Металлургия будущего: что ждет отрасль в эпоху 4-й промышленной революции

«Металлургия – традиционная и консервативная отрасль». Довольно часто такие заявле­ния можно услышать с высоких трибун конференций. Да, биз­нес металлургов зависит от сотен химических и физических про­цессов, строительство доменной печи может занять несколько лет, а сталь как материал начали использовать еще до нашей эры. Но те, кто упрекает металлургию в консерватизме, скорее всего, давно не были на современном производстве, где цифровые технологии уже давно стали частью производственных процессов. Но мир меняется очень быстро, и успевать за скоростью изменений – это настоящий вызов для многих.

Для планирования будущих инноваций требуется серьезная ана­литическая работа и системный подход, ведь ставки очень высоки. Так формируется настоящая инновационная экосистема, в которой, как в экосистеме биологической, каждый элемент связан друг с другом и влияет на общее развитие и процветание.

Как эта система работает в Группе НЛМК?

В компании за развитие и внедрение новых технологий отвечает инновационный блок, состоящий из нескольких центров компетен­ций, а принять участие в инновационном проекте может каждый сотрудник компании.

В дирекции по исследованиям и разработкам (R&D) работают над улучшением свойств существующих сталей, разработкой новых марок и новых технологий производства стали.

В дирекции по цифровой трансформации создают условия для эффективной работы продуктовых команд, раскрывающих цифровой потенциал производств и функций.

В Лаборатории инноваций заняты поиском инновационных реше­ний по широкому спектру направлений и технологий, которые необ­ходимы дивизионам и функциям компании для решения их реальных проблем. В том числе применяется формат открытых инноваций – работа с внешними партнерами: венчурными фондами, институтами развития и другими профильными центрами экспертизы.

Получается, что уже сейчас в Группе НЛМК очерчивают тот кон­тур будущего, в котором металлургия будет развиваться в следующие десятилетия. Давайте посмотрим, с какими основными трендами специалисты компании связывают возможное развитие нашей отрасли.

Все самое интересное и уникальное мы публикуем в альманахе «Управление производством». 300+ мощных кейсов, готовых к использованию чек-листов и других полезных материалов ждут вас в полном комплекте номеров. Оформляйте подписку и получайте самое лучшее!

ПРИМЕНЕНИЕ РОБОТОТЕХНИКИ

Роботы, которые нас интересуют, не имеют ничего общего с двуногими машинами-киборгами из голливудских фильмов. Заводы будущего заинтересо­ваны в промышленных роботах (тех, что помогают автоматизировать производ­ственный процесс, главным образом это манипуляторы) и в роботах сервисных (эти выполняют полезную работу для людей и оборудования). Металлургам новой про­мышленной эры пригодятся активные экзоскелеты, роботы-уборщики, логисти­ческие роботы, автономные самосвалы и беспилотные летательные аппараты для мониторинга состояния дорог в карьерах.

В металлургии, где люди могут выпол­нять довольно опасные операции, идея заменить человека на робота будет актуальной еще долго. «Железный металлург» сможет взять на себя самые рискованные процессы: работу с горячим металлом, дви­жущимися элементами станков, работу с превышением физической нагрузки. В НЛМК уже есть несколько действую­щих роботов: они отбирают пробы стали на НЛМК-Калуга и НЛМК-Урал.

Четыре D роботизации

Эксперты Международной федерации робототехники определили типы задач, для которых целесообразно применять робототехнику.

1. Dull (утомительные): повторяющиеся и утомительные задачи с типовым алгоритмом, который роботы прекрасно умеют выполнять (сортировка предметов, сборка и сварка типовых деталей).
2. Dirty (грязные): задачи, связанные с пребыванием в неприятных условиях труда, которые просто должны быть сделаны и от которых людей можно освободить (канализационная разведка, доение коров, вскрытие и разведка шахт).
3. Dangerous (опасные): задачи, связанные с риском для здоровья и жизни человека (обезвреживание мин, работа с горячим металлом, манипуляции с радиационно зараженными объектами).
4. Dear (дорогие): этот пункт был добавлен Эндрю Макафи и Эриком Бриньолфсоном в их книге «Машина, платформа, толпа. Наше цифровое будущее». Словом «дорогие» они определили ответственные операции, где использование роботов позволяет сократить издержки или повысить эффективность процессов.

3D-ПЕЧАТЬ

Современный 3D-принтер – это уже не игрушка для производства сувени­ров из пластика. Сейчас его исполь­зуют во множестве отраслей, и работать он может с самыми разными материа­лами: металлом, полимерами, формовоч­ным песком, керамическим порошком и так далее. Неудивительно, что рынок 3D-принтеров сегодня уже превышает $10 млрд.

В черной металлургии 3D-печать при­меняется преимущественно в ремонтных комплексах. Из-за огромной номенкла­туры деталей (а это тысячи позиций) их зачастую эффективнее делать самим, чем закупать у стороннего производителя, ждать изготовления и доставки на пло­щадку. А если использовать инженерное 3D-моделирование, то можно дополнительно оптимизировать геометрию детали, например, снизив вес или улуч­шив систему каналов охлаждения. Все это позволит напечатать новую деталь, не выходя из цеха.

Так, в фасонно-литейном цехе НЛМК сейчас осваивают технологию 3D-печати песчаных форм для литья деталей. Это позволит сократить затраты на закупку дорогостоящих запасных частей, в том числе со сложной геометрией.

НОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Ни одно промышленное предприятие не сможет работать без использования энергии, а в металлургии доля затрат на топливно-энергетические ресурсы может достигать 30% и более. Наша отрасль – одна из самых энергоемких в промышленности, поэтому основной вектор развития энергетики в метал­лургии – это сокращение затрат на энер­госнабжение, в первую очередь за счет повышения энергоэффективности техно­логических процессов.

«Но несмотря на то, что водородная энергетика – это скорее реальность следующего десятилетия, мы уже сейчас внимательно изучаем технологии производства водорода и его использования как топлива для металлургических агрегатов»

ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Здоровье и жизнь сотрудников – ключе­вая ценность для Группы НЛМК, поэтому компания также ищет инновации и в этой сфере. В этом направлении уже появ­ляется множество интересных проек­тов. Например, существуют алгоритмы, которые по изображению с камер видео­наблюдения способны определить, есть ли у рабочего необходимые средства защиты. Есть системы, которые помо­гают контролировать режимы сердечного ритма у работников. Рабочий надевает футболку с кардиоэлектродами, кото­рая подключена к смартфону беспровод­ным способом. Если у него начинаются проблемы с сердечным ритмом, смарт­фон передаст эту информацию на меди­цинский операторский пульт. В НЛМК уже проводятся испытания системы, которая предотвращает столкновение кранов с препятствием. Она построена на базе радиочастотных излучателей: обмениваясь сигналами, они определяют расстояние до объекта и скорость крана, останавливая его в случае опасного сбли­жения. Испытывали в компании и сис­тему, которая контролирует появление персонала в опасных производственных зонах: специальные трекеры, встроенные в каску или браслет, показывают местопо­ложение сотрудника на 3D-плане помеще­ния. Появилось даже решение на основе браслета и технологии Bluetooth Low Energy 5.0 – браслет сигнализирует, если его хозяин нарушает социальную дистан­цию, а также фиксирует время, дату и уни­кальный идентификатор сотрудника. Это помогает восстановить его маршрут в слу­чае распространения заражения.

ВИРТУАЛЬНАЯ И ДОПОЛНЕННАЯ РЕАЛЬНОСТЬ

Такие технологии используются не только в игровой индустрии, но и в обучении, медицине, промышленности. По оценке экспертов, мировой рынок этих техно­логий в 2020 году приблизится к 20 млрд долларов. Конечно, не останется в сто­роне и металлургия. Уже сегодня, исполь­зуя очки виртуальной реальности, можно смоделировать глубокое визуальное погружение в ситуацию, где человек ста­новится участником опасного инцидента, операции или технологического процесса и учится на них правильно реагировать. У технологий дополненной реальности большой потенциал в техническом обслу­живании и ремонтах: они позволяют выводить на очки технологическую карту или видеоинструкции. Так уже работают в Boeing: там дополненную реальность использовали для установки проводного соединения электрических и электрон­ных компонентов систем управления самолета Freighter 787-8.

В ремонтной службе НЛМК сейчас прорабатывается проект «Цифровой рабочий». Он предназначен для помощи специалистам, эксплуатирующим слож­ное оборудование. На экран специальных очков выводится инструкция по работе с оборудованием и последовательностью шагов. Также в очки встроена камера: то, что видит рабочий, она в реальном вре­мени передает на монитор удаленного эксперта. При этом эксперт может помочь рабочему, находясь на любом расстоя­нии. Таким образом сокращается количе­ство ошибок при эксплуатации и ремонте оборудования.

ПРЕДИКТИВНАЯ АНАЛИТИКА СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

Работа любого промышленного оборудо­вания имеет массу параметров: количе­ство потребляемой энергии, температура агрегата и его отдельных элементов, ско­рость вращения и вибрации подвижных узлов, химия и физика внутренних жидко­стей и газов и многое другое.

Накопив определенное количество значений этих параметров за долгий срок работы оборудования, можно установить их зависимость друг от друга. Кроме того, можно понять, что произойдет с оборудо­ванием в будущем, если параметры нач­нут менять свои значения. Занимаются такой аналитикой специальные цифровые алгоритмы, благодаря которым можно точнее планировать ремонты, прогнози­руя состояние оборудования, и сократить риски внеплановых простоев. На Новоли­пецком комбинате уже сегодня на мотал­ках стана 2000 испытывается комплекс предиктивной вибродиагностики. Он определяет динамику развития дефек­тов во времени и срок перехода дефекта в критическое состояние.

СТАЛЬ БУДУЩЕГО: КАКОЙ ОНА БУДЕТ

Все тренды, о которых мы писали выше, касаются работы металлургических пред­приятий. Но сохранится ли вообще наша отрасль промышленности в далекой пер­спективе? Останется ли у общества буду­щего потребность в стали или ее вытеснят другие материалы? Эксперты успокаи­вают: пока стали можно не бояться своих ближайших конкурентов. А если исследо­вания по поиску новых свойств стали будут продолжаться, она и вовсе сумеет надолго остаться в звании материала номер один.

Преимущества легких сплавов и композитов – меньшая масса, но они проигрывают стали по целому ряду меха­нических характеристик. Керамика имеет высокую износо- и жаростойкость, но при этом очень хрупка и не выдер­живает циклических нагрузок; пла­стики – легки и пластичны, но имеют пониженную прочность, а также легко разрушаются под воздействием темпе­ратуры. Сталь же, помимо существенно больших объемов производства при мень­шей себестоимости продукции, сочетает в себе все перечисленные характери­стики и по общей совокупности свойств не имеет аналогов. Поэтому ее опреде­ленно можно считать материалом буду­щего. Причем это будет сталь с самыми разными свойствами: уже сейчас ведутся разработки, которые позволят созда­вать стали с необходимым для того или иного применения уровнем свойств. Недавно было подсчитано, что в своем развитии производство стали за послед­ние 20 лет прошло больший путь, чем за весь ХХ век. Поэтому сейчас в мире наблюдается обратная тенденция: сталь начинает вытеснять другие материалы из отдельных областей. Так, разработка сверхвысокопрочных сталей (AHSS, TRIP, TWIP) и новых технологий их обработки позволила значительно облегчить массу деталей кузова автомобиля. Это привело к заметному сокращению применения легких сплавов и композитов в автопроме.

В современном материаловедении уже сейчас немало тенденций, которые раньше считались невозможными. Например, чтобы сталь не ржавела, к ней в процессе выплавки традиционно добавляют очень дорогие ниобий, титан и ванадий. Оказа­лось, что их все можно заменить на медь. При определенных условиях термической обработки в стали образуются частицы уникального соединения с железом – пере­насыщенного твердого раствора меди в решетке железа. Наночастицы меди рас­пределяются по объему стали и дают ей точно такую же стойкость к коррозии, как и более дорогие добавки. Такое управляемое формирование наночастиц в объеме стали – один из перспективных трендов отраслевого материаловедения, который активно развивается.

Не исключено, что металлургия будущего начнет работать со сталями, у которых будут и другие уникальные свойства, – их появление зависит от того, какие качества стали окажутся востре­бованы у наших клиентов. Например, аморфные стали – это стали, не имеющие кристаллической структуры, но обладающие предельно низкими магнитными потерями до 0,2 Вт/кг.

Развитие металлургической отрасли не может идти отдельно от других: метал­лурги должны не только решать текущие задачи, но уже сейчас думать о будущем вместе с клиентами. Инновации – откры­тая экосистема: в мире, где налажен обмен информацией, совместное экс­пертное изучение проблем и аналити­ческое прогнозирование, вы не только не отстанете от прогресса, но и окажетесь в его авангарде.

МНЕНИЯ

Сергей Чеботарев , вице-президент по энергетике, куратор инновационного и экологического блока компании НЛМК:

–  Есть несколько ключевых трендов, которые определят дальнейшее развитие отра­сли: водородная энергетика, утилизация вторичного тепла металлургических процессов, использование возобновляемых источников и хранение энергии. Каждый из них несет в себе огромный потенциал.

Энергоэффективность нераз­рывно связана с климатиче­ской повесткой, так как снижение энергопотребления, в первую очередь углеводородов, сокра­щает эмиссию парниковых газов. В последнее время и в черной металлургии, и в энергетике всё чаще стали говорить о водороде как топливе будущего. Главная ценность от применения водорода в металлургии – это возможность отказаться от использования угле­родсодержащих видов топлива (уголь, кокс, природный газ). Ориентация на проекты водо­родной металлургии становится долгосрочным трендом. Напри­мер, в рамках инициативы HYBRIT (участники – компании SSAB, LKAB, Vattenfall) планируется начать производство стали с применением водорода в 2035 году. Однако водород пока обходится дороже, чем углеродсодержащее топливо, а реального снижения эмиссии СО2 можно достичь только при использовании «зеленой» энер­гии из возобновляемых источни­ков для производства водорода. Но несмотря на то, что водородная энергетика – это скорее реальность следующего десятилетия, мы уже сейчас внимательно изучаем тех­нологии производства водорода и его использования как топлива для металлургических агрегатов.

Следуя принципам минимиза­ции воздействия на окружающую среду и повышения эффективности использования ресурсов, мы также регулярно оцениваем варианты эффективной утилизации вторич­ных энергоресурсов на площадках Группы. Так, например, в метал­лургических процессах существует множество источников вторичного тепла (слябы, шлаки, нагреватель­ные печи, дымовые газы), которое можно использовать для выра­ботки тепло- или электроэнергии для нужд предприятия. Крупней­ший инвестиционный проект Стра­тегии 2022 – новая утилизационная электростанция – пример такой технологии, в качестве топлива она будет использовать вторичные металлургические газы.

Вопрос накопления и хранения электроэнергии также находится на повестке дня. Соответствующие технологии активно развиваются, стоимость хранения снижается, а объемы накопителей растут. Поэтому мы также мониторим технологические тренды в этой области и регулярно оцениваем возможность применения соот­ветствующих решений в рамках Группы.

Анна Коротченкова, директор по исследованиям и разработкам Группы НЛМК:

–  Можно уверенно сказать, что в будущем сохранится спрос на высокопрочные стали. Приведу пример: Tesla Cybertruck, футури­стический пикап от Tesla, пред­ставленный в ноябре 2019 года, полностью изготовлен из сверх­высокопрочной стали. Кузов автомобиля изготовлен из сверх­твердой холоднокатаной нержа­веющей стали 30Х. Маск уточнил, что 30Х – это условное обозна­чение новой марки стали 300-й серии, которая для повышения прочности подвергается много­стадийной закалке. Такая сталь должна штамповаться на прессе – кузов Tesla Cybertruck сделан из единого листа толщиной 3 мм, сложенного в нескольких местах. Даже сгибание требует глубокого зазора на внутренней стороне изгиба. Такое вот оригами для взрослых.

Будут востребованы стали с повышенной коррозион­ной стойкостью. Это, например, атмосферостойкие стали, стали, стойкие в различных грун­тах, или те, которые используют для транспортировки корро­зионных сред, таких как газ и нефть. Большой потенциал есть у направления по производству проката с различными функциональными покрытиями. Например, самовосстанавливающиеся покрытия или антибактериаль­ные. Это позволит увеличить срок эксплуатации изделий из такого проката. Еще одно важное направление – энергогенерация и энергосбережение. В НЛМК уже сейчас идут работы по созданию покрытий на стальную черепицу, которые способны под действием солнечного света вырабатывать электроэнергию.

Управляемое формирование наноразмерных частиц в объеме стали – это тренд современ­ного материаловедения, кото­рый является многообещающим и активно развивается.