Современные проблемы металлургии, машиностроения и материалообработки. Учебное пособие

2.2 Основные современные проблемы металлургии и материаловедения

2.2.1 Основные современные проблемы металлургии

Принято считать, что промышленность в России находится в ужасающем состоянии: заводы стоят, некоторые уже разрушаются, в отрасли царит импорт и иностранный капитал. По общепринятому мнению, Россия является исключительно сырьевым экспортером, потому что ничего хоть сколько-нибудь переработанного экспортировать просто нечего. Иногда подобные заявления приобретают характер истерии, а подчас и просто становятся предметом политических спекуляций. Между тем о конкретных проблемах и способах их решений говорят гораздо реже. Каково настоящее положение в сегодняшней металлургии?

Россия – крупный игрок международного рынка металлургии

В настоящее время российские производители занимают устойчивое место на международном рынке производства и торговли металлами. На долю РФ приходится около 10 % мирового оборота металла и металлопродукции.

Россия производит более 5 % мирового объема стали; 11 % алюминия; 21 % никеля; 27,7 % титана. Доля занятых трудовых ресурсов в российской металлургии за последние пятнадцать лет выросла

в1,5 раза, а в структуре доходов от промышленного производства –

в6,5 раз. Доля экспорта, занимаемая металлургической продукцией,

выросла с 6 % в 1993 г. до 20 % в 2008 г.

Черная металлургия была и остается одной из базовых отраслей российской экономики, ориентированной на мировой экспорт, при этом прогнозы экспертов на будущее продолжают оставаться благоприятными. с одной стороны, спрос на металл на рынках Юго-Восточной Азии и Южной Америки постоянно растет, а с другой, – в развитых странах Европы и Северной Америки металлургия сталкивается с проблемами постоянного повышения стоимости рабочей силы и требований к экологичности предприятий. Во многом именно в связи с этим некоторые металлургические заводы за рубежом просто закрываются. А их место на рынке может занять российский металл.

11

Своевременная модернизация – залог успеха

Прочное положение российской металлургии связано с тем, что предприятия этой отрасли одними из первых стали модернизировать производственный процесс и повышать его эффективность. В результате этого удалось выстроить вертикальные и горизонтальные связи в отрасли, нарастить производство конкурентоспособных товаров, снизить накладные издержки, уменьшить негативное влияние на окружающую среду, занять прочное место на мировом рынке. Продукция российских металлургов продолжает пользоваться спросом и внутри страны. Уже в 2007 г. удалось достичь положения, при котором внутренний спрос стал превышать экспорт. Таким образом, металлургам удалось диверсифицировать спрос на свою продукцию, снизив зависимость от мирового рынка. Основные потребители металлопродукции внутри страны – это топливно-энергетический комплекс и машиностроение.

Проблем много, но они решаемы

Вместе с тем в отрасли есть и некоторые проблемы, которые значительно тормозят ее развитие. Во-первых, это по-прежнему достаточно низкая емкость внутреннего рынка (т.е. возможный объем реализации товара при определенном уровне цен), а во-вторых, чрезвычайно высокая энергозатратность производства по сравнению со странами-конкурентами.

Трудность модернизации производственных процессов связана в первую очередь с тем, что сегодня все технологические процессы жестко привязаны друг к другу. Модернизировать их по одному достаточно сложно, затратно и, в конечном счете, невыгодно. Владельцы предприятий в отсутствие планируемых рисков предпочитают не тратить средства и силы на модернизацию производства, жить сегодняшним днем. Развитие идет лишь за счет второстепенных областей, где частичная модернизация не угрожает поглотить слишком много средств и повлиять на планы получения прибыли.

В связи с этим можно выделить следующие однозначно негативные тенденции в отрасли:

--остающийся достаточно высокий уровень износа основных производственных фондов;

--потенциальный недостаток некоторых видов сырья;

12

--разрушение процесса воспроизводства запасов сырья и руды, действовавшего в советское время;

--низкий уровень производительности труда; --повышенные расходы сырья, энергетических и материальных

ресурсов для производства единицы продукции, по сравнению с конкурентами из развитых стран;

--низкий уровень внедрения новых технологий на российских предприятиях;

--кадровый голод.

Основная проблема – изношенные производственные фонды

Несмотря на то что процесс обновления основных производственных фондов идет, его темпы, по признаниям экспертов, совершенно недостаточны. Износ основных фондов, по данным на 2008 г., составляет 43 %, что не может не сказываться на производстве. Решить эту проблему достаточно трудно, так как обновление оборудования – это большие траты и временное сокращение объемов прибыли, и не каждый владелец решится на такую долгосрочную инвестицию. Привычка российского частника к быстрой прибыли весьма губительно сказывается на состоянии промышленности.

Проблемой является и общая технологическая отсталость производства: еще 3 года назад более 18 % стали производилось в устаревших мартеновских печах, более 30 % стальных заготовок изготавливалось с помощью еще советских агрегатов по прокатке слитков.

По сути, конкурентоспособность отечественной металлопродукции сегодня держится в основном на дешевом сырье, доступных энергоресурсах и невысоких затратах на рабочую силу. Все это, разумеется, является слишком ненадежным преимуществом, которое может быть в любой момент утрачено – например, в том случае, если на рынок выйдут производители из стран с намного более дешевой рабочей силой (Южная Азия, Африка, Бразилия и т.п.).

Разумеется, остается и проблема со структурой производства. Доля производства металлопродукции высоких переделов составляет всего 7 %, остальное – продукция невысоких и промежуточных переделов. Иными словами, сегодня экспортируют болванки и заготовки, которые впоследствии в других странах превращают в продукты с высокой добавочной стоимостью.

13

Пути решения

Для того чтобы сохранить имеющиеся позиции на мировом и внутреннем рынке металлопродукции, российским предприятиям необходимо ускорить процесс реструктуризации производственных процессов, а для этого нужно перестать цепляться за две вещи: быструю прибыль и желание сэкономить на сырье и оплате труда.

Необходимо значительно повысить долю продукции высоких переделов за счет переработки металла на территории страны. Кроме того, необходимо снова наладить эффективные связи между поставщиками сырья и руды и металлургическими заводами, отладив логистику и другие бизнес-процессы.

По мнению экспертов рынка, приведение производства к среднемировым стандартам позволит повысить отдачу от отрасли, как минимум, в 1,6–1,7 раза.

Разумеется, сделать все это силами частных владельцев производств будет нельзя, необходимо самое непосредственное участие государства. Прежде всего правительству нужно стимулировать модернизацию – как прямыми инвестициями в производство, так и в виде тех или иных налоговых преференций. Параллельно властям следует задуматься о снижении негативных социальных последствий модернизации, в результате которой будут высвобождаться значительные трудовые ресурсы.

В дальнейшем также необходимо задуматься о продолжении геологоразведки и освоении месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока. Через 20–30 лет там должны возникнуть конкурентные современные производства, за счет чего европейская часть страны сможет освободиться от устаревших и слишком затратных производств.

2.2.2 Основные современные проблемы материаловедения

Создатели техники всегда стремились, чтобы новые изделия по эффективности и качеству превосходили известные. Развитие многих областей современной техники связано с применением высокопрочных материалов. Перед наукой стоит проблема сделать высокопрочные материалы столь же надежными и недорогими, как рядовые металлы.

Производство и потребление сверхтвердых материалов, к которым относят многие твердые сплавы, карбиды, бориды, технические алмазы и др., в значительной мере характеризуют промышленный потенциал и техническую мощь страны. Эти материалы настолько тверды и хрупки, что не поддаются обработке традиционными методами.

14

Технологические трудности удалось преодолеть, используя явление сверхпластичности, когда заготовкам из твердых материалов можно придавать нужную форму путем деформирования под давлением.

В некоторых материалах при тепловом воздействии обнаруживается «эффект памяти» – восстановление первоначальной формы пластически деформированного образца в результате нагревания. Механизм этого явления обусловлен структурными превращениями материала. Основную группу материалов составляют сплавы на основе титана.

внастоящее время их используют в раскрывающихся под действием солнечного тепла антеннах космических кораблей.

Переход авиации на реактивные двигатели придал актуальность проблеме создания материалов, выдерживающих механические нагрузки при высоких температурах. Резервы высокотемпературной прочности сплавов на основе железа, никеля, алюминия и других металлов ограничены и фактически исчерпаны. Это связано с тем, что температура эксплуатации многих деталей двигателей достигла 1200 °С и приблизилась к температурам плавления сплавов. Так, верхний предел рабочих температур рядовых сталей не превышает 770 °С, сплавов никеля и кобальта – 1100 °С и т.д. До недавнего времени низкие значения высокотемпературной прочности сталей были барьером для дальнейшего развития двигателестроения, поскольку эксплуатационные характеристики двигателей прямо зависят от температуры газов в турбине.

внастоящее время эта проблема решена путем переработки металлов

вгранулы методом высокоскоростной кристаллизации и последующего прессования гранул в изделия. Высокоскоростная кристаллизация происходит в результате быстрого охлаждения расплава, приводящего к образованию микрокристаллов исключительно малых размеров или даже аморфных материалов. При высоких температурах прочность мелкокристаллических и аморфных сплавов в 1,5 раза выше, чем сплавов, полученных по традиционной технологии.

Криогенная техника, обеспечивающая получение и использование температур ниже 150 °С, решает многие проблемы производства, связанные со сжижением газов и разделением газовых смесей, прежде всего воздуха. Ее достижения обусловили разработку полупроводников, которые применяются в энергетике.

Резко возросли требования к чистоте материалов. До недавнего времени чистые материалы соответствовали определениям технически чистые (содержание основного компонента – 99,9 %) или химически чистые (99,99 %). Еще более высокие требования к чистоте материалов в полупроводниковой технике: норма примесей в большинстве

15

материалов – менее 10–11%. Потребителями сверхчистых материалов стали квантовая электроника (рабочие элементы лазеров), космическая техника (солнечные батареи, топливо и т.д.). У многих сверхчистых материалов обнаружены неожиданные свойства. Так, железо и цинк, которые легко поддаются коррозии, в очищенном виде успешно противостоят ей; считавшиеся твердыми и хрупкими хром, титан, вольфрам, молибден и другие тугоплавкие металлы глубокой очистки становятся податливыми и из них можно прокатывать фольгу.

Актуальной проблемой стала защита материалов от химического взаимодействия с окружающей средой, агрессивность которой существенно возросла вследствие усиления производственной деятельности человека. Колоссальных размеров достигли затраты на ликвидацию воздействий изнашивания материалов в машинах. Знание закономерностей старения материалов, т.е. происходящего во времени изменения их структуры и свойств, необходимо для принятия мер по стабилизации свойств материалов и прогнозирования работоспособности объектов техники.

К функциональным материалам, как правило, относят:

--аморфные материалы, для получения которых необходимо охлаждать металлы со скоростью более миллиона градусов в секунду, поле чего они приобретают структуру стекла и удивительное сочетание физико-механических и химических свойств;

--«интеллектуальные» или «умные» материалы, характерной особенностью которых является способность «запоминать», отслеживать и воспроизводить деформацию и форму конструкции;

--интерметаллические материалы; --интерметаллические материалы на металлической, полимерной

или углеродной матрице; --ультрадисперсные и нанофазные материалы, элементарный раз-

мер фрагментов структуры в которых составляет менее сотых и тысячных долей микрона (алмазоподобные сверхтвердые пленки, функ- ционально-градиентные покрытия и др.).

Особенность новых и новейших материалов, в отличие от традиционных, состоит в их более тесной взаимосвязи с технологией переработки в изделие. в ряде случаев процесс изготовления материалов и изделия из него составляет единое целое.

Таким образом, даже такое краткое описание современных достижений и проблем материаловедения и технологии производства материалов свидетельствует, что эти научные дисциплины находятся в стадии революционных перемен и входят в число ключевых факторов научно-технического прогресса.

16

3 Семинар по учебной дисциплине «Современные проблемы металлургии, машиностроения и материалообработки»

3.1 Цель и задачи курса

Цель курса – ознакомить будущих магистров с актуальными проблемами металлургии, машиностроения и материалообработки. В задачи курса входит научить студентов:

1)современному подходу к решению актуальных проблем металлургии, машиностроения и материалообработки;

2)навыкам самостоятельного анализа тенденций развития металлургии, машиностроения и материалообработки.

Врезультате изучения дисциплины студент должен:

знать:

--традиционные и современные способы получения металлов и сплавов;

--основные способы улучшения объемных и поверхностных свойств элементов конструкций металлургического оборудования;

--основные научные школы, направления, концепции, методологию научных исследований;

уметь:

--производить анализ технологии изготовления изделий из металлов и сплавов;

--совершенствовать технологические процессы, связанные с производством изделий из металлов и сплавов;

--выбирать эффективные и технологичные способы объемного и поверхностного упрочнения металлических изделий;

владеть:

--навыками анализа и синтеза информации в области традиционных и инновационных процессов достижения более совершенного комплекса свойств металлических изделий с точки зрения эксплуатации в различных сферах металлургии;

--знаниями в области теории и практики объемного и поверхностного упрочнения металлических изделий.

17

3.2 Основные современные проблемы машиностроения и материалообработки

3.2.1. Основные современные проблемы машиностроения

Одной из главных задач машиностроения является коренная реконструкция и опережающий рост таких отраслей, как станкостроение, приборостроение, электротехническая и электронная промышленность, производство вычислительной техники, что позволит России набрать темпы для приближения к мировому уровню экономики.

Отечественному машиностроению присущ целый ряд проблем, которые можно сгруппировать в зависимости от их характера:

1 Проблемы, связанные с развитием машиностроительного комплекса:

--низкие темпы роста ведущих отраслей, а в некоторых случаях и спад производства;

--нарушение технологических связей; --простои многих предприятий;

--низкие темпы обновления оборудования и выпускаемой продукции (например, 60 % металлообрабатывающих станков имеет возраст более 10 лет).

2 Необходимость структурной перестройки:

--основная часть продукции российского машиностроения имела оборонное значение в течение длительного времени, в связи с чем возникла необходимость обоснованного перепрофилирования отраслей;

--необходимость сокращения диспропорций в темпах роста отдельных отраслей;

--необходимость опережающего роста таких отраслей, как станкостроение, приборостроение, электротехническая и электронная промышленность.

3 Проблемы повышения качества производимых машин:

--несоответствие подавляющей части отечественного оборудования и машин мировым стандартам;

--низкая надежность производимых машин (из-за плохого качества комплектующих деталей в первый же год эксплуатации из строя выходит от 20 до 30 % изделий машиностроения).

18

Среди основных направлений развития машиностроительно-

го комплекса в условиях перехода к рыночными отношениям можно выделить:

--приоритетное развитие наукоемких отраслей, в том числе машиностроительного оборудования и автомобилестроения;

--демонополизация (на сегодняшний день доля монопольного производства в России составляет 80 %);

--наращивание на территории России многих машиностроительных производств (точных станков, нефтяного оборудования, микроавтобусов);

--налаживание новых технологических связей со странами ближнего и дальнего зарубежья;

--оживление инвестиционной активности, государственная поддержка предприятий, ориентированная на производство продукции высоких технологий.

Для обеспечения своего лидерства машиностроению необходимы определенные условия. Одно из них можно изобразить соотноше­ нием: «1:2:4». Оно означает, что если темпы развития хозяйства страны принять за единицу, то машиностроение должно развиваться в 2 раза быстрее, а важнейшие его отрасли (электроника, приборостроение и другие) – в 4 раза быстрее. В России это соотношение было примерно таким – «1:0,98:1».

Машиностроительная промышленность отличается широким развитием межотраслевых и внутриотраслевых связей, основанных в значительной мере на производственном кооперировании. На долю машиностроения приходится более 1/3 объемов производства товарной продукции промышленности России, около 2/5 – промышленно-про- изводственного персонала и почти 1/4 основных промышленных производственных фондов. Ассортимент выпускаемой продукции российского машиностроения отличается большим разнообразием, что обусловливает глубокую дифференциацию его отраслей и существенно влияет на размещение производства отдельных видов продукции.

В России машиностроение принадлежит к числу наиболее распространенных в территориальном отношении отраслей промышленности. Однако в одних районах оно имеет профилирующее значение, а в других его функции ограничены главным образом удовлетворением внутренних потребностей. По характеру технологического процесса многие отрасли машиностроения тяготеют к районам высокой технической культуры. В то же время эти районы обычно являются

19

довольно емкими потребителями готовой продукции. Совпадение источников сырья с местами потребления готовой продукции представляет собой оптимальный вариант размещения машиностроительных предприятий. в этом случае значительно сокращаются транспортные расходы по перевозке металла, машин и оборудования, возникают условия для установления связей между машиностроением и черной металлургией. Машиностроительные заводы освобождаются от некоторых операций, в большей мере свойственных металлургии, а металлургические заводы получают возможность использовать отходы машиностроения и специализироваться в соответствии с потребностями промышленности. При территориальной разобщенности сырьевых баз и основных потребителей машин и оборудования районы потребления имеют преимущества. Дело в том, что в машиностроении расход сырья на 1 т готовой продукции составляет в среднем 1,3...1,5 т, между тем как затраты на транспортировку любой машины намного выше, чем затраты на транспортировку металла, который был использован для ее производства. Поэтому даже металлоемкие производства, дающие малотранспортабельную продукцию, часто тяготеют к районам потребления.

Анализ проведенных научных исследований по проблемам размещения отдельных отраслей машиностроения показал, что в решении вопросов территориальной организации еще нет единства ни в постановке проблемы, ни в методах расчета и оценки эффективности, что усложняет поиск рационального варианта размещения машиностроения в целом.

Экономическая наука располагает многими приемами расчета сравнительной эффективности вариантов размещения. Основными из них являются:

--расчет по предприятию-аналогу (размещаемое предприятие берется в качестве аналога для всех экономических районов; по этому методу проводят расчеты затрат, связанных с размещением предпри- ятия-аналога для каждого экономического района);

--расчет по условному представителю (в качестве условного представителя выбирают тип изделия, производство которого преобладает в отрасли);

--расчет по фактическим технико-экономическим показателям производства (при данном методе расчеты ведутся по конкретным производствам, а при оценке эффективности их размещения, который получают более достоверные результаты);

20