Инновации в производственном процессе: «Бессемеровский момент» для титана?

Пилотный титановый завод IperionX в Солт-Лейк-Сити, штат Юта, построенный при финансовой поддержке программы ARPA-E Министерства энергетики США.

Я всегда слежу за крупными инновациями в производственных процессах, поскольку они могут нанести серьезный ущерб существующим компаниям. Они часто меняют экономику, допуская меньшие масштабы или менее дорогостоящие методы производства, возможно, за счет использования меньшего количества энергии или производства меньшего количества нежелательных побочных продуктов. Другая причина, по которой инновации в процессах могут быть особенно интересными, заключается в том, что действующие производители обычно медленно внедряют новые процессы, часто потому, что у них есть существующее производственное оборудование, которое, возможно, еще не полностью изношено. Или они могут быть полностью амортизированы, и поэтому предельные издержки их использования будут очень низкими. Это оставляет поле для выскочек открытым, чтобы причинить им боль и страдания, поскольку у новичков нет никаких активов, которые можно было бы защитить и которые могли бы затуманить их суждения. Произойдет ли то же самое с производством стратегического металла титана?

Недавно у меня была возможность поговорить с Анастасиосом «Тасо» Аримой, основателем и генеральным директором стартапа по производству титана IperionX, который расширяет масштабы нового производственного процесса. Арима начала нашу дискуссию с рассказа о важности процессуальных инноваций. Он объяснил, что сталь существует уже 3000 лет, но до 1856 года она была нишевым продуктом, потому что ее производство было очень дорогим. Обычно именно военные по всему миру могли позволить себе использовать его для изготовления мечей и доспехов, хотя люди также использовали его для изготовления режущих инструментов, таких как ножи, топоры и пилы. В 18-м и начале 19-го веков изобретение пудлинговых печей сделало Англию сталелитейной столицей мира, хотя и очень трудоемким и энергоемким способом. В 1854 году Генри Бессемер, работавший на военные нужды в начале Крымской войны, обнаружил, что продувание воздухом расплавленного железа быстро превращает его в сталь. Однако это был жестокий процесс, и Бессемер решил эту проблему, запустив его в цилиндрический стальной котел, который он назвал конвертером. Это привело к семикратному увеличению производительности и резкому снижению стоимости стали. Но настоящий рост произошел именно в Америке, поскольку строительство железных дорог после окончания Гражданской войны вызвало бурный спрос на сталь. Между 1864 и 1876 годами в США было построено 13 бессемеровских заводов, поскольку производство стали в Америке увеличилось в 87 раз. А когда цена на сталь упала, этот замечательный материал стал использоваться гораздо шире.

Бессемеровский сталелитейный процесс: опорожнение конвертера. Иллюстрация из архива Беттмана.

Я позвонил в Taso, чтобы поговорить об их инновационных процессах производства титана. Это новый метод, в котором вместо углерода используется водород: металлотермическое восстановление с водородом (HAMR). HAMR обещает быть не только экологически чистым, но и гораздо более дешевым, что Арима называет «бессемеровским моментом» титана. Процесс был разработан металлургом и профессором металлургического машиностроения в Университете Юты доктором З. Заком Фангом при спонсорской поддержке программы ARPA-E Министерства энергетики США, их версии DARPA. «Наш пилотный завод производит шесть тонн в год», — объяснил Арима о своем прототипе предприятия в Юте. «Но эта печь старая и не имеет активного охлаждения. Для новых мы хотим не только утроить мощность, но и сократить время цикла с трех дней до одного дня». Новая печь будет производить 125 тонн в год, и стратегия масштабирования будет заключаться в параллельном добавлении печей. Эта легкая масштабируемость важна, поскольку компания может наращивать мощности по мере необходимости, вместо того, чтобы инвестировать в строительство огромного завода, а затем искать клиентов, чтобы поддерживать его работу.

Как я писал недавно после того, как Россия (откуда мы получали много титана) вторглась в Украину, титан — довольно уникальный металл. Он и его сплавы легкие, обладают высокой устойчивостью к коррозии, выдерживают высокие температуры и имеют очень высокое соотношение прочности к весу. Это делает его очень популярным в аэрокосмической промышленности, но, как правило, его использование в потребительских товарах слишком дорого. Причина, по которой традиционное производство дорогое, заключается в том, что оно использует процесс Кролла для предварительного преобразования титановой руды с использованием кокса (из металлургического угля) и хлора в тетрахлорид титана (TiCl4). Затем TiCl4 необходимо подвергнуть вакуумной перегонке для его очистки, а пары подаются в реакционный сосуд, содержащий расплавленный магний, окруженный инертным газом аргоном и нагреваемый до 800–1000°C в течение примерно двух дней. В результате получается титановая губка, которую необходимо измельчить, чтобы удалить соли магния. Процесс HAMR, напротив, использует половину энергии и сокращает выбросы более чем на 30% (и потенциально до нуля при использовании возобновляемых источников энергии) для питания печей. Это существенно снижает себестоимость производства титана. Большая часть экономии достигается за счет исключения как стадии хлорирования, так и вакуумной перегонки.