Sande Stahlguss GmbH - Entwicklung von Cobalt-Bor legierten Gusswerkstoffen

Autor: Mirco Kappler, Sande Stahlguss GmbH, Vertrieb

Sande Stahlguss GmbH (SSG) ist eine Kundengießerei, die Stahlguss hauptsächlich für Kraftwerkskomponenenten fertigt. Seit 2011 fertigt SSG Gussteile aus dem neuartigen hochlegierten, 9% chromhaltigen Cobalt-Bor Stahl (GX13CrMoCoVNbNB9-2-1; CB2), mit dessen Hilfe der Wirkungsgrad erhöht und einhergehend die C02-Emissionen deutlich gesenkt werden können.

Motivation zum Einsatz des Stahles CB2

Angesichts eines weltweit wachsenden Energiebedarfes und knapper werdender fossiler Brennstoffen versuchen die Kraftwerksbetreiber und Kraftwerksbauer in den industrialisierten Ländern die Wirkungsgrade ihrer Anlagen zu verbessern. Zudem haben sich zahlreiche Industrienationen inkl. China zur Reduktion der CO2-Emissionen verpflichtet. Gepaart mit dem Ausstieg aus der Kernkraft in Deutschland ergibt sich global ein erheblicher Bedarf für den Neubau und die Auf- bzw. Umrüstung bestehender Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen. Während in den Entwicklungs- und Schwellenländern eher auf ein günstiges Preis-Leistungs- Gefüge und eine robuste Kraftwerkstechnik wert gelegt wird, wird in industrialisierten Ländern nach Mitteln und Wegen gesucht die Effizienz bestehender Anlagen zu erhöhen oder neue Kraftwerke mit sehr hohen Effizienzgraden zu errichten. Beispielgebend hierfür ist das GuD-Kraftwerk „Irsching“, das von SIEMENS gebaut wurde.

Im weltweiten Durchschnitt weisen Steinkohlekraftwerke ungefähr einen Wirkungsgrad von 44% auf. Der Großteil der eingesetzten Energie bleibt ungenutzt. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Wirkungsgrade bieten die sogenannten GuD-Kraftwerke („Gas und Dampf“), die über einen weiteren Kreislauf den Dampf erneut erhitzen und für die Stromerzeugung nutzen. Dadurch werden Wirkungsgrade von ca. 50% erreicht. Gekoppelt mit Fernwärme lässt sich der Wirkungsgrad nochmal steigern (vgl. Abbildung 1).

Unabhängig von der konstruktiv optimierten Kraft-Wärme-Kopplung oder den GuDKraftwerken kann der Wirkungsgrad über höhere Einsatztemperaturen gesteigert werden. Ziel ist es dabei, die Wärmeverluste zu minimieren und Turbinen bei höheren Temperaturen zu betreiben. Ein gewünschter Nebeneffekt der Steigerung des Wirkungsgrades mittels Erhöhung der Betriebstemperaturen ist die Reduktion des CO2-Ausstoßes. Konventionelle Kraftwerksstähle müssen Temperaturen von 560°C und Drücke von ca. 250 bar im Dauerbetrieb aushalten. Hochlegierte 9% Chrom-Stähle wie z.B. „P91“ werden bei Temperaturen bis zu 600°C und Drücken bis 270 bar eingesetzt. Die Effizienz der Kraftwerksanlagen aus P91-Stahl wird von SIEMENS mit ca. 45,3% beziffert. Durch Verwendung des CB2-Stahl ließe sich die Einsatztemperatur auf bis zu 620°C und einhergehend der Wirkungsgrad um beinahe einen Prozentpunkt auf 46% erhöhen. Die Erhöhung des Wirkungsgrades um 1%-Punkt ergibt ein Einsparpotenzial von bis zu 2,4 Mio. t CO2 zugrunde bei einer Kraftwerkslaufzeit von ca. 30 Jahren ausgehend von einer 700 MW Turbine (siehe Abbildung 2) [3]. Darüber hinaus ließen sich 2.000 t NOx, 200 t SO2 und 500t Partikelemissionen einsparen.

Entwicklung von Stahl CB2

Im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte wird kontinuierlich an der Entwicklung neuer Werkstoffe geforscht. Insbesondere die Zeitstandsfestigkeit bei Temperaturen über 600°C steht hier im Mittelpunkt des Interesses der Werkstoffexperten. Die Sande Stahlguss GmbH beteiligt sich intensiv in Ausschüssen und Arbeitskreisen an der Entwicklung und Erforschung dieser Werkstoffe, insbesondere in der Forschungsvereinigung „Warmfeste Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe“. Parallel dazu wird im eigenen Haus auftragsbegleitend die Optimierung der technischen Parameter vorangetrieben. Insbesondere werden die Bereiche Metallurgie, Qualitätswärmebehandlung, Schweißverfahren und zerstörungsfreien Prüfverfahren weiterentwickelt. Neben Forschungsergebnissen aus der Forschungsvereinigung liegen SSG eigene Ergebnisse für die Zeitstandsfestigkeit für den Werkstoff CB2 verschiedener Schmelzmetallurgien (LBO/AOD) und Wärmebehandlungen vor. Die Ergebnisse liegen im und über der Bandbreite, wie sie im Arbeitskreis anhand der vorhandenen Proben gemessen und prognostiziert werden.

Bei dem Stahl CB2 (GX13CrMoCoVNbNB9-2-1) handelt es sich um eine Weiterentwicklung der konventionellen warmfesten Stähle P91, P911 und P92 mit dem Ziel höhere Betriebstemperaturen bei mindestens gleichen mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Dies wird durch geringe Analysevariationen und insbesondere durch das gezielte Zulegieren von Cobalt und Bor erreicht.

Die Vorteile vom Werkstoff CB2 für Anwendungen im hochkritischen Dampfbereich liegen auf der Hand. Es wurde in den Arbeitskreisen und diversen Forschungsvorhaben nachgewiesen, dass die Zeitstandsfestigkeit des CB2 bei gleicher Temperatur und gleichem Druck über den Werten der konventionellen 9%-chromhaltigen hochlegierten Stählen liegt. Die Betriebstemperaturen können erhöht werden und bei gleicher Belastung könnten die Wandstärken dünner ausgeführt werden, was wiederum signifikante Materialeinsparung mit sich bringt. Dünnere Wandstärken haben ebenfalls eine Reduktion der thermischen Belastung zur Folge [1].

Produktion von Gussteilen aus Stahl CB2

Trotz der intensiven langjährigen Forschungsarbeit in Europa haben europäische Kraftwerksbauer diesen hochmodernen Stahl kaum im Einsatz. Vielmehr schreitet die Konkurrenz aus China hier voran. Sande Stahlguss hat von 2011 bis heute bereits 500 t Guss in dem Werkstoff CB2 hauptsächlich für chinesische Kraftwerke geliefert. Die Produktpalette konzentriert sich hierbei auf Ventile und Innengehäuse für hochkritische Dampftemperaturbereiche bei hohen bis sehr hohen Drücken. Entsprechend den Belastungen sind die Wandstärken der gelieferten Produkte bis zu 300 mm dick. Die Stückgewichte liegen in einer Bandbreite von 1,5 bis 25 t Stückgewicht. Konstruktionsschweißungen (artgleich und artfremd) sind ebenfalls Bestandteil des Lieferspektrums.

Bei der Herstellung der Schmelze sind die teils sehr engen Vorgaben der Kunden zu beachten, die mehr oder weniger variieren. Die sehr engen Kundenvorgaben stellen höchste Anforderungen an die sekundärmetallurgische Behandlung. Insbesondere setzen die zu erzielenden Gasgehalte den Einsatz eines AOD Konverters voraus. Damit wird nochmals die Investition der Sande Stahlguss GmbH in einen AOD Konverter bestätigt, die zunächst mit Blick auf rostfreie, kaltzähe, konventionelle warmfeste und Duplexstähle getätigt wurde. Bei den rostfreien und kaltzähen Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist eine ausreichende Entkohlung zwingend notwendig. Bei allen Stahlsorten wirkt sich die damit erreichbare größere Reinheit des Stahls sehr positiv auf die mechanischen Eigenschaften und generell auf die Fertigung von Bauteilen aus diesen Stählen aus.

In den nachfolgenden Prozessen, wie vor allem der Qualitätswärmebehandlung, profitiert die SSG von der langjährigen Erfahrung mit konventionellen warmfesten Stählen wie dem P91, dem P911 oder dem P92. Dadurch ist auch beim CB2 Stahl eine gezielte Wärmebehandlung zur Erreichung der hohen Kundenansprüche an die jeweiligen mechanischen Eigenschaften prozesssicher durchführbar.

CB2 verhält sich aus produktionstechnischer Sicht noch diffiziler als die bisherigen konventionellen warmfesten Stähle. Sowohl aus gießtechnischer Sicht als auch beim Schweißen weist die SSG große Erfahrung auf und beherrscht die Prozesse für Fertigungs- und Konstruktionsschweißungen. Zur weiteren Optimierung der Fertigung werden derzeit erst kürzlich entwickelte Drähte für das MAG-Schweißen erprobt. Durch die gesammelten Erfahrungen von nunmehr ca. 500 t Versandgewicht in allen Bereichen der Fertigung, konnten die Durchlaufzeiten signifikant reduziert werden. Sicherlich ist das neben der außerordentlich hohen Qualität ein weiterer Grund, weshalb die Kunden weitere Aufträge in CB2 von ca. 400 t Versandgewicht bei der Firma Sande Stahlguss GmbH platziert haben.

Fazit

Der Einsatz von hochmodernen, hochlegierten CB2-Stählen in der Kraftwerkstechnik erlaubt höhere Betriebstemperaturen im Vergleich zu konventionellen Stählen. Dadurch kann die Effizienz der Anlagen gesteigert und der CO2-Ausstoß reduziert werden. Sande Stahlguss arbeitet aktiv an der Entwicklung neuer Stähle mit und empfiehlt sich als zuverlässiger Partner in der Werkstoffentwicklung. Nebenbei leistet die Firma Sande Stahlguss GmbH einen wertvollen Beitrag zur Reduktion der CO2-Emissionen.

Literatur/Referenzen:

[1] Vanstone, R./Chilton, I./Jaworski, P. (2013): Manufacturing Experience in an Advanced 9%CrMoCoVNbNB Alloy for Ultra-Supercritical Steam Turbine Rotor Forgings and Castings. In: Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 135(6).

[2] Franke, J./Kral, R./Wittchow, E. (1999): Steam Generators for the Next Generation of Power Plants, Aspects of Design and Operating Performance, Siemens AG Power Generation Group KWU, in: VGB Power Tech 12/99, <link http: www.energy.siemens.com co pool hq power-generation power-plants steam-power-plant-solutions steam_generators_for_the_next_generation_of_power_plants.pdf _blank external-link-new-window externen link in neuem>

www.energy.siemens.com/co/pool/hq/power-generation/power-plants/steam-power-plant-solutions/benson%20boiler/Steam_Generators_for_the_Next_Generation_of_Power_Plants.pdf

[3] SIEMENS (2014): Abbildung 2: Wirkungsgraden für  verschiedener Werkstoffvarianten. Quelle: www.energy.siemens.com/hq/pool/hq/power-generation/power-plants/steam-power-plant-solutions/benson%20boiler/efficiency_458px_72dpi.jpg ;recherchiert am: 27.05.2014.

also available in: <link record:tt_news:14285 internal-link>