Die Forschung umfasst Legierungen für einen niedrigen Preis

Obwohl Eisen vor 3.000 Jahren Bronze als bevorzugtes Metall abgelöst hat, bildet die am häufigsten verwendete Form von Eisen, Stahl, weiterhin das Rückgrat der modernen Fertigung und Infrastruktur. Ein Interview mit Murali Manohar, PhD, PE, Leiterin für Platten, Energie- und Infrastrukturprodukte bei ArcelorMittal Global R&D, gibt Einblicke darüber, was Rohr- und Leitungshersteller in Zukunft erwarten können. Quelle: Getty Images

Ingenieuren, Architekten und Designern, die Komponenten oder Baugruppen aus Metall entwickeln müssen, mangelt es nicht an Auswahlmöglichkeiten. Es stehen viele tausend Metalllegierungen zur Verfügung und laut World Steel Association umfasst allein Stahl 3.500 Sorten. Brauchen wir bei so vielen Möglichkeiten mehr? Tatsächlich tun wir das. Im Moment brauchen wir sie vielleicht nicht, aber wir werden sie wahrscheinlich im Laufe der Zeit brauchen, wenn sich die Gesellschaft verändert und wenn die Technologie voranschreitet.

„Wir bereiten uns auf die Wasserstoffwirtschaft vor“, sagte Murali Manohar, PhD, PE, Leiterin für Platten, Energie- und Infrastrukturprodukte bei ArcelorMittal Global R&D, East Chicago, Indiana. Bis dahin sind es noch Jahrzehnte, also macht das Unternehmen in der Zwischenzeit weiter Forschung für Anwendungen in der heutigen erdölbasierten Wirtschaft betreiben. Nur wenige würden leugnen, dass es immer noch am Leben ist – in den letzten Jahren hat die weltweite Erdölindustrie jährlich etwa 97 Millionen Barrel pro Tag gefördert. Der größte Produzent, die USA, produziert etwa 12,5 Millionen Barrel pro Tag und verbraucht etwa 20,5 Millionen Barrel pro Tag. Alle diese Zahlen werden im Jahr 2020 aufgrund der Pandemie sicherlich etwas niedriger ausfallen, aber die Aussichten für die Branche sind robust.

Abgesehen von den Folgen von COVID-19 sind viele andere Veränderungen im Gange, und das schon seit vielen Jahrzehnten. Eines davon ist das Ziel, die Abhängigkeit der USA von ausländischem Öl zu verringern, was zu immer strengeren Kraftstoffeffizienzstandards für die Automobilindustrie geführt hat. Das übergeordnete Interesse am Bau von Fahrzeugen mit geringerer Masse führte zur Forschung und Entwicklung völlig neuer Generationen fortschrittlicher, hochfester Stähle; hochfeste, niedriglegierte Stähle; und eine stärkere Verwendung anderer Metalle wie Aluminium und Magnesium.

Ein weiterer Grund ist der Druck, den kollektiven CO2-Fußabdruck der Gesellschaft zu verringern, was den Verbrauch von Benzin und Kohle erschwert und die verstärkte Nutzung alternativer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie fördert. Der flächendeckende Einsatz von Wasserstoff, der bei seiner Verbrennung nur Wärme und Wasser erzeugt, wird noch Jahrzehnte entfernt sein, sodass Erdgas in der Zwischenzeit als Brücke fungiert. Erdgas trägt zur Reduzierung des Kohlenstoffausstoßes bei, da bei seiner Verbrennung viel weniger Kohlendioxid entsteht als bei anderen fossilen Brennstoffen. Verbesserungen in der Fördertechnik sowie die kostengünstige Möglichkeit, Erdgas in gasförmiger und verflüssigter Form zu speichern und zu transportieren, haben neue Geschäftsmöglichkeiten geschaffen.

Wie weit ist Erdgas fortgeschritten? Im Hinblick auf die Stromerzeugung war es beträchtlich. Daten der US Energy Information Association zeigen, dass der Anteil von Erdgas an der Stromerzeugung in den USA seit 2014 von 26 % auf 34 % gestiegen ist, während der Anteil von Kohle im gleichen Zeitraum von 40 % auf 22 % zurückgegangen ist.

„Die Rohr- und Rohrindustrie befindet sich mitten in diesem Wandel“, sagte er.

„Das Unternehmen investiert immer noch stark in die Automobilindustrie, aber die Unterscheidung zwischen unserem Automobil- und unserem Nicht-Automobilgeschäft wird immer weniger klar“, sagte Manohar. Sein Automobilgeschäft sei immer noch sehr stark, sagte Manohar, aber das Unternehmen erkunde auch neue Möglichkeiten im Energiebereich.

„Unser Ziel ist es, für Infrastrukturprojekte wie Pipelines und Brücken bereit zu sein“, sagte er.

Transport von Erdölprodukten in kalten Klimazonen. Ein Schwerpunkt von ArcelorMittal liegt derzeit auf dem sichereren und zuverlässigeren Transport von Erdöl, wozu auch der Schwerpunkt auf Anwendungen in kalten Klimazonen gehört. Die Planung und der Bau der Trans-Alaska-Pipeline veranschaulichen die Probleme, die das Arbeiten in kalten Klimazonen mit sich bringt.

Die 800 Meilen lange Pipeline, die von Prudhoe Bay nach Valdez, Alaska, führt, ist ein Wunderwerk der Ingenieurskunst. Ungefähr 400 Meilen davon verlaufen durch ein Gebiet, das nie zufriert, sodass die Pipeline in diesem Abschnitt vergraben liegt. Die anderen 400 Meilen liegen im Permafrost oder diskontinuierlichen Permafrost, was bedeutet, dass der Boden beim Gefrieren und Auftauen erheblichen lokalen Bewegungen ausgesetzt ist, sich nach oben hebt und nach unten sinkt. In solchen Gebieten kann die gesamte vertikale Bewegung laut Manohar bis zu 10 Fuß betragen.

Mit mehr als 30 Jahren Erfahrung in der Stahlindustrie ist Dr. Murali Manohar ein wichtiges Mitglied des globalen Forschungs- und Entwicklungsteams von ArcelorMittal. Er leitet ein Team von mehr als 20 Ingenieuren und technischen Fachleuten und ist verantwortlich für Ausrüstung, Forschungsaktivitäten und technischen Support für Kunden und Unternehmensbereiche in den Bereichen Bleche, warmgewalzte Coils für Energie, Industrieprodukte und Rohrprodukte.

Die Pipeline ist jedoch keinen Hebungen und Setzungen ausgesetzt. Die oberirdisch verlegte 400 Meilen lange Pipeline wird von einer Reihe von 78.000 vertikalen Stützelementen getragen, die den Boden in unmittelbarer Nähe kühlen, sodass er das ganze Jahr über gefroren bleibt. Der Boden gefriert und taut nicht, er hebt und senkt sich also nicht.

Entwicklung einer neuen Legierung für eine alte Anwendung. Was wäre, wenn eine weitere Pipeline dieser Art ohne vertikale Stützen gebaut würde? In diesem Fall müsste es regelmäßigen und extremen Verschiebungen im Laufe der Jahreszeiten standhalten.

Eines der jüngsten Ziele von ArcelorMittal ist die Entwicklung von Stahl, der zur Herstellung von Rohren für Erdölpipeline-Anwendungen verwendet werden kann und drei Eigenschaften aufweist: ausreichende Festigkeit, um dem erforderlichen Innendruck standzuhalten, ausreichende Bruchfestigkeit, um Risse (sowohl beginnende als auch sich ausbreitende) zu verhindern, und ausreichende Duktilität absorbieren die Belastungen, die mit schweren und wiederholten lokalen Bewegungen verbunden sind.

Ein Blick auf eine jahrzehntelange Entwicklung in der metallurgischen Verarbeitung verdeutlicht die Schwierigkeiten, Stahl stärker zu machen.

„Bis in die 1960er Jahre bestand die einzige Möglichkeit, die Festigkeit einer Stahllegierung zu erhöhen, darin, den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen“, sagte Manohar. „Der Nachteil besteht darin, dass die Zugabe von Kohlenstoff den Stahl auch weniger widerstandsfähig gegen Sprödbruch macht.“ Laienhaft ausgedrückt bedeutet mehr Kohlenstoff mehr Festigkeit, was mehr Härte bedeutet, was mehr Sprödigkeit bedeutet. Erschwerend kommt hinzu, dass dieser Stahl in kalten Klimazonen verwendet wird. „Wenn die Temperatur sinkt, sinkt auch die Widerstandsfähigkeit gegen Sprödbruch“, sagte er.

Mitte der 1970er Jahre sei eine neue Strategie zur Veränderung der Festigkeit von Stahl entstanden, sagte Manohar. Metallurgen fanden heraus, dass sie durch die Kontrolle der Korngröße des Stahls die Festigkeit des Materials und seine Beständigkeit gegen Sprödbruch verbessern konnten. Mit anderen Worten: Es wäre schwieriger. Dazu müssten Metallurgen einen Weg finden, zu verhindern, dass die einzelnen Stahlkörner zu stark wachsen.

Bei der Arbeit mit Stahl ist die Kontrolle der Korngröße eine Frage der Kontrolle der Verarbeitungstemperatur und der Verweilzeit auf Temperatur vor dem Abkühlen des Stahls. Der Abkühlungsprozess kann ein Abschrecken sein – ein plötzliches Eintauchen in eine Flüssigkeit, die nach dem Austenitisieren auf eine bestimmte Temperatur eingestellt ist –, aber Abschrecken ist nicht die einzige Option. Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung der Korngröße ist die thermomechanische Steuerung, einschließlich beschleunigter Kühlung, die im Endbearbeitungsbereich der Mühle eingesetzt wird.

„Bei der beschleunigten Kühlung werden Wasserstrahlen verwendet, um den Stahl in der letzten Produktionsphase abzukühlen“, sagte er. Ein solches Schema verwendet gerichtete Düsen und Wasser, das mit einem mittleren Druck fließt und mit einem Rückkopplungssystem und adaptiven Algorithmen gesteuert wird.

Forschungen auf diesem Gebiet ermöglichten eine höhere Festigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Kohlenstoffgehalts. Mit anderen Worten: Es trug zur Entwicklung der oben genannten hochfesten, niedriglegierten Stähle bei.

Von da an konzentriert sich die Forschung von ArcelorMittal auf den Walzprozess, der die Dicke des Stahls erheblich reduziert, beispielsweise von 10 Zoll auf ½ Zoll. Der in jedem Durchgang geleistete Arbeitsaufwand und die Temperatur jedes Durchgangs tragen dazu bei, die Eigenschaften des Materials zu bestimmen. Hier endet die Arbeit von ArcelorMittal, aber die Forschung geht über diesen Schritt hinaus weiter. Das ultimative Ziel besteht darin, so viel wie möglich über die Eigenschaften des Metalls zu erfahren, nachdem es zu Rohren oder Leitungen gewalzt wurde.

„Jedes Rohrwerk ist anders und wir möchten sicherstellen, dass unsere Materialien in jedem Werk funktionieren“, sagte er. Neben dem Informationsaustausch und der Zusammenarbeit mit mehreren Rohrherstellern betreibt das Unternehmen auch eigene Forschung.

Zu diesem Zweck investierte das Unternehmen in zwei Geräte, um Bleche oder Spulen in eine Röhrenform zu rollen und zu testen. Erstens handelt es sich um eine Vierwalzen-Blechbiegemaschine, die das Blech zu einem Zylinder formt, ein entscheidender Teil der Forschungsanstrengungen von ArcelorMittal, und dem Unternehmen die Möglichkeit bietet, den Stahl zu testen, nachdem er Rohr- oder Leitungseigenschaften angenommen hat. Laut Shira Cohen, Spezialistin für Kommunikation und Unternehmensverantwortung des Unternehmens, ist dies die einzige Einheit dieser Art in den USA, die von einem Stahlhersteller zum Testen von Energieprodukten verwendet wird. Normalerweise liegt es in der Verantwortung jedes Kunden, solche Tests durchzuführen.

Das zweite Gerät ist ein Ringausdehnungstester, der eine Auswertung ähnlich der hydrostatischen Prüfung durchführt. Es lädt das Rohr mit unter Druck stehender Flüssigkeit auf und misst seine Verformung. Dabei wird ein Diagramm erstellt, das die Beziehung zwischen Innendruck und Verformung zeigt.

Der in der Branche am häufigsten verwendete Test ist der Flachbandtest, bei dem ein Abschnitt aus dem Rohr oder Rohr abgeschnitten und flachgedrückt wird. Während nachfolgende Tests Erkenntnisse über die Mindeststreckgrenze und die endgültige Zugfestigkeit des Materials liefern können, verändert der Abflachungsprozess selbst die untersuchten Eigenschaften. Der Ringausdehnungstest könnte ein genauerer Test für die Inbetriebnahme des Rohrs sein, da er nicht auf einem Abflachungsprozess beruht und das Rohr in seiner ursprünglichen zylindrischen Form behält. Man geht auch davon aus, dass er die Eigenschaften des Rohrs besser wiedergibt als der weniger verbreitete Standardtest, der Rundstab-Zugversuch.

„Der Ringausdehnungstest kann als der repräsentativste Test angesehen werden, der das tatsächliche Verhalten des Rohrs zeigt, im Vergleich zu Zugprobentests mit abgeflachten Bändern oder Rundstäben, die in der Branche die am weitesten verbreiteten Tests sind“, so Manohar.

Ein Bericht des US-Verkehrsministeriums aus dem Jahr 1998 ergab, dass die jährlichen direkten Kosten durch Korrosion 276 Milliarden US-Dollar betrugen. Damals betrugen diese Kosten 3,1 % des Bruttoinlandsprodukts. Im Wesentlichen bedeutete dies, dass wir, wenn die Wirtschaft gut lief und ein Wachstum von etwa 3 % erzielte, den gleichen Betrag an direkten Kosten im Verhältnis zur Korrosion verloren, sodass das tatsächliche Ergebnis neutral war.

Obwohl der Bericht mehr als nur die Infrastruktur umfasste, war das Verkehrssystem des Landes ein wichtiger Bereich, der Anlass zur Sorge gab.

„Wir fördern korrosionsbeständiges Material für Brücken“, sagte Manohar. „Wir schätzen, dass wir Platten für Brücken liefern können, die 125 Jahre halten.“

Die Legierung hierfür ist ein Dualphasen-Edelstahl, der von ArcelorMittal als kostengünstiges korrosionsbeständiges Material beschrieben wird, das der Beschreibung von ASTM-A1010 (martensitischer Edelstahl mit höherer Festigkeit) entspricht. Ursprünglich als Duracorr geschützt, wurde es zunächst als A1010-Klasse 50 mit besonderen Zusatzanforderungen für Brücken verwendet. Um die Anwendung zu erleichtern, wurde es 2017 als Klasse 50CR in die A709-Norm für Baustahlbrückenmaterialien aufgenommen, in der alle für Brücken erforderlichen Materialeigenschaften aufgeführt sind. Sein Chromgehalt beträgt 12 %, deutlich weniger als die 20 % bis 27 %, die in einigen rostfreien Stählen der Serien 300 und 400 verwendet werden, aber immer noch ausreichend, um eine voraussichtliche Lebensdauer von 125 Jahren zu unterstützen, was beeindruckend ist.

„Die Anschaffungskosten sind höher, vielleicht zwei- bis dreimal höher als bei einer ähnlichen Brücke aus Stahl, aber nach dem ersten Neuanstrich ist sie günstiger“, sagte Manohar. Die Lackierung dient nicht dem Korrosionsschutz, sondern der Ästhetik.

Wie die Stahlauswahl für Pipelines hängt auch die richtige Stahlauswahl für den Brückenbau von der Umgebung ab.

„Für Salzbeständigkeit, für Offshore- und Nearshore-Anwendungen würden wir einen Hochleistungsstahl wie HPS 70W empfehlen“, sagte er. In der Unternehmensliteratur heißt es, dass er neben einer Mindeststreckgrenze von 70 KPSI und geringeren Vorwärmanforderungen zum Schweißen auch stärkerer Witterung standhalten kann als Kohlenstoffstahl. Eine ASTM-Beschreibung von HPS 70W legt nahe, dass es eine viermal höhere Witterungsbeständigkeit als kohlenstoffarmer Stahl aufweist.

Andere Beispiele veranschaulichen den anhaltenden Bedarf an robusten und dennoch leichten Stählen. Windtürme, die in 25 Jahren gebaut werden, könnten sich stark von den heute installierten unterscheiden, insbesondere wenn der Wunsch nach immer höheren Offshore-Türmen in immer tieferen Gewässern anhält. Auch wenn konservative politische Positionen in den USA eine Reduzierung der Umwelt- und Geschäftsvorschriften befürworten, wird die Forschung weiterhin an der Verbesserung der Legierungen arbeiten, die für die Herstellung von Automobilen verwendet werden. Viele Länder und einige Städte auf der ganzen Welt planen, in den kommenden Jahrzehnten aus dem Verkauf und der Nutzung von benzin- und dieselbetriebenen Automobilen auszusteigen, sodass der Übergang zu Elektroautos den Wunsch, sie so leicht wie möglich zu halten, weiter verstärken wird daher möglichst effizient.

Auch wenn die Wasserstoffwirtschaft noch in weiter Ferne liegt, gibt es bereits einige praktische Anwendungen. Beispielsweise wird ein ArcelorMittal-Werk in Hamburg, Deutschland, die erste Stahlproduktionsanlage im industriellen Maßstab (100.000 Tonnen/Jahr) sein, die direkt reduziertes Eisen verwendet, ein Verfahren, bei dem Wasserstoff anstelle von herkömmlichem Eisenerz mit Kohlenstoff (Koks) verwendet wird, wodurch die Stahlproduktion eliminiert wird Kohlendioxid als Nebenprodukt.

Diejenigen Rohr- und Leitungshersteller und -verarbeiter, die über diese Forschung und die daraus resultierenden technologischen Entwicklungen auf dem Laufenden bleiben, werden bereit sein, diese neuen Herausforderungen anzunehmen und sie in profitable Chancen umzuwandeln.