NICKEL MAGAZINE
DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR NICKEL UND SEINE ANWENDUNGEN
NICKEL, JHRG. 39, Nr. 2, 2024
Die richtige Menge Nickel
Nickel in niedriglegierten Stahlsorten
Nickel auf dem Mars SpaceX startet Mega-Rakete
Fragen und Antworten mit Maria Jose Landeira Oestergaard von Topsoe
FALLSTUDIE 31 ROYAL CARIBBEAN ICON OF THE SEAS
Die Icon of the Seas ist ein für Royal Caribbean International gebautes Kreuzfahrtschiff. Es wurde am 27. Januar 2024 im Hafen von Miami in Betrieb genommen und ist mit 365 Meter Länge, 50 Meter Breite und 248 663 Bruttoregistertonnen das größte Kreuzfahrtschiff der Welt. Das Schiff hat eine Besatzung von 2 350 Mitgliedern; bei Doppelbelegung bietet es 5 610 Passagieren Platz, während die maximale Kapazität sage und schreibe 7 600 Passagiere beträgt.
In diesem Projekt kommen u. a. die folgenden Produkte von Stalatube zum Einsatz:
Hohlbauteile des Typs 316L (UNS S31603) (EN 1.4404) in einer Größe von 100 x 60 x 5,0 mm sowie 100 x 100 x 5,0
Hohlbauteil des Typs 316Ti (UNS S31635) (EN 1.4571) in einer Größe von 80 x 60 x 5,0 mm
Geschweißte Hohlbauteile des Typs 316 (UNS S31600) (EN 1.4401) in einer Größe von 120 x 80 x 5 x 6000 mm mit zwei Längsschweißnähten
Für bestimmte Teile wurde nickelhaltiger Edelstahl gewählt, um auch widrigsten Witterungsbedingungen stand zu halten.
Stalatube, ein Hersteller von Edelstahlprodukten, arbeitete mit seinem langjährigen Partner Tuteka, einem Lieferunternehmen für die Schifffahrtsindustrie, zusammen. Stalatube lieferte Edelstahlträger und -profile für Tuteka, die dann zur Fertigung von Relings für Treppen und von Glaswindschutzteilen für die Wasserparkbereiche auf dem Oberdeck des Schiffs eingesetzt wurden. Die Windschutzteile können extremen Witterungsbedingungen, z. B. Wind-
geschwindigkeiten von 270 km/h, widerstehen. Darüber hinaus sind die Glasscheiben der Windschutzkomponenten sehr schwer, weshalb die Träger nicht nur starr, sondern in der maritimen Umgebung auch korrosionsbeständig sein müssen. Edelstahlprodukte wurden auch für den Bau der kegelförmigen Lüftungsrohre des Schiffs verwendet, die in sein visuelles Design integriert sind. Die Partner bereiten sich derzeit auf die Lieferung von zwei neuen Kreuzfahrtschiffen auf dem neuesten Stand der Technik vor, die in den kommenden Jahren in der Turku-Werft in Finnland gebaut werden.
EDITORIAL:
GENAU DIE RICHTIGE MENGE
Die Entwicklung neuer Legierungen ist komplex. Die Bestimmung der richtigen Kombination von Legierungselementen zur Herstellung des optimalen Legierungsstahls für eine bestimmte Anwendung ist nicht nur eine Wissenschaft, sondern auch eine Kunst. „Genau die richtige“ Menge an Nickel für eine bestimmte Anwendung zu finden, ist für Metallurgen und Ingenieure eine echte Herausforderung. Es muss darum gehen, einen optimalen Nickelgehalt zu erreichen, der die erforderlichen Eigenschaften zu einem optimalen Preis bietet. Wie in der nachstehenden Tabelle ersichtlich ist, macht oft eine relativ geringe Menge an Nickel den Unterschied aus, weil sie genau die richtige Zähigkeit, Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Schweißfähigkeit einer Legierung gewährleistet. In dieser Ausgabe von Nickel schreiben wir über die Suche nach den optimalen Legierungen, die den Anforderungen von immer höheren Offshore-Windturbinen genügen.
DURCHSCHNITTLICHER NICKELGEHALT PRO LEGIERUNGSSTAHLTYP
Korallentreibhaus
Nickelhaltiger Edelstahl bildet einen stabilen Rahmen für das UnterwasserTreibhaus, das das Korallenwachstum und die Meeresflora und -fauna am John Brewer Reef, Teil des Great Barrier Reef in Australien, unterstützt.
Legierungsstahl
Die brutalen Bedingungen in der Raumfahrt sind wohl noch anspruchsvoller als eine korrosive Offshore-Umgebung. Im Artikel auf Seite 8 finden Sie heraus, warum Elon Musk sich auf nickelhaltigen Edelstahl verlässt, um sein Starship noch weiter zu bringen: zum Mars und wieder zurück.
Diesem ehrgeizigen Projekt stellen wir eine weitere brillante Anwendung von Nickel in Edelstahl unter schwierigen Bedingungen gegenüber. Das Unterwasserkunstwerk des britischen Bildhauers Jason DeCaires Taylor in Australien auf der Rückseite dieser Ausgabe bietet besonders anfälligen Arten ein schützendes Refugium. Werfen Sie einen Blick auf dieses Meerestreibhaus für den „Korallenanbau“ in 16 Metern Tiefe.
Das sind nur einige Beispiele dafür, wie man mit genau der richtigen Menge Nickel höher, weiter und auch tiefer kommt.
Das Nickel Magazine ist eine Publikation des Nickel Institute. www.nickelinstitute.org
Dr. Hudson Bates, Verbandspräsident Clare Richardson, Chefredakteurin communications@nickelinstitute.org
Autoren und Mitarbeiter: Gary Coates, Richard Matheson, Geir Moe, Kim Oakes, Lyle Trytten, Odette Ziezold
Entwurf: Constructive Communications
Das Textmaterial wurde zur allgemeinen Information des Lesers erstellt und sollte nicht als Grundlage für spezi sche Anwendungen verwendet werden, ohne dass vorher fachmännische Beratung eingeholt wurde. Obwohl das Textmaterial nach unserem besten Wissen korrekt ist, garantieren das Nickel Institute, seine Mitglieder, Mitarbeiter und Berater nicht seine Eignung für eine allgemeine oder spezi sche Anwendung und übernehmen keine Haftung oder Verantwortung irgendeiner Art im Zusammenhang mit den hierin enthaltenen Informationen.
ISSN 0829-8351
In Kanada von der Hayes Print Group auf Recyclingpapier gedruckt
Bildnachweise:
Titelseite: bytecodeminer S. 6
Verbesserung von bifunktionellen Katalysatoren
Eine koreanische Forschungsgruppe hat eine innovative Methode entwickelt, bei der bifunktionelle Katalysatoren aus einer Platin-Nickellegierung die Reversibilität und Haltbarkeit von Elektroden verbessern. Das Team von POSTECH und der Yonsei University ersetzte in Zusammenarbeit mit dem Clean Energy Research Center am Korea Institute of Science and Technology (KIST) separate Katalysatoren durch die bifunktionellen Platin-Nickel-Katalysatoren. Diese neu entwickelten Legierungskatalysatoren weisen eine achtflächige Struktur für Sauerstoffreduzierungs- wie auch -erzeugungsreaktionen auf. Diese Arbeit gibt der Entwicklung bifunktioneller Katalysatoren, einer wichtigen Technologie für die elektrochemische Energieumwandlung, eine neue Richtung vor. Sie wird in Zukunft auch zur Kommerzialisierung und CO2-Neutralität elektrochemischer Systeme wie sog. modularer erneuerbarer Brennstoffzellen (Unitized Renewable Fuel Cells, URFC) beitragen.
Leitgrundsätze der Nachhaltigkeit
Die Erkenntnis, dass Nickel ein kritisches Material von strategischer Bedeutung für den Energiewandel und eine nachhaltige Mobilität ist, greift immer mehr um sich. Die Nickelproduktion steigt weltweit, und zwar auch in Regionen, in denen weniger über Nickel und seine verantwortungsbewusste Verwendung bekannt ist. Das Nickel Institute hat Wissen und Know-how von mehr als 40 Jahren zusammengetragen und damit die Basis für die Leitgrundsätze der Nachhaltigkeit geschaffen. Diese Grundsätze verfolgen das Ziel, Unternehmen eine nickelspezifische Orientierung zu bieten, damit sie hohe Standards in puncto Environment Social Governance (ESG) erreichen, und sie wollen als Handlungsaufruf für den gesamten Nickelsektor und seine Wertschöpfungskette verstanden werden. Die neue Publikation ist auf www.nickelinstitute.org verfügbar und enthält nützliche Ressourcen und Referenzen.
Ein Novum für Indien
Das 62 m hohe Gebäude ist das erste Edelstahl-Diagonalgitter-Gebäude Indiens und ein Beweis für die innovative Energie dieses Landes. Außerdem ist es erdbebensicher und energieeffizient. Das neue Hauptquartier der United India Insurance Company in Madras weist ein auff älliges Kurvenprofil auf, das aus ca. 1000 t qualitativ hochwertigem Edelstahl der Güte 316L (S31603) besteht. Das Bauwerk, das gänzlich ohne Säulen auskommt, ist unkonventionell und zukunft sweisend. Der Edelstahlrahmen dient als die Hauptlast tragende Struktur im Gebäude. Abhyuday Jindal von Jindal Stainless sagte: „Es ist ein architektonisches Wunder in Glas und Edelstahl und ein wahres Fest für die Augen.“
Eine seetüchtige neue
Beschichtung
Die US-Unternehmen Sigma Fasteners, Dipsol und Integran haben gemeinsam ein nanostrukturiertes Zink-Nickel-Beschichtungssystem für die OffshoreÖl- und Gasindustrie entwickelt, in der schwierige Bedingungen innovative Lösungen erfordern. Unter der Marke ZNnGard™ soll diese neu entwickelte Beschichtung herkömmliches Cadmium ersetzen und dadurch Umwelt- und Arbeitssicherheitsprobleme beheben, während die Leistung signifikant verbessert wird und die Lebenszykluskosten reduziert werden. Die Beschichtung wird in einem proprietären Impulstauchverfahren hergestellt, wobei ein chemisches Alkali-Zn-Ni-Bad zum Einsatz kommt. Damit sind mehrere Vorteile verbunden: erhöhte Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hervorragende Schichthaft ung, hohe Maßhaltigkeit, keine Wasserstoff versprödung und eine hervorragende Oberflächenausführung. Dazu Steve Cabral von Sigma Fasteners: „Wir freuen uns, diese Technik auf den Markt zu bringen. Sie wird seit langem bestehende Probleme beheben und einen dringenden Bedarf decken.“
NICKELINDUSTRIE TEIL 2 NICKELVERARBEITUNG –LATERITVERHÜTTUNG
Im 2. Teil dieser Serie beschäftigen wir uns näher mit den speziellen Besonderheiten von Lateriten, einem der zwei bedeutendsten Nickelerztypen, und befassen uns mit ihrer Verhüttung, dem am häufigsten angewandten Verarbeitungsverfahren.
Laterite machen mehr als 70 % sowohl der Nickelproduktion als auch der derzeit bekannten Nickelvorkommen auf der Erde aus und sind schon seit einiger Zeit die Nickelquelle mit den größten Zuwachsraten.
Lateriterz-Lagerstätten
Lateriterz-Lagerstätten entstehen durch die Verwitterung von Gestein infolge des Wasserdurchflusses, wodurch über dem anstehenden Gestein Schichten entstehen. Andere Lagerstätten dieser Art können Aluminium (Bauxit) oder Gold enthalten. Die Zusammensetzung wird durch das Urgestein und den Grad der Verwitterung bestimmt. Nickellaterite stammen aus Gestein mit hohen Magnesium- und niedrigem Nickelgehalt in Silikatgestein. Bei der Verwitterung werden Elemente zunächst gelöst und mobilisiert, bevor sie dann wieder kristallisieren. Diese Prozesse können in weniger als einer Million Jahre Lateritablagerungen bilden. Manche exponierte Ablagerungen in gemäßigten und borealen Zonen haben sich aber erst nach mehr als einer Milliarde Jahre vollständig verändert.
Die beiden Hauptverarbeitungsmethoden für Lateriterze sind die Verhüttung und die Hochdruck-Säurelaugung (High-Pressure Acid Leaching, HPAL). Die Verhüttung wird in erster Linie bei Saproliterzen eingesetzt, um eine Eisen-Nickel-Legierung (Ferronickel – FeNi, Nickelroheisen – NPI) zu erhalten. HPAL wird vor allem bei der Verarbeitung von Limonit verwendet, oder wenn Endprodukte von höherer Reinheit erzeugt werden sollen.
Lateritverhüttung
Die Branche wird inzwischen von der Drehrohrofen(RKEF)-Methode
dominiert. Hochöfen dagegen kommen immer seltener zum Einsatz. Das RKEF-Verfahren (RKEF steht für Rotary Kiln Electric Furnace) besteht aus drei Hauptschritten: Trocknen, Reduzieren und Verhütten. Normalerweise wird Saproliterz zugeführt, aber es können auch Limoniterze verhüttet werden. Von einigen Ausnahmen abgesehen, basieren die meisten Anlagen auf dem nachstehend beschriebenen Verfahren.
RKEF-Verfahren
Das vorbereitete Erz (das je nach Bedarf zerkleinert und gemischt wird) wird in einem Rotationsofen getrocknet, der in der Regel mit Kohle oder Gas befeuert wird, um die notwendige Hitze zum Entfernen eines Teils der freien Feuchtigkeit im Erz zu erzeugen. Dazu wird es auf mehr als 100 °C erwärmt. Das Ziel besteht darin, für die nächsten Verarbeitungsschritte ein Material herzustellen, das weder klebrig noch staubig ist.
Nach dem Trocknen passiert das Erz einen Rotationsofen, in dem es weiter getrocknet wird. Dann beginnt die chemische Verarbeitung. Im Rotationsofen wird durch die Verbrennung fossiler Stoffe weitere Hitze (bis ca. 900 °C) erzeugt. Außerdem wird ein Produkt mit hohem Kohlenstoffgehalt wie Anthrazitkohle hinzugefügt, das als chemisches Reduktionsmittel fungiert, um Sauerstoff aus den Eisen- und Nickeloxid-Mineralien zu entfernen, damit aus ihnen Metalle werden. Um die chemischen Eigenschaften den
Anforderungen der Verhüttung anzupassen, kann auch Kalk hinzugegeben werden. Die beiden heißen Rotationstrommeln erzeugen Staub, der aus den Abgasen abgeschieden werden muss, wobei die Feststoffe recycelt werden. Dadurch gewinnen sowohl das Staubabscheiden als auch das Vermischen des Staubs mit frischem Zufuhrmaterial an Komplexität.
Das heiße, teilweise reduzierte Erz kommt dann in den elektrischen Ofen, wo die chemische Reaktion abgeschlossen wird. Das Erz wird bei einer Temperatur von ca. 1500 °C durch Elektrizität und die fortgesetzte Reaktion des Kohlenstoffs im Ofen sowie die Reaktion der Kohlenstoffelektroden, die langsam aufgebraucht werden, verhüttet. Das Endergebnis ist ein flüssiges, „metallisiertes“ Eisen-Nickel-Produkt, das auf den Boden des Ofens absinkt, von wo es entfernt wird, während das leichtere Schlackenmaterial an der Oberfläche schwimmt. Die geschmolzene EisenNickel-Legierung wird raffiniert, um Materialien zu entfernen, die die nachfolgenden Stahlherstellungsverfahren beeinträchtigen könnten, und dann entweder in Festform umgewandelt, um transportiert zu werden, oder sie werden bei einigen neu integrierten Betriebsprozessen heiß transportiert, um dann Stahl herzustellen.
Die großen Rotationsanlagen müssen kontinuierlich und bei hoher Temperatur auf gut gewarteten Walzensystemen betrieben werden. Elektroöfen erfordern eine sehr hohe
und kontinuierliche Stromeinspeisung. Manche Anlagen benötigen pro Tonne produzierten Nickels bis zu 40 MW Strom. Die meisten Öfen erfordern auch komplexe Kühlsysteme, die eine lange Lebensdauer der Ofenauskleidung sicherstellen.
Die Verhüttung verbraucht viel Energie aus fossilen Brennstoffen für die thermische Energie und chemische Reduzierung, aber auch für die Stromerzeugung. Das Ausmaß der Luft verschmutzung durch die Kohleverbrennung ist dem von Kohlekraft werken vergleichbar, solange die metallführenden Stäube gut kontrolliert werden. Die erzeugte Schlacke ist relativ stabil und kann oft als Baumaterial genutzt werden.
Vollständiger Lebenszyklus-Ansatz Bei hochgradig recyclingfähigen Metallen wie Nickel können sich die mit der Herstellung verbundenen Umweltauswirkungen im Laufe der Zeit amortisieren, je nachdem, wie oft das Nickel am Ende eines Produktzyklus wiedergewonnen (z. B. bei Nickelakkus oder nickelhaltigem Edelstahl) und in einem anderen Produkt wiederverwendet wird. Der vollständige „Lebenszyklus“ von Nickel ist in der Regel viel länger als der der Einzelprodukte, in denen es verwendet wird.
In der nächsten Ausgabe von Nickel werfen wir einen Blick auf das HPAL-Verfahren, dessen Kapazitäten hochgefahren werden, um Akkumärkte mit Nickelzwischenprodukten zu beliefern.
Vereinfachtes RKEF-Verfahren
Nasserz (Saprolit)
Kraftwerkskohle
Kraftwerkskohle
Reduktionskohle
Elektrodenpaste
Elektrizität
SCHMELZANLAGE
Rotationstrockner haben in der Regel einen Durchmesser von 3–5 m und sind 30–50 m lang, während Rotationsöfen deutlich länger als 100 m sein können.
Typische Zusammensetzung einer Nickel Lateritlagerstätte
ABHEBEN MIT NICKEL SPACEX STARTET MEGA-RAKETE
NASA zählt auf den Erfolg des StarshipProjekts, um Menschen wieder zum Mond zu fliegen. Die letzte bemannte Mondmission war Apollo 17 im Jahr 1972. Das Ziel von SpaceX besteht nicht nur darin, Menschen wieder zum Mond zu fliegen, sondern noch viel weiter – bis zum Mars.
Während SpaceX sein Starship weiter auf diese Missionen vorbereitet, fand im Juni 2024 der vierte Testflug seiner zweistufigen Mega-Rakete statt. Natürlich war Nickel mit an Bord, um eine optimale Festigkeit und Widerstandskraft zu garantieren, aber auch Economies of Scale zu ermöglichen.
Die Testflüge sind eine Plattform, auf der die erfolgreichen Elemente des Programms erlernt und weiterentwickelt werden können. Der mittlerweile vierte Start war ein wichtiger Meilenstein, weil die größte und leistungsstärkste Rakete aller Zeiten ins All geschickt wurde.
Das Starship besteht aus zwei Stufen: dem Super Heavy Booster und dem Starship-Raumfahrzeug. Die Hauptstruktur besteht aus nickelhaltigem Edelstahl der Serie 300. Frühere Prototypen bestanden aus 304L (UNS S30403), was auch bei der aktuellen Version noch der Fall sein könnte,
auch wenn SpaceX hat durchblicken lassen, dass das Endmaterial eine Variante der Serie 300 mit optimierten Eigenschaften sein könnte.
Beide Stufen sind mit Raptor-Triebwerken ausgestattet, für die aufgrund ihrer hervorragenden Festigkeit und Hitzebeständigkeit die nickelbasierte Legierung 718 (N07718) in der Brennkammer eingesetzt wird.
Ursprünglich war geplant, die Rakete aus Kohlenstofffaser zu konstruieren, einem Material, das aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit und niedrigen Dichte gewählt wurde. Im Dezember 2018 wurde für das Strukturmaterial
Könnte Leben auf dem Mars so aussehen?
aber auf Edelstahl der Serie 300 umgeschwenkt. Elon Musk gab mehrere Gründe für diese Änderung an, darunter geringere Kosten, eine einfachere Herstellung, eine erhöhte Festigkeit von Edelstahl bei kryogenen Temperaturen sowie die Fähigkeit des Materials, hohen Temperaturen zu widerstehen.
Laut Musk ist Kohlenstoff faser mit einem Preis von 135 US-Dollar/kg unglaublich teuer, zumal bis zu 35 % des Materials beim Schnitt- und Formgebungsprozess verschwendet werden. Edelstahl kostet weniger als 3 US-Dollar/kg und der Ausschuss ist minimal.
Zudem hat Edelstahl einen hohen Schmelzpunkt, wodurch das Material den hohen Temperaturen widerstehen kann, die beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre entstehen, sodass weniger Hitzeschutzisolierung erforderlich ist.
Darüber hinaus ist die Herstellung viel einfacher und auch schneller. Bei der Konstruktion werden
Edelstahlzylinder aufeinandergestapelt und verschweißt, was nicht schwieriger ist als das routinemäßige Schweißen beim Bau von Edelstahltanks. Weil die Rakete wiederverwendbar sein soll, sind Reparaturen möglich und leicht durchzuführen.
Insgesamt hilft nickelhaltiger Edelstahl dabei, die Hauptziele beim Bau des Starships zu erfüllen: Kontrolle der Startkosten, Ermöglichen der Wiederverwendung beider Raketenstufen, erhöhte Nutzlastmasse im Orbit, Verbesserung der Starthäufigkeit und Schaff ung einer MassenfertigungsPipeline. All das kann an ein breites Spektrum von Raumfahrtmissionen angepasst werden.
Der jüngste Start wurde als erfolgreich bewertet und kommt der anspruchsvollen Mission von SpaceX entgegen, auf Mond und Mars Menschen anzusiedeln.
Starship-Raumfahrzeug
Superschwere Booster-Rakete Raptor-Triebwerk
INTERVIEW MIT DR. MARIA JOSE LANDEIRA OESTERGAARD
SENIOR MANAGER OPERATIONS EXCELLENCE, TOPSOE
Maria Jose Landeira Oestergaard, Senior Manager Operations Excellence, Topsoe
Das dänische Hightech-Unternehmen Topsoe ist bekannt für seine Expertise in der Katalyse und bei fortgeschrittenen Technologien für die Chemie- und Raffinationsindustrie. Wir haben uns mit Dr. Maria Jose Landeira Oestergaard, Senior Manager, Operations Excellence, über die Rolle von Nickel bei den Prozessen von Topsoe unterhalten und wollten wissen, welche Materialien sie besonders neugierig machen.
F: Erzählen Sie uns doch bitte ein bisschen was über sich selbst und darüber, worauf Ihr Interesse an Werkstoffen zurückgeführt werden kann.
Die Entscheidung, eine Karriere im Bereich Wissenschaft und Technik einzuschlagen, war wohl überlegt. Das Fach Chemie schien mir die meisten Berufschancen zu bieten. Auf der Uni spezialisierte ich mich auf Elektrochemie. Ich war fasziniert von der Tatsache, dass alle Reaktionen von so kleinen Teilchen wie Elektronen kontrolliert werden. Die Elektrochemie führte mich nach meiner Lektüre von 8 Forms of Corrosion von Fontana und Greene zur Korrosion. Meine PhD-Arbeit zur Korrosion in Entschwefelungsanlagen öffnete die Tür zu meiner ersten Stelle beim Zementhersteller FLSmidth.
F: Wann haben Sie bei Topsoe angefangen?
Im Jahr 2001. Ich sollte als erste Werkstoff- und Korrosionsingenieurin herausfinden, ob es für das Unternehmen von Nutzen wäre, intern über eine solche Expertise zu verfügen. Ich erkannte schnell, dass ein enormer Bedarf bestand, Nicht-Werkstoffingenieure auszubilden, damit wir einander besser verstehen konnten. Ich entwickelte daher die interne Schulung zu Werkstoffen und Korrosion, die je nach Bedarf durchschnittlich alle 1,5 Jahre
in Dänemark, Indien und an anderen Topsoe-Standorten durchgeführt wird.
F: Sagen Sie uns mehr zum Unternehmen und zur Rolle von Nickel in den Technologien, bei deren Entwicklung Topsoe als Pionier vorangeht.
Die Verpflichtung von Topsoe zur Nachhaltigkeit ist am Forschungs- und Entwicklungs(FuE)-Fokus des Unternehmens ersichtlich, das Technologien zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen und zur Förderung der Nutzung erneuerbarer Ressourcen entwickeln will. Unsere innovativen Lösungen bekämpfen den Klimawandel und die Ressourcenknappheit. Topsoe spielt eine wichtige Rolle, weil das Unternehmen den Wandel zu einer nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Industrielandschaft unterstützt, indem es die Energieeffizienz verbessert und umweltfreundliche Energiealternativen entwickelt.
Schon im Jahr 1948 verzeichnete das Unternehmen mit der Entwicklung des ersten Nickelkatalysators einen beeindruckenden Erfolg.
Heute liefert Topsoe eine breite Palette von Katalysatoren und Prozesstechnologien auf Nickelbasis, um aus Rohöl und Abfällen saubere Brennstoffe zu erzeugen, schädliche Emissionen von Kraftwerken zu reduzieren und die Effizienz industrieller Prozesse zu verbessern.
F: Zum Beispiel?
Wir arbeiten auf der Basis jahrzehntelanger wissenschaftlicher Forschungen und Innovationen in mehreren Schlüsselbereichen: umweltfreundlicher Wasserstoff, Prozesse zur Umwandlung von erneuerbarem Strom in grüne Brennstoffe und Chemikalien, Kohlenstoffabscheidung und -nutzung, elektrochemische Prozesse zur nachhaltigeren Produktion von Chemikalien und Brennstoffen sowie Biomassekonversion.
F: Welche nickelhaltigen Werkstoffe werden in Topsoe-Prozessen auf breiter Basis eingesetzt und warum?
Nickelhaltige Werkstoffe sind für viele Topsoe-Prozesse unabdingbar, in erster Linie aufgrund ihrer Katalysatoreigenschaften und Widerstandsfähigkeit unter extremen Bedingungen. Zum Beispiel:
Hydroprozesskatalysatoren: Nickel ist ein wichtiger Bestandteil der meisten Hydroprozess-Katalysatoren in der Raffinationsindustrie. Es erleichtert das Entfernen von Schwefelstoff, Stickstoff und anderen Verunreinigungen aus Rohöl, und seine hervorragenden Katalysatoreigenschaften verbessern die Hydrierungsreaktionen, die für die Herstellung saubererer Brennstoffe wie schwefelarmer Diesel, schwefelarmes Benzin und Flugbenzin von so großer Bedeutung sind.
Reformierkatalysatoren: Nickelbasierte Katalysatoren werden in der Dampfmethanreformierung (Steam Methane Reforming, SMR) auf breiter Front eingesetzt. Nickel erleichtert auf effektive Weise die Umwandlung von Methan und Dampf in Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Dieser Prozess ist für die Herstellung von Wasserstoff für verschiedene industrielle Anwendungen von grundlegender Bedeutung.
F: Wie setzt Topsoe Edelstahl- und Nickellegierungen sonst noch ein?
Wir wählen die Legierungen für die gesamte Betriebsausrüstung und alle Rohrleitungen basierend auf den potenziellen Abbaumechanismen in der jeweiligen Umgebung und den mechanischen Eigenschaften aus, die bei Zimmer- und hohen Temperaturen benötigt werden. Die Legierungen müs-
sen auch Startvorgängen, Abschaltvorgängen sowie Temperatur- und Druckspitzen widerstehen. Nickellegierungen sind besonders in nassen Umgebungen mit hohen Chloridkonzentrationen in Hydroverarbeitungsumgebungen oder in Trockenumgebungen bei sehr hohen Temperaturen wichtig, z. B. bei bestimmten Brennerkomponenten in Synthesegastechnologien.
F: Was ist der interessanteste Aspekt Ihrer Arbeit? Und worauf freuen Sie sich für die Zukunft?
In meinen früheren Rollen als Werkstoffspezialistin und Managerin war der aufregendste Teil meiner Arbeit die Auswahl der am besten geeigneten Legierungen für aggressive Umgebungen, die Durchführung von Ausfallanalysen und die Entwicklung von Know-how zu Werkstoffen und ihren Abbaumechanismen in Topsoe-Technologien. Ich wollte mich im Grunde selbst überflüssig machen, weshalb ich ein Team von Experten in Werkstoffkunde und Korrosion in bestehenden und neuen Topsoe-Technologien zusammenstellte.
Eine Abteilung mit Experten wie Metallurgen, Schweißingenieuren und FEM-Spezialisten zu schaffen, war ein überaus lohnenswertes Unterfangen, nicht zuletzt wegen des einmaligen Teamgeists ungeachtet der drei verschiedenen Standorte der Teammitglieder.
In meiner aktuellen Rolle im Operations Excellence-Team macht es mir besonders Spaß, Projekte in den Bereichen Value Engineering und FMECA (Failure Mode, Effects, and Criticality Analyses) für proprietäre Betriebsmittel von Topsoe zu planen und auszuführen. Das Team motivieren, positiv zu Konstruktionsverbesserungen beitragen, ohne Qualität und Zuverlässigkeit zu gefährden, wertvolle Ergebnisse erzielen und sie den relevanten Stakeholdern präsentieren – das ist für mich ungemein aufregend.
In Zukunft wünsche ich mir, dass sich die Teams für die Basisursachenanalyse, das Value Engineering und die FMECA konstant weiterentwickeln.
Marias Rat an junge Menschen, die eine Karriere im Bereich Werkstoffe in Betracht ziehen
1. Bleiben Sie immer neugierig. Seien Sie neuen Ideen gegenüber aufgeschlossen und stellen Sie den Status quo in Frage.
2. Erst denken, dann handeln. Wenn wir mit einer Herausforderung konfrontiert sind, wollen wir gefühlsmäßig immer einfach irgendetwas unternehmen. Dabei besteht aber das Risiko, dass wir nicht den klügsten Weg wählen, um das anstehende Problem zu beheben und die gestellte Aufgabe zu erledigen.
3. Für Frauen in diesem Feld ist es wichtig, keine Angst zu haben, eigene Gedanken und Meinungen zum Ausdruck zu bringen und den eigenen Wert herauszustellen. Es gibt immer noch Vorurteile wie „Naturwissenschaften sind nur was für Männer“. In manchen Ländern werden Naturwissenschaftlerinnen nicht akzeptiert und in anderen nur ernst genommen, wenn sie ihre Kenntnisse und Fähigkeiten nachdrücklich unter Beweis gestellt haben.
4. Wählen Sie eine Aktivität/ein Hobby/ eine Leidenschaft. Oft ist das außerhalb des Arbeitsplatzes Gelernte direkt auf Arbeitssituationen anwendbar und kann dazu beitragen, dass aus Werkstofffachleuten ganze, holistische Menschen werden.
Ich bin der festen Überzeugung, dass wir der Philosophie von Dr. Topsoe Folge leisten sollten, die Welt in einem besseren Zustand zu verlassen, als wir sie vorgefunden haben. Ich gebe jeden Tag mein Bestes – ob bei der Arbeit oder im Privatbereich – um zur Verwirklichung dieser Vision beizutragen.
GENAU DIE RICHTIGE MENGE
NICKEL IN NIEDRIGLEGIERTEN
STAHLSORTEN
Viele sind überrascht, wenn sie erfahren, dass auch heute noch aktiv an der Entwicklung von niedriglegierten Stählen gearbeitet wird. Wissen wir inzwischen nicht alles, was es über Stähle zu wissen gibt? Schließlich wird Stahl schon seit Tausenden von Jahren hergestellt und verwendet! Natürlich ist Stahl eine bekannte Größe, und doch gibt es immer wieder neue Anwendungsbereiche, in denen Stähle mit Eigenschaften benötigt werden, mit denen wir neues Terrain betreten.
Ein gutes Beispiel sind Offshore-Windturbinen, die mit extremen Bedingungen zurechtkommen müssen. Sie müssen hohen zyklischen Belastungen durch Wind und Wellen, aber auch sowohl sehr niedrigen als auch sehr hohen Temperaturen widerstehen. Sie müssen korrosionsbeständig sein und diese Eigenschaft auch nach dem Schweißen beibehalten, was besonders wichtig ist. Um immer größere Gondeln aufnehmen zu können, kann die Wandstärke der Turbinentürme ganze 150 mm betragen, und das bei Höhen von 140 m oder mehr.
Es ist bekannt, dass Stahl dank Nickel mit hervorragenden Eigenschaften aufwartet. Besonders beeindruckend ist die erhöhte Zähigkeit (keine Sprödigkeit), insbesondere bei niedrigeren Temperaturen. Nickel erhöht auch die Festigkeit einer Legierung. Und Nickel ist das einzige Legierungselement, das
diese beiden Merkmale gleichzeitig verbessert, ohne negative Auswirkungen auf die Schweißfähigkeit. Nickel verbessert die Ermüdungseigenschaften sowohl im Basismetall als auch in der Wärmeeinflusszone (WEZ) von Schweißverbindungen.
Die Rolle von Nickel in niedriglegierten Stahlsorten ist aber komplex, insbesondere in Kombination mit anderen Legierungselementen. Durch die präzise Bestimmung des richtigen Nickelgehalts wird der Kostenvorteil optimiert, und genau das ist schwierig. Das Nickel Institute und zwei führende Stahlblechhersteller haben sich dieser Aufgabe angenommen.
Die Grafik rechts zeigt, dass bereits ein sehr kleiner Nickelanteil (0,3 %) die Kaltzähigkeit von einfachen Kohlenstoffstählen dramatisch verbessert.
Sie arbeiten an einem großen, auf drei Jahre ausgelegten Forschungsprojekt zusammen, um die Auswirkungen von Nickel auf die WEZ und Ermüdungseigenschaften von dicken Stahlplatten einschließlich Schweißverbindungen zu untersuchen. Ausgangsbasis ist die Legierung, die derzeit in Windkraftanlagen eingesetzt wird. Salzgitter Mannesmann Forschung führt die Forschungsarbeiten durch. Verwendbare Ergebnisse werden nach dem ersten Jahr erwartet. Weitere Partner werden derzeit noch gesucht. Das Ziel ist die Entwicklung einer Legierung, die den vorhandenen Spezifikationen entspricht und verbesserte Eigenschaften aufweist, was zu niedrigeren Herstellungskosten und „genau der richtigen Menge Nickel“ führen soll.
NITINOL METALL MIT GEDÄCHTNIS
Nitinol (UNS N01555) ist eine Metalllegierung aus Nickel und Titan, bei der zwei Elemente in ungefähr gleichen Atomgewichtsanteilen (55 bis 56 % Gewichtsprozent Nickel) vorliegen. Nitinol bietet einzigartige Eigenschaften wie Formgedächtnis (FG) und Superelastizität (SE). Aufgrund seines Formgedächtnisses kann sich das Material zwar verformen; wenn es auf einen Punkt über seiner „Umwandlungstemperatur“ erhitzt wird, nimmt es aber seine ursprüngliche Form wieder ein.
Diese Eigenschaften sind auf seine Phasentransformation (eine Änderung der Kristallstruktur) zurückzuführen. Unterhalb der Umwandlungstemperatur wird die Mikrostruktur als Martensit, oberhalb als Austenit bezeichnet.
Nitinol weist aufgrund der Martensitbildung in belasteten Bereichen eine Superelastizität oberhalb seiner Umwandlungstemperatur auf. Wird die Belastung entfernt, kehrt dieser Martensit wieder zum nicht deformierten austenitischen Zustand zurück.
Während die meisten Metalle nur einen kleinen Bruchteil eines Belastungsprozents tolerieren, bevor sie dauerhaft verformt werden, kann Nitinol eine Belastung von bis zu acht Prozent tolerieren und danach wieder seine ursprüngliche Form annehmen. Auf ähnliche Weise ermöglicht das Formgedächtnis, dass Nitinol nach der Deformation wieder seine Originalstruktur einnimmt. Um die „OriginalAusgangsform“ zu fixieren, muss die Legierung in Position gehalten und auf ca. 500 °C (930 °F) erhitzt werden. Dieser Prozess wird als Formschneiden bezeichnet. Nitinol kann bei einer Verformung unterhalb seiner Umwandlungstemperatur wieder seine ursprüngliche Form annehmen. Durch einfaches Erwärmen des Nitinols wird der Martensit wieder in den nicht
deformierten Austenit umgewandelt. Kleine Veränderungen an der Zusammensetzung können die Umwandlungstemperatur der Legierung signifikant verändern. Die Umwandlungstemperaturen in Nitinol können innerhalb eines Bereichs von ca. -20 bis +110 °C (-4 bis 230 °F) kontrolliert werden.
In Gesundheits- und Medizinproduktanwendungen wie Ohrenimplantaten, Brillengestellen und Stents wird Nitinol aufgrund dieser Eigenschaften verstärkt eingesetzt. Ein Stent muss stark komprimiert werden, damit er in eine Arterie eingeführt werden kann; wenn er dekomprimiert wird, weitet er sich aus, um das Gefäß zu stützen und offen zu halten.
Brillennasensteg aus Nitinol
Eine verformte Büroklammer nimmt nach Eintauchen in heißes Wasser wieder ihre ursprüngliche Form an.
Nitinol-Stents können bei einer bestimmten Temperatur hergestellt und bei einer anderen Temperatur kleiner gefaltet werden. Dann werden sie in eine Arterie eingeführt, in der der Körper das Material auf einen über seiner Umwandlungstemperatur liegenden Wert erwärmt, worauf der Stent zu seiner ursprünglichen Größe zurückkehrt.
NICKEL, JHRG. 39, Nr. 2, 2024 | 13
Geir Moe P.Eng. ist der Technical Inquiry Service Coordinator beim Nickel Institute. Zusammen mit anderen Werkstoffexperten in aller Welt hilft Geir Moe Endanwendern und Spezifikateuren von nickelhaltigen Materialien, die technische Unterstützung benötigen. Das Team steht bereit, um kostenlose technische Beratungsleistungen zu einer breiten Palette von Anwendungen wie Edelstahl, Nickellegierungen und Vernickelung anzubieten, damit Nickel bedenkenlos eingesetzt werden kann. https://inquiries.nickelinstitute.org/
FRAGEN AN EXPERTEN FAQ VON DER TECHNISCHEN
BERATUNGS-HOTLINE DES NICKEL INSTITUTE
A F
F: Ist Edelstahl des Typs 316L für einen Heißwasserkessel in Trinkwasser mit 20 mg/l (ppm) Chlorid geeignet?
NICKEL
ONLINE
WWW.NICKELINSTITUTE.ORG
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A: Chlorid ist wegen einer potenziellen Spannungsrisskorrosion ein Problem für alle Edelstahlgüten. Allerdings bietet jede Güte je nach ihrer Zusammensetzung einen anderen Widerstandsgrad. Die Erhöhung des Chrom- und Molybdängehalts ist von Vorteil. Viele andere Faktoren wie der pH-Wert, der Sauerstoffgehalt, die Oberflächenausführung, andere Kontaminierungsstoffe in einer Flüssigkeit sowie die Temperatur können das Lochfraßrisiko ebenfalls erhöhen. Im Falle von Wasser bei Zimmertemperatur gilt 316L in der Regel als beständig gegenüber einem Chloridgehalt von bis zu 1000 mg/l (ppm). Ein Heißwasserkessel ist aber normalerweise ein geschlossenes System mit Dampf-
raum oben im Kessel. Durch die Verdunstung gelangt Chlorid in den Dampfraum, wo es sich auf der Oberfläche ablagert und im Laufe der Zeit konzentriert wird. Wenn die Oberfläche in diesem Dampfraum nicht regelmäßig gespült wird, indem sie entweder mit Wasser besprüht wird oder das Wasser im Kessel die Oberfläche überspült, könnte sich das Chlorid schließlich so weit konzentrieren, dass es zu Lochfraß kommt. Bei einer Temperatur über 60 °C (140 °F) besteht überdies die Gefahr, dass das Chlorid Spannungsrisskorrosion verursacht. Wenn Schritte unternommen werden, um die Chloridkonzentration zu reduzieren, ist 316L ein geeignetes Material.
Chloridablagerungen und Anstieg des Säuregehalts an einer Kesselwand im Dampfraum
Monate
Monate
Monate
Monate
Nickel ist in vielen Formen zu finden, von Nanodrähten bis hin zu Edelstahllegierungen. Aber welche Eigenschaften machen Nickel zu einem so grundlegenden Bestandteil vieler Alltagsobjekte?
Warum Nickel?
NICKEL IN STRASSENBRÜCKEN
In den meisten Betonbauwerken wird zur Verstärkung Bewehrungsstahl eingesetzt.
Warum? Beton ist stark, wenn er komprimiert wird, bei Dehnung dagegen ist er schwach. Außerdem kann es leicht zu Rissen kommen. Stahl aber ist in beiderlei Hinsicht stark und neigt bei normalen Temperaturen nicht zum Bruch.
Bei Straßenbrücken ist eine Festigkeit beider Arten erforderlich, weshalb Bewehrungsstahl verlegt wird, bevor der Beton gegossen wird. Dadurch wird die Brücke stark genug, um auch ein hohes Verkehrsaufkommen zu bewältigen.
Salz ist schlecht für Stahl. Straßen- oder Meersalz kann Beton durchdringen und den Stahl korrodieren. Bei Korrosion kommt es zu Rissen und Brüchen im Beton. Dadurch werden Reparaturen nötig, die zu Staus führen können.
Beweh-
Wir können diese Korrosion stoppen, wenn wir für die Bewehrung Edelstahl mit Nickel verwenden. Mit Nickel kann Bewehrungsstahl gefestigt und Salz gegenüber resistent gemacht werden, sodass er mehr als 100 Jahre überstehen kann.
Wenn Bewehrungsstahl Nickel enthält, kommen Sie schneller und sicherer ans Ziel.
UNS- DETAILS
Chemische Zusammensetzungen (in Gewichtsprozent) der Legierungen und Edelstahltypen in dieser Ausgabe von Nickel.
Skulpturen, die Kinder der Region zeigen, verschmelzen mit Korallen.
In Auft rag gegeben von: Townsville, Australien, mit Mitteln der Regierung von Queensland und Australien
Materialien: nickelhaltiger Edelstahl, Zink, pH-neutraler Zement, Basalt und Aggregate
Ort: John Brewer Reef, Australien, Pazifi scher Ozean
Tiefe: 16 m
Jahr der Installation: 2019
DAS KORALLENTREIBHAUS
Das vom britischen Bildhauer Jason deCaires Taylor geschaffene erste und einzige Unterwassermuseum Australiens steht als weltweit größtes Unterwasser-Kunstobjekt im Guinness-Buch der Rekorde.
Das Coral Greenhouse (Korallentreibhaus) wiegt ca. 165 Tonnen und besteht aus korrosionsbeständigem Edelstahl des Typs 316 (S31600) und pH-neutralen Materialien. Das Treibhaus ruht auf dem Grund des John Brewer Reef unter 16 m Meerwasser und ist selbst 12 m hoch. Der Künstler erklärt, dass der biomorphe Rahmen Muster in der Natur nachahmt und „verschiedene Studienbereiche wie Meereswissenschaften, Korallenanbau, Unterwasserund Umweltkunst und -architektur in den Fokus rückt. Er bildet sowohl den Ausgangspunkt als auch eine neue Perspektive für das Verständnis des Great Barrier Reef und seiner Ökologie.“
Zum Schutz vor widrigen Witterungsbedingungen weist das Kunstwerk eine
große Zementbasis und integrierte Zyklonspannelemente auf, während sein dreieckiger Querschnitt zur Verbesserung der Stabilität auf einen besonders niedrigen Schwerpunkt ausgelegt ist. Darüber hinaus bieten die erhöhten Trägerteile einen minimalen Widerstand gegen die Wellenenergie und schaffen gleichzeitig ein ideal erhöhtes Substrat für Organismen, die ihre Nahrung aus dem Wasser herausfi ltern, und zum Versammeln von Fischschwärmen. Dieses beeindruckende Kunstwerk des Naturschutzes ist ca. 80 km vom australischen Townsville entfernt. Diffi zile Raster bieten kleinen Fischen Zuflucht vor Jägern und Glaskörper sind tagsüber das ideale Versteck für Kraken und Seeigel.
