Как делают нержавеющую сталь: процесс производства нержавейки

Сплав, устойчивый к коррозийным воздействиям – это сложный состав на основе железа и хрома. В него могут входить никель, углерод, молибден, титан и прочие компоненты. Даже небольшие отклонения от рецептуры приводят к значительным изменениям эксплуатационных свойств нержавейки. Чтобы добиться правильного соотношения элементов на финишной плавке необходимо иметь освобожденные от нежелательных включений компоненты. В статье расскажем про пошаговое производство легированной нержавеющей стали. 

Этапы производственного процесса 

Создание нержавейки – трудный и долгий путь. Для получения высоколегированной стали требуется подготовить железо, очистить до нужного качества хром, никель и прочие компоненты. 

Нержавеющую сталь создают за несколько этапов:  

1. Предварительная обработка базовых элементов: Fe, Cr и легирующих добавок. 
2. Варка в электродуговых аппаратах.
3. Раскисление литьевой массы.
4. Последующая обработка.

Рассмотрим каждую стадию производственного процесса.

Этап №1. Подготовка необходимого сырья для выплавки нержавейки

Главной задачей подготовительных операций является очищение компонентов до требуемой степени чистоты. Сырьем для выплавки нержавейки является железо с добавлением углерода и легирующих присадок.

Подготовка железа

Примитивные способы получения железа часто приводили к тому, что на выходе получался чугун – издержки доменных печей. Чугун не поддавался ковке, был хрупок и металлурги не могли довести его до свойств железа. В 19 веке французский инженер Мартен сделал революцию в металлургической области. Он предложил способ плавки, названный в его честь. Технология проблему переработки чугуна в железо. Данное историческое отступление необходимо, чтобы понять какой путь прошла металлургия от болотного железа до нержавеющих сталей с четко заданными качествами. 

Основной компонент нержавеющей стали – это железо. Его содержание в сплаве составляет приблизительно 70 процентов. Получение и очистка железа это многоступенчатый процесс:

• Добыча и подготовка руды до уровня содержания Fe 70% и выше. Такой материал называется окатыши. 
• Плавка чугуна. Она необходима для повышения процентного содержания железа, при этом в материале остается большое количество углерода.
• Трансформация чугуна в железо через варку в конвертерах и мартеновских печах. 

Рассмотрим подробнее методы подготовки железа перед конечным производством нержавеющей стали.  

Мартеновский метод

Мартеновская печь – это строение, выложенное изнутри жаропрочным кирпичом. Конструктивно состоит из:

• Подины. В емкость собирается расплавленный металл. Она имеет технологические стоки для слива. 
• Свода. Это потолок камеры плавки. Его задача – ограничить пространство горения и концентрировать факел на шихте. 
• Боковых стенок. В них формируется загрузочные окна для помещения исходного продукта, каналы для слива готовой стали, системы подачи горючей смеси и вывода продуктов горения. 

Суть процесса заключается в прямом нагреве горячим факелом шихты (смеси руды и шлакообразующих элементов) в печи. Температура должна достигать значений 1800-1900 градусов. Газовоздушная смесь не может создать данную температуру, поэтому компоненты предварительно разогреваются выходными газами. Такой процесс обеспечивается изменением направления подачи газов в камеру сгорания. Если подавать смесь справа, а выхлоп сгоревших продуктов будет слева, то рекуператоры нагреваются до высоких температур. Поменяв процесс на обратный, мы получаем предварительный разогрев поступающей горючей смеси и получаем повышение температуры факела. По мере остывания процесс снова меняется на обратный. В результате, средняя температура в зоне расплава достигает необходимых 1800-1900 градусов. 

Мартеновский метод позволяет проводить метаморфозу чугуна в сталь за счет окисления лишнего углерода. Условием получения стали необходимого качества является исходный состав сырья, загружаемого в печь. При плавке невозможно повлиять на количество химических компонентов состава, кроме углерода и кислорода. Поэтому конечный продукт впрямую зависит от рецептуры шихты и режимов подачи газовых смесей.

Конверторный метод

Конвертор – это плавильный агрегат, представляющий собой грушевидную печь из стали с жаропрочной футеровкой изнутри. В зависимости от процесса применяется кислый или нейтральный кирпич. В верхней части находится отверстие для загрузки извести, бокситов и заливки предварительно нагретого чугуна. Для выполнения этих операций емкость имеет возможность поворота в горизонтальной плоскости. Наклоном всей печи производится слив готовой стали. 

Суть процесса плавления заключается в разогреве массы кислородом, который под давлением подается снизу вверх или наоборот. За счет окисления углерода и других примесей температура поднимается до 1600 градусов и выше. Этим достигается сразу две цели: благодаря окислению углерода происходит трансформация чугуна в сталь и выводятся нежелательные примеси. 

Плавление происходит по трем основным технологиям:

• Бессемеровский метод. Применяется для переработки чугуна с низким содержанием фосфора и, находящейся в руде серы. Продувка ведется воздухом. В это время окисляется углерод, марганец и кремний. При достижении приемлемых параметров, расплав сливается в ковш с параллельным раскислением. Процесс подготавливает материал для дальнейшей обработки с целью получения нержавеющей стали высокого качества. 
• Томасовский метод. Благодаря созданию нейтральной среды в реакторе позволяет устранить из чугуна лишний фосфор. Это достигается использованием извести и основной футеровки. Как и бессемеровский метод, способ не подходит для производства стали высокого качества. Воздушная продувка обогащает состав азотом. Это делает материал хрупким и склонным к старению. 
• Кислородный метод. Появился, когда стало возможно получение больших объемов кислорода. Продувка происходит не атмосферным воздухом, а газовой смесью из кислорода и углекислого газа. В чашу закладываются чугун, металлолом, известь, руда, бокситы. В процессе плавки происходит окисление нежелательных компонентов и их вывод в шлаковую зону. По достижении необходимых параметров содержания углерода, сталь сливается и раскисляется. На выходе получается сталь с низким содержанием фосфора и азота. Такой материал хорошо подходит для варки нержавеющих сталей с заданными параметрами.  

Подготовка хрома и остальных присадок

Cr является тем элементом, который и придает нержавеющие свойства обычному железу. В сплаве содержание хрома должно быть не ниже 10 процентов. Элемент производится алюминотермическим или металлотермическим методами. Оба процесса схожи с выплавкой железа. Основным отличием является состав шихты и температурные режимы. В шихту входят алюминий, натриевая селитра, окись хрома. На выходе получается металл с чистотой до 99,7%. Примеси состоят из кремния, серы, алюминия и железа. Нежелательным компонентом является сера. 

Обязательной очистке подлежат компоненты, такие как: никель, марганец, титан, медь селен и прочее. Технологии подготовки каждого элемента очень специфичны.

Этап №2. Варка нержавеющей стали

Предфинишным этапом создания материала является плавка подготовленного сырья с нужными пропорциями ингредиентов. Для этого используются электрические печи. Варка осуществляется электродуговым или индукционным методом.

Электродуговой метод

Плавка состава происходит за счет электрической дуги, возникающей между электродами – как в бытовом сварочном аппарате. 

Конструкция электропечи представляет собой металлическую емкость с технологическими отверстиями. Она имеет возможность поворота в горизонтальной плоскости для загрузки шихты и слива расплава. Изнутри стенки изолированы жаропрочной футеровкой из кирпича с необходимыми кислотными свойствами. В верхней части печи устанавливается механизм с тремя графитовыми электродами. Устройство имеет возможность позиционирования в объеме камеры, это необходимо для равномерного прогрева всей смеси. В боковых стенках имеются сопла для подачи газов. Питание осуществляется трехфазным током. Объем плавки составляет до 4 тонн. В процессе за счет герметичности пространства возможно создание любой газовой среды и даже вакуума. В передней стенке предусмотрены специальные окна для контроля процесса и забора образцов на анализ. Все это позволяет контролировать работу на всех этапах выплавки.   

Электродуговым методом получают высоколегированную сталь с необходимым составом и свойствами. Это позволяет направлять расплавленную массу непосредственно на прокатный стан для получения листов, труб, прутков, плит и прочего проката. 

Преимущества выплавки нержавейки в электропечах:

• Высокое качество выходного продукта. 
• Возможность тонкого управления параметрами на всех этапах.
• Энергетическая эффективность, вся энергия тратится непосредственно на плавку. 
• Экологичность процесса. Замкнутое пространство печи позволяет утилизировать большую часть вредных выбросов.
• Хорошая встроенность технологии в непосредственное производство металлопроката. То есть формовка изделий, например, уголков или нержавеющих заготовок происходит прямо из печи.   

Недостатком является то, что производство должно быть привязано к генерации электричества большой мощности.  

Индукционный метод

Способ плавки нержавейки широко применяется в процессах изготовления готового проката. Принцип работы индукционной печи заключается в следующем. В магнитопроницаемую емкость загружается подготовленный материал. Разогрев происходит за счет воздействия на состав мощного высокочастотного поля. В металле образуются вихревые токи, раскачивающие молекулы сплава. Объем камер небольшой, в них не производится модификация материалов. Устройство применяется для придания текучести уже готовым сталям. Подобная технология используется для размягчения длинномерных заготовок с целью дальнейшей формовки изделий, например, квадрата, балки, круга и прочего.  

Этап №3. Раскисление сплава

В процессе плавки в составе остается лишний кислород, который негативно влияет на прочностные характеристики нержавейки. Поэтому обязательным этапом производства является раскисление  – удаление кислорода. 

В расплавленную массу добавляются вещества, более склонные к вступлению в реакцию с кислородом. Это могут быть алюминий, силикомарганец, углерод или другие ферросплавы. В процессе кислород связывается до нерастворимых в расплаве шлаков. Например, при добавке алюминия получается оксид, который всплывает в виде шлака на поверхность и удаляется механическим путем.

Этап №4. Финишная обработка нержавеющей стали

Готовые застывшие или наполовину застывшие отливки подвергают дополнительным процедурам: устранению окалины, химической обработке поверхности разнообразными составами. При необходимости уже готовый нержавеющий прокат проходит металлообработку: термообработку, штамповку, резку, шлифовку или полировку. 

Сортов нержавеющей стали много, в каждом случае используются особые приемы и свои уникальные технологии. Это позволяет получить нержавейку с очень широким спектром качеств, например, от высокой прочности до повышенной вязкости или большой жаростойкости и нужных декоративных свойств. Современные методы спектрального анализа позволяют контролировать химические процессы на всех этапах производства в реальном времени. Это дает возможность создавать сплавы с точно выверенным составом и, как следствие, с заранее известными свойствами.