С 28 марта 2023 года в Казахстане реализуется Концепция развития высшего образования и науки Республики Казахстан на 2023–2029 годы, которая предусматривает объективно необходимое участие науки в реализации прикладных проблем национального характера за счет разработки и внедрения совместно с бизнес-сообществом наукоёмких технологий в производственные сектора экономики страны.
Реализация стратегии Концепции во многом зависит от тактики её выполнения научными организациями, университетами, исходя из научно-производственного потенциала научных школ, характера проводимых ими исследований и опыта реализации НИОКР.
На социально-экономический уровень в Казахстане заметное влияние оказывает горно-металлургическая отрасль, доля которой в ВВП составляет сейчас почти 9%. И это, конечно, не предел, ведь сырьевая металлургическая база позволяет это – Казахстан занимает первое место в мире по запасам цинка, ванадия, второе – урана и хрома, третье – марганца и рения, четвёртое – свинца, шестое – вольфрама, седьмое – железа и серебра, девятое – золота и меди.
Такое явное несоответствие между мощной, богатой полиметаллической сырьевой базой и сравнительно низкой долей ВВП объясняется несколькими технологическими и организационными причинами, в частности: недостаточным количеством конкурентоспособных технологий, основанных на новых идеологиях переработки сырья; низким уровнем рециклинга, и как следствие этого – невысоким уровнем комплексного использования минерального сырья; сильной углеродной зависимостью металлургических предприятий и сложной экологической обстановкой в промышленно развитых регионах; недостаточно высокой степенью коллаборации вузовской и отраслевой науки и координации вузовской науки с её потребителями в регионах.
Сейчас для металлургии необходимы новые самостоятельные научные направления, способные значительно повысить производственные показатели технологий и сделать их более чистыми.
Например, черная металлургия является источником ≈ 7% мирового выброса углекислого газа. В связи с этим сейчас актуальным становится создание низкоуглеродистых и безуглеродистых технологий. Поэтому сейчас металлургию будущего чаще всего называют водородной металлургией. Во многом жизнеспособность этого металлургического направления зависит от себестоимости получения водорода – водорода «зеленого». В настоящее время во многих странах ведутся работы по получению «зеленой» стали на основе водородной технологии с заменой доменного и конвертерного производств. Такие производства с объёмом инвестиций 2-3 млдр. долларов создаются, например, в Германии – SHS-Stahl-Holding-Saar, Японии – Nippon Steel, JFE Steel, Kobe Steel, Нидерландах – Tata Steel, Австрии – Primetals Technologies, Швеции – H2 Green Steel, Омане – Jindal Steel Power Limited, Франции – GravitHy.
В Казахстане всесторонние исследования в области водородной металлургии не проводятся. Крупными потребителями углеродистого сырья (кокса) являются производства стали и ферросплавов. Для Казахстана, выплавляющего в год 4,1-4,5 млн. т стали (занимающего 37 место в рейтинге её производителей), а также получающего 2,0-2,1 млн. т ферросплавов в год, в связи с мировыми тенденциями в недалёком будущем возникнут проблемы внедрения углеродоводородных, а затем и водородных технологий. К этому необходимо готовиться уже сейчас.
Нами предлагается рассмотреть вопрос о создании нового научного направления – водородной металлургии,
с организацией соответствующей лаборатории при Южно-Казахстанском университете им. М. Ауэзова и Национальном центре по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан. Консультантом лаборатории может стать лауреат Нобелевской премии мира Рае Квонг Чунг – выдающийся учёный в области зелёной экономики, который открыл в ЮКУ им М. Ауэзова в 2022 году Центр климатической экономики.
Имея в виду перспективность и экологическую чистоту, в самостоятельное научное направление необходимо выделить и биометаллургию, отличительной особенностью которой является извлечение металлов из очень бедного сырья с низкими затратами.
По всей вероятности, в будущем по мере освоения Луны и других планет появится необходимость создания космической металлургии, которая предусматривает получение металлов не только из планетного сырья, но и из астероидов и комет. При необходимости продукцию планетарного производства можно транспортировать на Землю. Сейчас, например, обсуждаются варианты добычи и доставки на Землю с Луны изотопа гелия-3, который совместно с дейтерием используется в термоядерном синтезе. Космос, кроме этого, является идеальной средой для вакуумной металлургии и пироселекции с получением сверхчистых металлов и сплавов, производство которых на Земле сопряжено с большими затратами.
Классические монотехнологии получения из сырья только одной продукции (металла или сплава) за прошедшие столетия начиная от описаний их Плинием (1 век н. э.) и Агриколой Бауэром (15 век н. э.) и до нашего времени практически дошли до своего технологического предела. Эти технологии, несмотря на довольно высокое (> 90%) извлечение основного металла, сопряжены с образованием отвальных шлаков, пылей и клинкеров, с которыми теряется значительная часть минерального сырья.
Сейчас, когда происходит борьба за владение мировыми ресурсами, использование монотехнологий нельзя признать рациональным.
Оно становится технико-экономически неоправданным и нересурсосберегающим. Одним из выходов из такого положения является организация производства на принципе совмещенных технологий, предусматривающих получение в одном печном агрегате нескольких видов продукции. Такая совмещённая металлургия позволяет комплексно перерабатывать забалансовое, некондиционное сырье с вовлечением в производство миллиарды тонн руд. Нами методом совмещённой металлургии, например, из окисленных руд месторождений Жайрем, Шалкия, Шаймерден, Ачисай разработана технология одновременного получения из них ферросплава, карбида кальция и окисленного цинкового концентрата – сырья для производства катодного цинка. Совмещение технологий оказалось средой, в которой происходит образование продукции по совершенно новой траектории. Таким образом, открываются ранее неизвестные закономерности, природа которых приводит к более глубокому пониманию явлений, происходящих в материальном мире – то есть к открытию, которое было сделано в области физико-химии ферросплавов в ЮКУ им. М. Ауэзова совместно с НЦ КПМС РК.
Сейчас, используя принцип совмещенных технологий, нами по гранту Министерства высшего образования и науки проводятся исследования по комплексной переработке фосфоритов Каратауского и Актюбинского месторождений, запасы которых составляют 8 млдр. т. Электроплавка фосфоритов сопряжена с неизбежным образованием 10-12 т шлака на каждую тонну фосфора. Нами проводится работа по созданию бесшлаковой технологии переработки фосфоритов. Работа еще не завершена, но уже сейчас из фосфорита одновременно в электропечи нами получен марочный ферросилиций, карбид кальция, с практически полной отгонкой фосфора в газовую фазу. Это запатентованная технология позволяет увеличить степень комплексного использования сырья от 40 до 84%. Особенность технологии заключается в том, что, используя её, можно перерабатывать текущие и лежалые шлаки фосфорных заводов, как отечественных, так и зарубежных. Изучая механизм одновременного образования в печи кремнистого ферросплава, карбида кальция и фосфора, мы нашли ранее неизвестное явление ускорения образования фосфора из фосфорита за счет интенсивного участия в этом процессе продуктов восстановления оксида кремния углеродом. Это явление можно квалифицировать как будущее научное открытие.
Особенно необходимо остановиться на переработке металлсодержащих отходов (хвосты обогащения, пыли, шлаки). Сейчас, когда руды становятся беднее, производственные отходы являются значительным сырьевым ресурсом цветной металлургии. Например, хвосты Балхашской обогатительной фабрики по представленной нам пробе содержат в суме 0,94-2,91% меди, цинка и свинца. Содержание меди в них (0,27-0,39%) фактически такое же, как в рудах (0,2-0,4%). Имея в виду высокое (70-80%) содержание оксида кремния, нами создана запатентованная комбинированная технология с получением из хвостов Балхашской обогатительной фабрики черновой меди, марочного ферросилиция и свинцово-цинкового концентрата. Комплексная технология нами создана и для продутых шлаков бывшего Чимкентского свинцового завода, с получением из них концентрата, содержащего цветные металлы, аглопорит или композитный материал.
Несмотря на очевидную необходимость извлечения цветных металлов из хвостов и шлаков, в последнее время стали проводиться исследования по использованию их (без извлечения металлов) в производстве строительных материалов.
Такую практику переработки техногенных отходов следует признать порочной. Подобные технологии, уменьшающие сырьевые ресурсы цветной металлургии, не должны финансироваться, а публикации подобных работ должны проходить тщательную экспертизу.
В машиностроении широкое распространение получили стали группы ХГСА, содержащие марганец, хрома, кремний и железо. Для её получения используют дорогостоящие легирующие добавки ферросиликохрома, ферросиликомарганец, феррохром, ферросилиций и марганец, стоимость которых находится в пределах 500-2500 тыс. тенге за 1 т. Для уменьшения количества присадок и себестоимости получения сталей марок ХГСА нами разрабатывается технология получения монолигирующей присадки – сплава манганоферросиликохрома. Причем для его получения используется не стандартное сырье, а техногенное – пыли производства ферросиликомарганца Таразского металлургического завода и Актюбинского завода ферросплавов. Из пылей этих предприятий нами также получены марочные сплавы: ферросиликомарганец и ферросиликохром, а из пылей и шлаков ТМЗ и выплавлен марочный ферросиликомарганец.
Проблемой сейчас является переработка многомиллионных отходов хризотил-асбестового производства, которые содержат не только оксиды кремния, магния, никеля, кобальта, хрома, но и относятся к экологически нечистым материалам, вызывающим в организме новообразования и асбестоз. Несмотря на несколько новых технологий их переработки, они не реализованы в промышленности из-за невысоких технико-экономических показателей. Нами созданы несколько пирометаллургических запатентованных технологий получения из хризотил-асбестовых отходов ферросилиция, геленита – сырья для получения белого цемента, с отгонкой магния, которые позволят поэтапно улучшить экологическую обстановку в районе добычи хризотил-асбеста.
Несколько сотен миллиардов тонн медных руд в Казахстане относятся к категории окисленных. Эффективным методом извлечения меди из них является сернокислотное выщелачивание. Однако при выщелачивании образуются отвальные кеки, с которыми теряется большое количество кремния. Нами для извлечения кремния из кеков создана их электротермическая технология с получением ферросилиция различных марок. Технология позволяет в два раза увеличить степень комплексного использования оксидных медных руд.
Объективной необходимостью сейчас являются интеграционные процессы вузовской науки с наукой отраслевой и производством, которые позволяют довести технологии до потребителя в сравнительно небольшой промежуток времени.
Таким нашим партнёром является Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан. Совместная работа в области комплексной переработки труднообогатимых свинцово-цинковых руд, проведённая в соответствии с договором между ЮКУ им. М. Ауэзова и НЦ КПМС РК, оказалась довольно плодотворной. Технология позволяет одновременно получать цинковый концентрат и марочные кремнистые сплавы. Надеемся, что совместно с НЦ КПМС РК эта технология будет коммерциализована и найдёт своего потребителя. Важным является и то, что сейчас ведущие учёные НЦ КПМС РК являются руководителями докторантов ЮКУ им. М. Ауэзова, выполняющих диссертации, востребованные в производственном секторе.
Для формирования в вузах нового поколения металлургов, способного создавать и внедрять новые конкурентоспособные технологии, необходима их подготовка с элементами новой образовательной философии организации производства.
В металлургии эта новая философия труда связана с термином «белая металлургия», предусматривающим не только обязательное внедрение на предприятии лучших высоких технологий, но и высокий уровень образования сотрудников, экологичность и комфортность условий труда с продуманным до мелочей дизайном оборудования, мест отдыха, производственных кафе. Примером белой металлургии служит новое производство Челябинского трубопрокатного завода в России под названием «Высота-239». Например, на крыше одного из цехов создано место отдыха – сад из камней и сакуры. Всё оборудование и внутренние помещения выкрашены в различные цвета. Внутренняя отделка цеха выполнена из современного строительного материала.
Сейчас в стране наступило время позитивных перемен, которые способствуют интенсивному развитию образовательной и научно-производственной металлургической среды – среды будущего.
В. М. ШЕВКО,
доктор технических наук, профессор кафедры
«Технологии силикатов и металлургия»,
заведующий НИЛ «Перспективные металлургические технологии»
Южно-Казахстанского университета им. М. Ауэзова
АННОТАЦИЯ
Мақалада Қазақстанда ғылыми-өндірістік металлургиялық ортаны дамыту мәселелері ашылады, сутегі, бірлескен, ғарыштық металлургия және басқалар сияқты жаңа, экологиялық таза және тиімді технологияларды енгізу қажеттілігі туралы айтылады.
Comments