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21. Oktober 2011

Wenn Rohre unter Druck stehen, muss Stahl halten, was er verspricht. Deutsche Edelstahlwerke liefern Spezialstähle für die Chemieindustrie

Die Plastiktüte aus dem Supermarkt, das Spielzeugauto, der Infusionsbeutel, die Mülltonne oder die Shampooflasche – sie alle bestehen aus Polyethylen, einem vollständig recycelbaren Kunststoff. Hergestellt wird er in so genannten Low Density Polyethylen (LDPE) Anlagen, in denen die aus Rohbenzin gewonnenen Ethen-Moleküle unter extrem hohen Druck und Temperaturen zu langen Ketten verknüpft werden. Dementsprechend hoch sind auch die Anforderungen, die die aus Hochdruckrohren zusammengesetzten LDPE-Anlagen erfüllen müssen. Zur Herstellung dieser Rohre werden daher ausschließlich Spezialstähle verwendet. Ein führender Hersteller von Spezialstählen für die Hochdruckrohrindustrie ist die Deutsche Edelstahlwerke GmbH.

Jährlich liefert das Unternehmen etwa 1.200 Tonnen Spezialstahl in die Hochdruckrohrindustrie – darunter auch Vormaterial für die Verbindungsstücke und die Rohrbögen der gigantischen Anlagen, die in der Regel aus bis zu 400 einzelnen Hochdruckrohren und Hochdruckkomponenten bestehen. „Bei der Herstellung von Polyethylen herrschen in der LDPE-Anlage zwischen 3.200 und 3.600 bar Druck und bis zu 300 Grad Celsius“, erläutert Peter Grüneberg, Vertriebsmitarbeiter Spezialstahl der Deutschen Edelstahlwerke GmbH. Zum Vergleich: Eine herkömmliche Haushaltswasserleitung verfügt über einen Druck von mindestens 3 bar.

„Unter diesen extremen Bedingungen kommen für das Vormaterial nur hochfeste und hochzähe Stähle mit einem sehr geringen Anteil an Phosphor, Zinn und Antimon in Frage, da diese Elemente die Zähigkeit des Stahls negativ beeinflussen würden“, fügt Grüneberg hinzu. Um die hohen Anforderungen der Hochdruckrohrindustrie hinsichtlich Zähigkeit und Festigkeit erfüllen zu können, beliefern die Deutschen Edelstahlwerke ihre Kunden mit Spezialstählen, die auf einer ausgewogenen Kombination der Legierungselemente Nickel, Chrom, Molybdän und Vanadin basieren. Dazu gehören z.B. die drei Werkstoffe Firmodur  6580, Firmodur 6957 und Firmodur 6959. „In den letzten Jahren hat sich ein eindeutiger Trend zum 1.6957 entwickelt“, so Grüneberg. „Die Rohrproduzenten tendieren zu immer dünnwandigeren Rohren. D.h. bei gleichem Innendurchmesser liegt der Außendurchmesser eines Standardreaktorrohrs heute bei 150 Millimeter, früher waren es um die 180 Millimeter. Und je dünner die Wände, umso höher sind die Ansprüche an den Stahl. Der 1.6957 erfüllt sie, da sein Nickelgehalt im Vergleich zu den anderen Werkstoffen deutlich höher liegt und sich das positiv auf die Durchvergütbarkeit und damit auf die Zähigkeit des Materials auswirkt.“

Bei Nischenprodukten zählt Erfahrung

Bei einer weltweit einzigartigen Produktvielfalt und einem Jahresversand von rund einer Million Tonnen Edelstahllangprodukte jährlich, sind die Spezialstähle für Hochdruckrohre wahrlich kein Massenprodukt der Deutschen Edelstahlwerke. Im Gegenteil: Mit 1.200 Tonnen im Jahr handelt es sich um ein absolutes Nischenprodukt, dessen Herstellung jedoch viel Know-how und moderne Technik erfordert. Das bestätigt auch Werner Kordasch, Produktionsmanager bei der BHDT GmbH. Das österreichische Unternehmen stellt Hochdruckanlagen und Hochdruckkomponenten für die chemische Industrie her und ist seit 2004 Kunde der Deutschen Edelstahlwerke. „Als Lieferant für die Chemieindustrie müssen wir viele Sicherheits- und Lizenzvorschriften einhalten, Nachweise erbringen und die Herstellung unserer Rohre ausführlich dokumentieren. Diese Dokumentation beginnt bereits beim Stahllieferanten“, so Kordasch und er fügt hinzu: „ Bei der Auswahl setzen wir vor allem auf langjährige Erfahrung. Wir arbeiten nur mit Firmen, die den Werkstoff kennen und wissen wie sie ihn behandeln müssen.“ BHDT bekommt im Jahr rund 500 Tonnen Spezialstahl in Form von 16 Meter langen Stäben mit einem Durchmesser zwischen 60 und 250 Millimeter von den Deutschen Edelstahlwerken geliefert. Dickere Qualitäten werden für die Herstellung von Flanschen und Schrumpfbuchsen eingesetzt. „Es gibt nicht viele Edelstahlproduzenten, die Stäbe in dieser Länge liefern“, ergänzt Kordasch.

Wenn das Vormaterial die Betriebe von BHDT erreicht, hat es allerdings schon einen langen Fertigungsprozess durchlaufen. Er beginnt am Standort Witten der Deutschen Edelstahlwerke, wo im Elektrolichtbogenofen selektierter Schrott gemeinsam mit den Legierungselementen erschmolzen wird. Während des Schmelzprozesses wird viel Sauerstoff hinzugegeben, um den unerwünschten Phosphor in der Schlacke abzuscheiden. Bei der anschließenden sekundärmetallurgischen Behandlung in der Vakuumanlage (VOD-Anlage) entweichen unter verminderten Druck die im Metall gelösten Gase, was vor allem in Kombination mit einer Spülstandbehandlung zu einem höheren Reinheitsgrad führt. Ein Verfahren, das in den frühen 60er Jahren am Standort Witten erfunden wurde und seitdem zu den Spezialitäten des Unternehmens gehört. Je nach gewünschter Endabmessung wird der flüssige Stahl dann entweder in Kokillen zu Blöcken oder in der Stranggussanlage zu Vierkant-Brammen vergossen. Weiter geht es mit der Warmumformung. Dünnere Abmessungen bis ca. 150 Millimeter rund, meistens Stranggussmaterial, werden im Walzwerk weiterverarbeitet. Blockgussmaterial wird nach Krefeld transportiert, wo es auf einer der größten Langschmiedemaschinen der Welt, der RF 70, zu Stäben mit einem Durchmesser von etwa 155 bis 250 Millimeter verarbeitet wird. Bei kleineren Zielabmessungen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 135 Millimetern und einer maximalen Länge von 14 Metern kommt alternativ die Wittener Schmiedemaschine LSX 25 zum Einsatz – je nach Kundenwunsch oder Vorgabe der Anlagenhersteller, die traditionell häufig das Schmiedeverfahren dem Walzen vorziehen. Zu guter Letzt erfolgt eine anspruchsvolle Wärmebehandlung, bei der durch das Härten und Anlassen des Stahls die gewünschten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften fixiert werden. Nach abschließender Ultraschallprüfung und Adjustage erfolgt der Transport zum Kunden.

Sicherheit und Langlebigkeit – eine Frage des Reinheitsgrads

 „Sobald die Stäbe bei uns eingetroffen sind, werden sie nach erfolgter Eingangskontrolle an Tieflochbohrmaschinen längst gebohrt“, erklärt Werner Kordasch. Es entsteht ein Rohr, dessen Innenoberfläche im Anschluss mithilfe von Honmaschinen weiter verfeinert wird.  Das Werkzeug, die Honahle, bewegt sich sowohl in der Längsachse als auch drehend, was an der Werkstückoberfläche durch einen Kreuzschliff sichtbar wird. BHDT versieht die Innenseite der Hochdruckrohre mit einer mittleren Rauhtiefe zwischen 0,0012 und 0,0001 Millimetern und macht sie damit zusätzlich widerstandsfähiger gegen Risse beim Einsatz in der LDPE-Anlage. Um initiale Risse in der Oberfläche auszuschließen führt auch BHDT noch eine Ultraschall- oder Wirbelstromprüfung durch. Dann werden an die Rohrenden Gewinde angebracht, mit denen sich die einzelnen Rohre später zu ganzen Hochdruckanlagen verbinden lassen.

Bei der abschließenden Autofrettage wird das Rohr noch einmal auf Herz und Nieren geprüft, indem man es einem über dem späteren Betriebsdruck und über der Streckgrenze liegendem Innendruck aussetzt. Eine Messeinrichtung hält fest, wie stark sich das Rohr dabei verformt. In der Schweißerei erhält das Rohr noch einen Heizmantel aus einem einfachen, nahtlosen Stahlrohr das dem Hochdruckrohr übergestülpt und mit einer Schrumpfbuchse fixiert wird. Diese dient außerdem der weiteren Abdichtung. „Ziel ist es, ein so genanntes Leck-vor-Bruch-Verhalten herbeizuführen, d.h. dass sich bei Komplikationen während der Polyethylenherstellung lediglich ungefährliche Innenrisse bilden und nicht das ganze Rohr spontan platzt“, so Kordasch. „Um diese Eigenschaften zu gewährleisten, ist der Reinheitsgrad und die Qualität des Stahls natürlich mitentscheidend.“

800 Hochdruckrohre fertigt BHDT jährlich für den Einsatz als Reaktor- oder Kühlrohre in LDPE-Anlagen. Zahlen, die belegen wie speziell dieses Marktsegment ist: Weltweit werden pro Jahr nur etwa ein bis zwei neue Anlagen gebaut – vorzugsweise dort, wo Ölquellen natürlicherweise vorhanden sind, z.B. im mittleren Osten. In Europa besteht das Kerngeschäft eher aus der Erweiterung und Instandhaltung bestehender Anlagen. Dass der weltweite Bedarf des umweltfreundlichen Polyethylens zurückgeht, zeichnet sich mit Blick auf die asiatischen Märkte nicht ab. Die Deutschen Edelstahlwerke wollen diese Entwicklungen zukünftig weiter begleiten und arbeiten kontinuierlich daran, den Reinheitsgrad der Stähle und damit die Lebensdauer der Hochdruckrohre weiter zu erhöhen: „Mit der 2014 abgeschlossenen Modernisierung der Sekundärmetallurgie am Standort Witten, schaffen wir die besten Voraussetzungen dafür“, berichtet Peter Grüneberg von der mit 50 Millionen Euro bezifferten größten Investition für den Standort seit 20 Jahren. Das neue Konzept verbessert nicht nur die logistischen Prozesse, die Umwelttechnik und die Arbeitssicherheit, sondern steigert mit einer erweiterten Legierungsbunkeranlage und VD/VOD-Anlagen der jüngsten Generation langfristig Produktqualität, Reinheitsgrad und Werkstoffvielfalt.