CC BY
22
ИННОВАЦИИ № 3 (80), 2005
Развитие инновационной деятельности в институте металлургии УрО РАН
Л. И. Леонтьев,
директор Института металлургии УрО РАН, академик
Н. А. Ватолин,
зам. директора по научным вопросам, д. т. н.
Е. Н. Селиванов
Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург
С первых лет становления академической науки на Урале исследования были неразрывно связаны с запросами промышленности. Начало таких работ в Уральском филиале АН было положено академиками А. Е. Ферсманом и И. П. Бардиным. Важность изысканий в базовых отраслях народного хозяйства предопределили создание Института химии и металлургии УФАН. Под руководством Г. И. Чуфарова создаются методы защиты металлов от коррозии для калийно-магниевого производства в Соликамске, травления окалины сернокислотными растворами и обезуглероживания при отжиге в водороде трансформаторной и динамной сталей на Верх-Исетском металлургическом заводе, подготовки поверхности для оцинкования и лужения железа, холодного волочения труб на Лысьвенском и Серов-ском металлургических заводах. Под руководством В. В. Михайлова создаются основы комплексного использования поликомпонентных руд Урала, в т. ч. качканарских ванадийсодержащих титаномагнети-тов, байкальских сидеритов, железистых бокситов, на доменных печах Нижнетагильского и Серовского заводов осваивается технология выплавки доменного феррохрома (до 50% Сг).
С момента образования Института металлургии как самостоятельной организации УФАН основными задачами развития горно-металлургического комплекса были создание концепции и новых технологий, обеспечивающих повышение комплексности использования сырья уральских месторождений. Среди внедренных в производство процессов, имеющих важное значение для металлургических предприятий, следует отметить выплавку низкокремнистого ванадиевого чугуна из комплексных титаномагнетитовых руд Качканарского месторождения в доменных печах большого объема Нижнетагильского металлургического комбината (д. т. н. С. В. Шаврин); создание безопасных технологий производства новых марок комплексных ферросплавов и освоение их производства на Челябинском электрометаллургическом комбинате, Ключевском и Серовском ферросплавных заводах (д. т. н. Жучков В. И.); создание новых технологий производства алюминия и сплавов на его основе на Уральском, Иркутском, Волховском и Днепровском алюминиевых заводах (д. т. н. Г. Н. Кожевников);
переработку пылей медного производства и зол от сжигания энергетических углей с извлечением германия на Медногорском медно-серном комбинате и Ангренском химико-металлургическом заводе (д. т. н. А. И. Окунев); выплавку ферроникеля из вторичного никельсодержащего сырья в электропечах на Реж-ском никелевом заводе (д. т. н. А. И. Окунев). Эти технологии наиболее ярко показывают масштабность, эффективность и значимость разработок института для заводов Урала, они не потеряли своего значения и в настоящее время, что связано с глубокими теоретическими изысканиями, проведенными в ходе подготовки и освоения процессов.
Большое количество проведенных исследований и созданный научно-технический задел обеспечили совершенствования существующих металлургических процессов. Однако меняющиеся составы сырья, требования к охране окружающей среды, цены на энергоносители и металлы, потребности машиностроительного и оборонного комплексов потребовали пристального внимания исследователей к запросам промышленности. Если ряд вопросов, касающихся корректировки режимов металлургических процессов, может быть решен силами предприятий, то для создания новых технологий и оборудования, повышения качества продукции и экологической безопасности процессов требуется объединение усилий комбинатов с научными организациями.
В институте разрабатывается комплексная технология переработки ванадиевых шлаков дуплекс-процесса. Предусматривается выделение ванадия и марганца в товарные высококачественные продукты, а также извлечение хрома, титана (в виде пигмента) и железа. Степень извлечения ванадия из шлаков — на уровне 95%. Предусматривается полный водооборот растворов и регенерация применяемых реагентов.
По существующей на предприятиях схеме переработки титаномагнетитов не извлекается такой ценный элемент, как титан. При содержании в концентрате 3-4% ТЮ2 в доменных шлаках его содержание повышается до 10-12%, а вовлечение в переработку волковских концентратов позволит довести содержание этого оксида до 15-18%. При использовании же-лезо-ванадий-титановых концентратов из руд медве-девско-копанского типа содержание ТЮ2 в шлаках
возрастет в еще большей мере. Имея в виду, что эффективность технологических приемов извлечения титана из шлаков увеличивается с его содержанием, предложена технология переработки руд с выделением чугуна и высокотитанистых шлаков в доменных печах малого объема.
Перспективна также плавка в таких агрегатах марганцовистых, железо-хромо-никелевых, высокоглиноземистых и других комплексных руд. Так, на Серовском металлургическом заводе проведены испытания по плавке на никелистый чугун высокомагнезиальных руд Серовского месторождения, достигнуты приемлемые показатели процесса. Естественно, ряд элементов технологии требует доработки, но это направление имеет большое будущее, т. к. позволяет выплавлять природнолегированный металл, обеспечено по запасам руды и имеет высокие экономические показатели. Вовлечение в переработку никелевых и хромовых руд позволяет выплавлять как передельные, так и литейные чугуны, производить широкий сортамент сталей, содержащих никель и хром.
Представляет интерес предложение по использованию высокоглиноземистых шлаков (ОАО «Пашийский цементно-металлургический завод» и «Верхне-Синячи-хинский металлургический завод») в производстве глинозема в гидрохимической ветви Байера. Крупномасштабные испытания технологии проведены в 1994 г. на УАЗе. Освоение технологии позволит весь выпуск высокоглиноземистых шлаков использовать в производстве алюминия. По этому направлению необходимо выработать общие позиции, обеспечивающие рентабельность как выплавки шлака, так и его переработки.
Разработаны и экспериментально обоснованы технологические схемы извлечения тантала, ниобия, германия, скандия и других стратегически важных металлов из сырья российских месторождений и техногенных отходов, отличающихся сложностью составов и относительно низким содержанием ведущих элементов.
Для обеспечения региона металлической дробью и порошками с участием института на металлургических заводах организованы соответствующие производства, разработана модельная установка получения композиционных порошков и гранул с заданными свойствами. Основные направления использования таких видов продукции: легирование и модифицирование сталей и сплавов; очистка и упрочнение поверхности изделий; изготовление изделий методом шликерного формирования.
Основной технологической идеей, обеспечивающей создание новых высокоэффективных процессов переработки медных концентратов, является автогенная плавка сырья на богатый штейн (белый матт или черновую медь) с выделением ферритно-кальциевых, саморассыпающихся и высокоосновных шлаков. Осуществление такого процесса обеспечит одностадийное выделение целевого металла (меди) в черновой металл и концентрирование сопутствующих элементов в полупродуктах, пригодных для дальнейшей переработки. Имея в виду особенности концентратов, выделяемых из руд различных месторождений, и необходимость интегрирования работы головного агрегата со смежными переделами конвертирования
штейна, обеднения шлаков, переработки газов и утилизации пылей, выработаны соответствующие технологические предложения, которые проверены на опытно-промышленных установках совместно с ФГУП «Гинцветмет». В ходе испытаний отработаны базовые режимы кислородно-факельной плавки концентратов Алмалыкского ГМК и предприятия Ково-гуты Кромпахи (Словакия) на белый матт и саморас-сыпающиеся шлаки; плавки концентратов Балхашского комбината и Средне-Уральского МЗ в печи Ванюкова на белый матт и высокоосновные шлаки; фа-кельно-барботажной плавки концентратов Алмалык-ского и Иртышского комбинатов на богатый штейн и высокоосновные шлаки.
Приведенные примеры указывают на широкие возможности совершенствования металлургических процессов действующих предприятий. Помимо этого, имеются предложения по организации на основе малых заводов процессов металлизации сырья, утилизации техногенных и уничтожения токсичных отходов. Для последнего варианта малые доменные печи — идеальные агрегаты. В них при высокой температуре (16000С) сжигаются все органические соединения, а при соответствующей организации процесса имеется возможность ошлакования некоторых токсичных соединений.
Среди предложений института, испытанных или реализованных в промышленном масштабе сразу после лабораторных исследований в последние годы, такие высокоэффективные технологии, как:
♦ основанная на результатах изучения свойств титансодержащих расплавов технология передела титаномагнетитов с добавлением марганцевых руд, приводящая к повышению производительности доменных печей, снижению расхода кокса и потерь металлов со шлаком (НТМК, Чусовской МЗ);
♦ технология производства медно-фосфорных сплавов МФ 9-13, освоенная на ОАО «Малышев-ское рудоуправление»;
♦ автоматизированное управление режимами электроплавки сырья, основанное на разработанном алгоритме анализа электрических параметров, использованное для ферросплавных бесшлаковых и шлаковых технологий ОАО «ЧЭМК» и успешно внедряемое на ОАО «Кузнецкие ферросплавы»;
♦ основанная на результатах термодинамического моделирования и изучения кинетики восстановления железа, никеля, хрома в сложных оксидных системах технология получения ферроникеля с различным содержанием никеля, один из вариантов которой испытан на Серовском металлургическом заводе.
Однако в ряде случаев, особенно при создании технологий, не имеющих готовых аппаратурных схем или результатом которых являются новые продукты, требующие сертификации, оценки потребительских качеств, прямой выход на промышленные агрегаты невозможен и нецелесообразен. Для продвижения таких работ в УрО РАН было запроектировано и начато строительство специального конструкторского бюро технологий химического, металлургического и приборостроительного направлений. Но по ряду обстоятельств сооружение объекта было приостановлено.
ИННОВАЦИИ № 3 (80), 2005
ИННОВАЦИИ № 3 (80), 2005
По инициативе академика Г. А. Месяца, при поддержке Президиума УрО РАН и Правительства Свердловской области в 1998 г. при Институте металлургии учрежден Инновационно-технологический центр «Академический». Идея создания инновационного центра заключалась в том, чтобы на взаимовыгодных условиях предложить научные разработки ученых заинтересованным предприятиям, реализовать научный потенциал институтов, объединить малые предприятия, работающие в научно-производственной сфере, и привлечь средства инвесторов для продвижения на рынок инновационных технологий в условиях, благоприятных для хозяйственной деятельности.
Для завершения строительства, корректировки проекта и наладки оборудования были привлечены средства Фонда технологического развития и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (ФСР МП НТС), а также заинтересованных инвестеров. В настоящее время на площадях ИТЦ созданы технологические участки, на которых реализуются или отрабатываются, в основном, технологии, основанные на результатах фундаментальных исследований Института металлургии.
На базе разработок лаборатории газофазной металлургии фирмой «ВМП» организовано производство высокодисперсных цинкового и бронзового порошков с получением на их основе антикоррозионных и защитно-декоративных покрытий, реметалли-зантов для двигателей внутреннего сгорания, созданы опытные образцы оборудования термодиффузионного оцинкования металлоизделий.
Научные основы металлотермического получения магния, разработанные в лаборатории электротермии восстановительных процессов, положены в основу созданной за счет средств ОАО «Магнезит» опытной установки, моделирующей технологию. Проведенные испытания подтвердили реализуемость процесса и его преимущества перед существующим хлоридным способом.
На базе совместных разработок Института и АОЗТ «Резонанс» за счет средств фирмы создана опытная установка по извлечению молибдена и редких элементов из сульфидных полупродуктов. На установке отработаны режимы окисления молибденсодержащего концентрата с выделением продуктов требуемого качества. Ведется подготовка опытно-промышленной установки, позволяющей смоделировать процесс в укрупненном масштабе. С этой же фирмой проводятся работы по созданию новой технологии переработки вольфрамовых концентратов. Для продолжения работ привлечены (по итогам конкурса) средства ФСР МП НТС по программе «Старт».
По результатам работ лаборатории порошковой металлургии на площадях, предназначенных для опробования крупномасштабных установок, за счет кредита Российского фонда технологического развития и инвестиций научно-производственной фирмы «Гран-Мет» создан участок по производству стальной дроби, предназначенной для абразивной и упрочняющей обработки металлических поверхностей. Выпускаемая на участке продукция обеспечивает рентабельность производства и возврат кредитов.
Технология заинтересовала потребителей, закупивших ее на основе лицензионного соглашения.
Совместно с фирмой «Сонат», лабораторией электротермии восстановительных процессов выполнены исследования и опробовано оборудование по брикетированию торфа (без его предварительной сушки) с получением брикетов, пригодных к использованию в энергетических установках и металлургических процессах. С этой же фирмой ведутся работы по созданию технологии и установок, обеспечивающих производство вспененных теплоизоляционных и огнеупорных материалов. Последняя работа также поддержана ФСР МП НТС по программе «Старт».
При участии института создано ЗАО «Новые технологии в металлургии», в основу деятельности которого положены разработки лаборатории металлургии стали и ферросплавов по инжектированию порошкообразных материалов (ферросплавов, углерода, извести) в расплавленные среды и торкретированию футеровки металлургических агрегатов. Разработанные отечественные инжекционные установки обеспечивают повышение производительности агрегатов, снижение расхода огнеупоров и себестоимости продукции. Штат фирмы сформирован, в основном, из сотрудников института. Прибыль от реализации установок распределяется между фирмой и институтом в соответствии с заключенным договором. Установки используются на НТМК, Нижнесергинском металлургическом заводе, поступили заказы из ближнего зарубежья.
Важным шагом в формировании инновационной инфраструктуры явилось создание Центра трансфера технологий (ЦТТ), в задачи которого входит разработка форм и методов поддержки прикладных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Первый опыт работы ЦТТ показал востребованность такой структуры как в плане подготовки и экспертизы разработок для конкурсов по программам «Старт» и «Темп», реализуемых ФСР МП НТС, так и согласования действий с государственными структурами по продвижению инноваций.
В ИТЦ ведутся и другие работы, научное руководство которыми осуществляется институтом. Важнейшими результатами создания ИТЦ «Академический» явились:
♦ возможность ввода в эксплуатацию многолетнего недостроя за счет привлеченных внебюджетных средств;
♦ создание за счет внебюджетных инвестиций пилотных установок для моделирования в укрупненных масштабах технологических решений, вытекающих из фундаментальных исследований;
♦ демонстрация потенциальным потребителям технологий и материалов как одного из этапов их реализации.
Имея в виду последние решения Правительства РФ в направлении развития инновационных процессов, а также опыт и эффективность работы ИТЦ «Академический», Президиум УрО РАН поддержал инициативу Института металлургии по сооружению 2-ой и 3-ей очередей инновационного центра на инвестиционных началах.
