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Wissen über Duplex-Edelstahl
Detaillierte Erklärung zu Duplex-Edelstahl
Duplex-Edelstahl (DSS) mit dem chemischen Symbol S bezeichnet eine Art von Edelstahl, bei dem sowohl Ferrit- als auch Austenitphasen jeweils etwa 50 % des Materials ausmachen. Im Allgemeinen muss die geringere Phase mindestens 30 % des Edelstahls ausmachen. Bei niedrigem Kohlenstoffgehalt liegt der Chromanteil (Cr) zwischen 18 % und 28 %, während der Nickelanteil (Ni) zwischen 3 % und 10 % liegt. Einige Stähle enthalten auch Legierungselemente wie Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Niob (Nb), Titan (Ti) und Stickstoff (N).
1. Warum rostet Edelstahl nicht?
Die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl steigt im Allgemeinen mit steigendem Chromgehalt. Wenn der Chromgehalt im Stahl 12 % übersteigt, bildet sich auf der Oberfläche des Stahls ein sehr dünner, aber dichter Oxidfilm (allgemein als Passivierungsfilm bekannt). Dieser Film schützt das Grundmetall vor weiterer Oxidation oder Korrosion und verleiht Edelstahl somit eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit.
2. Zusammensetzung von Duplex-Edelstahl
Duplex-Edelstahl (DSS) besteht, wie bereits erwähnt, zu etwa 50 % aus Ferrit- und zu 50 % aus Austenitphasen. Der Chromgehalt liegt zwischen 18 % und 28 %, der Nickelgehalt zwischen 3 % und 10 % und kann andere Legierungselemente wie Molybdän, Kupfer, Niob, Titan und Stickstoff enthalten.
Duplex-Edelstahl
3. Klassifizierung von Duplex-Edelstahl
Es gibt mehrere Kategorien von Duplex-Edelstahl:
- Niedriglegierter Typ: Dargestellt durch UNS S32304 (23Cr-4Ni-0,1N), diese Stähle enthalten kein Molybdän und haben einen PREN-Wert von 24–25, was sie zu geeigneten Ersatzstoffen für AISI 304 oder 316 bei Anwendungen gegen Spannungskorrosion macht.
- Mittellegierter Typ: Dargestellt durch UNS S31803 (22Cr-5Ni-3Mo-0,15N), mit einem PREN-Wert von 32-33, weisen diese Stähle eine Korrosionsbeständigkeit zwischen AISI 316L und austenitischem Edelstahl mit 6 % Mo+N auf.
- Hochlegierter Typ: Standardsorten wie UNS S32550 (25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0,2N) enthalten normalerweise 25 % Cr sowie Molybdän, Stickstoff und manchmal Kupfer und Wolfram und haben einen PREN-Wert von 38–39. Damit bieten sie eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Duplex-Edelstähle mit 22 % Cr.
- Superduplex-Edelstahltyp: Mit hohem Molybdän- und Stickstoffgehalt, Standardqualität UNS S32750 (25Cr-7Ni-3,7Mo-0,3N) und manchmal Wolfram und Kupfer und einem PREN-Wert über 40 sind diese Stähle für raue Umgebungen geeignet und weisen hervorragende Korrosions- und mechanische Eigenschaften auf, die mit superaustenitischen Edelstählen vergleichbar sind.
4. Duplex-Edelstahl vs. austenitischer und ferritischer Edelstahl
Aufgrund seiner Zweiphasenstruktur vereint Duplex-Edelstahl die Vorteile sowohl von austenitischem als auch von ferritischem Edelstahl. Im Vergleich zu austenitischem Edelstahl bietet Duplex-Edelstahl folgende Vorteile:
- Hohe Streckgrenze: Mehr als doppelt so hoch wie bei herkömmlichem austenitischem Edelstahl, mit ausreichender Duktilität für Formungsanforderungen. Die Verwendung von Duplex-Edelstahl zur Herstellung von Tanks oder Druckbehältern kann die Wandstärke um 30-50 % reduzieren und so die Kosten senken.
- Hervorragende Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion: Sogar Duplex-Edelstähle mit dem niedrigsten Legierungsgehalt weisen eine höhere Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion auf als austenitische Edelstähle, insbesondere in Umgebungen mit Chloridionen, wodurch ein erhebliches Problem bei austenitischen Edelstählen gelöst wird.
- Höhere Korrosionsbeständigkeit: In vielen Medien ist die Korrosionsbeständigkeit von gewöhnlichem Duplex-Edelstahl 2205 besser als die von typischem austenitischem Edelstahl 316L, und Super-Duplex-Edelstahl weist eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit auf und übertrifft in einigen Medien sogar hochlegierte austenitische Edelstahlsorten und korrosionsbeständige Legierungen.
- Gute lokale Korrosionsbeständigkeit: Im Vergleich zu austenitischem Edelstahl mit ähnlichem Legierungsgehalt weist Duplexstahl eine bessere Beständigkeit gegen Verschleißkorrosion und Ermüdungskorrosion auf.
- Niedriger linearer Ausdehnungskoeffizient: Nähert sich Kohlenstoffstahl und eignet sich daher für die Verbindung mit Kohlenstoffstahl, was erhebliche technische Auswirkungen hat, beispielsweise bei der Herstellung von Verbundplatten oder -auskleidungen.
- Höheres Energieabsorptionsvermögen: Unter dynamischen oder statischen Belastungsbedingungen weist Duplex-Stahl ein höheres Energieabsorptionsvermögen auf als austenitischer Edelstahl. Dadurch ist er für Strukturkomponenten von Vorteil, die plötzlichen Unfällen wie Kollisionen oder Explosionen standhalten müssen.
Allerdings hat Duplex-Stahl im Vergleich zu austenitischem und ferritischem Edelstahl auch seine Schwächen:
- Eingeschränkte Anwendbarkeit: Die weitverbreiteten und vielseitigen Einsatzmöglichkeiten von Duplex-Edelstahl sind nicht so umfangreich wie die von austenitischem Edelstahl. So muss beispielsweise die Einsatztemperatur unter 250 Grad Celsius gehalten werden.
- Geringere Duktilität: Die Duktilität ist geringer als die von austenitischem Edelstahl und die Kalt- und Warmbearbeitungsprozesse sowie Umformungseigenschaften sind nicht so gut.
- Sprödigkeit bei mittleren Temperaturen: Es gibt eine Sprödigkeitszone bei mittleren Temperaturen, die eine strenge Kontrolle der Wärmebehandlungs- und Schweißprozesse erfordert, um eine schädliche Phasenbildung zu verhindern, die die Leistung beeinträchtigen könnte.
Im Vergleich zu ferritischem Edelstahl bietet Duplex-Edelstahl unter anderem folgende Vorteile:
- Umfassendere bessere mechanische Eigenschaften: Insbesondere im Hinblick auf die Duktilität ist er weniger anfällig für Sprödigkeit als ferritischer Edelstahl.
- Bessere lokale Korrosionsbeständigkeit: Abgesehen von der Spannungskorrosionsbeständigkeit weist es im Vergleich zu ferritischem Edelstahl auch bei anderen Formen lokaler Korrosion eine bessere Beständigkeit auf.
- Überlegene Kaltbearbeitungs- und Kaltumformungseigenschaften: Weit besser als ferritischer Edelstahl.
- Bessere Schweißleistung: Auch besser als ferritischer Edelstahl, da oft kein Vorwärmen vor dem Schweißen und keine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist.
- Größeres Anwendungsspektrum: Sein Anwendungsspektrum ist im Vergleich zu ferritischem Edelstahl breiter.
Zu den Nachteilen von Duplex-Edelstahl gegenüber ferritischem Edelstahl gehören jedoch:
- Höherer Gehalt an Legierungselementen: Dies führt zu relativ höheren Preisen, während ferritischer Edelstahl im Allgemeinen kein Nickel enthält.
5. Anwendungen von Duplex-Edelstahl
Duplex-Edelstahl ist ein vielseitiges Material, das in stark korrosiven Umgebungen und als Baumaterial verwendet wird. Zu seinen Anwendungsgebieten zählen:
- Papierindustrie
- Chemische und petrochemische Industrie
- Hydrometallurgie
- Organische Säuren und ätzende Laugen
- Ausrüstung zur Schadstoffbekämpfung
- Lagertanks für Chemikalien
- Offshore- und Küstenanwendungen
- Rohrleitungsinstallationen in Weingütern
- Baukonstruktionen
6. Geschichte des Duplex-Stahls
Duplex-Edelstahl hat eine Geschichte von fast 80 Jahren. Seine Mikrostruktur besteht zu gleichen Teilen aus Ferrit- und Austenitphasen. Frühe Sorten waren Legierungen aus Chrom, Nickel und Molybdän. Die erste Charge geschmiedeten Duplex-Edelstahls wurde 1930 in Schweden hergestellt und in der Schwefelsäure-Papierherstellungsindustrie verwendet. Diese Stähle waren kohlenstoffreiche Duplex-Edelstähle, die ursprünglich entwickelt wurden, um Probleme mit interkristalliner Korrosion zu reduzieren. 1930 produzierte Finnland gegossenen Duplex-Edelstahl und 1936 erhielt Frankreich ein Patent für eine Stahlsorte, die später als Uranus50 bekannt wurde. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde Edelstahl AISI329 zu einer ausgereiften Sorte und wurde häufig in Wärmetauscher-Pipelines für Salpetersäureanlagen verwendet. 3RE60 war eine der Duplex-Edelstahlsorten der ersten Generation, die speziell entwickelt wurde, um die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion durch Chlorid (SCC) zu verbessern. Später wurden sowohl geschmiedete als auch gegossene Duplex-Edelstahlsorten in verschiedenen verarbeitenden Industrien verwendet, darunter Behälter, Wärmetauscher und Pumpen.
Duplex-Edelstahl der ersten Generation zeigte eine gute Leistung, war jedoch im geschweißten Zustand mit Einschränkungen verbunden. Die Wärmeeinflusszone (WEZ) der Schweißverbindung wies aufgrund von übermäßigem Ferrit eine geringere Zähigkeit auf, und ihre Korrosionsbeständigkeit war erheblich geringer als die des Grundmetalls. Diese Einschränkungen beschränkten die Anwendung von Duplex-Edelstahl der ersten Generation auf nicht geschweißte Anwendungen. Die Erfindung der Edelstahlveredelung und des Argon-Sauerstoff-Entkohlungsverfahrens (AOD) im Jahr 1968 ermöglichte die Herstellung einer Reihe neuer Edelstahlsorten. Einer der vielen Fortschritte der AOD war die gezielte Zugabe von Stickstoff als Legierungselement. Durch die Stickstofflegierung von Duplex-Edelstahl konnten die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit der WEZ im geschweißten Zustand denen des Grundmetalls nahe kommen. Mit der Verbesserung der Stabilität der Austenitphase verringerte Stickstoff auch die Geschwindigkeit der Bildung schädlicher intermetallischer Phasen.
Der Duplex-Edelstahl der zweiten Generation zeichnet sich durch eine Stickstofflegierung aus. Dieser neue kommerzielle Fortschritt begann in den späten 1970er Jahren und fiel mit der Entwicklung der Offshore-Öl- und Gasfelder in der Nordsee und der Nachfrage nach Edelstahl mit ausgezeichneter Beständigkeit gegen Chloridionenkorrosion, guten Verarbeitungseigenschaften und hoher Festigkeit zusammen. 2205 wurde zur Hauptsorte des Duplex-Edelstahls der zweiten Generation und wurde häufig in Offshore-Pipelines zur Gasförderung und in Verarbeitungsanlagen für Ölplattformen verwendet. Aufgrund der hohen Festigkeit dieser Stähle, die eine Reduzierung der Wandstärke und des Gewichts auf Plattformen ermöglicht, wurde ihre Anwendung sehr attraktiv.
Duplex-Edelstahl hat sich kontinuierlich weiterentwickelt und bietet eine Reihe von Güten mit unterschiedlichen Korrosionseigenschaften, je nach Legierungszusammensetzung. Moderner Duplex-Edelstahl kann in fünf Typen eingeteilt werden:
- Wirtschaftliche Duplex-Edelstähle ohne Molybdän, wie beispielsweise 2304;
- Standard-Duplex-Edelstähle wie 2205, die die Hauptgüte darstellen und über 80 % des Duplex-Stahlverbrauchs ausmachen;
- 25Cr-Duplex-Edelstähle wie Legierung 255 mit einem PREN-Wert von weniger als 40;
- Superduplex-Edelstähle (PREN-Wert 40–45) mit 25–26 % Cr, höherem Molybdän- und Stickstoffgehalt als 25Cr-Duplex-Edelstähle, wie beispielsweise 2507;
- Hyperduplex-Edelstähle, hochlegierte Duplex-Edelstähle mit einem PREN-Wert über 45.
7. Anwendungen von Duplex-Edelstahl
Rauchgasentschwefelung
In Kohlekraftwerken ist die weitere Reduzierung der SO2-Emissionen und die Rauchgasentschwefelung (FGD) eine Methode, um niedrige SO2-Emissionen zu erreichen. Die Verwendung von Kalk oder Kalksteinschlamm zur „Nasswäsche“ von SO2 aus Rauchgas ist eine ausgereifte Technologie, die seit den 1970er Jahren als grundlegende Methode in Kesselsystemen von Kraftwerken eingesetzt wird.
Moderne FGD-Anlagen können derzeit bis zu 90 % SO2 aus Abgasen entfernen. Moderne FGD-Anlagen bestehen aus mehreren Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen, Chloridgehalten und pH-Werten. Aufgrund seiner geringeren Kosten und besseren Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu austenitischem Edelstahl wird in FGD-Anlagen in Europa und Asien Edelstahl 2205 (S32205) verwendet. In jüngster Zeit hat auch Nordamerika die Verwendung von Duplex-Edelstahl übernommen, was ihn aufgrund seiner hohen Festigkeit nach dem Schweißen, seiner ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit und seiner hohen Zähigkeit zum beliebtesten Material für den Bau von FGD-Absorbertürmen macht.
Meerwasserentsalzung
Die Meerwasserentsalzung stellt aufgrund des hohen Chloridgehalts und der korrosiven Prozessumgebung eine der härtesten Prüfungen für Materialien dar. Die Geschichte der Meerwasserentsalzung ist im Wesentlichen die Geschichte der Materialentwicklung, da die Kunden der Meerwasserentsalzungsindustrie ein Gleichgewicht zwischen der Erfüllung der Korrosionsbeständigkeitsanforderungen und der Beschränkung der Investitionen in überschaubare Grenzen suchen. In frühen Meerwasserentsalzungsprojekten wurden Verdampfer für mehrstufige Flash- (MSF) und Mehreffekt- (MED) Meerwasserentsalzungsanlagen aus Kohlenstoffstahl hergestellt. Später wurden MSF-Verdampfer im Allgemeinen mit austenitischem Edelstahl 316L (EN1.4404) verkleidet. MED-Verdampferkammern wurden zunächst mit Epoxidharz beschichtet, später durch Edelstahlverkleidungen ersetzt.
Der Vorteil der Verwendung von Duplex-Edelstahl liegt in seiner Kombination aus hoher Festigkeit (doppelt so hoch wie bei herkömmlichen austenitischen Stählen) und hoher Korrosionsbeständigkeit. Daher können Duplex-Edelstahlverdampfer mit dünneren Stahlplatten hergestellt werden und erfordern weniger Material und Schweißarbeiten. Weitere Vorteile sind die einfache Handhabung und die geringere Gesamtumweltbelastung.
Öl und Gas
In der Öl- und Gasindustrie spielt Duplexstahl eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, rauen Bedingungen standzuhalten. Duplex-Edelstahl wird hauptsächlich in Flüssigkeitsrohren, Prozessleitungssystemen und Geräten wie Abscheidern, Wäschern und Pumpen verwendet. Unter Wasser werden diese Materialien für Bohrloch-Produktionsleitungen, Armaturen, Verteiler, Fließleitungen und Pipelines zum Transport von korrosivem Öl und Gas verwendet. Super-Duplex-Edelstahl (25 % Cr) wird aufgrund seiner effektiven Widerstandsfähigkeit gegen Konstruktionsspannungen häufig in verschiedenen Bereichen wie Rundstäben, Schmiedestücken, Gussteilen, dünnen Platten, dicken Platten, Rohren und Befestigungselementen verwendet.
Superduplexstahl weist außerdem eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit und gute Kompatibilität mit anderen hochlegierten rostfreien Stählen auf. Versorgungsleitungen werden zur Steuerung von Bohrlochkopfvorgängen mithilfe von Hydraulikleitungen verwendet und können auch zur Injektion von Chemikalien eingesetzt werden. Seit Versorgungsleitungen aus Stahl auf den Markt gekommen sind, ist Duplexstahl das am häufigsten verwendete Material. In den letzten Jahren sind aufgrund des Trends zur Erschließung von Öl- und Gasfeldern in der Tiefsee längere Versorgungsleitungen erforderlich. Durch eine Erhöhung der Materialfestigkeit kann das Gewicht der Versorgungsleitungen verringert werden, wodurch längere Längen möglich werden.
Biokraftstoffe
Die Biokraftstoffindustrie, insbesondere Ethanol, ist ein Bereich, in dem Duplexstahl immer häufiger verwendet wird. Edelstahl 2205 wurde in der NExBTL-Prozessausrüstung für die Biomasseölproduktion in Singapur verwendet. In einem groß angelegten Biokraftstoffprojekt im Hafen von Amsterdam (Niederlande) verwendete der Tankhersteller Oostwouder Tank & Silobouw BV S32101 für Tanks, die für Noba Vetveredeling BV gebaut wurden. Beim Erweiterungsprojekt der Agroetanol-Ethanolanlage auf der schwedischen Insel Händelö wurde S32101 auch für die Herstellung von Behältern und Rohrleitungen spezifiziert. In vielen Ethanolanlagenanwendungen wurde wirtschaftlicher Duplexstahl verwendet, um austenitische Edelstähle der 300er-Serie zu ersetzen.
Nahrungsmittel und Getränke
Wirtschaftlicher Duplex-Edelstahl hat sich in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie bewährt. Dieses Material wurde in zwei Projekten in Spanien eingesetzt, eines für Lebensmittellagertanks und das andere für Weinlagertanks. Im Hafen von Barcelona baute Emypro SA Lebensmittellagertanks vollständig aus S32101 und ersetzte damit EN1.4301/1.4307 (304/304L). Im südspanischen Daimiel wurde in einer Weinlageranlage, die der spanische Tankhersteller Martinez Sole für Garcia Carrion baute, erstmals Duplex-Edelstahl verwendet.
Baugewerbe
Duplexstahl spielt weiterhin eine wichtige Rolle im Brückenbau, da Brücken Korrosion und salzhaltigen Umgebungen ausgesetzt sind und gleichzeitig eine hohe Tragfähigkeit erfordern. Zwei aktuelle Beispiele kommen aus Asien, nämlich die Stonecutters Bridge in Hongkong und die Double Helix Pedestrian Bridge in Singapur, die beide aus 2205 Duplex-Edelstahl bestehen. Im Jahr 2006 wurden für die Stonecutters Bridge 2000 Tonnen 2205 Duplex-Stahlplatten und -Rohre verwendet, wobei die Oberflächenteile von chinesischen Herstellern aus maßgefertigten Platten gefertigt wurden. Die Platten wurden poliert und kugelgestrahlt, um sowohl tagsüber als auch nachts optimale Reflektivität zu gewährleisten.
Darüber hinaus wurden für die Doppelhelix-Fußgängerbrücke 570 Tonnen Duplex-Edelstahl verwendet. Das atemberaubende Design dieser Brücke umfasst zwei spiralförmige Edelstahlrohrabschnitte, die DNA-Strukturen ähneln, wobei die doppelspiralförmigen Stützstrukturen aus 2205 Duplex-Stahlrohren und -platten bestehen. Edelstahloberflächen sorgen durch reflektiertes Licht für eine nächtliche Beleuchtung und verstärken so den Designeffekt.
Das weltweit größte Edelstahldach am neuen internationalen Flughafen von Doha in Katar wurde aus molybdänhaltigem, kostengünstigem Duplex-Edelstahl (S32003) gebaut. Das auffälligste Merkmal des Terminals ist sein wellenförmiges Dach, das angeblich das weltweit größte Edelstahldach ist. Das Dach bedeckt eine Fläche von etwa 195.000 Quadratmetern und besteht aus etwa 1600 Tonnen Duplex-Edelstahl. Bei der Auswahl der Edelstahlsorte wurden mehrere Faktoren berücksichtigt, wobei die Nähe des Flughafens zum Meer der wichtigste war. Das Dach muss nicht nur den hohen Temperaturen und der Luftfeuchtigkeit im Nahen Osten standhalten, sondern auch Salzkorrosion widerstehen. Im Vergleich zu anderen Stahlsorten bietet Duplex-Edelstahl Kostenvorteile und ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.
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