Zasadniczymi fazami hutniczych procesów produkcyjnych są:
produkcja stali,
przeróbka plastyczna na gorąco,
przeróbka plastyczna na zimno,
uszlachetnianie wyrobów hutniczych.
A. Produkcja stali
Metalurgia surówki i stali obejmuje dwa podstawowe etapy produkcji: wytwarzanie surówki i wytwarzanie stali.
Współczesne technologie hutnicze biorą swój początek od czasu opanowania produkcji surówki w wielkim piecu. Surówka z wielkiego pieca stanowi wsad do pieców stalowniczych. W początkowym okresie (do lat 60-tych) surówka była odlewana do kokilek, z których po ostygnięciu uzyskiwano bryły surówki zwane "gąskami". Zastygła surówka w postaci "gąsek" była przewożona do stalowni. Duże straty energii związane z koniecznością ponownego nagrzewania wsadu w postaci "gąsek" do temperatury topnienia spowodowały wprowadzenie specjalnych wozów tzw. "torpedo" do transportu ciekłej surówki z wielkiego pieca do pieców stalowniczych.
Produkcja stali przeszła ewolucję i w kolejnych okresach odbywała się:
początkowo w piecach martenowskich a następnie
w piecach konwertorowych, które są szeroko stosowane również obecnie.
Dla wytapiania stali stopowych stosuje się piece elektryczne. Stale najwyższej jakości wymagają stosowania dodatkowej obróbki pozapiecowej pozwalającej na ograniczenie zawartości gazów i zanieczyszczeń stałych oraz poprawę jednorodności wytopów. Stosuje się w tym celu specjalne kadzie do odgazowania (odtleniania) i argonowania (przedmuch argonu). Po uzyskaniu wymaganego składu chemicznego oraz stopnia czystości i
jednorodności następuje odlewanie stali do wlewnic lub kadzi pośredniej, stanowiącej początkowy element urządzenia do ciągłego odlewania stali (COS).
W szczególnych przypadkach, dla uzyskania ultra czystych stali, stosuje się przetop elektrożużlowy lub przetop w piecu elektronowiązkowym.
Odlewanie stali do wlewnic
Odlewanie stali do wlewnic można prowadzić zalewając wlewnicę od góry lub odlewając syfonowo od dołu. Po odlaniu i skrzepnięciu stali we wlewnicy następuje wyjęcie wlewków z wlewnicy - dla wlewków zbieżnych ku dołowi lub zdjęcie wlewnicy z wlewka - dla wlewków zbieżnych ku górze. Wlewki można ochłodzić do temperatury otoczenia dla przeprowadzenia oględzin powierzchni lub badań ultradźwiękowych materiału wlewka. Studzenie wlewków stosuje się tylko w wyjątkowych przypadkach, np. dla stali wysokostopowych, ponieważ powoduje znaczną stratę energii. W produkcji masowej wlewki są w stanie gorącym przekazywane do dalszego przetwórstwa, obejmującego w pierwszej fazie przeróbkę plastyczną na gorąco.
Strukturę wlewka określa się jako strukturę pierwotną, którą charakteryzuje:
niejednorodna wielkość ziarna (warstwa kryształów zamrożonych, dendryty, ziarna
równoosiowe),
nieciągłości materiału (pęcherze podskórne, jama usadowa pierwotna i wtórna,
duże skupiska wtrąceń niemetalicznych (np. siarczki, krzemianki, fosforki),
mikro i makroniejednorodność składu chemicznego. Ciągle odlewanie stali - COS
Proces ciągłego odlewania stali został, na skale masową, zastosowany w latach 70-tych. Istotą tego procesu jest prowadzenie go w sposób ciągły, zapewniający powtarzalność warunków krzepnięcia na całej długości odlewanego wlewka. Stal odlewana z kadzi rozlewniczej do kadzi pośredniej jest następnie rozlewana do krystalizatora (dla jednożyłowego odlewania) lub krystalizatorów, których liczba odpowiada liczbie jednocześnie odlewanych wlewków (dla wielożyłowego odlewania). Krystalizator może być prosty lub łukowy (promieniowy). Dla krystalizatorów prostych w zależności od ich ułożenia, proces
krystalizacji może być prowadzony w układzie pionowym - krystalizator pionowy lub w układzie poziomym - krystalizator poziomy. Najczęściej stosowane są krystalizatory łukowe, które pozwalają na połączenie zalet krystalizatora pionowego - symetryczne warunki krystalizacji i krzepnięcia, z zaletami krystalizatora poziomego - ułożenie osi wlewka zgodne z kierunkiem podawania do nagrzewania i walcowania. Zaletą krystalizatora łukowego jest zmniejszenie, w stosunku do krystalizatorów pionowych, wysokości hali mieszczącej urządzenia do ciągłego odlewania stali.
Zastosowanie ciągłego odlewania stali pozwoliło na podniesienie jakości materiału wsadowego przez zwiększenie jednorodności makro i mikrostruktury na przekroju poprzecznym oraz uzyskanie jednorodnej makro i mikrostruktury na długości odlewanych wlewków. Bardzo istotnym efektem COS-u jest poprawa uzysku materiałowego wyrażonego stosunkiem masy wyrobu do masy odlanej stali, który może przekroczyć 95%. Poprawa jakości wlewków z COS-u pozwoliła na wyeliminowanie z procesu produkcyjnego zgniatacza. Wlewki z ciągłego odlewania stosowane są w procesach produkcyjnych w tych fazach procesu produkcyjnego, w których w tradycyjnym liniach produkcyjnych (stosujących wlewki odlewane do wlewnic) stosowano półwyroby po procesach wstępnej przeróbki plastycznej: kęsiska lub kęsy.
Wlewki z ciągłego odlewania są przekazywane w stanie gorącym do dalszego procesu przeróbki plastycznej na gorąco. W nowoczesnych urządzeniach COS-u wlewki po krystalizacji są "zagęszczane" przez zastosowanie wstępnej redukcji przekroju (soft reduction).
B. Przeróbka plastyczna na gorąco
Proces przeróbki plastycznej na gorąco pozwala na likwidację podstawowych wad strukturalnych odlanego wlewka oraz uzyskanie wymaganego kształtu i wymiarów półwyrobu lub wyrobu. Pierwszym zabiegiem procesu przeróbki plastycznej na gorąco jest jego nagrzewanie i wygrzewanie do uzyskania równomiernej temperatury wymaganej do przeprowadzenia procesu przeróbki plastycznej na gorąco.
Podstawowymi procesami przeróbki plastycznej na gorąco są: walcowanie i kucie. Nagrzewany wlewek jest walcowany na zgniataczu lub kuty na prasie (małe wlewki na młocie). Podczas nagrzewania i prowadzenia procesów przeróbki plastycznej tworzy się na
powierzchni materiału zgorzelina (warstwa utleniona), którą należy systematycznie usuwać. Usuwanie zgorzeliny można prowadzić przez mechaniczne jej kruszenie w trakcie procesu przeróbki plastycznej, a następnie spłukiwanie silnym strumieniem wody (zbijanie zgorzeliny).
Przeróbka plastyczna jest procesem technologicznym, w którym poprzez plastyczne odkształcenie materiału uzyskuje się wymaganą strukturę i cechy geometryczne wyrobu. Uzyskanie wymaganej struktury końcowej możliwe jest:
bezpośrednio po procesie przeróbki plastycznej,
bezpośrednio po procesie obróbki cieplno-plastycznej (wykorzystanie temperatury
obróbki plastycznej do przeprowadzenia obróbki cieplnej),
c) przez zastosowanie obróbki cieplnej po procesie przeróbki plastycznej (na
odrębnych urządzeniach do obróbki cieplnej).
Jeżeli w procesie przeróbki plastycznej na gorąco materiał o strukturze pierwotnej zostanie poddany odpowiednio dużym odkształceniom, których wielkość jest określona stopniem przerobu (w procesie walcowania stopień przewalcowania a w procesie kucia -topień przekucia) to możliwe jest uzyskanie wyrobu o strukturze pozbawionej wad charakterystycznych dla struktury odlanego wlewka. Stopień przerobu jest obliczany ze stosunku pola przekroju materiału wsadowego do pola przekroju wyrobu. Dla różnych gatunków stali wymagana wartość stopnia przerobu, zapewniająca dobrą strukturę, jest zróżnicowana np. dla stali węglowych konstrukcyjnych wynosi ok. 2, a dla stali ledeburytycznych narzędziowych ok. 12. Zastosowanie wymaganego stopnia przerobu pozwala na uzyskanie struktury o jednorodnej wielkości ziarna pozbawionej nieciągłości wewnętrznych, rozdrobnionych i równomiernie rozłożonych w objętości wtrąceniach niemetalicznych.
Zasadniczymi efektami procesu przeróbki plastycznej na gorąco jest ukształtowanie wymaganej struktury oraz uzyskanie założonego kształtu, wymiarów i jakości powierzchni półwyrobu lub wyrobu.
Uzyskanie wymaganych cech geometrycznych (kształt, wymiary i jakość powierzchni) wymaga zastosowania po procesie przeróbki plastycznej i ewentualnej obróbki cieplnej
zabiegów wykańczających. Typowymi zabiegami wykańczającymi są chłodzenie, prostowanie, kalibrowanie, czyszczenie powierzchni. Kolejne fazy procesu produkcyjnego to kontrola jakości (może być prowadzona w trakcie procesu przeróbki plastycznej i w końcowej fazie przygotowania do wysyłki), przygotowanie do ekspedycji i znakowanie wyrobów (jest prowadzone również w trakcie realizacji procesu produkcyjnego. Zabiegi wykańczające, kontrola jakości i przygotowanie do wysyłki są specyficzne dla poszczególnych wyrobów hutniczych (półwyroby, blacha walcowana na gorąco, blacha taśmowa, taśma, pręty, walcówka, kształtowniki, rury itp.).
Produkty procesów przeróbki plastycznej na gorąco mogą być wyrobami gotowymi (na sprzedaż) lub stanowić wsad do dalszego przetwórstwa.
C. Przeróbka plastyczna na zimno
Procesy przeróbki plastycznej na zimno są stosowane do prowadzenia dalszego przetwórstwa, które pozwala na redukcję pola przekroju (pręty), grubości (blachy i taśmy) średnicy i grubości ścianki (rury), jak również nadanie wymaganego kształtu przekroju jakości powierzchni (gładkości) oraz struktury i właściwości materiału.
Podstawowymi, hutniczymi procesami przeróbki plastycznej na zimno są walcowanie na zimno i ciągnienie a w szczególności walcowanie taśm i folii. walcowanie kształtowników giętych, walcowanie rur bez szwu, walcowanie kształtowników giętych, ciągnienie prętów. ciągnienie drutów, ciągnienie rur bez szwu, ciągnienie rur ze szwem i inne.
W procesach przeróbki plastycznej na zimno w połączeniu z zabiegami obróbki cieplnej, możliwe jest bardzo precyzyjne kształtowanie struktury i tym samym właściwości mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych i innych.
Podstawowym efektem przeróbki plastycznej na zimno jest umocnienie materiału, jako efekt wzrostu gęstości dyslokacji, które pozwala na uzyskanie bardzo wysokiego poziomu wytrzymałości (np. druty ok. 3000 MPa). Bardzo ważną cechą struktury, którą można kształtować w procesach jest tekstura materiału decydująca o anizotropii materiału, W przypadku blach dla motoryzacji możliwe jest poprzez dobór technologii i składu chemicznego stali uzyskanie blach, dla których współczynnik anizotropii normalnej r przekracza wartość 2.
Kolejna cecha struktury, którą można regulować przez dobór technologii, jest wielkość ziarna i tekstura. Skuteczne wykorzystanie tego mechanizmu strukturalnego występuje w procesie produkcji blach elektrotechnicznych transformatorowych i prądnicowych.
Towarzyszący odkształceniu plastycznemu na zimno efekt umocnienia materiału połączony jest z wyczerpywaniem podatności materiału do odkształcenia plastycznego (obniżeniem zapasu plastyczności). Przywrócenie podatności do odkształcenia plastycznego, odkształconym plastycznie na zimno materiałom, wymaga zastosowania zabiegu obróbki cieplnej, który powoduje odbudowę struktury - tzn. wyżarzania rekrystalizującego lub przesycania. Zabiegi te wymagają nagrzania materiału do wysokiej temperatury (T > 0,4 - 0,6 Ttop.), co powoduje powstanie na powierzchni materiału warstwy tlenków. Przed dalszym procesem przeróbki plastycznej wymagane jest usunięcie tej warstwy w procesie trawienia, a następnie płukanie, neutralizacja i nanoszenie warstwy podsmarowej i smaru przed kolejnym zabiegiem kształtowania plastycznego na zimno. Liczba cykli wyżarzania i kształtowania plastycznego jest zależna od końcowego wymiaru wyrobu i gatunku stali. Np. dla drutu sprężynowego o średnicy 1 mm liczba cykli może przekroczyć 10.
D. Uszlachetnianie wyrobów hutniczych
Stale rosnące wymagania odbiorców wyrobów hutniczych są inspiracją dla producentów. Jednym z podstawowych wymagań stawianym wyrobom jest estetyka wyrobu, która może być połączona z bardzo ważną cechą użytkową, jaką jest odporność na korozję. Obydwa wymagania można spełnić przez naniesienie na powierzchnię wyrobu powłoki ochronnej.
Zależnie od wymagań stawianych przez odbiorcę możliwe jest naniesienie jedno lub wielowarstwowych powłok. Powłoki mogą być metaliczne, organiczne lub nieorganiczne.
Dla wyrobów hutniczych powszechne zastosowanie znalazły procesy: powlekanie rur bez szwu, powlekanie prętów, powlekanie drutów, powlekanie kształtowników giętych. powlekanie rur ze szwem, powlekanie blach i taśm.
E. Cechy nowoczesnych procesów hutniczych
Efektywność ekonomiczna przemysłu hutniczego jest determinowana przez koszty ponoszone we wstępnych fazach wytwarzania stali i jej przetwórstwa. Aktualny stan rozwoju w tym zakresie uzyskany dzięki zaangażowaniu dużego potencjału naukowo-badawczęgo spowodował istotne obniżenie zużycia energii i zmniejszenie strat materiałowych oraz kosztów transportu.
Wyroby hutnicze uzyskiwane w procesach przeróbki plastycznej na gorąco tradycyjnie uważane są za produkty o najniższej stopie zysku i powszechnie wiadomo, że zysk rośnie wraz ze stopniem przetwórstwa.
Największą efektywność ekonomiczną dla produkcji masowych wyrobów hutniczych, w procesach przeróbki plastycznej na gorąco, można osiągnąć stosując zintegrowane linie technologiczne. Zastosowanie zintegrowanej linii produkcyjnej, w której od fazy ciągłego odlewania wsadów do finalnej fazy zabiegów wykańczających, wykorzystane jest ciepło z odlanej stali, gwarantuje koszty wytwarzania niższe o ponad 30 % od kosztów ponoszonych w tradycyjnych liniach produkcyjnych.
Istotne obniżenie kosztów wytwarzania w dalszych fazach przetwórstwa na zimno jest związane z logistyką przepływu materiału, a w szczególności uniknięciem masowego transportu "nadmiarowego" materiału, który w postaci złomu wraca do ponownego przetopienia w piecach hutniczych.
Zintegrowane linie produkcyjne wyrobów hutniczych są stosowane nie tylko do produkcji blach taśmowych (ZOWB - zintegrowane odlewanie i walcowanie blach) ale również do produkcji prętów, kształtowników i rur.