Чем в будущем заменят металл
Производители стали ищут ей замену
В 2019 г. в мире было произведено 1,9 млрд т стали, доля российских компаний – почти 4%. Более 70% ее потребляется в строительстве, остальная – в автопроме, машиностроении, энергетике. В перспективе сталь будет полностью или большей частью вытеснена новым материалом, уверен старший советник Bain & Company Игорь Бучацкий. Этот материал будет способен выполнять те же функции, что и сталь, но для его производства не нужны будут металлургические заводы в том виде, в каком они сейчас существуют. Вопрос лишь в том, когда это произойдет, предостерегает Бучацкий.
Другая ключевая задача – полностью менять технологию производства стали из-за экологического давления, подчеркивает Бучацкий. В течение 10 лет технологии производства стали должны измениться на водородную или менее популярную электролизную (по аналогии с технологией производства алюминия) – это два пути, которые отрасль изучает, согласен Гоголев. В природе железо встречается в основном в окисленной форме и существующие технологии подразумевают использование углерода из коксующегося угля, чтобы «оторвать» кислород от железа, объясняет он. В этом процессе неизбежно возникает огромное количество углекислого газа. Отрасль ищет новые способы избавиться от кислорода, но хорошего промышленного технологического решения пока нет, замечает он. Первый возможный вариант – замена кокса водородом, который будет служить восстановителем железа вместо углерода. «Уже сейчас есть эксперименты по вдуванию водорода в домны и несколько проектов по разработке принципиально новых печей. Такие эксперименты есть у европейских компаний», – продолжает Гоголев, главная проблема такой технологии – где в таких количествах взять водород и как его хранить, эту проблему пока никто не решил.
Почему никель стал «зеленым» металлом будущего?
В условиях глобального климатического кризиса и тренда на более осознанное отношение к окружающей среде «зеленая» энергия станет самым перспективным направлением бизнеса на ближайшие десятилетия.
А все альтернативные источники и материалы для «экологичной» энергии превратятся в «новую нефть». В апрельском выпуске британского журнала MiningMagazine инвестор Кенес Ракишев размышляет о перспективах металла, без которого не было бы и современных гаджетов.
Только за 2019 год развитие и вложения в альтернативную энергетику позволили создать 11 миллионов новых рабочих мест по всему миру. А глобальная пандемия COVID-19 еще больше подстегнула ученых и инвесторов думать об альтернативных источниках энергии, бережливому отношению к природе и сохранению экологии. Если те цели и программы, которые сегодня наметили для себя мировые лидеры в экономике, будут реализованы, уже к 2030 году мы получим 1.041 Гигаватт из возобновляемых источников энергии, а генерация «зеленой энергии» вырастет на 42% относительно сегодняшних мощностей.
На сегодняшний день общемировые инвестиции в энергетику с низким содержанием углеродов выросли до беспрецедентных размеров. Целые секторы экономики постепенно переходят от ископаемых источников энергии к электричеству, получаемому с помощью новых технологий. Электродвигатели становятся главным трендом, причем не только в автомобилестроении. И ключевым аспектом в процессе этого перехода станет повышение спроса на металлы, которые лежат в основе современных технологий выработки и сохранения электроэнергии. Здесь и транспорт с минимальными выбросами в окружающую среду, и производство «чистой» энергии, и ее аккумулирование и сохранение в виде новых технологий производства батарей.
Одним из ключевых элементов в этой цепочке становится никель. Мало кто задумывается, что этот элемент является составной частью почти всех современных устройств, которыми пользуется и бизнес, и обычный потребитель – от компьютеров, мобильных телефонов или кухонных приборов до высокотехнологичной оборонной промышленности. Несмотря на то, что мы подчас и не замечаем присутствие этого элемента в нашей жизни, сегодня он играет ключевую роль в современной экономике устойчивого развития.
Мировые запасы никеля
Разработку и добычу ведут 25 стран. Лидеры – Россия, Канада и Австралия. Но хорошие перспективы по развитию этого рынка есть и в Центральной Азии. Современный процесс производства – от добычи до конечной переработки и включении в различные производственные процессы и утилизации – это еще и колоссальный рынок рабочей силы, в том числе высококвалифицированной, который обеспечивает работой миллионы людей в этих регионах. Благодаря своим уникальным свойствам этот элемент позволит в ближайшее время достигнуть очень многих целей, которые ставит перед мировым сообществом ООН.
В современных электродвигателях этот металл играет одну из ключевых ролей, так как многие модели энергоемких батарей на 65% и более состоят из сплавов никеля. Эта технология уже позволила значительно увеличить энергоемкость и при этом снизить себестоимость производства современных батарей.
Осознанию необходимости сокращать выбросы СО в атмосферу поспособствовала и эпидемия коронавируса. Тот случай, когда уместно сказать: «нет худа без добра».
Только за прошедший 2020 год продажи электрических моторов выросли до 3 млн. штук или на 40% относительно предыдущего года.
Обнадеживает, что наибольший рост зафиксирован не только в Европе (46% от всего объема), но и в Китае (39% от общего объема). И это очень существенный фактор с точки зрения экологии, так как Поднебесная входит в тройку лидеров по выбросам CO2.
Такая востребованность никеля, особенно в автомобильной промышленности, позволяет прогнозировать рост производства этого металла с 92 килотонн в 2020 году до 2,6 мегатонн к 2040 году.
Сегодня технологический скачек в развитии электромоторов позволяет многим аналитикам прогнозировать, что уже к 2025 году автомобили с электродвигателями займут до 10% рынка всего автопрома в мире. Так, несколько месяцев назад разработчик новейших аккумуляторов StoreDot презентовал батарею, которая способна заряжаться за 5 мин. Пока таких показателей удалось достичь для батарей сравнительно малого объема (бытовые приборы, электроскутеры и пр), однако технология в ближайшее время может быть доведена и до автомобильных аккумуляторов.
Помимо ключевой роли в производстве аккумуляторов для автопрома, никель стал важнейшим элементом при изготовлении ветряных турбин, солнечных батарей, биоэнергетических установок и другого оборудования возобновляемых источников энергии. Он также широко применяется в сферах логистики и транспортировки, при производстве оборудования по очистке воды и изготовлении водопроводных труб и позволяет значительно сократить потери воды на всех этапах жизнедеятельности человека.
Никельсодержащие сплавы, используемые в кораблестроении, позволяют значительно сократить выбросы серы в мировой океан. Не менее важна и роль этого элемента в пищевой промышленности: при производстве, переработке и хранении продуктов питания оборудование с использованием нержавеющей стали на основе никеля очищается и восстанавливается гораздо легче, быстрее и с меньшим ущербом для экологии.
Но что важнее всего в эпоху борьбы за экологию, никель – это полностью перерабатываемый материал, которому можно дать «вторую, третью…пятую жизнь» без потери качества и потребительских свойств. Это и есть основа так называемой «экономики замкнутого цикла», основанной на возобновляемых ресурсах, к которой сегодня стремятся все развитые страны.
Если никель становится одним из ключевых элементов в «зеленой» экономике, важно понять, как с наименьшим ущербом для экологии добывать этот металл. Если спрос будет расти, очевидно, можно ожидать и более активной, а значит, подчас, «варварской», неэкологичной технологии его добычи.
А между тем, новые технологии сегодня позволяют нам осуществлять «этичную» по отношению к природе добычу столь значимого элемента таблицы и при этом сделать ее вполне выгодной.
Эта технология позволяет оставлять руду в земле, и извлечение из нее минералов происходит путем их растворения и закачки насыщенного раствора в поверхность, на которой могут быть восстановлены минералы. Эта технология, в отличие от старых традиционных методов добычи, позволяет не копать огромные котлованы, не оставлять так называемые «хвосты», не обезвоживать почву. Это более бережливая по отношению к природе технология. Затраты на производство снижаются, оно становиться более гибким и мобильным при меньших масштабах.
Дальнейшее развитие сектора электроники и возобновляемых источников энергии будет только повышать роль никеля как ключевой составляющей новой экономики. А новые технологии должны помочь нам взять у природы все подаренные ею ресурсы, при этом сохранив ее для будущих поколений.
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.
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.
3D-ПЕЧАТЬ
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
– 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.