Przyszłość stali i konstrukcji stalowych

Przyszłość stali i konstrukcji stalowych
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

W badaniach zajmujemy się przede wszystkim projektowaniem składów chemicznych, mikrostruktury i technologii obróbki cieplnej nowych gatunków stali o żądanych własnościach. Można przyjść i zamówić stal o niespotykanych dotychczas własnościach, spełniających wymagania zarówno promu kosmicznego, jak i mostu stalowego, który nie musi być remontowany co 15 lat lecz np. co 50 lat, a nawet rzadziej - mówi prof. dr hab. inż. Jerzy Pacyna* z AGH w rozmowie z Jerzym Bojanowiczem.

Jak Pan widzi przyszłość stali i wytwórni konstrukcji stalowych, bo w budownictwie infrastrukturalnym stal coraz częściej jest wypierana przez beton, a ostatnio - kompozyty. Vide: zbudowany przez konsorcjum naukowo- biznesowe, którego liderem był Mostostal Warszawa, nad potokiem Ryjak w podkarpackiej miejscowości Błażowa, pierwszy polski most drogowy z kompozytów FRP?

- W budownictwie beton nie tylko nie wypiera stali lecz jest jej dobrym przyjacielem, zważywszy ilości produkowanej stali przeznaczonej do zbrojenia betonu w postaci gorącowalcowanych prętów żebrowanych, gładkich, walcówki, jak również stali do betonu sprężonego. W Polsce stale do zbrojenia betonu produkują hiszpańska Celsa Huta Ostrowiec, amerykańska CMC Zawiercie, hindusko- -luksemburski ArcelorMittal w Cedlerze i Hucie Warszawa oraz firmy polskie: Ferrostal w Gliwicach, Profil w Krakowie i Zakład Walcowni w Zawierciu. Ponadto są mniejsze zakłady walcownicze wytwarzające pręty żebrowane do zbrojenia betonu metodą walcowania na zimno. Ale stali do zbrojenia betonu ciągle brakuje i importujemy ją z Łotwy, Ukrainy, Czech i Słowacji. Uruchomienie rządowego programu "Mieszkanie+" z pewnością jeszcze zwiększy zapotrzebowanie na stal dla budownictwa.

Kompozyty stosowane w budownictwie infrastrukturalnym, jak np. wspomniany most, to bez wątpienia wielkie osiągnięcie nauki (Politechniki Rzeszowska i Warszawska) i przemysłu (Mostostal Warszawa i Promost Consulting z Rzeszowa), ale to dopiero pierwsza jaskółka, która może uczynić wiosnę w inżynierii materiałowej. Trzeba jednak trochę poczekać, obserwując pracę i zachowanie się nowej konstrukcji w czasie (mosty zbrojone stalą remontujemy średnio co ok. 15-20 lat). Dzisiaj nie możemy zadeklarować tak długiej jego bezawaryjnej eksploatacji w warunkach obciążeń cyklicznych (zmęczeniowych) przy zmieniającej się temperaturze: od -20oC do +40oC.

Jako twórca wielu nowych materiałów metalowych, życzę twórcom i budowniczym tego wspaniałego mostu sukcesu, jednakże osobiście większe możliwości wykorzystania kompozytów upatruję w skali mikro- i nano-, a nie makro.

W 2013 r. na świecie, według danych Izby Przemysłowo- -Handlowej w Katowicach, wyprodukowano 1,607 mld t stali i ta wielkość nadal rośnie. Czymże zatem jest dziś jeden niewielki (22 m długości) most zbudowany z kompozytów, nawet przy założeniu, że będzie on porównywalnie trwały z klasycznym mostem stalowym lub betonowo-stalowym?

Rozwój przemysłu stalowego na świecie, związany z zastosowaniem stali jako głównego materiału konstrukcyjnego, wskazuje, że zapoczątkowana przeszło 3000 lat temu era stali (stopu na osnowie żelaza) nadal trwa i nie wydaje się być zagrożona rozwojem żadnego innego materiału - także i niemetalowych kompozytów. Wręcz przeciwnie, współczesna inżynieria stali i stopów specjalnych na osnowie żelaza pozwala projektować i wytwarzać stopy o nieznanych dotychczas własnościach lub też znanym już tworzywom nadawać coraz lepsze własności. Dzieje się tak dzięki nowym technologiom szybko wprowadzanym do przemysłu stalowego, jak również dzięki rozwojowi badań podstawowych i stosowanych na potrzeby tego sektora gospodarki. A tak na marginesie, to stal, ze swoją złożoną mikrostrukturą, to najpiękniejszy kompozyt świata.

Czy stal jest "innowacyjna"?

- Oczywiście. Specjaliści z Inżynierii Materiałowej - kierunku, który wytworzył kompozyty niemetalowe użyte do budowy mostu w Błażowej - doskonalą składy chemiczne stali i technologie jej wytwarzania. Wynalazki z tego zakresu są coraz szybciej wdrażane do produkcji. Zwłaszcza przez małe i średnie firmy: zarówno produkujące na potrzeby rynku, jak i dostarczające swoje wyroby (np. narzędzia) wielkim firmom stalowym, dbającym głównie o jakość swoich wyrobów, np. pod względem czystości metalurgicznej i zachowania oczekiwanych własności.

Klasa stali wytapianych w polskich hutach to wyłącznie gatunki jakościowe i specjalne, bo tzw. podstawowej już się nie produkuje. Ubolewać natomiast należy, że po upadku Hut Baildon, Stalowa Wola i Batory nie odrodziło się hutnictwo stali wysokostopowych. Chociaż, np. w pracującej stalowni Huty Batory, na zlecenie firm niemieckich, wytapia się m.in. bardzo trudne technologicznie stale nierdzewiejące. Szefowie innych stalowni boją się podjąć ryzyka wytopienia wysokostopowej stali z obawy o utratę swojego stanowiska w przypadku niepowodzenia podczas np. krystalizacji wlewka, bo niepolski właściciel huty nie toleruje strat, które niesie ze sobą każda innowacja.

Dlatego tzw. wytopy próbne zaprojektowanych przez nas nowych gatunków stali do niedawna wytapialiśmy za granicą, najczęściej w Czechach. Dopiero od niedawna mamy na Wydziale własny próżniowy piec laboratoryjny (ok. 10 kg), w którym realizujemy nasze naukowe pomysły.

Ale wdrożenia przemysłowe nadal muszą wykorzystywać duże wytopy wykonywane za granicą.

Proces opracowania nowego gatunku stali rozpoczyna komputerowe projektowanie składu chemicznego, które jest oparte na naszej największej na świecie bazie danych o wpływie pierwiastków stopowych na strukturę i własności stali. Powstała z wyników wszystkich prac doktorskich i habilitacyjnych wykonanych w zespole Przemian Fazowych w AGH na przestrzeni ostatnich 45 lat. Jako najbardziej spektakularne przykłady zastosowań zaprojektowanych przez nas nowych stali mogę podać dwa gatunki przeznaczone do produkcji wysokoobciążonych szyn kolejowych w torach wielkich prędkości - powyżej 200 km/godz. Pierwszy z nich może być stosowany w warunkach klimatycznych Europy, a drugi - do budowy takich torów na Syberii i Alasce, gdzie temperatury spadają do -60oC. Innym przykładem mogą być stale na wały elektrowni wiatrowych wielkiej mocy (3,6 MW) o masie ok. 28 t: ze składu wyeliminowaliśmy deficytowy nikiel i uprościliśmy technologię ich obróbki cieplnej, przez co charakteryzują się lepszymi własnościami niż wały ze stali dotychczas stosowanych, a przy okazji na każdym wale oszczędzamy ok. 100 tys. zł. Te stale na wały elektrowni wiatrowych opracowaliśmy na zamówienie Siemensa i General Electric.

Takie narzędzia, jak wytwarzane wg naszego składu chemicznego i naszej technologii produkcji, matryce do kucia i prasowania oraz walce hutnicze są nawet 5-krotnie bardziej wydajne. Ostatnio składem chemicznym ingerujemy w siły wiązań atomowych w stali, co skutkuje niesamowitym wzrostem ich odporności na pękanie. Najtwardsze i bardzo kruche narzędzia stają się wtedy niezwykle odporne na pękanie, często niemożliwe do złamania, a kiedy trzeba - odporne na ścieranie lub korozję.

Jaką ofertę edukacyjną w tym zakresie ma AGH?

- Na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH można studiować na kierunkach: Metalurgia, Inżynieria Materiałowa, Informatyka, Edukacja Techniczno- Informatyczna, Informatyka Stosowana, Inżynieria Obliczeniowa oraz Inżynieria Ciepła, a każdy z nich ma kilka specjalności. W zakresie projektowania nowych gatunków stali wiodącym jest bez wątpienia Inżynieria Materiałowa.

To na nim, poza podstawowymi przedmiotami związanymi z materiałami metalicznymi, które są wykładane na wszystkich kierunkach, wykładamy: Komputerowe Projektowanie Stali i Stopów, Stopy Specjalne, Materiały Narzędziowe i Projektowanie Narzędzi. Dlatego nasi absolwenci nie mają żadnego problemu ze znalezieniem odpowiedniej dla siebie pracy po skończeniu studiów.

Najlepsi pozostają na studiach doktoranckich, które nasz Wydział prowadzi nieprzerwanie od wielu już lat.

A jakie jest zainteresowanie tym kierunkami?

- W roku akademickim 2016/2017 na Metalurgię przyjęliśmy - 56 studentów, Inżynierię Materiałową - 100, Edukację Techniczno-Informatyczną - 58, Informatykę Stosowaną - 175, Inżynierię Obliczeniową - 60, Inżynierię Ciepła - 57. Przy wyraźnie widocznym niżu demograficznym i nie obniżonym w stosunku do ubiegłego roku limicie punktowym przyjęcia na nasz Wydział, jest to - jak Pan sam chyba przyzna - wynik całkiem przyzwoity. Oznacza to, że nadal wielu młodych ludzi wiąże swoją przyszłość z inżynierią metali, a ściślej mówiąc - z inżynierią stali i stopów specjalnych.

A zapowiadany rozwój gospodarczy polskiego przemysłu z pewnością będzie temu sprzyjał.

Jak są wyposażone laboratoria waszego Wydziału?

- Dysponują najnowszą aparaturą niezbędną do badania stali i stopów: poczynając od zwykłych twardościomierzy, przez aparaty rentgenowskie do analizy fazowej, badań tekstury stali, naprężeń, maszyny wytrzymałościowe statyczne i dynamiczne do badań zmęczeniowych, aż po najnowsze mikroskopy elektronowe wysokiej rozdzielczości, umożliwiające obserwacje śladów poszczególnych atomów w strukturze stali.

Współpracujemy również ściśle z Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH wyposażonym wyłącznie w najnowszą aparaturę do badania stali i stopów.

Jakimi badaniami związanymi ze stalą może pochwalić się AGH?

- Współpraca z przemysłem stalowym jest ugruntowana obopólnymi korzyściami. Można tutaj wymienić stale m.in. na liny do głębokich kopalń Zagłębia Miedziowego, od których oczekiwano, aby nie zrywały się pod własnym ciężarem i umożliwiały wyciągnięcie urobku z głębokości ponad 1200 m bez stacji pośrednich; wysokowytrzymałe i odporne na obciążenia dynamiczne (zawał) na kotwy górnicze (również dla kopalń z Zagłębia Miedziowego); na obudowy górnicze w kopalniach węgla kamiennego (niestarzejące się i odporne na dynamiczne obciążenia podczas zawału), pierwsze polskie samoserwisujące się szyny kolejowe o strukturze bainitycznej przeznaczone do budowy torów dużych prędkości, a także stale na wały główne elektrowni wiatrowych wielkiej mocy, na walce hutnicze płaskie i bruzdowe do walcowania blachy karoseryjnej, blach grubych oraz szyn kolejowych i tramwajowych czy na matryce do pras i młotów.

Naszymi przemysłowymi partnerami były przede wszystkim wielkie polskie huty: Katowice, Sendzimira, Zawiercie, Częstochowa i Cedler. Po ich sprywatyzowaniu współpraca naukowa z nimi niemal całkowicie ustała.

Obecnie trudno jest nawet stworzyć konsorcjum, które podjęłoby się rozwiązania trudnego, wspólnego dla wszystkich problemu, np. problemu walców hutniczych.

Natomiast małe i średnie polskie prywatne przedsiębiorstwa coraz częściej dostrzegają potrzebę nowych, opartych na nauce rozwiązań i odnoszą z tej współpracy znaczne korzyści. Przykładem Kuźnia - Stalowa Wola, Termetal z Piły, ZW Profil z Krakowa i wiele innych, które środki na rozwój czerpią zarówno z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, jak i z funduszy regionalnych.

A czy AGH współpracuje z firmami z branży konstrukcji stalowych?

- Zarówno poprzez Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki - głównie w zakresie konstrukcyjnym, jak i Wydział Inżynierii Metali i Informatyk Przemysłowej - w zakresie materiałowym. Ostatnim problemem, który będzie nas zajmował przez najbliższe 2 lata będą stale na konstrukcje odporne na pełzanie, tzn. na równoczesne działanie naprężenia i podwyższonej temperatury. Na wyniki tych badań czeka polska energetyka, bo dzięki nim zmniejszy emisję dwutlenku węgla do atmosfery.

***
Prof. dr hab. inż. Jerzy Pacyna, kierownik Pracowni Przemian Fazowych na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej w Katedrze Metaloznawstwa i Metalurgii Proszków Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie, członek Komisji ds. Przewodów Doktorskich z zakresu Metalurgii - Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa, przewodniczący Komisji ds. Egzaminu Dyplomowego dla specjalności Inżynieria Stali i Stopów Specjalnych
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Przyszłość stali i konstrukcji stalowych

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!