Институт статистических исследований и экономики знаний (ИСИЭЗ) НИУ ВШЭ определил с помощью системы анализа больших данных iFORA приоритетные технологии, меняющие облик металлургической промышленности. Расчёты произведены на массиве более 250 тыс. англоязычных источников по рассматриваемой тематике за 2023–2026 гг., отобранных алгоритмами iFORA.
Как работают алгоритмы iFORA?
Технология позволяет в кратчайшие сроки обрабатывать и упорядочивать массивы неструктурированных данных, устанавливать скрытые связи, выявлять специализированные инсайты, тренды и нетипичные паттерны, чтобы прогнозировать будущее. iFORA агрегирует свыше 850 миллионов документов — от рыночной аналитики и профессиональных СМИ до данных международных организаций, научных публикаций, патентов и консалтинговых отчётов.
Аддитивные технологии
Первое место в рейтинге заняли аддитивные технологии. Сама область включает в себя порошки (металл, фотополимеры, пластики и др.), оборудование и услуги по 3D-печати. Из инструмента быстрого прототипирования металлических изделий они постепенно превратились в одно из ключевых направлений развития современной металлургии. С их помощью производят заготовки, близкие к конечному изделию по форме и размерам, а также детали сложной геометрии, недоступной для традиционных методов литья. Широкое применение в аддитивном производстве получило лазерное сплавление в порошковом слое (powder bed fusion), которое используется при изготовлении сложных компонентов для аэрокосмической и автомобильной промышленности, биомедицины и других высокотехнологичных сфер.
Цифровые двойники
Второе место в индексе. Это виртуальные модели физических объектов или процессов, которые позволяют прогнозировать поведение систем в реальном времени и оптимизировать их работу. В металлургии цифровые двойники используются для моделирования технологических процессов, таких как плавка, прокатка, термообработка и другие, что позволяет получить исчерпывающую информацию для принятия решений.
К примеру, на ММК в листопрокатном цехе №4 в прошлом году запустили в промышленную эксплуатацию первого цифрового двойника, конструктивно и функционально повторяющего установку ламинарного охлаждения (УЛО) стана 2500.
Цифровой двойник позволяет рассчитать тепловое состояние полосы и спрогнозировать её финальное структурное состояние (доля и морфология фаз, размер зерна), причём как существующего, так и ранее не производимого сортамента. Система рассчитывает температуру полосы в любой точке и в любой момент времени, пока она движется по рольгангу. Также двойник помогает оперативно оценить техническое состояние оборудования установки. Виртуальная модель расширила возможности инженеров при разработке новых технологий прокатки.
Развитие цифровых двойников в металлургии связано с развитием технологий интернета вещей, облачных вычислений и искусственного интеллекта. В будущем ожидается их более широкое применение, включая автоматическое управление процессами на базе аналитики в реальном времени, создание «умных» заводов и повышение экологической безопасности производства.
Металлургия, одна из старейших отраслей промышленности, проходит через комплексную технологическую трансформацию
Рентгеновская дифракция
Среди методов исследования структуры и состава металлов и сплавов важное место занимает рентгеновская дифракция (№3 в индексе). Она основана на взаимодействии рентгеновских лучей с кристаллической решёткой. Это позволяет выявить ориентацию, фазовый состав, напряженное состояние и другие параметры металлов и сплавов. При прохождении рентгеновских лучей через кристаллическую структуру металла или сплава, лучи взаимодействуют с плоскостями решётки и создают характерные дифракционные узоры. После анализа этих узоров можно определить структуру кристаллов, размеры кристаллитов и наличие дефектов.
Рентгеновская дифракция используется для выявления фазовых составляющих, определения степени кристаллизации и обнаружения дефектов в металлических изделиях. Такой контроль повышает надёжность и долговечность продукции.
Один из важнейших аспектов — измерение внутреннего напряжения в металлических деталях. Например, после механической обработки или термической обработки металлические детали могут иметь остаточные напряжения, которые влияют на их механические свойства. Рентгеновская дифрактометрия может картировать распределение напряжений на поверхности и в объёме материала без его разрушения.
Металлургические процессы, такие как закалка, отжиг или легирование, вызывают изменения внутри материала. Рентгеновская дифрактометрия позволяет отслеживать эти изменения в реальном времени и оптимизировать режимы обработки.
Современные автоматизированные установки на базе рентгеновской дифрактометрии помогают интегрировать контроль структурных параметров непосредственно в производственную цепочку, обеспечивая качество продукции без остановки производства.
Внедряя современное оборудование и новые материалы, металлургические предприятия совершенствуют производственные процессы
Новые сплавы
Другим важным вектором технологического развития металлургии является создание новых типов сплавов. Альтернативой традиционным становятся высокоэнтропийные сплавы (High Entropy Alloys, HEA), получаемые путём сочетания нескольких основных элементов в значительных концентрациях. Они работают при экстремальных температурах и нагрузках, где традиционные материалы уже не справляются.
Традиционные сплавы, такие как сталь или алюминиевые сплавы, состоят из одного или нескольких доминирующих элементов с добавками других компонентов в малых количествах. В отличие от них, высокоэнтропийные сплавы характеризуются равномерным распределением множества элементов с соотношением примерно 5–20% каждого, что делает их состав высокоэнтропийным в плане энтропии смешения.
На сегодняшний день разработано множество новых высокоэнтропийных сплавов, таких как CrMnFeCoNi, и проведены исследования их структурных и механических характеристик. Однако остаются вопросы, связанные с контролем процессов производства, масштабированием и предсказанием свойств этих материалов.
Высокопрочная сталь, относящаяся к классу конструкционных сталей с улучшенными характеристиками, обеспечивает оптимальный баланс прочности, свариваемости, пластичности и коррозионной стойкости. Благодаря такому набору характеристик она востребована в разных сферах, включая автомобильную промышленность, производство промышленного оборудования и инфраструктурные проекты.
Электрометаллургия
Авторы исследования отмечают растущий спрос на более качественные материалы. Конкуренция со стороны композитов стимулирует развитие оборудования, выпускающее продукцию с требуемыми характеристиками при меньших затратах.
Электрометаллургия и электродуговые печи стали стандартом выплавки стали, постепенно вытесняя традиционные мартеновские печи.
Благодаря внедрению новых типов электродуговых печей можно получать металл высокой чистоты, а также увеличивать степень автоматизации и экологичности производства.
Егор Петров
