16 июля 2023 года отмечается важный профессиональный праздник — День металлурга. Металлургия считается одной из основных отраслей Челябинской области. Здесь работает более 150 предприятий, занимающихся добычей и переработкой природного сырья. О том, какие специалисты нужны для развития отрасли, рассказал руководитель направления материаловедения и технологий Политехнического института ЮУрГУ Иван Ердаков.
— В каком направлении развивается отрасль материаловедения и металлургии?
— Ужесточение требований к снижению загрязнений окружающей среды приводит к преображению металлургии в части качественного изменения рабочей среды. В своё время появление «Белой металлургии» на ЧТПЗ трансформировало отношение производства к человеку и человека к производству. В результате этого предприятия стали проектировать с уклоном на комфорт. В регионе за последнее десятилетие построили такие цеха. Это «Стан-5000» на ММК, цех «Высота 239» и «Железный озон 32» (группа ТМК), рельсобалочный стан на «Мечеле». На таких высокотехнологичных производствах работает новое поколение металлургов, способных осваивать производство и разрабатывать для него новые процессы, причем в соответствии с мировыми трендами развития: «Зеленая металлургия», «Новые материалы с уникальными свойствами» и «Цифровизация».
— Можете рассказать поподробнее о каждом из направлений развития?
— За многие годы работы металлургических предприятий по всему миру накопилось огромное количество шлаков сталеплавильного, доменного, медеплавильного и никелевого производства, негативно влияющих на окружающую среду. Мы с вами живем в области, где вопрос переработки таких отвалов стоит очень остро. А зеленую металлургию мы понимаем не только как технологии, позволяющие снизить выбросы СО2 за счет использования водорода, но и технологии, способные обеспечить переработку уже накопленных техногенных отходов. Идея здесь заключается в создании мини-заводов по комплексной безотходной переработке этих техногенных материалов. 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 объединенной металлургической компанией мы вошли в Сколково. Проявляет интерес Северсталь, а также иностранные предприятия, где металлургические заводы платят большие деньги за складирование отвалов.
В результате переработки указанных отвалов мы получаем сталь, чугун и неметаллы – пропанты или сорбенты. Последние 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, методами трехмерной печати, литьем или сваркой формируем новые композиты (функционально-градиентные системы).
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 системах инженерного анализа, как ANSYS, DEFORM, QFORM, SYSWELD, PROCAST и др. Такой подход позволяет 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?
— Шесть лет назад на уровне правительства РФ принята программа «Цифровая экономика». Металлургические предприятия России намного раньше 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. Второй год мы осуществляем набор на магистерскую программу «Искусственный интеллект в металлургии», которая призвана дать выпускникам эти знания и компетенции.
— Каких специалистов этой отрасли готовят в Политехе?
— Будущие бакалавры проходят подготовку по следующим направлениям: «Металлургия» (по профилю «Системный инжиниринг металлургических технологий»), «Материаловедение и технологии материалов» (по профилю «Инжиниринг новых материалов и технологий»), «Машиностроение» (по профилю «Автоматизация и инжиниринг обработки материалов давлением» и «Роботизация и инжиниринг сварочного производства»).
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 обучения в Политехническом институте ЮУрГУ относятся:
находимся в центре промышленного сердца России;
даём избыточный объём знаний с учётом опережающего развития технологий и науки;
образовательные программы разработаны в соответствии с требованиями Индустрии 4.0;
обучение проходит в специализированных аудиториях с роботизированными комплексами и тренажёрами;
уникальное географическое место вблизи от национальных парков "Таганай", "Зюраткуль" и Айских притесов.
— Насколько важен практико-ориентированный подход в обучении будущих специалистов в сфере металлургии? Как он реализуется в Политехническом институте?
— 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 прошлом и текущем годах были реализованы проекты «Цифровые технологии прокатного производства и их материаловедческое сопровождение» (руководитель – заведующий кафедрой «Процессы и машины обработки металлов давлением», профессор, доктор технических наук Александр Выдрин), «Материаловедение. Функциональные композитные материалы» (руководитель – заведующий кафедрой материаловедения и физико-химии материалов, доктор физико-математических наук Денис Винник), «Рециклинг шлаков металлургического производства с получением износостойких литых заготовок» (руководитель – заведующий кафедрой «Пирометаллургических и литейных технологий», кандидат технических наук Павел Гамов), «Экологичное стальное литье для нефтегазового комплекса страны» (руководитель – профессор кафедры «Пирометаллургических и литейных технологий», профессор, доктор технических наук Леонид Знаменский) и «Разработка оборудования и технологии изготовления сварных шпунтовых профилей» (руководитель – заведующий кафедрой «Оборудование и технологии сварочного производства», кандидат технических наук Михаил Иванов).
Бакалавры кафедры процессов и машин обработки металлов давлением Егор Алексеев, Алексей Кутергин и Егор Якуньков в этом году стали наставниками и руководителями инженерных проектов федерального образовательного центра СИРИУС. В сентябре 2022 года команда от вуза с нашими студентами «Биметаллическая суета» стала победителями хакатона, организованного Минцифры Челябинской области и Центром развития цифровых технологий. Участники решили кейс Челябинского цинкового завода. Они создали программу, выполняющую функции математической модели осаждения меди первой стадии очистки (очистка раствора от меди и кадмия). В рамках программы «УМНИК» успешно реализуются исследования аспиранта А. Пунды «Разработка технологии получения высокоэнтропийной керамики со структурой перовскита» и И. Алексеева «Разработка программного обеспечения для численного моделирования электротермических процессов в текучих сплошных средах». На реализацию проектов было выделено 500 тысяч рублей 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. Например, 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.
Совместно с НОЦ «Нанотехнологии» мы создали функциональные монокристаллы на основе гексаферрита бария. Путем целенаправленного изменения на атомарном уровне структуры кристалла стало возможным 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.
Наши студенты в ходе учебного процесса осваивают и отрабатывают технологии трёхмерной печати деталей и узлов технологических машин из пластиков. В дальнейшем в магистратуре по программе «Проектирование и обслуживание технологических машин и агрегатов» решают задачи, связанные с отработкой технологий 3D-печати, лазерной наплавки, детонационного напыления металлических деталей.
Во всех научно-исследовательских работах активное участие принимают студенты. Каждая девятая статья и каждый патент 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 взаимодействуем 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 специалистов базовой отрасти экономики. Молодые специалисты работают инженерами-технологами, инженерами-конструкторами, металловедами и материаловедами, специалистами по планированию производства, а лучшие из них становятся главными металлургами, главными технологами, главными сварщиками, техническими или управляющими директорами, директорами по производству ведущих металлургических предприятий.
Предприятиям нужны профессионалы своего дела. Такие ребята быстро достигают карьерных высот и начинают определять техническую политику металлургического производства.