Концепция развития производства алюминиевого литья в России

Проект

Концепция развития производства

алюминиевого литья в России

до 2030 г.

Введение

В мировой науке и практике накоплен огромный объем информации по применению алюминиевых сплавов в различных отраслях промышленности. В разных источниках (статьи, труды конференций, монографии, Интернет, СМИ) опубликованы сотни различных материалов относительно ведущей роли алюминиевых сплавов (АС) в мировой промышленности.

В СССР наукой по АС занимались многие крупные академические и отраслевые институты – ИМЕТ, ВИЛС, ВИАМ, НИИД, НИИЛИТМАШ и др.

В современной России наука в области АС (и других легких сплавов) находится в крайне тяжелом состоянии.

Общепринято, что алюминиевые литейные сплавы (АЛС) и деформируемые сплавы (АДС) являются наиболее перспективными материалами в мировом машиностроении различного назначения.

I.  Анализ состояния производства и применения алюминиевого литья в России

Изделия, созданные из АС, окружают нас в повседневной жизни.

Мировой спрос на этот металл достигает многие десятки миллионов тонн в год. АС, как основной конструкционный материал, используются практически везде: в транспорте и строительстве, при производстве автомобилей и оборудования, в энергетике и потребительском рынке

1 2 3 4 5 6 7 8

Рис. 1. Структура конечного потребления АС в мире (без Китая), %

В Китае производится 38-40 млн. т. алюминиевых сплавов. Структура конечного потребления в Китае несколько отличается от мировой (рис.2). Основной объем алюминия потребляется в строительстве.

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 2. Структура конечного потребления АС в Китае,%

Мировое потребление алюминия не является стабильной величиной и составляет 57-60 млн. т. Следовательно, Китай является глобальным потребителем АС.

В России производится 3,5-4 млн. т. первичного алюминия и около 1 млн. т. вторичных алюминиевых сплавов.

Однако на сегодняшний день российский рынок алюминиевых изделий сильно отстает от индустриально развитых стран. Сегодня потребление алюминия в России составляет всего ~ 1,17 млн. т. в год, что соответствует ~ 8 кг/год на душу населения. Это в 2,3 раза меньше среднеевропейского уровня потребления. В последние годы (2015-2016 гг.) наблюдалось сокращение потребления алюминия во всех отраслях. Следовательно, львиная доля алюминия (2,5-3 млн. т.) экспортировалась за рубеж в форме чушек и реже слитков.

Современное промышленное производство и потребление алюминия и его сплавов имеет следующие основные тенденции и проблемы:

1.  Усложнение конфигурации и облегчение массы литых деталей;

2.  Повышение КИМ и ТВГ;

3.  Увеличение доли АС в различных видах транспорта и в строительстве (например, «алюминиевый» автомобиль, алюминиевый вагон и др.);

4.  Повышение технологических, механических и эксплуатационных характеристик сплавов и др.

Жесткие тенденции и требования ставят перед конструкторами,

металлургами и литейщиками сложные комплексные задачи с целью разработки новых составов сплавов, более широкого включения в производство вторичных сплавов, создания ресурсосберегающих технологий плавки, литья, механообработки и обработки давлением, повышение качества литых деталей и полуфабрикатов, улучшения технико-экономических показателей и экологических параметров производства.

II.  Цели концепции

Из цветных сплавов в России и в мире наибольшее распространение

Получили алюминиевые сплавы (АС) в силу их общеизвестных преимуществ (распространенность Al в природе, малая плотность, повышенные технологические и физико-механические свойства, способность к рециклируемости и др.).

Рассмотрим несколько примеров относительно применения АЛС и АДС на предприятиях Самарской области.

Пример 1. В конце XX века на «АВТОВАЗе» производили до 35-36 тыс. т. алюминиевых отливок (в 2016 г. – до 13 тыс. т). На Самарском металлургическом заводе производили до 350 тыс. т. алюминиевых слитков (в 2016 г. – до 24 тыс. т.).

Эти и многие другие примеры наглядно демонстрируют общий тренд к снижению объемов литейного производства и и объемов литья из АС.

Пример 2. По инициативе в 2011 г. была разработана Концепция подъема литейных технологий и производства алюминиевых отливок автомобильного назначения до 2020 г. (разработчики: от СамГТУ – профессор , от - профессор ).

Совокупность примеров и имеющейся мировой информации позволяет сформулировать следующие основные цели в производстве алюминиевых заготовок и сплавов (отливки, слитки, чушки, лигатуры и т. д.):

1.  Переработка устаревших нормативных документов (ГОСТы, ТУ, ТТМ

и др.), тормозящих инновационное развитие производства.

2.  Широкое применение специальных компьютерных (отечественных)

программ для моделирования литейных процессов и оснастки, обеспечивающих достижение минимальных припусков, литейных уклонов и допусков при конструировании и изготовлении отливок, достижение высокой точности и чистоты поверхности отливок.

3.  Разработка балльности микроструктур шихтовых металлов, сплавов и

литых изделий с учетом наноразмерности и явления структурной наследственности в системе «Шихта – расплав - литые изделия».

4.  Максимальное использование металлических отходов из всех

действующих отраслей промышленности в производстве литых изделий – рециклинг отходов и синтез вторичных марочных сплавов с высокими требуемыми свойствами.

5.  Разработка эффективных и экологически чистых физических

технологий обработки жидких алюминиевых сплавов – дегазация, рафинирование, модифицирование.

6.  Широкое применение и разработка высокоэффективных специальных

способов литья АС, обеспечивающих высокий уровень механизации и автоматизации и существенное повышение производительности труда.

7.  Расширение области применения алюминиевых деформируемых

сплавов в перспективных новых и традиционных отраслях: транспорт (самолето-, ракето-, автомобиле-, судо-, вагоностроение и другие виды);

строительство (хранилища, окна и двери, покрытия из рулона и полос, строительство мостов и зданий и др.); (нефтегазовый комплекс (трубы, морские платформы, нефтепроводы, танкеры для перевозки и др.); электротехника (кабели, проволока, длинные высоковольтные пролеты и др.); новые сплавы (автоматные, со скандием и другими РЗМ, с литием, композитные, пеносплавы и др.); другие отрасли (пищевая, спортинвентарь, полиграфия, зеркальные листы и др.).

8.  Создание (организация) специализированных учебно-научных

литейных центров по опыту ЦЛТ СамГТУ, позволяющих разрабатывать и внедрять высокоэффективные литейные технологии.

9.  Проведение глубоких развернутых технологических аудитов по опыту

кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии» СамГТУ, позволяющих вскрывать существующие проблемы и выдавать инновационные рекомендации.

10.  Применение современных 3D-технологий, обеспечивающих более

короткие сроки разработки оснастки и внедрение литейных технологий в производство.

III.  Способы решения и достижения поставленных целей

В отечественной и зарубежной литературе имеется большой объем

информации о масштабах и перспективах применения АС различных систем и различного назначения. Имеются различные прогнозы многих специалистов, позволяющих увидеть (представить) современные тенденции применения АС.

Например, общеизвестны прогнозы к 2015 г. по увеличению объемов АС в современных автомобилях европейских и американских производителей с 85 до 200 кг. Это должно было позволить втрое увеличить объемы использования АС только в автомобилестроении.

Применимо к России возникает отдельная проблема – имеется дефицит запасов цветных металлов, в т. ч. и алюмосодержащих руд.

Литейные технологии являются сложными системами с разорванными связями между взаимосвязанными процессами плавки, литья и обработки изделий. Многие проблемы, сформулированные на рубеже конца XX и начала XXI веков, до сих пор не находят какого-либо единого технического подхода к решению, развитию и применению эффективных технологий плавки, обработки расплава и способов литья, в первую очередь, отливок и слитков из алюминиевых сплавов.

Чтобы «сдвинуть» в России более дешевые, но тяжелые чугуны и стали, нужны новые подходы и действия со стороны государства, олигархов, конструкторов, ученых и промышленников. Совершенно ясно, что без использования инвестиций, в первую очередь, со стороны государства увеличение доли изделий из АС и кардинального повышения их качества не может быть осуществлено.

В рамках реализации концепции подъема производства алюминиевого литья предлагается развитие и применение следующих перспективных научно-технических направлений.

3.1.  Разработка и применение теоретических основ с целью повышения качества литых изделий.

- Создание теоретических основ и формирование научных подходов, поисковые исследования в области формирования, например, эвтектик с заданной структурой из жидкого состояния Al-Si сплавов с учетом кластерного строения расплавов на основе вакансионно-кластерной теории

- Развитие теоретических и практических аспектов основных законо-

мерностей явления структурной наследственности (ЯСН) и применение

инновационных технологий генной инженерии (ТГИ), включающих

широкое применение шихтовых металлов, подвергнутых специальным

способам обработки (ССОШМ) с целью кардинального повышения

комплекса технико-экономических и экологических показателей произ-

водства.

3.2.  Разработка и применение новых сплавов с повышенным уровнем технологических и эксплуатационных характеристик.

- Широкое применение теории синтеза сплавов, разработанной , как научной основы компьютерного моделирования и конструирования новых сплавов для различных нужд промышленности с учетом экономических и экологических аспектов.

- Технологии создания и широкое применение различных АЛС и АДС в современных отраслях промышленности: транспорт (аэрокосмическая отрасль, автомобилестроение, вагоны, суда и др.); строительство (хранилища, окна, двери, мосты и др.); нефтегазовый комплекс (морские платформы, нефтепроводы, танкеры и др.); электротехника (кабели, проволока, высоковольтные пролеты и др.); новые сплавы (автоматные сплавы, сплавы с РЗМ, сплавы с Li, припойные сплавы, гамма композитных сплавов, протекторные сплавы, пеносплавы и различные изделия, литье гранул и порошков и др.).

- Технологии получения и организация производства мелкокристаллических эвтектических, и, особенно, заэвтектических силуминов с целью достижения повышенной пластичности и их применения в качестве АДС в различных отраслях промышленности (например, в строительстве, автомобилестроении и др.).

3.3.  Разработка ресурсосберегающих энергоэффективных и экологических технологий.

- Технологии создания и производство экономических и эффективных модифицирующих и легирующих микрокристаллических и наноструктурированных лигатур с целью сокращения их расхода и существенного повышения качества литой продукции.

- Широкое внедрение современных электрических плавильных печей с применением высокоэффективных физических воздействий (вакуумирование, плазменная обработка и др.).

- Разработка и широкое применение современных технологий рециклинга низкосортных и дисперсных отходов алюминиевых сплавов (шлаки, банки, стружки, опилки и др.) и на основе ЯСН синтезирование вторичных сплавов с регулируемой структурой и нужными свойствами.

- Технологии обработки расплавов без использования Cl - и F-содержащих флюсов, включающие широкое применение физических воздействий (ультразвуковая обработка, температурно-временная обработка, магнитно-импульсная обработка, акустические воздействия и др.), обеспечивающие очистку расплавов от вредных примесей и достижение модифицированной структуры литых изделий.

- Широкое применение современных способов литья, обеспечивающих достижение повышенных КИМ и ТВГ, высокие уровни механизации, автоматизации и производительности труда (ЛПД, ЛКД, ЛНД, ЛВМ, ЛГМ, тиксолитье, вытягивание из расплава, литье погружением и др.).

- Пересмотр ГОСТ и других технических регламентов в сторону ужесточения интервала легирующих элементов и повышения уровня механических свойств.

- Освоение и применение новых цифровых 3D-технологий при изготовлении фасонных отливок ответственного назначения из новых сплавов.

- Увеличение объемов производства литья из АЛС и АДС в 3-5 раз.

- Широкое использование опыта самарской кафедры литья (СамГТУ) с целью проведения технологических аудитов в производствах алюминиевого литья на ведущих предприятиях России.

Заключение

Алюминий и его сплавы в XXI веке будут наиболее востребованными и перспективными материалами в мировом машиностроении и других важных отраслях.

Однако, в настоящее время в России соотношение объемов производства первичного алюминия и алюминиевых сплавов не соответствует уровню развитых стран, в которых это отношение близко к единице.

Нужен новый подход со стороны государства, крупных компаний, конструкторов, технологов, металлургов, промышленников и ученых к применению АЛС и АДС в самых различных отраслях и увеличению номенклатуры изделий. Например, получение «алюминиевых» автомобилей разных классов (увеличить долю АС до 200-300 кг).

Следует изменить сложившееся несоответствие цен на первичные и вторичные АС на внутреннем и внешнем рынках.

С целью сокращения потерь металла при переделах и повышения уровня технологических, механических и эксплуатационных свойств изделий следует активно внедрять приоритетные научные направления, разработанные российскими учеными.

Для ускорения внедрения научно-технических разработок на предприятиях следует на базе ведущих (опорных) вузов России создавать Центры литейных технологий (по опыту ЦЛТ СамГТУ).

Принятые сокращения

АС – алюминиевые сплавы.

АЛС – алюминиевые литейные сплавы.

АДС – алюминиевые деформируемые сплавы.

ЯСН – явление структурной наследственности.

ТГИ – технологии генной инженерии.

ССОШМ – специальные способы обработки шихтовых материалов.

РЗМ – редкоземельные металлы.

КИМ – коэффициент использования металла.

ТВГ – технологический выход годного (литья).

ЛПД – литье под давлением.

ЛКД – литье кристаллизацией под давлением.

ЛНД – литье под низким давлением.

ЛВМ – литье по выплавляемым моделям.

ЛГМ – литье по газифицируемым моделям.

ЦЛТ – центр литейных технологий.

СамГТУ – Самарский государственный технический университет.

Заведующий кафедрой

«Литейные и высокоэффективные технологии» СамГТУ,

д. т.н., профессор,

председатель комитета цветного литья РАЛ,

председатель правления СО РАЛ