Основные направления развития литейного производства в условиях 6-го технологического уклада.

Данная статья является развитием темы, поднятой ранее в [1] и направленной на понимание происходящих сейчас сильных изменений в техносфере и определение места литейного производства в структуре индустрий настоящего и быстро приближающегося будущего. Необходимость развития данной темы обусловлено становящейся популярной точкой зрения, которая в сильной форме выражена так: «У литейного производства нет будущего». Понятая и принятая буквально эта точка зрения может, на наш взгляд, оказать деструктивное влияние не только на само литейное производство, но и на все смежные с ним области. Кроме того, этот вопрос является ключевым, для трех групп людей: тех, кто уже связал свою судьбу с литейным производством; тех, кто занимается прямым инвестированием и в настоящее время ищет потенциально интересные ниши для приложения капитала и, наконец, для молодых людей, кто только определяется со своей судьбой и является по сути тоже инвестором, только уже не денег, а своей судьбы, что конечно, является весьма ответственным делом.

Стратегическое прогнозирование технологического развития в РФ в настоящее время в большинстве своем опирается на концепцию технологических укладов (рис. 1), на основе которой делается прогноз тех областей человеческой деятельности, которые будут наиболее востребованы в ближайшем будущем, и соответственно будут наиболее привлекательны для инвестирования. 6.16.2

Рис. 1. Представление концепции технологических укладов в различных вариантах

Беглый анализ данной концепции может привести к выводу, что литейному производству, которое являлось главной основой машиностроительного комплекса эпохи индустриальной революции в новой информационной и постиндустриальной технологической реальности уготовано явно маргинальное место и, соответственно, ни о каком вложении в развитие со стороны финансовых инвесторов речи быть не может. Отсюда также следует точка зрения, что и молодым людям нужно обходить эту специализацию стороной.

С данной точкой зрения согласуются данные статистики о сокращение объемов литейного производства в РФ, о закрытии профильных институтов, занимающихся проблемами разработки литейных технологий и литейного оборудования, сокращения кафедр в высших учебных заведениях, связанных с подготовкой молодых специалистов в области литейного производства.

Казалось бы, все против литейного производства, однако есть и другая статистика, указывающая на рост объемов литейного производства в зарубежных странах, в том числе развитых европейских и ежегодный постоянный рост импорта литейной продукции и литейного оборудования в РФ. Вслед за этими статистическими данными, в данной статье мы покажем ошибочность, приведенной выше точки зрения, проведем более детальный анализ концепции технологических укладов и покажем, что литейное производство имеет большой потенциал роста, конкурентно с новыми индустриями и хорошо вписывается в технологический образ индустрий ближайшего будущего.

Приступим к анализу.                                                                                                                           Термин «технологический уклад», был введен С.Ю.Глазьевым, для характеристики комплекса взаимосвязанных производств внутри отдельных отраслей, среди которых преобладали сходные по своим характеристикам способы организации производства, источники энергии и применяемые средства производства, которые в своей совокупности могли существенно стимулировать всю экономическую деятельность и приводили к росту ВВП. При этом внутри данного комплекса производств всегда была лидирующая отрасль, которая являлась драйвером развития. Именно по ней и давалось обозначение конкретного технологического уклада.

Так как работы С.Ю.Глазьева основывались на фундаментальных работах Н.Д.Кондратьева о больших 50-ти летних циклах конъюнктуры и работах Й.Шумпетера о теории экономического развития на основе инноваций, то временной цикл доминирования различных технологических укладов, базировавшихся на инновационных технологических решениях, тоже был сопоставим, в среднем, с 50-летними периодами. В последующих работах, развивающих данную тему, большинством исследователей высказывалось мнение, что по мере усложнения технологий и рыночной конъюнктуры, период циклов имеет тенденцию к уменьшению.

Насколько нам известно периодизация развития литейного производства в технологических укладах еще не проводилась. Сделаем это в настоящей статье в сокращенном виде. Важность такой периодизации очевидна, она подчеркивает последовательность и периодический характер прогресса литейного производства, а также важность отдельных временных этапов этого прогресса (смены технологических укладов), когда предыдущие технологические решения уже исчерпаны, а новые, только формируются и еще не получили широкого применения. Сделаем эту периодизацию на основе трех ключевых параметров литейного производства: организация производства (производство); технологических инновации (технологии) и научных достижений (наука).

Первый технологический уклад (около 1772-1830 гг.) – первая промышленная революция.

Общая характеристика. Изобретение прядильной машины и организация на ее основе мануфактурного производства и серийного выпуска промышленных, потребительских товаров. Основной источник энергии – энергия воды.

Производство. Благодаря изобретению метода «второй плавки» литейное производство отделяется от «доменного» (металлургического). Литейные заводы начинают самостоятельное существование и специализируются на производстве ответственного машиностроительного литья в составе машиностроительных предприятий.

Технологии. Изобретение метода «второй плавки» – выплавки чугуна из лома предыдущих плавок, а не из железорудного сырья. При литье пушек медленный способ формовки по шаблону с фальшивой одноразовой моделью в неразборную глиняную форму заменяется на быстрый способ формовки в «жирном» песке, в опоках при помощи модели, что резко ускоряет и удешевляет процесс литья.

Наука. Появляются первые книги по металлургии и среди них знаменитый труд М.В. Ломоносова «Первые основания металлургии или рудных дел» (1763 г.), в котором даются некоторые научные основы в форме открытого М.В. Ломоносовым закона сохранения материи.

Второй технологический уклад (около 1830-1880 гг.), который назвали «Эпохой пара».

Общая характеристика. Широкое применение энергии пара. Развитие отраслей, связанных с добычей и перевозкой сырья (угля и железной руды), что позволило сильно снизить цены на основное сырье для машиностроения – чугун и сталь.

Производство. Литейное производство во всем мире набирает обороты, чугун – наиболее распространенный конструкционный материал в машиностроении.  Литейное производство больше не привязано к местам залегания железорудного и каменноугольного сырья.

Технологии. Широкое применение вагранок и технологии литья в землю, в основном в сырой кварцевый песок. Изготовлена (1837 г.) и применена первая формовочная машина.

Наука. В 1831 г. члены российской академии наук Г. Ламе и Б. Клайперон публикуют решение задачи на затвердевание полупространства заполненного неперегретым расплавом, чем кладут начало разработки проблемы затвердевания расплавов.

Третий технологический уклад (около 1880-1930 гг.), который также называют второй промышленной революцией.

Общая характеристика. Сталь становится основным конструкционным материалом, вытесняя чугун. Изобретается двигатель внутреннего сгорания, вокруг которого начинает развиваться автомобильная промышленность что значительно увеличивается мобильность перевозки пассажиров и грузов. Возникает широкая специализация производства. На машиностроительных предприятиях специализация переходит на участки и цехи. Начинает использоваться электричество. Возникает электрометаллургия.

Производство. Ручная формовка заменяется формовочными машинами что позволяет механизировать литейные цеха и даже механизированные литейные заводы.

Технологии. В 70-х гг. XIX в. немецкий химик Вернер Сименс создает первую дуговую печь. В 1902 г. появляется еще один тип электропечей – индукционные.

Наука. В 1890 г. профессор Венского университета Й. Стефан находит решение ключевой задачи затвердевания полупространства, заполненного перегретым расплавом.

Четвертый технологический уклад (около 1930-1980 гг.) назван эпохой научно-технической революции.

Общая характеристика. Возникают новые отрасли, такие как нефтехимия, ядерная энергетика, космическая отрасль и отрасль по выпуску электронных приборов. Появление реактивного двигателя расширило возможности авиационной промышленности. Мобильность перевозки пассажиров и грузов достигла беспрецедентного уровня.

Производство. Внедряется фасонное и заготовительное литье. Разработаны новые сплавы, прежде всего на основе алюминия и несколько позже на основе магния. В заготовительном литье (получение слитков для последующего деформирования с целью изготовления полуфабрикатов) вместо чугунных широко используются водоохлаждаемые изложницы.

Технологии. В 1930—1940 гг. с появлением новых литейных сплавов разрабатываются конструкции новых расширяющихся литниковых систем в отличие от старых сужающихся. В 1940—1950 гг. внедряются способы полунепрерывного и непрерывного литья слитков из алюминиевых, магниевых, медных и никелевых сплавов. Внедряется принцип направленного затвердевания отливок. Появляется большое количество синтетических связующих для песчаных форм, что в свою очередь дает толчок для внедрения безопочного метода формовки. Разрабатываются новые системы и способы уплотнения формовочных смесей и изготовления литейных стержней.

Наука. В 1931 г. начинается разработка теории затвердевания отливки – немецкий исследователь К. Шварц распространяет решение Й. Стефана на случай затвердевания слитка в изложнице. В это время Н.Н. Рубцов объявляет программу превращения «Литейного дела» в «Литейное производство». Теория затвердевания отливки получает смысл и значение организованного и обобщенного знания.

Пятый технологический уклад (с 1980 г. – ориентировочно по 2020 г.) который можно сопоставить с информационной революцией.  

Общая характеристика. Уникальные технические решения, конструкционные материалы и сплавы, а также технологии разработанные и внедренные военно-промышленным комплексом постепенно перетекают и в гражданскую отрасль. В середине 1980-х гг. появляются программные продукты, позволяющие математическими способами описывать сложные физические процессы. Продукция машиностроения становится все сложнее, включает в себя множество сборочных единиц. Проектирование, моделирование и сборка уже не может осуществляться без использования компьютеров. По сути, возможности компьютерных расчетов и моделирования (проработка различных вариантов для принятия наиболее оптимальных технических решений при существующих коммерческих ограничениях) формируют новую отрасль интеллектуальных услуг – инжиниринг, который становится основной интеллектуальной услугой в области индустриального производства и литейного производства, в частности.

В независимости от того, что пятый технологический уклад называют «постиндустриальным», выпуск индустриальной, в т.ч. литейной и металлургической продукции в общемировом масштабе растет уверенными темпами, без прогноза на снижение. Процесс модернизации промышленности в развитых западных странах, которые начали возврат на свои территории индустриальных производств, получил название «реиндустриализации».

Производство. Высокая степень роботизации и автоматизации литейного производства, внедрение автоматических систем управления технологическими процессами.    

Технологии. В 1990-е гг. появляются коммерческие специализированные программные продукты для моделирования литейных процессов. Внедряются новые эффективные способы формовки и специальные способы литья.

Наука. В 1980 г. И.Л. Воробьев под руководством проф. Г.Ф. Баландина публикует обобщенную математическую схему, охватывающую главные стороны формирования отливки в целом (тепло-, массоперенос, фильтрация расплава в двухфазной зоне, а также кинетика зарождения и роста кристаллов) и до сих пор являющуюся математической основой для компьютерного моделирования формирования отливки.

С хронологической точки зрение литейной производство РФ должно находится в 5-м технологическом укладе, но так ли это с инфраструктурной и технологической точек зрения? В [1] мы уже показали, что промышленное производство в целом и литейное производство в частности остались в реалиях 4-о технологического уклада. Пожалуй, единственная область, в которой литейное производство вошло в 5-й технологический уклад – это научные достижения. Как уже было сказано, И.Л. Воробъевым и Г.Ф. Баландиным была получена общая математическая схема формирования отливки, ставшая основой для компьютерного моделирования литейных процессов, также были созданы два отечественных программных продукта PoligonSoft и LVMFlow для компьютерного моделирования литья конкурентные западным аналогам. В остальном возможности 5-о технологического уклада остались не востребованными отечественным литейным производством. Объяснение этому можно искать как в трудностях перехода к новой социально-экономической модели развития общества и рыночной экономике, а также в дешевизне ресурсной базы литейного производства в РФ. Так по данным [2] российские литейные предприятия по сравнению со странами западной Европы на 2010 год имели существенные конкурентные преимущества по затратам на следующие виды ресурсов: энергоресурсы ниже на 54%; трудовые затраты ниже на 92%; услуги/накладные ниже на 71%. Если бы эффективность литейных предприятий РФ бала сопоставима с эффективностью предприятий западной Европой себестоимость отечественного литья была бы ниже на 36%. Однако фактически это существенное, но теоретическое преимущество полностью нивелируется расточительностью использования этих ресурсов и низким качеством продукции. «Как следствие, российской литейной отрасли сложно конкурировать на внешних рынках за счет соотношения цена-качество: цена приближается к уровню европейских производителей, а качество зачастую не соответствует стандартам ЕС» [2].

Причиной такого расточительного отношения к ресурсам является с нашей точки зрения игнорирование одной из существенных черт 5-о технологического уклада, связанной с переходом от инженерного мышления к инжиниринговому. Если классическая инженерная идеология направлена в первую очередь на решение инженерной задачи и только во вторую очередь, а часто и без этого, выполняется оценка стоимости этого решения, то в новой инжиниринговой идеологии важность решение и его стоимость или уравнены, или поменяны местами. Так как стоимость решения выходит на первый план, в инжиниринговой идеологии необходимо найти все множество возможных решений данной инженерной задачи, чтобы из него выбрать оптимальное (самое дешёвое).

Таким образом мы можем констатировать что у отечественного литейного производства есть значительный потенциал роста. Только за счет освоения возможностей 5-о технологического уклада литейные предприятия РФ могут не только выйти на конкурентный уровень, но предложить рынку существенно более низкую стоимость продукции. Помимо этого, освоение возможностей 5-о технологического уклада необходимо для вхождения в следующий технологический уклад.

Наконец мы подошли к шестому технологическому укладу (ориентировочно с 2020 г), говорить о котором придется не в терминах того что уже было, а того что возможно будет. Воспользуемся здесь основными трендами, выделяемыми большинством экспертов в области новых индустрий.

  1. Технологическое ядро уклада: НБИК – технологии (нано-, био-, инфо- и когнитивные технологии).
  2. Автоматизация и роботизация предприятий до уровня безлюдного производства.
  3. Безотходность производства (полная переработка отходов);
  4. Развитие малых, гибких, кастомизированных производств, рассредоточенных наиболее оптимально с логистической точки зрения и с центральным офисом, ответственным за разработку технологий;
  5. Широкое использование искусственного интеллекта для решения всех задач производства: управленческих, конструкторских, технологических.
  6. Получение и применение новых материалов со специальными свойствами.
  7. Ковергенция технологий (по аналогии с конвергенцией наук) или мульти- и межтехнологичность (по аналогии с мутьти- и междисциплинарностью): появление новых гибридных технологий на основе различных комбинаций известных технологий;
  8. Применение аддитивных технологий в промышленном масштабе.

Именно при обсуждении в этой части, вероятного образа следующего, шестого технологического уклада возникает точка зрения о маргинальности литейного производства в наступающем будущем.

 Однако не сложно показать ошибочность такой точки зрения. Все пункты, кроме последнего, без труда применимы к литейному производству, так что вероятный образ литейного производства в шестом технологическом укладе может быть таким:

  • НБИК-литейное производство, т.е. литейное производство освоившее новые возможности наноструктурирования расплавов и затвердевающих сплавов, построенное на использовании искусственного интеллекта и новых тотальных информационных технологий (использование биотехнологии в литейном производстве обсуждаются в [1]).
  • Это безлюдное, безотходное, кастмизированное и распределенное производство.
  • Это производство, использующее как традиционные, так и новые, как металлические, так и неметаллические, простые и составные материалы.
  • Это конвергентное литейное производство с новыми специальным способами, реализующими принцип конвергенции технологий, например, плазменно- и лазерно-литейные технологии, PIM технологии и т.д.

Последний, восьмой пункт образа будущего – основной аргумент против литейного производства и поэтому рассмотрим его более подробно. Для этого сравним схемы аддитивной технологии (селективного лазерного спекания – SLS) и традиционного литейного производства, показанные на рис. 2.   6.3

Рис. 2. Схемы SLS процесса (слева) и классической литейной технологии (справа).

Для сравнения аддитивной (SLS процесс) и литейной технологии выделим следующие два ключевых для этих технологий параметра: 1) формообразование и 2) формирование изделия (отливки).  Так, в литейной технологии формообразование обеспечивается литейной формой, а формирование изделия (отливки) – затвердеванием расплава в полости литейной формы, эти два процесса разделены по времени и реализованы в разных этапах технологического процесса литья. В аддитивных технологиях напротив эти процессы совмещены в одном, в спекании частиц порошка в пятне лазерного луча, что, безусловно, является преимуществом аддитивной технологии. Однако здесь процесс спекания происходит последовательно, тогда как в литейной технологии, формирование отливки происходит параллельно (во всех местах отливки одновременно), а это уже является неотъемлемым преимуществом литейной технологии, значимость которого со временем будет только возрастать в ситуации общего ускорения научно-технического прогресса, когда основным и определяющим ресурсом становится время. Эта особенность обеспечивает литейному производству конкурентное преимущество перед аддитивными технологиями, которая не позволит последним стать, так называемой закрывающей или подрывной технологией для литейного производства. Именно эта особенность в сочетании с упомянутыми выше обеспечит литейному производству свое место в технологическом образе новых индустрий будущего – 6 технологическом укладе.

К данному описанию литейного производства в контексте технологических укладов, нам остается добавить часть, связанную с пониманием литейного производства как субъекта рыночной деятельности, которая в свою очередь осуществляется в условиях глобализации рынка. Для этого введем разграничение между понятиями «литейное производство», «литейное предприятие» и «литейная отрасль»:

  • Литейное производство – это совокупность технологических и организационных способов и методов, позволяющих изготавливать фасонные отливки (по чертежам) изделия из расплавов металлических сплавов (чугун, сталь, алюминий, медь, бронза и пр.). Качество отливки (литой заготовки) оценивают в общем виде точностью размеров и массы, шероховатостью поверхности и показателями служебных свойств, которые в комплексе обеспечивают заданное функционирование литой детали в машине. Основными технологическими процессами, отвечающими за качество и себестоимость изделий, являются процессы формовки (образование полости, к которую будут заливаться расплавленные металлы), плавки, во время которой достигаются требуемые характеристики химического состава сплавов и термообработки, во время которой в сплавах формируется требуемая кристаллическая структура.

Литейное производство (дело), вместе с кузнечным и металлургическим, является одним из древнейших умений человечества (известно более 5 тыс. лет). Развитие знаний в области производства отливок имеет поступательный характер, базируется на инновациях, достигаемых не только в литейной, но и в других областях человеческой деятельности. Знания в данной области интернациональны, за исключением тех случаев, когда они временно, через механизмы патентной или коммерческой защиты находятся в собственности отдельных юридических или физических лиц).

  • Литейное предприятиеэто организация, производящая литейную продукцию. Литейное предприятие может быть оснащено литейным оборудованием различного уровня сложности, может использовать как прогрессивные, так и старые технологии, и методы литейного производства. Уровень литейного предприятия, может отличаться от уровня того технологического уклада, во время которого оно осуществляет свою деятельность. Развитие литейного предприятия, как и любого другого, определяется деловыми качествами руководителей данного предприятия.
  • Литейная отрасль – это совокупность субъектов производства/потребления отливок и организаций, обеспечивающих взаимодействие между субъектами, которые вместе находящихся в состоянии организованных взаимоотношений. Литейная отрасль имеет национальную принадлежность и потенциал её развития находится в области государственной политики и самоорганизации литейных предприятий.

Резюмируя все выше изложенное, можно сделать следующие выводы:

  1. Литейное производство постоянно развивается и в каждом технологическом укладе вырабатывает технологические решения, адекватные этому укладу. В 5-м, настоящем технологическом укладе, литейное производство представляет собой множество современных технологических решений получения изделия конкурентного не только внутри литейной отрасли, но и по сравнению с другими, альтернативными способами производства данного изделия. Использование возможностей 5-о технологического уклада обеспечивает литейному предприятию возможность производства конкурентоспособных на мировом рынке фасонных изделий из различных сплавов, наиболее эффективный из которых подбирается методами инжиниринга для этого конкретного предприятия.

Эти технологические возможности, на настоящем уровне развития коммуникаций, открыты любому литейному предприятию для реализации его стратегической цели, если, конечно, она у него есть.

  1. Литейное предприятие является основным действующим лицом в своем производственном сегменте и может быть основным бенефициаром тех возможностей, которые ему представляет развитие современных литейных технологий, а также иных технологий в различных областях науки и техники.

Литейное предприятие, соответствующее этому уровню, должно выпускать конкурентоспособную на мировом рынке продукцию, желательно в конкретной нишевом сегменте.

  • Высокое качество продукции обеспечиваться за счет:
  • предварительного моделирования технологических процессов;
  • минимизации человеческого фактора;
  • использования качественного сырья;
  • введения системы менеджмента качества, на основе количественных показателей.
    • Низкая себестоимость выпуска продукции обеспечиваеться за счет:
  • эффективной системы управления, состоящей минимум из управления производством, управления инфраструктурой, управления закупками и управление персоналом;
  • профицитного плана загрузки производства, сформированного за счет высокого качества продукции и правильного маркетингового выбора нишевого продуктового сегмента;
  • автоматизации производства и сокращения доли трудовых затрат;
  • эффективного использования всех видов ресурсов за счет правильного подбора технологического оборудования;
  • вторичной переработки использованных сырьевых ресурсов;
  • эффективного подбора и обучения персонала.
  1. Литейное предприятие, осуществляющее свою деятельность в конкретной бизнес-среде, может и должно формировать свою позицию по отношению к этой среде и в кооперации с другими литейными предприятиями, имеющими схожие стратегические интересы, воздействовать на нее, формируя комфортную для себя бизнес-среду. Иными словами, согласованная позиция группы предприятий, способна трансформировать ситуацию в литейной отрасли в целом.
  2. Российская литейная отрасль, испытывающая в настоящее время существенные трудности, должна и может трансформироваться. Возможностями для этого являются:
  • выгодный курс национальной валюты, делающий российскую литейную продукцию конкурентоспособной на мировом рынке;
  • существенный научный и практический потенциал в области литейных технологий и производственных мощностей, сохранившийся еще со времен СССР;
  • все возрастающий импорт литейной продукции, стремление зарубежных производителей оборудования локализовать литейное производство на территории РФ для обеспечения запасными частями уже поставленного оборудования, а также поиск стратегических партнеров среди российских литейных предприятий;
  • государственная политика, направленная к диверсификации экспортной продукции, развитию инновационных технологий и поддержке предприятий, решающих проблему импортозамещения, вместе с существенным потенциалом российских специалистов в области компьютерного моделирования и разработки программных продуктов высокой сложности – услуг, наиболее востребованных в 5-м технологическом укладе.

Итак, главный вывод данной статьи: в ситуации глобализации, которая в настоящее время определяет тренд экономического развития, даже при негативных тенденциях в национальной отрасли (производстве), те предприятия, в которых руководители видят перспективу, могут достигать самого высокого технологического и организационного уровня, ориентируясь не только на национальный, но и на мировой рынок и беря самое нужное с рынка современных технологий и оборудования для литейной промышленности.

Литература

  1. Вольнов И.Н. Литейное производство в шестом технологическом укладе // Литейщик России – 2012 – №10 – С.46-48
  2. Ресурсоэффективность литейного производства в России: исследование и сравнительный анализ. http://www.ifc.org/wps/wcm/connect/a0c73f804bbee6868b18ef1be6561834/PublicationRussiaFoundry-ExecutiveSummary2011ru.pdf?MOD=AJPERES
Поделиться:
Вернуться в раздел: Статьи