Innovation bei der Stahltechnologie. Das Entwicklungspotential von Stählen PDF
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~W[JJESTFALISC1 a0 : 0m 0 ;;:: z ffi :;;;: WISSENSCHARtN Nordrhein-Westfalische Akademie der Wissenschaften Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften Vortrage · N 434 Herausgegeben von der Nordrhein-Westfalischen Akademie der Wissenschaften EKKEHARD SCHULZ Innovation bei der Stahltechnologie PETER NEUMANN Das Entwicklungspotential von Stahlen Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 432. Sitzung am 5. November 1997 in Dusseldorf Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme Schulz, Ekkehard: Innovation bci der Stahltechnologie I Ekkehard Schulz. Das Entwicklungspotential von Stahlen I Peter Neumann. Opladen; Wiesbaden: Westdt. Veri., 1999 (Vortrage I Nordrhein-Wcstfalischc Akademie dcr Wissenschaften: Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften; N 434) Aile Rechtc vorbehaltcn © Springer Fachmedien Wiesbaden 1999 Urspriinglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, OpladeniWiesbaden, 1999 Der Westdcutsche Verlag ist ein Unternehmen der Bertclsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschlieE!ich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung au!lerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Vcrlages unzulassig und strafbar. Das gilt insbe sondere fiir Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischcn Systemen. Gedruckt auf saurefrcicm Papier. Herstellung: Westdeutscher Verlag ISSN 0944-8799 ISBN 978-3-531-08434-3 ISBN 978-3-322-85748-4 (eBook) DOI 10.10071978-3-322-85748-4 Inhalt Ekkehard Schulz, Duisburg Innovation bei der Stahltechnologie 1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. Anlagen- und Verfahrenstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3. Werkstoffentwicklung und Verarbeitungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 18 4. SchluB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Peter Neumann, Dusseldorf Das Entwicklungspotential von Stahlen 1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2. Die Haufigkeit der Elemente und die besondere Rolle des Eisens . . 48 3. Numerische Modellierung der Erstarrungsvorgange in StranggieBanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4. DiinnbandgieBen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5. Numerische Modellierung von Phasenumwandlungen . . . . . . . . . . . 63 6. Verbesserung hochfester Federstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7. Zusammenfassung........................................ 73 8. Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Innovation bei der Stahltechnologie Von Ekkehard Schulz, Duisburg 1. Einleitung Sehr geehrte Damen und Herren, vielleicht hat bei der Einladung zu diesem Vortrag cine Rolle gespielt, daB 1997 die Qualitatsstahl-Flach-Aktivitaten von Thyssen und Krupp in der Thyssen Krupp Stahl AG zusammengefaBt worden sind. Das neue Gemeinschaftsunternehmen wird rund 15 Mill. t Rohstahl erzeugen (Bild 1). Das ist mehr als ein Drittel der Gesamtproduktion in Deutschland, die in diesemJahr rund 44 Mill. t erreichen wird. Beim Flachstahl liegt das Unternehmen mit einer Erzeugung von 14,5 Mill. t in Europa auf Rang 1 und belegt weltweit Platz 3 hinter den heiden fernostlichen Riesen Posco in Si.idkorea und Nippon Steel in Japan (Bild 2). Die Zusammenfassung starkt aber nicht nur die internationale Marktposition. Sie bietet auch die Moglichkeit, Forschungs-und Entwicklungspotentiale beim Stahl zu bi.indeln. Sie werden heute zwei Vortrage zum Thema Stahl horen. Dabei drangt sich die Arbeitsteilung geradezu auf. Herr Prof. Neumann wird als Wissenschaftler die physikochemischen und metal!physikalischen Eigenschaften von Stahl in den Vordergrund stellen. Ich konzentriere mich auf die verfahrenstechnischen und technisch-wirtschaftlichen Aspekte. Eins vorweg: Ich werde mich der Bild 1: Rohstahlcrzeugung in Deutschland 1997 lnsgesamt: 44 Mill. t 34% Thyssen Krupp Stahl Ubrige Produzenten 66% 8 Ekkehard Schulz Mill. t Flachprodukte 19,5 175 14,5 11 7 8,0 Posco Nippon Thyssen Krupp Usinor British Steel Stahl Sacilor Steel Bild 2: R<Jngfolge der grollccn Flachstahlproduzenten 1995 schlichten Sprache eines Praktikers bedienen, das erhoht die Wahrscheinlich keit, von allen verstanden zu werden. Bild 3 zeigt keine Innovation aus den Thyssen-Labors - zur Schleichwer bung komme ich spater -, es beweist vielmehr, dag schon vor 3500 Jahren die Verhi.ittung von Eisenerz ein Thema war, in Agypten, aber auch in vielen ande- Bild 3: Schmelzfeuer in Agypten vor 3500 Jahren. Mit fullbetatigten Blasebalgen wird iiber Blas rohre die nocige Hitze erzeugc. Innovation bei der Stahltechnologie 9 Mill. t 189 10 1870 1913 1929 1937 1950 Bild 4: Welt-Rohstahlerzeugung 1870-1950 ren Regionen. Doch trotz Jahrtausende alter Wurzeln-das eigentliche Stahl zeitalter begann erst Mitte des vorigen J ahrhunderts, dann aber mit groBer Dynamik. In den ersten achtzig Jahren nach 1870 stieg die Welt-Rohstahl erzeugung von 10 auf 189 Mill. t, also fast auf das Zwanzigfache (Bild 4). Seit der industriellen Revolution, die im 18. und 19. Jahrhundert von England aus Europa und die ubrige Welt erfaBte, spielen Eisen und Stahl eine zentrale Rolle fur Technik und Wirtschaft. Sie wurden fur Maschinen ebenso benotigt wie fur Bild 5: Wclt-Rohstahlcrzeugung 1950-2000 1950 1960 1970 1980 1990 2000 10 Ekkehard Schulz den Bau von Eisenbahnen und Schiffen, ganz zu schweigen von dem spater einsetzenden Siegeszug des Automobils. Es ist keineswegs iibertrieben: Unsere gesamte technische Zivilisation wurde zu einem erheblichen Teil ,aus Stahl" gebaut. Voraussetzung fiir das rasche Mengenwachstum waren die ebenso raschen Fortschritte in der Stahltechnologie. Der Kokshochofen, Geburtsjahr 1709 in England, fiihrte zu einer starken Erhohung der Roheisenproduktion in Dimensionen, denen die gangigen Stahlerzeugungsverfahren nicht gewachsen waren. Das anderte sich mit den lnnovationen auf diesem Gebiet in der zweiten Halfte des 19. Jahrhunderts. Die Namen Bessemer, Thomas und Siemens-Martin stehen fur den Beginn der Massenstahlerzeugung. Insbeson dere die nach Thomas sowie Siemens-Martin benannten Verfahren sollten die Stahlproduktion auf J ahrzehnte dominieren. Begleitet wurden die Entwicklungen auf den Fliissigstufen von zahlreichen Fortschritten bei der Verformung, so beim Walzen. Aber es sollte doch his zum Jahre 1937 dauern, his in Deutschland die erste kontinuierliche Warm breitbandstraBe in Betrieb ging. Die BreitbandstraBe ist iibrigens auch heute noch das Herzstiick eines integrierten Hiittenwerks. So richtig auf Tempo kam die Stahlentwicklung nach dem Zweiten Weltkrieg (Bild 5). Aus der Sicht eines Produzenten war die Zeit his Mitte der 70er Jahre das goldene Stahlzeitalter. Verbrauch und Produktion stiegen J ahr fiir J ahr urn 5 his 6%, und das im Welt-Durchschnitt. Wachstumstrager waren in erster Linie die westlichen Industrielander. Der Wiederaufbau nach Kriegsende ging iiber in eine langanhaltende Phase hoher lnvestitionsti:itigkeit. Das Auto wurde zum Massenverkehrsmittel. Besonders spektakular entwickelte sich Stahl in Japan. Aber Stahl expandierte auch in anderen Regionen. In den ostlichen Planwirtschaften galt Stahl ohnehin als Schliisselbranche. In der Dritten Welt begann die Industrialisierung. Auch die Zeit nach 1950 war gepragt von einigen umwalzenden stahltechni schen Neuerungen. Bild 6 zeigt, wie die einzelnen Erzeugungsverfahren im Zeitverlauf zur Welt-Rohstahlproduktion beigetragen haben. Den Oxygenstahlverfahren gelang weltweit, wenn auch nicht iiberall gleich zeitig, ein stiirmischer Durchbruch. Das Thomas-Verfahren wurde bedeu tungslos. Ein ahnliches Schicksal widerfuhr dem Siemens-Martin-Verfahren. Stahlproduktion auf Schrottbasis erfolgt heute weit iiberwiegend nach dem Elektrostahlverfahren. Die groBten Auswirkungen auf den gesamten HerstellungsprozeB hatte die Idee, diesen weitgehend kontinuierlich zu gestalten, ihn damit zu verkiirzen sowie Energie und Kosten einzusparen. Das StranggieBen anstelle des GieBens einzelner Blocke hat sich inzwischen weltweit durchgesetzt. Was die
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