Nowa stal coraz ważniejsza dla konstrukcji, motoryzacji i redukcji CO2

Materiałowe nowinki to nie tylko kompozyty, owoce nano- czy bioinnowacji, żywice lub tworzywa z wykorzystaniem węgla. Dotyczą one także stali, która zależnie od domieszek i sposobu obróbki może mieć zróżnicowane właściwości.

Bardzo duży wpływ na innowacyjność w hutnictwie ma przemysł motoryzacyjny i jego pęd do odchudzania. Lżejszy samochód to mniejsze spalanie, a więc mniejsza emisja dwutlenku węgla. To raczej nie kwestia mody, ale zaostrzanych norm spalania, skupionych zwłaszcza na redukcji emisji dwutlenku węgla.

Wszyscy producenci szukają możliwości zmniejszenia wagi samochodów, co jest tym trudniejsze, że rosną także wymagania co do bezpieczeństwa biernego i czynnego. Normy te, jak i coraz większe oczekiwania ceniących wygodę klientów, sprawiają, że samochody otrzymują coraz więcej elementów wyposażenia, a więc... dodatkowe kilogramy.

- W latach 1980-2010 wymagania związane z bezpieczeństwem podnoszono w zasadzie co roku. Spowodowało to zwiększenie wagi foteli samochodowych z 10 kg do 17 kg - powiedział Carey Dilliott z działu badań i rozwoju firmy Faurecia. Zaostrzenie wymagań wpłynęło podobnie na wiele innych elementów samochodu.

Producenci aut szukają więc coraz lżejszych rozwiązań, aby mimo dodatkowego wyposażenia zmniejszać wagę. Motoryzacja jest jednym z ważniejszych obszarów innowacji w metalurgii. W roku 2014 na 30 nowych produktów wypuszczonych na rynek przez Tata Steel aż 11 mieściło się w tym segmencie. Hutnicy pracują nad coraz mocniejszymi i bardziej wytrzymałymi gatunkami stali, dzięki czemu poszczególne elementy mogły zachować swoją wytrzymałość, choć były wykonywane z coraz cieńszej blachy.

Tata Steel, wypuszczając na rynek blachy DP1000HY, zapowiadało, że mogą one umożliwić redukcję wagi poszczególnych elementów od 8 do 15 proc. Voestalpine zapowiada, że blacha phs (press-hardenes steel - stal utwardzana w procesie tłoczenia) pozwala zmniejszyć wagę elementu o 25 proc. Koncern SSAB szacuje redukcję wagi dzięki wysokowytrzymałym stalom Docol nawet o 50 proc.

Greg Ludkovsky, szef badań i rozwoju ArcelorMittal, dodaje, że jego zdaniem 50- 60 proc. redukcji wagi wynika z wykorzystanego materiału, ale reszta z unikalnych konstrukcji, dlatego firmy metalurgiczne uczestniczą w pracach już na etapie konstruowania poszczególnych elementów. Ostateczne zmniejszenie wagi zależy więc nie tylko od stali, ale i od wykonania danego podzespołu.

W przypadku pickupa z podwójną kabiną udało się zredukować masę o 174 kg, a więc 23 proc. Optymalne rozwiązania zakładają wykorzystanie w 63 proc. stali wysokowytrzymałych, w tym 18 proc. stali hartowanych w procesie tłoczenia.

Odchudzanie samochodów staje się jeszcze ważniejsze w przypadku aut elektrycznych, bo mniejsza masa oznacza mniej energii potrzebnej na przejechanie 100 km.

Motoryzacja to nie tylko samochody osobowe. Tata Steel ocenia, że wykorzystanie przez firmę Cartwright paneli Coretinium zamiast drewna do produkcji prototypu naczepy Streetwise spowodowało obniżenie masy o 0,5 tony, co pozwala oszczędzić około 4 kg CO2 na 100 km. Coretinium to stalowe panele, w których pomiędzy dwoma blachami umieszczono polipropylenową siatkę o strukturze plastra miodu. Na podłogę i ściany przyczepy zużyto 75 mkw. paneli.

Z drugiej strony, samochody jeżdżą dziś z dużymi prędkościami i ich nadwozia muszą spełniać także rolę klatek bezpieczeństwa, chroniąc życie i zdrowie pasażerów. W tym celu różne materiały są zestawiane w skomplikowaną i wyrafinowaną strukturę.

Przykładem może być konstrukcja najnowszego Audi A8. Niektóre z użytych blach są odpowiednio walcowane, by osiągnąć pożądaną grubość, a inne - dodatkowo częściowo hartowane. Obniża to masę i zwiększa wytrzymałość, zwłaszcza w ważnych dla bezpieczeństwa strefach. Największy udział w karoserii nowego Audi A8 mają elementy aluminiowe (aż 58 procent). Inteligentna kompozycja materiałów to również wieżyczki amortyzatorów wykonane z magnezu, co pozwoliło zmniejszyć masę elementu o 28 procent.

Producenci stali zwracają jednak uwagę, że to tylko pozorna redukcja dwutlenku węgla. Greg Ludkovsky przypomina, że przy produkcji tony stali powstają średnio dwie tony CO2, przy produkcji aluminium to już 14 ton, a w wypadku włókien węglowych nawet - 30 ton.

Inaczej mówiąc: by wyemitować tyle samo dwutlenku węgla co przy produkcji tony włókien węglowych, trzeba wylać 15 ton stali. Emisji powodowanych przez produkcję tony aluminium odpowiada 7 ton stali. W przypadku metali mamy jeszcze możliwość recyklingu, a recykling włókien węglowych w zasadzie nie istnieje. Dlatego koncerny stalowe chcą, aby uciążliwość materiału dla środowiska była liczona nie tylko poprzez skutki jego wykorzystania, ale także produkcji.

- Koncerny metalurgiczne starają się dostarczać nie tyle sam materiał, co gotowe elementy. Chcemy zmienić się z dostawcy stali w dostawcę rozwiązań. Chcemy angażować się we współpracę w konstruowaniu, projektowaniu - mówi Ludkovsky.

Wyrazem takiego myślenia jest kompletna rama drzwi, przygotowana dla Acury, amerykańskiej marki należącej do Hondy. To jeden element wykonany z dwóch rodzajów stali Usibor i Ductibor. Usibor ma zapewnić wytrzymałość przy ewentualnym zderzeniu, a Ductibor maksymalną absorpcję siły uderzenia - dlatego zastosowano go w dolnej części ramy drzwi, w pobliżu miejsca, gdzie w czasie kolizji może uderzyć zderzak drugiego samochodu. Dało to zmniejszenie masy o 20 proc., a przy tym wzmocniło ramę drzwi, a przez to całą konstrukcję samochodu.

Wzmacnianie stali powodowało jednak, że do jej obróbki producenci potrzebowali coraz więcej siły, a więc i energii. W ciągu ostatnich 20 lat wytrzymałość stali ArcelorMittal na rozciąganie zwiększyła się z 270 do 1700 megapaskali. Nowe gatunki stali są więc i odpowiednio mocne, i podatne na formowanie. Nowe technologie pozwalają łączyć materiały o różnych właściwościach. W przypadku wspomnianego Audi A8 proces wytwarzania jest niezwykle złożony. Wykorzystuje 14 różnych metod łączenia, w tym metodę podwijania blach w obszarach przednich i tylnych drzwi. Ta czysto mechaniczna, "zimna" technika, pozwala scalać aluminiową ramę bocznych ścian, z formowanymi na gorąco, najtwardszymi blachami stalowymi słupków B, dachu i progów.

Walka z emisjami motoryzacji jest najbardziej nagłośniona, bo bezpośrednio dotyczy milionów odbiorców. Ludkovsky przypomina jednak, że jej udział w emisji dwutlenku węgla to 17-20 proc.

- Udział przemysłu budowlanego to 43 proc. Każda oszczędność w budowlance będzie więc miała dwukrotnie większe znaczenie niż w motoryzacji - podkreśla.

Koncerny stalowe rozwijają ofertę związaną zwłaszcza z pokryciem dachów i elewacji. ArcelorMittal pracuje nad kilkoma nowościami przeznaczonymi dla tego sektora. Przykładem mogą być belki stropowe i panele podłogowe, zastępujące konstrukcje betonowe. Belki stropowe są dłuższe niż przy konstrukcjach z betonu.

- W betonowym budynku kolumny muszą być do 8 metrów, przy stalowych belkach Angelina odległości zwiększają się do 13 m. Pozwala to na szybszą budowę, redukując jej koszty o 12 proc. Dodatkowo daje to zmniejszenie masy budynku o 54 proc. w porównaniu z betonowym, a tym samym koszt fundamentów zmniejsza się o 39 proc. - wylicza Greg Ludkovsky.

Stalowe belki stropowe mają otwory, przez które można poprowadzić instalacje wodne, kanalizacyjne, elektryczne czy ciepłownicze (przy konstrukcjach betonowych muszą być podwieszane pod belkami). Moduły podłogowe także zawierają przestrzenie, którymi można prowadzić instalacje. Wykorzystanie tych technologii pozwala zmniejszyć wysokość budynku, co daje oszczędności rzędu 8 proc. na kosztach fasady czy schodów. Utrzymując tę samą wysokość wewnątrz pomieszczeń, da się co cztery piętra zaoszczędzić wysokość jednej kondygnacji. Pozwala to budować niższe budynki lub przy zachowaniu wysokości zewnętrznej zbudować więcej kondygnacji.

Budynek stawia się dwa razy szybciej niż w przypadku betonu, o 34 proc. mniejsze są także potrzeby transportowe. To korzystne - zwłaszcza przy budowach w centrach miast. Można zatem powiedzieć, że metalurgiczne nowości w budownictwie zmniejszają emisję spalin przez samochody...

Piotr Myszor

Więcej informacji w portalu "Wirtualny Nowy Przemysł"