17 июля 2022 года отмечается важный для Южного Урала профессиональный праздник — День металлурга. Эта сфера промышленности считается одной из основных в Челябинской области. Здесь работает более 150 предприятий, занимающихся добычей и переработкой природного сырья. О том, какие специалисты нужны для развития этой области, рассказал руководитель направления материаловедения и технологий Политехнического института Южно-Уральского государственного университета Иван Ердаков.
— В каком направлении развивается область материаловедения и техники, изучающая поведение металлических элементов?
— Преображение металлургии сегодня связано с ужесточением требований к снижению загрязнений окружающей среды, а также с необходимостью качественного изменения рабочей среды. Появление «Белой металлургии» на ЧТПЗ трансформировало отношение производства к человеку и человека к производству, поэтому новые предприятия стали строить с акцентом на комфорт. В нашем регионе за последние десятилетие созданы такие новые цеха, как «Стан-5000» на ММК, цех «Высота 239» и «Железный озон 32» в группе ТМК, рельсобалочный стан на «Мечеле». И все эти цеха мирового уровня. В таких высокотехнологичных производствах работает новое поколение металлургов, способных как осваивать производство, так и разрабатывать для него новые металлургические процессы. Развитие металлургии сегодня идет в соответствии с мировыми трендами: «Зеленая металлургия», «Новые материалы с уникальными свойствами» и «Цифровизация».
— Что означает каждый из этих трёх трендов?
— За многие годы работы металлургических предприятий по всему миру накопилось огромное количество отвалов, негативно влияющих на окружающую среду. Мы с вами живем в области, где эти вопросы стоят очень остро (шлаки сталеплавильного, доменного, медеплавильного и никелевого производств). А в нашем представлении «Зеленая металлургия» – это не только технологии, позволяющие снизить выбросы СО2 за счет использования водорода, но и технологии, способные обеспечить переработку уже накопленных отходов. И наша идея здесь заключается в создании мини-заводов по комплексной безотходной переработке этих отвалов. Обращаю внимание на термин «безотходная переработка», т.е. исключена возможность повторного накопления новых вредных веществ. Идеи «Зеленой металлургии», применительно к Челябинской области, могут быть реализованы во всех городах, где есть такие заводы. Фактически – это готовый бизнес, который можно вести по всему миру. И он очень востребован. Например, совместно с ОМК – это объединенная металлургическая компания – мы вошли в Сколково. Проявляет интерес Северсталь, а также заводы в Австрии, где металлургические предприятия платят большие деньги за складирование техногенных отходов.
Возвращаясь к идее мини-заводов, следует задать вопрос. Что же получается в результате переработки указанных отвалов? Ответ – из шлака получают сталь с чугуном и неметаллы – пропанты или сорбенты. Пропанты и сорбенты представляют собой гранулообразные материалы. Их тип зависит от химического состава перерабатываемого сырья. Пропанты востребованы в нефтегазовой сфере при строительстве скважин, они удерживают скважину от сжимания, при этом являются пористыми и позволяют прокачивать через себя нефть. Сорбенты наоборот, поглощают тяжелые металлы и минерализуются, это позволяет очистить водоемы без риска повторного загрязнения. Также в этой области мы создаем новые монокристаллы для микроэлектронники, высокоэнтропийные сплавы с уникальными свойствами для упрочнения изделий в машиностроении, и методами трехмерной печати, литьем или сваркой формируем новые функционально-градиентные системы (композиты).
Эволюция инжиниринга к цифровому производству привела к тому, что сейчас новые процессы невозможно создать без компьютерного моделирования. Молодому специалисту сейчас необходимо накапливать опыт работы в таких всемирно известных системах инженерного анализа как ANSYS, DEFORM, QFORM, SYSWELD, PROCAST и др. Такой подход позволяет как бы изнутри увидеть физические явления и процессы, протекающие в металле в ходе той или иной технологической операции (литья, прокатки, штамповки или сварки), оценить влияние технологических режимов на качество продукции, а также спрогнозировать срок службы технологической оснастки. Полученные математические модели являются основой создания цифровых двойников в Индустрии 4.0.
— Какие происходят изменения в программе обучения будущих металлургов?
— Ещё в 2017 году на уровне правительства РФ принята программа «Цифровая экономика». Металлургические предприятия России намного раньше 2017 года стали уделять серьёзное внимание этой теме. Высокотехнологичные современные агрегаты — а именно таким оборудованием оснащены передовые металлургические предприятия России — позволяют управлять ими с компьютера, находясь в кондиционируемом комфортабельном пространстве. Наличие высокой степени автоматизации и компьютеризации позволяет таким предприятиям задумываться о цифровых двойниках производства и искусственном интеллекте при принятии оперативных и экстренных решений. Именно эта философия определяет один из треков развития предприятий в ближайшие годы, и выпускники вузов должны к этому и психологически, и профессионально быть готовы. На нашем направлении кафедра «Процессы и машины обработки металлов давлением» совместно с кафедрой «Пирометаллургические и литейные технологии» в этом году открыли магистерскую программу «Искусственный интеллект в металлургии», которая призвана дать выпускникам эти знания и компетенции.
— Каких специалистов этой отрасли готовят в Политехе на направлении материаловедения и технологий?
— Будущие бакалавры проходят подготовку по следующим направлениям: «Металлургия» (по профилю «Металлургические технологии»), «Материаловедение и технологии материалов» (по профилю «Перспективные материалы и технологии»), «Машиностроение» (по профилю «Обработка материалов давлением» и «Оборудование и технология сварочного производства»), а также «Технологические машины и оборудование» (по профилю «Инжиниринг технологического оборудования»).
В магистратуре реализуются направления: «Металлургия» (по программе «Искусственный интеллект в металлургии», «Материаловедение и технологии материалов» (по программе «Материаловедение: структура и свойства материалов», «Машиностроение» (по программе «Цифровое проектирование и производство сварных конструкций из высокопрочных сталей»), также осуществляется обучение на английском языке «Welding engineering». Ещё есть направление «Технологические машины и оборудование» — программа «Проектирование и обслуживание технологических машин и агрегатов».
В аспирантуре реализуется направление «Технология материалов» и «Машиностроение».
К преимуществам направления можно отнести возможность участия в совместных проектах с Технологическим университетом города Леобен (Montanuniversität Leoben) в Австрии, для магистрантов и аспирантов направление МиТ — участие в Международных инженерных кейс-чемпионатах MetalCup и CASE-IN. В рамках образовательной программы Группы ТМК «Будущее Белой металлургии» реализуется проект «Стажеры» для студентов старших курсов, которые проходят оплачиваемые стажировки во всех подразделениях компании: производственном, техническом, коммерческом.
— Насколько важен практико-ориентированный подход в обучении будущих специалистов в сфере металлургии? Как он реализуется на вашем направлении?
— Осваивать сложные для понимания специальные дисциплины становится существенно проще, если использовать проектно-ориентированное обучение. Суть проектного подхода заключается в том, что студенты, объединенные в творческие команды, работают над решением актуальных задач в области металлургии. Важным плюсом, по сравнению с традиционным подходом, здесь является то, что студенты получают не только теоретические знания, но и учатся применять их на практике. Обеспечивается глубокая интеграция и погружение в производство, так как у студентов есть реальная задача и дополнительный куратор от предприятия.
В этом году реализуются проекты «Цифровые технологии прокатного производства и их материаловедческое сопровождение» (рук. заведующий кафедрой «Процессы и машины обработки металлов давлением», проф., д.т.н. Александр Выдрин), «Материаловедение. Функциональные композитные материалы» (рук. заведующий кафедрой материаловедения и физико-химии материалов, д.ф.-м.н. Денис Винник), «Рециклинг шлаков металлургического производства с получением износостойких литых заготовок» (рук. заведующий кафедрой «Пирометаллургических и литейных технологий», к.т.н. Павел Гамов), «Экологичное стальное литье для нефтегазового комплекса страны» (рук. профессор кафедры «Пирометаллургических и литейных технологий», проф., д.т.н. Леонид Знаменский), «Разработка оборудования и технологии изготовления сварных шпунтовых профилей» (рук. заведующий кафедрой «Оборудование и технологии сварочного производства», к.т.н. Михаил Иванов).
Бакалавр кафедр процессов и машин обработки металлов давлением Егор Алексеев в этом году стал наставником и руководителем инженерных проектов федерального образовательного центра СИРИУС. В мае 2022 года команда от Политеха «16х20» дошла до полуфинала всероссийского конкурса профессионального мастерства Metal-Cup. В рамках программы «УМНИК-2022» поддержаны работы магистранта Пунда А.Ю. «Разработка технологии получения высокоэнтропийной керамики со структурой перовскита» и аспиранта Алексеева И.А. «Разработка программного обеспечения для численного моделирования электротермических процессов в текучих сплошных средах». На реализацию проектов выделено 500 тыс. руб. на два года.
— В каких лабораториях и научно-образовательных центрах могут практиковаться студенты?
— Это НОЦ «Нанотехнологии», НИИ «Опытное машиностроение», лаборатория механики, лазерных процессов и цифровых производительных технологий, лаборатория автоматизированных и роботизированных способов сварки» лаборатория высокотемпературных твердофазных процессов и другие, в ЮУрГУ работают более 40 учебных и научных лабораторий. Выпускные квалификационные работы магистры и бакалавры выполняют путем компьютерного моделирования исследуемых технологических процессов и конструкций с привлечением ресурсов Суперкомпьютерного центра ЮУрГУ.
— Какие разработки и открытия, сделанные студентами и сотрудниками направления, Вы могли бы привести? В чем их ценность?
— Одним их основных направлений нашей работы является разработка новых материалов. Так, на направлении МиТ создан уникальный материал, способный решить проблемы мировой экологии — сорбент с активными наноцентрами. Сорбент блокирует распространение радиоактивных веществ и катионов тяжелых металлов по открытым и подземным гидрогоризонтам, что позволяет использовать его для очищения русел рек и озер Челябинской области.
Продолжением материаловедческого направления нашей работы является создание функциональных монокристаллов на основе гексаферрита бария совместно с НОЦ «Нанотехнологии». Путем целенаправленного изменения на атомарном уровне структуры кристалла возможно радикальное изменение свойств исходного материала. Так, путем частичного замещения железа алюминием, можно создавать материалы для электроники, поскольку частичное замещение железа титаном приводит к снижению частот резонанса, повышает поглощение материала.
Студенты направления в ходе учебного процесса осваивают и отрабатывают технологии 3D-печати различных деталей и узлов технологических машин из пластиков. В дальнейшем в магистратуре по программе «Цифровые технологии прокатного производства и их материаловедческое сопровождение» решают задачи, связанные с отработкой технологий 3D-печати, лазерной наплавки, детонационного напыления металлических деталей.
Во всех научных работах активное участие принимают студенты. Так, каждая девятая статья и каждый патент на направлении МиТ выходит при участии или за авторством студентов.
— С какими металлургическими предприятиями вы сотрудничаете? Где могут работать ваши выпускники? Каких успехов они добиваются?
— На сегодняшний день мы тесно взаимодействует с такими металлургическими гигантами, как ПАО «ЧТПЗ», АО Трубодеталь, ПАО Мечел (ЧМК), ПАО «ЧКПЗ», АО «Конар», ПАО Камаз, АО Государственный ракетный центр им. Макеева, АО Выксунский металлургический комбинат, ОАО «ЧМЗ», ПАО «ММК», ОАО РусНИТИ и др. Между ЮУрГУ и ЧТПЗ подписано соглашение о стратегическом сотрудничестве между предприятием и вузом в сфере профессионального образования и научно-исследовательской деятельности, а также воспитания нового поколения «Белых металлургов». Выпускники направления МиТ работают инженерами-технологами, инженерами-конструкторами, металловедами и материаловедами, специалистами по планированию производства, а лучшие выпускники достигают должностей: главный металлург, главный технолог, главный сварщик, технический директор, управляющий директор, директор по производству ведущих металлургических предприятий.
Предприятиям нужны профессионалы своего дела. Такие ребята быстро достигают карьерных высот и начинают определять техническую политику металлургического производства.