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Edelstahl wird in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hygienischen Eigenschaften häufig verwendet. Im Vergleich zu anderen Bereichen wie der Öl- und Gasproduktion werden Bierbraubehälter und -rohre regelmäßig mittels CIP (Site Cleaning) gereinigt. Um optimale Reinigungsergebnisse zu erzielen, ist eine gute Oberflächenbehandlung von Behältern und Rohren von entscheidender Bedeutung. Seit den 1960er Jahren wird bei industriellen Bierbrauprozessen zur Herstellung von Behältern und Tanks häufig Edelstahl AISI 304 verwendet, oder AISI 316und Duplex-Edelstahl 2205. Die Korrosionsbeständigkeit von 2205 Edelstahl ist vergleichbar mit dem von AISI 304 während die Festigkeit höher ist und es nicht so leicht zu Chloridrissen kommt, wenn die Temperatur über 60 °C liegt. Maische, Würze und Bier greifen Edelstahl nicht an, selbst bei Siedetemperatur. Kaltverformter Edelstahl neigt jedoch bei Temperaturen über 60 °C zu Chloridrissen. Im Allgemeinen korrodiert die Braulösung auch AISI 304 Edelstahl nicht. Nur beim Bierbrauen mit weichem Wasser kann aufgrund des hohen Chloridgehalts AISI 316 Edelstahl gewählt werden.

Aufgrund ihrer Anfälligkeit für Zugspannungen können in dünnwandigen Rohren und Behältern Chloridrisse auftreten. Wenn der Behälter undicht ist, liegt dies häufig an minderwertiger Schweißqualität oder hoher Ermüdungsbelastung. CIP (Feldreinigung) korrodiert Edelstahl nicht, kann jedoch unter extremen Bedingungen bei Edelstahl mit hohem Kaltverformungsgrad Chloridrisse verursachen. Die Ausfallmechanismen von Ermüdungskorrosion und Spannungsrisskorrosion sind ähnlich. Ein Beispiel für Ermüdungskorrosion in einem Verzuckerungstank ist die Öffnung eines Getreidespeichers. Nach dem Maischen und Erhitzen werden die Körner von der Würze getrennt und durch die Öffnung des Getreidespeichers entladen. Der Aufprall und die hohe Belastung durch das entladene Getreide führen zu Ermüdungskorrosionsrissen entlang der Schweißkante im Bereich direkt gegenüber der Mündung des Lagers. Die Undichtigkeit an einigen Stellen ist auf schlechte Qualität zurückzuführen. Der Würzebehälter kann aufgrund von Chloridrissen und Hitzeermüdung von außen nach innen reißen. Wenn beim Schweißen von dampfbeheizten Spiralrohren eine hohe Schweißspannung auftritt, können in der gesamten Edelstahlbehälterwand Risse auftreten.

Empfindlichkeit von Edelstahl

AISI 304 oder Edelstahl 316 hat einen Kohlenstoffgehalt von < 0,08% und kann sensibilisiert werden, wenn es für einen bestimmten Zeitraum 500 bis 800 °C ausgesetzt wird, was beim Schweißen vorkommen kann. Daher verursacht das Schweißen eine Sensibilisierung der „Wärmeeinflusszone“ entlang der Schweißnaht.

Durch die Sensibilisierung entsteht an den Korngrenzen Chromkarbid, was zu einem schlechten Chromgehalt an den Korngrenzen führt und bei dicken Rohrwänden (BBB 0,2 bis 3 mm) leicht zu intergranularer Korrosion von Edelstahl führt. Um diese Situation zu vermeiden, wird häufig „schweißbarer Stahl“ gewählt: beispielsweise Stahl der Güteklasse L, beispielsweise 304L, 316L, dessen Kohlenstoffgehalt weniger als 0,03% beträgt; Titanstabilisierter Stahl: 321,316 Ti.

Oberflächenbehandlung

Für die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl sind die Schweißqualität und die Wärmeeinflusszone, die Oberflächenrauheit und der Zustand der schützenden Oxidschicht wichtig. Der Oberflächenzustand von Edelstahl ist besonders wichtig für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie die Pharmaindustrie. Korrosionsprobleme in Brauereien werden oft durch unebene Oberflächenbedingungen verursacht. Während der Herstellung (Schweißen, Wärmebehandlung, Schleifen usw.) wird die passivierte Chromoxidschicht beschädigt, was die Korrosionsbeständigkeit verringert. Unzureichendes Schutzgas beim Schweißen von Edelstahl führt zur Bildung einer heißen Anlassfarbe. Diese porösen thermischen Anlassfarben bestehen aus verschiedenen Oxiden, die dazu neigen, Ionen wie Chloridionen zu absorbieren, wodurch die Korrosionsbeständigkeit verringert wird und das Grundmetall nicht geschützt wird.

Wenn thermische oder andere Arten von Verunreinigungen nicht akzeptabel sind, muss eine Art Metalloberfläche verwendet werden, um sie zu beseitigen. Durch Beizen oder Passivieren können die alte Oxidschicht, die Hitzerückfarbe und andere Verunreinigungen entfernt werden, sodass sich der passivierte Chromoxidfilm vollständig erholen kann. Das gängigste Beizverfahren besteht darin, Edelstahlrohre in eine gemischte Säurelösung aus Salpetersäure und Flusssäure zu tauchen, was auch durch ein Sprüh- oder Rohrspülsystem erfolgen kann. Obwohl die Oberfläche des Edelstahls nach dem Beizen aktiv ist, kann sich aufgrund der Reaktion von Chrom mit Sauerstoff in der Luft innerhalb von 24 Stunden ein Passivierungsfilm bilden, aber in einigen Fällen wird die Passivierung durch die Verwendung von Salpetersäure chemisch erleichtert.

Schweißen

Schweißnähte und wärmebeeinflusste Zonen sind häufig die Ursache für Korrosion. Für Brauereien und andere Lebensmittelhersteller sind Schweißfehler, wie z. B. mangelnde Durchdringung, von größter Bedeutung, da sie zu Hygiene- und Sterilisationsproblemen führen. Ingenieure und Einkäufer stellen häufig ungeeignete Schweißbedingungen und Schweißverfahren fest, die nicht korrekt ausgeführt werden können. Das Ergebnis sind Schweißnähte und Oberflächenzustände in der Konstruktion, die fertiggestellt werden müssen, von schlechter Qualität.

Thermische Wiedererhitzung wird dadurch verursacht, dass Licht in eine transparente Oxidschicht absorbiert wird, was auf die unterschiedliche Dicke der Oxidschicht zurückzuführen ist. Da die Farben unterschiedliche Brechungskoeffizienten haben, kann die blau aussehende Oxidschicht nur blaues Licht reflektieren und anderes Licht absorbieren. Dickere Oxidschichten haben mehr Löcher als vollständig transparente dünne Oxidschichten, daher verringern dickere Oxidschichten die Korrosionsbeständigkeit und die Nichthaftung von Edelstahl. Für die meisten Standards ist eine helle Strohfarbe der Wärmerückseite akzeptabel; alle anderen Wärmerückseitenfarben wie Rot und Blau sind nicht akzeptabel. Die Pharmaindustrie erlaubt kein Heißtempern.

Die Geometrie der Schweißnaht muss so regelmäßig wie möglich sein. Qualifizierte Schweißnähte beschädigen die Metalloberfläche des Substrats nicht. Korrosion beginnt oft in einem winzigen Nadelloch am Anfang/Ende einer Schweißnaht.

Theoretisch gibt es keine winzigen Nadellöcher, Lockerheiten oder andere Unebenheiten am Anfang/Ende. Eine gute Schweißdurchdringung ist sehr wichtig. Die Rohrleitung muss gut symmetrisch sein und die Breite der Schweißnaht muss festgelegt sein.

Oberflächenrauheit

Die Oberflächenrauheit beeinflusst die Hygiene- und Korrosionseigenschaften von Edelstahl. Die Korrosionsbeständigkeit der elektropolierten Oberfläche ist am besten, gefolgt von der mechanisch polierten Oberfläche. Im Allgemeinen wird in der Bierindustrie und der Nahrungsmittelindustrie die Verwendung elektropolierter Oberflächen nicht erzwungen, dennoch werden mit solchen Oberflächen hervorragende Hygienebedingungen erreicht und sie sind leicht zu reinigen. Die meisten Rohre werden bei der Herstellung blankgeglüht. Da das Blankglühen die Qualität stark verbessert, wird das Beizen im Inneren solcher Rohre oft nicht durchgeführt, es sei denn, die Materialoberfläche weist eine starke Wärmerückfärbung auf oder ist mit Eisen verunreinigt. Edelstahlbleche haben oft eine 2B-Oberfläche und eine gute Oberflächenleistung. In Brauereien werden am häufigsten dünnwandige, längs geschweißte Edelstahlrohre mit 2B-Beschichtung und manchmal einer weiteren Beschichtung (gebürstet oder poliert) auf der Außenseite verwendet. Extrudierte Edelstahlrohre werden in Brauereien nicht häufig verwendet; sie werden für Hochdruckzwecke eingesetzt.

Austenitische rostfreie Stähle sind die am häufigsten verwendeten rostfreien Stähle und machen etwa 75% des gesamten Edelstahlverbrauchs aus. Die rasante Entwicklung der chemischen und petrochemischen Industrie hat höhere Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit von rostfreiem Stahl gestellt. Beispielsweise hat der Edelstahl der Doppelqualitäten 304/304L einen geringeren Kohlenstoffgehalt, der weniger als 0,03% beträgt und den 304L-Qualitäten entspricht, während seine Streckgrenze und Zugfestigkeit höher sind als die Untergrenze von Edelstahl 304. Der Edelstahl kann definiert werden als 304/304L Edelstahl mit zwei Güteklassen, d. h. seine chemische Zusammensetzung entspricht der von 304L und seine mechanischen Eigenschaften entsprechen den Anforderungen von Edelstahl 304. Ebenso kann ein Edelstahlblech 304/304H-doppelzertifiziert werden, da es genügend Kohlenstoffgehalt aufweist, um die 304H-Anforderung (mindestens 0,040%) zu erfüllen, und außerdem die 304H-Anforderungen hinsichtlich Korngröße und Festigkeit erfüllt. Es gibt 316/316L und andere Edelstahl-Doppelqualitäten.

Am wichtigsten ist der Unterschied im Kohlenstoffgehalt und der daraus resultierenden Festigkeit. Kohlenstoff ist ein wirksames austenitisches Stabilisierungselement und kann als Verunreinigung oder Legierungselement betrachtet werden, das die Festigkeit von Edelstahl verbessert, insbesondere bei hohen Temperaturen. Der Kohlenstoffgehalt in den meisten austenitischen Edelstahlsorten liegt unter 0,02% bis 0,04%. Um nach dem Schweißen eine gute Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, wird der Kohlenstoffgehalt von Edelstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt unter 0,030% gehalten. Um die Hochtemperaturfestigkeit zu verbessern, wird der Kohlenstoffgehalt von Edelstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt oder „H“-Qualität bei 0,04% oder etwas höher gehalten.

Die kleineren Kohlenstoffatome in der kubisch-flächenzentrierten Struktur befinden sich in den Gitterlücken zwischen den größeren Cr-, Ni- und Mo-Atomen, die die Versetzungsbewegung begrenzen, die Duktilitätsverformung verhindern und den Edelstahl stärken. Unter Bedingungen steigender Temperaturen, wie sie beispielsweise beim Schweißen auftreten, neigt Kohlenstoff stark dazu, Chrom in der Edelstahlmatrix mit chromreichem Karbid auszufällen, und die zweite Phase neigt dazu, sich eher an der Korngrenze als in der Kornmitte auszufällen, sodass sich an der Korngrenze leicht Chromkarbid bildet.

Chrom ist ein notwendiges Element zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl, aber Chromkarbid wird aus der Edelstahlmatrix entfernt, sodass die Korrosionsbeständigkeit hier schlechter ist als bei der übrigen Edelstahlmatrix. Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts kann den Temperaturbereich erweitern, sodass die Zeit der Sensibilisierung oder des Verlusts der Korrosionsbeständigkeit verkürzt wird. Eine Verringerung des Kohlenstoffgehalts kann die Bildung von Karbid beim Schweißen verzögern oder vollständig vermeiden. Kohlenstoffarme Güten wie 304L und 316L haben einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,030%, die meisten höher legierten Austenitgüten wie 6%Mo Edelstahl haben einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,020%. Um den Festigkeitsverlust aufgrund des verringerten Kohlenstoffgehalts auszugleichen, wird manchmal ein weiteres Zwischenelement, Stickstoff, hinzugefügt, um den Edelstahl zu stärken.

Edelstahl mit zwei Güteklassen hat sowohl die hohe Festigkeit von herkömmlichem Edelstahl als auch die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl mit ultraniedrigem Kohlenstoffgehalt. Er kann das Problem der schwachen Schweißnahtleistung der meisten austenitischen Edelstahlsorten lösen und wird häufig in Niedertemperatur-LNG-Empfangsstationen und Rohrleitungen mit großem Durchmesser verwendet. Der Preis von Edelstahl mit zwei Güteklassen ist im Grunde der gleiche wie der von Edelstahl mit ultraniedrigem Kohlenstoffgehalt. Mittlerweile können mehrere chinesische Stahlwerke die Güteklassen für den reifen Markt liefern. Bei Interesse kontaktieren Sie uns bitte.