Smart Steel & Steel Innovation

Plan der DR-Anlage bei thyssenkrupp

Smart Home und Smart Grid – was wären sie ohne Smart Steel?

Der Begriff Smart Steel beschreibt Stahlprodukte mit verbesserten oder neuen Eigenschaften. Erreicht werden diese Eigenschaften durch Einbindung von Sensoren und Aktuatoren, durch neue Methoden wie Nanotechnologie oder Beschichtungstechniken.

Im Kontext von grünem oder umweltfreundlichem Stahl bezieht sich Smart Steel auf die Entwicklung und Herstellung von nachhaltigen Stahlprodukten, die sich durch drei Haupteigenschaften auszeichnen: Sie sind erstens CO2-arm, zweitens hochwertig-langlebig und drittens einfach zu recyceln.

Prozessstufen zur Stahlherstellung in Deutschland und Europa (Quelle: VDEh)

Die wasserstoffbasierte Direktreduktion als CO2-arme Technologie birgt allerdings metallurgische Herausforderungen, die die Erfüllung der Punkte „hochwertig-langlebig“ und „einfach recycelbar“ erschweren. Eine Herausforderung bezüglich der Qualität des Endprodukts liegt darin begründet, dass die Direktreduktion bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts von Eisen stattfindet.

Das Ende der Schlacke

In der klassischen Hochofenmetallurgie dient die Schlacke als wichtiges Medium zur Entfernung von Verunreinigungen und unerwünschten Elementen aus dem Roheisen. Die Schlacke bindet diese Verunreinigungen und ermöglicht dadurch ihre Trennung vom Eisen.

Beim Direktreduktionsprozess wird Eisenerz aber nicht aufgeschmolzen, sondern in festem Zustand mithilfe von Reduktionsgas zu festem Eisenschwamm reduziert. Die Schlackenbildung entfällt, was die Kontrolle über die chemische Zusammensetzung des produzierten Eisens erschwert. Dies kann die Qualität des Stahls negativ beeinflussen und zu verschlechterter Schweißbarkeit, Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit führen. Zum anderen verbleiben die Gangartbestandteile (nichtmetallische Mineralien im Eisenerz) im Produkt. In Form von unerwünschten Einschlüssen können diese die Qualität des Stahls beeinträchtigen, seine Zähigkeit reduzieren und ihn anfällig für Risse machen.

„Mit der Direktreduktion haben wir eine komplett neue Metallurgie vor uns. Es gibt de facto keine Schlackenmetallurgie mehr. Diese Form der Metallurgie muss mit Hilfe eines Elektrolichtbogenofens oder eines Einschmelzaggregats nachgeschaltet werden“, erklärt Prof. Dr. Ulrich Krupp, Leiter des Instituts für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen.

Wie Dr.-Ing. Hans Bodo Lüngen und Prof. Dr.-Ing. Peter Schmöle vom Stahlinstitut VDEh ausführen, erfolgt in der nachgeschalteten Stahlerzeugungsstufe im Elektrolichtbogenofen zwar eine „eingeschränkte“ Schlackenmetallurgie. Jedoch ist die Schlackenmenge verfahrenstechnisch begrenzt. Aus diesem Grund werden bei Direktreduktionsanlagen auch spezielle Pellets eingesetzt, die im Vergleich zu Hochofenpellets deutlich geringere Gangartbestandteile und somit höhere Eisengehalte haben. Da solche eisenreichen Erze jedoch nur in begrenzter Menge zur Verfügung stehen, sei eine weltweite Transformation von der Hochofen-Konverter- auf die Direktreduktion-Elektroofen-Route nicht darstellbar.

Es müssen daher neue Lösungen für die Sekundärmetallurgie gefunden werden.

Elektroniederschachtofen

Smarte Lösungen für hochwertige Elektrostähle

Ein Ansatz, der beispielsweise von thyssenkrupp und Tata Steel verfolgt wird, ist die Verwendung eines zusätzlichen Einschmelzaggregats, eines Elektroniederschachtofens (engl. Submerged-Arc Furnace, SAF). Durch Einschmelzen des direkt reduzierten Eisens zu flüssigem Roheisen mit entsprechender Schlackenmetallurgie könnte die bekannte Roheisen-Qualität erreicht werden. Auf dieser Basis ließe sich dann das bekannte Sauerstoff-Aufblasverfahren der Konverter-Route durchführen und die Sekundärmetallurgie entsprechend anpassen, erklärt Krupp.

Das vorhandene Oxygenstahlwerk mit seinen metallurgischen Vorteilen könnte weiterbetrieben und die bisher hergestellten Stahlqualitäten auch in Zukunft produziert werden.

Prüfung des Ermüdungsverhaltens von Stählen in der „Gigaforte“. Die Prüfung von metallischen Werkstoffen mit bis zu 1 000 Hz ermöglicht es in kürzester Zeit, Aussagen über die zyklische Belastbarkeit und somit über die Lebensdauer zu treffen.

Mit zunehmendem Schrottanteil an der Gesamtstahlerzeugung gewinnt zudem die Akkumulation von Begleitelementen an Bedeutung. Insbesondere Kupfer spielt eine Rolle, da es als edles Element nicht durch Sauerstoffbehandlung in die Schlacke überführt werden kann. Kommt es lokal zu Anreicherungen elementaren Kupfers, treten bei der Umformung an diesen Stellen Risse auf. Diese führen zu einer gravierenden Verschlechterung der mechanischen Werkstoffeigenschaften.

„Das ‚rote Problem‘ wird verschärft durch den zunehmenden Anteil an Kupfer im Stoffkreislauf, beispielsweise durch die Elektromobilität. Immer mehr Kupfer – durchaus auch komplette Elektromotoren – landen im Schrott und später im Elektrolichtbogenofen, wo entweder mit kupferfreien Schrotten aus der Produktion verdünnt werden muss oder qualitativ minderwertige Produkte entstehen“, heißt es in einem Bericht von Krupp und seinem Kollegen Alexander Gramlich, Postdoktorand an der RWTH Aachen.

Clevere Idee: kupferresistente Stähle

Ein weiterer Ansatz zur Kompensation der fehlenden Schlackenmetallurgie ist daher die Forschung an verunreinigungstoleranten Stählen, beispielsweise hinsichtlich der Anreicherung von Kupfer in recyceltem Stahl, sowie Methoden zur Verbesserung der Fehlertoleranz und Ermüdungsbeständigkeit von Stahl. Krupp berichtet von interessanten Ergebnissen. In einer Studie stellen er sowie Alexander Gramlich und Hauke Springer die Auswirkungen der Zugabe von 0,5 % und 1,0 % Kupfer zur Referenzlegierung 42CrMo4 auf ihre mechanischen Eigenschaften vor. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kupferkontamination, die beim Stahlrecycling unvermeidlich ist, das Potenzial hat, die Härte und Festigkeit von hochfesten Stählen zu erhöhen, wenn sie während der Verarbeitung kontrolliert werden kann.

Auch die Steel/Tube-Produkte von Benteler machen sich die veränderte Metallurgie der Direktreduktion zunutze. Dem Unternehmen ist es gelungen, Automatenstahl im Elektrolichtbogenofen herzustellen und daraus nahtlose Rohre zu produzieren. Als besondere Eigenschaft hat Benteler Smartcut® Automatenstahl einen besonders hohen Schwefelgehalt. Dies äußert sich in einer schnelleren, produktiveren Bearbeitung mit besserer Spanbildung und höherer Werkzeuglebensdauer.

„Mit verschiedenen Schwefelgehalten ab mindestens 0,10 % Schwefel – das etwa Drei- bis Fünffache der bei Zerspanungsrohren üblichen 0,015 bis 0,035 % – weisen Benteler Smartcut®-Rohre eine exzellente Zerspanbarkeit auf. So lassen sich die Rohre besser und günstiger weiterverarbeiten. Zudem sind Materialeinsparungen von mehr als 50 % gegenüber Stabstahl keine Seltenheit“, berichtet Helwig Brabander, Leiter Engineering Hydraulik / Präzistechnik.

Smarter Einfluss: künstliche Intelligenz und 3D-Druck in der grünen Transformation

Die Sicherung und Überwachung der Stahlqualität erfolgt zunehmend mit Unterstützung von künstlicher Intelligenz (KI). Der sogenannte „digitale Schatten“ umfasst die passiv erzeugten Daten, die durch die Interaktion mit digitalen Systemen entstehen. Mithilfe dieser Datensätze können Prozesse wie Walzen, Abkühlen und Wärmebehandlung überwacht werden, beispielsweise dahingehend, ob Soll- und Ist-Zustand von Temperaturen und Kräften voneinander abweichen. Daraus entsteht ein Abbild der zu erwartenden Materialeigenschaften.

Die Verknüpfung der Daten erfolgt anhand von maschinellem Lernen und physik-informierten neuronalen Netzwerken (PINN), die aus einer Kombination von Daten und physikalischen Gesetzen lernen. Die von den PINNs erstellten Vorhersagen können dann an den Prozess zurückgesendet werden, um dessen Effizienz zu optimieren. Damit trägt KI zur Verbesserung der Anlageneffektivität bei, was wiederum zu einer Verringerung der CO2-Emissionen führt.

Vor allem aber können in der Sekundärmetallurgie Prozesse in Echtzeit an die ermittelten Werte angepasst werden und für eine gleichbleibend bestmögliche Qualität sorgen.

Neben der KI ist es der 3D-Druck, der eine Schlüsselrolle in der grünen Transformation der Metallurgie spielt. Dieser bietet großes Potenzial für die umweltfreundliche Gestaltung von Produktionsprozessen. In Verbindung mit Topologieoptimierung ermöglicht er die Herstellung komplexer Stahlkomponenten mit minimalem Materialabfall und die Fertigung leichterer und effizienterer Stahlstrukturen, die zu Energieeinsparungen in verschiedenen Anwendungen führen können. Dieser Ansatz ist relevant für spezialisierte Anwendungen, wie beispielsweise im Automobil- und Luftfahrtsektor, wo maßgeschneiderte und leistungsfähige Komponenten erforderlich sind.

Deutsche Edelstahlwerke entwickeln smarte Metallpulver für den 3D-Druck

In den Deutschen Edelstahlwerken werden Metall-Pulver entwickelt, die speziell für die additive Fertigung im 3D-Druck konzipiert sind. Diese ermöglichen die Herstellung von Stählen mit neuen Eigenschaftsprofilen.

Ein Beispiel ist der Werkstoff Printdur HSA (High Strength Austenite), ein korrosionsbeständiger Austenit mit doppelter Festigkeit, der rissfrei, porenfrei und defektfrei hergestellt wird. Eine weitere Neuentwicklung ist Printdur HCT, der eine hohe Härte, Korrosions- und Anlassbeständigkeit sowie verbesserte Verschleißbeständigkeit aufweist und frei von Nickel und Kobalt ist, was ihn im Sinne der Nachhaltigkeit besonders vorteilhaft macht.

Ein wesentlicher Vorteil des 3D-Drucks ist der hohe Individualisierungsgrad, der ihn für die Herstellung von Spezialwerkzeuge prädestiniert. Beispielsweise können im Spritzgussverfahren Kühlkanäle exakt nach Bedarf konstruiert werden, was durch herkömmliche Bohrverfahren nicht möglich wäre. In der Praxis wurde Printdur HCT zum Beispiel verwendet, um die Füße von Verschlusswerkzeugen herzustellen, wodurch deren Standzeit signifikant erhöht werden konnte.

Smarte Zukunft: Nanotechnologie

Die Selbstreparatur eines Risses in Stahl ist ein modernes Konzept in der Materialwissenschaft, das auf der Idee basiert, dass bestimmte Materialien unter spezifischen Bedingungen in der Lage sind, Schäden in ihrer Mikrostruktur selbstständig zu „heilen“. Diese Konzepte der Selbstreparatur in Stählen sind noch größtenteils im Forschungsstadium und nicht unbedingt in kommerziellen Anwendungen verbreitet. Sie haben aber das Potenzial, die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Stahlprodukten signifikant zu verbessern.

„Selbstreparaturen“ in Stählen könnten beispielsweise durch Phasenumwandlungen realisiert werden. Bei bestimmten Stählen kann ein Riss dazu führen, dass sich an der Rissspitze eine Phasenumwandlung ereignet. Diese Umwandlung führt zu einer Volumenänderung im Material, wodurch ein Druck auf den Riss ausgeübt wird, sodass sich dieser schließt oder zumindest in seinem Wachstum gehemmt wird.

Zudem könnten in Stahllegierungen bestimmte Metalle oder Verbindungen als „heilende“ Agentien eingebettet werden, die bei der Rissentwicklung aktiviert werden. In der Stahlmatrix könnte das durch Mikrokapseln erreicht werden, die bei Beschädigung entsprechende Substanzen freisetzen. Diese Agentien könnten dann in den Riss diffundieren und ihn auffüllen oder die Rissbildung durch lokale Reaktionen hemmen.

Eine weitere Methode sind eisenbasierte Formgedächtnislegierungen (engl. shape memory alloy, SMA), die selbst nach starker Verformung durch Wärmeeinwirkung wieder ihre ursprüngliche Gestalt annehmen, sich also an ihren Ausgangszustand „erinnern“. Für die Bauindustrie wurde die Formgedächtnislegierung memory®-steel entwickelt. Hier wird der Effekt genutzt, dass bei verhinderter Rückverformung eine Vorspannung entsteht. Beispielsweise lassen sich einbetonierte SMA-Stäbe durch Hitze „aktivieren“. Sie „wollen“ sich in ihre ursprüngliche Form zusammenziehen. Da sie aber einbetoniert sind, geht das nicht. So entsteht eine Vorspannung. Zur Anwendung kommen die Systeme bei der Nachverstärkung von Stahlbeton- und Stahlbauten sowie im Neubau.

Nanotechnologie und additive Fertigung werden die Stahlindustrie weiter verändern. Die Verfahren bieten potenzielle Durchbrüche bei den Materialeigenschaften und Produktionsverfahren. So ist es durch die Manipulation von Materialien auf atomarer Ebene möglich, Stähle mit noch nie dagewesener Festigkeit, Haltbarkeit und Flexibilität herzustellen. Diese Fortschritte könnten zu leichteren, effizienteren Konstruktionen und Fahrzeugen führen, was sich erheblich auf verschiedene Branchen auswirken würde.

Ausblick

„Smart Steel“ ist Ausdruck einer neuen Stahlindustrie, die durch Nachhaltigkeit, technologische Innovation und einen verstärkten Fokus auf Kreislaufwirtschaft gekennzeichnet ist. Die Integration von Materialwissenschaft, digitaler Überwachung und intelligenten Fertigungstechniken eröffnet Wege, die Effizienz zu steigern, Ressourcen zu schonen und die Umweltauswirkungen zu minimieren. Während die Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf die Qualitätssicherung und die Anpassung an neue metallurgische Prozesse, erheblich sind, bieten die aktuellen Entwicklungen einen optimistischen Ausblick auf die Zukunft. Die Forschung an verunreinigungstoleranten Stählen und die Anwendung von KI und 3D-Druck in der Produktion sind nur einige Beispiele dafür, wie die Stahlindustrie sich weiterentwickelt, um den Anforderungen einer nachhaltigeren Welt gerecht zu werden.

Erfahren Sie mehr über die Möglichkeiten einer emissionsreduzierten Stahlproduktion und besuchen Sie vom 15.–19. April 2024 die wire & Tube in Düsseldorf! Hier können Sie unter anderem die SMS group, thyssenkrupp, Paul Wurth und H2 Green Steel live erleben und mehr über den aktuellen Stand ihrer Dekarbonisierungsprojekte erfahren.