Борьба за независимость… от никеля

 25 января 2011

/Rusmet.ru, Ольга Фомина/ Стоимость нержавеющей стали сильно зависит от колебаний биржевых котировок на никель – главный легирующий элемент для производства нержавейки. В последнее время, не имея возможности прогнозировать изменения цен на никель, которые зачастую зависят не столько от реального спроса, сколько от спекулятивных настроений товарных бирж, некоторые европейские производители нержавеющей стали все больше интересуются альтернативными легирующими металлами.

Не ржавеет!

Интерес ученых всего мира к стали и ее свойствам существовал всегда и не утих по сегодняшний день. Так, английским ученым Гарри Бреарли, проводившим эксперименты с различными видами сплавов, в 1913 году впервые была получена нержавеющая сталь – легированная сталь с высоким содержанием хрома (от 12 до 20%), способная сопротивляться кислотной коррозии. Устойчивость сплава к коррозии возможна за счет взаимодействия основного легирующего элемента, хрома с кислородом, в результате чего на поверхности металла образуется оксидная пленка, самовосстанавливающаяся при повреждении механическим или каким-либо иным путем.

Для изменения физических и химических свойств в сталь вводятся различные легирующие элементы, каждый из которых оказывает определенное влияние на качество получаемого металлопроката. Так, производство нержавейки с добавлением никеля сообщает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость, повышает сопротивление удару. Применение вольфрама образует в стали очень твердые соединения – карбиды, которые значительно увеличивают твердость и красностойкость стали. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. Ванадий, в свою очередь, повышает твердость и прочность, измельчает зерно, увеличивает плотность стали.

Добавление кремния в количестве свыше 1% повышает упругость и окалийность. При этом, содержание его в пределах 1-1.5% увеличивает прочность при сохранении вязкости, а большее содержание кремния увеличивает электросопротивление и магнитопроницаемость материала.

Производство нержавеющей стали с добавлением марганца, при содержании его свыше 1%, увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, без уменьшения при этом пластичности.

Добавление кобальта повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару. Молибден увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан в качестве легирующего элемента повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерна, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии. Ниобий улучшает кислотостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях. Алюминий повышает жаростойкость и окалийность, медь увеличивает антикоррозионные свойства, цирконий позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью…

Каждый из указанных компонентов подбирается конкретно под определенный тип нержавеющего проката, и его содержание значительно влияет на окончательную стоимость продукции.

Сегодня наибольшее распространение получили нержавеющие стали с добавлением никеля. Следовательно, от цен на него зависит окончательная стоимость нержавейки. Например, прирост никелевых биржевых котировок на $1000 за т увеличивает себестоимость тонны нержавеющего проката марки 304 (содержит 10% никеля) на $100 за т. Спрогнозировать изменения цен на никель бывает достаточно сложно, ведь на котировках этого металла напрямую отражаются все колебания на мировых финансовых рынках. В связи с этим производители нержавеющей стали все чаще задумываются об альтернативных легирующих металлах.

Так, один из ведущих мировых производителей листовой нержавеющей стали – германская компания ThyssenKrupp – в декабре прошлого года заявил о своем намерении снизить влияние колебания никелевых цен на доходность своего нержавеющего подразделения путем переориентации одного из предприятий на производство нержавеющего сплава, не содержащего никель.

Альтернатива есть

На современном рынке металлопроката высоким спросом пользуется безникелевая нержавеющая сталь серии AISI 400. Такие стали согласно стандарту astm 240 относятся к категории общего применения и могут быть адаптированы к различным условиям эксплуатации в любых отраслях промышленности. К тому же, это оптимальный выбор материала для решения целого комплекса технических задач.

Никелевые аналоги нержавеющей стали значительно дороже и не способны продолжительное время противостоять значительным термальным нагрузкам. Например, почти все никельсодержащие нержавеющие стали и стали серии AISI 300, в отличие от сталей серии AISI 400, при эксплуатации в течение всего лишь нескольких часов в температурном диапазоне 450-750 град. Цельсия могут быть подвержены очень опасному виду коррозионного разрушения – межкристаллитной коррозии (МКК). А хромистые ферритные стали серии AISI 400 не склонны к высокотемпературной МКК при температуре до 1000 град. Цельсия.

Минимальное содержание углерода в сталях этого класса (0,03%) обеспечивает хорошую антикоррозийную стойкость сварным швам. Ведь одной из основных причин разрушения стальных нержавеющих конструкций зачастую является коррозия, обусловленная электрохимической гетерогенностью зон термического влияния сварных швов и основного метала. Поэтому уменьшение содержания углерода в сталях является важным фактором предотвращения щелевой и ножевой коррозии в сварных соединениях.

Плюс ко всему хромистая нержавеющая сталь по сравнению с никельсодержащей аустенитной нержавейкой обладает низким коэффициентом термического расширения (КТР) и повышенной теплопроводностью. Это определяет ее преимущественное использование в различных теплообменных конструкциях. Сварные конструкции и трубопроводы из таких сталей намного меньше изменяют размеры при колебаниях температуры, что снижает разрушающие нагрузки при перепадах температуры и предотвращает возможные утечки из гидравлических соединений. Кроме того, обладая сравнительно низкой тепловой инерцией, элементы конструкций из ферритных хромистых сталей быстрее прогреваются при меньших энергозатратах. Это позволяет избежать возможного инерционного перегрева, что достаточно важно для обширного ряда пищевых производств. Такие стали выдерживают высокие пиковые нагрузки (до 950 град. Цельсия) и могут непрерывно эксплуатироваться при температурах как минимум до 700 град. Цельсия.

Возможности применения

Индивидуальные свойства безникелевых нержавеющих сталей дают возможность применять их в пищевой и перерабатывающей промышленности, в строительстве, архитектуре, а также для изготовления износостойких деталей для агрегатов и механизмов, отличающихся повышенной коррозийной и жаростойкостью. Обладая высокой коррозионной стойкостью во многих пищевых средах, нержавеющие стали серии AISI 400 могут быть использованы и для изготовления технологического оборудования, применяемого на различных этапах пищевого производства. Например, низкий КТР и повышенная теплопроводность таких сталей предопределяют их преимущественное использование в таких теплообменных конструкциях, как охладительные градильни и т.п.

Естественно, полностью отказаться от никельсодержащих нержавеющих сталей нельзя, особенно сталей, легированных молибденом, которые используются в случаях контакта с высокоагрессивными кислотными или щелочными средами. Однако в подавляющем большинстве производств в пищевой отрасли подобные среды не используются. Поэтому более актуально обращать внимание на стойкость к коррозии сталей серии AISI 400 в таких умеренно агрессивных средах, как животные и растительные жиры, этиловый спирт, мясные соки, дрожжи, пивное сусло, сыры, крахмал, уксусная кислота, углекислота, дубильная кислота, окислительные растворы солей и т.п. Плюс ко всему, такие стали устойчивы в серосодержащих средах, широко применяемых в пищевой промышленности.

Листовой прокат и трубы из нержавеющей стали также успешно используются для решения архитектурно-строительных, дизайнерских, технических и прочих задач – например, для изготовления стеллажей, стендов, полок, элементов интерьера и экстерьера, опорных конструкций, витрин и т.п. При производстве трубопроводов и архитектурных конструкций во многих случаях оптимально использовать трубы из относительно недорогой нержавеющей стали AISI 439. Такие трубы не подвержены межкристаллитной коррозии, а низкая концентрация углерода и наличие стабилизирующего титана или ниобия гарантируют предотвращение обеднения хромом сварных швов и зон термического влияния, что повышает их коррозионную стойкость и предотвращает формирование закалочных структур, приводящих к образованию трещин при сварке. Трубы этих сталей легко подвергаются механической обработке, холодному деформированию и вытяжке.

Коррозионная устойчивость сталей серии AISI 400 к нефти и продуктам ее дистилляции, эфирным и машинным маслам делает их также достаточно востребованными при изготовлении элементов конструкций, которые эксплуатируются в горячих газовых средах, образующихся при переработке и сжигании топлива. Кроме того, сера как составная часть продуктов сгорания нефтепродуктов в виде окислительной двуокиси серы оказывает разрушительное действие на никельсодержащие аустенитные стали. А стали 400 серии сохраняют при таких условиях свои высокие коррозионные свойства.

Помимо всего вышеперечисленного, данные марки сталей могут применяться в тех случаях, когда необходимо сочетание высокой износостойкости и хорошей коррозионной стойкости: при изготовлении режущего и мерительного инструмента, кухонной утвари, деталей турбин и котлов, крепежа, пружин, деталей внутренних устройств аппаратов и других различных деталей, работающих на износ в слабоагрессивных средах до 450 град. Цельсия.

В Украине, судя по спросу, безникелевая марка AISI 430, ставшая популярной еще пару лет назад, является сегодня самым серьезным конкурентом наиболее широко распространенной AISI 304. Однако при их замене производители должны ясно представлять, что имеют дело с классом сталей, которые отличаются от привычных никельсодержащих сталей серии AISI 300. Желание существенно сэкономить (в среднем стоимость листового проката сталей 409 и 430 в 1,5 раза ниже, чем стоимость никельсодержащих марок AISI 304 и 321) должно быть подкреплено учетом специфики обрабатываемости и сварки безникелевых сталей, а также четким представлением об их коррозионной стойкости, механических и физических свойствах, стабильности свойств при эксплуатации, диапазонах температурной применимости, соответствия способа обработки и т.д. Именно знание специфик обработки и эксплуатации таких сталей, желание производителей адаптировать технологический цикл под новые для них стали может стать залогом существенной экономии в будущем.