалистами Регионального инжинирингового центра УрФУ, более чем на 70% состоят из отечественных комплектующих, в том числе таких сложных, как источники лазерного излучения, производимые на подмосковном заводе НТО «ИРЭ-Полюс». Стоит отметить, что еще 15 лет назад КПД источников лазерного излучения, применяемых для 3D-печати, был не больше 5%. Сегодня же этот показатель превышает 35%, что делает аддитивное производство металлических деталей относительно экономичным.

Алексей Меркушев

начальник отдела аддитивных технологий РИЦ УрФУ

Вместе с тем существуют и барьеры, которые замедляют внедрение 3D-принтеров. Среди них – недостаточно развитая нормативная база по использованию новой техники на производстве и проверке качества конечной продукции, а также нехваткма квалифицированного персонала. Но все эти проблемы вполне разрешимы. В частности, несколько лет назад в УрФУ был открыта специальность «композиционные материалы и аддитивные технологии», первый выпуск которой будет уже в этом году. Кроме того, при университете есть курсы повышения квалификации, где целевое обучение проходят уже действующие сотрудники предприятий, внедряющих аддитивные технологии в производство.

Расчищая путь

Если технологии и материалы для 3D-печати металлами с успехом развиваются во всем мире, то в области создания таких решений, как морозостойкие стали, лидируют именно российские разработчики. Главной причиной этому служит стремление страны к освоению Арктики, для которой необходимо активно развивать ледокольный флот.

 

Сейчас в России строится сразу три суперледокола проекта 22220 («Арктика», «Сибирь» и «Урал»), корпуса которых будут сделаны из новейших морозостойких сталей, разработанных ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей». Впервые они были представлены в конце 2017 года на международной выставке «Материалы и технологии для Арктики».

Качество стали, которая используется при строительстве судов, имеет решающее значение из-за того, что она непрерывно подвергается воздействию морской воды, больших перепадов температуры, конструкции судов испытывают постоянные динамические нагрузки. Продукция компании «Металло инвест» полностью удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым судостроителями к стали. Она прошла все необходимые испытания и имеет стабильный химсостав, который соответствует международным стандартам и требованиям Российского морского и Российского речного регистров.


Сейчас в России строится сразу три суперледокола проекта 22220 («Арктика», «Сибирь» и «Урал»), корпуса которых будут сделаны из новейших морозостойких сталей

Главной особенностью производства инновационных Arc-сталей стали технологии, которые позволяют добиться максимально однородной структуры материала по всей толщине проката, состоящего из нескольких слоев, между которыми отсутствует какое-либо химическое взаимодействие.

Именно эти нововведения позволили металлургам проводить термомеханическую обработку листов, толщина которых доходит до 150 мм. В результате получилось достигнуть небывалого ранее соотношения высокой прочности и пластичности, параметры которых можно задавать в зависимости от задач производства.

Также важно отметить, что новая технология позволяет минимизировать количество используемых легирующих добавок (например, молибдена и никеля), необходимых для изготовления сталей предыдущих поколений. Таким образом, степень легирования стали для Арктики составляет всего 1%, что означает значительное снижение ее себестоимости по сравнению с аналогами.

Корпусные детали из нового материала будут обладать высокой прочностью и стойкостью к воздействиям экстремальных температур, что позволит кораблям успешно проходить через обширные ледовые поля.

 

Другое перспективное решение ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» – дополнительное (внешнее) покрытие нижней части корпуса ледоколов нержавеющей сталью с максимальной стойкостью к истиранию и активной катодной защитой от блуждающих токов. Оно уже было использовано 10 лет назад в конструкции атомного ледокола «50 лет Победы». По словам специа­листов, за весь срок эксплуа­тации корабля его обшивка истончилась всего на несколько микрон, тогда как стандартный износ достигает 3–4 мм за сезон.

По хладостойким сталям мы точно впереди планеты всей. Скажем, если использовать корейскую сталь для корпусов газовозов, работающих во льдах, их масса вырастет настолько, что они будут нерентабельны. Такой корабль никому не нужен. А мы можем предложить хладостойкие материалы для строительства любого корабля, и он получится намного легче при сохранении прочности конструкции, не говоря уже о высокой стойкости к низким температурам и коррозии.

Алексей Орыщенко

глава ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей», доктор технических наук

Однако одним только судостроением использование инновационных сталей «Прометея» не ограничивается. В частности, из них был сделан корпус ледостойкой добывающей платформы «Приразломная», которая стала первой в своем роде. На этом объекте используются трубы, которые по технологиям института были произведены Ижорским трубным заводом. Если же говорить про использование новых изделий на материке, то аналогичная продукция применялась при строительстве газопровода Бованенково – Ухта, который рассчитан на суровые условия работы.

«Наши специалисты изучили многочисленные образцы зарубежных трубных сталей, широко применяемых для транспортировки газа. Через пять-шесть лет эти трубы начинают ржаветь и нередко разрушаются. Наша труба на 10–15% дороже продукции, изготовленной из импортных пластин, зато мы даем гарантию газовикам на 25 лет ее безаварийной службы», – подчеркнул Алексей Орыщенко.

Опытная плавка

Для проведения успешных научно-практических исследований и создания новых марок стали особенно важно развивать сотрудничество научных организаций и промышленных предприятий. Ярким примером этого является сталеплавильная лаборатория, которая была открыта в рамках совместного проекта Металлоинвеста и института НИТУ МИСиС на базе Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК).

Сегодня в лаборатории идут эксперименты в рамках разработки ряда специальных сталей и сплавов сложного состава. Возможности по созданию вакуума в рабочей камере печи, а также созданию в ней инертной среды позволяют специа­листам исключить из металла примеси и получать на выходе очень чистые сплавы, которые можно отнести к продукции специальной металлургии. Возможности вакуумной индукционной печи практически безграничны.

Мы можем плавить абсолютно любые сплавы и делать разработки в области черной и цветной металлургии, но наша главная задача – выполнение заказов для компании «Металлоинвест», в частности для ОЭМК.

Николай Репников

заместитель директора по науке и инновациям СТИ НИТУ МИСиС

После выплавки образцы полученных материалов поступают в ремонтно-механический цех и техническое управление ОЭМК, где проводится их тщательное исследование.

Важно, что, помимо научно-производственного сотрудничества, Металлоинвест и НИТУ МИСиС взаимодействуют и в рамках образова тельного проекта. Так, в настоящее время одна из групп НИТУ МИСиС обучается специальности «экономика и управление промышленными предприятиями» по программе, которую совместно разработали преподаватели института и специалисты ОЭМК. При этом студенты группы получают не только знания, но и реальный практический опыт, проходя производственную практику на предприятии Металлоинвеста.


В рамках совместного проекта Металлоинвеста и института НИТУ МИСиС на базе ОЭМК была открыта сталеплавильная лаборатория

«Студенты СТИ НИТУ МИСиС – это будущие кадры для ОЭМК и Металлоинвеста в целом, – отметил директор по производству УК «Металлоинвест» Андрей Угаров. – Мы заинтересованы в том, чтобы они выходили из стен института грамотными, подготовленными специалистами. И наша задача – создать необходимые условия для их обучения. По сути, инвестиции в МИСиС – это инвестиции в будущее отрасли».

Скачать номер целиком