Металлургическая промышленность отнюдь не чемпион по скорости внедрения новых технологий, однако участники рынка делают существенные инвестиции в модернизацию предприятий. Инновации постепенно находят своё место в отрасли и способствуют повышению её эффективности.

Важно отметить, что с помощью инновационных технологий металлурги усиливают как собственно производственное направление, так и НИОКР, ESG и другие сферы деятельности. Рассказываем про готовые решения и перспективные разработки, определяющие конъюнктуру глобального металлургического рынка.

Электрон вместо угля

Мировая экономика выдвигает всё больше требований к социальной и экологической безопасности бизнеса, причём это давно уже не просто дань моде, а вопрос профессионального управления рисками. В частности, корпоративный сектор уверенно движется к декарбонизации.

Доменные печи, используемые в сталеплавильном производстве, — источник выбросов углекислого газа. Сотрудники стартапа Boston Metal запатентовали способ с помощью электролиза получать расплавленный чугун, который затем перерабатывается в сталь. А если для этого процесса поставляется электричество из возобновляемых источников, то такой цикл можно назвать углеродно-нейтральным.

Технология под названием MOE обеспечивает металлургическую промышленность более дешёвым и экологичным вариантом выплавки широкого спектра продуктов из разнообразного сырья. Boston Metal тесно взаимодействует с клиентами, чтобы адаптировать MOE для потребностей конкретного бизнеса. В ближайшие несколько лет стартап планирует заниматься коммерциализацией технологии.

Благодаря своим универсальным свойствам сталь является одним из важнейших материалов в автомобилестроении. Даже при кратном росте популярности электромобилей этот металл будет необходим для штамповки кузовов и многих других компонентов. В прошлом году BMW Group начала работать с Boston Metal в рамках собственной исследовательской программы; сейчас немецкая компания инвестирует в стартап через свою «дочку» i Ventures.

Для сохранения запасов сырья концерн поставил цель к 2030 году увеличить долю вторичного материала и перейти на модель экономики замкнутого цикла. Все стальные отходы, образующиеся на прессовых заводах (например, при штамповке дверей), либо повторно используются, либо отправляются обратно производителю через трейдеров и снова перерабатываются в сталь. Использование вторичного материала значительно сокращает выбросы CO2, экономит природные ресурсы, а также уменьшает количество энергии, необходимой для производства.

«Мы систематически идентифицируем участки в нашей цепи поставок с самыми высокими выбросами CO2. Производство стали как раз такой случай, но без стали нам не обойтись. По этой причине мы поставили перед собой цель постоянно снижать выбросы CO2: к 2030 году показатель должен быть примерно на 2 млн тонн ниже, чем сейчас», — пояснил член правления BMW AG Андреас Вендт.

Заклинатели металлов

Инженеры из Университета штата Айова создали технологию, помогающую извлекать чистые и драгоценные металлы из старых мобильных телефонов и других электрических «отходов». Как признаются авторы, они вдохновлялись работой природы по созданию сталактитов и сталагмитов.

Суть метода заключается в следующем: используя дозированную подачу кислорода и относительно низкие температуры, учёные медленно вытягивают наиболее реактивные компоненты на поверхность, где те образуют сталагмитоподобные шипы из оксидов металлов. При этом наименее реактивные компоненты остаются в очищенном жидком сердечнике. Структура, формируемая при расплавлении металла, аналогична пещерным структурам, таким как сталактиты или сталагмиты. Но в нашем случае для создания таких структур используется не вода, а окисление.

Рабочая группа видит своей задачей изобретение новых методов извлечения драгоценных металлов из сплавов, широко применяемых в повседневной жизни. Успех проекта демонстрирует, что традиционные электрохимические или высокотемпературные методы (выше 1000 °С) не панацея: при очистке металла его реакционная способность может быть использована для сепарации.

Технология окисления хорошо работает при температурах от 260 до 370 °С. Помимо очистки и восстановления металлов, открытие американских учёных может влиять и на видообразование металлов, то есть способность этой группы химических элементов диктовать создание и распределение конкретных металлических компонентов. Ещё один вариант коммерциализации — производство сложных катализаторов для осуществления многоступенчатых реакций.

«Наша работа демонстрирует контролируемое поведение поверхностного окисления в металлах и его потенциал при проектировании новых структур и очистке. Если настроить процесс с помощью температуры, парциального давления окислителя, времени и состава, то баланс между реакционной способностью и термической деформацией позволит получить беспрецедентные морфологии. Мы чувствуем себя заклинателями металлов: заставляем их вести себя так, как нам нужно», — сообщают авторы исследования.

Неуязвимые суперсплавы

Суперсплавы, выдерживающие экстремально высокие температуры, можно дополнительно наделить рядом полезных свойств. Это утверждение содержится в прорывной научной работе, в которой рассматриваются свойства инварных сплавов. Такие сплавы на основе никеля и железа (Ni-Fe) практически не расширяются с повышением температуры.

Эффект инвара до недавнего времени был изучен довольно слабо. Сотрудники Королевского технологического института (Швеция) подготовили общую теорию, объясняющую этот феномен. Коротко говоря, инвар обладает эластичностью, то есть способностью возвращаться к первоначальной форме после внешнего воздействия. Поскольку это свойство связано с взаимодействием температуры и магнитного порядка, оно считается характерным для сплавов с магнитным порядком. Такой материал идеально подходит для турбин и реактивных двигателей.

Используя квантово-механическое моделирование, исследователи определили, что пластичность возникает и в немагнитных сплавах, когда на атомном уровне существует баланс между кубической и гексагональной структурой. Открытие стало возможным благодаря долгосрочному сотрудничеству науки и бизнеса, находящемуся в поисках альтернатив канцерогенному кобальту в твёрдых металлах (например, в режущих инструментах).

Водород и углерод — на выход

Стратегия подразумевает строительство крупной дуговой печи и её запуск в течение 10 лет. Ожидается, что новые мощности заменят часть действующих доменных печей. Компания рассматривает возможность одновременного использования лома и железа прямого восстановления в качестве сырья для электропечи, которая, кстати, будет работать на безуглеродном электричестве.