Машинное обучение помогло разработать 14 железных сплавов из металлолома с лучшими свойствами

Международная команда разработала метод машинного обучения для подбора состава и режимов обработки сплавов из металлолома. Его задача — учитывать примеси в сырье и использовать их для улучшения механических свойств. Метод проверили на высокопрочном чугуне: из 17 предложенных вариантов 14 показали лучшее сочетание прочности и пластичности в использованном исследователями наборе данных.

В проекте участвовали Шанхайский университет Цзяотун, Городской университет Гонконга, Восточно-Китайский университет науки и технологий, Центрально-Южный университет и Институт устойчивых материалов имени Макса Планка в Германии. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Примеси — часть рецептуры, а не только помеха

Металлолом различается по химическому составу и содержанию примесей. Это затрудняет выпуск сплавов с предсказуемыми свойствами. Как поясняет один из авторов исследования Люлиу Хан из Института устойчивых материалов имени Макса Планка, традиционный подход — снижать концентрацию примесей добавлением первичного металла. Однако такое разбавление требует дополнительных затрат энергии и увеличивает выбросы углекислого газа.

Новый метод рассматривает примеси как потенциально полезные легирующие элементы. Система машинного обучения подбирает состав сплава и условия обработки, учитывая температуру, продолжительность процесса, прочность на растяжение и удлинение при разрыве. Перспективные варианты проверяют экспериментально, а результаты возвращают в систему для уточнения следующих прогнозов.

Что показали испытания на высокопрочном чугуне

Для проверки выбрали высокопрочный чугун — распространённый промышленный материал, сочетающий прочность и пластичность и допускающий наличие примесей. По приведённым в исследовании данным, его мировое производство составляет около 120 млн тонн в год.

Команда испытала 17 вариантов сплавов. Четырнадцать из них продемонстрировали лучшее сочетание прочности и пластичности среди образцов в использованном наборе данных по железным сплавам из вторичного сырья. В испытаниях удалось повысить прочность на растяжение до 15,2% без потери пластичности либо увеличить удлинение при разрыве на 73,2% без снижения прочности. Это разные результаты, а не одновременный прирост обоих показателей у каждого сплава.

Все новые сплавы получили из переработанного лома без добавления первичного железа. По данным исследователей, подход позволил снизить производственные затраты на 8,1%.

Возможности для других видов вторичного сырья

Авторы рассчитывают распространить метод на переработанную сталь, алюминий и медные сплавы. Среди возможных областей применения они называют транспорт, энергетическую инфраструктуру и промышленное производство. В этом исследовании, однако, метод проверяли на высокопрочном чугуне.

Более широкое использование вторичного сырья важно для снижения ресурсоёмкости металлургии. По данным, приведённым в работе, в мире ежегодно выпускают около 2 млрд тонн металла, преимущественно из первичного сырья. На это производство приходится около 40% промышленных выбросов парниковых газов и 10% мирового потребления энергии. Предложенный подход направлен на одну из проблем переработки — нестабильный состав лома, который ограничивает возможности его применения.