В сентябре в Суздале состоялась Всероссийская научно-техническая конференция «Постоянные магниты: наука и технологии. Производство. Применение», где представители науки, образования и промышленности обсудили вопросы развития магнитной отрасли. Мероприятие приняло решение наладить производство редкоземельных магнитов объемом до 3 тыс. т к 2030 г. Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук активно поддерживает развитие магнитной отрасли в России.
В интервью директор ИМЕТ РАН, член-корреспондент РАН Владимир Сергеевич Комлев расскажет о зависимости отечественных производств от магнитов, необходимости развития смежных отраслей и перспективных направлениях научной работы. Будет ли искусственный интеллект в этом деле помощником?
Изображение: Елена Либрик / «Научная Россия»
Создание российских магнитов — лишь этап на пути к технологическому суверенитету. Какова важность этой отрасли и в каком темпе необходимо достигать результатов?
Должны получить качественные результаты в короткие сроки, начать с этого. Образование важной для экономики России отрасли. Пример: производство электромобилей, быстро развивающаяся десять лет, использует 42% от мирового потребления редкоземельных магнитов. Рынок вырос на десятки процентов, поэтому важно возродить отечественную магнитную промышленность.
В Советском Союзе этому направлению уделяли большое внимание, имелись значительные производственные мощности, например «Магнетон» (Владимир) и Конструкторское бюро специальных магнитов КБСМ («Спецмагнит», Москва). В настоящее время в стране есть только отдельные успехи, но создать полный производственный цикл редкоземельных магнитов пока не удалось. Ежегодно импортируется от 2,0 до 2,5 тыс. т редкоземельных магнитотвердых магнитов; при стоимости от $10 до более $150 за 1 кг это значительный объем.
— Возможно, ввоз магнитов за последнее время стал сложнее…
Некоторые трудности существуют, например, действия неприветливых стран, вводящих ограничения, а также значительное логистическое плечо при импорте. На рынке редкоземельных магнитов лидирующие позиции занимает Глобальный Юг: до 80% РЗМ создается в Китае. В этой стране стремительно по экспоненте растет отрасль электромобилей. Еще около 12% мирового потребления редкоземельных магнитов приходится на ветровую энергетику. Немало используются и в производстве бытовой техники.
Без магнитов сегодня сложно представить повседневную жизнь, поэтому возрождение магнитной отрасли — важная стратегическая задача государства. ГК «Росатом» этим вопросом занимается: предприятие ООО «Русатом МеталлТех» (интегратор Топливной компании «Росатома» «ТВЭЛ») организовало конференцию в Суздале в сентябре 2024 г. На встрече пытались объединить научный блок, производителей и отраслевые институты: найти связь между ними, определить новые направления, обменяться мнениями о том, куда двигаться дальше. Важной темой стало обсуждение минерально-сырьевой базы, так как все начинается с руды: необходимо развивать добычу редкоземельных материалов и ее переработку — фундамент создания магнитов.
Также нужно организовать производство и выяснить, какие типы магнитов наиболее востребованы в настоящее время. Магнитные системы разнообразны: существуют разные магнитотвердые и магнитомягкие материалы, поэтому необходима концентрация усилий на конкретных видах.
Научные открытия следует применять в технологиях, а технологии — в производстве. Бизнесу необходимо, чтобы характеристики конечной продукции соответствовали экономическому эффекту: цена и качество должны быть оптимальны.
Изображение: Елена Либрик / «Научная Россия».
Магниты служат частью разнообразных устройств, однако многочисленные производства-потребители магнитов в России пока не получили достаточного развития и только начинаю восстанавливаться. Исходя из этого, существует ли определённый срок для развития магнитного сектора?
Необходимо возрождать магнитную отрасль России как можно скорее, так как это взаимосвязано с развитием других отраслей: подтягивание к себе магнитной отраслью возможно только при развитии смежных областей, а производство магнитов влияет на их развитие. Важным условием является преодоление стагнации в смежных отраслях, и государство уделяет этому внимание.
Докладчик на конференции предложил создать хотя бы одно крупнотоннажное производство магнитов для привлечения других отраслей и постепенного развития промышленности.
На конференции установили сроки для запуска отечественного производства магнитов?
ООО «Русатом МеталлТех» планирует начать производство до 2030 года в Глазове — промышленном центре Удмуртской Республики со статусом территории опережающего социально-экономического развития, где имеется сырьевая база. Предприятие декларирует создание крупнотоннажного производства постоянных редкоземельных магнитов до 3 тыс. тонн в год на основе соединений «неодим-железо-бор». Объем достаточно мал, хотя покроет весь импорт, поступающий в Россию. По некоторым оценкам, спрос на редкоземельные магниты к 2030 году должен вырасти в три раза с развитием электромобилей, автомобилестроения, ветровой энергетики и прочих отраслей.
У России большой потенциал как в сфере сырья, так и в области науки. Возможно, когда-нибудь мы сможем экспортировать магниты.
Я в этом уверен, но понадобится время.
Из-за разных причин мы пропустили некоторые моменты. Сейчас добыча редких металлов объективно находится в непростой ситуации. Развитие этой отрасли как стратегической для экономики много внимания со стороны председателя правительства М.В. Мишустина, на это направлены государственные программы, в частности национальный проект «Новые материалы и химия». Но существующая база была создана в прошлом веке: сейчас появляются новые технологии переработки редких металлов. Кроме того, старые месторождения исчерпываются, нужно осваивать другие. Развитию этих направлений долгое время не уделялось должного внимания.
У нас имеется минерально-сырьевая база, но для её использования необходима протяжённая цепочка процессов: извлечение сырья, его обработка и создание высокотехнологичного производства.
Для нас необходимы квалифицированные сотрудники, подготовка которых длится не два-три месяца, а значительно дольше. Специалистов, окончивших университеты, всё равно приходится переучивать: многое зависит от способностей, компетенции и мотивации, но в среднем требуется пять-десять лет. Только после этого он сможет самостоятельно создавать экспериментальные планы, придумывать идеи, работать с различными системами, а не выполнять только указания. Воспитание такого специалиста требует много времени, и то, что к этому нужно стремиться, все понимают. Считаю, что решить кадровую проблему в относительно кратчайшей перспективе практически невозможно.
Какие цели ставит перед собой Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН в проекте развития магнитной промышленности?
На будущем предприятии будут изготавливать редкоземельные магниты. Свойства для изготовления таких магнитов могут быть основаны на соединениях «самарий-кобальт» и «неодим-железо-бор». Магнитные свойства у этих материалов достаточно сильные, но высокая хрупкость является их недостатком.
Кроме магнитов указанных систем существуют и другие. К примеру, литые магниты на основе железо-никеля-алюминия. У них низкие гистерезисные свойства, но достаточно высокая прочность и температурно-временная стойкость до 500–600. oТретий класс магнитов — деформируемые: железо-кобальт-хром. У
их также слабые магнитные характеристики, но высокие механические свойства и возможность эксплуатации в условиях высоких температур.
Магнитов множество, каждое обладает особыми качествами, однако наиболее перспективным направлением являются магнитотвердые материалы, основанные на редкоземельных элементах. У таких материалов самые высокие магнитные характеристики. TeslaИспользуют именно неодимо-железо-бор, что ясно из некоторых особенностей материала.
В рамках сотрудничества с ГК «Росатом» перед институтом стояла задача оптимизировать технико-экономические показатели новых систем магнитов. При этом нужно было отказаться от использования дорогих редкоземельных материалов, например неодима, и частично заменить его лантаном и церием: эти металлы дешевле, а их добыча в России хорошо налажена. По данным института, неодим пока импортируется. При замене одного элемента другим свойства магнита не должны были измениться. В результате удалось частично поменять неодим на лантан и церий, свойства остались прежними, а цена снизилась ориентировочно на 20%. Это перспективный результат для последующей коммерциализации.
Магниты, которые ГК «Росатом» начнет производить в Глазове, преимущественно пойдут на нужды компании: в первую очередь для изготовления деталей ветровых электростанций. Надеюсь, наш институт в будущем будет оказывать научное сопровождение проекту до запуска полноценного производства. У нас есть опыт успешной работы, например, с Трубной металлургической компанией, завод которой выпускает 300–400 тыс. т нержавеющей стали: даже в СССР не производили таких объемов нержавейки. Мы создавали цифровые двойники этого производства, проводили расчеты, экспериментальную работу и научное сопровождение.
Фотография Елены Либрик из журнала «Научная Россия».
Говоря о цифровых двойниках, всё более востребованное направление – цифровое материаловедение. Может ли искусственный интеллект быть полезен в магнитной отрасли?
Развитие искусственного интеллекта приводит к снижению объёма рутинных задач. К примеру, для достижения оптимального сплава для медицинского имплантата с двумя или тремя заданными характеристиками требуется перебирать варианты в опытах не менее чем десять. 108 вариаций. Колоссальная трудоемкость…
Искусственный интеллект после расчетов предлагает более узкий диапазон для поиска. Полностью заменить эксперименты он не сможет, по крайней мере в обозримом будущем, но количество вариантов уменьшится значительно и с ними будет удобнее работать, исключив неприемлемые.
Есть ли в области магнетизма перспективные направления для научных исследований? Что изучают сегодня учёные?
В развитии данного направления выделяют три основные научные школы: Уральский федеральный университет, Московский институт стали и сплавов и Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук. В этих организациях сосредоточено наибольшее число коллективов.
В сфере магнетизма наблюдаются два главных направления развития. Прежде всего, это стремление к созданию новых материалов с улучшенными магнитными характеристиками, способных функционировать в различных температурных режимах и условиях механического воздействия.
― И, опять же, для снижения стоимости…
Технические и экономические факторы необходимо учитывать постоянно – это негласное правило. Можно создать что-то новое, но если его реализация обойдется слишком дорого, масштабировать разработку будет невозможно, и она не окажется востребованной. В связи с этим составы должны быть оптимизированы с точки зрения экономики.
Магниты на основе РЗМ сталкиваются с проблемой из-за очень низких механических свойств. Их создание происходит по принципу порошковой металлургии: порошок спрессовывается в магнитном поле. Высокая хрупкость не позволяет использовать такие магниты под нагрузкой. В сложных условиях применяют деформируемые или литые магниты, но у них ниже магнитные свойства.
Поиск новых составов, в том числе с использованием цифровых технологий, крайне важен. На данный момент борьба ведется за увеличение процентного содержания тех или иных свойств, но впечатляющих и революционных открытий пока нет. Возможно, молодые ученые найдут составы, которые значительно повысят механические и магнитные свойства.
Второе направление развития магнитной отрасли — технологическое. Например, применение аддитивного производства для изготовления магнитов сложной формы. Для этого наилучшим образом подходят технологии трехмерной печати: сложное исполнение методом литья или деформации получить проблематично.
Additive manufacture часто представляется простым процессом: в станок засыпается порошок, из которого формируется деталь. На самом деле эта область полна подводных камней, но заметно развивается. Например, это касается самих порошков. Еще пять-семь лет назад оборудование для селективного лазерного спекания поставлялось преимущественно из недружественных стран вместе с расходными материалами. Использовать собственные порошки было невозможно: программа ограничивала применение любых материалов, кроме материалов производителя. Порошок должен был быть идеально сферическим и без оксидного слоя. Поэтому приходилось постоянно заказывать дополнительное сырье.
Как будто говорят: «Холодильник поставим даром, зато за прохладную воду отдельная плата».
― Да, это бизнес и ничего больше.
Введение санкций привело к проблеме дефицита порошков в России. В нашем институте эти задачи решаются с использованием плазмохимических установок синтеза.
Специалисты «разбирают» порошок на части и определяют условия его синтеза в плазме. Предприятия из разных отраслей обращаются к нам за материалами: от серебра, нержавейки и цветных металлов до тугоплавких порошков.
Также мы создаем оборудование для аддитивного производства: в этом году установки заказали предприятия ГК «Росатом» и ГК «Роскосмос».
В научной сфере всё прекрасно, остаётся наладить производство.
Нельзя сказать, что всё хорошо, но у нас сохранились кадры и научные школы, работающие в разных областях. Например, это разработка новых составов магнитных материалов с высокими характеристиками и развитие 3D-печати. Каждый стремится найти новые эффективные подходы и технологии, востребованные промышленностью.
Массовое производство магнитов в России отсутствует, что необходимо признать. Несмотря на отдельные примеры успеха, их масштабы не позволят развивать другие отрасли. ГК «Росатом» взяла на себя задачу решения этой проблемы. В свою очередь наука оказывает помощь в оптимизации составов магнитов, имея компетенции, коллективы и оборудование для этого. Научные институты, например ИМЕТ РАН, способны производить магниты небольшими партиями стоимостью около 20–25 млн рублей ежегодно.
В связи с этим, к развитию магнитотехнической отрасли предпосылки самые благоприятные, и за последующие пять лет её масштабы заметно увеличатся.