СТАЛЬ ДЛЯ «КАРЬЕРНЫХ КОРАБЛЕЙ»

В нынешнем году премия Правительства РФ присуждена коллективу ученых, металлургов и машиностроителей за создание и освоение технологии производства высокопрочных сталей повышенной хладостойкости и надежности. Новые марки отечественной стали заменяют собой дорогостоящие зарубежные аналоги при изготовлении карьерной техники и горнодобывающего оборудования. Разработанный материал также найдет применение в других отраслях промышленности, а сама технология его производства может быть тиражирована на многих металлургических предприятиях России.
Один из лауреатов премии — главный научный сотрудник Института металлургии УрО РАН академик Леонид Андреевич Смирнов. Его заслуги в развитии научно-технического потенциала отечественной металлургии отмечаются премией правительства уже в третий раз. В этом году награждение совпало с 85-летием Уральского института металлов, научное руководство которым осуществляет Леонид Андреевич. Вот что рассказал сам ученый о работе над созданием и применением нового класса металлических материалов — экономнолегированных высокопрочных свариваемых сталей (ВСС).
На мой взгляд, эта работа удачно сочетает фундаментальные исследования с решением практических задач, стоящих не только перед металлургией, но и перед смежными отраслями. По составу участников, кругу решаемых проблем и методам исследований проект носит комплексный характер. В нем задействованы ученые-металлурги, специалисты металлургических заводов, а также конечные потребители — производители карьерной техники и механизированных комплексов горнодобывающей промышленности. Дело в том, что большинство перспективных месторождений в России расположено на труднодоступных территориях, в том числе в районах Крайнего Севера. Условия для работы техники там экстремальные, соответственно производители предъявляют особые требования к металлу. Перед нами стояла задача получить сталь с высокими показателями хладостойкости, прочности, пластичности, износостойкости и свариваемости. Раньше такой комплекс свойств достигался за счет применения высоколегированных сталей, содержащих большое количество молибдена и никеля. Это дорогие и дефицитные элементы. Позволить себе такую роскошь могла лишь оборонная промышленность. Для производства же карьерных самосвалов использовались высокопрочные стали, поставляемые из Швеции, Финляндии, Германии и других стран. Эти стали содержали меньше молибдена и никеля, но не настолько, чтобы это существенно отразилось на конечной цене. Поэтому помимо достижения определенных характеристик стали стояла задача снизить или свести до минимума содержание легирующих элементов, что было достигнуто применением более ходовых и дешевых элементов, таких как ванадий, ниобий, титан. Это микролегирующие добавки — их содержание не превышает 0,1%. Их комплексное применение позволяет управлять процессами формирования рациональной микроструктуры и фазового состава стали. Сочетание состава сталей с одновременным повышением их чистоты по вредным примесям и разработкой специальных режимов прокатки, термообработки и отделки листа позволило получить достаточно широкую гамму экономнолегированных высокопрочных свариваемых сталей с высокой хладостойкостью.
Среди названных легирующих элементов упомянут ванадий, который является настоящим достоянием Урала. До Великой Отечественной войны наша страна закупала феррованадий в Германии, но уже к 1941 году на Чусовском металлургическом заводе было разработано и освоено производство отечественного феррованадия с использованием уральского сырья. После войны технологии развивались и совершенствовались. В 1960-е годы встал вопрос об обеспечении железорудными материалами предприятий Урала и прежде всего Нижнетагильского металлургического комбината, потому что имевшиеся на тот момент местные источники железорудного сырья иссякли. Тогда шли серьезные дискуссии о перспективности Качканарского месторождения. Было известно, что эти руды содержат мало железа (всего 16%), но при этом имели в своем составе ценный элемент ванадий. В результате Правительство СССР приняло решение о разработке этого месторождения. Полученное сырье, агломерат и окатыши с высоким содержанием железа используются в Нижнем Тагиле для производства ванадийсодержащего чугуна. Потом этот чугун перерабатывается в кислородных конвертерах с получением высококачественной стали и ванадиевого шлака — основного сырьевого источника для извлечения ванадия.
Конечно же, в России есть и другие аналогичные месторождения, например, в Восточной Сибири, но реальное производство еще долго будет сосредоточено здесь, на Урале. Надо отметить, что наша страна занимает одну из ведущих позиций в мире по производству ванадия. Учитывая неисчерпаемые, на сотни лет, запасы ванадийсодержащего сырья, мы при создании нового класса сталей естественно ориентировались на ванадий как необходимый для них структурный элемент. Он обеспечивает так называемое дисперсионное упрочнение стали. На заключительной стадии проката, когда сталь охлаждается, выделяются карбонитридные наноразмерные частицы ванадия. Они придают металлу дополнительную прочность, подобно арматуре в железобетонных конструкциях, и хладостойкость при сохранении высокой пластичности материала. Теоретические подходы к созданию технологий легирования стали ванадием разрабатывались у нас на Урале, в частности, в нашем институте в 1950-е годы. И на сегодня этот подход разделяется всеми специалистами. Подчеркну также, что ванадий — не единственный используемый в нашей работе легирующий элемент, но среди остальных он наиболее доступен. Например, ниобий не производится у нас, а импортируется из Бразилии.
Еще одним значимым достижением нашей работы стало создание специальных режимов сварки. Когда свариваются толстые листы конечной продукции, свойства металла в шве и околошовной зоне хуже, чем в основной его части. Поэтому предстояло найти решение, каким образом сваривать конструкции, чтобы они представляли собой единый комплекс, а места соединений не отличались более низкими свойствами. Это определяется чистотой и структурой стали, а также применением специальных сварочных материалов и режимов сварки. Поставленная цель была достигнута, несмотря на то что разработанные нами стали имеют повышенное содержание углерода, что в принципе затрудняет сварку. По этой причине, например, для труб большого диаметра используют низкоуглеродистые стали. Иная ситуация с карьерными самосвалами с грузоподъемностью до 400 тонн. Это уникальные машины, подобные, я бы сказал, кораблям. Основной объект транспортировки — огромные глыбы скальной породы, которые при загрузке в кузов подвергают металл ударно-деформационному и абразивному воздействиям. Поэтому здесь требуются не только высокая прочность и твердость, но и высокая вязкость металла.
Работу на соискание премии Правительства в области науки и техники выдвинула компания «Северсталь». Основной исследовательской организацией выступил Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии имени И.П. Бардина. Территориально он находится в Москве и сотрудничает не только с «Северсталью», но и с Магнитогорским металлургическим комбинатом. Нас для участия в работе пригласили, учитывая прошлый опыт сотрудничества, а меня — как специалиста по использованию ванадия для микролегирования стали и сталеплавильщика по профессии. Дело в том, что эта сталь производится в современных 100-тонных электропечах и 350-тонных конверторах с применением внепечной обработки, продувки аргоном, вакуумирования и непрерывной разливки.
Экономическая эффективность разработки подтверждена расчетами. Экономия при производстве на «Северстали» составляет 1,6 миллиарда рублей. В Магнитогорске, где технология пока на стадии освоения, — 20 миллионов рублей. Срок эксплуатации платформ сверхмощных БЕЛАЗов грузоподъемностью 400 т, выполненных из новых сталей, увеличился в три раза, с одного года до трех. За 10 лет использования самосвалов этой марки сэкономлено 500 тысяч тонн металла на сумму 15 миллиардов рублей. За счет экономии электродов, снижения трудозатрат и потерь от простоев при замене платформ сэкономлено еще 15 миллиардов рублей. Итого, суммарный экономический эффект от ввода новой технологии составляет более 36,8 миллиардов рублей. Более того, при производстве новых сталей задействованы современные мощные станы 2800 и 5000. При этом за счет принципиально нового, совмещенного процесса прокатки, закалки и правки листов достигается энергосберегающий эффект.
Полученные результаты имеют большие перспективы для расширения производства и применения разработанных сталей. Помимо карьерного транспорта и механизированных комплексов горнодобывающей промышленности они могут использоваться в других отраслях промышленности: при создании нового подвижного состава для железнодорожного транспорта, производстве труб, строительных конструкций, автомобильных рам, кузовов и других изделий, работающих, прежде всего, в условиях холода.

Подготовил Павел КИЕВ
Фото С. НОВИКОВА