Stahlreport 2017.01

Werkstoffe
und Produkte
Berichte/Nachrichten
Im Projekt Z-Ultra wurde
ein 12-Tonnen-Schmiedestück
als Demonstrator hergestellt.
Foto: Saarstahl
Neue Chromstähle für Hochtemperaturanwendungen
Europäische Errungenschaften
Das Konsortium des EU-Projekts „Z-Ultra“ unter Leitung des Frauenhofer IWM hat neue
12 %-Chrom-Stähle für Hochtemperaturanwendungen entwickelt, die bis zu 30 % fester als
herkömmliche 9 %-Chrom-Stähle sind und im Kraftwerk längere Zeit höhere Temperaturen
und Drücke aushalten. Entsprechende Betriebstemperaturen in Gas- und Kohlekraftwerken
bedeuten höhere Wirkungsgrade und damit weniger CO 2
-Ausstoß.
Der Temperaturerhöhung sind
jedoch von Natur aus Grenzen gesetzt.
Die in Kraftwerken eingesetzten Werkstoffe,
in der Regel Stähle, verlieren
mit steigender Temperatur ihre Festigkeit
und halten den in Turbinen
und Rohrleitungen herrschenden
Belastungen nicht mehr stand. Zudem
nimmt die Korrosion mit steigender
Temperatur deutlich zu. Ingenieure
arbeiteten deshalb an der weiteren
Verbesserung der Stähle, sodass mit
den heutigen 9%-Chrom-Stählen Be -
triebstemperaturen von 615 °C möglich
sind – gegenüber maximal 300 °C
vor 100 Jahren.
Um die Betriebstemperatur weiter
zu steigern, ist ein höherer Chromgehalt
im Stahl erforderlich. Das Element
Chrom hat die angenehme
Eigenschaft, eine schützende Chromoxidschicht
auf der Stahloberfläche
zu bilden und das umso wirkungsvoller,
je höher der Chromgehalt ist.
„Nun gibt es aber leider einen Pferdefuß,
der die Nutzung höherer
Chromgehalte bisher verhindert hat:
Die bemerkenswerte Festigkeit der
derzeit besten warmfesten Stähle
beruht nämlich auf fein verteilten
Nitrid-Teilchen“, erklärt Prof. Dr. Hermann
Riedel, Projektleiter am Fraunhofer-Institut
für Werkstoffmechanik
IWM. Chromatome können bei den
Betriebstemperaturen in diese Teilchen
einwandern und sie damit in die
sogenannte Z-Phase umwandeln. Auf
Kosten der feinen Nitride entstehen
dann grobe Z-Phasenteilchen, die für
die Festigkeit nutzlos sind. „In den
derzeitigen 9 %-Chromstählen dauert
diese unerwünschte Umwandlung
Jahrzehnte, während sie bei 12 %
Chromgehalt schon in einem Jahr zu
einem nicht tolerierbaren Festigkeitsabfall
führt“, so Riedel. Deshalb seien
die 12 %-Chromstähle bisher nicht in
Kraftwerken einsetzbar, da diese ja
für eine Lebensdauer von mehr als
zehn Jahren ausgelegt werden.
„Wir haben uns im Projekt Z-Ultra
das Ziel gesetzt, die grobkörnige,
spröde Z-Phase in ihrem Wachstum so
zu beeinflussen, dass sie nicht mehr
schädlich ist, sondern den Stahl im
Gegenteil stabiler macht“, erklärt Riedel.
„Wir haben Legierungszusammensetzungen
und Herstellungsverfahren
gesucht und gefunden, welche
die Z-Phase ganz fein im Stahl verteilt
– das führt zu einer langfristig stabilen
Teilchenstruktur“, so der Physiker.
Die besten der sieben im Projekt
neu entwickelten Legierungen sind
demnach rund 30 % fester als die herkömmlichen
9 %-Chromstähle, haben
eine zehn Mal höhere Lebensdauer
unter gleichen Belastungsbedingungen,
und ihre Korrosionsfestigkeit ist
erheblich besser.
Rohre aus den neuen Werkstoffen
wurden unter Bedingungen getestet,
die denen im Überhitzer eines Kraftwerks-Wärmetauschers
nahe kommen:
heißer Wasserdampf im Inneren
und korrosive Verbrennungsgase und
Aschepartikel an der Außenseite. Die
Versuche zeigten, dass das Korrosionsverhalten
der Werkstoffe bis
647 °C immer noch sehr gut war. Die
schützenden Oxidschichten waren
gleichmäßig gewachsen – auf der
Außenseite dicker als auf der Innenseite.
Einige Rohre wurden auch im
echten Kraftwerksbetrieb getestet.
Sie wurden inzwischen entnommen,
untersucht und erneut für Langzeittests
in ein Kohlekraftwerk eingesetzt.
An dem EU-geförderten Projekt
Z-Ultra beteiligten sich unter der Leitung
des Fraunhofer-Instituts für
Werkstoffmechanik IWM sechs weitere
Forschungsinstitute sowie je ein
Stahlhersteller, ein Kraftwerksbetreiber
und eine Ingenieur-Beratungsfirma
aus der EU bzw. aus den östlichen
Partnerländern Ukraine,
Georgien und Armenien. 2
24 Stahlreport 1/2|17