Новая горелка SSAB: как 3D-печать меди революционизирует сталелитейное производство

Главное

• 3D печать медных горелок позволила финскому металлургическому заводу SSAB радикально улучшить качество поверхности стальных слябов и снизить вибрации оборудования.
• Переход с никелевого сплава на CuCrZr стал ключевым решением: медь обеспечила необходимую теплопроводность, а аддитивное производство — сложную геометрию каналов.
• Проект объединил SSAB, Delva Oy, Etteplan и EOS; сегодня 14 напечатанных горелок работают в промышленном режиме, а экономия CO₂ оценивается до 30 000 тонн в год.

Почему сталелитейному производству потребовалась новая горелка?

Металлургическое производство традиционно считается консервативной отраслью. Однако именно здесь требования к точности, износостойкости и воспроизводимости процессов исключительно высоки. Завод SSAB в Раахе, Финляндия, специализируется на высокопрочной стали. Один из этапов подготовки продукции — обработка поверхности стальных слябов перед прокаткой в листовой металл. Для этого используются газовые горелки, которые выравнивают поверхность и удаляют дефекты.

Классическая конструкция горелки имела серьёзные ограничения. Поверхность слябов после обработки оставалась шероховатой, появлялись глубокие борозды, что снижало выход годного металла и требовало дополнительной механической обработки. Кроме того, тяжёлая горелочная система создавала заметные вибрации, ускоряя усталостное разрушение узлов.

Перед инженерами стояла задача: переосмыслить конструкцию горелки для сталелитейного производства, оптимизировать газовый поток и повысить производительность. В начале проекта никто не предполагал, что решение придёт из области аддитивного производства меди.

Почему никелевые сплавы не решили проблему?

Первые прототипы новой горелки были изготовлены методом Laser Powder-Bed Fusion (LPBF) из никелевого сплава Inconel 718. Логика казалась очевидной: это высокотемпературный материал, хорошо зарекомендовавший себя в аэрокосмической и энергетической отраслях. EOS M 290 и аналогичные системы успешно печатают такие детали.

Однако испытания на площадке SSAB быстро показали: высокая температурная стойкость — не главный критерий. Агрессивная среда в зоне газового пламени требовала прежде всего высокой теплопроводности. Никелевый сплав отводил тепло недостаточно эффективно, из-за чего конструкция перегревалась и не обеспечивала стабильного газового потока.

Тогда команда проекта — Delva Oy и Etteplan — обратила внимание на медные сплавы. Медь обладает исключительной теплопроводностью, пластичностью и мягкостью. Но долгое время её 3D печать оставалась сложной технологической задачей: высокая отражательная способность меди мешала лазеру эффективно плавить порошок, а отвод тепла приводил к деформациям и нестабильному процессу.

Переход на медь стал переломным моментом. CuCrZr 3D печать открыла возможность не просто заменить материал, а полностью переработать конструкцию горелки под новые физические свойства.

Как медь изменила подход к аддитивному производству?

Медные сплавы долго считались проблемными для Laser Powder-Bed Fusion. Лазерное излучение с длиной волны около 1064 нм, типичное для большинства металлических AM-систем, плохо поглощается медью. Это приводит к нестабильному плавлению, пористости и низкой плотности деталей. Кроме того, высокая теплопроводность меди быстро отводит энергию из зоны плавления, что затрудняет формирование мелких элементов.

Ситуация изменилась с появлением систем мощностью 1 кВт. В 2024 году EOS представила новый материал из чистой меди и технологические режимы для EOS M 290 1kW. Параллельно развивались установки AMCM M 290-2 — модифицированная платформа с двумя лазерами по 1 кВт, созданная специально для меди и других материалов с высокой отражательной способностью.

Для проекта SSAB ключевым стало сочетание:

• повышенной мощности лазера;
• оптимизированных параметров сканирования;
• порошка CuCrZr — медного сплава с добавками хрома и циркония, который сохраняет высокую теплопроводность и приобретает улучшенные механические свойства после термообработки.

CuCrZr — это дисперсионно-твердеющий сплав. Хром и цирконий образуют мелкодисперсные выделения, повышающие прочность без существенной потери теплопроводности. Для горелки это означает способность выдерживать термические циклы и механические нагрузки, сохраняя геометрию каналов.

Как устроено производство новой горелки?

Процесс создания горелки не ограничился заменой материала. Потребовалась гибридная печать: часть элементов сначала изготавливалась из нержавеющей стали 316L, а медная «губа» наращивалась непосредственно поверх неё. Такой подход позволил команде проверить, останутся ли открытыми самые маленькие каналы диаметром 0,7 мм.

По словам Маркку Линдквиста, технического директора Delva Oy, на первых тестах у компании ещё не было «убийственной машины» — установки с киловаттным лазером. Поэтому работа велась в тесном сотрудничестве с EOS. После первых успешных испытаний конструкция была пересмотрена: теперь вся горелка, включая каналы 0,7 мм, печатается целиком из CuCrZr с толщиной слоя 80 мкм.

Переход на полностью медную конструкцию стал возможен благодаря:

• точной настройке параметров лазерного плавления;
• контролю теплового поля в процессе печати;
• опыту, накопленному при работе с комбинированными материалами.

Аддитивное производство (AM) позволило реализовать геометрию, невозможную для традиционного литья или механической обработки. Внутренние каналы сложной формы оптимизируют поток газа, обеспечивая равномерное пламя и более качественную обработку поверхности.

Какие технические и эксплуатационные результаты достигнуты?

Сегодня на заводе SSAB в Раахе работают 14 напечатанных медных горелок. Они установлены в газовом строгальном станке и функционируют параллельно, обрабатывая стальные слябы. Результаты превзошли первоначальные ожидания.

Во-первых, вес горелки снизился с 12,9 кг до 6,7 кг. Это почти двукратное сокращение массы каждого узла. В системе, где вся сборка весит тонны, уменьшение массы горелок снизило вибрации. Меньше вибраций — меньше усталостных напряжений в оборудовании, выше долговечность и стабильность работы.

Во-вторых, сложная геометрия каналов обеспечила оптимизированный газовый поток. Это привело к более гладкой поверхности стальных слябов. Снижение шероховатости и глубины дефектов напрямую увеличивает выход годного металла и сокращает объём отходов.

В-третьих, напечатанные горелки не требуют регулярного обслуживания. Традиционные конструкции страдали от утечек, вызывавших простои. Цельная печатная деталь не имеет соединений, которые могли бы дать течь. Срок службы значительно вырос.

Стоимость компонента при этом сопоставима с традиционной горелкой. А срок поставки сократился с двух месяцев до двух недель. Для металлургического предприятия это означает меньший склад запчастей и более быстрое восстановление после плановых остановок.

Каковы экономические и экологические выгоды?

Эффект от новой горелки выходит далеко за пределы цеха. Повышение эффективности процесса напрямую влияет на выбросы CO₂. По оценкам, сокращение составляет от 14 000 до 30 000 тонн CO₂ в год. Верхняя граница эквивалентна годовому углеродному следу небольшого города — например, Санкт-Морица в Швейцарии.

В денежном выражении экономия может достигать 5 миллионов евро в год. Эта цифра складывается из:

• снижения расхода энергии;
• уменьшения объёма отходов металла;
• сокращения простоев на обслуживание;
• увеличения выхода годной продукции.

Таким образом, проект стал не просто технологическим экспериментом, а устойчивой бизнес-историей. Маркку Линдквист подчёркивает: «Расчётная экономия может составлять 5 млн евро в год, что делает этот проект настоящей историей устойчивого развития».

Важно отметить, что экологические показатели ещё будут верифицироваться в течение ближайших месяцев. Однако уже сейчас ясно: аддитивное производство меди способно приносить ощутимую пользу тяжёлой промышленности.

Какую роль сыграли партнёры в проекте?

Успех стал возможен благодаря тесной кооперации четырёх игроков.

SSAB выступила заказчиком и постановщиком задачи. Компания проявила открытость к экспериментам и позволила испытывать прототипы в реальных производственных условиях. Это редкий случай, когда металлургический гигант доверился аддитивным технологиям на критическом этапе.

Delva Oy — финский AM-специалист, взявший на себя технологическую разработку и производство. Компания инвестировала в установку AMCM M 290-2 с двумя киловаттными лазерами и освоила печать медных сплавов. Именно Delva оптимизировала трубопроводы, ведущие к горелке, и довела конструкцию до промышленного внедрения.

Etteplan — технологическая сервисная компания, отвечавшая за моделирование и проектирование горелки. Инженеры Etteplan провели расчёты газовой динамики и помогли превратить требования SSAB в конкретную геометрию.

EOS — производитель AM-оборудования и материалов. Без новых режимов печати меди на платформе EOS M 290 и последующей модификации AMCM M 290-2 проект был бы невозможен.

Тесное сотрудничество позволило шаг за шагом решать возникающие проблемы. Как отмечает Линдквист, рецепт успеха — «идентифицировать проблему на каждом этапе и решать её, чтобы перейти к следующему шагу».

Какие перспективы открывает освоение медной 3D-печати?

Освоение CuCrZr 3D печати — это не только решение одной задачи для SSAB. Delva Oy, по словам её технического директора, «приручила медного зверя». Это открывает двери для целого класса новых применений.

Наиболее перспективное направление — теплообменники. Медь идеально подходит для теплообменного оборудования благодаря высокой теплопроводности. Аддитивное производство меди даёт полную свободу геометрии: можно создавать каналы сложной формы, тонкие стенки и интегрированные структуры, недоступные традиционным методам. При этом обеспечивается оптимальный баланс между максимальной проводимостью и производительностью.

Другие возможные области:

• компоненты для энергетики;
• детали индукционных систем;
• элементы охлаждения для электроники;
• сопла и горелки для других отраслей.

Полученный опыт также важен для развития гибридной печати — комбинации медных и стальных элементов в одной детали. Это позволяет использовать преимущества каждого материала там, где они наиболее востребованы.

Главное из статьи

• Какие преимущества дает новая горелка из меди, изготовленная методом 3D-печати, для производства стали? Более гладкая поверхность слябов, меньше отходов, ниже вибрации, минимальное обслуживание и снижение выбросов CO₂ до 30 000 тонн в год.
• Почему для горелки выбрали медный сплав CuCrZr вместо никелевого сплава? Потому что ключевым требованием оказалась высокая теплопроводность, а не термостойкость. Никелевый сплав не отводил тепло достаточно эффективно, тогда как CuCrZr обеспечил оптимальный тепловой режим.
• Какие компании участвовали в разработке и производстве новой горелки? SSAB как заказчик, Delva Oy как AM-производитель, Etteplan как проектировщик и EOS как поставщик технологий и оборудования.
• Как использование аддитивного производства повлияло на вес и эффективность горелки? Вес снизился с 12,9 кг до 6,7 кг, газовый поток оптимизирован за счёт сложных внутренних каналов, вибрации уменьшились, срок службы вырос.

Что дальше?

Проект SSAB показал: 3D печать медных горелок — это не лабораторная экзотика, а рабочий инструмент для тяжёлой промышленности. Преодоление технологических барьеров, связанных с отражением лазера и высокой теплопроводностью меди, открыло путь к серийному производству ответственных компонентов.

История началась с попытки улучшить качество поверхности стальных слябов. В итоге родилась новая производственная парадигма, в которой аддитивное производство (AM) и Laser Powder-Bed Fusion (LPBF) становятся не альтернативой, а основой для создания более лёгких, эффективных и экологичных узлов.

Опыт Delva Oy доказывает: освоение сложных материалов, таких как CuCrZr, требует терпения, партнёрства и готовности идти шаг за шагом. Но результат оправдывает инвестиции. Четырнадцать работающих горелок на заводе SSAB — лучшее тому подтверждение.

Впереди — новые проекты в области теплообменников и других медных компонентов. Если нынешние темпы сохранятся, 3D печать меди в ближайшие годы станет стандартом для производств, где важны теплопроводность, точность и надёжность.

Комментарий Первого Слоя

Российские производители медных порошков CuCrZr (Кольчугино, Уралэлектромедь) получат импульс спроса от металлургических комбинатов, где внедрение 3D-печатных горелок сократит импорт никелевых сплавов на 15-20% и снизит логистические издержки на ремонт за счёт локального производства сложных деталей.

Источник: www.eos.info