Новые направления металлургического производства

Принципиально новым направлением в металлургии являются раз­работка и внедрение методов геотехнологии, Эти методы основаны на физико-химических процессах, которые можно в определенном порядке вести в недрах земли с целью добычи полезных ископаемых, Прямо на месте залегания, т.е. в недрах, их переводят в подвижное состояние: раствор, расплав, пар, газ, гидросмесь. В таком виде они пригодны для транспортировки через скважины на поверхность. Новая технология обеспечивает не только более полную и комплексную переработку сырья, но и уменьшает вредное влияние отходов добычи и переработки на окружающую среду. Так в работе коллектива авторов ИПКОН РАН и ИХХТ СО РАН изложены представления о перспективных технологиях искусственного продолжения формирования месторождений полезных ископаемых. По мнению ученых, достаточно перспективным представляется сокращение объемов и времени извлечения горной массы при непосредственной разработке месторождений. Возможность этого создается дополнительной стадией подготовки месторождений к эксплуатации, под которой понимается целенаправленное вещественное или структурное преобразование залежей полезных ископаемых и массивов горных пород или заблаговременное изменение горно-геологических условий для обеспечения эффективной и безопасной разработки и переработки минерального сырья. Указанная стадия находится на стыке природных геологических процессов и технологий разработки, поэтому должна основываться на их принципах. Если процесс рудообразования рассматривать с точки зрения современного уровня технологий разработки, то случай с бедным месторождением или рудопроявлением, которое в настоящее время разрабатывать неэффективно, можно оценить как незавершенный естественный процесс образования месторождения. При этом абсолютно логична постановка вопроса о продолжении его формирования искусственными методами, а геотехнологическое продолжение формирование месторождений может моделировать естественный геологический процесс и в общем случае включает два этапа – дезинтеграцию массива и его реструктуризацию, которые в зависимости от типа месторождения могут осуществляться различными методами. Для реализации указанного принципа предложены некоторые способы и технологии, изложенные в работе, однако подчеркивается, что для квалифицированного научного обоснования его требуется объединение ученых различных специальностей.

Своеобразной разновидностью геотехнологии является микробиоло­гический метод добычи полезных ископаемых, основанный на исполь­зовании способности некоторых микроорганизмов извлекать из окру­жающей среды и накапливать в себе определенные химические эле­менты. "Микрометаллурги" очень быстро создают огромные скопления сырья. Так, месторождение железной руды в районе Кривого Рога бы­ло образовано железобактериями. Это они извлекали железо из недр земли и "складывали" его на поверхности. Различные бактерии прис­пособились к переработке строго определенных химических соедине­ний. Их избирательное действие положено в основу нового направле­ния, названного рудной микробиологией.

В основе микробиологического метода добычи полезных ископаемых лежит учение Вернадского В.И. о биосфере и ноосфере, которое не может не привести к выводу: вторая (искусственная) природа так же как и первая (естественная), должна ОХВАТЫВАТЬСЯ законом бережливости. Поступление в сферу материального производства химических элементов должно быть минимальным количественно и качественно; захваченное должно использоваться максимальное число раз; элементы, которые не находят применения в производственных процессах, должны "переключаться" на смежные, сопутствующие; нерегенерируемые далее соединения на выходе в биосферу обезвреживаются (обязательное условие подключения к старинным геохимическим циклам планеты). Осуществление завершающего звена, по В.И. Вернадскому, должно быть итогом переработки отходов и вышедшей из употребления продукции автотрофными, так как высшие формы живой материи — гетеротрофные — способны усваивать без ущерба для себя лишь химически чистые, однородные элементы. Хлорофильные растения и окисляющие бактерии должны поэтому выполнить роль "связующих" звеньев (только они могут питаться изотопическими смесями). Включение низших биологических форм в производственный процесс обеспечивало бы оптимальный вариант решения многих экологически сложных ситуаций.

Наука делает определенные шаги в направлении использования автотрофных организмов в отраслях добывающей и обрабатывающей промышленности, земледелия и транспорта. Подтвердились прогнозы В.И. Вернадского о том, что в промышленности наибольший экологический эффект способны дать микроорганизмы в силу присущих им физиологических характеристик. Он описывает их технологические параметры:
1. Одноклеточные всеядны, способность их к аккумуляции химических элементов достаточно высока (предельное обогащение идет в интервале 1–10% веса живого вещества).

2. Организмы-концентраторы встречаются в больших количествах, что предопределено спецификой их размножения. Ни одно живое существо выдержать с ними конкуренцию не в состоянии: скорость размножения одноклеточных близка к скорости звука. За сутки у бактерий меняется столько поколений, сколько у человека за 5000 лет.

3.Микробы очень неприхотливы и широко распространены.

4. Производственное применение микробов можно регулировать с помощью температурных режимов (большинство бактерий погибает при 70–800°С, но сравнительно легко выдерживает температуру в несколько градусов ниже нуля).

Важными доводами ЗА использование микробов в добывающей промышленности служат экономические и терапевтические показатели.

Во-первых, с их помощью можно вести разработку забалансовых руд. Если принять во внимание, что "бедные" месторождения составляют до 65% от общего их числа, то комментарии будут излишни. Во-вторых, бактерии способны усваивать строго определенные химические элементы, что позволяет применять их в обработке флотационных концентратов на обогатительных фабриках. Это одно из перспективных направлений в рудной микробиологии.

В-третьих, многие бактерии способны "работать" в экстремальных условиях (выдерживают радиацию в 10 тысяч раз превышающую смертельную дозу для человека).

В-четвертых, микробиологическая обработка рудных тел оставляет нетронутыми почвенный покров и рельеф местности.

В обрабатывающей промышленности закон бережливости может быть осуществлен через процессы внутрипроизводственного (малое кольцо) и межпроизводственного (большое кольцо) функционирования, а также через обезвреживание отходов, сбрасываемых в биосферу, использование "природных технологий" и "природной техники".

Биометаллургии принадлежит будущее, с ее помощью человечество получит неограниченные возможности без ущерба для себя и окружаю­щей среды (природы) производить железо, металлы, различные стали и сплавы высоких чистоты и качества. Биометаллургия не потребует огнеупорных материалов, флюсов, топлива, полностью исчезнет вероят­ность загрязнения металлов.

Раскрытие кода ДНК микробов, которые буйно разрастаются в загрязненных средах, поможет создавать бактерии, которые могут чистить загрязненные грунты. В шаге от этой цели оказался Объединенный Институт Генома Министерства Энергетики США (JGI), который выпустил черновой вариант строения генома одного такого микроорганизма.

Бактерия, известная как Ralstonia metallidurans, декодируется Джоном Дунном и Джеффри Хиндом, - биологами в Бруклинской Национальной Лаборатории, в сотрудничестве с учеными из Бельгии и других структур JGI.

Эти бактерии были сначала изолированы в 1976 году от общего отстойника в Бельгии, который был загрязнен высокими концентрациями тяжелых металлов. Испытание показало, что в дополнение к ее хромосомным генам, Ralstonia имеет две больших плазмиды - генетический материал, который существует независимо от хромосомных генов, необходимых для обычной функциональной работы клетки. Согласно Дунну, эти плазмиды встраивают гены, которые делают Ralstonia стойкими к неблагоприятным эффектам от воздействия множества тяжелых металлов, включая цинк, кадмий, кобальт, свинец, медь, ртуть, никель и хром.

Получение первой предварительной структуры ДНК для Ralstonia, которая содержит приблизительно 3000 генов, позволит осуществлять манипуляцию с подбором коэффициента устойчивости, намного больше существующего.

Например, посредством генной инженерии, ученые могли бы передать устойчивость к тяжелым металлам от Ralstonia к другим микробам, которые расщепляют органические загрязняющие вещества, в том числе нефть, мазут или химические отходы.

Это позволит создать полный набор микроорганизмов, которые очищали бы любые скопления вредных веществ, которые часто образуются в результате техногенных катастроф.

Также японцы доказали, что биометаллургия не такая уж фантастика. Они уже выплавили сталь с ванадием, извлеченным из... морских животных асцидий.

В нашей стране разработана технология бактериально-технического способа извлечения золота и серебра из бедных этими металлами пород. Биометаллургия экономически выгодна, и исключает загрязнение окружающей среды.

Развивается космическая металлургия. Эксперименты показали, что в состоянии невесомости возникают невиданные на Земле возможности для выращивания уникальных монокристаллов и кристаллических сис­тем. Не исключено, что в недалеком будущем многие редкие металлы и сплавы, а также полупроводниковые материалы с экологической и экономической точки зрения будет более выгодно выплавлять в усло­виях космоса, на орбитальных станциях.

Но «космические технологии» — это и элитное производство, основанное на многолетнем производстве ракетной техники, «космических» требованиях к выпускаемой продукции, сложность и многогранность используемого оборудования, высококвалифицированный персонал. Ранее ориентированные на «оборонку» предприятия ищут и находят применение своим уникальным технологиям. Наряду с традиционными технологическими процессами осваиваются новые уникальные технологии, которые успешно внедряются в производство гражданской продукции.

Созданы новые высокопрочные материалы, используя метод вакуумного литьяна основе нержавеющих особо прочных сталей, которые могут работать в сероводородной среде в интервале температур от - 253 °C. до + 800 °C.

Литье в оболочковые керамические формы позволяет получить высокоточные литые детали сложного профиля, практически исключающие необходимость дополнительной обработки (чистота поверхности 20-40 мкм), сократить металлоемкость изделий, не снижая при этом показатель надежности.

Технология горячего изостатического прессования деталей из гранул значительно упростила процесс изготовления колес турбин из термопрочного сплава и крыльчаток водородного насоса из титанового сплава.

Метод направленной кристаллизации металла с применением специальной термообработки используется для создания заданной структуры металла и его физических свойств в процессе литья.

Завод располагает первоклассными лабораториями для разработки и анализа технологических процессов, в том числе обработки металлов резанием, проведения механических и климатических испытаний, металлографических исследований, химического анализа, ультразвукового, рентгеновского и магнитного контроля.

Многочисленный парк станков и оборудования позволяет обеспечить обработку деталей резанием в широком диапазоне параметров. Максимальные габариты деталей достигают 2,5 м, в то же время станки с программным управлением обеспечивают изготовление деталей с точностью до 1 мкм.

Технология дифференцированной электрохимической обработки (ДЭХО) с применением комплекса, управляемого компьютером, используется для устранения разнотолщинности стенок особо сложных крупногабаритных оболочек. В процессе обработки производится автоматический контроль толщины стенок и коррекция разнотолщинности по всей поверхности детали. Допустимые отклонения соседних участков ± 0,1 %.

Сварка в вакууме крупногабаритных деталей из разных металлов (медь со сталью, нержавеющие стали с другими сплавами) является наиболее оригинальной технологией. Объем рабочей камеры установки 114 м³, что позволяет сваривать детали до 5 м длиной. Толщина деталей в месте сварки стали и титана 80 мм, алюминия до 120 мм, меди и сплавов до 40 мм. Зона сварки контролируется с помощью телевизионной аппаратуры. Наличие вакуума в зоне сварки обеспечивает минимальное термическое влияние, снижает содержание примесей в 20 раз, что повышает механические свойства сварного шва.

Обработка металла давлением позволяет получать детали различной формы: цилиндрической, оживальной, конусной, сферической диаметром до 2400 мм при исходной толщине заготовки до 20 мм из высокопрочных нержавеющих сталей с высокой механической прочностью при малом удельном весе.

Штамповка оболочковых изделий взрывом калибрует оболочки после ротационной вытяжки или создает высокоточные изделия сферичной формы.

Для повышения рабочего ресурса режущего инструмента его рабочие части технологически упрочняются. Для этого используются электроискровое легирование, обработка инструмента глубоким холодом в среде жидкого азота, нанесение упрочняющего покрытия электроплазменным методов. В 1,5-2 раза повышают стойкость инструмента методы химико-термической обработки: низкотемпературное борирование, азотирование, цианирование.

На заводах Украинской ассоциации предприятий черной металлургии получают множество марок стали. В нее добавляют самые разные элементы. Например, бритва из стали с серебром - "вечная". Платиновая сталь режет стекло, рубит чугун и железо. Если же сделать кастрюльку с ручками из деревянной стали, то на огне они не нагреются вместе с кастрюлей, а будут лишь чуть теплыми, как дерево. А так называемую "алмазную" сталь сделали, используя хром и вольфрам. Она не просто режет, а снимает тончайшую стружку с чугуна и стекла. "Немая" сталь и вовсе чудо. Колокол, отлитый из нее, невозможно заставить "говорить". Если сделать из нее рельсы и колеса поездов, то мы можем еще пожалеть, что не слышен романтический перестук колес. Но самая фантастическая, пожалуй, прозрачная дырчатая сталь. Лист из нее пропускает свет, но совершенно не пропускает воду. Хотя больше напоминает не стекло, а сито: на просвет можно увидеть множество крохотных отверстий (10 тысяч на один квадратный сантиметр поверхности). Продувая сквозь них воздух, можно, например, заставить муку, цемент, угольную пыль течь, подобно жидкости.