11/12 - Verein österreichischer Gießereifachleute

GIESSEREI-RUNDSCHAU 58 (2011) HEFT 11/12
Fortschrittlicher martensitischer rostfreier
Stahl für Wasserturbinen*)
Advanced Martensitic Stainless Steel for Hydro Turbines*)
Marko Tandler,
PhD in Metallurgy, ist Leiter der Qualitätssicherung
bei LitostrojSteel Ltd. Daneben ist er auch
an der Universität in Ljubljana im Bereich
Materialkunde an Forschungsprojekten über
superkritische hochtemperaturbeständige Materialien
und Korrosionsmechanismus engagiert.
Miroslav Gnamuš,
M. Sc. in Metallurgy, ist Geschäftsführer und
größter Aktionär der Litostroj Steel Ltd.
Aleš Mikuž,
BSc in Metallurgy, ist Produktionsleiter bei
Litostroj Steel Ltd. Er ist auch für den Bereich
Optimierung von Wärmebehandlung, Umweltschutz
und Abfallreduzierung nach IPPC zuständig.
Schlüsselwörter: Martensitischer rostfreier Stahlguss, NMT
New Molding Technology, Stahlguss für Wasserturbinen,
SC13/4 Stahlguss
Kurzfassung
Martensitische rostfreie Stähle vom Typ 13Cr/4Ni (CA6NM,
GX5CrNi13.4) kommen häufig in der Fertigung von hydraulischen
Komponenten wie Turbinenschaufeln, Läufern und
Regelteilen zum Einsatz. Die meisten dieser großen und kompliziert
gestalteten Komponenten werden gegossen. Allerdings
hängen die mechanischen Eigenschaften von Gussteilen
von deren Wandstärke ab und werden mit zunehmender
Wanddicke immer niedriger. Komplizierte hydraulische Profile,
die eine gute Leistung gewährleisten, werden oft durch
Kombination von dünnen und dicken Wandbereichen im
selben Gussstück erzielt, wie dies z. B. bei Francis- oder Kaplanschaufeln
der Fall ist.
Als einer der führenden Hersteller gegossener Läuferkomponenten
hat die Litostroj Steel GmbH kürzlich ein neues
Produktionsverfahren von dickwandigen Teilen aus Stahlguss
13Cr/4Ni entwickelt, das in einem hervorragenden
Gusswerkstoff namens SUPERCOOLED 13/4 resultiert.
SUPERCOOLED 13/4 wird durch Anwendung eines einzigartigen
Form- und Gießverfahrens erzielt, basierend auf
speziell entwickelten Stahl-Formkästen für den Abguss von
MRP-AOD**)-Edelstahl. Dadurch werden gleichmäßigere
und deutlich schnellere Abkühlgeschwindigkeiten in allen
Gussquerschnitten erzielt.
Durch Einsatz des neuen Formverfahrens kann beispielsweise
die Abkühlzeit einer 25 t schweren Kaplanschaufel
vom flüssigen Zustand bis zum Auspacken von früher 15 Tagen
auf 4 Tage verkürzt werden.
Hohe Erstarrungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten
ver ursachen kleinere Kristallkörner in allen Bereichen des
Gussteiles, insbesonders auch in dickwandigen Querschnitten.
Dieser Effekt trägt deutlich zur Verbesserung und Vergleichmäßigung
der Mikrostruktur im ganzen Gussteil bei
und sichert damit auch gleichmäßigere und verbesserte mechanische
Eigenschaften, was den Konstrukteuren wiederum
mehr Spielraum bei der Auslegung der Komponenten bietet.
1. Einleitung
Stromerzeugung aus Wasserkraftwerken ist mindestens so wichtig
wie die aus Kohle- und Kernkraftwerken. Stromerzeugung
aus Wasserkraftwerken ist saubere, erneuerbare Technologie
ohne CO 2 -Emissionen und mit wenigen Ausnahmen auch mit
sehr geringem Einfluss auf die Umgebung. Die Schlüsselelemente
eines Wasserkraftwerks sind Turbinenläufer und Regelteile
zur Wasserregulierung.
Edelstahlguss, besonders des Gütegrades 13Cr/4Ni (CA6NM,
GX5CrNi13.4), mit hoher Festigkeit, Steifigkeit, hervorragender
Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit im Vergleich zu
herkömmlichen Gussstählen, wird häufig für die Fertigung von
Turbinenläufer-Schlüsselkomponenten verwendet [1] bis [3].
Allerdings sind zur Erzielung hoher Wirkungsgrade große
und komplex gestaltete Bauteile zu gießen. Das bedeutet, dass
komplexe hydraulische Profile, die zur Erzielung einer guten
Leistung notwendig sind, nur durch Kombination von dünnen
und dicken Wandbereichen im selben Bauteil erzielt werden
können, wie dies z. B. bei Francis- und Kaplanschaufeln der
Fall ist. Die mechanischen Eigenschaften von Gussteilen hängen
auch von deren Wandstärke ab und werden mit zunehmenden
Wanddicken immer geringer.
Zahlreiche Forschungsarbeiten wurden in der Vergangenheit
durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen den mechanischen
Eigenschaften, dem Gießverfahren und der Wärmebehandlung
von Edelstahl 13Cr/4Ni festzustellen [1] bis [4]. Die
industrielle Umsetzung dieser Daten ist nur mangelhaft dokumentiert
und das Feedback der Anwender über Erfahrungen in
der Praxis begrenzt.
Die Erfahrungen aus der Industrie zeigen, dass die mechanischen
Eigenschaften meistens mit der Gussstückwandstärke variieren.
Auch weichen die mechanischen Eigenschaften im Bauteil
von den an Testkupons gemessenen Eigenschaften ab und
können in dicken Bereichen sogar niedriger sein. Dicke Querschnitte
sind auch oft die höchst belasteten Bereiche eines Gussteils.
Das Hauptziel der Forschungsarbeiten in Litostroj war die
Entwicklung eines solchen Herstellungsverfahrens, das zu einer
Vergleichmäßigung der mechanischen Eigenschaften im gesamten
Gussquerschnitt führt. Dadurch sollten innere Spannungen
und Fehlstellen reduziert und insbesondere die Neigung zur Mikrorissbildung
als potentieller Quelle für Ermüdungsrisse im
Betrieb vermindert werden; zur Gewährleistung eines langen
und stabilen Betriebes.
Das speziell entwickelte Formverfahren hatte eine deutlich
schnellere Abkühlung nach dem Gießen zur Folge und führte,
trotz Angst der Gießer vor thermischen Spannungen, zu einigen
Vorteilen.
Die schnellere Abkühlung wurde durch Verwendung spezieller
Formkästen (Rapid Cooling Frames – RCF) erzielt. Dabei
sind die Kühlelemente an die Modell- bzw. Gussteiloberflächen
angepasst und dienen gleichzeitig auch zur Formsand-Unterstützung.
Auf diese Weise können die Sandschichten auf ein
Minimum reduziert werden.
Aufgrund dieses neuen Formverfahrens wurden wesentliche
Fortschritte im Hinblick auf eine Reduzierung der erforderlichen
Formsandmenge, der Fertigungszeit und der Wiederholbarkeit
in der Herstellung erreicht. Die Abkühlung der Guss teile
erfolgte schneller und gleichmäßiger über den ganzen Quer-
*) Vorgetragen von M. Gnamuš bei der 2011 Hydro Vision Brazil Conference
am 22. Sept. 2011 in Rio de Janeiro, Brasilien
**) MRP-AOD = Metal Refining Process – Argon Oxygen Decarbura -
tion
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