Der Einfluss von Wasserstoff auf die Materialprüfung

Die Stahlindustrie setzt in der Transformation zur grünen Produktion vor allem auf Wasserstoff. Deshalb muss die gesamte dazugehörige Infrastruktur an den Energieträger angepasst werden. Was bedeutet das für die Materialprüfung? Müssen viele neue Werkstoffe erfasst und analysiert werden? Wie wird sich das Spektrum der Werkstoffe überhaupt weiterentwickeln? Im Interview mit Edelstahl Aktuell beleuchten Christoph Verrieth (Product Manager Stationary Metal Analyzers) und Marcus Freit (Product Manager Mobile Metal Analyzers) von der SPECTRO Analytical Instruments GmbH die aktuellen Entwicklungen im Bereich der Werkstoffanalyse.

EA: Welchen Einfluss hat die Umstellung auf Wasserstoff in der Stahlindustrie auf die Materialprüfung?

Spectro: Die Umstellung auf Wasserstoff bei der Stahlherstellung hat auch einen wesentlichen Einfluss auf die Materialprüfung. Den größten Einfluss hat es auf die Roheisenherstellung und die Analyse des Roheisens,

da einige Zugabematerialien im Hochofen nicht mehr vorkommen oder ein Hochofen in Zukunft möglicherweise durch eine Direktreduktionsanlage ersetzt wird.

Aus Gesprächen mit einigen Kunden konnten wir bereits erfahren, dass die letztendliche Materialzusammensetzung des Roheisens nur noch schwer abzuschätzen ist. Es könnte also gut sein, dass zum Beispiel Elemente wie Schwefel nur noch in sehr niedrigen Gehalten oder möglicherweise gar nicht mehr im Roheisen vorkommen.

Hier sind die Gerätehersteller auf einen engen Kontakt mit ihren Kunden angewiesen, um dann die neu vorliegenden Materialien in die bestehende Kalibration einmessen zu können. Nur so kann auch in Zukunft die benötigte Genauigkeit und Präzision der Messergebnisse garantiert werden.

EA: Wie hat sich überhaupt die Zahl der verwendeten Werkstoffe in der Industrie verändert?

Spectro: Im Laufe der Zeit hat sich die Verwendung von Metallwerkstoffen in der Industrie stark verändert. Zu den wichtigsten Veränderungen zählen aus unserer Sicht:

Diversifizierung der Metallwerkstoffe: Früher wurden in der Industrie hauptsächlich traditionelle Metalle wie Stahl, Aluminium und Kupfer verwendet. Heute gibt es jedoch eine viel größere Vielfalt an Metallwerkstoffen, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Dazu gehören auch fortschrittliche Legierungen, Verbundwerkstoffe und Spezialmetalle mit verbesserten Eigenschaften wie höhere Festigkeit, bessere Korrosionsbeständigkeit, leichteres Gewicht und verbesserte thermische Eigenschaften.

Einsatz von Leichtmetallen: Leichtmetalle wie Aluminium, Magnesium und Titan haben in vielen Branchen an Bedeutung gewonnen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Elektronikindustrie. Diese Metalle bieten eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht, was zu verbesserten Leistungen in Bezug auf Kraftstoffeffizienz, Transportfähigkeit und Mobilität führt.

Verwendung von Verbundwerkstoffen: Verbundwerkstoffe, die aus verschiedenen Metallwerkstoffen, Keramiken oder Polymeren bestehen, haben in vielen Anwendungen Einzug gehalten.

Sie bieten eine Kombination von Eigenschaften wie hohe Festigkeit, geringes Gewicht, gute Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Verbundwerkstoffe werden in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau, in der Bauindustrie und in vielen anderen Branchen eingesetzt.

Fokus auf nachhaltige Metallwerkstoffe: Angesichts der steigenden Bedenken hinsichtlich Umwelt und Nachhaltigkeit hat sich die Industrie verstärkt auf die Verwendung von umweltfreundlichen Metallwerkstoffen konzentriert. Recycling von Metallen und die Verwendung von wiederverwertbaren Metallwerkstoffen gewinnen an Bedeutung, um die Umweltauswirkungen zu reduzieren und Ressourcen zu schonen.

Fortschritte in der Materialwissenschaft: Mit Fortschritten in der Materialwissenschaft und der Entwicklung neuer Fertigungstechniken werden immer mehr fortschrittliche Metallwerkstoffe mit speziellen Eigenschaften entwickelt und eingesetzt. Das ermöglicht die Verwendung von Metallwerkstoffen in neuen Anwendungen und Branchen, die zuvor nicht möglich waren.

Insgesamt hat sich die Verwendung von Metallwerkstoffen in der Industrie im Laufe der Zeit erheblich verändert, von der Diversifizierung der Werkstoffauswahl über den Einsatz von Leichtmetallen und Verbundwerkstoffen bis hin zur verstärkten Fokussierung auf Nachhaltigkeit und Fortschritte in der Materialwissenschaft.

EA: Hat sich der Trend zu anwendungsspezifisch designten Werkstoffen weiter verstärkt?

Spectro: Generell machen wir schon die Erfahrung, dass sich sie Vielfalt der Werkstoffe immer weiter verändert. Anwendungsspezifisch designte Metallwerkstoffe bieten Vorteile wie verbesserte mechanische Eigenschaften, höhere Korrosionsbeständigkeit, bessere Wärmeleitfähigkeit und maßgeschneiderte elektrische oder magnetische Eigenschaften, die speziell auf die Bedürfnisse einer bestimmten Anwendung zugeschnitten sind. Dies kann in vielen Branchen von großem Interesse sein, wie beispielsweise in der Automobil-, Luftfahrt-, Energie-, Elektronik- und Medizintechnikindustrie.

Forschung und Entwicklung in der Materialwissenschaft und -technik sind bestrebt, Metallwerkstoffe mit speziellen Eigenschaften zu entwickeln, die den Anforderungen moderner Technologien gerecht werden. Dazu gehören auch fortschrittliche Fertigungstechniken wie additive Fertigung (3D-Druck), die es ermöglichen, komplexe Formen und Strukturen zu erstellen, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht realisierbar wären. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Gestaltung von Metallwerkstoffen mit maßgeschneiderten Eigenschaften für spezifische Anwendungen.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Entwicklung von anwendungsspezifisch designten Metallwerkstoffen auch mit Herausforderungen verbunden sein kann, wie beispielsweise die Optimierung von Materialeigenschaften, die Skalierbarkeit von Herstellungsverfahren, die Gewährleistung von Qualität und Zuverlässigkeit sowie die Einhaltung von Umwelt- und Nachhaltigkeitsaspekten. Daher ist es von Interesse für die Materialwissenschaftler und Ingenieure, kontinuierlich an der Entwicklung von Metallwerkstoffen zu arbeiten, die den Anforderungen der modernen Industrie gerecht werden.

EA: Eine weitere Entwicklung ist die zunehmende Verwendung von Schrott für die Stahlproduktion. Welche Auswirkungen hat das auf Ihre Produkte?

Spectro: Zur Energie- und CO₂ Einsparung verwenden die Hersteller immer mehr Schrotte zur Herstellung der jeweiligen Endprodukte. Dies können auch Aluminium- oder Kupferlegierungen sein.

Dies hat zur Folge, dass in Zukunft auch die angelieferten Schrotte genauer analysiert werden müssen damit Schädlingselemente später nicht vorhanden sind oder genau kontrolliert werden können.

Dies könnte auch Einflüsse auf bestehende Materiallegierungen haben und in Zukunft neue Legierungen entstehen, damit weiterhin Schrotte eingesetzt werden können. Dies hätte zur Folge, dass diese neuen Werkstoffe auch mit unseren Geräten analysiert werden müssen.

Es könnte auch sein, dass neue Elemente aufkommen und analysiert werden müssen. Hier sind die Gerätehersteller ebenfalls auf Referenzmaterialien angewiesen, um bestehende Kalibration zu erweitern oder zu erstellen.

EA: Führen die hohen Energie- und Materialkosten dazu, dass die Qualität der Werkstoffe (insbesondere der Stahlgüten) allgemein schlechter wird, also alles „am unteren Rand“ legiert wird? 

Spectro: Eine kostenbedingte Verschlechterung der Stahlgüten können wir uns nicht vorstellen, da diese Stahlgüten bestimmte Vorgaben zwingend erfüllen müssen.

Den Trend, den wir ersehen ist, dass die geforderten Elementbereiche immer kleiner werden, was genauere Analysen erforderlich macht.

Legierungen am unteren Rand der Grenzen werden heute auch schon durchgeführt, da Zuschlagstoffe wie zum Beispiel Nickel immer teuer werden und daher in der Regel immer am unteren Ende der Spezifikationsgrenze legiert werden.

EA: Welche weiteren Entwicklungen erwarten Sie im Bereich der Werkstoffe?   

Spectro: Es gibt einige Trends und potenzielle Entwicklungen im Bereich der Metallwerkstoffe, die in den kommenden Jahren erwartet werden könnten:

Leichtbau: Leichte und dennoch hochfeste Metallwerkstoffe werden voraussichtlich eine wachsende Nachfrage in verschiedenen Branchen, wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Elektronik, sehen. Neue Legierungen und Verarbeitungstechniken könnten entwickelt werden, um Metallwerkstoffe mit verbesserter Gewichtsreduzierung und gleichzeitig hoher Festigkeit und Haltbarkeit zu ermöglichen.

Hochtemperatur-Metallwerkstoffe: Die Nachfrage nach Metallwerkstoffen, die unter extremen Temperaturen stabil bleiben, könnte steigen, insbesondere in Anwendungen wie Hochtemperatur-Kraftwerken und Luftfahrttriebwerken. Neue Legierungen und Materialien, die auch bei sehr hohen Temperaturen ihre mechanischen Eigenschaften behalten, könnten entwickelt werden.

Verbesserte Korrosionsbeständigkeit: Korrosion ist ein bedeutendes Problem für Metallwerkstoffe in vielen Anwendungen, wie zum Beispiel in der Chemie- und Ölindustrie. Es wird erwartet, dass fortschrittliche Beschichtungen, Legierungen und Materialien entwickelt werden, um die Korrosionsbeständigkeit von Metallwerkstoffen weiter zu verbessern und ihre Lebensdauer zu verlängern.

Nachhaltigkeit: Mit einem wachsenden Bewusstsein für Umwelt- und Nachhaltigkeitsfragen könnten Metallwerkstoffe mit verbesserten umweltfreundlichen Eigenschaften an Bedeutung gewinnen. Dies könnte die Entwicklung von Metallwerkstoffen mit geringerem CO₂-Fußabdruck, verbessertem Recycling oder biobasierten Metallwerkstoffen umfassen.

Additive Fertigung: Die additive Fertigung oder 3D-Drucktechnologie hat das Potenzial, die Art und Weise, wie Metallwerkstoffe hergestellt und verwendet werden, zu revolutionieren. Fortschritte in der additiven Fertigungstechnologie könnten zu neuen Materialien und verbesserten Verarbeitungstechniken führen, die die Eigenschaften von Metallwerkstoffen erweitern und innovative Anwendungen ermöglichen.

Smarte Metallwerkstoffe: Intelligente oder smarte Metallwerkstoffe, die auf äußere Stimuli reagieren und ihre Eigenschaften anpassen können, könnten in verschiedenen Anwendungen, wie beispielsweise der Sensorik, der Energieerzeugung und der Biomedizin, an Bedeutung gewinnen. Durch die Integration von Sensoren, Aktoren oder anderen Funktionalitäten in Metallwerkstoffe könnten neue Anwendungen mit verbesserten Eigenschaften entwickelt werden.

Es ist jedoch zu beachten, dass dies nur Spekulationen über potenzielle Entwicklungen sind und die tatsächlichen Fortschritte im Bereich der Metallwerkstoffe von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, einschließlich der Wissenschaft.